KR100424450B1 - 횡형 트렌치 전극 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 항복전압을 높임과 동시에 래칭 전류 밀도를 그대로 유지하면서 스냅-백 현상이 거의 없는 트렌치 전극 구조의 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터에 관한 것으로 산화막으로 형성된 p형 기판 상부에 n- 드리프트 층 영역을 형성하고 각각의 캐소드 전극, 게이트 전극, 애노드 전극을 트렌치 형 구조로 형성함으로써 스냅-백 현상이 거의 없고 2차적으로 발생하는 기생사이리스터에 의한 래치 업이 늦게 발생하여 기존의 소자에 비해 넓은 안전동작영역을 갖고 기존의 범용 수평형 에미터 스위치 사이리스터와 달리 높은 내압을 유지하고 전력반도체 산업의 스마트 파워 직접회로로 제작된 소자를 IC에 응용하여 시스템을 소형화할 수 있는 뛰어난 효과가 있다.

Description

횡형 트렌치 전극 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터 {Lateral dual channel emitter-switched thyristor}

본 발명은 횡형 트렌치 전극 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 항복전압을 높임과 동시에 래칭 전류 밀도를 그대로 유지하면서 스냅-백 현상이 거의 없는 트렌치 전극 구조의 횡형 트렌치 전극 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터에 관한 것이다.

종래의 기술로 에미터 스위치 사이리스터(특허 출원번호 10-1998-001011)와, 에미터 스위치 사이리스터(특허 출원번호 10-1998-001008)와, 에미터 스위치 사이리스터(특허 출원번호 10-1997-050389)와, 에미터 스위치 사이리스터(특허 출원번호 10-1996-065417)와, 에미터 스위치 사이리스터 및 이의 제조방법(특허 출원번호10-1997-054193)과, 에미터 스위치 사이리스터(특허 출원번호 10-1996-062036)의 기술이 있었다.

그리고 도 1은 종래의 횡형 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터의 구조도로 게이트 턴 오프 사이리스터에 비해 낮은 순방향 전압특성을 갖음과 동시에 전류 포화 특성을 갖으며 이러한 전류 포화 특성 때문에 에미터 스위치 사이리스터는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터와 같이 사이리스터 계열중 가장 우수한 안전동작 영역을 갖는다.

에미터 스위치 사이리스터의 순방향 전류-전압 특성은 게이트 전극(2)에 정의 전압을 인가하여 캐소드 전극(1)에서 나온 전자가 채널을 통하여 드리프트 영역에 주입되는데 주입된 전자전류는 pnp 트랜지스터의 베이스 전류로서 트랜지스터를 구동시키고 그 결과 홀들이 p+ 영역과 n+ 영역의 접합을 턴 온 시키게 되는데 이때 사이리스터가 동작하게 되는 것이다.

그러나, 애노드 전압이 계속 증가하여 홀의 주입이 많아지게 되면 캐소드 영역에 존재하는 p- 베이스층으로 들어가는 홀들이 많아지게 되며 구조적으로 존재하는 기생 사이리스터가 동작하게 된다.

이러한 종래의 기술은 에미터 스위치 사이리스터, 베이스 저항 사이리스터 그리고 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터와 같은 MOS 구동형 전력 반도체는 입력 임피던스가 높고 소자를 턴온할 때 온 전항이 작기 때문에 소모전력이 적게 든다는 장점이 있고 특히 에미터 스위치 사이리스터는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터와 달리 MOS 구동형 사이리스터로 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 제조공정과 같은 2중확산만으로 제작이 가능하기 때문에 3중 확산공정이 필요한 MOS 제어형 사이리스터에 비해 제작공정이 용이하고 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터는 게이트 구동에 의한 전류 포화 특성을 갖으며 넓은 안전 동작영역에서 동작이 가능한 장점이 있으나, MOS 구동형 사이리스터 에미터 스위치 사이리스터는 구조적으로 갖고 있는 기생 사이리스터의 래치-업으로 인해 전류포화 특성을 상실하게 되며 MOS 구동 사이리스터의 장점이있던 MOS 게이트에 의한 소자제어가 불가능한 문제점과, 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터를 수평으로 제작할 경우 순방향 저지영역에서의 항복전압은 드리프트 층의 길이가 매우 짧아지기 때문에 매우 낮게 측정되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 본 발명의 목적은 개발된 트렌치 전극 구조의 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터의 우수성을 증명하기 위하여 순방향 저지영역에서의 항복전압 그리고 순방향 동작에서의 전류-전압특성을 측정하고 각각의 특성을 증명하기 위해 소자들의 내부에서 일어나는 전계분포, 전류의 흐름도를 분석함으로써 항복전압을 높임과 동시에 래칭 전류 밀도를 그대로 유지하면서 스냅-백 현상이 거의 없는 트렌치 전극구조의 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터를 개발하는데 있다,

상기 본 발명의 목적은 산화막으로 형성된 p형 기판 상부에 n- 드리프트 층 영역을 형성하고 각각의 캐소드 전극, 게이트 전극, 애노드 전극을 트렌치 형 구조로 형성함으로써 스냅-백 현상을 보이지 않고 2차적으로 발생하는 기생사이리스터에 의한 래치업이 늦게 발생하여 종래의 소자에 비해 넓은 안전동작영역을 갖으며 높은 내압을 유지하는 횡형 트렌치 전극 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터를 제공함으로써 달성하였다.

