KR102321272B1 - Power semiconductor device and method of fabricating the same - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 관점에 의한 전력 반도체 소자는, 반도체층과, 상기 반도체층의 표면으로부터 상기 반도체층 내부로 소정 깊이만큼 리세스 되어 형성된 적어도 하나의 트렌치와, 상기 적어도 하나의 트렌치의 일측의 상기 반도체층에 한정된 웰 영역과, 상기 적어도 하나의 트렌치의 타측의 상기 반도체층에 한정된 플로팅 영역과, 상기 적어도 하나의 트렌치의 측벽 상에 형성되되 상기 플로팅 영역에 인접한 부분의 두께가 상기 웰 영역에 인접한 부분의 두께보다 더 두꺼운 측벽부를 포함하는 게이트 절연층과, 상기 적어도 하나의 트렌치를 매립하도록 상기 게이트 절연층 상에 형성된 게이트 전극층을 포함한다.A power semiconductor device according to an aspect of the present invention includes a semiconductor layer, at least one trench formed by recessing a predetermined depth into the semiconductor layer from a surface of the semiconductor layer, and the semiconductor at one side of the at least one trench A well region defined in a layer, a floating region defined in the semiconductor layer on the other side of the at least one trench, and a portion formed on a sidewall of the at least one trench, the portion adjacent to the floating region having a thickness adjacent to the well region and a gate insulating layer including a sidewall portion thicker than a thickness of , and a gate electrode layer formed on the gate insulating layer to fill the at least one trench.
Description
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 전력 전달을 스위칭하기 위한 전력 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a power semiconductor device for switching power transmission and a method for manufacturing the same.
전력 반도체 소자는 고전압과 고전류 환경에서 동작하는 반도체 소자이다. 이러한 전력 반도체 소자는 고전력 스위칭이 필요한 분야, 예컨대 인버터 소자에 이용되고 있다. 예를 들어, 전력 반도체 소자로는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor), 전력 모스펫(Power MOSFET) 등을 들 수 있다. 이러한 전력 반도체 소자는 고전압에 대한 내압 특성이 기본적으로 요구되며, 최근에는 부가적으로 고속 스위칭 동작을 요하고 있다. A power semiconductor device is a semiconductor device that operates in a high voltage and high current environment. Such a power semiconductor device is used in a field requiring high power switching, for example, an inverter device. For example, the power semiconductor device may include an insulated gate bipolar transistor (IGBT), a power MOSFET, and the like. Such a power semiconductor device is fundamentally required to withstand high voltage, and recently, a high-speed switching operation is additionally required.
이러한 반도체 소자는 채널에서 주입되는 전자와 컬렉터에서 주입되는 정공이 흐르면서 동작한다. 하지만, 트렌치 게이트 타입의 전력 반도체 소자에 있어서, 게이트-컬렉터 사이의 기생 커패시턴스가 커짐에 따라, 정공이 트렌치 게이트에 과다하게 축적되어 네거티브 게이트 차징(negative gate charging, NGC) 현상이 발생하면서 게이트 방향으로 변위 전류(displacement current)가 발생하게 된다. Such a semiconductor device operates while electrons injected from a channel and holes injected from a collector flow. However, in the trench gate type power semiconductor device, as the parasitic capacitance between the gate and the collector increases, holes are excessively accumulated in the trench gate, and negative gate charging (NGC) occurs in the gate direction. A displacement current is generated.
이 경우, 도 10에 도시된 바와 같이, 스위칭 동작 시 순간적으로 게이트-에미터간 전위(Vge)가 상승되고 컬렉터-에미터간 전류(Ice)가 상승되면서 이들 값들의 오실레이션 및/또는 오버슈팅이 발생도어 소자의 동작 불안정성을 초래할 수 있다. In this case, as shown in FIG. 10 , the gate-emitter potential (Vge) momentarily rises during the switching operation and the collector-emitter current (Ice) rises, causing oscillation and/or overshooting of these values. This may lead to operational instability of the door element.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 네거티브 게이트 차징 현상을 억제할 수 있는 전력 반도체 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide a power semiconductor device capable of suppressing a negative gate charging phenomenon in order to solve the above problems.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.However, these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereto.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 의한 전력 반도체 소자는, 반도체층과, 상기 반도체층의 표면으로부터 상기 반도체층 내부로 소정 깊이만큼 리세스 되어 형성되고, 닫힌 루프를 형성하는 적어도 하나의 트렌치와, 상기 적어도 하나의 트렌치의 내측의 상기 반도체층에 형성된 웰 영역과, 상기 적어도 하나의 트렌치의 외측의 상기 반도체층에 형성된 플로팅 영역과, 상기 적어도 하나의 트렌치의 적어도 측벽 상에 형성된 게이트 절연층과, 상기 적어도 하나의 트렌치의 내부의 상기 게이트 절연층 상에 형성되되 상기 웰 영역 방향으로 치우쳐 형성된 적어도 하나의 게이트 전극층과, 상기 적어도 하나의 트렌치의 내부의 상기 게이트 절연층 상에 형성되되 상기 게이트 전극층에 이격되고 상기 플로팅 영역 방향으로 치우쳐 형성된 적어도 하나의 소오스 전극층을 포함한다.A power semiconductor device according to an aspect of the present invention for solving the above problems is formed by recessing a semiconductor layer by a predetermined depth from the surface of the semiconductor layer into the semiconductor layer, and forming a closed loop. a trench; a well region formed in the semiconductor layer inside the at least one trench; a floating region formed in the semiconductor layer outside the at least one trench; and a gate insulation formed on at least a sidewall of the at least one trench. layer, at least one gate electrode layer formed on the gate insulating layer inside the at least one trench and formed to be biased toward the well region, and on the gate insulating layer inside the at least one trench. and at least one source electrode layer spaced apart from the gate electrode layer and formed to be biased toward the floating region.
