KR102196856B1 - 파워 소자 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
고속 스위칭 특성을 가지면서도, EMI노이즈를 최소화할 수 있는 파워 소자 및 그의 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 파워 소자는 제1 도전형을 가지는 제1 필드 스톱층, 제1 필드 스톱층 상에 형성되고 제1 필드 스톱층보다 낮은 불순물 농도의 제1 도전형을 가지는 제1 드리프트 영역, 제1 드리프트 영역 상에 형성되고 제1 드리프트 영역보다 높은 불순물 농도의 제1 도전형을 가지는 매립 영역, 매립 영역 상에 형성되는 제2 드리프트 영역, 제2 드리프트 영역의 상부 부분에 형성되는 파워 소자 셀, 및 제1 필드 스톱층의 하부에 형성된 컬렉터 영역을 포함한다.
Description
본 발명은 파워 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 EMI(Electro Magnetic Interference) 노이즈를 최소화할 수 있는 파워 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 고전력 MOSFET의 고속 스위칭(switching) 특성과 BJT(Bipolar Junction Transistor)의 대전력 특성을 겸비한 전력 반도체 소자로서, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)가 주목되고 있다. 여러 형태의 IGBT 구조 중 필드 스톱(FS: Field Stop) 형태의 IGBT는 소프트 펀치 쓰루(soft punch through) 형태 또는 얕은 펀치쓰루 형태의 IGBT로 이해될 수 있다. 이러한 FS-IGBT는 NPT(Non-Punch Through) IGBT와 PT(Punch Through) IGBT 기술의 조합으로 이해될 수 있으며 이에 따라 이러한 기술들의 장점들, 예컨대, 낮은 포화 컬렉터 전압(Vce,sat), 용이한 병렬 운전, 견고함(ruggedness) 등의 장점을 가질 수 있는 것으로 이해될 수 있다.
그럼에도 불구하고, FS 형태의 IGBT는 고속 스위칭 특성으로 인하여, 턴-오프 스위칭 때, EMI 노이즈가 증가하는 문제를 가질 수 있다.
본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는, 고속 스위칭 특성을 가지면서도, EMI(Electro Magnetic Interference) 노이즈를 최소화할 수 있는 파워 소자 및 그의 제조 방법을 제공하는 데에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 다음과 같은 파워 소자를 제공한다. 본 발명에 따른 파워 소자는 제1 도전형을 가지는 제1 필드 스톱층; 상기 제1 필드 스톱층 상에 형성되고, 상기 제1 필드 스톱층보다 낮은 불순물 농도의 상기 제1 도전형을 가지는 제1 드리프트(drift) 영역; 상기 제1 드리프트 영역 상에 형성되고, 상기 제1 드리프트 영역보다 높은 불순물 농도의 상기 제1 도전형을 가지는 매립(buried) 영역; 상기 매립 영역 상에 형성되는 제2 드리프트 영역; 상기 제2 드리프트 영역의 상부 부분에 형성되는 파워 소자 셀; 및 상기 제1 필드 스톱층의 하부에 형성된 컬렉터 영역;을 포함한다.
상기 제1 필드 스톱층과 상기 제1 드리프트 영역 사이에 배치되며, 상기 제1 필드 스톱층보다 높은 불순물 농도 부분을 구비한 상기 제1 도전형을 가지는 제2 필드 스톱층을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 필드 스톱층은 상기 매립 영역보다 높은 불순물 농도를 가질 수 있다.
상기 제2 필드 스톱층은, 상기 제1 필드 스톱층으로부터 불순물 농도가 증가하여 최대 불순물 농도를 가진 후 상기 제1 드리프트 영역까지 불순물 농도가 감소할 수 있다.
상기 제1 드리프트 영역은 상기 제2 필드 스톱층 상에 에피택셜 성장을 통해 형성될 수 있다.
상기 제2 필드 스톱층은 이온 주입 공정을 통하여 상기 제1 필드 스톱층보다 불순물 농도가 높도록 형성될 수 있다.
상기 제2 필드 스톱층은 동일 레벨에서, 제1 불순물 농도를 가지는 제1 영역 및 상기 제1 불순물 농도보다 더 높은 제2 불순물 농도를 가지는 제2 영역으로 이루어질 수 있다.
상기 제2 영역의 평균 불순물 농도는 상기 제1 영역의 평균 불순물 농도보다 높을 수 있다.
상기 제2 드리프트 영역은 상기 매립 영역보다 낮은 불순물 농도의 상기 제1 도전형을 가지며, 상기 제1 및 제2 드리프트 영역은 각각 깊이 방향으로 일정한 불순물 농도 프로파일을 가질 수 있다.
상기 제1 드리프트 영역과 상기 제2 드리프트 영역의 불순물 농도는 실질적으로 동일할 수 있다.
상기 제2 드리프트 영역은, 상기 매립 영역 상에 각각 수직 방향으로 확장되어 형성되고, 수평 방향으로 교대로 배열되는 제1 도전형 필라(pillar) 및 제2 도전형 필러를 구비하고, 상기 제1 도전형 필라는, 상기 매립 영역보다 낮은 불순물 농도를 가질 수 있다.
상기 매립 영역은, 이온 주입 공정을 통하여 상기 제1 드리프트 영역으로부터 불순물 농도가 증가하여 최대 불순물 농도를 가진 후 상기 제2 드리프트 영역까지 불순물 농도가 감소하도록 형성될 수 있다.
상기 매립 영역은, 최대 불순물 농도를 가지는 부분을 기준으로 상기 제1 드리프트 영역 및 상기 제2 드리프트 영역을 향하여 대칭 형상의 불순물 농도 프로파일(profile)을 가질 수 있다.
상기 제1 필드 스톱층은 깊이 방향으로 일정한 불순물 농도 프로파일을 가질 수 있다.
상기 컬렉터 영역은 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 가질 수 있다.
상기 제2 드리프트 영역의 두께는 제1 드리프트 영역의 두께보다 큰 값을 가질 수 있다.
상기 파워 소자 셀은, 상기 제2 드리프트 영역의 상부 부분에 배치되며 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 가지는 베이스 영역; 상기 베이스 영역 내의 표면 부분에 배치된 상기 제1 도전형을 가지는 에미터 영역; 및 상기 제2 드리프트 영역, 베이스 영역 및 에미터 영역 상에 게이트 절연층을 개재하여 형성된 게이트 전극;을 포함할 수 있다.
상기 파워 소자 셀은, 상기 제2 드리프트 영역의 상부 부분에 배치되며 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 가지는 베이스 영역; 상기 베이스 영역 내의 표면 부분에 배치된 상기 제1 도전형을 가지는 에미터 영역; 상기 베이스 영역 및 에미터 영역의 한쪽 측면에 배치되고, 상기 제2 드리프트 영역에서 매립되어 형성된 게이트 전극; 및 상기 베이스 영역, 상기 에미터 영역 및 상기 제2 드리프트 영역과 상기 게이트 전극 사이에 배치되는 게이트 절연층;을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 파워 소자의 제조 방법은, 제1 도전형을 가지는 반도체 기판을 준비하는 단계; 상기 반도체 기판의 전면 상에 상기 반도체 기판보다 낮은 상기 제1 도전형의 불순물 농도를 가지도록 에피택셜 성장을 하여 제1 드리프트 영역을 형성하는 단계; 상기 제1 드리프트 영역의 전면 상에 상기 제1 도전형을 가지는 불순물 이온을 이온 주입하여, 매립 영역을 형성하는 단계; 상기 매립 영역 상에 제2 드리프트 영역을 형성하는 단계; 상기 제2 드리프트 영역의 상부 부분에 파워 소자 셀을 형성하는 단계; 상기 반도체 기판의 상기 전면에 반대되는 후면을 연마하여 제1 필드 스톱층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 필드 스톱층의 하부 부분에 컬렉터 영역을 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 제2 드리프트 영역을 형성하는 단계는, 상기 매립 영역의 전면 상에 상기 반도체 기판보다 낮은 상기 제1 도전형의 불순물 농도를 가지도록 에피택셜 성장을 할 수 있다.
상기 제2 드리프트 영역은 상기 매립 영역보다 낮은 불순물 농도의 상기 제1 도전형을 가지도록 형성되며, 상기 제1 및 제2 드리프트 영역은 각각 깊이 방향으로 일정한 불순물 농도 프로파일을 가질 수 있다.
상기 제2 드리프트 영역을 형성하는 단계는, 상기 제1 드리프트 영역과 실질적으로 동일한 제1 도전형의 불순물 농도를 가지도록 에피택셜 성장을 할 수 있다.
상기 매립 영역은, 상기 제1 드리프트 영역으로부터 불순물 농도가 증가하여 최대 불순물 농도를 가진 후 상기 제2 드리프트 영역까지 불순물 농도가 감소하도록 형성될 수 있다.
상기 제1 드리프트 영역으로부터 상기 제2 드리프트 영역까지의 상기 매립 영역의 불순물 농도 프로파일은 대칭 형상을 가지도록 형성될 수 있다.
상기 제1 드리프트 영역을 형성하기 전에, 상기 반도체 기판의 전면 상에 상기 제1 도전형을 가지는 불순물 이온을 이온 주입하여 상기 반도체 기판보다 높은 불순물 농도 부분을 구비한 제2 필드 스톱층을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 필드 스톱층은 상기 매립 영역보다 높은 불순물 농도를 가지도록 형성될 수 있다.
상기 제2 필드 스톱층을 형성하는 단계는, 상기 반도체 기판의 전면 상에 상기 제1 도전형을 가지는 불순물 이온을 이온 주입하여 임플란트층(implanted layer)을 형성하는 제1 이온 주입 단계; 및 상기 임플란트층의 일부분에 상기 제1 도전형을 가지는 불순물 이온을 이온 주입하여 상기 임플란트층의 일부분의 불순물 농도가 상기 임플란트층의 나머지 부분의 불순물 농도보다 높도록 형성하는 제2 이온 주입 단계;를 포함할 수 있다.
