1. 서 론

탄화규소 (SiC, Silicon Carbide)는 높은 임계 전계와 열전도도 특성을 보유하므로 작은 면적으로도 전기적 특성을 확보할 수 있어 전력반도체 제작에 적합한 재료이다 ^(1-2). 그러나 SiC 소재의 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터 (MOSFET, Metal-Oxide-Semiconductor Field effect Transistor)의 전기적 특성은 공정 편차에 큰 영향을 받으므로 공정 산포에 둔감한 설계가 요구된다.

본 논문은 1.2 kV SiC MOSFET의 활성영역과 종단영역에서 안정적인 전기적 특성을 확보하기 위한 조건을 찾기 위한 것으로써, 공정변수에 따른 문턱전압과 항복전압 분석을 통해 공정 산포에 강한 설계를 목표로 한다.

2. 시뮬레이션 방법

본 논문에서는 Synopsys 사의 TCAD simulator를 통해 활성영역과 종단영역에서 공정변수에 따른 전기적 특성을 확인하였다. 그림 1은 설계한 1.2 kV SiC MOSFET의 활성영역 단면을 나타낸 것이다. 셀 간격은 6 μm이며, Drift 층의 농도와 두께는 각각 8×$10^{15}$ $cm^{-3}$, 10 μm로 설정하였다. n-source의 깊이와 농도는 각각 0.15 μm, 1×$10^{20}$ $cm^{-3}$이며, p-source의 깊이와 농도는 각각 0.20 μm, 1×$10^{20}$ $cm^{-3}$이다. 시뮬레이션에는 고농도 불순물 주입에 의한 소자 내의 밴드갭 감소 현상을 반영하기 위해 OldSlotboom 모델을 사용하였고, 재결합 및 항복전압 특성을 반영하기 위해 SRH (Shockley-Read-Hall), Auger 재결합 모델과 Okuto 애벌런치 모델을 포함하였다.

3. p-base 농도에 따른 문턱전압 및 항복전압

문턱전압과 항복전압 특성 확보를 위해 p-base의 농도 구간을 문턱전압에 영향을 주는 표면 지점과 항복전압에 영향을 주는 바닥 지점으로 나누었다 ⁽³⁾.

p-base 표면 농도 프로파일은 완전 이온화와 불완전 이온화 여부, 산화막의 두께와 게이트 산화막 내에 존재하는 전하 (Oxide Charge, $Q_{ss}$)의 영향을 고려하였고, p-base의 바닥 농도 프로파일은 $SiO_{2}$와 SiC 계면의 전계를 고려하여 p-base 농도에 따른 항복전압 분석을 통해 결정하였다.

문턱전압은 2.5 V 이상 3 V 미만을 만족하고, 활성영역과 종단영역의 항복전압은 각각 1.2 kV의 120 %인 1440 V와 1.7 kV의 120 %인 2040 V를 만족하는 것을 목표로 설정하였다. 고전압 차단 모드에서 SiC MOSFET은 높은 전계에 의해 주입된 Al의 완전 이온화를 가정할 수 있는 반면, 도통 모드에서 SiC MOSFET의 정확한 문턱전압을 구하기 위해서는 불완전 이온화를 고려한 p-base 농도에 대한 경향성 분석이 필요하다 ⁽⁴⁾. 그림 2는 $Q_{ss}$ = 4×1011 $cm^{-2}$인 조건에서 이온화 여부를 고려하여 p-base 농도에 따른 문턱전압 특성을 나타낸 것이다.

p-base의 농도가 8 ~ 9.5×$10^{16}$ $cm^{-3}$ 일 때, p-base 농도에 따른 문턱전압은 불완전 및 완전 이온화 여부와 상관없이 목표 문턱전압인 2.5 ~ 3 V를 만족하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 문턱전압 조절에 있어 불완전 및 완전 이온화 여부를 고려하지 않고 p-base 표면 농도 프로파일을 설계하는 것이 가능하다.

$SiO_{2}$ 두께는 p-base 농도와 더불어 문턱전압에 큰 영향을 미치는 변수이다. $SiO_{2}$ 두께 편차의 영향을 설계에 반영하기 위해 $SiO_{2}$ 두께 변화를 고려한 p-base 농도 설계가 요구된다. 그림 3은 $Q_{ss}$ = 4×1011 $cm^{-2}$, p-base의 농도가 9×$10^{16}$ $cm^{-3}$ 일 때, $SiO_{2}$ 두께에 따른 문턱전압 분포를 나타낸 것이다. 표준 공정에서 형성되는 $SiO_{2}$ 두께가 50 nm이고, 10 %의 공정 편차가 발생했을 때를 가정하여 $SiO_{2}$가 45, 50, 55 nm인 경우 p-base 농도에 따른 문턱전압 특성을 나타내었다. p-base 농도가 9×$10^{16}$ $cm^{-3}$ 일 때, $SiO_{2}$ 두께와 상관없이 목표 문턱전압인 2.5 ~ 3 V를 달성하는 것을 확인하였다. 따라서 $SiO_{2}$ 두께가 50 nm인 공정을 기준으로 $SiO_{2}$ 두께 편차가 ±10 %인 범위에서 목표 문턱전압을 확보할 수 있음을 알 수 있다.