상기 전력 반도체 소자는 상기 웰 영역 내 에미터 영역 및 상기 웰 영역 및 상기 에미터 영역에 연결된 에미터 전극층을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 소오스 전극층은 상기 에미터 전극층에 연결될 수 있다.The power semiconductor device may further include an emitter region in the well region and an emitter electrode layer connected to the well region and the emitter region, and the at least one source electrode layer may be connected to the emitter electrode layer.
상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 적어도 하나의 트렌치 내부에서 상기 게이트 전극층 및 상기 소오스 전극층은 깊이 방향으로 나란하게 신장될 수 있다.According to the power semiconductor device, the gate electrode layer and the source electrode layer may extend in parallel in a depth direction in the at least one trench.
상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 게이트 절연층은 상기 웰 영역 및 상기 게이트 전극층 사이의 제 1 부분 및 상기 게이트 전극층 및 상기 소오스 전극층 사이의 제 2 부분을 포함하고, 상기 제 2 부분의 두께는 상기 제 1 부분의 두께보다 두꺼울 수 있다.According to the power semiconductor device, the gate insulating layer includes a first portion between the well region and the gate electrode layer and a second portion between the gate electrode layer and the source electrode layer, and the thickness of the second portion is the second portion. It can be thicker than the thickness of 1 part.
상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 게이트 절연층은 상기 적어도 하나의 트렌치의 바닥 및 상기 게이트 전극층 사이와 상기 적어도 하나의 트렌치의 바닥 및 상기 소오스 전극층 사이의 제 3 부분을 포함하고, 상기 제 3 부분의 두께는 상기 제 1 부분의 두께보다 두꺼울 수 있다.According to the power semiconductor device, the gate insulating layer includes a third portion between the bottom of the at least one trench and the gate electrode layer and between the bottom of the at least one trench and the source electrode layer, The thickness may be greater than the thickness of the first portion.
상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 반도체층 및 상기 에미터 영역은 제 1 도전형의 불순물로 도핑되고, 상기 웰 영역 및 상기 플로팅 영역은 상기 제 1 도전형의 반대인 제 2 도전형의 불순물로 도핑될 수 있다.According to the power semiconductor device, the semiconductor layer and the emitter region are doped with an impurity of a first conductivity type, and the well region and the floating region are doped with an impurity of a second conductivity type opposite to the first conductivity type. can be
상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 게이트 전극층 및 상기 소오스 전극층은 상기 적어도 하나의 트렌치를 따라서 닫힌 루프로 각각 형성될 수 있다.According to the power semiconductor device, the gate electrode layer and the source electrode layer may be respectively formed in a closed loop along the at least one trench.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 관점에 의한 전력 반도체 소자의 제조방법은, 반도체층의 표면으로부터 상기 반도체층 내부로 소정 깊이만큼 리세스 되어 형성되고, 닫힌 루프를 형성하는 적어도 하나의 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 적어도 하나의 트렌치의 내측의 상기 반도체층에 웰 영역을 형성하는 단계와, 상기 적어도 하나의 트렌치의 외측의 상기 반도체층에 플로팅 영역을 형성하는 단계와, 상기 적어도 하나의 트렌치의 적어도 측벽 상에 게이트 절연층을 형성하는 단계와, 상기 적어도 하나의 트렌치의 내부의 상기 게이트 절연층 상에, 상기 웰 영역 방향으로 치우치게 적어도 하나의 게이트 전극층을 형성하는 단계와, 상기 적어도 하나의 트렌치의 내부의 상기 게이트 절연층 상에, 상기 게이트 전극층에 이격되고 상기 플로팅 영역 방향으로 치우치게 적어도 하나의 소오스 전극층을 형성하는 단계를 포함한다.In a method of manufacturing a power semiconductor device according to another aspect of the present invention for solving the above problems, at least one trench is formed by being recessed by a predetermined depth into the semiconductor layer from the surface of the semiconductor layer, and forming a closed loop. forming a well region in the semiconductor layer inside the at least one trench; forming a floating region in the semiconductor layer outside the at least one trench; forming a gate insulating layer on at least a sidewall of and forming at least one source electrode layer spaced apart from the gate electrode layer and biased toward the floating region on the gate insulating layer inside the trench.
상기 전력 반도체 소자의 제조방법에 따르면, 상기 게이트 절연층을 형성하는 단계는, 상기 적어도 하나의 트렌치 내부를 채우는 게이트 절연층을 형성하는 단계와, 상기 게이트 절연층 내에 상기 웰 영역 방향으로 치우친 제 1 트렌치 및 상기 플로팅 영역 방향으로 치우친 제 2 트렌치를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.According to the manufacturing method of the power semiconductor device, the forming of the gate insulating layer includes: forming a gate insulating layer filling the inside of the at least one trench; The method may include forming a trench and a second trench biased toward the floating region.
상기 전력 반도체 소자의 제조방법에 따르면, 상기 게이트 전극층을 형성하는 단계는, 상기 제 1 트렌치 내부를 상기 게이트 전극층으로 매립하는 단계를 포함하고, 상기 소오스 전극층을 형성하는 단계는, 상기 제 2 트렌치 내부를 상기 소오스 전극층으로 매립하는 단계를 포함할 수 있다.According to the method of manufacturing the power semiconductor device, the forming of the gate electrode layer includes filling the inside of the first trench with the gate electrode layer, and the forming of the source electrode layer includes: the inside of the second trench may include filling in the source electrode layer.