상기 파워 소자 셀을 형성하는 단계는, 상기 제2 드리프트 영역의 표면 일정 영역에 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 가지는 베이스 영역을 형성하는 단계; 상기 베이스 영역 표면 일정 영역에 상기 제1 도전형을 가지는 에미터 영역을 형성하는 단계; 상기 제2 드리프트 영역, 상기 베이스 영역 및 상기 에미터 영역 상에 게이트 절연층을 개재하여 게이트 전극을 형성하는 단계; 및 상기 베이스 영역과 상기 에미터 영역 상에 에미터 전극을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 파워 소자 셀을 형성하는 단계는, 상기 제2 드리프트 영역의 표면 일정 영역에 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 가지는 베이스 영역을 형성하는 단계; 상기 베이스 영역 표면 일정 영역에 상기 제1 도전형을 가지는 에미터 영역을 형성하는 단계; 상기 베이스 영역 및 에미터 영역의 한쪽 측면과 인접하며, 상기 제2 드리프트 영역의 표면에서부터 일정 깊이로 파여져 내부에 수용공간을 갖는 트렌치를 형성하는 단계; 상기 트렌치의 내부 표면을 덮는 게이트 절연층을 형성하는 단계; 상기 게이트 절연층이 형성된 상기 트렌치 내에 게이트 전극을 형성하는 단계; 및 상기 베이스 영역과 상기 에미터 영역 상에 에미터 전극을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 컬렉터 영역을 형성하는 단계는, 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 가지는 불순물 이온을 상기 제2 필드 스톱층의 하부 부분에 이온 주입하여 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 파워 소자 및 그 제조 방법은 턴-오프 스위칭(turn-off switching)을 하는 동안, 정공의 전류 테일(current tail)을 감소시킬 수 있기 때문에 고속의 스위칭이 가능하도록 할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 파워 소자 및 그 제조 방법은 턴-오프 스위칭을 할 때, 전압이 과도하게 오르는 오버슛이 발생하는 것을 방지할 수 있어, EMI 노이즈가 생기는 것을 최소화할 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 파워 소자 및 그 제조 방법은 고속 스위칭 특성을 가지면서도, EMI 노이즈를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자의 턴-오프 스위칭(turn-off switching) 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자의 깊이에 따른 불순물 농도의 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 4 내지 도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자의 제조 방법을 단계별로 나타내는 단면도들이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자가 가지는 매립 영역의 열처리 전후의 깊이에 따른 불순물 농도의 프로파일을 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자를 나타내는 단면도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자를 나타내는 단면도이다.
도 15 내지 도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자의 제조 방법을 단계별로 나타내는 단면도들이다.
도 19는 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자를 나타내는 단면도이다.
도 20은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자를 나타내는 단면도이다.
도 21은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자가 가지는 제2 필드 스톱층의 불순물 농도의 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 22 내지 도 25는 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자의 제조 방법을 단계별로 나타내는 단면도들이다.
도 26은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자를 나타내는 단면도이다.
도 27은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자를 나타내는 단면도이다.
도 28은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자의 제조 방법을 나타내는 단면도이다.
도 29 내지 도 33은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자들을 나타내는 단면도들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자의 턴-오프 스위칭(turn-off switching) 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자의 깊이에 따른 불순물 농도의 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 4 내지 도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자의 제조 방법을 단계별로 나타내는 단면도들이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자가 가지는 매립 영역의 열처리 전후의 깊이에 따른 불순물 농도의 프로파일을 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자를 나타내는 단면도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자를 나타내는 단면도이다.
도 15 내지 도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자의 제조 방법을 단계별로 나타내는 단면도들이다.
도 19는 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자를 나타내는 단면도이다.
도 20은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자를 나타내는 단면도이다.
도 21은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자가 가지는 제2 필드 스톱층의 불순물 농도의 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 22 내지 도 25는 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자의 제조 방법을 단계별로 나타내는 단면도들이다.
도 26은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자를 나타내는 단면도이다.
도 27은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자를 나타내는 단면도이다.
도 28은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자의 제조 방법을 나타내는 단면도이다.
도 29 내지 도 33은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자들을 나타내는 단면도들이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시 예들에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기가 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성 요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "상에" 있다거나 "접하여" 있다고 기재된 경우, 다른 구성 요소에 상에 직접 맞닿아 있거나 또는 연결되어 있을 수 있지만, 중간에 또 다른 구성 요소가 존재할 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "바로 위에" 있다거나 "직접 접하여" 있다고 기재된 경우에는, 중간에 또 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 예를 들면, "~사이에"와 "직접 ~사이에" 등도 마찬가지로 해석될 수 있다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하기 위한 것으로, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들이 부가될 수 있는 것으로 해석될 수 있다.
본 발명의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 파워 소자(1000a)는 제1 필드 스톱층(110), 제1 드리프트 영역(130), 매립 영역(125), 제2 드리프트 영역(135), 베이스 영역(140), 에미터 영역(150) 및 컬렉터 영역(160)을 포함한다. 파워 소자(1000a)는 제2 필드 스톱층(120)을 더 포함할 수 있다.
제1 필드 스톱층(110)은 반도체 기판을 기반으로 형성될 수 있다. 예컨대, 제1 도전형을 가지는 반도체 기판을 이용하여 제1 필드 스톱층(110)이 형성될 수 있다. 이때, 상기 반도체 기판은 FS-IGBT(Field Stop-Insulated Gate Bipolar Transistor)에서 필드 스톱층을 형성할 정도의 불순물 농도(impurity concentration), 즉, 제1 드리프트 영역(130) 반대쪽의 반도체 기판 표면에 형성되는 제2 도전형의 컬렉터 영역(160)으로 공핍 영역이 확장되는 것을 막기에 충분한 불순물 농도를 가지도록 불순물이 도핑된 기판일 수 있다. 제1 필드 스톱층(110) 형성을 위한 반도체 기판의 불순물 농도는, 예컨대 1E14 내지 1E16/㎤ 정도일 수 있다. 예를 들면, 제1 도전형은 N형이고, 제2 도전형은 P형일 수 있으며, 제1 필드 스톱층(110) 형성을 위한 반도체 기판은 N형 불순물이 도핑된 N0 반도체 기판일 수 있다.
이와 같이 반도체 기판을 기반으로 한 제1 필드 스톱층(110)은, 깊이 방향, 즉 제1 드리프트 영역(130) 측에서 컬렉터 영역(160) 측의 방향으로 거의 일정한 불순물 농도 프로파일을 가질 수 있다. 즉, 제1 필드 스톱층(110)은 전체적으로 동일한 불순물 농도를 가질 수 있다. 그러나, 제1 필드 스톱층(110)의 불순물 농도 프로파일은 이제 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 제1 필드 스톱층(110)은 일정하지 않은 불순물 농도 프로파일을 가질 수 있다.
또한, 제1 필드 스톱층(110)을 구성하는 반도체 기판은 일반적으로 대구경 웨이퍼 생산에 유리한 초크랄스키(Czochralski; CZ) 기법에 의해 생산된 기판일 수 있다. 이러한 CZ법에 의한 반도체 기판의 경우, 플롯존(Float Zone; FZ) 기법에 의해 생산되는 기판에 비해 경제성이 있으므로, 경제적인 파워 소자 구현에 기여할 수 있다.
제2 필드 스톱층(120)은 제1 필드 스톱층(110) 상에 제1 도전형의 불순물 이온을 이온 주입하여 형성될 수 있다. 구체적으로, 제1 도전형의 반도체 기판의 상부 영역에 제1 도전형의 불순물 이온을 이온 주입하고 열처리를 통해 불순물 이온들을 활성화시킴으로써, 제2 필드 스톱층(120)이 형성될 수 있다. 이러한 제2 필드 스톱층(120)의 불순물 농도는 제1 필드 스톱층(110)의 불순물 농도로부터 최대 불순물 농도까지 점차로 증가하다가, 최대 불순물 농도에서 상부의 드리프트 영역(130)의 불순물 농도까지 점차로 줄어드는 프로파일을 가질 수 있다. 예컨대, 제2 필드 스톱층(120)의 최대 불순물 농도는 1E15/㎤ 내지 2E17/㎤ 정도일 수 있다. 물론 최대 불순물 농도가 그에 한정되는 것은 아니다.
제1 필드 스톱층(110)은 반도체 기판을 기반으로 형성되고, 제2 필드 스톱층(120)은 이온 주입 공정을 통하여 형성되는 바, 제1 필드 스톱층(110)과 제2 필드 스톱층(120)은 각각 기판 필드 스톱층(110)과 임플란트 필드 스톱층(120)이라 혼용할 수 있다. 제2 필드 스톱층(120)은 제1 필드 스톱층(110)과 함께 공핍 영역 확장 방지 기능을 할 수 있다. 또한 제2 필드 스톱층(120)은 정공이 컬렉터 영역(160)에서 제1 드리프트 영역(130)으로 넘어가는 것을 방지하는 장벽 역할을 할 수 있다.
제1 드리프트 영역(130)은 제2 필드 스톱층(120) 상에 제1 도전형을 가지는 에피택셜층을 성장시켜 형성될 수 있다. 이러한, 제1 드리프트 영역(130)은 제1 필드 스톱층(110)의 불순물 농도에 비해 낮은 불순물 농도를 가지도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 제1 드리프트 영역(130)은 제1 도전형의 파워 소자의 항복 전압에 적합한 불순물 농도를 가지는 제1 도전형의 에피택셜층을 제2 필드 스톱층(120) 상에 성장시켜 형성될 수 있다. 예컨대, 제1 드리프트 영역(130)은 1E14/㎤ 이하의 상대적으로 낮은 불순물 농도를 가지질 수 있다.
매립 영역(125)은 제1 드리프트 영역(130) 상에 제1 도전형의 불순물 이온을 이온 주입하여 형성될 수 있다. 구체적으로, 제1 드리프트 영역(130) 상에 제1 도전형의 불순물 이온을 이온 주입하고 열처리를 통해 불순물 이온들을 활성화시킴으로써, 매립 영역(125)이 형성될 수 있다. 불순물 이온들을 활성화시키기 위한 열처리는 제2 드리프트 영역(135)을 형성한 후에 수행될 수 있다. 따라서 불순물 이온들을 활성화시키기 위한 열처리 과정에서, 제1 드리프트 영역(130) 상에 이온 주입된 불순물 이온이 제2 드리프트 영역(135)의 하부 영역으로도 일부 확산되어 함께 매립 영역(125)을 구성할 수 있다.
