전력 전자 (PE) 시장은 EV/HEV 차량의 수요 증가에 따라 빠르게 성장하고 있습니다. 전력 소자는 트랜지스터 레벨의 설계 및 제조 과정을 혁신하여, 소자의 성능 향상과 개발 및 생산 비용 절감에 기여합니다. SiC, GaN 및 기타 와이드 밴드갭 물질이 고전압 전력 소자에서 실리콘을 대체하기 시작하였습니다. 전력 소자용으로 실리콘, SiC, GaN 기술을 설계/제조하는 이는 소자를 보다 상세히 이해하고, 그 성능을 향상시키기 위해 TCAD 시뮬레이션을 이용해야 합니다. 실바코의 TCAD는 전력 소자 시뮬레이션의 리더로서, 25년 이상 세계 각지의 파운드리 및 팹리스 반도체 회사에서 사용되었습니다.

TCAD 모델링은 플라나 vs 트렌치 구조같은 설계 기술 또는 도핑 및 레이어 두께 등의 반도체 기술, 즉 동작 조건을 가상적으로 변경합니다. 그리하여, 소자를 질적/양적으로 이해하는데 도움을 줍니다. 반복적인 시뮬레이션으로 소자의 성능 및 구동 영역을 최적화할 수 있습니다.

Figure 2
Figure 3
그림 1. IGBT 소자의 플라나 vs. 트렌치 셀
그림 2. 스플릿-게이트 UMOSFET의 공정 시뮬레이션

소자 최적화를 통해, 양질의 반도체 제품을 생산할 수 있으며, 제조에 필요한 프로로타입 웨이퍼의 수를 줄여 대량 생산에 이르는 시간을 단축할 수 있습니다. 또한, 팹리스 엔지니어는 수율 및 성능 향상을 위해 제조 공정의 개선점을 파운드리에 제안할 수 있습니다.

물질 종류별 소자 형태:

  • 실리콘: LDMOS, IGBT, Bipolar, DMOSFET, Schottky Diode, Thyristor
  • SiC: Diode, MOSFET, DMOSFET, IGBT
  • GaN: Diode, Lateral HEMT, Vertical HEMT

실바코의 TCAD 공정/소자 모델링 솔루션으로 소자를 2D/3D로 프로토타입화하여 DC, AC, transient 시뮬레이션으로 소자의 성능을 분석할 수 있습니다. 또한, TCAD 소자를 SPICE 회로와 조합하여 실제 회로에서의 소자 성능을 연구할 수 있습니다.


2D/3D 소자 시뮬레이션

TCAD 소자 시뮬레이션의 drift-diffusion 엔진을 통해 물리적 정확성으로 소자의 성능을 분석할 수 있습니다. 특정 모듈을 통해, 온도 효과를 고려하여 Device-SPICE 시뮬레이션을 조합할 수 있습니다:

  • Giga 모듈로 소자의 발열을 시뮬레이션할 수 있으며, 소자 내에서의 높은 전류 흐름을 고려하여 일부 영역의 온도 변화를 해석합니다.
  • Mixed Mode 모듈로 물리적 정확성을 갖는 TCAD 소자를 SPICE 시뮬레이션에 사용하여 대규모 회로에서 소자의 성능을 확인할 수 있습니다. 기생, 수동, 능동 회로 소자의 성능을 시뮬레이션하여 최적화할 수 있습니다.
plot 6
plot 4
plot5
그림 3. a) IGBT 단락 회로의 Mixed Mode 3D 시뮬레이션 b) 단락 회로 파형 c) 소자 실패 포인트 t = 5.57 µs에서 전자 전류 밀도 분포

전력 소자의 성능은 레이아웃에서 가장자리 또는 모서리 부분에서 크게 영향을 받을 수 있습니다. 예를 들어, 대부분의 전력 소자에서 처음으로 고전압 브레이크다운이 발생하는 위치는 디자인의 모서리 부분입니다. 2D (고속)와 3D (고정밀)를 쉽게 변환할 수 있으므로, 실질적인 엔지니어링 접근 방식을 선택하여 난해한 TCAD 문제를 해결할 수 있습니다.

