KR101870826B1 - Power semiconductor device and method of fabricating the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판 내에 서로 이격된 제 1 트렌치 및 제 2 트렌치에 각각 배치된 한 쌍의 게이트 전극; 상기 기판 내에서 상기 제 1 트렌치 및 제 2 트렌치의 바닥면과 적어도 일측면을 각각 둘러싸면서 서로 이격 배치된 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역; 상기 기판의 상부면 상에 배치되되 상기 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역 상에 각각 형성되며, 상기 게이트 전극과 이격되어 절연된, 한 쌍의 스위칭 손실 방지용 평면 전극; 및 상기 트렌치의 측벽과 상기 게이트 전극 사이 및 상기 스위칭 손실 방지용 평면 전극과 상기 플로팅 영역 사이에 각각 개재되는 절연막;을 포함하는 전력 반도체 소자를 제공한다. The present invention provides a semiconductor device comprising: a pair of gate electrodes disposed in a first trench and a second trench, respectively, spaced apart from each other in a substrate; A pair of first conductivity type floating regions spaced from each other and surrounding the bottom surface and at least one side surface of the first trench and the second trench in the substrate, respectively; A pair of switching loss prevention planar electrodes formed on the upper surface of the substrate, the pair of switching loss prevention planar electrodes formed on the pair of first conductivity type floating regions, respectively, and isolated from the gate electrode; And an insulating film interposed between the sidewall of the trench and the gate electrode and between the floating electrode and the floating electrode for preventing switching loss, respectively.

Description

전력 반도체 소자 및 그 제조방법{Power semiconductor device and method of fabricating the same}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power semiconductor device,

본 발명은 전력 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor) 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a power semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly, to an insulated gate bipolar transistor (IGBT) device and a manufacturing method thereof.

절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor)는 MOS(Metal Oxide Silicon)와 바이폴라 기술의 결정체로 낮은 순방향손실과 빠른 스피드를 특징으로 사이리스터, 바이폴라 트랜지스터, MOSFET 등으로는 실현 불가능한 분야의 응용처를 대상으로 적용이 확대 되고 있고, 300V 이상의 전압 영역에서 널리 사용되고 있는 고효율, 고속의 전력 시스템에 있어서 필수적으로 사용되는 차세대 전력 반도체 소자이다. 1970년대에 전력용 MOSFET이 개발된 이후 스위칭 소자는 고속의 스위칭이 요구되는 범위에서는 MOSFET이 사용되어지고 있고 중전압 내지 고전압에서 대량의 전류도통이 요구되는 범위에서는 바이폴라 트랜지스터나 사이리스터, GTO 등이 사용되어 왔다. 1980년대 초에 개발된 IGBT는 출력 특성면에서는 바이폴라 트랜지스터 이상의 전류 능력을 지니고 있고 입력 특성면에서는 MOSFET과 같이 게이트 구동 특성을 갖기 때문에 약 100KHz정도의 고속의 스위칭이 가능하다. 따라서 IGBT는 MOSFET과 바이폴라 트랜지스터, 사이리스터의 대체용 소자 뿐만 아니라 새로운 적용 시스템을 창출하고 있기 때문에 산업용은 물론 가정용 전자기기에 이르기까지 점차 사용 범위를 확대해 나가고 있다. Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) is a crystalline material of MOS (Metal Oxide Silicon) and bipolar technology. It is characterized by low forward loss and high speed. It is applicable to applications that can not be realized with thyristors, bipolar transistors and MOSFETs. And is a next generation power semiconductor device which is used in a high efficiency and high speed power system widely used in a voltage range of 300V or more. Since the development of power MOSFETs in the 1970s, MOSFETs have been used for switching devices requiring high-speed switching, and bipolar transistors, thyristors, and GTOs have been used in a range where a large amount of current conduction is required at medium to high voltages Has come. The IGBT developed in the early 1980s has a current capability of more than a bipolar transistor in terms of output characteristics and has a gate driving characteristic like a MOSFET in terms of input characteristics, so that switching at a high speed of about 100 KHz is possible. As a result, IGBTs are being used not only for replacement of MOSFETs, bipolar transistors, and thyristors, but also for new application systems.

관련 선행기술로는 대한민국 공개공보 제20140057630호(2014.05.13. 공개, 발명의 명칭 : IGBT 와 그 제조 방법)가 있다.A related prior art is Korean Laid-Open Publication No. 20140057630 (published on May 13, 2014, entitled IGBT and its manufacturing method).

본 발명은 스위칭 손실을 감소시킬 수 있는 전력 반도체 소자 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.It is an object of the present invention to provide a power semiconductor device capable of reducing switching loss and a method of manufacturing the same. However, these problems are exemplary and do not limit the scope of the present invention.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 의한 전력 반도체 소자가 제공된다. 상기 전력 반도체 소자는 기판 내에 서로 이격된 제 1 트렌치 및 제 2 트렌치에 각각 배치된 한 쌍의 게이트 전극; 상기 기판 내에서 상기 제 1 트렌치 및 제 2 트렌치의 바닥면과 적어도 일측면을 각각 둘러싸면서 서로 이격 배치된 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역; 상기 기판의 상부면 상에 배치되되 상기 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역 상에 각각 형성되며, 상기 게이트 전극과 이격되어 절연된, 한 쌍의 스위칭 손실 방지용 평면 전극; 및 상기 트렌치의 측벽과 상기 게이트 전극 사이 및 상기 스위칭 손실 방지용 평면 전극과 상기 플로팅 영역 사이에 각각 개재되는 절연막;을 포함한다. A power semiconductor device according to one aspect of the present invention for solving the above problems is provided. The power semiconductor device comprising: a pair of gate electrodes each disposed in a first trench and a second trench spaced apart from each other in a substrate; A pair of first conductivity type floating regions spaced from each other and surrounding the bottom surface and at least one side surface of the first trench and the second trench in the substrate, respectively; A pair of switching loss prevention planar electrodes formed on the upper surface of the substrate, the pair of switching loss prevention planar electrodes formed on the pair of first conductivity type floating regions, respectively, and isolated from the gate electrode; And an insulating film interposed between the sidewall of the trench and the gate electrode, and between the floating electrode for preventing switching loss and the floating region, respectively.

상기 전력 반도체 소자는, 상기 게이트 전극 및 상기 스위칭 손실 방지용 평면 전극 상에 배치된 이미터(emitter) 금속 패턴;을 더 포함할 수 있고, 상기 스위칭 손실 방지용 평면 전극의 일단은 상기 이미터 금속 패턴과 접합될 수 있다. The power semiconductor device may further include an emitter metal pattern disposed on the gate electrode and the switching loss prevention planar electrode, wherein one end of the switching loss prevention planar electrode is connected to the emitter metal pattern Can be bonded.

상기 전력 반도체 소자는, 상기 스위칭 손실 방지용 평면 전극의 타단과 상기 이미터 금속 패턴 사이 및 상기 게이트 전극과 상기 이미터 금속 패턴 사이에 개재된 절연 패턴;을 더 포함할 수 있고, 상기 절연패턴은 상기 스위칭 손실 방지용 평면 전극과 상기 게이트 전극 사이의 이격 공간을 채우면서 상기 플로팅 영역에 이르도록 신장될 수 있다. The power semiconductor device may further include an insulating pattern interposed between the other end of the switching loss prevention flat electrode and the emitter metal pattern and between the gate electrode and the emitter metal pattern, And may be extended to reach the floating region while filling a gap between the planar electrode for preventing the switching loss and the gate electrode.

상기 전력 반도체 소자에서, 상기 트렌치의 측벽과 상기 게이트 전극 사이에 개재되는 상기 절연막과 상기 스위칭 손실 방지용 평면 전극과 상기 플로팅 영역 사이에 개재되는 상기 절연막은 동일한 물질로 이루어지며 동일한 두께를 가질 수 있다. In the power semiconductor device, the insulating film interposed between the sidewall of the trench and the gate electrode and the insulating film interposed between the floating electrode and the floating electrode are made of the same material and may have the same thickness.

