KR101748141B1 - Insulated gate bipolar transistor - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력 반도체 소자에 있어서, 이미터 전극과 컬렉터 전극 사이에 인슐레이터가 형성된 구조를 갖는다. 본 발명에 따르면, 드리프트 영역에 형성된 인슐레이터가 전기장의 균일도를 향상시킴으로써 전압 안정성과 열적 내성이 향상되는 이점이 있다. A power semiconductor device according to the present invention has a structure in which an insulator is formed between an emitter electrode and a collector electrode. According to the present invention, the insulator formed in the drift region has an advantage of improving the voltage stability and thermal resistance by improving the uniformity of the electric field.

Description

절연 게이트 양극성 트랜지스터{INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR}[0001] INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR [0002]

본 발명은 전력 반도체 소자에 관한 것으로서, 특히 전압의 내압 특성이 강화된 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)에 관한 것이다.
The present invention relates to a power semiconductor device, and more particularly, to an insulated gate bipolar transistor (IGBT) in which the withstand voltage characteristic of a voltage is enhanced.

전력 반도체 소자로서 IGBT(Insulate Gate Bipolar Transistor)는 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)를 게이트부에 결합한 접합형 트랜지스터이다. IGBT는 낮은 순방향 손실(Low Saturation Voltage)과 빠른 스위칭 스피드를 특징으로 고전압, 고효율, 고속이 요구되는 전력 시스템에서 필수적으로 사용되는 차세대 전력 반도체로 볼 수 있다.An IGBT (Insulate Gate Bipolar Transistor) as a power semiconductor device is a junction type transistor in which a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) is coupled to a gate portion. IGBTs are characterized by low saturation voltages and fast switching speeds, making them the next generation power semiconductors essential for power systems requiring high voltage, high efficiency and high speed.

1970년대에 전력용 MOSFET이 개발된 이후, 고속의 스위칭이 요구되는 범위에서는 MOSFET가 사용되었고, 중-고전압에서 대량의 전류 도통이 요구되는 범위에서는 접합형 트랜지스터(BJT: Bipolar Junction Transistor)나 사이리스터(Thristor), GTO 트랜지스터(Gate Turn-Off Transistor)등이 사용되어 왔다.Since the development of power MOSFETs in the 1970s, MOSFETs have been used in a range where high-speed switching is required. Bipolar junction transistors (BJTs) and thyristors Thristor, and GTO transistor (Gate Turn-Off Transistor) have been used.

1980년대 초에는 출력 특성에서는 BJT 이상의 전류 능력을 지니고 있고, 입력 특성에서는 MOSFET와 같이 게이트 구동 특성을 갖는 IGBT가 개발되었다. IGBT는 약 100KHz 정도의 고속 스위칭이 가능하여 MOSFET와 BJT, Thysistor를 대체하여 새로운 적용 시스템을 창출하고 있기 때문에 산업용은 물론 가정용 전자기기에 이르기까지 사용 범위가 확대되고 있는 실정이다.In the early 1980s, IGBTs with current drive capability exceeding BJT in output characteristics and IGBTs with gate drive characteristics like MOSFETs in input characteristics were developed. The IGBT is capable of high-speed switching of about 100 KHz, and thus it is being used in a wide range of applications, not only for industrial use but also for home electronic applications, since a new application system is created by replacing MOSFET, BJT and Thysistor.