매립 영역(125)의 불순물 농도는 제1 드리프트 영역(130)의 불순물 농도로부터 최대 불순물 농도까지 점차로 증가하다가, 최대 불순물 농도에서 상부의 제2 드리프트 영역(135)의 불순물 농도까지 점차로 줄어드는 프로파일을 가질 수 있다. 예컨대, 매립 영역(125)의 최대 불순물 농도는 2E14/㎤ 내지 1E16/㎤ 정도일 수 있다. 물론 최대 불순물 농도가 그에 한정되는 것은 아니다. 매립 영역(125)은 예를 들면, 5㎛ 내지 20㎛의 두께를 가지도록 형성할 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 매립 영역(125)의 두께는 주입된 불순물 이온들의 양 및 불순물 이온들을 활성화시키기 위한 열처리에 의하여 결정될 수 있다.
매립 영역(125)은 제2 필드 스톱층(120)의 최대 불순물 농도보다 낮은 불순물 농도를 가질 수 있다. 매립 영역(125)의 최대 불순물 농도는 제1 필드 스톱층(110)보다 낮은 불순물 농도를 가질 수 있다. 매립 영역(125)은 제1 드리프트 영역(130)의 상에 제1 도전형의 불순물 이온을 이온 주입하여 형성되는 바, 제1 드리프트 영역(130)보다 높은 불순물 농도를 가질 수 있다. 또한 매립 영역(125)은 제2 드리프트 영역(135)보다 높은 불순물 영역을 가질 수 있다.
제2 드리프트 영역(135)은 매립 영역(125) 상에 제1 도전형을 가지는 에피택셜층을 성장시켜 형성될 수 있다. 이러한, 제2 드리프트 영역(135)은 매립 영역(125)의 불순물 농도에 비해 낮은 불순물 농도를 가지도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 제2 드리프트 영역(135)은 제1 도전형의 파워 소자의 항복 전압에 적합한 불순물 농도를 가지는 제1 도전형의 에피택셜층을 매립 영역(125) 상에 성장시켜 형성될 수 있다. 예컨대, 제2 드리프트 영역(135)은 1E14/㎤ 이하의 상대적으로 낮은 불순물 농도를 가지질 수 있다.
제1 드리프트 영역(130)의 두께와 제2 드리프트 영역(135)의 두께의 합은 FS-IGBT에서 요구되는 항복 전압에 따라 달라질 수 있다. 예컨대, 대략 FS-IGBT에서 600V의 항복 전압이 요구될 때, 제1 드리프트 영역(130)의 두께와 제2 드리프트 영역(135)의 두께의 합은 대략 60㎛ 정도의 두께로 형성될 수 있다. 제2 드리프트 영역(135)의 두께는 제1 드리프트 영역(130)의 두께보다 큰 값을 가질 수 있다. 예를 들면, 제1 드리프트 영역(130)이 5㎛ 내지 20㎛ 정도의 두께로 형성되고, 제2 드리프트 영역(135)은 대략 40㎛ 내지 55㎛ 정도의 두께로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 전술한 바와 같이 FS-IGBT에서 요구되는 항복 전압에 따라서, 제1 드리프트 영역(130)과 제2 드리프트 영역(135) 각각의 두께는 달라질 수 있다.
제1 드리프트 영역(130)과 제2 드리프트 영역(135)은 실질적으로 동일한 불순물 농도를 가지도록 형성될 수 있으며, 매립 영역(125)은 제1 드리프트 영역(130)과 제2 드리프트 영역(135) 사이에서 상대적으로 불순물 농도가 높은 부분일 수 있다. 제1 및 제2 드리프트 영역(130, 135)을 하나의 드리프트 영역(130, 135)으로 가정하는 경우, 매립 영역(125)은 드리프트 영역(130, 135) 내에 개재되어, 드리프트 영역(130, 135)보다 높은 불순물 농도를 가지는 부분일 수 있다.
베이스 영역(140) 및 에미터 영역(150)은 제2 드리프트 영역(135)의 상부 표면 부분에 형성될 수 있다. 베이스 영역(140)은 제2 드리프트 영역(135)의 상부 표면 상에 제2 도전형을 가지는 불순물 이온을 선택적으로 이온 주입하고 열처리를 통해 확산 및/또는 활성화시켜 형성할 수 있다. 베이스 영역(140)은 예를 들면, 고농도의 P형(P+) 불순물 영역일 수 있다. 베이스 영역(140)은 제2 드리프트 영역(135)과 P-N 정션(junction) 영역을 형성할 수 있다. 베이스 영역(140)은 농도에 따라 상측에 형성된 제1 베이스 영역(P++)과 상기 제1 베이스 영역(P++)의 하측에 형성된 제2 베이스 영역(P-)으로 구성할 수 있다(도시 생략). 예를 들면, 상기 제1 베이스 영역(P++)은 1E19/㎤의 불순물 농도를 가질 수 있고, 상기 제2 베이스 영역(P-)은 1E17/㎤ 정도의 불순물 농도를 가질 수 있다.
에미터 영역(150)은 베이스 영역(140) 내부의 상부 표면 일정 영역에 제1 도전형을 가지는 불순물 이온을 선택적으로 이온 주입하고 열처리를 통해 확산 및/또는 활성화시켜 형성될 수 있다. 에미터 영역(150)은 예를 들면, 고농도의 N형(N+) 불순물 영역일 수 있다. 예를 들면, 에미터 영역(150)은 1E18/㎤ 내지 1E20/㎤ 정도의 불순물 농도를 가질 수 있다.
에미터 전극(200)은 베이스 영역(140) 및 에미터 영역(150)에 걸쳐 형성될 수 있다. 또한, 게이트 전극(300)은 게이트 절연층(310)을 사이에 두고, 제2 드리프트 영역(135), 베이스 영역(140) 및 에미터 영역(150) 상부에 형성될 수 있다. 게이트 전극(300)은 전압 인가를 통해 제2 드리프트 영역(135)과 에미터 영역(150) 사이에 존재하는 베이스 영역(140) 부분에 채널을 설정할 수 있다.
도시하지는 않았지만, 에미터 전극(200) 및 게이트 전극(300) 등을 덮는 절연층 및/또는 패시베이션(passivation)층이 형성될 수 있다.
컬렉터 영역(160)은 제1 필드 스톱층(110) 하부에 형성될 수 있다. 즉, 반도체 기판의 후면이 연마된 후, 반도체 기판 후면에 제2 도전형을 가지는 불순물 이온이 이온 주입되고 열처리를 통해 활성화되어 컬렉터 영역(160)이 형성될 수 있다. 컬렉터 영역(160)은 상대적으로 얇은 두께로 형성될 수 있다. 예를 들면, 컬렉터 영역(160)은 1㎛ 이하의 두께로 형성될 수 있다. 예를 들면, 컬렉터 영역(160)은 고농도의 P형(P+) 불순물 영역일 수 있다. 컬렉터 영역(160)의 불순물 농도는 제1 필드 스톱층(110) 및 제2 필드 스톱층(120)의 불순물 농도보다 큰 값을 가질 수 있다. 컬렉터 영역(160) 하부 면으로는 컬렉터 전극(400)이 형성될 수 있다.
지금까지 N형 파워 소자를 예시하여 설명하였지만, 해당 영역들의 불순물의 도전형을 바꿈으로써 P형 파워 소자를 구현할 수 있음은 물론이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자의 턴-오프 스위칭 특성을 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상에 따른 파워 소자(PI)의 턴-오프 스위칭 특성과 참조 예(REF)의 턴-오프 스위칭 특성을 비교하여 나타낸다. 참조 예(REF)는 도 1에 보인 매립 영역(125)이 형성되지 않은 파워 소자일 수 있다.
참조 예(REF)는 본 발명의 기술적 사상에 따른 파워 소자(PI)와 달리, 턴-오프 스위칭 때, 전압이 과도하게 오르는 오버슛(overshoot)이 나타난다. 본 발명의 기술적 사상에 따른 파워 소자(PI)는 이러한 오버슛이 거의 나타나지 않기 때문에, EMI(Electro Magnetic Interference) 노이즈가 생기는 것을 최소화할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자의 깊이에 따른 불순물 농도의 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 1 및 도 3을 함께 참조하면, 매립 영역(125)의 불순불 농도 프로파일은 최대 불순물 농도를 가지는 부분을 기준으로 제1 드리프트 영역(130)을 향하는 부분과 제2 드리프트 영역(135)을 향하는 부분이 대칭 형상을 가질 수 있다. 즉 매립 영역(125)은 최대 불순물 농도를 가지는 부분을 기준으로 제1 드리프트 영역(130) 및 제2 드리프트 영역(135) 각각을 향하여 대칭 형상의 불순물 농도 프로파일을 가질 수 있다.
만일, 드리프트 영역(130, 135)이 연속적으로 성장된 에피택셜층이고, 매립 영역(125)이 연속적으로 성장된 에피택셜층인 드리프트 영역(130, 135) 내에 이온 주입을 통하여 형성된 부분인 경우, 매립 영역(125)이 깊이 방향(Z)을 따라서 가지는 불순물 농도 프로파일은 이온 주입이 된 방향, 즉 제2 드리프트 영역(135)을 향하여 상대적으로 길게 연장되는 꼬리(tail) 형상을 가질 수 있다. 따라서, 매립 영역(125)의 불순물 농도 프로파일이 가지는 꼬리 형상에 의하여, 드리프트 영역(130, 135)의 두께가 실질적으로 감소될 수 있는 바, 드리프트 영역(130, 135)을 상대적으로 두껍게 형성해야한다.
그러나 본 발명의 실시 예에 따라 형성한 매립 영역(125)은 제1 드리프트 영역(130)의 상부 부분에 이온 주입 공정을 통하여 형성하고, 이후 매립 영역(125) 상에 제2 드리프트 영역(135)을 형성한다. 따라서 매립 영역(125)이 깊이 방향(Z)을 따라서 가지는 불순물 농도 프로파일은 제2 드리프트 영역(135)을 향하여 상대적으로 길게 연장되는 꼬리 형상을 가지지 않으므로, 제1 드리프트 영역(130) 및 제2 드리프트 영역(135)을 상대적으로 얇게 형성할 수 있다.