상기 전력 반도체 소자는, 상기 기판 내에서 상기 제 1 트렌치 및 상기 제 2 트렌치 사이에 배치된 제 1 도전형의 바디 영역; 및 상기 기판 내에서 상기 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역 아래로부터 상기 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역 사이를 통과하여 상기 제 1 도전형의 바디 영역까지 이어지는, 제 2 도전형의 드리프트 영역;을 더 포함할 수 있다. The power semiconductor device comprising: a body region of a first conductivity type disposed between the first trench and the second trench in the substrate; And a second conductivity type drift region extending from the pair of first conductivity type floating regions in the substrate to the body region of the first conductivity type through the pair of first conductivity type floating regions, Area. ≪ / RTI >

상기 전력 반도체 소자에서, 상기 스위칭 손실 방지용 평면 전극과 상기 플로팅 영역 사이에 형성되는 커패시턴스에 의하여 상기 플로팅 영역과 상기 드리프트 영역 사이에 형성되는 커패시턴스가 게이트 채널 커패시턴스(Cgc)에 기여하는 비율을 감소시킬 수 있다. In the power semiconductor device, the capacitance formed between the floating region and the floating region by the capacitance formed between the floating electrode and the floating region reduces the ratio of the capacitance formed between the floating region and the drift region to the gate channel capacitance Cgc have.

상기 전력 반도체 소자에서, 상기 스위칭 손실 방지용 평면 전극은 폴리실리콘을 포함하여 이루어질 수 있다. In the power semiconductor device, the switching loss prevention planar electrode may include polysilicon.

상기 전력 반도체 소자에서, 상기 제 1 도전형의 바디 영역의 도핑 최대깊이는 상기 제 1 트렌치 및 상기 제 2 트렌치의 깊이 보다 얕으며, 상기 제 1 도전형의 플로팅 영역의 도핑 최대깊이는 상기 제 1 트렌치 및 상기 제 2 트렌치의 깊이 보다 깊을 수 있다. In the power semiconductor device, a maximum doping depth of the first conductive type body region is shallower than a depth of the first trench and the second trench, and a maximum doping depth of the first conductive type floating region And may be deeper than the depth of the trench and the second trench.

상기 전력 반도체 소자에서, 상기 제 2 도전형 및 상기 제 1 도전형은 서로 반대의 도전형을 가지되 n형 및 p형 중 각각 어느 하나일 수 있다. In the power semiconductor device, the second conductivity type and the first conductivity type have opposite conductivity types, and may be any one of n-type and p-type.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 관점에 의한 전력 반도체 소자의 제조방법이 제공된다. 상기 전력 반도체 소자의 제조방법은 웨이퍼 상의 제 1 영역에 제 1 도전형 불순물을 주입하고 상기 웨이퍼의 제 2 영역에 상기 웨이퍼에 함유된 제 2 도전형 도핑 농도 보다 더 높은 농도의 제 2 도전형 불순물을 주입하는 단계; 상기 웨이퍼 상에 에피층을 형성하는 단계; 상기 에피층의 일부를 제거하되, 상기 제 1 영역 및 상기 제 2 영역의 경계를 포함하는 영역에 서로 이격된 제 1 트렌치 및 제 2 트렌치를 각각 형성하는 단계; 상기 불순물을 확산함으로써, 상기 제 1 트렌치 및 제 2 트렌치의 바닥면과 적어도 일측면을 각각 둘러싸면서 서로 이격 배치된 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역을 형성하고, 상기 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역 아래로부터 상기 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역 사이의 영역까지 이어지는 제 2 도전형의 드리프트 영역의 적어도 일부를 형성하는 단계; 상기 제 1 트렌치 및 제 2 트렌치의 내벽을 절연막으로 라이닝하고 게이트 전극 물질을 충전(filling)하여 게이트 전극을 형성하는 단계; 상기 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역 상에 각각 형성되며, 상기 게이트 전극과 이격되어 절연된, 한 쌍의 스위칭 손실 방지용 평면 전극을 상기 기판의 상부면 상에 절연막을 개재하여 형성하는 단계;를 포함한다. A method for manufacturing a power semiconductor device according to another aspect of the present invention for solving the above problems is provided. The method for manufacturing a power semiconductor device includes the steps of implanting a first conductivity type impurity into a first region of a wafer and implanting a second conductivity type impurity at a concentration higher than a second conductivity type doping concentration contained in the wafer in a second region of the wafer, ; Forming an epilayer on the wafer; Forming a first trench and a second trench spaced apart from each other in a region including a boundary of the first region and the second region while removing a portion of the epilayer; Forming a pair of first conductivity type floating regions spaced apart from each other by surrounding the bottom surface and at least one side surface of the first trench and the second trench by diffusing the impurities, Forming at least a portion of a drift region of a second conductivity type from below the floating region to the region between the pair of first conductivity type floating regions; Lining the inner walls of the first trench and the second trench with an insulating film and filling the gate electrode material to form a gate electrode; Forming a pair of switching loss prevention planar electrodes formed on the pair of first conductivity type floating regions and spaced apart from and spaced apart from the gate electrode through an insulating film on an upper surface of the substrate; .

상기 전력 반도체 소자의 제조방법은, 상기 게이트 전극 및 상기 스위칭 손실 방지용 평면 전극 상에 배치된 이미터(emitter) 금속 패턴을 형성하는 단계;를 더 포함하고, 상기 스위칭 손실 방지용 평면 전극의 일단은 상기 이미터 금속 패턴과 접합될 수 있다. The method for manufacturing a power semiconductor device according to claim 1, further comprising forming an emitter metal pattern disposed on the gate electrode and the switching loss prevention flat electrode, wherein one end of the switching loss prevention flat electrode And can be bonded to the emitter metal pattern.

상기 전력 반도체 소자의 제조방법은, 상기 스위칭 손실 방지용 평면 전극의 타단과 상기 이미터 금속 패턴 사이 및 상기 게이트 전극과 상기 이미터 금속 패턴 사이에 개재된 절연 패턴을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있고, 상기 절연패턴은 상기 스위칭 손실 방지용 평면 전극과 상기 게이트 전극 사이의 이격 공간을 채우면서 상기 플로팅 영역에 이르도록 신장될 수 있다. The manufacturing method of the power semiconductor device may further include forming an insulating pattern interposed between the other end of the switching loss prevention flat electrode and the emitter metal pattern and between the gate electrode and the emitter metal pattern And the insulating pattern may be extended to reach the floating region while filling the space between the planar electrode for preventing switching loss and the gate electrode.

상기 전력 반도체 소자의 제조방법에서, 상기 트렌치의 측벽과 상기 게이트 전극 사이에 개재되는 상기 절연막과 상기 스위칭 손실 방지용 평면 전극과 상기 플로팅 영역 사이에 개재되는 상기 절연막은 동일한 물질로 이루어지며 동일한 두께를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 스위칭 손실 방지용 평면 전극과 상기 플로팅 영역 사이에 형성되는 커패시턴스에 의하여 상기 플로팅 영역과 상기 드리프트 영역 사이에 형성되는 커패시턴스가 게이트 채널 커패시턴스(Cgc)에 기여하는 비율을 감소시킬 수 있다. In the above method of manufacturing a power semiconductor device, the insulating film interposed between the sidewall of the trench and the gate electrode and the insulating film interposed between the floating electrode and the floating region are made of the same material and have the same thickness . In this case, the capacitance formed between the floating region and the floating region can reduce the ratio of the capacitance formed between the floating region and the drift region to the gate channel capacitance Cgc.