도 1은 종래의 IGBT를 도시한 모습이다. 도 1을 참조하면, IGBT는 전류의 반송자를 공급하는 이미터 전극(1), 주입된 반송자를 제어할 수 있도록 전압이 인가되는 게이트 전극(3), 전류의 반송자가 모이게 되는 컬렉터 전극(5)을 구비할 수 있다. IGBT는 웨이퍼의 구조상 이미터 전극(1)과 컬렉터 전극(5) 사이에 PNP 구조또는 NPN 구조를 형성할 수 있다. 이후 PNP 구조를 기준으로 기술하며, 동일하게 극성을 반대로 한 NPN 구조에 대해서는 같은 원리 및 동작상태의 기술이 적용될 수 있다. 1 is a view showing a conventional IGBT. 1, the IGBT includes an emitter electrode 1 for supplying a current carrier, a gate electrode 3 for applying a voltage to control the implanted carrier, a collector electrode 5 for collecting current carriers, . The IGBT can form a PNP structure or an NPN structure between the emitter electrode 1 and the collector electrode 5 due to the structure of the wafer. Then, the description of the PNP structure is based on the same principle, and the same principle and operation state description can be applied to the NPN structure in which the polarities are reversed.

IGBT는 이미터 전극(1)에 베이스 영역(7)보다 높은 전압(순방향 전압)을 인가하고, 게이트 전극(3)에 소자의 문턱 전압보다 높은 전압을 인가하면, 컬렉터 측에 도전 영역의 극성이 역전되어 N 형의 채널이 형성된다. MOSFET과는 달리 채널이 형성되어도 이미터와 베이스 간에 약 0.7V 정도의 전압이 인가되지 않으면 전류가 도통되지 않는다. When the IGBT applies a voltage (forward voltage) higher than the base region 7 to the emitter electrode 1 and a voltage higher than the threshold voltage of the element is applied to the gate electrode 3, the polarity of the conductive region And an N-type channel is formed. Unlike a MOSFET, when a channel is formed, current is not conducted unless a voltage of about 0.7 V is applied between the emitter and the base.

게이트 전극(3)에 인가된 전압은 채널을 통해 드리프트 영역(7, 또는 베이스 영역이라 칭함)으로 전류를 주입시키고, 주입된 전류는 이미터와 컬렉터 간 반송자의 이동을 제어할 수 있다. 드리프트 영역(7)으로 주입된 전류는 BJT의 베이스 전류와 마찬가지로 P 형 기판으로부터 정공 전류의 주입을 유도한다. 이는 소수 반송자의 High Level Injection을 일으키며, IGBT에는 드리프트 영역(7)의 전도도가 수십에서 수 백배 정도 향상되는 전도도 변조(Conductivity Modulation)가 발생한다. MOSFET과는 달리 전도도 변조로 인하여 드리프트 영역(7)에서의 저항 성분이 매우 작아지므로 고압에서의 응용이 가능하다. The voltage applied to the gate electrode 3 injects a current through the channel to the drift region 7 (or base region), and the injected current can control the movement of the emitter and collector carrier. The current injected into the drift region 7 induces injection of a hole current from the P-type substrate in the same manner as the base current of the BJT. This causes High Level Injection of the minority carrier, and Conductivity Modulation occurs in the IGBT in which the conductivity of the drift region 7 is improved by several tens to hundreds of times. Unlike the MOSFET, the resistance component in the drift region (7) becomes very small due to the conductivity modulation, so that it can be applied at high voltage.

IGBT의 주요 특성으로 고전압 내성(Breakdown Voltage)은 드리프트 영역(7)의 두께와 도핑된 불순물의 농도에 의해서 결정된다. 고전압 내성을 향상시키기 위해서는 드리프트 영역(7)의 두께를 증가시키고 불순물의 농도를 감소시켜야 하는데 이럴 경우 포화 전압이 증가하므로 조건의 적정화가 필요하다. As a main characteristic of the IGBT, the breakdown voltage is determined by the thickness of the drift region 7 and the concentration of the doped impurity. In order to improve the high voltage resistance, the thickness of the drift region 7 must be increased and the concentration of impurities must be reduced.

종래의 IGBT는 실리콘(Si) 기반 물질로 제작되는데, 고전압 내성을 증가시키려는 시도는 열적 안정성, 스위칭 스피드, 전력 효율을 악화시키게 되는 trade-off 특성이 존재하여 IGBT의 성능 향상에 한계가 있는 실정이다.Conventional IGBTs are made of silicon (Si) -based materials. The attempt to increase the high-voltage resistance has a trade-off characteristic that deteriorates thermal stability, switching speed and power efficiency, .