제1 필드 스톱층(110)은 전체적으로 동일한 불순물 농도를 가질 수 있다. 제2 필드 스톱층(120)의 불순물 농도는 제1 필드 스톱층(110)의 불순물 농도로부터 최대 불순물 농도까지 점차로 증가하다가, 최대 불순물 농도에서 상부의 드리프트 영역(130)의 불순물 농도까지 점차로 줄어드는 프로파일을 가질 수 있다. 제1 드리프트 영역(130)은 제1 필드 스톱층(110)의 불순물 농도에 비해 낮은 불순물 농도를 가지도록 형성될 수 있다. 매립 영역(125)은 제1 드리프트 영역(130) 및 제2 드리프트 영역(135)보다 높은 불순물 영역을 가질 수 있다.
도 1 내지 도 3을 함께 참조하면, 제1 및 제2 필드 스톱층(110, 120)은 정공이 컬렉터 영역(160)으로부터 제1 및 제2 드리프트 영역(130, 135)으로 넘어가는 것을 최소화하는 장벽 역할을 할 수 있어, 파워 소자(1000a)가 턴-오프 스위칭을 하는 동안, 정공의 전류 테일(current tail)을 감소시킬 수 있기 때문에, 고속의 스위칭이 가능하도록 할 수 있다.
또한 제2 필드 스톱층(120)과 매립 영역(125) 사이에는 제2 필드 스톱층(120)과 매립 영역(125)보다 상대적으로 불순물 농도가 낮은 제1 드리프트 영역(130)이 배치될 수 있다. 따라서 파워 소자(1000a)가 턴-오프 스위칭을 할 때, 컬렉터 영역(160)으로부터 제1 및 제2 필드 스톱층(110, 120)을 통과해서 주입된 정공이 제1 드리프트 영역(130)에 모이게 되므로, 오버슛이 나타나는 것을 방지할 수 있어, EMI 노이즈가 생기는 것을 최소화할 수 있다.
따라서, 본 발명의 기술적 사상에 의한 파워 소자(1000a)는 턴-오프 스위칭을 할 때, 고속의 스위칭이 가능하면서도, 오버슛에 의하여 발생할 수 있는 EMI 노이지를 방지할 수 있다.
또한 제1 필드 스톱층(110)보다 불순물 농도가 높은 제2 필드 스톱층(120)의 존재로 인해 제1 필드 스톱층(110)의 두께를 감소시켜도 도전형이 반대인 컬렉터 영역(160)을 형성시킬 수 있으므로 제1 필드 스톱층(110)의 두께를 충분히 감소시킬 수 있고, 결국, 제1 필드 스톱층(110)의 두께와 제2 필드 스톱층(120)의 두께의 합을 최소화할 수 있다.
또한, 제1 필드 스톱층(110)이 반도체 기판을 기반으로 후면 연마에 의해서 형성되므로, 제1 필드 스톱층(110)을 위한 고에너지의 이온 주입 과정 및 이에 수반되는 어닐링 확산 과정은 불필요하다.
도 4 내지 도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자의 제조 방법을 단계별로 나타내는 단면도들이다. 구체적으로 도 4 내지 도 11은 도 1에 보인 파워 소자(1000a)를 제조하는 방법을 단계별로 나타내는 단면도들이다.
도 4를 참조하면, 제1 도전형을 가지는 반도체 기판(100)을 준비한다. 예를 들면, 제1 도전형은 N형일 수 있으며, 이 경우, N형의 불순물 이온이 도핑된 N0 반도체 기판(100)을 준비한다. 이때, 반도체 기판(100)은 FS-IGBT에서 필드 스톱층에 요구되는 불순물 농도, 즉, 컬렉터 쪽에 표면에 형성될 P형 컬렉터 영역으로 공핍 영역이 확장되는 것을 막기에 충분한 농도의 N형 불순물 이온이 도핑된 기판일 수 있다. 예컨대, 1E14 내지 1E16/㎤ 정도로 불순물 농도를 갖는 N0 반도체 기판(100)을 준비한다. 반도체 기판(100) 내의 불순물 농도의 프로파일은 도 3에서 보인 제1 필드 스톱층(110)의 불순물 농도의 프로파일에서 확인할 수 있듯이 반도체 기판(100)의 깊이 방향(Z)에 대해 일정한 프로파일을 가질 수 있다.
한편, 반도체 기판(100)은 일반적으로 대구경 웨이퍼 생산에 유리한 초크랄스키(CZ) 기법에 의해 생산된 기판일 수 있다. 물론, 플롯존(FZ) 기법에 의해 생산되는 기판이 배제되는 것은 아니다.
도 5를 참조하면, 반도체 기판(100) 상부 영역에 제1 도전형의 불순물 이온을 이온 임플란트하는 제1 이온 임플란트 공정(Imp. 1)을 수행하여 제2 필드 스톱층(120)을 형성한다. 제2 필드 스톱층(120)의 불순물 농도는 깊이 방향에 따라 변할 수 있고, 1E15 내지 1E17/㎤의 불순물 농도 부분을 포함할 수 있다. 제2 필드 스톱층(120)은 수 ㎛ 정도의 두께로 얇게 형성될 수 있다. 경우에 따라, 수십 ㎛ 정도의 두께로 형성될 수도 있다.
도 6을 참조하면, 제2 필드 스톱층(120) 상에 제1 도전형을 가지는 에피택셜층을 성장시켜 제1 예비 드리프트 영역(130a)을 형성한다. 제1 예비 드리프트 영역(130a)은 반도체 기판(100)의 불순물 농도에 비해 낮은 불순물 농도를 가질 수 있다. 제1 예비 드리프트 영역(130a)은 N형 파워 소자, 예컨대 FS-IGBT의 항복 전압에 적합한 농도의 N형 에피택셜층을 성장시켜 형성될 수 있다. 제1 예비 드리프트 영역(130a)의 두께는 제1 예비 드리프트 영역(130a)의 상부 영역에 후술할 매립 영역(도 7의 125)을 형성한 후에, 제1 예비 드리프트 영역(130a)의 적어도 일부분이 잔류할 수 있는 두께로 형성될 수 있다. 예컨대, 제1 예비 드리프트 영역(130a)은 대략 10㎛ 내지 25㎛ 정도의 두께로 형성될 수 있다. 여기에서, 매립 영역(도 7의 125)을 형성한 후에, 잔류하는 제1 예비 드리프트 영역(130a)의 적어도 일부분은, 도 7에 보인 제1 드리프트 영역(130)을 의미하며, 제1 드리프트 영역(130)은 제1 예비 드리프트 영역(130a)의 불순물 농도를 유지하는 부분을 포함할 수 있다.
한편, 제1 예비 드리프트 영역(130a)은 에피택셜 성장시킬 때, 도핑되는 불순물의 농도가 조절될 수 있다. 그에 따라, 제1 예비 드리프트 영역(130a)은 깊이(또는 두께) 방향의 불순물 농도의 프로파일이 일정하거나 또는 변화되도록 할 수 있다. 즉, 제1 예비 드리프트 영역(130a)의 불순물 농도 프로파일은 설계자의 의도에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 제1 예비 드리프트 영역(130a)의 불순물 농도는 깊이에 따라 일정할 수 있다.
도 7을 참조하면, 도 6에 보인 제1 예비 드리프트 영역(130a)의 상부 영역에 제1 도전형의 불순물 이온을 이온 임플란트하는 제2 이온 임플란트 공정(Imp. 2)을 수행하여 매립 영역(125)을 형성한다. 매립 영역(125)의 불순물 농도는 깊이 방향(Z)에 따라 변할 수 있고, 매립 영역(125)의 최대 불순물 농도는 2E14/㎤ 내지 1E16/㎤ 정도일 수 있다. 매립 영역(125)은 예를 들면, 5㎛ 내지 20㎛의 두께를 가지도록 형성할 수 있다. 매립 영역(125)이 형성된 후, 제1 예비 드리프트 영역(130a)의 잔류하는 부분은 제1 드리프트 영역(130)이 될 수 있다. 예를 들면, 제1 드리프트 영역(130)이 5㎛ 내지 20㎛ 정도의 두께를 가질 수 있다.
도 8을 참조하면, 매립 영역(125) 상에 제1 도전형을 가지는 에피택셜층을 성장시켜 제2 드리프트 영역(135)을 형성한다. 제2 드리프트 영역(135)은 반도체 기판(100)의 불순물 농도에 비해 낮은 불순물 농도를 가질 수 있다. 제2 드리프트 영역(135)은 N형 파워 소자, 예컨대 FS-IGBT의 항복 전압에 적합한 농도의 N형 에피택셜층을 성장시켜 형성될 수 있다. 제2 드리프트 영역(135)의 두께는 FS-IGBT에서 요구되는 항복 전압에 따라 달라질 수 있다. 예컨대, 대략 600V의 항복 전압이 요구될 때, 제1 드리프트 영역(130)의 두께와 제2 드리프트 영역(135)의 두께의 합은 대략 60㎛ 정도의 두께로 형성될 수 있다. 제2 드리프트 영역(135)의 두께는 제1 드리프트 영역(130)의 두께보다 큰 값을 가질 수 있다. 예를 들면, 제1 드리프트 영역(130)이 5㎛ 내지 20㎛ 정도의 두께로 형성되고, 제2 드리프트 영역(135)은 대략 40㎛ 내지 55㎛ 정도의 두께로 형성될 수 있다.
한편, 제2 드리프트 영역(135)은 에피택셜 성장시킬 때, 도핑되는 불순물의 농도가 조절될 수 있다. 그에 따라, 제2 드리프트 영역(135)은 깊이(또는 두께) 방향(Z)의 불순물 농도의 프로파일이 일정하거나 또는 변화되도록 할 수 있다. 즉, 제2 드리프트 영역(135)의 불순물 농도 프로파일은 설계자의 의도에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 제2 드리프트 영역(135)의 불순물 농도는 깊이에 따라 일정할 수 있다.
도 9를 참조하면, 드리프트 영역(130)의 상부의 표면 소정 영역에 제1 도전형과 다른 제2 도전형, 예컨대 P형 불순물 이온을 선택적으로 임플란트하고 확산 및/또는 활성화시켜, 베이스 영역(140)을 형성한다. 베이스 영역(140)은 예를 들면, P형 고농도(P+)불순물 영역일 수 있고, 제2 드리프트 영역(135)과 P-N 정션 영역을 형성할 수 있다.