상기 전력 반도체 소자의 제조방법에서, 상기 스위칭 손실 방지용 평면 전극을 형성하는 단계는 폴리실리콘으로 이루어진 스위칭 손실 방지용 평면 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. In the method of manufacturing the power semiconductor device, the step of forming the planar electrode for preventing switching loss may include forming a planar electrode for preventing switching loss, the planar electrode being made of polysilicon.

상기 전력 반도체 소자의 제조방법에서, 상기 제 2 도전형 및 상기 제 1 도전형은 서로 반대의 도전형을 가지되 n형 및 p형 중 각각 어느 하나일 수 있다. In the method of manufacturing the power semiconductor device, the second conductivity type and the first conductivity type may have any conductivity type opposite to that of the n type and the p type, respectively.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 스위칭 손실을 감소시킬 수 있는 전력 반도체 소자 및 그 제조방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention as described above, a power semiconductor device capable of reducing a switching loss and a manufacturing method thereof can be implemented. Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자의 셀 구조를 도해하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자의 셀 구조 레이아웃을 도해하는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자에서 형성되는 커패시턴스의 양상을 도해하는 도면이다.
도 4 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자의 제조방법을 도해하는 단면도들이다.
1 is a cross-sectional view illustrating a cell structure of a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
2 is a plan view illustrating a cell structure layout of a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating an aspect of a capacitance formed in a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
4 to 10 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.The embodiments of the present invention are described in order to more fully explain the present invention to those skilled in the art, and the following embodiments may be modified into various other forms, It is not limited to the embodiment. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be more thorough and complete, and will fully convey the concept of the invention to those skilled in the art. In the drawings, the thickness and size of each layer are exaggerated for convenience and clarity of explanation.

명세서 전체에 걸쳐서, 막, 영역 또는 기판과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 접합하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에", "직접 연결되어", 또는 "직접 커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.It is to be understood that throughout the specification, when an element such as a film, region or substrate is referred to as being "on", "connected to", "laminated" or "coupled to" another element, It is to be understood that elements may be directly "on", "connected", "laminated" or "coupled" to another element, or there may be other elements intervening therebetween. On the other hand, when one element is referred to as being "directly on", "directly connected", or "directly coupled" to another element, it is interpreted that there are no other components intervening therebetween do. Like numbers refer to like elements. As used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the listed items.

본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.Although the terms first, second, etc. are used herein to describe various elements, components, regions, layers and / or portions, these members, components, regions, layers and / It is obvious that no. These terms are only used to distinguish one member, component, region, layer or section from another region, layer or section. Thus, a first member, component, region, layer or section described below may refer to a second member, component, region, layer or section without departing from the teachings of the present invention.

또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 추가하여 소자의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 소자가 뒤집어 진다면(turned over), 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로, 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다. 소자가 다른 방향으로 향한다면(다른 방향에 대하여 90도 회전), 본 명세서에 사용되는 상대적인 설명들은 이에 따라 해석될 수 있다.Also, relative terms such as "top" or "above" and "under" or "below" can be used herein to describe the relationship of certain elements to other elements as illustrated in the Figures. Relative terms are intended to include different orientations of the device in addition to those depicted in the Figures. For example, in the figures the elements are turned over so that the elements depicted as being on the top surface of the other elements are oriented on the bottom surface of the other elements. Thus, the example "top" may include both "under" and "top" directions depending on the particular orientation of the figure. If the elements are oriented in different directions (rotated 90 degrees with respect to the other direction), the relative descriptions used herein can be interpreted accordingly.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. As used herein, the singular forms "a," "an," and "the" include singular forms unless the context clearly dictates otherwise. Also, " comprise "and / or" comprising "when used herein should be interpreted as specifying the presence of stated shapes, numbers, steps, operations, elements, elements, and / And does not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, operations, elements, elements, and / or groups.

이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings schematically showing ideal embodiments of the present invention. In the figures, for example, variations in the shape shown may be expected, depending on manufacturing techniques and / or tolerances. Accordingly, the embodiments of the present invention should not be construed as limited to the particular shapes of the regions shown herein, but should include, for example, changes in shape resulting from manufacturing.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자의 셀 구조를 도해하는 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자의 셀 구조 레이아웃을 도해하는 평면도이다. FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a cell structure of a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plan view illustrating a cell structure layout of a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자의 셀 구조는 도 2에 개시된 A-A' 라인을 따라 절취된 단면 구조에 해당한다. The cell structure of the power semiconductor device according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 1 corresponds to a cross-sectional structure taken along the line A-A 'shown in FIG.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자 (100)는 기판(1) 내에 서로 이격된 제 1 트렌치(20a) 및 제 2 트렌치(20b)에 각각 배치된 한 쌍의 게이트 전극(50a, 50b)을 포함한다. Referring to FIGS. 1 and 2, a power semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention includes a first trench 20a and a second trench 20b, which are disposed in a first trench 20a and a second trench 20b, And a pair of gate electrodes 50a and 50b.

여기에서, 기판(1)은 웨이퍼와 웨이퍼 상에 에피택셜 성장된 에피층을 포함하는 의미로 이해될 수 있다. 기판(10)은 실리콘(Si)계, 실리콘 카바이드(SiC)계, 질화갈륨(GaN)계, 다이아몬드계, 산화갈륨계 등으로 분류될 수 있으나, 본 발명의 기술적 사상이 이러한 물질의 한정에 한정되는 것은 아니다. Here, the substrate 1 can be understood as meaning a wafer and an epitaxial layer epitaxially grown on the wafer. The substrate 10 may be classified as a silicon (Si), a silicon carbide (SiC), a gallium nitride (GaN), a diamond, a gallium oxide or the like. However, It is not.

본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자(100)는 기판(1) 내에서 제 1 트렌치(20a) 및 제 2 트렌치(20b) 사이에 배치된 제 1 도전형의 바디 영역(42)과 제 1 도전형의 바디 영역(42) 내에 제 1 트렌치(20a) 및 제 2 트렌치(20b)에 각각 인접하여 서로 이격 배치된 한 쌍의 제 2 도전형의 소스 영역(44a,44b)을 포함한다. A power semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention includes a body region 42 of a first conductive type disposed between a first trench 20a and a second trench 20b in a substrate 1, And a pair of source regions 44a and 44b of a second conductivity type disposed adjacent to and spaced from each other in the first trench 20a and the second trench 20b in the body region 42 of the first conductive type.

본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자(100)는 기판(1) 내에서 제 1 트렌치(20a)의 바닥면과 적어도 일측면을 각각 둘러싸는 제 1 도전형의 플로팅 영역(30a)을 포함하고, 제 1 트렌치(20b)의 바닥면과 적어도 일측면을 각각 둘러싸는 제 1 도전형의 플로팅 영역(30b)을 포함하되, 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역(30a, 30b)은 기판(1) 내에서 서로 이격되어 배치된다. The power semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention includes a floating region 30a of the first conductivity type surrounding the bottom surface and at least one side surface of the first trench 20a in the substrate 1 And a pair of first conductivity type floating regions (30a, 30b) are formed on the surface of the first trench (20b), and the floating region (30b) of the first conductivity type surrounding the bottom surface and at least one side surface of the first trench (1).

기판(1)의 상부면(1s)을 기준으로 플로팅 영역(30a, 30b)의 바닥면 까지의 깊이는 제 1 트렌치(20a) 및 제 2 트렌치(20b)의 바닥면까지의 깊이보다 더 깊다. 즉, 제 1 도전형의 플로팅 영역(30a, 30b)의 도핑 최대깊이는 제 1 트렌치(20a) 및 제 2 트렌치(20b)의 깊이 보다 깊을 수 있다. The depth to the bottom surface of the floating regions 30a and 30b with respect to the top surface 1s of the substrate 1 is deeper than the depth to the bottom surface of the first trench 20a and the second trench 20b. That is, the maximum doping depth of the floating regions 30a and 30b of the first conductivity type may be deeper than the depth of the first trench 20a and the second trench 20b.