열적 안정성 및 전압 안정성을 강화하기 위한 일 방법으로, 실리콘 대신 열 특성이 강한 탄화규소(SiC) 기반의 IGBT 설계가 연구개발 중에 있다. 하지만, SiC는 제작 공정의 난이도가 높아 실리콘에서 제작이 가능한 다양한 IGBT의 구조에 적용하는 것에 어려움이 있다. SiC에서는 이온 주입 및 열 확산 공정을 통해 이온의 분포를 조절하는 것이 불가능에 가깝다. 따라서, SiC 기반의 IGBT는 비용적으로 불리한 에피 증착 공정으로 NPN 구조를 형성하게 되어 제조 단가가 매우 높은 문제점이 있다. As a method for enhancing thermal stability and voltage stability, a silicon carbide (SiC) -based IGBT design having a heat characteristic stronger than silicon is under research and development. However, since SiC is difficult to fabricate, it is difficult to apply it to various IGBT structures that can be fabricated in silicon. In SiC, it is almost impossible to control the distribution of ions through ion implantation and thermal diffusion processes. Therefore, the SiC-based IGBT has a problem in that the manufacturing cost is very high because the NPN structure is formed by a costly adverse epitaxial deposition process.

비용적 불리함은 있으나 SiC 공정의 기술 발달로 수직방향의 NPN 구조의 형성은 가능하다. 수평 방향으로 PN 접합이 깊은 높이를 형성하는 슈퍼 정션(SJ-IGBT) 구조는 전기적 특성이 매우 우수하나 깊은 높이를 형성하는 P층과 N층의 농도 및 너비를 동일하게 하거나 농도 및 너비를 일정 비율로 정확하게 조절하여 제작해야 하는 점에서 그 구현이 SiC의 경우는 물론이고, 심지어 Silicon의 경우에도 극히 어려운 문제점이 있다.
Although there is a cost disadvantage, it is possible to form a vertical NPN structure due to the development of SiC process technology. Superjunction (SJ-IGBT) structure in which the PN junction in the horizontal direction forms a deep height has excellent electrical characteristics, but the concentration and width of the P layer and the N layer which form the deep height are the same, And therefore, it is extremely difficult to implement SiC as well as Silicon.

한국공개특허 제2014-0046018호, 한국공개특허 제2004-7006415호Korean Patent Publication No. 2014-0046018, Korean Patent Publication No. 2004-7006415

본 발명은 전압 내성 및 열적 내성이 향상된 절연 게이트 양극성 트랜지스터의 구조를 제공하고자 한다. 또한, 본 발명은 간단한 공정으로도 전기적 특성을 강화시킬 수 있는 절연 게이트 양극성 트랜지스터의 구조를 제공하고자 한다.
The present invention provides a structure of an insulated gate bipolar transistor having improved voltage resistance and thermal resistance. The present invention also provides a structure of an insulated gate bipolar transistor that can enhance the electrical characteristics even in a simple process.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 전력 반도체 소자에 있어서 이미터 전극과 컬렉터 전극 사이에 인슐레이터가 형성된 것을 일 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, an insulator is formed between an emitter electrode and a collector electrode in a power semiconductor device.

바람직하게, 인슐레이터는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT : Insulate Gate Bipolar Transistor)의 이미터 전극과 컬렉터 전극 사이에 형성될 수 있다.Preferably, the insulator may be formed between the emitter electrode of the insulated gate bipolar transistor (IGBT) and the collector electrode.

바람직하게, 이미터 전극과 컬렉터 전극 사이에는 게이트 전극에서 인가된 전압으로 반송자가 제어되는 드리프트 영역이 구비되고, 인슐레이터는 드리프트 영역에 형성될 수 있다.Preferably, between the emitter electrode and the collector electrode, a drift region in which the carrier is controlled by a voltage applied from the gate electrode is provided, and the insulator can be formed in the drift region.

바람직하게, 인슐레이터는 이미터 전극의 하부에서 수직한 방향으로 드리프트 영역까지 신장될 수 있다.Preferably, the insulator may extend to a drift region in a direction perpendicular to the bottom of the emitter electrode.

바람직하게, 드리프트 영역은 도전성 물질이 도핑된 제1 소스 영역과 상기 제1 소스 영역보다 높은 도핑 농도를 갖는 제2 소스 영역을 구비하고, 인슐레이터는 제1 소스 영역에 형성될 수 있다.Preferably, the drift region has a first source region doped with a conductive material and a second source region having a higher doping concentration than the first source region, and the insulator can be formed in the first source region.

바람직하게, IGBT 구조 중 Field Stop(FS) 구조에 본 발명의 기술이 적용 시, 드리프트 영역은 도전성 물질이 도핑된 제1 소스 영역과 제1 소스 영역보다 높은 도핑 농도를 갖는 제2 소스 영역을 구비하고, 인슐레이터는 제1 소스 영역 및/또는 제2 소스 영역에 형성될 수 있다.
Preferably, when applying the technique of the present invention to the field stop (FS) structure of the IGBT structure, the drift region has a first source region doped with a conductive material and a second source region having a higher doping concentration than the first source region And an insulator may be formed in the first source region and / or the second source region.

본 발명에 따르면, 드리프트 영역에 형성된 인슐레이터가 전기장의 균일도를 향상시킴으로써 전압 안정성과 열적 내성이 향상되는 이점이 있다. 본 발명에 따른 인슐레이터 영역은 실리콘산화막, 나이트라이드, 공기와 같이 전류가 도통할 수 없는 모든 유전체 또는 이들의 조합을 포함한다. 본 발명의 특정 구현 예로서, 실리콘 산화막 재료인 인슐레이터는, 이미터 전극의 하부로 수직하게 형성되는 인슐레이터가 수직 에칭시 산화 공정(oxidation) 및/또는 oxide deposition으로 용이하게 구현할 수 있는 점에 간단한 공정으로도 절연 게이트 양극성 트랜지스터의 전기적 특성이 강화되는 이점이 있다.
According to the present invention, the insulator formed in the drift region has an advantage of improving the voltage stability and thermal resistance by improving the uniformity of the electric field. The insulator region according to the present invention includes a silicon oxide film, a nitride, any dielectric which can not conduct electricity such as air, or a combination thereof. As a specific embodiment of the present invention, the insulator as the silicon oxide film material can be easily fabricated by oxidation and / or oxide deposition in vertical etching of the insulator formed vertically below the emitter electrode, There is an advantage that the electrical characteristics of the insulated gate bipolar transistor are enhanced.

도 1은 종래의 IGBT 구조를 도시한 모습이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력 반도체 소자의 구조를 도시한 모습이다.
도 3a는 종래의 IGBT 드리프트 영역에 형성된 전기장(E-Filed)의 변화를 나타낸다. 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 IGBT(10) 구조에서 형성되는 전기장(E-Field)의 변화를 표현한 그래프이다.1 is a view showing a conventional IGBT structure.
2 is a view illustrating a structure of a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
3A shows a change in electric field (E-field) formed in the conventional IGBT drift region. FIG. 3B is a graph illustrating a change in an electric field (E-field) formed in the structure of the IGBT 10 according to the embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to or limited by the exemplary embodiments. Like reference numerals in the drawings denote members performing substantially the same function.

본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다.The objects and effects of the present invention can be understood or clarified naturally by the following description, and the purpose and effect of the present invention are not limited by the following description.