베이스 영역(140) 내의 상부 표면 소정 영역에 제1 도전형, 예를 들면 N형 불순물 이온을 선택적으로 이온 임플란트하고 확산 및/또는 활성화시켜, 에미터 영역(150)을 형성한다. 에미터 영역(150)은 에를 들면 N형 고농도(N+) 불순물 영역일 수 있다. 이때, 상기한 확산 과정들은 불순물 이온들의 주입 후 수행되는 열처리 과정에서 함께 수행될 수 있다.
도 10을 참조하면, 에미터 영역(150)을 형성한 후, 베이스 영역(140)과 에미터 영역(150)에 걸쳐 접촉하는 에미터 전극(200)을 형성한다. 또한, 제2 드리프트 영역(135) 표면 영역, 베이스 영역(140) 및 에미터 영역(150) 상면 일부에 게이트 절연층(310)을 형성하고, 게이트 절연층(310) 상에 게이트 전극(300)을 형성한다. 게이트 전극(300)은 인가되는 전압을 통해, 제2 드리프트 영역(135)과 에미터 영역(150) 사이의 베이스 영역(140) 부분을 채널(channel)로 설정할 수 있다.
또한, 도시하지는 않았지만, 에미터 전극(200) 및 게이트 전극(300) 형성 후에, 에미터 전극(200), 게이트 전극(300) 등을 덮는 절연층 또는/및 패시배이션층을 더 형성할 수 있다.
도 11을 참조하면, 도 10의 반도체 기판(100)의 일부분을 제거하여 제1 필드 스톱층(110)을 형성한다. 즉, 파워 소자, 예컨대 FS-IGBT 구조에서 제1 필드 스톱층(110)은 실질적으로 제1 및 제2 드리프트 영역(130, 135)에 비해 작은 두께로 형성되나, 현재의 반도체 기판(100)은 매우 두꺼운 상태이다. 따라서, 반도체 기판(100)의 후면을 연마(Grinding)하여 그 두께를 줄이는 과정을 수행한다. 한편, 제1 필드 스톱층(110)의 하부 부분에는 컬렉터 영역(160)이 형성될 것이므로, 컬렉터 영역(160)의 두께를 고려하여 반도체 기판(100)을 연마한 후의 잔류 두께를 설정한다. 예컨대, 파워 소자(도 1의 1000a)이 대략 110㎛ 정도 두께로 설정될 때, 반도체 기판(100)의 연마 후 잔류 두께는 대략 5-15㎛ 정도 두께로 고려될 수 있다. 이때, 컬렉터 영역(160)은 매우 얇은 두께, 예컨대, 대략 0.3 내지 1㎛ 정도 두께로 고려될 수 있다. 물론, 의 연마 후 잔류 두께나 컬렉터 영역의 두께가 상기 언급한 두께에 한정되는 것은 아니다.
이러한 잔류 두께를 고려하여, 반도체 기판(100)의 후면을 연마하여 제1 필드 스톱층(110)을 형성한다. 이와 같이 제1 필드 스톱층(110)이 반도체 기판(100)의 후면의 연마에 의해서 형성되므로, 필드 스톱층을 위한 고에너지의 이온 주입 과정 및 이에 수반되는 어닐링 확산 과정이 배제될 수 있다. 또한, 반도체 기판(110)의 상부 영역에 이미 이온 임플란트에 의한 제2 필드 스톱층(120)이 형성되었기 때문에, 반도체 기판을 기반으로 한 제1 필드 스톱층(110)은 충분히 작은 두께로 형성될 수 있다.
또한, 연마 공정 이전까지는 반도체 기판(100)은 충분한 두께를 유지하고 있으므로, 베이스 영역(140)과 에미터 영역(150), 에미터 전극(200), 게이트 전극(300), 후속의 절연층 등을 형성하는 과정에서 충분히 지지 기판으로 역할을 할 수 있다. 따라서, 얇은 기판을 이용하는 경우에 발생될 수 있는 공정 상의 제약, 예컨대, 기판 말림 현상이나 그러한 말림 현상을 배제하기 위한 열 공정의 제약 등의 문제를 해소할 수 있다.
이후, 제1 필드 스톱층(110)의 연마된 면에 제1 도전형에 반대되는 제2 도전형, 예컨대, P형 불순물 이온을 이온 임플란트(Imp. 3)하고 어닐링하여 확산시켜, 제1 필드 스톱층(110)의 후면에 컬렉터 영역(160)을 형성한다. 이때, 컬렉터 영역(160)은 소자의 스위칭 오프 특성에 따라 불순물 농도가 결정될 수 있다. 이러한 컬렉터 영역(160)은 예를 들면, P형 고농도(P+) 불순물 영역일 수 있고, 1㎛ 이하의 얇은 두께로 형성될 수 있다.
이후 도 1에 보인 것과 같이 컬렉터 영역(160) 하면 상에 컬렉터 전극(400)을 형성하여 파워 소자(1000a), 예컨대, FS-IGBT를 형성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따라 형성한 매립 영역(125)은 제1 드리프트 영역(130)과 제2 드리프트 영역(135)을 형성하는 중간 과정에서 이온 주입 공정을 통하여 형성하므로, 매립 영역(125)이 깊이 방향(Z)을 따라서 가지는 불순물 농도 프로파일은 최대 불순물 농도를 가지는 부분을 기준으로 제1 드리프트 영역(130) 및 제2 드리프트 영역(135) 각각을 향하여 대칭 형상인 바, 제1 드리프트 영역(130) 및 제2 드리프트 영역(135)을 상대적으로 얇게 형성할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자가 가지는 매립 영역의 열처리 전후의 깊이에 따른 불순물 농도의 프로파일을 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 1 및 도 12를 함께 참조하면, 본 발명의 기술적 사상에 따른 파워 소자(1000a)가 가지는 매립 영역(125)은 제1 드리프트 영역(130)으로부터 불순물 농도가 증가하는 제1 영역(R1) 및 제1 영역(R1)과 이웃하며 제2 드리프트 영역(135)까지 불순물 농도가 감소하는 제2 영역(R2)을 포함한다. 제1 영역(R1)과 제2 영역(R2)은 매립 영역(125)의 최대 불순물 농도를 가지는 부분을 기준으로 대칭 형상의 의 불순물 농도 프로파일을 가질 수 있다. 매립 영역(125)의 불순물 농도는 불순물 이온들을 활성화시키기 위한 열처리 전(AIMP)과 열처리 후(AAN)에 모두 대칭 형상일 수 있다.
만일, 매립 영역(125)을 형성하기 위한 이온 주입을 제2 드리프트 영역(135) 형성 후에 수행하는 경우, 이온 주입 과정에서 제2 드리프트 영역(135)에 발생하는 결함 등에 의하여, 매립 영역(125)이 깊이 방향(Z)을 따라서 가지는 불순물 농도 프로파일은 이온 주입이 된 방향, 즉 제2 드리프트 영역(135)을 향하여 상대적으로 길게 연장되는 꼬리(tail) 형상을 가지게 된다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상에 따른 파워 소자(1000a)가 가지는 매립 영역(125)을 형성하기 위한 이온 주입은, 제2 드리프트 영역(135)을 형성하기 전에 수행되는 바, 제2 드리프트 영역(135)에 결함이 발생하지 않는다. 따라서 매립 영역(125)은 최대 불순물 농도를 가지는 부분을 기준으로 제1 드리프트 영역(130) 및 제2 드리프트 영역(135) 각각을 향하여 대칭 형상의 불순물 농도 프로파일을 가질 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자를 나타내는 단면도이다.
도 13을 참조하면, 파워 소자(1000b)는 제1 필드 스톱층(110), 제1 드리프트 영역(130), 매립 영역(125), 제2 드리프트 영역(135), 베이스 영역(140), 에미터 영역(150) 및 컬렉터 영역(160)을 포함한다. 도 13에 보인 파워 소자(1000b)는 도 1에 보인 파워 소자(1000a)와 달리 제2 필드 스톱층(120)를 포함하지 않는 점을 제외하고는 동일한 구성을 가지므로, 도 1과 중복되는 내용은 생략할 수 있다.
매립 영역(125)은 컬럭터 영역(160)으로부터 제1 필드 스톱층(110)을 통과해서 주입된 정공이 제1 드리프트 영역(130)에 모이게 하는 역할과 함께, 제2 드리프트 영역(135)으로 정공이 넘어가는 것을 최소화하는 장벽 역할을 할 수 있다. 따라서, 도 1에 보인 제2 필드 스톱층(120)은 도 13에 보인 파워 소자(1000b)와 같이 포함하지 않을 수 있으며, 이는 파워소자, 예컨대 FS-IGBT 구조에서 요구되는 항복 전압과 구동 전류에 따라서 선택될 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자를 나타내는 단면도이다.
도 14에 보인 파워 소자(1000c)는 베이스 영역(140), 에미터 영역(150), 게이트 전극(300a) 및 게이트 절연층(310a)을 제외한 모든 구성이 도 1에 보인 파워 소자(1000a) 동일하므로 설명의 편의를 위해 도 1에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 14를 참조하면, 파워 소자(1000c)는 트렌치 게이트 구조(trench-gate structure)로 이루어질 수 있다. 제2 드리프트 영역(135)의 상측에는 제2 드리프트 영역(135)의 표면에서부터 일정 깊이로 파여져 내부에 수용공간을 갖는 트렌치(T)가 형성된다. 게이트 절연층(310a)은 트렌치(T)의 내부 표면을 덮도록 형성된다.
여기서 트렌치(T)는 베이스 영역(140) 및 에미터 영역(150)의 한쪽 측면과 인접할 수 있다. 게이트 절연층(310a)은 에미터 영역(150) 상면의 일부를 덮도록 형성되었지만, 경우에 따라 에미터 영역(150) 상면에는 게이트 절연층(310a)이 형성되지 않을 수도 있다.
게이트 전극(300a)은 게이트 절연층(310a)가 형성된 트렌치(T)의 내부 수용공간에 형성된다. 여기서 게이트 전극(300a)의 상면은 제2 드리프트 영역(135)의 상면과 동일 평면을 이룰 수도 있으나, 이에 한정되지 않는다. 게이트 전극(300a)의 상면은 제2 드리프트 영역(135)의 상면보다 더 돌출되어 형성될 수도 있다.
