KR102369054B1 - Power semiconductor device and method of fabricating the same - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 관점에 의한 전력 반도체 소자는 실리콘 카바이드(SiC)의 반도체층과, 상기 반도체층의 일부 상의 게이트 절연층과, 상기 게이트 절연층 상의 게이트 전극층과, 전하의 수직 이동 경로를 제공하도록 상기 반도체층에 형성되고, 상기 게이트 전극층 하부에 배치된 적어도 하나의 돌출 부분을 포함하고, 제 1 도전형을 갖는 드리프트 영역과, 상기 게이트 전극층 하부의 상기 반도체층에 상기 드리프트 영역의 상기 적어도 하나의 돌출 부분과 접하게 형성되는 제 1 웰 영역 및 상기 게이트 전극층 외측의 상기 반도체층에 형성되고 상기 제 1 웰 영역과 연결된 제 2 웰 영역을 포함하고, 제 2 도전형을 갖는 웰 영역과, 상기 웰 영역 하부의 상기 반도체층에 상기 웰 영역과 접하게 형성되며, 상기 드리프트 영역과 슈퍼 정션을 형성하도록 제 2 도전형을 갖는 필라 영역과, 상기 제 1 웰 영역 상의 상기 반도체층에 형성된 제 1 소오스 영역 및 상기 제 2 웰 영역 상의 상기 반도체층에 형성되고 상기 제 1 소오스 영역과 연결된 제 2 소오스 영역을 포함하고, 제 1 도전형을 갖는 소오스 영역과, 상기 드리프트 영역의 상기 적어도 하나의 돌출 부분 및 상기 제 1 소오스 영역 사이의 상기 반도체층에 형성되는 채널 영역을 포함을 포함한다.A power semiconductor device according to an aspect of the present invention provides a semiconductor layer of silicon carbide (SiC), a gate insulating layer on a part of the semiconductor layer, a gate electrode layer on the gate insulating layer, and a vertical movement path for electric charges. a drift region formed in a semiconductor layer and including at least one protruding portion disposed under the gate electrode layer, the drift region having a first conductivity type; and the at least one protrusion of the drift region in the semiconductor layer under the gate electrode layer a well region having a second conductivity type, comprising a first well region formed in contact with a portion and a second well region formed in the semiconductor layer outside the gate electrode layer and connected to the first well region; a pillar region of a second conductivity type formed in the semiconductor layer in contact with the well region and having a second conductivity to form a super junction with the drift region; a second source region formed in the semiconductor layer on a second well region and connected to the first source region, a source region having a first conductivity type; the at least one protruding portion of the drift region; and the first source region and including a channel region formed in the semiconductor layer between the regions.

Description

전력 반도체 소자 및 그 제조 방법{Power semiconductor device and method of fabricating the same}Power semiconductor device and method of manufacturing the same

본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 전력 전달을 스위칭하기 위한 전력 반도체 소자(power semiconductor device) 및 그 제조 방법에 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 of manufacturing the same.

전력 반도체 소자는 고전압과 고전류 환경에서 동작하는 반도체 소자이다. 이러한 전력 반도체 소자는 고전력 스위칭이 필요한 분야, 예컨대 전력 변환, 전력 컨버터, 인버터 등에 이용되고 있다. 예를 들어, 전력 반도체 소자로는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor), 전력 모스펫(MOSFET, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 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 power semiconductor devices are used in fields requiring high power switching, for example, power conversion, power converters, inverters, and the like. For example, the power semiconductor device may include an insulated gate bipolar transistor (IGBT), a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), or the like. Such a power semiconductor device is basically required to withstand high voltage, and recently, a high-speed switching operation is additionally required.

이에 따라, 기존 실리콘(Si) 대신 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC)를 이용한 전력 반도체 소자가 연구되고 있다. 실리콘 카바이드(SiC)는 실리콘에 비해 밴드갭이 높은 와이드갭 반도체 소재로서, 실리콘에 비해서 고온에서도 안정성을 유지할 수 있다. 나아가, 실리콘 카바이드는 절연 파계 전계가 실리콘에 비해서 매우 높아서 고전압에서도 안정적으로 동작을 할 수 있다. 따라서, 실리콘 카바이드는 실리콘에 비해 높은 항복전압을 가지면서도 열방출은 우수하여 고온에서 동작 가능한 특성을 나타낸다.Accordingly, a power semiconductor device using silicon carbide (SiC) instead of conventional silicon (Si) is being studied. Silicon carbide (SiC) is a wide-gap semiconductor material having a higher bandgap than silicon, and can maintain stability even at high temperatures compared to silicon. Furthermore, silicon carbide has a very high insulating wave field compared to silicon, so it can operate stably even at a high voltage. Therefore, silicon carbide has a higher breakdown voltage than silicon, and exhibits excellent heat dissipation, so that it can be operated at a high temperature.

이러한 실리콘 카바이드를 이용한 전력 반도체 소자의 경우, 게이트 절연층 내 탄소 클러스터 형성으로 인한 음의 전하의 영향으로 실리콘 카바이드 표면의 밴드갭이 위로 상승하게 되어, 문턱전압이 높아지고 채널 저항이 높아지는 문제가 있다. 또한, 게이트 전극들 사이에 소오스 콘택 구조를 배치하다 보니, 또한 게이트 전극들 사이의 간격을 좁히기 어려워, 채널 밀도를 줄이는 데 한계가 있다.In the case of a power semiconductor device using such silicon carbide, the band gap on the surface of the silicon carbide rises upward due to the influence of negative charges due to the formation of carbon clusters in the gate insulating layer, so there is a problem in that the threshold voltage is increased and the channel resistance is increased. In addition, since the source contact structure is disposed between the gate electrodes, it is difficult to narrow the gap between the gate electrodes, so there is a limit in reducing the channel density.

대한민국 공개공보 제2011-0049249호(2011.05.112. 공개)Republic of Korea Publication No. 2011-0049249 (published on May 11, 2011)

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 동작 손실을 줄이고 채널 밀도를 높일 수 있는 실리콘 카바이드의 전력 반도체 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.An object of the present invention is to provide a silicon carbide power semiconductor device capable of reducing operation loss and increasing channel density, and a method for manufacturing the same, in order to solve the above problems. 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 실리콘 카바이드(SiC)의 반도체층과, 상기 반도체층의 일부 상의 게이트 절연층과, 상기 게이트 절연층 상의 게이트 전극층과, 전하의 수직 이동 경로를 제공하도록 상기 반도체층에 형성되고, 상기 게이트 전극층 하부에 배치된 적어도 하나의 돌출 부분을 포함하고, 제 1 도전형을 갖는 드리프트 영역과, 상기 게이트 전극층 하부의 상기 반도체층에 상기 드리프트 영역의 상기 적어도 하나의 돌출 부분과 접하게 형성되는 제 1 웰 영역 및 상기 게이트 전극층 외측의 상기 반도체층에 형성되고 상기 제 1 웰 영역과 연결된 제 2 웰 영역을 포함하고, 제 2 도전형을 갖는 웰 영역과, 상기 웰 영역 하부의 상기 반도체층에 상기 웰 영역과 접하게 형성되며, 상기 드리프트 영역과 슈퍼 정션을 형성하도록 제 2 도전형을 갖는 필라 영역과, 상기 제 1 웰 영역 상의 상기 반도체층에 형성된 제 1 소오스 영역 및 상기 제 2 웰 영역 상의 상기 반도체층에 형성되고 상기 제 1 소오스 영역과 연결된 제 2 소오스 영역을 포함하고, 제 1 도전형을 갖는 소오스 영역과, 상기 드리프트 영역의 상기 적어도 하나의 돌출 부분 및 상기 제 1 소오스 영역 사이의 상기 반도체층에 형성되는 채널 영역을 포함을 포함한다.A power semiconductor device according to an aspect of the present invention for solving the above problems is a semiconductor layer of silicon carbide (SiC), a gate insulating layer on a part of the semiconductor layer, a gate electrode layer on the gate insulating layer, and a vertical charge a drift region formed in the semiconductor layer to provide a movement path and including at least one protruding portion disposed under the gate electrode layer, the drift region having a first conductivity type; and the drift region in the semiconductor layer under the gate electrode layer A well region having a second conductivity type, comprising: a first well region formed in contact with the at least one protrusion of a pillar region formed in the semiconductor layer under the well region in contact with the well region and having a second conductivity type to form a super junction with the drift region; a source region including a first source region and a second source region formed in the semiconductor layer on the second well region and connected to the first source region, the source region having a first conductivity type; and the at least one protrusion of the drift region and a channel region formed in the semiconductor layer between the portion and the first source region.

상기 전력 반도체 소자에 따르면, 동작 시 최대 전기장이 상기 필라 영역의 바닥면과 동일 선상의 상기 드리프트 영역에 위치되도록, 상기 필라 영역의 전하량이 상기 드리프트 영역의 전하량보다 클 수 있다.According to the power semiconductor device, the amount of charge in the pillar region may be greater than the amount of charge in the drift region so that the maximum electric field is located in the drift region on the same line as the bottom surface of the pillar region during operation.

상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 필라 영역의 제 2 도전형의 불순물의 도핑 농도는 상기 드리프트 영역의 제 1 도전형의 불순물의 도핑 농도보다 클 수 있다.According to the power semiconductor device, a doping concentration of the impurity of the second conductivity type in the pillar region may be greater than a doping concentration of the impurity of the first conductivity type in the drift region.

상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 드리프트 영역의 상기 적어도 하나의 돌출 부분, 상기 제 1 웰 영역 및 상기 제 1 소오스 영역은 일 방향으로 신장되고, 상기 제 1 웰 영역, 상기 제 1 소오스 영역 및 상기 채널 영역은 상기 드리프트 영역의 상기 적어도 하나의 돌출 부분의 양측의 상기 반도체층에 각각 형성될 수 있다.According to the power semiconductor device, the at least one protruding portion of the drift region, the first well region and the first source region extend in one direction, and the first well region, the first source region, and the channel Regions may be respectively formed in the semiconductor layer on both sides of the at least one protruding portion of the drift region.

상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 채널 영역은 반전 채널이 형성되도록 제 2 도전형을 갖고, 상기 채널 영역은 상기 웰 영역의 일부일 수 있다.According to the power semiconductor device, the channel region may have a second conductivity type such that an inversion channel is formed, and the channel region may be a part of the well region.

상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 채널 영역은 축적 채널이 형성되도록 제 1 도전형을 갖고, 상기 채널 영역은 상기 드리프트 영역의 일부일 수 있다.According to the power semiconductor device, the channel region may have a first conductivity type to form an accumulation channel, and the channel region may be a part of the drift region.

상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 제 1 웰 영역은 상기 제 1 소오스 영역보다 상기 드리프트 영역의 상기 적어도 하나의 돌출 부분 방향으로 더 돌출되고, 상기 채널 영역은 상기 제 1 웰 영역의 돌출된 부분 상의 상기 반도체층에 형성될 수 있다.According to the power semiconductor device, the first well region protrudes more in a direction of the at least one protruding portion of the drift region than the first source region, and the channel region is formed on the protruding portion of the first well region. It may be formed on the semiconductor layer.

상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 적어도 하나의 돌출 부분은 일 방향으로 나란하게 형성된 복수의 돌출 부분들을 포함하고, 상기 채널 영역은 상기 복수의 돌출 부분들 및 상기 제 1 소오스 영역 사이에 형성될 수 있다.According to the power semiconductor device, the at least one protruding portion may include a plurality of protruding portions formed in parallel in one direction, and the channel region may be formed between the plurality of protruding portions and the first source region. .

상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 제 1 웰 영역은 상기 제 2 웰 영역을 기준으로 대칭적으로 형성되고,According to the power semiconductor device, the first well region is formed symmetrically with respect to the second well region,

상기 제 1 소오스 영역은 상기 제 2 소오스 영역을 기준으로 대칭적으로 형성되고, 상기 드리프트 영역의 상기 적어도 하나의 돌출 부분은 상기 제 2 웰 영역 또는 상기 제 2 소오스 영역을 기준으로 대칭적으로 배치된 복수의 돌출 부분들을 포함할 수 있다.The first source region is symmetrically formed with respect to the second source region, and the at least one protruding portion of the drift region is symmetrically disposed with respect to the second well region or the second source region. It may include a plurality of protruding portions.

상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 제 2 소오스 영역 내에 상기 제 2 웰 영역으로부터 상기 제 2 소오스 영역을 관통하여 신장되며 제 2 도전형을 갖는 웰 콘택 영역과 상기 제 2 소오스 영역 및 상기 웰 콘택 영역에 연결된 소오스 전극층을 포함 수 있다.According to the power semiconductor device, in the second source region, a well contact region extending from the second well region through the second source region and having a second conductivity type, the second source region, and the well contact region It may include a connected source electrode layer.

상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 제 2 소오스 영역을 관통하여 상기 제 2 웰 영역을 노출하는 적어도 하나의 홈과, 상기 적어도 하나의 홈의 바닥면에 상기 제 2 웰 영역과 접하게 형성되고 제 2 도전형을 갖는 웰 콘택 영역과, 상기 적어도 하나의 홈을 채우도록 형성되어, 상기 제 2 소오스 영역 및 상기 웰 콘택 영역과 연결된 소오스 전극층을 더 포함할 수 있다.According to the power semiconductor device, at least one groove passing through the second source region and exposing the second well region is formed in a bottom surface of the at least one groove to be in contact with the second well region, and a second conductivity It may further include a well contact region having a shape, and a source electrode layer formed to fill the at least one groove and connected to the second source region and the well contact region.

상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 드리프트 영역 하부의 상기 반도체층에 제 1 도전형을 갖는 드레인 영역을 더 포함하고, 상기 드레인 영역은 상기 드리프트 영역보다 제 1 도전형의 불순물이 더 고농도로 도핑될 수 있다.The power semiconductor device may further include a drain region having a first conductivity type in the semiconductor layer under the drift region, wherein the drain region may be doped with an impurity of the first conductivity type at a higher concentration than the drift region. there is.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 관점에 의한 전력 반도체 소자의 제조 방법은, 실리콘 카바이드(SiC)의 반도체층에, 전하의 수직 이동 경로를 제공하고 제 1 도전형을 갖는 드리프트 영역을 형성하는 단계와, 상기 드리프트 영역의 적어도 하나의 돌출 부분을 한정하도록 상기 적어도 하나의 돌출 부분과 접하는 제 1 웰 영역 및 상기 제 1 웰 영역과 연결된 제 2 웰 영역을 포함하고, 제 2 도전형을 갖는 웰 영역을 형성하는 단계와, 상기 웰 영역 하부의 상기 반도체층에 상기 웰 영역과 접하게 형성되며, 상기 드리프트 영역과 슈퍼 정션을 형성하도록 제 2 도전형을 갖는 필라 영역을 형성하는 단계와, 상기 제 1 웰 영역 상의 상기 반도체층에 형성된 제 1 소오스 영역 및 상기 제 2 웰 영역 상의 상기 반도체층에 형성되고 상기 제 1 소오스 영역과 연결된 제 2 소오스 영역을 포함하고, 제 1 도전형을 갖는 소오스 영역을 형성하는 단계와, 상기 드리프트 영역의 상기 적어도 하나의 돌출 부분 및 상기 제 1 소오스 영역 사이의 상기 반도체층에 채널 영역을 형성하는 단계와, 상기 채널 영역 및 상기 드리프트 영역의 상기 적어도 하나의 돌출 부분 상에 게이트 절연층을 형성하는 단계와, 상기 게이트 절연층 상에 게이트 전극층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제 2 웰 영역 및 상기 제 2 소오스 영역은 상기 게이트 전극층 외측의 상기 반도체층에 형성된다.In a method for manufacturing a power semiconductor device according to another aspect of the present invention for solving the above problems, a vertical movement path of electric charges is provided in a semiconductor layer of silicon carbide (SiC) and a drift region having a first conductivity type is formed. a well having a second conductivity type; forming a region; forming a pillar region in contact with the well region in the semiconductor layer under the well region and having a second conductivity type to form a super junction with the drift region; a first source region formed in the semiconductor layer on a well region, and a second source region formed in the semiconductor layer on the second well region and connected to the first source region, to form a source region having a first conductivity type forming a channel region in the semiconductor layer between the at least one protruding portion of the drift region and the first source region; on the channel region and the at least one protruding portion of the drift region forming a gate insulating layer and forming a gate electrode layer on the gate insulating layer, wherein the second well region and the second source region are formed in the semiconductor layer outside the gate electrode layer.

