3.1 p-shielding 유무에 따른 전기적 특성 평가

1.2 kV 급 SiC trench MOSFET의 게이트 산화막에 집중되는 전계를 억제하기 위해 기존 소자의 트렌치 옆에 p-shielding을 추가한 구조를 설계하여 기존 소자 대비 항복전압 특성 향상에 대해 분석하였다. 농도 7 × 1015 $cm^{-3}$, 두께 12 μm의 n형 4H-SiC 드리프트 층을 사용하였고, p-base와 N+, P+ 농도의 최댓값/접합 깊이는 각각 2.45 × 1016 $cm^{-3}$/0.92 μm, 2.5 × 1019 $cm^{-3}$/0.32 μm, 1.25 × 1020 $cm^{-3}$/0.84 μm이다. p-shielding의 농도가 높을수록 게이트 산화막 전계 집중 현상 억제에 효과적이지만 채널의 형성을 방해하여 도통 모드에서의 특성이 저하되기 때문에 3 × 1019 $cm^{-3}$의 농도로 고정한 후 모든 시뮬레이션을 진행하였다. 그림 1에서 표시된 바와 같이 A-A’는 트렌치와 드리프트 층을 가로지르는 점선이고, DPG는 트렌치와 p-shielding 사이의 거리이다.

그림. 1. p-shielding trench MOSFET 구조

Fig. 1. p-shielding trench MOSFET structure

기존의 SiC trench MOSFET은 SiC planar MOSFET에 비해 채널과 드레인 사이의 거리가 가까워 차단 모드에서 전계에 의한 게이트 산화막 파괴에 더 취약한 구조를 가진다. 그림 2의 (a)와 (b)는 각각 (a) 기존의 구조와 (b) p-shielding을 포함하는 구조의 1.2 kV 급 SiC trench MOSFET의 800 V에서의 전계 분포이다. 구조 (a)의 경우 드레인 전극에 바이어스를 증가시키며 인가하였을 때 전계가 게이트 산화막에 높게 집중되었으며, 이는 역방향 항복 현상이 일어나는 주된 원인임을 확인하였다. 구조 (b)의 경우 DPG를 0.5 μm로 고정했을 때 게이트 산화막에 집중되는 전계가 p-shielding으로 분산되면서 항복전압이 구조 (a)보다 1274 V 증가한 2124 V로 측정되었다.

그림. 2. (a) 기존의 구조와 (b) p-shielding을 포함하는 구조의 1.2 kV SiC trench MOSFET 800 V에서의 전계 분포

Fig. 2. Electric fields distribution at a 800 V of SiC trench MOSFET in a (a) conventional structure and (b) containing p-shielding structure

3.2 DPG에 따른 전기적 특성 평가

트렌치와 p-shielding 사이의 간격에 따른 전기적 특성을 확인하기 위해 DPG를 0.3 μm에서 0.7 μm까지 0.2 μm 씩 증가시키며 시뮬레이션을 진행하였다. 그림 3에 정격전압 1200 V가 인가되었을 때 A-A’ 점선에서의 각각의 DPG에 따른 전계 그래프를 나타내었는데, 모든 경우에서 트렌치를 감싸는 게이트 산화막의 전계가 가장 높은 수치를 가짐을 확인하였다. 또한 DPG가 감소할수록 p-shielding 구조에서부터 확장되는 공핍층으로 게이트 산화막에 집중되는 전계를 억제하여 항복전압 특성 향상에 효과적이다.

그림. 3. 정격전압 1200 V 인가 시 DPG에 따른 A-A’ 방향 단면 전계 분포

Fig. 3. Distribution of cross-section electric field in A-A’ direction according DPG to when rated voltage 1200 V is applied

그림 4에서, DPG가 0.3 μm일 때 차단 모드에서 항복전압은 2178 V로 상당히 높지만 소자가 도통 되었을 때 채널이 형성되지 않아 적합하지 않다. DPG가 0.7 μm일 때 낮은 온저항 특성을 가지지만 항복전압이 급격히 감소함을 보였다. 따라서 안정적인 항복전압을 유지하면서도 비교적 낮은 온저항 수치를 갖는 0.5 μm의 DPG가 본 시뮬레이션 조건에서 가장 최적화된 거리라는 결론을 내릴 수 있다.

그림. 4. DPG에 따른 온저항 및 항복전압 특성

Fig. 4. Characteristics of on-resistance and breakdown voltage according to DPG

3.3 p-base 도즈 최적화

그림 2에서 보인 바와 같이 p-shielding이 있는 1.2 kV 급 SiC trench MOSFET 구조가 항복전압 특성이 확연하게 개선됨을 알 수 있다. 하지만 동시에 도통 모드에서의 온저항 특성은 1.86 mΩ-cm2에서 3.33 mΩ-cm2으로 저하되었으며, 이는 p-base 도즈 최적화를 통해 개선할 수 있다. 1.2 kV 급 SiC trench MOSFET의 p-base 도즈에 따른 전기적 특성을 확인하기 위해 p-base의 도즈를 2.8×1012 ~ 2.8×1013 $cm^{-2}$까지 증가시키며 시뮬레이션을 진행하였다. 그림 5에서, p-base의 도즈가 증가할수록 온저항도 함께 증가하는 경향성을 보임을 확인할 수 있는데, 이는 반전층을 형성하기 위한 SiC의 일함수가 커지기 때문이다. 따라서 p-base의 도즈가 낮을수록 낮은 온저항 특성을 갖는다는 결론을 내릴 수 있다. 또한 p-base의 도즈가 증가함과 동시에 문턱전압도 함께 증가하는데, 문턱전압의 기준점을 넘지 않을 정도에서의 p-base 도즈 최적화가 필요하다. p-base의 도즈가 2.8×1012 ~ 8.5×1012 $cm^{-2}$ 일 때 문턱전압은 2.5 ~ 4 V 사이의 수치를 가진다. 그림 6에서 p-base 도즈가 2.8×1012 $cm^{-2}$일 때 낮은 p-base 농도로 인한 펀치스루 현상이 발생함을 확인하였으며, 따라서 p-base 농도는 적정 수준 이상의 값을 가져야 한다. p-base는 특정 농도 이상에서 게이트를 안전하게 보호하기 때문에 항복전압은 p-base와 드리프트 층의 접합 깊이로 결정된다. p-base 도즈가 2.8×1012 $cm^{-2}$를 초과하는 경우 p-base의 농도가 증가함에 따라 접합 깊이가 큰 차이를 보이지 않기 때문에 약 1750 V의 항복전압이 일정하게 유지된다. 도통 모드와 차단 모드의 특성을 모두 고려하였을 때 p-base의 도즈가 8.5×1012 $cm^{-2}$일 때 비교적 낮은 온저항과 적정 문턱전압, 1560 V 이상의 안정적인 항복전압을 동시에 만족하는 최적화된 값을 가진다는 결론을 내릴 수 있다.

그림. 5. p-base의 도즈에 따른 온저항 및 문턱전압 특성

Fig. 5. Characteristics of on-resistance and threshold voltage according to the dose of the p-base

그림. 6. p-base의 도즈에 따른 항복전압 특성

Fig. 6. Characteristics of breakdown voltage according to the dose of the p-base