상기 전력 반도체 소자의 제조방법에 따르면, 상기 게이트 절연층은 상기 웰 영역 및 상기 게이트 전극층 사이의 제 1 부분, 상기 게이트 전극층 및 상기 소오스 전극층 사이의 제 2 부분, 및 상기 적어도 하나의 트렌치의 바닥 및 상기 게이트 전극층 사이와 상기 적어도 하나의 트렌치의 바닥 및 상기 소오스 전극층 사이의 제 3 부분을 포함하고, 상기 제 2 부분의 두께는 상기 제 1 부분의 두께보다 두껍고, 상기 제 3 부분의 두께는 상기 제 1 부분의 두께보다 두꺼울 수 있다.According to the manufacturing method of the power semiconductor device, the gate insulating layer includes a first portion between the well region and the gate electrode layer, a second portion between the gate electrode layer and the source electrode layer, and a bottom of the at least one trench and a third portion between the gate electrode layer and between the bottom of the at least one trench and the source electrode layer; It can be thicker than the thickness of 1 part.
상기 전력 반도체 소자의 제조방법은, 상기 웰 영역 내 에미터 영역을 형성하는 단계와, 상기 웰 영역 및 상기 에미터 영역에 연결된 에미터 전극층을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 소오스 전극층은 상기 에미터 전극층에 연결될 수 있다.The method of manufacturing the power semiconductor device further includes: forming an emitter region in the well region; and forming an emitter electrode layer connected to the well region and the emitter region; and the at least one source electrode layer. may be connected to the emitter electrode layer.
상기 전력 반도체 소자의 제조방법에 따르면, 상기 적어도 하나의 트렌치 내부에서 상기 게이트 전극층 및 상기 소오스 전극층은 깊이 방향으로 나란하게 신장될 수 있다.According to the method of manufacturing the power semiconductor device, the gate electrode layer and the source electrode layer may extend in parallel in a depth direction in the at least one trench.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자 및 그 제조 방법에 의하면, 게이트-컬렉터 사이의 기생 커패시턴스에 의한 동작 불안정성을 억제하여 소자의 신뢰성을 높일 수 있다. According to the power semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the embodiment of the present invention made as described above, it is possible to suppress the operation instability due to the parasitic capacitance between the gate-collector and increase the reliability of the device.
물론 이러한 효과는 예시적인 것이고, 이러한 효과에 의해서 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Of course, these effects are exemplary, and the scope of the present invention is not limited by these effects.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자를 보여주는 개략적인평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자를 보여주는 회로도이다.
도 3은 도 2의 전력 반도체 소자의 일부를 보여주는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자를 보여주는 단면도이다.
도 5는 도 4의 전력 반도체 소자에서 V-V면에서 절취한 평면도이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자의 제조방법을 보여주는 단면도들이다.
도 10은 종래 전력 반도체 소자의 네거티브 게이트 차징(NGC) 현상에 의한 동작 웨이브형상(wave form)을 보여주는 그래프이다.1 is a schematic plan view showing a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
2 is a circuit diagram showing a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
3 is a circuit diagram illustrating a part of the power semiconductor device of FIG. 2 .
4 is a cross-sectional view showing a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a plan view taken from the VV plane of the power semiconductor device of FIG. 4 .
6 to 9 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph showing an operating wave form due to a negative gate charging (NGC) phenomenon of a conventional power semiconductor device.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 적어도 일부의 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 도면에서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be implemented in various different forms. It is provided to fully inform In addition, in the drawings for convenience of description, the size of at least some of the components may be exaggerated or reduced. In the drawings, like reference numerals refer to like elements.
다르게 정의되지 않는 한, 여기에 사용된 모든 용어들은 해당기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 같은 의미로 사용된다. 도면에서, 층 및 영역의 크기는 설명을 위해 과장되었고, 따라서 본 발명의 일반적인 구조들을 설명하기 위해 제공된다. Unless defined otherwise, all terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. In the drawings, the sizes of layers and regions are exaggerated for the sake of illustration, and are therefore provided to illustrate the general structures of the present invention.
동일한 참조 부호들은 동일한 구성 요소를 나타낸다. 층, 영역, 또는 기판과 같은 한 구성이 다른 구성 상(on)에 있다고 지칭할 때, 그것은 다른 구성의 바로 상부 트렌치에 있거나 또는 그 사이에 다른 개재된 구성이 또한 존재할 수 있는 것으로 이해될 것이다. 반면에, 한 구성이 다른 구성의 “바로 위에(directly on)” 있다라고 지칭할 때는 중간 개재 구성들이 존재하지 않는다고 이해된다.Like reference signs indicate like elements. It will be understood that when referring to one configuration as being on another configuration, such as a layer, region, or substrate, it may also be in a trench immediately above the other configuration or other intervening configurations in between. On the other hand, when referring to one configuration as being “directly on” of another, it is understood that intervening configurations do not exist.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자를 보여주는 개략적인평면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자를 보여주는 회로도이고, 도 3은 도 2의 전력 반도체 소자의 일부를 보여주는 회로도이다.1 is a schematic plan view showing a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a circuit diagram showing a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a power semiconductor device of FIG. A circuit diagram showing some of it.
도 1을 참조하면, 전력 반도체 소자(100)는 메인 셀 영역(MC) 및 센서 영역(SA)을 포함하는 반도체층(105)을 이용하여 구현될 수 있다. 이러한 전력 반도체 소자(100)는 웨이퍼(wafer), 칩(chip) 또는 다이(die) 구조를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , the
메인 셀 영역(MC)에는 복수의 전력 반도체 트랜지스터들(power semiconductor transistors, 도 3의 PT)이 형성될 수 있다. 센서 영역(SA)에는 전력 반도체 트랜지스터들(PT)의 전류를 모니터링하기 위해 복수의 전류 센서 트랜지스터들(도 3의 ST)이 형성될 수 있다.A plurality of power semiconductor transistors (PT of FIG. 3 ) may be formed in the main cell region MC. A plurality of current sensor transistors (ST of FIG. 3 ) may be formed in the sensor area SA to monitor currents of the power semiconductor transistors PT.
예를 들어, 전력 반도체 트랜지스터둘(PT) 및 전류 센서 트랜지스터들(ST)은 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) 또는 전력 모스펫(power MOSFET) 구조를 포함할 수 있다. IGBT는 게이트 전극, 에미터 전극(emitter electrode) 및 컬렉터 전극(collector electrode)을 포함할 수 있다. 도 2 내지 도 3에서는 전력 반도체 소자(100)로 IGBT를 예로 설명한다. For example, the two power semiconductor transistors PT and the current sensor transistors ST may include an insulated gate bipolar transistor (IGBT) structure or a power MOSFET structure. The IGBT may include a gate electrode, an emitter electrode, and a collector electrode. 2 to 3 , an IGBT will be described as an example of the
도 1 내지 도 3을 같이 참조하면, 전력 반도체 소자(100)는 외부와 연결을 위한 복수의 단자들을 포함할 수 있다. 1 to 3 , the
예를 들어, 전력 반도체 소자(100)는 전력 반도체 트랜지스터들(PT)의 에미터 전극에 연결되는 에미터 단자(69), 전력 반도체 트랜지스터들(PT)의 켈빈 에미터 전극에 연결되는 켈빈 에미터 단자(66), 전류를 모니터링하기 위한 전류 센서 트랜지스터들(ST)의 에미터 전극과 연결되는 전류 센서 단자(64), 전력 반도체 트랜지스터들(PT)의 게이트 전극 및 전류 센서 트랜지스터들(ST)의 게이트 전극과 연결되는 게이트 단자(62), 온도를 모니터링하기 위한 온도 센서(TC)와 연결되는 온도 센서 단자들(67, 68) 및/또는 전력 반도체 트랜지스터들(PT) 및 전류 센서 트랜지스터들(ST)의 컬렉터 전극과 연결되는 컬렉터 단자(61)를 포함할 수 있다. For example, the
도 2에서 컬렉터 단자(61)는 도 1에서 반도체층(105)의 후면 상에 형성될 수 있다.In FIG. 2 , the
온도 센서(TC)는 온도 센서 단자들(67, 68)과 연결된 정션 다이오드(junction diode)를 포함할 수 있다. 정션 다이오드는 적어도 하나의 n형 불순물 영역과 적어도 하나의 p형 불순물 영역의 접합 구조, 예컨대 P-N 접합 구조, P-N-P 접합 구조, N-P-N 접합 구조 등을 포함할 수 있다. The temperature sensor TC may include a junction diode connected to the
본 구조는 전력 반도체 소자(100) 내에 온도 센서(TC)가 내장된 구조를 예시적으로 설명하고 있으나, 이 실시예의 변형된 예에서 온도 센서(TC)가 생략될 수도 있다.Although this structure exemplarily describes a structure in which the temperature sensor TC is built in the
전력 반도체 트랜지스터(PT)는 에미터 단자(69)와 컬렉터 단자(61) 사이에 접속되고, 전류 센서 트랜지스터(ST)는 전류 센서 단자(64)와 컬렉터 단자(61) 사이에 전력 반도체 트랜지스터(PT)와 일부 병렬적으로 접속된다. 전류 센서 트랜지스터(ST)의 게이트 전극과 전력 반도체 트랜지스터(PT)의 게이트 전극은 소정의 저항을 개재하여 게이트 단자(62)에 공유로 연결된다.The power semiconductor transistor PT is connected between the
전류 센서 트랜지스터(ST)는 전력 반도체 트랜지스터(PT)와 실질적으로 같은 구조로 형성되며, 다만 소정의 비로 축소되어 형성될 수 있다. 이에 따라, 전류 센서 트랜지스터(ST)의 출력 전류를 모니터링함으로써 전력 반도체 트랜지스터(PT)의 출력 전류를 간접적으로 모니터링할 수 있다.The current sensor transistor ST has a structure substantially the same as that of the power semiconductor transistor PT, but may be reduced by a predetermined ratio. Accordingly, the output current of the power semiconductor transistor PT may be indirectly monitored by monitoring the output current of the current sensor transistor ST.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자(100)를 보여주는 단면도이고, 도 5는 도 5는 도 4의 전력 반도체 소자에서 V-V면에서 절취한 평면도이다.4 is a cross-sectional view showing the
도 4 및 도 5를 참조하면, 반도체층(105)은 하나 또는 복수의 반도체 물질층을 지칭할 수 있으며, 예를 들어, 반도체 기판의 일부 및/또는 하나 또는 다층의 에피택셜층(epitaxial layer)을 지칭할 수도 있다. 예컨대, 반도체층(105)은 드리프트 영역(107) 및 웰 영역(110)을 포함할 수 있다. 4 and 5 , the
나아가, 반도체층(105)은 웰 영역(110) 내 에미터 영역(112)을 더 포함할 수 있다. 여기에서 에미터 영역(112)은 소오스 영역으로 불릴 수도 있다. Furthermore, the
반도체층(105)은 게이트 전극층(120) 사이에서 게이트 전극층(120) 하부로 이어지는 부분에 플로팅 영역(125)을 더 포함할 수 있다. 플로팅 영역(125)은 게이트 전극층(120)의 바닥보다 더 깊이 형성될 수 있다. 플로팅 영역(125)은 전력 반도체 트랜지스터들(PT)의 인접한 둘 사이에서 웰 영역(110) 반대편의 반도체층(105)에 형성될 수 있다. 따라서, 단면 상에서 볼 때, 게이트 전극들(120) 사이에는 웰 영역(110)과 플로팅 영역(125)이 번갈아 가며 형성될 수 있다.The