2D/3D 공정 시뮬레이션

공정 시뮬레이션은 레이어 두께, 조성비, 두께 등에 따라, GDSII 레이아웃 포맷에 기초하여 2D/3D TCAD 구조를 생성하는 데 보편적으로 사용됩니다.

특히 정확한 도핑 표현을 갖는 실제 공정 모델은 물리학에 기초하며, 상이한 기술적 수준에 따라 사용되는 물질에 좌우됩니다:

  • 실리콘: 주입, 확산, 산화를 이용한 공정 시뮬레이션은 반도체 산업의 수십년에 걸친 연구에 힘입어 기술적 수준이 매우 높습니다.
  • SiC: 파트너십과 연구 후원을 통해서, 실바코는 몬테 카를로 주입, 도핑 활성화/확산, 방향성 산화, 에피택시의 시뮬레이션을 지원합니다. 실바코의 솔루션은 기술적 성숙도가 높으며, 고객 및 연구 기관과의 협업을 지속적으로 추진하고 있습니다.
    plot 4
    plot5
    plot 6
    그림 4. 건식 O2 또는 H2O 조건에서 확산 시에 발생하는 4HSiC 기술의 물리적 산화에 대한 공정 시뮬레이션
  • GaN: GaN 공정 시뮬레이션은 빠르게 진화하고 있습니다. GaN 공정 시뮬레이션은 복잡한 산화 공정을 요구하지 않습니다. 반면에 에피택시 시뮬레이션은 GaN에 핵심적인 공정 단계로서, 상당한 연구개발을 요구할 것입니다. 현재 도핑 주입과 활성화는 이용가능하며, 다른 공정 단계를 연구하고 있습니다.
plot 4
plot 6
그림 5. Victory Process 시뮬레이션에서 GaN로의 주입 후, 저농도 주입 및 저온 어닐링의 경우, 불순물의 활성화 효율이 전기적 활성화의 감소를 예측
그림 6. GaN JBS 정류기의 I-V 특성을 나타내는 TCAD 소자 시뮬레이션. 어닐링 온도 TA가 순방향 전류밀도 JD 및 저항 Ron에 영향을 주는 것을 표현

설계 기술 공동 최적화 (Design Technology Co-Optimization)

설계 기술 공동 최적화 (Design Technology Co-Optimization, DTCO)는 기술 요소가 회로 성능에 어떤 영향을 주는지 고려하여 새로운 반도체 공정 노드를 개발하기 위해 소프트웨어에 기초한 방법론으로 설명할 수 있습니다. 이러한 반복적인 공동 최적화는 실바코의 Virtual Wafer Fab 및 DeckBuild 런타임 제어 환경을 통해 자동화됩니다.

일반적인 실바코 TCAD 플로우는 다음 단계를 거칩니다:

  • 레이아웃 파일 (GDSII)에서 읽기
  • Victory Process로 테스트 중인 소자의 2D/3D 공정 시뮬레이션 (FEOL)
  • Victory Mesh로 소자 구조의 메쉬를 정확하게 재생성
  • Victory Device로 소자의 전기적 특성을 2D/3D 시뮬레이션
  • Utmost IV로 Victory Device에서 생성한 I/V 커브에 기초하여 SPICE 시뮬레이션에 필요한 TCAD 인지 컴팩트 모델 추출
  • Clever로 고정밀 필드 솔버를 활용하여 기생 캐패시턴스 및 저항 추출 (BEOL)
  • SmartSpice로 능동 소자 및 기생을 포함한 백-애노테이션 SPICE 넷리스트 시뮬레이션
  • 목표치까지 퍼포먼스 측정 및 초기 단계에서 재실행
plot 4 plot 6
그림 7. DTCO 흐름도
그림 8. 다양한 실리콘, SiC, GaN 소자에서 Utmost IV 모델링 지원


plot 4
그림 9. Utmost IV에서 ASM-GaN HEMT 컴팩트 모델을 사용하여 발열 효과 유무시 I-V 특성을 보여주는 TCAD 소자 시뮬레이션

실바코 TCAD와 함께, 보다 나은 반도체 제품을 생산할 수 있으며, 대량 생산에 필요한 시간을 줄일 수 있습니다. 아울러, 수율과 퍼포먼스를 향상시키기 위해 파운드리에 공정의 개선점을 제안하는 안목을 기를 수 있습니다.