본 발명의 목적, 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.The objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력 반도체 소자(10) 구조를 도시한 모습이다. 도 2를 참조하면, 전력 반도체 소자(10)는 이미터 전극(101)과 컬렉터 전극(105) 사이에 인슐레이터(102)가 형성된 구조로 이루어질 수 있다. 본 실시예로 전력 반도체 소자(10)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)(10)일 수 있다. 2 is a view showing a structure of a power semiconductor device 10 according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the power semiconductor device 10 may have a structure in which an insulator 102 is formed between the emitter electrode 101 and the collector electrode 105. In this embodiment, the power semiconductor device 10 may be an insulated gate bipolar transistor (IGBT) 10.

IGBT(10)는 컬렉터 전극(105)의 하부에 P+ 이온 도핑층 또는 반도체층으로 이루어진 P 형 기판(1051)이 구비된다. P 형 기판(1051)의 위에는 N 형 기판 또는 에피층(107)이 형성되어 있고, N 형 기판 또는 에피층(107)의 일부 표면에는 P 형 도전성 물질이 선택적으로 주입된 P 형 이미터 영역(1013)이 구비된다. P 형 이미터(1013) 표면의 일부에는 N+ 이미터 영역(1011)이 형성된다. N+ 이미터 영역(1011)은 P 형 이미터(1013) 양측 표면에 고농도의 이온을 주입하여 직선형으로 형성시킬 수 있다. The IGBT 10 is provided with a P-type substrate 1051 made of a P + ion doping layer or a semiconductor layer under the collector electrode 105. An N-type substrate or an epitaxial layer 107 is formed on the P-type substrate 1051. A P-type emitter region (hereinafter referred to as " P-type " 1013 are provided. An N + emitter region 1011 is formed in a part of the surface of the P type emitter 1013. The N + emitter region 1011 can be formed in a straight line by implanting high-concentration ions into the surface of both sides of the P-type emitter 1013.

게이트 전극(103)의 하부에는 절연막(1031)이 구비될 수 있다. 즉, N+ 이미터 영역(1011)의 가장자리를 경계로 하여 N+ 이미터(1011)와 N 형 기판층 또는 에피층(107) 사이의 P 형 이미터 영역(1013) 표면에 절연막(1031)이 형성되어 있다. 절연막(1031)은 게이트와 채널 사이에 반송자의 이동을 막아 절연시키고, 게이트 전극(103)이 형성하는 전계를 이용하여 채널에 전압을 인가하는 기능을 한다.An insulating film 1031 may be provided under the gate electrode 103. That is, the insulating film 1031 is formed on the surface of the P-type emitter region 1013 between the N + emitter 1011 and the N-type substrate layer or the epi layer 107 with the edge of the N + . The insulating film 1031 functions to insulate the carriers from movement between the gate and the channel to insulate them and apply a voltage to the channel using the electric field formed by the gate electrode 103. [

컬렉터 전극(105)과 이미터 전극(101) 사이에 컬렉터 전압이 인가되고, 이미터 전극(101)과 게이트 전극(103) 사이에 인가되는 전압이 문턱 전압 이상이면, 채널부가 N 형으로 바뀌며 반송자인 전자들이 N 형 채널을 통해 이미터 전극(101)으로부터 N 형 기판층 또는 에피층(107)으로 이동한다. 이 전자들은 P 이미터 영역(1013)과 N 형 기판층 또는 에피층(107) 사이에 순방향 바이어스를 일으키며, 정공 캐리어는 P형 이미터 영역(1013)으로부터 방사된다. When the collector voltage is applied between the collector electrode 105 and the emitter electrode 101 and the voltage applied between the emitter electrode 101 and the gate electrode 103 is equal to or higher than the threshold voltage, Electrons move from the emitter electrode 101 to the N-type substrate layer or the epi layer 107 through the N-type channel. These electrons cause a forward bias between the P emitter region 1013 and the N-type substrate layer or the epi layer 107, and the hole carriers emit from the P-type emitter region 1013.

결과적으로 N 형 기판층 또는 에피층(107)의 저항은 크게 감소하고, 컬렉터 전극(105)과 이미터 전극(101) 사이는 도통된다. 컬렉터 전류가 특정값일 때 온(ON) 저항값은 역 컬렉터 전압

Figure 112015016706639-pat00001
에 의해 측정될 수 있다. As a result, the resistance of the N-type substrate layer or the epi layer 107 is greatly reduced, and the collector electrode 105 and the emitter electrode 101 are electrically connected. When the collector current is a specific value, the ON resistance value is the reverse collector voltage
Figure 112015016706639-pat00001
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이하, 게이트 전극(103)에서 인가된 전압으로 반송자가 제어되는 N 형 기판층 또는 에피층(107)을 드리프트 영역(107)이라 한다. 경우에 따라, 드리프트 영역(107)은 제1 소스 영역(1071)과 제1 소스 영역(1071)보다 높은 도핑 농도를 갖는 제2 소스 영역(1073)으로 이루어질 수 있다. Hereinafter, the N-type substrate layer or the epi layer 107 whose carrier is controlled by the voltage applied from the gate electrode 103 is referred to as a drift region 107. Optionally, the drift region 107 may comprise a first source region 1071 and a second source region 1073 having a higher doping concentration than the first source region 1071.

인슐레이터(102)는 드리프트 영역(107)에 형성될 수 있다. 본 실시예로 인슐레이터(102)는 내부에 전하(charge)가 존재하지 않는 산화물(Oxide), 나이트라이드, 공기(air)등 반도체 공정에서 사용되는 유전체 또는 상기 유전체들의 조합인 것이 바람직하다. charge가 제로에 가까운 인슐레이터(102)는 드리프트 영역(107)에 구비될 경우, 이미터 전극(101)과 컬렉터 전극(105) 사이에서 수직 방향으로 형성되는 전기장(E-Field)의 균일도를 향상시킬 수 있다. 이는 높은 전압이 짧은 수직 거리에 형성될 수 있도록 전압 내성, BV(Breakdown Voltage)를 향상시키는 효과가 있다. 이와 관련 도 3을 통해 후술한다.The insulator 102 may be formed in the drift region 107. In this embodiment, the insulator 102 is preferably a dielectric or a combination of the dielectrics used in a semiconductor process such as oxide, nitride, and air in which no charge is present. When the insulator 102 having a charge close to zero is provided in the drift region 107, the uniformity of the electric field (E-Field) formed in the vertical direction between the emitter electrode 101 and the collector electrode 105 can be improved . This has the effect of improving voltage resistance and breakdown voltage (BV) so that a high voltage can be formed at a short vertical distance. This will be described later with reference to FIG.

인슐레이터(102)는 이미터 전극(101)의 하부에서 수직한 방향으로 드리프트 영역(107) 또는 컬렉터 영역(1051)까지 신장된 형상일 수 있다. 인슐레이터(102)의 깊이(depth)는 P 형 이미터 영역(1013)보다 수직 깊이(H) 방향으로 신장된다. 보다 상세하게, 드리프트 영역(107) 내의 인슐레이터(102)는 제1 소스 영역(1071) 또는 제2 소스 영역(1073) 까지 신장될 수 있다. 이 경우, 인슐레이터(102)는 제1 소스 영역(1071)의 깊이까지 형성되는 것이 바람직하며, 드리프트 영역(107)과 컬렉터 영역(1051)사이의 영역까지 인슐레이터(102)가 형성되는 것도 가능하다.The insulator 102 may be in a shape elongated to a drift region 107 or a collector region 1051 in a direction perpendicular to the bottom of the emitter electrode 101. The depth of the insulator 102 is elongated in the vertical depth (H) direction from the P-type emitter region 1013. More specifically, the insulator 102 in the drift region 107 can be extended to the first source region 1071 or the second source region 1073. In this case, it is preferable that the insulator 102 is formed to a depth of the first source region 1071, and that the insulator 102 is formed to a region between the drift region 107 and the collector region 1051.

도 3a는 종래의 IGBT 드리프트 영역에 형성된 E-Filed의 변화를 나타낸다. 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 IGBT(10) 구조에서 형성되는 E-Field의 변화를 표현한 그래프이다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 이미터 전극(101)과 컬렉터 전극(105) 사이에서 형성되는 전기장은 드리프트 영역(107)의 높이와 드리프트 영역(107)에 도핑된 도전성 물질의 농도에 영향을 받는다. E-Field는 드리프트 영역(107)의 깊이가 증가함에 따라 감소한다. 이 경우, 드리프트 영역(107)의 도핑 농도가 높을수록 E-Field는 급격히 감소한다. 3A shows the change of E-Filed formed in the conventional IGBT drift region. FIG. 3B is a graph showing changes in E-Field formed in the IGBT 10 structure according to the embodiment of the present invention. 3A and 3B, the electric field formed between the emitter electrode 101 and the collector electrode 105 influences the height of the drift region 107 and the concentration of the conductive material doped in the drift region 107 Receive. The E-Field decreases as the depth of the drift region 107 increases. In this case, the higher the doping concentration of the drift region 107, the more rapidly the E-field decreases.

E-Field의 적분값은 곧 드리프트 영역(107)의 전압 내성을 의미한다. E-Field의 적분값을 증가시키기 위해서는 드리프트 영역(107)의 깊이 방향으로 전기장을 균일하게 형성시켜야 한다.The integral value of the E-field means the voltage tolerance of the drift region 107. [ In order to increase the integration value of the E-field, the electric field should be uniformly formed in the depth direction of the drift region 107. [

도 3a를 참조하면, 제1 소스 영역(1071)의 깊이에 따라 E-Field가 소정의 기울기로 감소한다. 보다 높은 도핑 농도를 갖는 제2 소스 영역(1073)에서는 감소되는 기울기가 증가함을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 3A, the E-field is reduced to a predetermined slope according to the depth of the first source region 1071. It can be seen that the decreasing slope is increased in the second source region 1073 having a higher doping concentration.

도 3b는 이미터 전극(101) 하부에 형성된 인슐레이터(102)가 제1 소스 영역(1071)까지(H) 신장된 실시예에서의 E-Field 변화량을 나타낸다. 제1 소스 영역(1071)에 형성된 인슐레이터(102)는 내부 전하가 제로에 가깝기 때문에 제1 소스 영역(1071)의 전기장 균일도를 향상시킬 수 있다. 3B shows an E-Field change amount in the embodiment in which the insulator 102 formed under the emitter electrode 101 is extended to the first source region 1071 (H). The insulator 102 formed in the first source region 1071 can improve the electric field uniformity of the first source region 1071 because the internal charge is close to zero.

도 3b를 참조하면, 도 3a의 경우와 달리 제1 소스 영역(1071)에서의 전기장 균일도가 상승하며 이는 곧 드리프트 영역(107)의 전압 내성이 향상된 것으로 이해될 수 있다. Referring to FIG. 3B, unlike the case of FIG. 3A, the electric field uniformity in the first source region 1071 is increased, which means that the voltage tolerance of the drift region 107 is improved.

이상에서 설명한 바와 같이 인슐레이터(107)가 이미터 전극(101)과 컬렉터 전극(105) 사이에 형성되는 경우, 내부 전하가 제로에 가까운 인슐레이터(107)의 특성이 드리프트 영역(107)의 전압 안정성과 열적 안정성을 향상시킴을 이해할 수 있다. As described above, when the insulator 107 is formed between the emitter electrode 101 and the collector electrode 105, the characteristics of the insulator 107 whose internal charge is close to zero correspond to the voltage stability of the drift region 107 Thereby improving the thermal stability.