한편 도시된 바와 같이 베이스 영역(140) 및 에미터 영역(150)은 게이트 전극(300a) 및 게이트 절연층(310a)이 형성된 트렌치(T)의 일 측벽에 인접하여 배치될 수 있다.
파워 소자(1000c)는 게이트 전극(300a)이 트렌치(T) 내에 형성되는 바, 게이트 전극(300a)이 파워 소자(1000b)에서 차지하는 면적이 감소될 수 있다.
도 15 내지 도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자의 제조 방법을 단계별로 나타내는 단면도들이다. 구체적으로 도 15 내지 도 18은 도 14에 보인 파워 소자(1000c)를 제조하는 방법을 단계별로 나타내는 단면도들로, 도 8 이후의 단계를 나타내며, 도 4 내지 도 11과 중복되는 내용은 생략할 수 있다.
도 15를 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 제2 필드 스톱층(120), 제1 드리프트 영역(130), 매립 영역(125), 제2 드리프트 영역(135), 베이스 영역(140) 및 에미터 영역(150)을 형성한다. 인접하는 베이스 영역(140) 및 에미터 영역(150) 사이에서 노출되는 제2 드리프트 영역(135)의 면적은 도 9에 보인 제2 드리프트 영역(135)이 베이스 영역(140) 및 에미터 영역(150) 사이에서 노출되는 면적보다 좁을 수 있으며, 이 외에는 도 4 내지 도 9에서 설명한 것과 동일한 방법으로 제2 필드 스톱층(120), 제1 드리프트 영역(130), 매립 영역(125), 제2 드리프트 영역(135), 베이스 영역(140) 및 에미터 영역(150)을 형성한다.
도 16을 참조하면, 제2 드리프트 영역(135)의 상측에는 제2 드리프트 영역(135)의 표면에서부터 일정 깊이로 파여져 내부에 수용공간을 갖는 트렌치(T)가 형성한다. 트렌치(T)는 포토리소그래피 공정 및 식각 공정을 통하여 형성할 수 있다. 여기서 트렌치(T)는 베이스 영역(140) 및 에미터 영역(150) 각각의 한쪽 측면과 인접하는 측벽을 갖는다.
도 17을 참조하면, 트렌치(T)의 내부 표면을 덮는 게이트 절연층(310a)을 형성한다. 이후 게이트 절연층(310a)가 형성된 트렌치(T)의 내부 수용공간에 형성되는 게이트 전극(300a)을 형성한다. 또한 베이스 영역(140)과 에미터 영역(150)에 걸쳐 접촉하는 에미터 전극(200)을 형성한다.
도 17에서 게이트 절연층(310a)이 에미터 영역(150) 상면을 덮도록 형성되었지만, 경우에 따라 에미터 영역(150) 상면에는 게이트 절연층(310a)이 형성되지 않을 수도 있다. 게이트 전극(300a)의 상단부는 도 17과 같이 상기 드리프트 영역(130)의 상면과 동일 평면을 이룰 수도 있고, 도시되지는 않았지만 상기 드리프트 영역(130)의 상면보다 더 돌출되어 형성될 수도 있다.
도 18을 참조하면, 도 17의 반도체 기판(100)의 일부분을 제거하여 제1 필드 스톱층(110)을 형성한다. 이후, 제1 필드 스톱층(110)의 하면에 제1 도전형에 반대되는 제2 도전형의 불순물 이온을 이온 임플란트(Imp. 3)하고 어닐링하여 확산시켜, 제1 필드 스톱층(110)의 후면에 컬렉터 영역(160)을 형성한다.
도 19는 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자를 나타내는 단면도이다.
도 19를 참조하면, 파워 소자(1000d)는 도 14에 보인 파워 소자(1000c)와 달리 제2 필드 스톱층(120)를 포함하지 않는 점을 제외하고는 동일한 구성을 가지므로, 도 13 및 도 14에서 이미 설명한 내용은 생략한다.
도 20은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자를 나타내는 단면도이다.
도 20을 참조하면, 파워 소자(1000e)는 제1 필드 스톱층(110), 제1 드리프트 영역(130), 매립 영역(125), 제2 드리프트 영역(135), 베이스 영역(140), 에미터 영역(150) 및 컬렉터 영역(160)을 포함한다. 파워 소자(1000e)는 제2 필드 스톱층(120a)을 더 포함할 수 있다. 도 20에 보인 파워 소자(1000e)는, 도 1에 보인 파워 소자(1000a)와 제2 필드 스톱층(120a)을 제외한 구성이 동일한 바, 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
제2 필드 스톱층(120a)은 제1 영역(122) 및 제2 영역(124)으로 이루어질 수 있다. 제2 필드 스톱층(120a)의 일부분은 제1 영역(122)이고, 제1 영역(122)을 제외한 제2 필드 스톱층(120a)의 나머지 부분은 제2 영역(124)일 수 있다. 제2 필드 스톱층(120a)의 제1 영역(122)과 제2 영역(124)은 서로 맞닿을 수 있다. 즉, 제2 필드 스톱층(120a)의 제1 영역(122)과 제2 영역(124)은 고-저 정션(high-low junction)을 형성할 수 있다.
제2 필드 스톱층(120a)의 제2 영역(124)은 제1 영역(122)보다 높은 불순물 농도를 가질 수 있다. 제2 필드 스톱층(120a)의 제2 영역(124)은 동일 레벨, 즉, 높이 방향으로 같은 레벨에서 제1 영역(122)보다 높은 불순물 농도를 가질 수 있다. 제2 필드 스톱층(120a)의 제1 영역(122)은 제1 불순물 농도를 가질 수 있고, 제2 필드 스톱층(120a)의 제2 영역(124)은 제1 불순물 농도보다 높은 제2 불순물 농도를 가질 수 있다.
제2 필드 스톱층(120a)에 제1 이온 주입 공정을 통하여 제1 도전형을 가지는 불순물 이온을 이온 주입하여 제1 불순물 농도를 가지도록 형성한 후, 제2 영역(124)에 대하여 부분적인 추가 이온 주입 공정을 통하여 제1 도전형을 가지는 불순물 이온을 추가로 이온 주입하여 제2 불순물 농도를 가지도록 형성할 수 있다. 따라서 제2 영역(124)의 평균 불순물 농도는 제1 영역(122)의 평균 불순물 농도보다 높을 수 있다.
한편, 제2 필드 스톱층(120a)의 제2 영역(124)은 파워 소자가 턴-오프 스위칭(turn-off switching)을 하는 동안, 정공의 전류 테일(current tail)을 감소시킬 수 있기 때문에 고속의 스위칭이 가능하도록 할 수 있다.
도 20에서는 제2 필드 스톱층(120a)의 제2 영역(124)이 수평 방향으로 파워 소자(1000e)의 중간 부분에 배치된 것으로 도시되었으나, 이에 제한되지 않으며, 파워 소자(1000e)에서 정공의 주입을 최소화하고자 하는 영역에 제2 영역(124)을 형성하여, 영역에 따라 정공이 주입되는 양을 조절할 수 있다.
제2 필드 스톱층(120a)의 제1 영역(122)과 제2 영역(124)은 각각 제1 필드 스톱층(110)보다 높은 불순물 농도 부분을 구비할 수 있다. 제2 필드 스톱층(120a)의 제1 영역(122)과 제2 영역(124)은 각각 깊이 방향에 따라서 불순물 농도가 변화할 수 있다.
도 21은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자가 가지는 제2 필드 스톱층의 불순물 농도의 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 21을 참조하면, 제2 필드 스톱층(120a)의 깊이 방향(Z)에 따른 불순물 농도 프로파일을 제1 영역(122)과 제2 영역(124)을 각각 가로지르며 보여준다. 제1 영역(122)의 불순물 농도인 제1 불순물 농도는 제2 영역(124)의 불순물 농도인 제2 불순물 농도보다 낮은 값을 가질 수 있다. 제1 영역(122)과 제2 영역(124) 각각의 불순물 농도는 동일 레벨에서 일정한 값을 가지나, 제1 영역(122)과 제2 영역(124)의 경계에서 확산에 의하여 상기 제2 불순물 농도로부터 상기 제1 불순물 농도까지 변화하는 구간이 존재할 수 있다. 제1 영역(122)은 제1 최대 불순물 농도(D1)를 가질 수 있고, 제2 영역(124)은 제1 최대 불순물 농도(D1)보다 큰 제2 최대 불순물 농도(D2)를 가질 수 있다.
제1 드리프트 영역(130)은 깊이 방향(Z)을 따라 일정한 불순물 농도(D4)를 가질 수 있다. 물론 전술한 바와 같이 제1 드리프트 영역(130)은 깊이에 따라 불순물 농도가 변하도록 형성될 수 있다. 반도체 기판을 기반으로 하는 제1 필드 스톱층(110)은 깊이에 따라 일정한 불순물 농도(D3)를 가질 수 있다.
제1 영역(122)의 불순물 농도는 제1 드리프트 영역(130)의 불순물 농도(D4)에서부터 제1 최대 불순물 농도(D1)까지 점차로 증가한 후, 다시 점차로 줄어들어 제1 필드 스톱층(110)의 불순물 농도(D3)에 이르게 된다.
제2 영역(124)의 깊이 방향(Z)에 대한 불순물 농도 프로파일의 추세는 제1 영역(122)의 깊이 방향(Z)에 대한 불순물 농도 프로파일의 추세와 거의 유사하다.
제2 영역(124)의 불순물 농도는 제1 드리프트 영역(130)의 불순물 농도(D4)에서부터 제2 최대 불순물 농도(D2)까지 점차로 증가한 후, 다시 점차로 줄어들어 제1 필드 스톱층(110)의 불순물 농도(D3)에 이르게 된다.
도 22 내지 도 25는 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자의 제조 방법을 단계별로 나타내는 단면도들이다.