예를 들어, 드리프트 영역(107) 및 에미터 영역(112)은 제 1 도전형을 갖고, 웰 영역(110) 및 플로팅 영역(125)은 제 2 도전형을 가질 수 있다. 제 1 도전형 및 제 2 도전형은 서로 반대의 도전형을 가지 되 n형 및 p형 중 각각 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 제 1 도전형은 n형이면 제 2 도전형이 p형이고, 그 반대일 수도 있다.For example, the
드리프트 영역(107)은 제 1 도전형의 에피택셜층으로 제공될 수 있고, 웰 영역(110)은 이러한 에피택셜층에 제 2 도전형의 불순물을 도핑하거나 또는 제 2 도전형의 에피택셜층으로 형성할 수 있다. 소오스 영역(112)은 웰 영역(110) 내에 제 1 도전형의 불순물을 도핑하거나 또는 제 1 도전형의 에피택셜층을 부가적으로 형성하여 형성할 수 있다.The
나아가, 전력 반도체 소자(100)가 IGBT인 경우, 컬렉터 영역(미도시)이 드리프트 영역(107) 아래에 제공되고, 컬렉터 전극층(미도시)이 컬렉터 영역에 연결되도록 컬렉터 영역 아래에 제공될 수 있다. 예를 들어, 컬렉터 영역은 드리프트 영역(107) 아래에 제 2 도전형을 갖는 에피택셜층으로 제공될 수 있다.Furthermore, when the
적어도 하나의 트렌치(116)는 반도체층(105)의 표면으로부터 반도체층(105) 내부로 소정 깊이만큼 리세스되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 트렌치(116)는 평면 상에서 볼 때 닫히 루프(closed loop)를 형성할 수 있다. 루프는 도넛 형상, 사각 형상 등 다양한 형상을 가질 수 있다.The at least one
트렌치들(116)의 수는 전력 반도체 소자(100)의 성능에 따라 적절하게 선택될 수 있고 이 실시예의 범위를 제한하지 않는다. 예를 들어, 복수의 트렌치들(116)이 매트릭스 구조로 배치될 수도 있다.The number of
나아가, 트렌치들(116)은 전계가 집중되는 것을 억제하기 위하여 그 모서리, 예컨대 하단 모서리가 라운딩 처리될 수 있다.Furthermore, the
이러한 구조에 따르면, 웰 영역(110)은 트렌치(116)의 내측의 반도체층(105)에 형성되고, 플로팅 영역(125)은 트렌치(116)의 외측의 반도체층(105)에 형성될 수 있다.According to this structure, the
게이트 절연층(118)은 적어도 하나의 트렌치(116)의 측벽 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 게이트 절연층(118)은 트렌치(116) 내표면 상에 형성될 수 있다. The
게이트 전극층(120)은 반도체층(105)에 형성된 적어도 하나의 트렌치(116) 내의 게이트 절연층(118) 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 게이트 전극층(120)은 트렌치(116)의 내부의 게이트 절연층(118) 상에 형성되되 웰 영역(110) 방향으로 치우쳐 형성될 수 있다.The
나아가, 소오스 전극층(122)은 트렌치(116)의 내부의 게이트 절연층(118) 상에 형성되되 게이트 전극층(120)에 이격되고 플로팅 영역(125) 방향으로 치우쳐 형성될 수 있다.Furthermore, the
보다 구체적으로 보면, 게이트 절연층(118)은 웰 영역(110) 및 게이트 전극층(120) 사이의 제 1 부분(118a), 게이트 전극층(120) 및 소오스 전극층(122) 사이의 제 2 부분(118b)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제 1 부분(118a)은 소오스 전극층(122) 및 플로팅 영역(125) 사이에 형성된 부분을 포함하는 것으로 이해될 수 있다.More specifically, the
나아가, 게이트 절연층(118)은 트렌치(116)의 바닥 및 이트 전극층(120) 사이와 트렌치(116)의 바닥 및 소오스 전극층(122) 사이의 제 3 부분(118c)을 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제 3 부분(118c)은 제 2 부분(118b)과 트렌치(116)의 바닥 사이의 게이트 절연층(118)을 포함하는 것으로 해석될 수 있다.Furthermore, the
게이트 절연층(118)의 제 1 부분(118a)은 웰 영역(110) 내 채널의 턴-온 및 턴-오프를 위한 동작 전압과 관련되어 있으므로 동작 전압에 따라서 정해진 두께를 가질 수 있다. 반면, 게이트 절연층(118)의 제 2 부분(118b) 및 제 3 부분(118c)은 소자의 내압 및 게이트-컬렉터간 커패시턴스(Cgc)에 관여되어 있으므로 비교적 두꺼울 필요가 있다. The
이에 따라, 게이트 절연층(118)의 제 2 부분(118b) 및 제 3 부분(118c)의 두께는 제 1 부분(118a)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 제 3 부분(118c)는 채널 형성과 거의 관련이 없고 그 두께에 있어서 자유도가 크므로 충분하게 두껍게 할 수 있다. 예를 들어, 게이트 절연층(118)의 제 2 부분(118b) 및 제 3 부분(118c)의 두께는 제 1 부분(118a)의 두께보다 5배이상 두꺼울 수 있다Accordingly, the thickness of the
이 실시예에서, 게이트 전극층(120) 및 소오스 전극층(122)은 트렌치(116) 내부에서 깊이 방향으로 나란하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 게이트 전극층(120) 및 소오스 전극층(122)은 트렌치(116) 내부에서 서로 동일한 깊이로 평행하게 형성될 수 있다.In this embodiment, the
또한, 게이트 전극층(120) 및 소오스 전극층(122)은 트렌치(116)를 따라서 닫힌 루프로 각각 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 게이트 전극층(120)은 웰 영역(110)을 둘러싸는 형태로 트렌치(116) 내에 형성되고, 소오스 전극층(122)은 게이트 전극층(120)을 둘러싸는 형태로 트렌치(116) 내에 형성될 수 있다.Also, the
한편, 에미터 전극층(145)은 에미터 영역(112) 상에 에미터 영역(112) 및 웰 영역(110)에 연결되게 형성될 수 있다. 반도체층(105) 및 에미터 전극층(145) 사이에는 절연층(130)이 개재될 수 있다.Meanwhile, the
이 실시예에서, 게이트 전극층(122)과 소오스 전극층(122)은 서로 분리되어, 서로 다른 전위에 연결될 수 있다. 예를 들어, 소오스 전극층(122)은 에미터 전극층(145)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 에미터 전극층(145)은 접지될 수 있고, 이 경우 소오스 전극층(122) 또한 접지될 수 있다.In this embodiment, the
이 실시예에 따르면, 플로팅 영역(125)에 인접한 트렌치(116) 내에 에미터 전극층(145)에 연결된 소오스 전극층(122)을 배치함으로써 플로팅 영역(125)에서 게이트-컬렉터 커패시턴스(Cgc)를 크게 낮출 수 있다. 나아가, 두꺼운 게이트 절연층(118)의 제 3 부분(118c)도 이러한 게이트-컬렉터 커패시턴스를 낮추는 데 기여할 수 있다.According to this embodiment, by disposing the
이에 따라, 게이트-컬렉터 커패시턴스(Cgc)가 감소되어 네거티브 게이트 차징(NGC) 현상이 크게 억제될 수 있고, 플로팅 영역(125)을 통한 변위 전류가 억제될 수 있다.Accordingly, the gate-collector capacitance Cgc is reduced, so that the negative gate charging (NGC) phenomenon can be largely suppressed, and the displacement current through the floating
이 실시예에서, 트렌치(116), 게이트 전극층(120) 및 소오스 전극층(122)의 수는 전력 반도체 소자(100)의 동작 사양에 따라서 적절하게 선택될 수 있고 이 실시예의 범위를 제한하지 않는다.In this embodiment, the number of the
전술한 설명들은 전력 반도체 소자가 IGBT인 경우를 상정하여 설명하였지만, 전력 모스펫에도 그대로 적용될 수 있다. 예를 들어, 전력 모스펫에서는 컬렉터 영역)이 없고 컬렉터 전극 대신에 드레인 전극이 배치될 수 있다.Although the above descriptions have been made on the assumption that the power semiconductor device is an IGBT, it may be applied to a power MOSFET as it is. For example, in a power MOSFET, there is no collector region) and a drain electrode may be disposed instead of a collector electrode.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자의 제조방법을 보여주는 단면도들이다.6 to 9 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 반도체층(105)의 표면으로부터 반도체층(105) 내부로 소정 깊이만큼 리세스 되게 적어도 하나의 트렌치(116)를 형성하여, 트렌치(116)의 일측의 반도체층(105)에 웰 영역(110)을 한정하고, 트렌치(116)의 타측의 반도체층(116)에 플로팅 영역(125)을 한정할 수 있다. 에미터 영역(112)은 웰 영역(110) 내에 한정될 수 있다.Referring to FIG. 6 , at least one
예를 들어, 트렌치(116)는 닫힌 루프 형태를 갖고, 웰 영역(110)은 트렌치(116)의 내측의 반도체층(105)에 형성하고, 플로팅 영역(125)은 트렌치(116)의 외측의 반도체층(105)에 형성할 수 있다.For example, the
예를 들어, 트렌치(116)는 드리프트 영역(107), 웰 영역(110) 및 플로팅 영역(125)이 형성된 반도체층(105)에 포토리소그래피 기술을 이용하여 포토레지스트 패턴을 형성하고, 이 포토레지스트 패턴을 식각 보호막으로 하여 반도체층(105)을 식각하여 형성될 수 있다.For example, in the
도 7 내지 도 9를 참조하면, 트렌치(116)의 적어도 측벽 상에 게이트 절연층(118)을 형성하고, 트렌치(116)의 내부의 게이트 절연층(118) 상에, 웰 영역(110) 방향으로 치우치게 적어도 하나의 게이트 전극층(120)을 형성하고, 트렌치(116)의 내부의 게이트 절연층(118) 상에, 게이트 전극층(120)에 이격되고 플로팅 영역(125) 방향으로 치우치게 적어도 하나의 소오스 전극층(122)을 형성할 수 있다.7 to 9 , a
예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 트렌치(116)의 내부를 채우는 게이트 절연층(118)을 형성할 수 있다. For example, as shown in FIG. 7 , the
이어서, 도 8에 도시된 바와 같이, 게이트 절연층(118) 내에 웰 영역(110) 방향으로 치우친 제 1 트렌치(GT1) 및 플로팅 영역(125) 방향으로 치우친 제 2 트렌치(GT2)를 형성할 수 있다. 제 1 트렌치(GT1) 및 제 2 트렌치(GT2)는 트렌치(116) 내부에 소정 깊이로 서로 이격되게 형성될 수 있다.Subsequently, as shown in FIG. 8 , a first trench GT1 biased toward the
이어서, 도 9에 도시된 바와 같이, 제 1 트렌치(GT1) 내부를 게이트 전극층(120)으로 매립하고, 제 2 트렌치(GT2) 내부를 소오스 전극층(122)으로 매립할 수 있다. 일부 실시예에서, 제 1 트렌치(GT1) 및 제 2 트렌치(GT2)를 동시에 형성하고, 게이트 전극층(120) 및 소오스 전극층(122)을 동시에 형성하여 공정 단계를 줄일 수 있다.Subsequently, as shown in FIG. 9 , the inside of the first trench GT1 may be filled with the
예를 들어, 게이트 전극층(120) 및 소오스 전극층(122)은 금속 또는 도핑된 폴리실리콘을 포함할 수 있다.For example, the
이어서, 절연층(130)을 형성하고, 에미터 영역(112) 및 웰 영역(110)에 연결되게 에미터 전극층(145)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 에미터 전극층(145)은 도전층을 형성한 후 패터닝하여 형성할 수 있다. 나아가, 에미터 전극층(145)은 소오스 전극층(122)에 더 연결될 수 있다. 예를 들어, 절연층(130)을 관통하는 콘택 플러그를 통해서 소오스 전극층(122)과 에미터 전극층(145)이 서로 연결될 수 있다.Subsequently, the insulating
전술한 제조 방법에 따르면, 기존 공정을 활용하여, 플로팅 영역(125)에 인접하게 트렌치(116) 내에 소오스 전극층(122)을 배치함으로써, 게이트-컬렉터 커패시턴스(Cgc)를 줄여서 네거티브 게이트 차징(NGC) 형상을 억제할 수 있다.According to the above-described manufacturing method, by arranging the
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.Although the present invention has been described with reference to the embodiment shown in the drawings, which is merely exemplary, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.
100: 전력 반도체 소자
105: 반도체층
107: 드리프트 영역
110: 웰 영역
112: 에미터 영역
118: 게이트 절연층
120: 게이트 전극층
122: 소오스 전극층
125: 플로팅 영역
130: 절연층
145: 에미터 전극층100: power semiconductor device
105: semiconductor layer
107: drift zone
110: well area
112: emitter area
118: gate insulating layer
120: gate electrode layer
122: source electrode layer
125: floating area
130: insulating layer
145: emitter electrode layer
Claims (13)
상기 반도체층의 표면으로부터 상기 반도체층 내부로 소정 깊이만큼 리세스 되어 형성되고, 닫힌 루프를 형성하는 적어도 하나의 트렌치;
상기 적어도 하나의 트렌치의 내측의 상기 반도체층에 형성된 웰 영역;
상기 적어도 하나의 트렌치의 외측의 상기 반도체층에 형성된 플로팅 영역;
상기 적어도 하나의 트렌치의 적어도 측벽 상에 형성된 게이트 절연층;
상기 적어도 하나의 트렌치의 내부의 상기 게이트 절연층 상에 형성되되 상기 웰 영역 방향으로 치우쳐 형성된 적어도 하나의 게이트 전극층; 및
상기 적어도 하나의 트렌치의 내부의 상기 게이트 절연층 상에 형성되되 상기 게이트 전극층에 이격되고 상기 플로팅 영역 방향으로 치우쳐 형성된 적어도 하나의 소오스 전극층;을 포함하고,
상기 적어도 하나의 트렌치 내부에서 상기 게이트 전극층 및 상기 소오스 전극층은 깊이 방향으로 나란하게 신장되고,
상기 게이트 절연층은,
상기 웰 영역 및 상기 게이트 전극층 사이의 제 1 부분;
상기 게이트 전극층 및 상기 소오스 전극층 사이의 제 2 부분; 및
상기 적어도 하나의 트렌치의 바닥 및 상기 게이트 전극층 사이와 상기 적어도 하나의 트렌치의 바닥 및 상기 소오스 전극층 사이의 제 3 부분;을 포함하고,
상기 제 2 부분의 두께는 상기 제 1 부분의 두께보다 두껍고,
상기 제 3 부분의 두께는 상기 제 1 부분의 두께보다 두껍고,
상기 플로팅 영역은 상기 게이트 절연층의 상기 제3 부분의 바닥 부분을 전체적으로 둘러싸는,
전력 반도체 소자.semiconductor layer;
at least one trench recessed by a predetermined depth from the surface of the semiconductor layer into the semiconductor layer and forming a closed loop;
a well region formed in the semiconductor layer inside the at least one trench;
a floating region formed in the semiconductor layer outside the at least one trench;
a gate insulating layer formed on at least a sidewall of the at least one trench;
at least one gate electrode layer formed on the gate insulating layer inside the at least one trench, the gate electrode layer being biased toward the well region; and
at least one source electrode layer formed on the gate insulating layer inside the at least one trench, the at least one source electrode layer being spaced apart from the gate electrode layer and biased toward the floating region;
In the at least one trench, the gate electrode layer and the source electrode layer extend in parallel in a depth direction;
The gate insulating layer,
a first portion between the well region and the gate electrode layer;
a second portion between the gate electrode layer and the source electrode layer; and
a third portion between the bottom of the at least one trench and the gate electrode layer and between the bottom of the at least one trench and the source electrode layer;
The thickness of the second part is thicker than the thickness of the first part,
The thickness of the third part is thicker than the thickness of the first part,
the floating region entirely surrounds a bottom portion of the third portion of the gate insulating layer;
power semiconductor devices.
상기 웰 영역 내 에미터 영역; 및
상기 웰 영역 및 상기 에미터 영역에 연결된 에미터 전극층을 더 포함하고,
상기 적어도 하나의 소오스 전극층은 상기 에미터 전극층에 연결된,
전력 반도체 소자.The method of claim 1,
an emitter region within the well region; and
an emitter electrode layer connected to the well region and the emitter region;
the at least one source electrode layer is connected to the emitter electrode layer;
power semiconductor devices.
상기 반도체층 및 상기 에미터 영역은 제 1 도전형의 불순물로 도핑되고,
상기 웰 영역 및 상기 플로팅 영역은 상기 제 1 도전형의 반대인 제 2 도전형의 불순물로 도핑된,
전력 반도체 소자.3. The method of claim 2,
the semiconductor layer and the emitter region are doped with an impurity of a first conductivity type;
the well region and the floating region are doped with an impurity of a second conductivity type opposite to the first conductivity type;
power semiconductor devices.
상기 게이트 전극층 및 상기 소오스 전극층은 상기 적어도 하나의 트렌치를 따라서 닫힌 루프로 각각 형성된,
전력 반도체 소자.The method of claim 1,
wherein the gate electrode layer and the source electrode layer are each formed in a closed loop along the at least one trench;
power semiconductor devices.
상기 적어도 하나의 트렌치의 내측의 상기 반도체층에 웰 영역을 형성하는 단계;
상기 적어도 하나의 트렌치의 외측의 상기 반도체층에 플로팅 영역을 형성하는 단계;
상기 적어도 하나의 트렌치의 적어도 측벽 상에 게이트 절연층을 형성하는 단계;
상기 적어도 하나의 트렌치의 내부의 상기 게이트 절연층 상에, 상기 웰 영역 방향으로 치우치게 적어도 하나의 게이트 전극층을 형성하는 단계; 및
상기 적어도 하나의 트렌치의 내부의 상기 게이트 절연층 상에, 상기 게이트 전극층에 이격되고 상기 플로팅 영역 방향으로 치우치게 적어도 하나의 소오스 전극층을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 게이트 절연층을 형성하는 단계는,
상기 적어도 하나의 트렌치 내부를 채우는 게이트 절연층을 형성하는 단계; 및
상기 게이트 절연층 내에 상기 웰 영역 방향으로 치우친 제 1 트렌치 및 상기 플로팅 영역 방향으로 치우친 제 2 트렌치를 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 게이트 전극층을 형성하는 단계는, 상기 제 1 트렌치 내부를 상기 게이트 전극층으로 매립하는 단계를 포함하고,
상기 소오스 전극층을 형성하는 단계는, 상기 제 2 트렌치 내부를 상기 소오스 전극층으로 매립하는 단계를 포함하고,
상기 적어도 하나의 트렌치 내부에서 상기 게이트 전극층 및 상기 소오스 전극층은 깊이 방향으로 나란하게 신장되고,
상기 게이트 절연층은,
상기 웰 영역 및 상기 게이트 전극층 사이의 제 1 부분;
상기 게이트 전극층 및 상기 소오스 전극층 사이의 제 2 부분; 및
상기 적어도 하나의 트렌치의 바닥 및 상기 게이트 전극층 사이와 상기 적어도 하나의 트렌치의 바닥 및 상기 소오스 전극층 사이의 제 3 부분;을 포함하고,
상기 제 2 부분의 두께는 상기 제 1 부분의 두께보다 두껍고,
상기 제 3 부분의 두께는 상기 제 1 부분의 두께보다 두껍고,
상기 플로팅 영역은 상기 게이트 절연층의 상기 제3 부분의 바닥 부분을 전체적으로 둘러싸는,
전력 반도체 소자의 제조방법.forming at least one trench recessed by a predetermined depth from the surface of the semiconductor layer into the semiconductor layer and forming a closed loop;
forming a well region in the semiconductor layer inside the at least one trench;
forming a floating region in the semiconductor layer outside the at least one trench;
forming a gate insulating layer on at least sidewalls of the at least one trench;
forming at least one gate electrode layer biased toward the well region on the gate insulating layer inside the at least one trench; and
forming at least one source electrode layer on the gate insulating layer inside the at least one trench, the at least one source electrode layer being spaced apart from the gate electrode layer and biased toward the floating region;
Forming the gate insulating layer comprises:
forming a gate insulating layer filling the inside of the at least one trench; and
forming a first trench biased toward the well region and a second trench biased toward the floating region in the gate insulating layer;
The forming of the gate electrode layer includes filling the inside of the first trench with the gate electrode layer,
The forming of the source electrode layer includes filling the inside of the second trench with the source electrode layer,
In the at least one trench, the gate electrode layer and the source electrode layer extend in parallel in a depth direction;
The gate insulating layer,
a first portion between the well region and the gate electrode layer;
a second portion between the gate electrode layer and the source electrode layer; and
a third portion between the bottom of the at least one trench and the gate electrode layer and between the bottom of the at least one trench and the source electrode layer;
The thickness of the second part is thicker than the thickness of the first part,
The thickness of the third part is thicker than the thickness of the first part,
the floating region entirely surrounds a bottom portion of the third portion of the gate insulating layer;
A method of manufacturing a power semiconductor device.
상기 웰 영역 내 에미터 영역을 형성하는 단계; 및
상기 웰 영역 및 상기 에미터 영역에 연결된 에미터 전극층을 형성하는 단계;를 더 포함하고,
상기 적어도 하나의 소오스 전극층은 상기 에미터 전극층에 연결된,
전력 반도체 소자의 제조방법.9. The method of claim 8,
forming an emitter region in the well region; and
Forming an emitter electrode layer connected to the well region and the emitter region; further comprising,
the at least one source electrode layer is connected to the emitter electrode layer;
A method of manufacturing a power semiconductor device.
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