$Q_{ss}$는 산화막 내 전하가 존재하지 않는 이상적인 경우의 문턱전압 값을 산화막 내 전하량을 산화막의 커패시턴스 값으로 나눈 만큼 이동시키는 것으로 알려져 있다 ⁽⁵⁾. 따라서, $Q_{ss}$에 따른 문턱전압 분포 확인을 통해 목표 문턱전압을 만족하는 농도 범위를 알아내는 과정이 요구된다. p-base 농도가 9×$10^{16}$ $cm^{-3}$이고, $SiO_{2}$ 두께가 50 nm인 조건에서 $Q_{ss}$에 의한 문턱전압 특성을 그림 4에 나타내어 목표 문턱전압을 만족시키는 $Q_{ss}$ 범위를 결정하였다. $Q_{ss}$ = 4×1011 $cm^{-2}$, 6×1011 $cm^{-2}$, 8×1011 $cm^{-2}$, 1×1012 $cm^{-2}$ 일 때, p-base의 농도에 따른 문턱전압은 각각 2.83, 2.37, 1.90과 1.44 V로 확인되었다. 따라서 목표 문턱전압인 2.5 ~ 3 V를 만족하기 위해서는 $Q_{ss}$는 6×1011 $cm^{-2}$ 미만의 값을 유지해야 한다.

목표 항복전압인 1440 V를 확보하는 p-base 바닥 농도 설계를 위해 p-base 농도에 따른 항복전압과 산화막과 SiC 계면에 인가되는 전계 분포 분석이 요구된다. 그림 5는 p-base 농도에 따른 항복전압과 항복전압이 1200 V, 1440 V, 그리고 1560 V일 때, p-base 농도에 따른 계면 전계의 최댓값을 나타낸 그래프이다. p-base 농도가 증가할수록 (< 8.4×$10^{17}$ $cm^{-3}$) 항복전압은 2500 V까지 증가하며, 1440 V 이상의 항복전압을 확보하기 위해서는 p-base 농도가 약 5.9×$10^{17}$ $cm^{-3}$ 이상이어야 함을 알 수 있다.

항복전압이 1200 V, 1440 V, 그리고 1560 V인 경우 모두 p-base 농도가 증가할수록 계면에 인가되는 최대 전계가 감소하며, 이는 p-base의 농도가 증가할수록 JFET 영역에 형성되는 공핍영역이 증가하여 게이트 산화막을 높은 전계로부터 보호하기 때문이다.

산화막의 파괴를 방지하기 위해 계면에서의 전계는 1.5 MV/cm 미만이어야 하는데, 항복전압이 1200 V, 1440 V, 그리고 1560 V인 경우 모두 p-base의 농도가 5.9×$10^{17}$ $cm^{-3}$ 이상인 범위에서 계면에서의 전계가 1.5 MV/cm 미만의 값을 갖는 것이 확인되었다. 따라서 JFET 영역과 접하는 p-base의 바닥 농도는 5.9×$10^{17}$ $cm^{-3}$ 이상이어야 한다.

4. 종단영역 구조에 따른 항복전압 변화

소자의 종단영역에 전계가 집중되는 현상으로 인해 고전압 차단 모드에서 종단영역에 걸리는 전계는 활성영역의 전계와 차이가 적고, 낮은 산포를 갖춰야 한다 ⁽⁶⁾. 2 kV 이상의 안정적인 항복전압을 확보하기 위해 공정 산포에 적은 영향을 받는 종단영역의 구조 및 파라미터를 설정하였으며, FLR (Field Limiting Ring)과 RA-JTE (Ring-Assisted JTE) ^(7-8)를 대상으로 항복 특성을 분석하였다.

5. Conclusion

활성영역의 경우 p-base의 표면 농도는 8 ~ 9.5×$10^{16}$ $cm^{-3}$, 바닥 농도는 5.9×$10^{17}$ $cm^{-3}$ 이상을 갖는 Retro-grade type의 구조를 가질 때 $SiO_{2}$ 두께 편차가 ±10 %인 범위까지 2.5 V ~ 3 V의 문턱전압과 1500 V 이상의 항복전압을 확보되는 것을 확인하였다.

종단영역에 RA-JTE를 적용할 경우, 첫 번째 링의 간격이 1.5 μm, 링 간격 증가 폭이 0.5 μm, 1.0 μm일 때 모두 2400 V 이상의 항복전압을 확보하는 것을 확인하였으나, 표면전하밀도와 임계 치수에 따른 항복전압의 균일도는 링 간격 증가 폭이 1.0 μm일 때가 0.01 %으로 링 간격 증가 폭이 0.5 μm인 경우에 비해 더 우수한 결과를 보였다.

따라서 활성영역의 p-base와 종단영역을 설계할 때, p-base의 표면 농도와 바닥 농도는 각각 8 ~ 9.5×$10^{16}$ $cm^{-3}$, 5.9×$10^{17}$ $cm^{-3}$이고, RA-JTE의 첫 번째 링 간격은 1.5 μm, 링 간격 증가 폭은 1.0 μm가 되도록 설계하는 것이 공정 산포에 강한 단위공정 설계에 적합하다는 결론을 내릴 수 있다.