도 22를 참조하면, 반도체 기판(100) 상부 영역에 제1 도전형의 불순물 이온을 이온 주입하는 제1 이온 주입 공정(Imp. 1)을 수행하여 임플란트층(implanted layer, 122a)을 형성한다. 임플란트층(122a)의 불순물 농도는 깊이 방향에 따라 변할 수 있고, 1E15 내지 1E17/㎤의 불순물 농도 부분을 포함할 수 있다. 임플란트층(122a)은 수 ㎛ 정도의 두께로 얇게 형성될 수 있다. 경우에 따라, 수십 ㎛ 정도의 두께로 형성될 수도 있다.
도 23을 참조하면, 임플란트층(122a) 상에 임플란트층(122a)의 일부분을 덮는 포토 레지스트층(510)을 형성한다. 포토 레지스트층(510)은 포토리소그래피 공정을 통하여 형성할 수 있다. 임플란트층(122a) 중 포토 레지스트층(510)에 의하여 덥히는 부분이 도 20에 보인 제1 영역(122)이 될 수 있다.
도 24를 참조하면, 포토 레지스트층(510)을 마스크로 사용하여, 포토 레지스트층(510)에 의하여 노출되는 도 23에 보인 임플란트층(122a)의 부분에 제1 도전형을 가지는 불순물 이온을 이온 주입하는 부분적인 추가 이온 주입 공정(Imp. 1-2)를 수행하여 제2 영역(124)을 형성한다. 이때 포토 레지스트층(510)에 의하여 덥힌 도 23의 임플란트층(122a)의 부분은 제1 영역(122)이 된다.
도 25를 참조하면, 도 24에 보인 부분적인 추가 이온 주입 공정(Imp. 1-2) 후에 포토 레지스트층(510)은 스트립 공정을 통하여 제거될 수 있다.
도 23 내지 도 25를 함께 참조하면, 제1 이온 주입 공정(Imp. 1) 및 부분적인 추가 이온 주입 공정(Imp. 1-2)에 의하여 제2 필드 스톱층(120a)의 제1 영역(122) 및 제2 영역(124)이 형성될 수 있다. 제1 영역(122)에는 제1 이온 주입 공정(Imp. 1)을 통하여 제1 도전형의 불순물이 주입되고, 제2 영역(124)에는 제1 이온 주입 공정(Imp. 1) 및 부분적인 추가 이온 주입 공정(Imp. 1-2)을 함께 통하여 제1 도전형의 불순물이 주입될 수 있다. 따라서 제2 영역(124)의 불순물 농도는 제1 영역(122)의 불순물 농도보다 높을 수 있다.
제2 필드 스톱층(120a)을 형성할 때, 열처리를 통한 확산 및/또는 활성화 공정이 수행될 수 있다. 경우에 따라, 확산 공정이 생략될 수도 있다. 또한 열처리를 통한 확산 및/또는 활성화 공정은 제1 이온 주입 공정(Imp. 1) 후와 부분적인 추가 이온 주입 공정(Imp. 1-2) 후에 각각 수행될 수도 있고, 부분적인 추가 이온 주입 공정(Imp. 1-2)후에만 수행될 수도 있다.
도 26은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자를 나타내는 단면도이다.
도 26을 참조하면, 파워 소자(1000f)는 도 14에 보인 파워 소자(1000c)의 제2 필드 스톱층(120) 대신에 도 20에 보인 파워 소자(1000e)의 제2 필드 스톱층(120a)을 적용한 것인 바, 도 14 및 도 26에서 설명한 내용을 토대로 구현할 수 있는 바, 자세한 설명은 생략하도록 한다. 즉, 파워 소자(1000f)는 도 4, 도 22 내지 도 25, 도 6 내지 도 8, 및 도 15 내지 도 18에서 설명한 방법에 의하여 형성할 수 있다.
도 27은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자를 나타내는 단면도이다.
도 27을 참조하면, 파워 소자(1002a)는 도 1에 보인 파워 소자(1000c)의 제2 드리프트 층(135) 대신에, 제1 도전형 필라층(135a) 및 제2 도전형 필라층(137)을 적용한 것인 바, 도 1에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략하도록 한다.
파워 소자(1002a)는 매립 영역(125) 상에 형성된 제1 도전형 필라층(135a) 및 제2 도전형 필라층(137)을 포함한다. 베이스 영역(140)은 제1 도전형 필라층(135a) 및 제2 도전형 필라층(137)의 상부 표면 부분에 형성될 수 있다.
제1 도전형 필라층(135a) 및 제2 도전형 필라층(137)은 각각 매립 영역(125) 상에 수직 방향으로 연장되는 제1 도전형의 불순물 영역 및 제2 도전형의 불순물일 수 있다. 제1 도전형 필라층(135a) 및 제2 도전형 필라층(137)은 매립 영역(125) 상에 수평 방향으로 교대로 배치된 슈퍼정션 구조를 포함한다. 파워 소자(1002a)의 턴-온 스위칭 때, 제1 도전형 필라층(135a)은 에미터 전극(200)으로부터 컬렉터 전극(400)으로 흐르는 전하에 대한 도전 경로를 제공한다. 즉, 제1 도전형 필라층(135a)은 도 1에 보인 제2 드리프트 영역(135)의 기능을 수행할 수 있다. 파워 소자(1002a)의 턴-오프 스위칭 때, 제1 도전형 필라층(135a)과 제2 도전형 필라층(137)은 역 바이어스에 의해 서로 공핍됨으로써, 충분히 높은 브레이크다운 전압 특성을 가질 수 있다. 특히, 제1 도전형 필라층(135a)과 제2 도전형 필라층(137)의 전하량이 서로 균형을 이루는 경우, 제1 도전형 필라층(135a)과 제2 도전형 필라층(137)은 턴-오프 상태에서 완전히 공핍됨으로써 이상적인 절연체로 작용할 수 있다.
도 28은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자의 제조 방법을 나타내는 단면도이다. 구체적으로 도 28은 도 7 이후의 단계를 나타내며, 도 4 내지 도 11과 중복되는 내용은 생략할 수 있다.
도 28을 참조하면, 제1 도전형 필라층(135a)은 매립 영역(125) 상에 제1 도전형을 가지는 에피택셜층을 성장시켜 도 8에 보인 제2 드리프트 영역(135)을 형성한 후, 매립 영역(125)의 상면 일부분이 노출되도록 제2 드리프트 영역(135)의 일부분을 제거하여 형성할 수 있다. 이후, 제2 드리프트 영역(135)의 일부분이 제거된 공간에, 제2 도전형을 가지는 에피택셜층을 성장시켜서, 제2 도전형 필라층(137)을 형성할 수 있다.
또는 제1 도전형 필라층(135a)과 제2 도전형 필라층(137)은 다음과 같은 방법을 통하여 형성될 수 있다. 매립 영역(125) 상에 도핑이 되지 않은 비도핑 에피택셜층(도시 생략)을 형성한 후, 상기 비도핑 에피택셜층 상부 영역에 제1 도전형과 제2 도전형의 불순물 이온을 이온 주입하여, 상기 비도핑 에피택셜층 상부 영역의 서로 다른 부분에 제1 도전형 임플란트 영역(도시 생략) 및 제2 도전형 임플란트 영역(도시 생략)을 형성한다. 이와 같은 비도핑 에피택셜층 형성과 제1 및 제2 도전형 임플란트 영역 형성을 반복하여 상부 영역에 제1 및 제2 도전형 임플란트 영역을 각각 가지는 복수의 비도핑 에피택셜층이 이루는 다층 구조체를 형성한다. 이후, 열처리를 통하여, 복수의 비도핑 에피택셜층 각각의 상부 영역에 주입된 제1 도전형의 불순물 이온을 확산시켜 상기 제1 도전형 임플란트 영역들이 서로 연결되도록 하여 제1 도전형 필라층(135a)을 형성하고, 이와 동시에 제2 도전형의 불순물 이온을 확산시켜 상기 제2 도전형 임플란트 영역들이 서로 연결되도록 하여 제2 도전형 필라층(137)을 형성할 수 있다. 불순물 이온을 확산시키기 위한 열처리에 조건에 따라서 제1 도전형 필라층(135a)과 제2 도전형 필라층(137)은 도 28에 보인 것과 같이 서로 접할 수도 있고, 제1 도전형 필라층(135a)과 제2 도전형 필라층(137) 사이에 상기 비도핑 에피택셜층이 일부분이 잔류할 수도 있다.
이후 도 9에 설명한 것과 유사하게, 제1 도전형 필라층(135a) 및 제2 도전형 필라층(137)의 상부의 표면 소정 영역에 베이스 영역(140)을 형성하고, 베이스 영역(140) 내의 상부 표면 소정 영역에 에미터 영역(150)을 형성할 수 있다.
도 29 내지 도 33은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파워 소자들을 나타내는 단면도들이다.