본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자(100)는 기판(1) 내에서 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역(30a, 30b) 아래(12)로부터 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역(30a, 30b) 사이(14)를 통과하여 제 1 도전형의 바디 영역(42)까지 이어지는, 제 2 도전형의 드리프트 영역(10)을 포함한다. The power semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention includes a pair of first conductivity type floating regions 30a and 30b from a pair of first conductivity type floating regions 30a and 30b in the substrate 1, And a second conductivity type drift region 10 that extends between the regions 30a and 30b and extends to the body region 42 of the first conductivity type.

한편, 예를 들어, 드리프트 영역(10)에서 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역(30a, 30b) 사이의 제 2 도전형 도핑 농도(N1)는 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역(30a, 30b) 아래의 제 2 도전형 도핑 농도(N2) 보다 상대적으로 더 높을 수도 있다. On the other hand, for example, in the drift region 10, the second conductivity type doping concentration N1 between the pair of the first conductivity type floating regions 30a and 30b is a pair of the first conductivity type floating regions 30a, 30b) of the second conductivity type doping concentration (N2).

다른 한편, 제 1 도전형의 바디 영역(42)의 도핑 최대깊이는 제 1 트렌치(20a) 및 제 2 트렌치(20b)의 깊이 보다 얕으며, 제 1 도전형의 플로팅 영역(30a, 30b)의 도핑 최대깊이는 제 1 트렌치(20a) 및 제 2 트렌치(20b)의 깊이 보다 깊을 수 있다. 여기에서, 드리프트 영역(10)에서 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역(30a, 30b) 사이 및 제 1 트렌치(20a)와 제 2 트렌치(20b) 사이의 제 2 도전형 도핑 농도는 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역(30a, 30b) 아래의 제 2 도전형 도핑 농도 보다 상대적으로 더 높을 수도 있다. On the other hand, the maximum doping depth of the body region 42 of the first conductive type is shallower than the depth of the first trench 20a and the second trench 20b, and the depth of the floating regions 30a and 30b of the first conductivity type The maximum doping depth may be deeper than the depth of the first trench 20a and the second trench 20b. Here, the second conductivity type doping concentration between the pair of the first conductivity type floating regions 30a and 30b in the drift region 10 and between the first trench 20a and the second trench 20b is a pair May be relatively higher than the second conductivity type doping concentration below the floating regions 30a and 30b of the first conductivity type.

기판(1)의 상부면(1s) 상에 배치되되 제 1 도전형의 플로팅 영역(30a, 30b) 상에 각각 형성된 한 쌍의 스위칭 손실 방지용 평면 전극(52a, 52b)은 게이트 전극(50a, 50b)과 이격되어 전기적으로 절연된다. A pair of switching loss preventing planar electrodes 52a and 52b formed on the upper surface 1s of the substrate 1 and formed on the floating regions 30a and 30b of the first conductivity type are connected to the gate electrodes 50a and 50b And is electrically insulated.

예를 들어, 스위칭 손실 방지용 평면 전극(52a)은 게이트 전극(50a)과 이격 공간(51)의 의하여 공간적으로 분리되며, 스위칭 손실 방지용 평면 전극(52a)의 일부와 게이트 전극(50a) 상을 덮도록 형성된 절연 패턴(66)이 이격 공간(51)을 채우면서 플로팅 영역(30a)에 이르도록 신장됨으로써 스위칭 손실 방지용 평면 전극(52a)과 게이트 전극(50a)은 전기적으로 절연된다. For example, the switching loss preventing planar electrode 52a is spatially separated by the spacing space 51 from the gate electrode 50a, and covers a part of the switching loss preventing flat electrode 52a and the gate electrode 50a The planar electrode 52a for preventing the switching loss and the gate electrode 50a are electrically insulated from each other by extending the insulation pattern 66 formed so as to reach the floating region 30a while filling the space 51. [

마찬가지로, 스위칭 손실 방지용 평면 전극(52b)은 게이트 전극(50b)과 이격 공간(51)의 의하여 공간적으로 분리되며, 스위칭 손실 방지용 평면 전극(52b)의 일부와 게이트 전극(50b) 상을 덮도록 형성된 절연 패턴(66)이 이격 공간(51)을 채우면서 플로팅 영역(30b)에 이르도록 신장됨으로써 스위칭 손실 방지용 평면 전극(52b)과 게이트 전극(50b)은 전기적으로 절연된다.Likewise, the switching loss preventing planar electrode 52b is spatially separated by the spacing space 51 from the gate electrode 50b and is formed so as to cover a part of the switching loss preventing flat electrode 52b and the gate electrode 50b The insulating pattern 66 is extended to reach the floating region 30b while filling the spacing space 51 so that the switching loss preventing flat electrode 52b and the gate electrode 50b are electrically insulated.

스위칭 손실 방지용 평면 전극(52a, 52b)은 폴리실리콘을 포함하여 이루어질 수 있다. 기판(1)의 상부면(1s)에 수직한 방향으로 신장하는 트렌치 게이트 전극(50a, 50b)과 달리, 평면 전극은 기판(1)의 상부면(1s)에 나란한 방향으로 신장함을 의미한다.The switching loss preventing planar electrodes 52a and 52b may include polysilicon. Unlike the trench gate electrodes 50a and 50b extending in the direction perpendicular to the upper surface 1s of the substrate 1, the planar electrodes extend in a direction parallel to the upper surface 1s of the substrate 1 .

게이트 전극(50a, 50b) 및 스위칭 손실 방지용 평면 전극(52a, 52b) 상에 이미터(emitter) 금속 패턴(68)이 배치된다. 이미터 금속 패턴(68)은 이미터 전극 및/또는 이미터 배선 패턴, 콘택 패턴의 적어도 일부를 구성할 수 있다. 이미터 금속 패턴(68)은 스위칭 손실 방지용 평면 전극(52a, 52b)의 일단과 맞닿아 접합된다. 이 경우, 스위칭 손실 방지용 평면 전극(52a, 52b)의 타단은 이격 공간(51)에 의하여 게이트 전극(50b)과 공간적으로 분리된다. An emitter metal pattern 68 is disposed on the gate electrodes 50a and 50b and the switching loss preventing planar electrodes 52a and 52b. The emitter metal pattern 68 may form at least a portion of the emitter electrode and / or emitter wiring pattern, the contact pattern. The emitter metal pattern 68 is bonded to one end of the switching loss preventing planar electrodes 52a and 52b. In this case, the other ends of the switching loss preventing planar electrodes 52a and 52b are spatially separated from the gate electrode 50b by the spacing space 51. [

도 2에 도시된 초록색 영역은 이미터 금속 패턴(68)의 일부에 해당하는 바, 도 2에 도시된 제 1 지점(P1)은 도 1에 도시된 이미터 금속 패턴(68) 중에서 스위칭 손실 방지용 평면 전극(52a, 52b)과 접합되는 부분에 해당하며, 제 6 지점(P6)은 도 1에 도시된 이미터 금속 패턴(68) 중에서 제 1 도전형의 바디 영역(42)과 접합되는 부분에 해당한다. 2 corresponds to a part of the emitter metal pattern 68, and the first point P1 shown in FIG. 2 corresponds to a part of the emitter metal pattern 68 shown in FIG. The sixth point P6 corresponds to a portion to be bonded to the planar electrodes 52a and 52b and the sixth point P6 corresponds to a portion to be bonded to the body region 42 of the first conductivity type among the emitter metal patterns 68 shown in Fig. .

