초록 ▼

1. 최종 개발목표

1200V급 SiC 쇼트키 다이오드와 2000V급 SiC 파워 MOSFET 소자 개발
1. 1200V급 쇼트키 다이오드 개발
- Termination설계, 스위칭 특성 설계, 이온주입 및 활성화 연구
- VR >1200V, IF>5A
- SBH: 1.2-1.45
- VF >1.8V @100A/㎠
- 누설전류<50nA
2. 2000V급 파워 SIC-MOSFET 개발
- BVDSS >2000V (0.2A)
- RDS(ON) <200mΩ-㎠

1. 최종 개발목표

1200V급 SiC 쇼트키 다이오드와 2000V급 SiC 파워 MOSFET 소자 개발
1. 1200V급 쇼트키 다이오드 개발
- Termination설계, 스위칭 특성 설계, 이온주입 및 활성화 연구
- VR >1200V, IF>5A
- SBH: 1.2-1.45
- VF >1.8V @100A/㎠
- 누설전류<50nA
2. 2000V급 파워 SIC-MOSFET 개발
- BVDSS >2000V (0.2A)
- RDS(ON) <200mΩ-㎠
- 문턱전압 <2.5V
- 이득지수 >20MW/㎠

2. 당해단계 개발내용 및 결과

내전압이 높고 순방향 전압강하가 작은 우수한 SiC 쇼트키 다이오드를 개발하였다. 개발된 SiC 쇼트키 다이오드 소자의 턴-온 전압은 쇼트키 금속의 종류에 따라 0.72～1.2V로 나타났다. 순방향 전압강하는 100A/㎠의 전류밀도에서 1.25～1.78V의 우수한 특성을 나타내었으며. 특히 본 연구에서 개발한 전계판 구조의 쇼트키 다이오드는 1200V 이상의 항복전압과 함께 순방향 전압강하가 1.6V(@200A/㎠)의 특성을 보여 동급의 실리콘 소자의 40% 수준의 저손실 소자를 실현하였다.
전계판 구조 및 JTE 방식의 표면 마무리에 의하여 1,200V를 상회하는 항복전압을 갖는 소자를 개발하였다. 이렇게 제작된 쇼트키 다이오드는 상온~ 300℃ 범위에서 온도가 증가함에 따라 항복전압은 오히려 높아지고, 순방향 전압강하도 오히려 감소하였으며, 이러한 특성은 개발된 SiC 쇼트키 다이오드가 300℃의 고온에서도 사용가능한 소자임을 보여주고 있다.
Active 영역의 크기가 커질수록 항복전압이 낮아지는 특성을 보였으며 특히 직경이 1㎜ 이상인 소자의 경우 순방향 특성이 우수함에도 불구하고 항복전압이 300V를 넘지 않았다. 이는 active 영역이 커질수록 SiC 웨이퍼의 결함의 양이 많아지기 때문에 항복전압이 낮아지는 것으로 해석되며, 이는 수 A급 전류용량을 가진 SiC 쇼트키 다이오드 개발에 있어 해결해야 할 중요한 재료 기술적인 장애로 해석된다.
ATLAS와 ATHENA 등의 각종 simulation tools을 사용하여 소자의 기본적인 특성을 분석하고, 소자의 기본적인 설계를 수행하였으며, 전계판(FP), 전계제한테(FLR), JTE등 세가지 junction termination 구조를 가지는 소자에서 순방향 및 역방향 특성을 simulation 하는 기술을 개발하였다.
MOSFET 제작공정기술 개발에 있어서 P형 well과 N형 소스 형성을 위한 이온주입 및 후열처리 기술을 개발하였다. 특히 Al이나 N 이온을 주입하여 이를 고온에서 활성화하기 위한 공정에서 표면이 거칠어지는 현상을, 두께 50nm 이상의 cap layer를 형성하는 방법을 개발하여 방지할 수 있었다.
또한 게이트 산화막으로서 사용 가능한 우수한 산화막의 제조 공법을 개발하였다. 4H-SiC를 1150℃에서 습식 산화하고 산화공정 후에 동일한 온도에서 30분간 추가 열처리함으로써, 10MV/㎝의 절연파괴전압과 Ec-E=0.6eV에서의 Dit값은 후 열처리를 하지 않은 경우 4×1011, 후 열처리를 거친 경우에는 2×1011의 값을 나타내는 양질의 산화막을 제조할 수 있었다. 7종의 마스크를 이용하여 수직구조 nMOSFET를 제작하여 특성을 측정하였다. 수평구조 pMOSFET를 제작하여 전류-전압 특성을 측정한 결과 문턱전압은 -5V로 측정되었으며 양호한 I-V 특성을 보였다.