도 29 내지 도 33을 참조하면, 파워 소자(1002b, 1002c, 1002d, 1002e, 1002f)는 각각 도 13, 도 14, 도 19, 도 20 및 도 26에 보인 파워 소자(1000b, 100c, 1000d, 1000e, 1000f)의 제2 드리프트 층(135) 대신에, 도 28에 보인 제1 도전형 필라층(135a) 및 제2 도전형 필라층(137)을 적용한 것인 바, 도 1 내지 도 28에서 설명한 내용을 토대로 구현할 수 있는 바, 자세한 설명은 생략하도록 한다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
1000a, 1000b, 1000c, 1000d, 1000e, 1000f, 1002a, 1002b, 1002c, 1002d, 1002e, 1002f : 파워 소자, 100 : 반도체 기판, 110 : 제1 필드 스톱층, 120, 120a : 제2 필드 스톱층, 122 : 제1 영역, 124 : 제2 영역, 125 : 매립 영역, 130 : 제1 드리프트 영역, 135 : 제2 드리프트 영역, 135a : 제1 도전형 필라층, 137 : 제2 도전형 필라층, 140 : 베이스 영역, 150 : 에미터 영역, 160 : 컬렉터 영역 200 : 에미터 전극, 300, 300a : 게이트 전극, 310, 310a : 게이트 절연층, 400 : 컬렉터 전극, 510 : 포토 레지스트층
Claims (30)
- 제1 도전형을 가지는 제1 필드 스톱층;
상기 제1 필드 스톱층 상에 배치되고, 상기 제1 필드 스톱층보다 낮은 불순물 농도의 제1 도전형을 가지는 제1 드리프트(drift) 영역;
상기 제1 드리프트 영역 상에 배치되고, 상기 제1 드리프트 영역의 불순물 농도보다 높은 불순물 농도의 제1 도전형을 가지는 매립(buried) 영역;
상기 매립 영역 상에 배치되는 제2 드리프트 영역;
상기 제2 드리프트 영역의 상부 부분에 배치되는 파워 소자 셀;
상기 제1 필드 스톱층의 하부에 배치된 컬렉터 영역; 및
상기 제1 필드 스톱층의 불순물 농도보다 높은 불순물 농도의 제1 도전형을 가지는 제2 필드 스톱층을 포함하고,
상기 제2 필드 스톱층은, 동일 레벨에서, 제1 불순물 농도를 가지는 제1 영역 및 상기 제1 불순물 농도보다 더 높은 제2 불순물 농도를 가지는 제2 영역을 포함하고, 상기 제2 영역의 평균 불순물 농도는 상기 제1 영역의 평균 불순물 농도보다 높은,
파워 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 제2 필드 스톱층은 상기 제1 필드 스톱층과 상기 제1 드리프트 영역 사이에 배치되는, 파워 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 제2 필드 스톱층은 상기 매립 영역보다 높은 불순물 농도를 가지는, 파워 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 제2 필드 스톱층은, 상기 제1 필드 스톱층으로부터 증가하여 최대 불순물 농도를 가진 후 상기 제1 드리프트 영역까지 감소하는 불순물 농도를 가지는, 파워 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 드리프트 영역은 상기 제2 필드 스톱층 상에 에피택셜 성장을 통해 형성되는, 파워 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 제2 필드 스톱층은 상기 제1 필드 스톱층보다 불순물 농도가 높도록 이온 주입 공정을 통해 형성되는, 파워 소자. - 삭제
- 제1 항에 있어서,
상기 제2 드리프트 영역은 상기 매립 영역보다 낮은 불순물 농도의 제1 도전형을 가지며,
상기 제1 드리프트 영역과 상기 제2 드리프트 영역은 각각 깊이 방향으로 일정한 불순물 농도 프로파일을 가지고,
상기 제1 드리프트 영역과 상기 제2 드리프트 영역의 불순물 농도는 실질적으로 동일한, 파워 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 매립 영역은, 상기 제1 드리프트 영역으로부터 증가하는 불순물 농도를 가지는 제1 영역 및 상기 제1 영역과 인접하고 상기 제2 드리프트 영역까지 감소하는 불순물 농도를 가지는 제2 영역을 포함하고, 최대 불순물 농도를 가지는 부분을 기준으로 상기 제1 드리프트 영역 및 상기 제2 드리프트 영역에서 대칭 형상의 불순물 농도 프로파일(profile)을 가지는, 파워 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 필드 스톱층은 깊이 방향으로 일정한 불순물 농도 프로파일을 가지고, 상기 컬렉터 영역은 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 가지는, 파워 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 제2 드리프트 영역의 두께는 상기 제1 드리프트 영역의 두께보다 큰 값을 가지는, 파워 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 파워 소자 셀은,
상기 제2 드리프트 영역의 상부 부분에 배치되며 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 가지는 베이스 영역;
상기 베이스 영역 내의 표면 부분에 배치되고 상기 제1 도전형을 가지는 에미터 영역;
상기 베이스 영역 및 에미터 영역의 한쪽 측면에 배치되고, 상기 제2 드리프트 영역에서 매립되어 형성된 게이트 전극; 및
상기 베이스 영역, 상기 에미터 영역과 상기 제2 드리프트 영역, 및 상기 게이트 전극 사이에 배치되는 게이트 절연층을 포함하는, 파워 소자. - 제1 도전형을 가지는 반도체 기판을 준비하는 단계;
상기 반도체 기판의 전면 상에 상기 반도체 기판보다 낮은 상기 제1 도전형의 불순물 농도를 제공하도록 에피택셜 성장을 하여 제1 드리프트 영역을 형성하는 단계;
상기 제1 드리프트 영역의 전면 상에 상기 제1 도전형을 가지는 불순물 이온을 이온 주입하여 매립 영역을 형성하는 단계;
상기 매립 영역 상에 제2 드리프트 영역을 형성하는 단계;
상기 제2 드리프트 영역의 상부 부분에 파워 소자 셀을 형성하는 단계;
상기 반도체 기판의 상기 전면에 반대되는 후면을 연마하여 제1 필드 스톱층을 형성하는 단계; 및
상기 제1 필드 스톱층의 하부 부분에 컬렉터 영역을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 제1 드리프트 영역을 형성하는 단계 이전에, 상기 반도체 기판의 전면 상에 상기 제1 도전형을 가지는 불순물 이온을 이온 주입하여 상기 반도체 기판보다 높은 불순물 농도 부분을 가지는 제2 필드 스톱층을 형성하는 단계를 더 포함하고,
상기 제2 필드 스톱층은 상기 매립 영역보다 높은 불순물 농도를 가지며,
상기 제2 필드 스톱층을 형성하는 단계는,
상기 반도체 기판의 전면 상에 상기 제1 도전형을 가지는 불순물 이온을 이온 주입하여 임플란트층(implanted layer)을 형성하는 제1 이온 주입 단계; 및
상기 임플란트층의 일부분의 불순물 농도가 상기 임플란트층의 나머지 부분의 불순물 농도보다 높도록 상기 임플란트층의 일부분에 상기 제1 도전형을 가지는 불순물 이온을 이온 주입하는 제2 이온 주입 단계를 포함하는,
파워 소자의 제조 방법. - 제13 항에 있어서,
상기 제2 드리프트 영역을 형성하는 단계는, 상기 매립 영역의 전면 상에 상기 반도체 기판보다 낮은 상기 제1 도전형의 불순물 농도를 제공하도록 에피택셜 성장을 포함하는, 파워 소자의 제조 방법. - 제14 항에 있어서,
상기 제2 드리프트 영역은 상기 매립 영역보다 낮은 불순물 농도의 제1 도전형을 가지도록 형성되며,
상기 제1 드리프트 영역 및 제2 드리프트 영역은 각각 깊이 방향으로 일정한 불순물 농도 프로파일을 가지는, 파워 소자의 제조 방법. - 제13 항에 있어서,
상기 제2 드리프트 영역을 형성하는 단계는, 상기 제1 드리프트 영역과 실질적으로 동일한 제1 도전형의 불순물 농도를 제공하도록 에피택셜 성장을 포함하는, 파워 소자의 제조 방법. - 삭제
- 삭제
- 제13 항에 있어서,
상기 파워 소자 셀을 형성하는 단계는,
상기 제2 드리프트 영역의 표면 일정 영역에 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 가지는 베이스 영역을 형성하는 단계;
상기 베이스 영역의 표면 일정 영역에 상기 제1 도전형을 가지는 에미터 영역을 형성하는 단계;
상기 베이스 영역 및 에미터 영역의 한쪽 측면과 인접하며, 상기 제2 드리프트 영역의 표면에서부터 일정 깊이로 파여져 내부에 수용공간을 갖는 트렌치를 형성하는 단계;
상기 트렌치의 내부 표면을 덮는 게이트 절연층을 형성하는 단계;
상기 게이트 절연층이 형성된 상기 트렌치 내에 게이트 전극을 형성하는 단계; 및
상기 베이스 영역과 상기 에미터 영역 상에 에미터 전극을 형성하는 단계를 포함하는, 파워 소자의 제조 방법. - 제1 도전형을 가지는 제1 필드 스톱층을 형성하는 단계;
제2 필드 스톱층을 형성하는 단계;
상기 제1 필드 스톱층 상에 배치되고, 상기 제1 필드 스톱층보다 낮은 불순물 농도의 제1 도전형을 가지는 제1 드리프트 영역을 형성하는 단계 - 상기 제1 드리프트 영역은 반도체 기판의 전면 상의 에피텍셜 성장에 의해 상기 제2 필드 스톱층 상에 형성되고, 상기 제2 필드 스톱층은 상기 제1 필드 스톱층 및 상기 제1 드리프트 영역 사이에 배치되고, 상기 제2 필드 스톱층은 상기 제1 필드 스톱층보다 높은 불순물 농도 부분을 가지는 제1 도전형을 가짐 -;
상기 제1 드리프트 영역 상에 배치되고, 상기 제1 드리프트 영역의 불순물 농도보다 높은 불순물 농도의 제1 도전형을 가지는 매립 영역을 형성하는 단계;
상기 매립 영역의 전면 상의 에피텍셜 성장에 의해 상기 매립 영역 상에 배치되는 제2 드리프트 영역을 형성하는 단계;
상기 제2 드리프트 영역의 상부 부분에 배치되는 파워 소자 셀을 형성하는 단계; 및
상기 제1 필드 스톱층의 하부에 배치되는 컬렉터 영역을 형성하는 단계를 포함하는, 방법. - 삭제
- 제1 도전형을 가지는 제1 필드 스톱층;
상기 제1 필드 스톱층 상에 배치되고, 상기 제1 필드 스톱층보다 낮은 불순물 농도의 제1 도전형을 가지는 제1 드리프트 영역;
상기 제1 드리프트 영역 상에 배치되고, 상기 제1 드리프트 영역보다 높은 불순물 농도의 제1 도전형을 가지는 매립 영역;
상기 매립 영역 상에 배치되는 제2 드리프트 영역;
상기 제2 드리프트 영역의 상부 부분에 형성되는 파워 소자 셀;
상기 제1 필드 스톱층의 하부에 배치되는 컬렉터 영역; 및
상기 제1 필드 스톱층에 인접하며 접촉하는 제2 필드 스톱층을 포함하고,
상기 제2 필드 스톱층은 제1 도전형을 가지며, 상기 제1 필드 스톱층으로부터 증가하여 최대 불순물 농도를 가진 후 상기 제1 드리프트 영역까지 감소하는 불순물 농도를 가지고, 상기 제1 필드 스톱층과 상기 제1 드리프트 영역 사이에 배치되며, 상기 매립 영역보다 높은 불순물 농도를 가지고,
상기 제1 드리프트 영역과 상기 제2 드리프트 영역은 각각 깊이 방향으로 일정한 불순물 농도 프로파일을 가지는, 파워 소자. - 삭제
- 삭제
- 삭제
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- 삭제
- 삭제
- 삭제
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |