KR101886105B1 - 반도체 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자는 통전 영역 및 상기 통전 영역이 끝나는 부분에 위치하는 종단 영역을 포함한다. 상기 종단 영역은 상기 n+형 탄화 규소 기판, 상기 n+형 탄화 규소 기판의 제1면에 위치하는 n-형층, 상기 n-형층에 위치하는 절연층, 상기 절연층 위에 위치하는 종단 전극부를 포함하고, 상기 절연층은 제1 부분 및 상기 제1 부분보다 두께가 얇은 제2 부분을 포함한다.

Description

반도체 소자{SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 기재는 탄화 규소(SiC, 실리콘 카바이드)를 포함하는 반도체 소자에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 반도체 소자의 종단 구조에 관한 것이다.
최근 응용 기기의 대형화 대용량화 추세에 따라 높은 항복전압과 높은 전류 및 고속 스위칭 특성을 갖는 전력용 반도체 소자의 필요성이 대두되고 있다.
탄화 규소(SiC) 전력용 반도체 소자의 경우, 종래의 실리콘(Si) 전력용 반도체 소자에 비해 우수한 특성으로 인해, 높은 항복전압과 높은 전류 및 고속 스위칭 특성을 충족시킬 수 있는 전력용 반도체 소자로 연구되고 있다.
한편, 반도체 소자는 순방향 전압 인가 시, 전류가 흐르는 영역인 통전 영역과 통전 영역이 끝나는 부분에 위치하는 영역인 종단 영역을 포함한다.
반도체 소자에 역방향 전압 인가 시, 전계가 집중되어 반도체 소자의 항복 전압이 감소될 수 있는데, 종단 영역에 집중되는 전계로 인한 항복 전압의 감소를 방지하기 위하여 다양한 종단 구조를 적용하고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 탄화 규소(SiC, 실리콘 카바이드)를 포함하는 반도체 소자의 항복 전압을 향상 시키는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자는 통전 영역 및 상기 통전 영역이 끝나는 부분에 위치하는 종단 영역을 포함한다. 상기 종단 영역은 상기 n+형 탄화 규소 기판, 상기 n+형 탄화 규소 기판의 제1면에 위치하는 n-형층, 상기 n-형층에 위치하는 절연층, 상기 절연층 위에 위치하는 종단 전극부를 포함하고, 상기 절연층은 제1 부분 및 상기 제1 부분보다 두께가 얇은 제2 부분을 포함한다.
상기 제1 부분 및 상기 제2 부분은 서로 인접하게 위치할 수 있다.
상기 제1 부분 및 상기 제2 부분이 반복적으로 위치할 수 있다.
상기 종단 전극부는 볼록부 및 오목부를 포함할 수 있다.
상기 오목부는 상기 제1 부분에 대응할 수 있고, 상기 볼록부는 상기 제2 부분에 대응할 수 있다.
상기 통전 영역은 상기 n+형 탄화 규소 기판, 상기 n+형 탄화 규소 기판의 제1면에 위치하는 n-형층, 상기 n-형층 내에 위치하는 p형 영역, 상기 n-형층 및 상기 p형 영역 위에 위치하는 제1 전극, 그리고 상기 n+형 탄화 규소 기판의 제2면에 위치하는 제2 전극을 포함할 수 있다.
상기 종단 전극부는 상기 제1 전극으로부터 연장될 수 있다.
상기 제2 전극은 상기 통전 영역까지 연장될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 반도체 소자의 종단 영역에 반도체 소자의 종단 영역에 제1 부분 및 제1 부분 보다 두께가 얇은 제2 부분을 포함하는 절연층을 배치하여 종단 영역에 전계 분산 효과를 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 반도체 소자의 항복 전압을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 단면의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자와 비교예에 따른 반도체 소자의 종단 영역의 전계 분포를 시뮬레이션 한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자와 비교예에 따른 반도체 소자의 항복 전압을 시뮬레이션 한 결과를 나타낸 그래프이다.
첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 단면의 일 예를 도시한 도면이다.
도 1를 참고하면, 본 실시예에 따른 반도체 소자는 통전 영역 및 종단 영역을 포함한다. 통전 영역은 순방향 전압 인가 시, 전류가 흐르는 영역이고, 종단 영역은 통전 영역이 끝나는 부분에 위치하는 영역이다.