도 2에 도시된 붉은색 영역은 기판(1)의 상부면(1s) 상에 배치된 절연막(40)과 접하는 도전성 패턴의 일부에 해당하는 바, 도 2에 도시된 제 2 지점(P2)은 도 1에 도시된 스위칭 손실 방지용 평면 전극(52a, 52b)에 해당하며, 제 4 지점(P4)은 도 1에 도시된 게이트 전극(50a, 50b)과 연결되어 기판(1)의 상부면(1s) 상으로 신장되는 도전성 패턴에 해당할 수 있다. The red region shown in Fig. 2 corresponds to a part of the conductive pattern in contact with the insulating film 40 disposed on the upper surface 1s of the substrate 1, and the second point P2 shown in Fig. 2 The fourth point P4 corresponds to the switching loss preventing planar electrodes 52a and 52b shown in FIG. 1 and is connected to the gate electrodes 50a and 50b shown in FIG. 1 to correspond to the upper surfaces 1s ) Of the conductive pattern.

도 2에 도시된 검은색 영역은 스위칭 손실 방지용 평면 전극(52a, 52b)과 게이트 전극(50a, 50b) 사이를 전기적으로 절연시키는 영역에 해당하는 바, 도 2에 도시된 제 3 지점(P3)은 도 1에 도시된 이격 공간(51) 내지 이격 공간(51)을 채운 절연 패턴(66)에 해당할 수 있다. The black region shown in FIG. 2 corresponds to a region for electrically insulating between the switching loss preventing planar electrodes 52a and 52b and the gate electrodes 50a and 50b, and the third point P3 shown in FIG. May correspond to the insulation pattern 66 filling the spacing space 51 to the spacing space 51 shown in FIG.

도 2에 도시된 회색 영역은 트렌치(20a, 20b) 내에 형성된 게이트 전극(50a, 50b)에 해당한다.The gray regions shown in Fig. 2 correspond to the gate electrodes 50a and 50b formed in the trenches 20a and 20b.

트렌치(20a, 20b)의 측벽과 게이트 전극(50a, 50b) 사이 및 스위칭 손실 방지용 평면 전극(52a, 52b)과 제 1 도전형의 플로팅 영역(30a, 30b) 사이에는 절연막(40)이 개재된다.An insulating film 40 is interposed between the side walls of the trenches 20a and 20b and the gate electrodes 50a and 50b and between the switching loss preventing planar electrodes 52a and 52b and the first conductivity type floating regions 30a and 30b .

한편, 트렌치(20a, 20b)의 측벽과 게이트 전극(50a, 50b) 사이에 개재되는 상기 절연막(40)과 스위칭 손실 방지용 평면 전극(52a, 52b)과 제 1 도전형의 플로팅 영역(30a, 30b) 사이에 개재되는 상기 절연막(40)은 동일한 물질로 이루어지며 동일한 두께를 가질 수도 있다. The insulating film 40 interposed between the sidewalls of the trenches 20a and 20b and the gate electrodes 50a and 50b and the switching loss preventing flat electrodes 52a and 52b and the floating regions 30a and 30b of the first conductivity type The insulating layer 40 may be made of the same material and may have the same thickness.

한편, 기판(1)의 하부에는 컬렉터 전극(72)가 배치되며, 도면에 도시하지는 않았으나, 컬렉터 전극(72)을 형성하기 전에 제 2 도전형의 버퍼층(buffer layer) 및/또는 제 1 도전형의 컬렉터층을 먼저 형성할 수 있다. A collector electrode 72 is disposed under the substrate 1 and a buffer layer of a second conductivity type and / or a first conductive type layer of a second conductivity type are formed before forming the collector electrode 72, Can be formed first.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자에서 형성되는 커패시턴스의 양상을 도해하는 도면이다. 3 is a diagram illustrating an aspect of a capacitance formed in a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

도 1 내지 도 3을 함께 참조하면, 상술한 구조를 가지는 전력 반도체 소자(100)에서 스위칭 손실 방지용 평면 전극(52a, 52b)과 제 1 도전형의 플로팅 영역(30a, 30b) 사이에 형성되는 커패시턴스에 의하여 제 1 도전형의 플로팅 영역(30a, 30b)과 제 2 도전형의 드리프트 영역(10) 사이에 형성되는 커패시턴스가 게이트 채널 커패시턴스(Cgc)에 기여하는 비율을 감소시킬 수 있다. 1 to 3 together show the capacitance formed between the switching loss preventing planar electrodes 52a and 52b and the first conductivity type floating regions 30a and 30b in the power semiconductor device 100 having the above- The ratio of the capacitance formed between the first conductivity type floating regions 30a and 30b and the second conductivity type drift region 10 to the gate channel capacitance Cgc can be reduced.

스위칭 손실 방지용 평면 전극(52a, 52b) 아래의 절연막(40)의 두께를 트렌치(20a, 20b)의 측벽과 게이트 전극(50a, 50b) 사이에 개재되는 절연막(40)의 두께와 동일하게 형성함으로써 스위칭 손실 방지용 평면 전극(52a, 52b)과 제 1 도전형의 플로팅 영역(30a, 30b) 사이에 제 3 커패시턴스(CC)를 형성한다. The thickness of the insulating film 40 under the switching loss preventing planar electrodes 52a and 52b is made equal to the thickness of the insulating film 40 interposed between the side walls of the trenches 20a and 20b and the gate electrodes 50a and 50b A third capacitance C C is formed between the switching loss prevention flat electrodes 52a and 52b and the first conductivity type floating regions 30a and 30b.

한편, 전력 반도체 소자가 구동되는 상황에서, 제 1 도전형의 플로팅 영역(30a, 30b)과 게이트 전극(50a, 50b) 사이에 제 2 커패시턴스(CB)가 형성되고, 게이트 전극(50a, 50b)과 제 2 도전형의 드리프트 영역(10) 사이에 제 1 커패시턴스(CA)가 형성되고, 제 1 도전형의 플로팅 영역(30a, 30b)과 제 2 도전형의 드리프트 영역(10) 사이에 제 4 커패시턴스(CD)가 형성될 수 있다. A second capacitance C B is formed between the floating regions 30a and 30b of the first conductivity type and the gate electrodes 50a and 50b and the gate electrodes 50a and 50b A first capacitance C A is formed between the drift region 10 of the first conductivity type and the drift region 10 of the second conductivity type and a first capacitance C A is formed between the drift region 10 of the second conductivity type and the floating region 30a, A fourth capacitance C D may be formed.

이 경우, 밀러 커패시턴스를 형성하는 게이트 채널 커패시턴스(Cgc)의 값은 제 2 커패시턴스(CB)와 제 4 커패시턴스(CD)의 직렬 연결에 따른 커패시턴의 값과 제 1 커패시턴스(CA)의 값의 합으로 구성된다. 한편, 제 3 커패시턴스(CC)를 형성함으로써 제 3 커패시턴스(CC)와 제 4 커패시턴스(CD)가 직렬로 연결되어 제 2 커패시턴스(CB)에 직렬로 연결된 제 4 커패시턴스(CD) 중 일부만 게이트 채널 커패시턴스(Cgc)에 포함되도록 하여 전체 게이트 채널 커패시턴스(Cgc)의 값이 감소될 수 있다. 게이트 채널 커패시턴스(Cgc)의 값이 감소될수록 Eon(turn on transition 스위칭 손실)을 줄일 수 있다. 제 3 커패시턴스(CC)를 크게 형성할수록 Eon(turn on transition 스위칭 손실)은 더욱 줄어들게 된다. In this case, the value of the gate channel capacitance Cgc forming the Miller capacitance is the sum of the value of the capacitor due to the series connection of the second capacitance C B and the fourth capacitance C D and the value of the first capacitance C A , . On the other hand, the third capacitance (C C) formed by the third capacitance (C C) and a fourth capacitance (C D) is connected in series with the second capacitance, the fourth capacitance connected in series with the (C B) (C D) Only the gate channel capacitance Cgc may be included in the entire gate capacitance Cgc, thereby reducing the value of the total gate channel capacitance Cgc. As the value of the gate channel capacitance (Cgc) decreases, E on (turn on transition switching loss) can be reduced. The larger the third capacitance (C C ) is, the smaller the E on (turn on transition switching loss) is.

상술한 구조를 가지는 않은 종래의 전력 반도체 소자는 인젝션 인핸스먼트(injection enhancement)를 유발하기 때문에 블로킹(blocking) 영역 형성에 따른 게이트 채널 커패시턴스(Cgc)의 증가로 Eon(turn on transition 스위칭 손실)이 커지는 문제점을 가진다. Since the conventional power semiconductor device having no structure as described above causes injection enhancement, E on (turn on transition switching loss) is increased due to an increase of the gate channel capacitance Cgc due to the formation of the blocking region .

한편, 또 다른 이슈로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자(100)에서 한 쌍의 제 1 도전형 플로팅 영역(30a, 30b)의 사이(14)에 분포하는 제 2 도전형 도핑 농도(N1)는 제 1 도전형 플로팅 영역(30a, 30b)의 아래(12)에 분포하는 제 2 도전형 도핑 농도(N2) 보다 상대적으로 더 높으므로, 트렌치(20a, 20b) 사이의 이격거리가 좁아지더라도 베이스 전류 공급 경로가 형성되고 풍부한 베이스 전류를 공급하며, E 면에 최대 전기장이 형성되도록 N1과 P1의 밸런스(Balance)를 형성하여 강건성을 강화할 수 있다. On the other hand, as another issue, in the power semiconductor device 100 according to the embodiment of the present invention, the second conductivity type doping concentration (concentration) distributed in the space 14 between the pair of first conductivity type floating regions 30a and 30b The doping concentration N1 is relatively higher than the second conductivity type doping concentration N2 distributed below the first conductivity type floating regions 30a and 30b so that the distance between the trenches 20a and 20b It is possible to enhance the robustness by forming a balance of N1 and P1 so that a base current supply path is formed and a rich base current is supplied and a maximum electric field is formed on the E side.

즉, IGBT의 베이스 전류를 공급하는 G 방향의 MOSFET에서 트렌치 간의 이격 거리를 줄일 경우 플로팅 영역(30a, 30b)의 제 1 도전형 불순물이 확산되어 베이스 전류 경로가 제한되는 현상을 N1 영역을 형성함으로써 개선할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자(100)의 구성에 의하면, 동일한 트랜스 컨덕턴스를 가정할 때 더 좁을 이격 거리로 높은 셀 밀도를 형성하여 동일 총 전류에서 G 구간의 전류 밀도를 낮추고 국부적인 온도 상승을 완화하여 쇼트서킷 특성이 개선될 수 있다. That is, when the distance between the trenches in the G direction MOSFET for supplying the base current of the IGBT is reduced, the phenomenon that the first conduction type impurities of the floating regions 30a and 30b are diffused and the base current path is limited is formed by forming the N1 region Can be improved. Further, according to the configuration of the power semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention, when assuming the same transconductance, a high cell density is formed with a narrower distance to reduce the current density in the G section at the same total current The short circuit characteristic can be improved by mitigating the local temperature rise.

이러한 원리로 IGBT 저항과 쇼트서킷 특성을 개선함과 동시에, 영역(14)의 제 2 도전형 불순물 농도(N1)과 플로팅 영역(30a, 30b)의 제 1 도전형 불순물 농도(P1)의 전하 총량을 조절하여 E 면에 최대 전기장이 형성되도록 하여 강건성이 개선될 수 있다. 여기에서 최대 전기장(G2)이 형성되는 E 면은 트렌치(20a, 20b) 바닥면 보다 낮은 면이다. 한편, 변형된 실시예에서는, 최대 전기장(G3)이 형성되는 면이 플로팅 영역(30a, 30b)의 바닥면과 동일한 높이를 가질 수도 있다. The IGBT resistance and the short circuit characteristics are improved by this principle and the total amount of charges of the second conductivity type impurity concentration N1 of the region 14 and the first conductivity type impurity concentration P1 of the floating regions 30a and 30b So that the maximum electric field is formed on the E-plane, so that the robustness can be improved. Here, E plane on which the maximum electric field G2 is formed is lower than the bottom surface of the trenches 20a and 20b. On the other hand, in the modified embodiment, the surface on which the maximum electric field G3 is formed may have the same height as the bottom surface of the floating regions 30a and 30b.

전압 인가시 N 타입 공핍(depletion)에서 정적 상태의 전기장과 전하량의 관계를 C 방향의 1차원으로 단순화하면 dE/dx = (1/ε)*n 으로 N 도핑만의 함수로 볼 수 있지만, IGBT 동작시 캐리어가 주입되면 주입된 전하량에 영향을 받아 dE/dx = (1/ε)*(n+h-e)로 변하며, 턴 오프 상태에서 G 구간에서 홀밀도가 과다 상태에 있을 때 일반적 구조에서는 홀 농도 변화에 의한 전기장 변화율 증가로 동일 최대 전기장에서 전기장 면적이 줄어 내압 저하가 급격하게 일어나지만, 본 발명의 구조에서는 트렌치(20a, 20b) 바닥면과 바디 영역(42)의 바닥면 사이에 전기장 변화율 음수 구간을 만들어서 전기장이 기울기가 증가할 때 전기장의 면적이 증가함으로 인해 동적 내압 저하가 완화된다. When the relationship between the electric field and the charge amount in the static state in the N-type depletion at the time of voltage application is simplified to one dimension in the C direction, it can be regarded as a function of only N doping with dE / dx = (1 / When the carrier is injected during operation, the charge is changed by dE / dx = (1 / ε) * (n + he) due to the amount of charge injected. When the hole density in the turn- In the structure of the present invention, the electric field change rate between the bottom surface of the trenches 20a and 20b and the bottom surface of the body region 42 is lower than the electric field change rate between the bottom surface of the trenches 20a and 20b and the bottom surface of the body region 42. However, By making the negative interval, the decrease of the dynamic breakdown voltage is alleviated by the increase of the electric field area when the slope of the electric field increases.

도 4 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자의 제조방법을 도해하는 단면도들이다. 4 to 10 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

도 4 및 도 5를 참조하면, 웨이퍼(A) 상의 제 1 영역(I)에 제 1 도전형 불순물을 주입(P1 Implant)하고 웨이퍼(A)의 제 2 영역(II)에 웨이퍼(A)에 함유된 제 2 도전형 도핑 농도 보다 더 높은 농도의 제 2 도전형 불순물을 주입(N1 Implant)한다.4 and 5, a first conductivity type impurity is implanted (P1 implant) into a first region I on a wafer A and the wafer A is implanted into a second region II of the wafer A (N1 Implant) a second conductivity type impurity at a concentration higher than that of the second conductivity type doping concentration.

도 6을 참조하면, 웨이퍼(A) 상에 에피층(B)을 형성한다. 기판(1)은 웨이퍼(A)와 웨이퍼 상에 에피택셜 성장된 에피층(B)을 포함하는 의미로 이해될 수 있다. 에피층(B)이 성장된 후에 에피층(B)의 상부면을 통하여 추가적으로 불순물을 주입하는 도핑 공정을 수행할 수 있다. Referring to FIG. 6, an epitaxial layer B is formed on the wafer A. The substrate 1 may be understood to include a wafer A and an epitaxial layer B epitaxially grown on the wafer. It is possible to perform a doping process in which an additional impurity is implanted through the upper surface of the epi layer B after the epi layer B is grown.

도 7을 참조하면, 에피층(B)의 일부를 제거하되, 제 1 영역(I) 및 제 2 영역(II)의 경계를 포함하는 영역에 서로 이격된 제 1 트렌치(20a) 및 제 2 트렌치(20b)를 각각 형성할 수 있다. 7, a part of the epi-layer B is removed, and a first trench 20a and a second trench 20b, which are spaced apart from each other in an area including a boundary of the first area I and the second area II, (20b) can be formed.