도 1은 종래의 횡형 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터의 구조도,

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예의 횡형 트렌치 전극 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터의 구조도,

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예의 에미터 스위치 사이리스터와, 종래의 범용 에미터 사이리스터의 전류-전압 특성 곡선 그래프,

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예의 소자 정상 동작시 횡형 트렌치 전극 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터와, 종래의 횡형 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터의 전류 흐름도,(단 I_A= 100A/㎠)

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예의 래치 업 발생시 횡형 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터와, 종래의 횡형 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터의 전류흐름도,

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예의 횡형 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터와, 종래의 횡형 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터의 순방향 항복 특성 그래프,

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예의 항복현상 발생시 횡형 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터와, 종래의 횡형 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터의 3차원적 전계 분포도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 캐소드 2 : 듀얼 채널 게이트

3 : 애노드

이하, 본 발명의 구성을 바람직한 실시예를 들어 첨부된 도면을 참고로 상세히 설명한다.

도 2는 바람직한 실시예의 횡형 트렌치 전극 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터의 구조도로 산화막으로 형성된 p형 기판과 상기 p형 기판 상부의 n- 드리프트 층 영역과, 상기 n- 드리프트 층 영역의 상부에 캐소드 전극(1), 듀얼 채널 게이트 전극(2), 애노드 전극(3)이 형성되고 상기 n- 드리프트 층 영역의 상부의 캐소드 전극(1)과 듀얼 채널 게이트 전극(2) 사이에 n+ 캐소드 영역과, p+ 및 p- 베이스 영역이 형성되고 상기 n- 드리프트 층 영역의 상부에 듀얼 채널 게이트(2)와 애노드 전극(3) 사이에 막이 형성되어 n+ 플루팅 영역과 p- 베이스 영역이 형성되고 막과 애노드 전극(3) 사이에 p+ 영역과 n+ 버퍼 영역이 형성된 횡형 트렌치 전극 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터 구조이다.

상기 구조는 범용 에미터 스위치 사이리스터나 본 발명 에미터 스위치 사이리스터 모두 같은 동작원리에 의해서 동작하게 되지만 순방향 저지영역 센서는 기존의 범용 에미터 스위치 사이리스터의 경우 소자에 걸리는 전계가 모두 매몰 산화막 바로 위의 n- 드리프트 영역에 모두 걸리게 되어 펀치 스루우 항복이 빠르게 발생하는 반면에 제안된 에미터 스위치 사이리스터는 모든 전극이 트렌치 산화막으로 형성되어 있어 소자에 걸리는 전계가 산화막으로 집중하기 때문에 항복이 기존의 범용 에미터 스위치 사이리스터에 비해 더 높은 전압에서 발생하게 되는 것이다.

도 3은 바람직한 실시예의 본 발명 에미터 스위치 사이리스터와 종래의 범용 에미터 스위치 사이리스터의 전류-전압 특성 곡선 그래프로 두소자 모두 소자의 동작시 초기에 발생하는 스냅-백 현상을 거의 보여주지 않고 있으며, 바로 사이리스터 영역으로 동작한다는 것을 알 수 있다.

그러나, 두 소자 모두 기생 사이리스터에 의한 래치 업을 발생시키는 것을 볼 수 있는데, 래칭 전류밀도는 제안된 소자가 약간 작지만, 더 높은 애노드 전압에서 래치 업이 발생하여, 전류가 포화되는 영역이 넓기 때문에 우수한 안전동작 영역을 갖고 있는 것이다.

도 4는 바람직한 실시예의 소자가 정상 동작시 본 발명 횡형 트렌치 전극 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터와 종래의 횡형 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터의 전류 흐름도(단, I_A= 100A/㎠)로 기생 사이리스터가 동작하기 전에는 모두 p+ 애노드 → n+ 버퍼 → n 드리프트 → p 플로팅 영역 → n+ 플로팅 영역을 거처 캐소드 전극으로 흘러 들어가 사이리스터동작을 하고 있다는 것을 알 수 있고 본 발명의 횡형 트렌치 전극 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터소자 또한 기존의 소자와 같이 사이리스터로서 동작하고 있다는 것을 알 수 있다.