3. 기대효과(기술적 및 경제적 효과)
1) 1200V급 SiC 쇼트키 다이오드 설계 및 제조기술 확보
- 상용전압에서 사용되는 각종 소자의 설계 및 제조기술 확보
- 내전압 등급 300V, 400V, 600V, 900V 및 1200V급 상업화 적용가능
2) SiC 쇼트키 다이오드 특허구조 확보
- 백투백 SiC 쇼트키 다이오드 특허구조(출원중)
- 향후 국가간 기술경쟁에 대?(출원중)
- 초고전압(수천V 이상) 소자개발을 위한 기초기술 확보

4. 적용분야
- 저손실 FRD(300～600V), 고전압 쇼트키 다이오드(300V급 이상)
- 자동차용 소자(고온, 저손실), 서어지 흡수소자
- 저손실 고전압 MOSFET(900～5000V급)

목차 Contents

• 목차
  제출문
  목차
  제 1 장 서 론
  제 1 절 전력반도체로서의 SiC
  ① SiC MOSFET 은 unipolar 소자임에도 , Si 바이폴라보다 온 - 저항이 작음
  ② 온 - 저항이 작고 고온동작이 가능하므로 칩 사이즈를 작게 할 수 있음
  ③ 칩 사이즈가 작고 unipolar 소자이 므로 고속 스위칭이 가능
  ④ 저비용으로 소형 , 경량화 가능
  제 2 절 SiC 쇼트키 장벽 다이오드 연구 동향
  1. 일반 현황
  2. 지금까지의 SiC 쇼트키 다이오드의 연구 소개
  제 3 절 SiC MOSFET 기술 현황
  1. SiC MOSFET 개요
  2. 파워 MOSFET 에서의 온 저항 분석
  3. SiC MOSFET 의 연구 동향
  제 2 장 고전압 SiC Schottky Diode 개발
  제 1 절 고전압 Schottky 다이오드의 특성
  1. 항복 전압
  2. 순방향 전압강하
  3. 역누설전류
  4. 전력 손실
  5. 스위칭 특성
  제 2 절 고전압 SiC Schottky Diode 설계
  1. Schottky 다이오드의 구조
  2. SiC Schottky 다이오드 Simulation
  3. 레이아웃 및 마스크 제작
  제 3 절 고전압 SiC Schottky Diode 의 제작
  1. SiC Schottky 다이오드 제작 공정 설계
  2. SiC Schottky 접합 및 Ohmic 접합
  제 4 절 고전압 SiC Schottky Diode 의 측정 및 분석
  1. 순방향 전압 특성
  2. 역방향 특성
  제 5 절 SiC 쇼트키 다이오드 결과 요약 및 결론
  1) A.O. Konstantinov, Q. Wahab, N. Nordell and U. Lindefelt, "I
  2) K. Shenai et al., Optimum Semiconductors for high-power elec
  3) K. Schoen, J. Woodall, J. A. Cooper, "Design Considerations
  4) T.P. Chow, et al., "SiC and GaN bipolar power devices", Soli
  5) C.E. Weitzel et al., "Silicon carbide high-power devices", I
  6) R. J. Trew et al., "The potential of diamond and SiC electro
  7) R. Raghunathan and B.J. Baliga, "P-type 4H and 6H-SiC High-V
  8) R. Raghunathan D. Alok and B.J. Baliga, "High Voltage 4H-SiC
  9) A. Itoh, T. Kimoto, and H. Matsunami, "High Performance of H
  10) A. Itoh, T. Kimoto, and H. Matsunami, "Excellent Reverse Bl
  11) K. Ueno, T. Urushidani, K. Hashimoto, and Y. Seki, "Al/Ti S
  12) D. Defives, O. Noblanc, C. Dua, C. Brylinski, M. Barthula,
  13) V. Saxena, J. Nong, and A. Steckl, "High-Voltage Ni- and Pt
  14) A.P. Knights et al., "Low Temperature Annealing of 4H-SiC S
  15) G. Brezeanu, et al., "A Nearly Ideal SiC Schottky Barrier D
  16) V. Khemka, "High Volatage Schottky barrier Rectifier and St
  17) J.A. Cooper, "Opportunities and technical strategies for si
  제 3 장 고전압 SiC MOSFET 제조
  제 1 절 SiC Power DIMOSFET 시뮬레이션
  1. Simulation 모델
  2. 순방향 특성분석
  3. 항복전압설계
  4. Simulation 결과
  제 2 절 SiC Power DIMOSFET 공정 설계
  1. MOSFET 제조공정 설계
  2. SiC Power MOSFET 마스크 설계 및 제작
  제 3 절 SiC Power DIMOSFET 제작 공정 연구
  1. align key 형성공정
  2. 이온주입 마스크 용 산화막 형성
  3. 이온주입 및 활성화 (Implantation & Activation)
  4. 게이트 산화막 제조공정
  5. 폴리실리콘 게이트 공정 (gate electrode 제조 공정 )
  6. 전계산화막 (field oxide) 공정 및 금속화 공정
  제 4 절 제조된 SiC MOSFET 소자의 특성
  1. Vertical DIMOSFET (Power MOSFET) 의 특성
  2. Lateral pMOSFET 의 특성
  제 5 절 SiC MOSFET 결과 요약 및 결론
  I. Harris, Appl. Phys. Lett. 68, 2141 (1996).
  제 4 장 연구개발 결과
  제 1 절 발명 특허
  1. SiC 쇼트키 다이오드 구조체
  2. SiC-MOSFET 및 그 제조방법
  3. 탄화규소 반도체 소자의 제조방법
  제 2 절 발표 논문 및 학술회의 활동
  1. W. Bahng et al., "Suppression of Macrostep Formation in 4H-S
  2. W. Bahng et al., "Effect of Pre-activation Anneal for Damage
  3. G. Song et al., "Co-Formation of Gate Electrode and Ohmic Co
  4. S.Y. Han et al., "Effect of Interfacial Reactions on the Ele
  5. K.H. Jung et al, "Titanium Based Ohmic Contact on p-type 4H-
  6. 방욱 외 , "SiC 단결정 성장기술 ", 전기전자재료학회지 15 권 제 6 호 , 3-10(2002).
  7. 김남균 외 , "SiC 고전압 소자기술 ", 전기전자재료학회지 15 권 제 6 호 , 11-17(2002).
  8. 방욱 외 , "SiC MOSFET 소자에서 금속 게이 트 전극의 이 용 ", 한국전기전자재료
  9. 송근호 외 , "Field oxide 를 이 용한 고전압 SiC 쇼트키 다이오드 350-353(2002).
  10. 송근호 외 , "SiC 웨이퍼의 이온주입 손상회복을 macrostep 형성 억제 ", 한국전
  11. 김남균 외 , "SiC 열산화막의 전극형성 조건에 따른 C-V 특성 변화 ", 한국전기전
  12. 김창교 외 , " 고전압 Ti/SiC 쇼트키 장벽 다이 오드 제작 및 특성 분석 ", 한국전기
  13. 김창교 외 , " 낮은 접촉저항을 갖는 Co/Si/Co n 형 4H-SiC 의 오옴성 접합 ", 한국
  14. S. Y. Han et al., "Ohmic contact formation mechanism of Ni
  15. N. K. Kim, et al, "SiC Schottky Diode for High Power Applic
  16. W. Bahng et al, "Suppression of Macrostep Formation in 4H-S
  17. W. Bahng et al., "SiC Bulk Single Crystal Growth Separated
  18. S. Y. Han, et al, "Ohmic contact mechanism on SiC", The 1st
  19. N.. K. Kim, "Low loss silicon carbide semiconductors", The
  20. S. Y. Han et al., "Ohmic contact formation mechanism in n-t
  21. 방 욱 외 , " 산화막을 이 용한 SiC 기판의 macrostep 형성 억 제 ", 전기전자재료학
  제 5 장 결론 및 향후계획
  제 1 절 저손실 SiC 전력소자의 기술적 평가
  1 ) San ken RG 2A2 fas t rec overy d i od e
  2 ) KEC B 5A90VI (90 V 급 실리콘 쇼트키 다이오드 1 2 개 직렬연결 가정하여 계산 )
  3 ) 본 연구개발품
  제 2 절 다음 단계 연구계획
  1. 쇼트키 다이오드 분야
  2. SiC MOSFET 분야
  그림목차
  ( 그림 3.2.7) 게이트를 형성시킨다 (mask #5). 소자 전극간의 passivation 을 위해