도 8을 참조하면, 제 1 도전형 및 제 2 도전형의 불순물이 주입된 상태에서 열처리 등을 통한 확산 공정을 통하여, 제 1 트렌치(20a) 및 제 2 트렌치(20b)의 바닥면과 적어도 일측면을 각각 둘러싸면서 서로 이격 배치된 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역(30a, 30b)을 형성할 수 있다. 또한, 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역(30a, 30b) 아래로부터 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역(30a, 30b) 사이의 영역까지 이어지는 제 2 도전형의 드리프트 영역(10)의 적어도 일부를 형성할 수 있다. 이 경우, 제 1 도전형의 플로팅 영역(30a, 30b)의 하부는 웨이퍼(A)와 에피층(B)의 경계면(F)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 8, the first and second trenches 20a and 20b are doped with impurities of a first conductivity type and a second conductivity type, respectively, through a diffusion process such as heat treatment. A pair of first conductivity type floating regions 30a and 30b which are spaced apart from each other and surround the side surfaces can be formed. The drift region 10 of the second conductivity type extending from below the pair of first conductivity type floating regions 30a and 30b to the region between the pair of first conductivity type floating regions 30a and 30b At least a part of which can be formed. In this case, the lower part of the floating regions 30a and 30b of the first conductivity type may include the interface F between the wafer A and the epi layer B. [

도 9를 참조하면, 제 1 트렌치(20a) 및 제 2 트렌치(20b) 사이의 영역에 불순물을 주입하여 제 1 도전형의 바디 영역(42)과 제 1 도전형의 바디 영역(42) 내에 제 1 트렌치(20a) 및 제 2 트렌치(20b)에 각각 인접하여 서로 이격 배치된 한 쌍의 제 2 도전형의 소스 영역(44a, 44b)을 형성할 수 있다. 계속하여, 제 1 트렌치(20a) 및 제 2 트렌치(20b)의 내벽을 절연막으로 라이닝하고 게이트 전극 물질로 충전(filling)하여 게이트 전극(50a, 50b)을 형성할 수 있다. 상기 절연막은 제 1 트렌치(20a) 및 제 2 트렌치(20b)의 내벽 뿐만 아니라 기판(1)의 상부면까지 연장되도록 형성할 수 있다. 또한, 게이트 전극(50a, 50b)을 형성하기 위하여 제 1 트렌치(20a) 및 제 2 트렌치(20b)를 충전하는 게이트 전극 물질은 트렌치 내의 공간 뿐만 아니라 기판(1)의 상부면까지 연장되도록 형성할 수 있다.Referring to FIG. 9, impurities are implanted into the region between the first trench 20a and the second trench 20b to form a first conductive type body region 42 and a first conductive type body region 42 A pair of source regions 44a and 44b of a second conductivity type disposed adjacent to and spaced apart from the first trench 20a and the second trench 20b may be formed. Subsequently, the inner walls of the first trench 20a and the second trench 20b may be lined with an insulating film and filled with a gate electrode material to form the gate electrodes 50a and 50b. The insulating layer may extend not only to the inner walls of the first trench 20a and the second trench 20b but also to the upper surface of the substrate 1. [ The gate electrode material filling the first trench 20a and the second trench 20b to form the gate electrodes 50a and 50b may be formed to extend not only to the space in the trench but also to the top surface of the substrate 1 .

도 10을 참조하면, 기판(1)의 상부면에 형성된 상기 절연막과 상기 게이트 전극 물질 중 일부를 식각하여 이격 공간(51)을 형성한다. 이격 공간(51)을 통하여 제 1 도전형의 플로팅 영역(30a, 30b)이 노출될 수 있다. 형성된 이격 공간(51)에 의하여 게이트 전극(50a, 50b)과 스위칭 손실 방지용 평면 전극(52a, 52b)이 공간적으로 분리된다. Referring to FIG. 10, a space 51 is formed by etching a part of the insulating film and the gate electrode material on the upper surface of the substrate 1. The floating regions 30a and 30b of the first conductivity type can be exposed through the spacing space 51. [ The gate electrodes 50a and 50b and the switching loss prevention flat electrodes 52a and 52b are spatially separated by the formed spacing space 51. [

도 11을 참조하면, 스위칭 손실 방지용 평면 전극(52a, 52b), 게이트 전극(50a, 50b) 상을 덮으면서 이격 공간(51)을 채우도록 절연 패턴(66)을 형성한다. 절연 패턴(66)은 스위칭 손실 방지용 평면 전극(52a, 52b)의 일단이 노출되고 바디 영역(42)이 노출되도록 형성할 수 있다. 11, an insulating pattern 66 is formed so as to fill the spacing spaces 51 while covering the switching electrodes 52a and 52b and the gate electrodes 50a and 50b. The insulating pattern 66 may be formed such that one end of the switching loss prevention flat electrodes 52a and 52b is exposed and the body region 42 is exposed.

계속하여, 노출된 스위칭 손실 방지용 평면 전극(52a, 52b)의 일단, 절연 패턴(66), 노출된 바디 영역(42) 상에 이미터 금속 패턴(68)을 형성함으로써 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자(100)를 구현한다. Subsequently, by forming the emitter metal pattern 68 on one end of the exposed planar electrodes 52a and 52b, the insulating pattern 66, and the exposed body region 42, Thereby realizing the power semiconductor device 100 according to one embodiment of the present invention.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the invention. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

1: 기판
10 : 드리프트 영역
20a, 20b : 트렌치
30a, 30b : 플로팅 영역
40 : 절연막
42 : 바디 영역
44 : 소스 영역
50a, 50b : 게이트 전극
51 : 이격 공간
52a, 52b : 스위칭 손실 방지용 평면 전극
66 : 절연 패턴
68 : 이미터 금속 패턴
1: substrate
10: drift region
20a and 20b: trenches
30a, 30b: Floating area
40: Insulating film
42: Body area
44: source region
50a, 50b: gate electrode
51: Spacing space
52a and 52b: planar electrodes for preventing switching loss
66: Insulation pattern
68: Emitter metal pattern

Claims (11)