이러한 인슐레이터(107) 구조는 수직 에치에 의해서 비교적 간단한 공정으로 생성이 가능하다. 이와 관련, IGBT의 전압 안정성을 향상시키는 슈퍼 정션 구조(SJ-IGBT)는 N 형 에피층(107)과 P 형 베이스 영역(1013)을 같은 농도 및 같은 너비로 깊게 도핑하여 드리프트 영역(107)의 전기장 균일도를 향상시킨다. N 형 에피층(107)과 P 형 베이스 영역(1013)을 같은 농도와 너비로 신장시키는 것은 제조 공정상 극히 어려운 문제점이 있다. 이를 고려하면, 본 실시예에 따른 IGBT 구조(10)는 정밀한 도핑 공정을 요하지 않으며, 수직 에치로 형성시킬 수 있는 인슐레이터(102)로부터 드리프트 영역(107)의 전기장 균일도를 간편하게 개선시킬 수 있다.Such a structure of the insulator 107 can be produced by a relatively simple process by a vertical etch. In this connection, the super junction structure (SJ-IGBT) which improves the voltage stability of the IGBT is formed by deeply doping the N type epitaxial layer 107 and the P type base region 1013 with the same concentration and the same width, Thereby improving the electric field uniformity. It is extremely difficult to elongate the N-type epitaxial layer 107 and the P-type base region 1013 at the same concentration and width. In consideration of this, the IGBT structure 10 according to this embodiment does not require a precise doping process, and the electric field uniformity of the drift region 107 can be easily improved from the insulator 102 which can be formed into a vertical offset.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. will be. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the above-described embodiments, but should be determined by all changes or modifications derived from the scope of the appended claims and equivalents of the following claims.

10: 전력 반도체 소자
101: 이미터 전극
102: 인슐레이터
103: 게이트 전극
105: 컬렉터 전극
107: 드리프트 영역
1071: 제1 소스 영역
1073: 제2 소스 영역10: Power semiconductor device
101: emitter electrode
102: Insulator
103: gate electrode
105: collector electrode
107: drift region
1071: first source region
1073: second source region

Claims (6)

전력 반도체 소자에 있어서,
이미터 전극과 컬렉터 전극 사이에 전기장의 변화를 줄이도록 하는 인슐레이터가 홀 형태로 형성되며,
상기 이미터 전극과 상기 컬렉터 전극 사이에는 게이트 전극에서 인가된 전압으로 반송자가 제어되는 드리프트 영역이 구비되고,
상기 인슐레이터는 상기 드리프트 영역에 단일 유전체만으로 형성되되, 이미터 전극의 하부에서 수직한 방향으로 상기 드리프트 영역의 제1 소스 영역까지 신장되며,
상기 드리프트 영역의 제1 소스 영역에 형성된 전기장의 균일도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 소자.
In a power semiconductor device,
An insulator for reducing the change of the electric field between the emitter electrode and the collector electrode is formed in a hole shape,
Between the emitter electrode and the collector electrode, a drift region in which the carrier is controlled by a voltage applied from the gate electrode,
The insulator being formed of only a single dielectric in the drift region and extending in a direction perpendicular to the bottom of the emitter electrode to a first source region of the drift region,
Thereby improving the uniformity of the electric field formed in the first source region of the drift region.
제 1 항에 있어서,
상기 인슐레이터는,
절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT : Insulate Gate Bipolar Transistor)의 이미터 전극과 컬렉터 전극 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 전력 반도체 소자.
The method according to claim 1,
The insulator
Is formed between the emitter electrode of the insulated gate bipolar transistor (IGBT) and the collector electrode.
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 드리프트 영역은,
도전성 물질이 도핑된 제1 소스 영역과 상기 제1 소스 영역보다 높은 도핑 농도를 갖는 제2 소스 영역을 구비하고,
상기 인슐레이터는 상기 제1 소스 영역에 형성된 것을 특징으로 하는 전력 반도체 소자.
The method according to claim 1,
The drift region
A first source region doped with a conductive material and a second source region having a doping concentration higher than that of the first source region,
Wherein the insulator is formed in the first source region.
삭제delete
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