본 실시예에 따른 반도체 소자는 n+형 탄화 규소 기판(100), n-형층(200), p형 영역(300), 절연층(400), 제1 전극(500), 및 제2 전극(600)을 포함한다.
아래에서는 본 실시예에 따른 반도체 소자의 구체적인 구조에 대해 설명한다.
n+형 탄화 규소 기판(100)의 제1면에 n-형층(200)이 위치한다.
p형 영역(300)은 통전 영역의 n-형층(200) 내에 위치한다. p형 영역(300)은 복수 개이며, 서로 이격되어 있다. 복수의 p형 영역(300)은 n-형층(200) 내의 상부에 위치하고, p형 영역(300)의 상부면의 연장선과 n-형층(200)의 상부면의 연장선은 동일선 상에 위치할 수 있다.
절연층(400)은 종단 영역의 n-형층(200) 위에 위치한다. 절연층(400)은 제1 부분(410) 및 제1 부분(410)보다 두께가 얇은 제2 부분(420)은 포함한다. 제1 부분(410)은 통전 영역에 인접하게 위치한다. 제1 부분(410)과 제2 부분(420)은 서로 인접하게 위치하고, 서로 반복적으로 위치한다. 절연층(400)은 산화 실리콘(SiO2)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 부분(410)과 제2 부분(420)의 두께, 폭 및 형상을 다양하게 구현할 수 있다. 예를 들면, 제2 부분(420)은 단면이 V자 형상, U자 형상, 직각 삼각형 형상 또는 사다리꼴 형상 중 어느 하나를 가질 수 있다.
이러한 절연층(400)은 제1 부분(410)과 제2 부분(420)을 동시에 형성할 수 있다. 예를 들면, 종단 영역에 절연 물질층을 형성한 후, 제2 부분(420)이 형성되는 부분에 절연 물질층의 일부를 식각하여 절연층(400)을 형성할 수 있다. 이에 한정하지 않고, 제1 부분(410)을 먼저 형성한 후, 제2 부분(420)을 형성할 수도 있다. 예를 들면, 종단 영역에 절연 물질층을 형성한 후, 제2 부분(420)이 형성되는 부분에 절연 물질층을 모두 식각하여 제1 부분(410)을 형성한 다음, 제1 부분(410)보다 얇은 두께를 가지는 절연 물질을 제1 부분(410) 옆에 증착하여 제2 부분(420)을 형성할 수도 있다.
제1 전극(500)은 n-형층(200), p형 영역(300) 및 절연층(400) 위에 위치한다. 제1 전극(500)은 통전 영역에 위치하는 통전 전극부(510)와 종단 영역에 위치하는 종단 전극부(520)를 포함한다. 종단 전극부(520)는 오목부(521)와 볼록부(522)를 포함한다. 오목부(521)은 절연층(400)의 제1 부분(410)에 대응하고, 볼록부(522)는 절연층(400)의 제2 부분(420)에 대응한다.
제2 전극(600)은 n+형 탄화 규소 기판(100)의 제2면에 위치한다. n+형 탄화 규소 기판(100)의 제2면은 n+형 탄화 규소 기판(100)의 제1면에 대해 반대쪽에 위치한다. 여기서, 통전 전극부(510)는 애노드(anode) 역할을 할 수 있고, 제2 전극(600)은 캐소드(cathode) 역할을 할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 반도체 소자는 제1 전극(500)과 n-형층(200), p형 영역(300) 및 절연층(400) 사이에 위치하는 쇼트키(schottky) 금속을 더 포함할 수 있다. 또한, 제2 전극(600)과 n+형 탄화 규소 기판(100)의 제2면 사이에 위치하는 쇼트키(schottky) 금속을 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 종단 영역에 위치한 절연층(400)은 두께가 동일하지 않고, 제1 부분(410) 및 제1 부분(410) 보다 두께가 얇은 제2 부분(420)을 포함하고 있다. 이러한 구조로 인하여, 반도체 소자의 역방향 전압 인가 시, 두께가 얇은 제2 부분(420)에 전계가 집중된다. 또한, 제1 부분(410)과 제2 부분(420)이 반복적으로 위치함에 따라, 전계가 집중되는 영역이 복수개 형성된다. 즉, 종단 영역에 전계 분산 효과를 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 반도체 소자의 역방향 전압 인가 시, 종단 영역에 전계 분포가 확장되어 반도체 소자의 항복 전압이 증가할 수 있다.
그러면, 도 2 및 도 3을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 특성에 대해 설명한다. 도 2 및 도 3에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자와 비교예에 따른 반도체 소자의 특성을 비교하여 설명한다. 여기서, 비교예에 따른 반도체 소자는 종단 영역에 동일한 두께의 절연층이 위치하는 구조를 가진다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 종단 영역과 비교예에 따른 반도체 소자의 종단 영역의 전계 분포를 시뮬레이션 한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2를 참고하면, 본 실시예에 따른 반도체 소자는 비교예에 따른 반도체 소자에 비해 전계 집중 영역이 추가로 위치하는 것을 알 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 반도체 소자의 종단 영역에 전계 집중 영역이 복수개 위치하는 것을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자와 비교예에 따른 반도체 소자의 항복 전압을 시뮬레이션 한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참고하면, 본 실시예에 따른 반도체 소자의 항복 전압은 769V로 나타났고, 비교예에 따른 반도체 소자의 항복 전압은 681V로 나타났다. 즉, 본 실시예에 따른 반도체 소자의 경우, 비교예에 따른 반도체 소자에 비해 항복 전압이 약 13% 증가함을 알 수 있다. 또한, 항복 전압의 증가에 따라, 반도체 소자의 n-형층의 두께를 감소시키거나, 이온의 도핑 농도를 감소시킬 수 있으므로, 반도체 소자의 온 저항을 줄일 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 통전 영역이 애노드 역할을 하는 제1 전극(500)의 통전 전극부(510)와 캐소드 역할을 하는 제2 전극(600)을 포함하는 다이오드 구조를 설명하였지만, 이에 한정되지 않고, 통전 영역은 다양한 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, n-형층(200)에 트렌치(trench)가 위치하고, 트렌치 내에 위치하는 게이트 전극을 포함하는 트렌치 게이트 MOSFET 구조이거나 트렌치 내에 위치하는 것이 아니라, n-형층(200) 위에 위치하는 게이트 전극을 포함하는 플라나(planar) 게이트 MOSFET 구조일 수 있다. 이 때, 제1 전극(500)의 통전 전극부(510)는 소스 전극의 역할을 하고, 제2 전극(600)을 드레인 전극의 역할을 한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: n+형 탄화 규소 기판 200: n-형층
300: p형 영역 400: 절연층
410: 제1 부분 420: 제2 부분
500: 제1 전극 510: 통전 전극부
520: 종단 전극부 600: 제2 전극

Claims (7)

  1. 통전 영역 및 상기 통전 영역이 끝나는 부분에 위치하는 종단 영역을 포함하는 반도체 소자에 있어서,
    상기 종단 영역은
    n+형 탄화 규소 기판,
    상기 n+형 탄화 규소 기판의 제1면에 위치하는 n-형층,
    상기 n-형층 위에 위치하는 절연층,
    상기 절연층 위에 위치하는 종단 전극부를 포함하고,
    상기 절연층은 제1 부분 및 상기 제1 부분보다 두께가 얇은 제2 부분을 포함하고,
    상기 종단 영역에서, 상기 절연층의 하부면은 상기 n-형층의 상부면과 접촉하고, 상기 절연층의 하부면 및 상기 n-형층의 상부면은 평탄한 반도체 소자.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 부분 및 상기 제2 부분은 서로 인접하게 위치하는 반도체 소자.
  3. 제2항에서,
    상기 제1 부분 및 상기 제2 부분이 반복적으로 위치하는 반도체 소자.
  4. 제3항에서,
    상기 종단 전극부는 볼록부 및 오목부를 포함하고,
    상기 오목부는 상기 제1 부분에 대응하고, 상기 볼록부는 상기 제2 부분에 대응하는 제 반도체 소자.
  5. 제1항에서,
    상기 통전 영역은
    상기 n+형 탄화 규소 기판,
    상기 n+형 탄화 규소 기판의 제1면에 위치하는 n-형층,
    상기 n-형층 내에 위치하는 p형 영역,
    상기 n-형층 및 상기 p형 영역 위에 위치하는 제1 전극, 그리고
    상기 n+형 탄화 규소 기판의 제2면에 위치하는 제2 전극을 포함하는 반도체 소자.
  6. 제5항에서,
    상기 종단 전극부는 상기 제1 전극으로부터 연장된 반도체 소자.
  7. 제6항에서,
    상기 제2 전극은 상기 통전 영역까지 연장된 반도체 소자.
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