기판 내에 서로 이격된 제 1 트렌치 및 제 2 트렌치에 각각 배치된 한 쌍의 게이트 전극;
상기 기판 내에서 상기 제 1 트렌치 및 제 2 트렌치의 바닥면과 적어도 일측면을 각각 둘러싸면서 서로 이격 배치된 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역;
상기 기판의 상부면 상에 배치되되 상기 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역 상에 각각 형성되며, 상기 게이트 전극과 이격되어 절연된, 한 쌍의 스위칭 손실 방지용 평면 전극;
상기 제 1 트렌치와 상기 제 2 트렌치의 측벽과 상기 게이트 전극 사이 및 상기 스위칭 손실 방지용 평면 전극과 상기 플로팅 영역 사이에 각각 개재되는 절연막;
상기 기판 내에서 상기 제 1 트렌치 및 상기 제 2 트렌치 사이에 배치된 제 1 도전형의 바디 영역; 및 상기 기판 내에서 상기 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역 아래로부터 상기 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역 사이를 통과하여 상기 제 1 도전형의 바디 영역까지 이어지는, 제 2 도전형의 드리프트 영역;
을 포함하며,
상기 드리프트 영역에서 상기 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역 사이 및 상기 제 1 트렌치와 제 2 트렌치 사이의 제 2 도전형 도핑 농도(N1)는 상기 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역 아래의 제 2 도전형 도핑 농도(N2) 보다 상대적으로 더 높도록 구성되어, 상기 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역 사이를 상하로 지나는 경로(G)에 수직인 단면 중에서 최대 전기장이 형성되는 면(E)은 상기 제 1 트렌치의 바닥면 및 상기 제 2 트렌치의 바닥면 보다 낮은 것을 특징으로 하는,
전력 반도체 소자.
A pair of gate electrodes respectively disposed in the first trench and the second trench spaced apart from each other in the substrate;
A pair of first conductivity type floating regions spaced from each other and surrounding the bottom surface and at least one side of the first trench and the second trench in the substrate, respectively;
A pair of switching loss prevention planar electrodes formed on the upper surface of the substrate, the pair of switching loss prevention planar electrodes formed on the pair of first conductivity type floating regions, respectively, and isolated from the gate electrode;
An insulating film interposed between the sidewalls of the first trench and the second trench and the gate electrode and between the floating electrode for preventing switching loss and the floating region, respectively;
A body region of a first conductivity type disposed between the first trench and the second trench in the substrate; And a second conductivity type drift region extending from the pair of first conductivity type floating regions in the substrate to the body region of the first conductivity type through the pair of first conductivity type floating regions, domain;
/ RTI >
And a second conductivity type doping concentration (N1) between the pair of first conductivity type floating regions in the drift region and between the first trench and the second trench, And a surface on which a maximum electric field is formed in a cross section perpendicular to a path (G) passing between the pair of first conductivity type floating regions up and down ( E) is lower than the bottom surface of the first trench and the bottom surface of the second trench.
Power semiconductor device.
제 1 항에 있어서,
상기 게이트 전극 및 상기 스위칭 손실 방지용 평면 전극 상에 배치된 이미터(emitter) 금속 패턴;을 더 포함하고,
상기 스위칭 손실 방지용 평면 전극의 일단은 상기 이미터 금속 패턴과 접합되는 것을 특징으로 하는, 전력 반도체 소자.
The method according to claim 1,
And an emitter metal pattern disposed on the gate electrode and the switching loss prevention planar electrode,
And one end of the switching loss prevention flat electrode is bonded to the emitter metal pattern.
제 2 항에 있어서,
상기 스위칭 손실 방지용 평면 전극의 타단과 상기 이미터 금속 패턴 사이 및 상기 게이트 전극과 상기 이미터 금속 패턴 사이에 개재된 절연 패턴;을 더 포함하고,
상기 절연패턴은 상기 스위칭 손실 방지용 평면 전극과 상기 게이트 전극 사이의 이격 공간을 채우면서 상기 플로팅 영역에 이르도록 신장되는 것을 특징으로 하는, 전력 반도체 소자.
3. The method of claim 2,
And an insulating pattern interposed between the other end of the switching loss prevention flat electrode and the emitter metal pattern and between the gate electrode and the emitter metal pattern,
Wherein the insulating pattern is elongated to reach the floating region while filling a spacing space between the planar electrode for preventing switching loss and the gate electrode.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 트렌치와 상기 제 2 트렌치의 측벽과 상기 게이트 전극 사이에 개재되는 상기 절연막과 상기 스위칭 손실 방지용 평면 전극과 상기 플로팅 영역 사이에 개재되는 상기 절연막은 동일한 물질로 이루어지며 동일한 두께를 가지는 것을 특징으로 하는, 전력 반도체 소자.
The method according to claim 1,
The insulating film interposed between the first trench and the sidewall of the second trench and the gate electrode and the insulating film interposed between the floating electrode and the floating electrode are made of the same material and have the same thickness To the power semiconductor device.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 스위칭 손실 방지용 평면 전극과 상기 플로팅 영역 사이에 형성되는 커패시턴스에 의하여 상기 플로팅 영역과 상기 드리프트 영역 사이에 형성되는 커패시턴스가 게이트 채널 커패시턴스(Cgc)에 기여하는 비율을 감소시키는 것을 특징으로 하는, 전력 반도체 소자.
The method according to claim 1,
Characterized in that the capacitance formed between the floating region and the floating region by the capacitance formed between the floating electrode and the floating region reduces the ratio of the capacitance formed between the floating region and the drift region to the gate channel capacitance Cgc. device.
제 1 항에 있어서,
상기 스위칭 손실 방지용 평면 전극은 폴리실리콘을 포함하여 이루어진, 전력 반도체 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the switching loss prevention planar electrode comprises polysilicon.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 도전형의 바디 영역의 도핑 최대깊이는 상기 제 1 트렌치 및 상기 제 2 트렌치의 깊이 보다 얕으며, 상기 제 1 도전형의 플로팅 영역의 도핑 최대깊이는 상기 제 1 트렌치 및 상기 제 2 트렌치의 깊이 보다 깊은, 전력 반도체 소자.
The method according to claim 1,
Wherein a maximum doping depth of the first conductive type body region is shallower than a depth of the first trench and the second trench and a maximum doping depth of the first conductive type floating region is greater than a doping maximum depth of the first trench and the second trench, Deeper than the depth of the power semiconductor device.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 도전형 및 상기 제 1 도전형은 서로 반대의 도전형을 가지되 n형 및 p형 중 각각 어느 하나인, 전력 반도체 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the second conductivity type and the first conductivity type are of opposite conductivity types and are any one of an n type and a p type.
웨이퍼 상의 제 1 영역에 제 1 도전형 불순물을 주입하고 상기 웨이퍼의 제 2 영역에 상기 웨이퍼에 함유된 제 2 도전형 도핑 농도 보다 더 높은 농도의 제 2 도전형 불순물을 주입하는 단계;
상기 웨이퍼 상에 에피층을 형성함으로써, 상기 웨이퍼와 상기 에피층을 포함하는 기판을 형성하는 단계;
상기 에피층의 일부를 제거하되, 상기 제 1 영역 및 상기 제 2 영역의 경계를 포함하는 영역에 서로 이격된 제 1 트렌치 및 제 2 트렌치를 각각 형성하는 단계;
상기 불순물을 확산함으로써, 상기 제 1 트렌치 및 제 2 트렌치의 바닥면과 적어도 일측면을 각각 둘러싸면서 서로 이격 배치된 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역을 형성하고, 상기 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역 아래로부터 상기 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역 사이의 영역까지 이어지는 제 2 도전형의 드리프트 영역의 적어도 일부를 형성하는 단계;
상기 제 1 트렌치 및 제 2 트렌치의 내벽을 절연막으로 라이닝하고 게이트 전극 물질을 충전(filling)하여 게이트 전극을 형성하는 단계;
상기 한 쌍의 제 1 도전형의 플로팅 영역 상에 각각 형성되며, 상기 게이트 전극과 이격되어 절연된, 한 쌍의 스위칭 손실 방지용 평면 전극을 상기 기판의 상부면 상에 절연막을 개재하여 형성하는 단계;
를 포함하는, 전력 반도체 소자의 제조방법.
Implanting a first conductivity type impurity into a first region on a wafer and implanting a second conductivity type impurity at a concentration higher than a second conductivity type doping concentration contained in the wafer in a second region of the wafer;
Forming an epitaxial layer on the wafer, thereby forming a substrate including the wafer and the epitaxial layer;
Forming a first trench and a second trench spaced apart from each other in a region including a boundary of the first region and the second region while removing a portion of the epilayer;
Forming a pair of first conductivity type floating regions spaced apart from each other by surrounding the bottom surface and at least one side surface of the first trench and the second trench by diffusing the impurities, Forming at least a portion of a drift region of a second conductivity type from below the floating region to the region between the pair of first conductivity type floating regions;
Lining the inner walls of the first trench and the second trench with an insulating film and filling the gate electrode material to form a gate electrode;
Forming a pair of switching loss prevention planar electrodes formed on the pair of first conductivity type floating regions and spaced apart from and spaced apart from the gate electrode through an insulating film on an upper surface of the substrate;
Gt; wherein < / RTI >
제 10 항에 있어서,
상기 게이트 전극 및 상기 스위칭 손실 방지용 평면 전극 상에 배치된 이미터(emitter) 금속 패턴을 형성하는 단계;를 더 포함하고,
상기 스위칭 손실 방지용 평면 전극의 일단은 상기 이미터 금속 패턴과 접합되는 것을 특징으로 하는, 전력 반도체 소자의 제조방법.
11. The method of claim 10,
And forming an emitter metal pattern disposed on the gate electrode and the switching loss prevention planar electrode,
And one end of the switching loss prevention flat electrode is bonded to the emitter metal pattern.
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