도 5는 바람직한 실시예의 래치 업 발생시 횡형 트렌치 전극 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터와, 종래의 횡형 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터의 전류 흐름도로 래치-업이 발생할 때의 각 소자의 전류라인을 도시한 것이고 종래의 에미터 스위치 사이리스터는 애노드 전압이 증가하면서 캐소드 쪽에 존재하는 p- 베이스 영역으로 들어가는 홀들이 많아지고 있음을 알 수 있다.

따라서, 사이리스터 동작보다는 래치 업에 의한 기생사이리스터 동작이 주 동작임을 알 수 있는 것이다.

그러나, 본 발명의 소자 경우에 있어서 구조상 반드시 사이리스터 영역을 지나가게 되어있어 p 베이스 영역으로 들어가는 홀들이 많아지고는 있지만 래치 업이 늦게 발생한다는 것을 알 수 있고 래치 업이 일어나기 전에는 전류가 포화되고 있다가 더 큰 애노드 전압에서 래치 업이 발생하는 것이다.

도 6은 바람직한 실시예의 횡형 트렌치 전극 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터와, 종래의 횡형 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터의 순방향 저지 영역에서의 항복특성을 도시한 것으로 항복전압은 게이트 전극에 0V를 인가한 상태에서 애노드 전압을 증가시켜 측정한 것으로 기존의 범용 에미터 스위치 사이리스터의 경우 애노드 전극에 1V이하의 전압을 인가하였음에도 불구하고 전류가 급증하여 항복이 일어나는 매우 불안한 동작을 보이고 있으며, n 드리프트 층의 길이가 항복전압에 끼치는 영향을 감안하여 소자의 드리프트 길이를 100㎛을 증가시켜 시뮬레이션을 수행해도 5V이내에서 전류가 급증하는 것을 볼 수 있으며 이것은 에미터 스위치 사이리스터를 집적회로에 응용하기 위해 수평형으로 만들었을 때, 게이트에 의한 소자의 턴 오프에 가장 큰 문제점이고 이러한 내압으로 파워 집적회로에 응용할 수는 없다.

참고적으로 60㎛의 같은 사이즈로 수직형으로 제작했을 때에는 600V의 내압을 갖는 것으로 알려져 있으나 종래의 범용 소자와는 달리 제안된 소자는 순방향 저지영역에서 180V정도에서 전류가 급증하는 항복전압이 측정되었고 이것은 소자에 걸리는 모든 전계가 형성된 트렌치 산화막에 집중하기 때문에 항복현상이 늦게 발생되고 180V 이전에서는 제안된 소자와 달리 전류가 급증하는 것은 보이지 않고 있는 것이다.

도 7은 바람직한 실시예의 항복현상 발생시 횡형 트렌치 전극 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터와 종래의 횡형 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터의 전계 분포도로 각 소자의 전계분포를 3차원적으로 나타낸 것이다.

상기 도 5와 같이 기존 소자의 경우 항복현상이 발생했을 때, 모든 전계가 매몰 산화막 바로 위에 존재하는 n-드리프트 층뿐만 아니라 소자 전체에 집중하는 반면, 제안된 소자는 모두 트렌치 산화막에 분포하고 있으며 이와 같은 결과를 토대로 이미 보고되었던 트렌치 전극형 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터와 같이 에미터 스위치 사이리스터소자를 트렌치 전극형으로 제작하여 높은 내압을 유지하는 소형의 에미터 스위치 사이리스터도 제작 가능하고 이상과 같이 본 발명에서는 수평형 트렌치 전극형 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터를 개발한 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명 횡형 트랜치 전극 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터는 소자의 응용에 많은 문제점을 야기시키는 스냅 백 현상을 거의 보이지 않는 효과가 있고, 기생사이리스터에 의한 래치 업이 늦게 발생하여 기존의 소자에 비해 넓은 안전동작영역을 갖고 있는 효과가 있으며, 기존의 범용 수평형 에미터 스위치 사이리스터와는 달리 180V의 높은 내압을 유지하고 있어 전력 반도체 산업의 스마트 파워 집적회로화로 제작된 소자를 IC에 응용하여 시스템을 소형화할 수 있는 효과가 있으므로 반도체산업상 매우 뛰어난 발명인 것이다.

Claims (2)

1. 횡형 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터에 있어서,

   게이트 전극(2), 캐소드 전극(1), 애노드 전극(3)이 트렌치 산화막 구조로 형성되고, n+ 플로팅 영역이 트렌치 전극사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 횡형 트렌치 전극 이중 채널 에미터 스위치 사이리스터.
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