상기 전력 반도체 소자의 제조 방법에 따르면, 상기 제 2 소오스 영역 내에 상기 제 2 웰 영역으로부터 상기 제 2 소오스 영역을 관통하여 신장되며 제 2 도전형을 갖는 웰 콘택 영역을 형성하는 단계와, 상기 제 2 소오스 영역 및 상기 웰 콘택 영역에 연결된 소오스 전극층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 웰 콘택 영역은 상기 웰 영역보다 고농도로 도핑될 수 있다.According to the method of manufacturing the power semiconductor device, forming a well contact region extending from the second well region through the second source region and having a second conductivity type in the second source region; and forming a source region and a source electrode layer connected to the well contact region, wherein the well contact region may be doped with a higher concentration than the well region.

상기 전력 반도체 소자의 제조 방법에 따르면, 상기 제 2 소오스 영역을 관통하여 상기 제 2 웰 영역을 노출하는 적어도 하나의 홈을 형성하는 단계와, 상기 적어도 하나의 홈의 바닥면에 상기 제 2 웰 영역과 접하고 제 2 도전형을 갖는 웰 콘택 영역을 형성하는 단계와, 상기 제 2 소오스 영역 및 상기 웰 콘택 영역과 연결되도록 상기 적어도 하나의 홈을 채우는 소오스 전극층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to the method of manufacturing the power semiconductor device, forming at least one groove exposing the second well region through the second source region, and the second well region on a bottom surface of the at least one groove The method may further include forming a well contact region in contact with and having a second conductivity type, and forming a source electrode layer filling the at least one groove to be connected to the second source region and the well contact region.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자 및 그 제조 방법에 의하면, 동작 손실을 줄이고 채널 밀도를 높여 집적도를 높일 수 있다. According to the power semiconductor device and the method for manufacturing the same according to an embodiment of the present invention made as described above, it is possible to increase the degree of integration by reducing the operation loss and increasing the channel density.

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 개략적인 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 II-II선에서 절취한 전력 반도체 소자를 보여주는 평면도이다.
도 3은 도 2의 III-III선에서 절취한 전력 반도체 소자를 보여주는 단면도이다.
도 4는 도 2의 IV-IV선에서 절취한 전력 반도체 소자를 보여주는 단면도이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전력 반도체 소자들을 보여주는 단면도들이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자의 제조 방법을 보여주는 개략적인 사시도들이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자의 깊이에 따른 전계 변화를 보여주는 그래프이다.
1 is a schematic schematic perspective view showing a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing the power semiconductor device taken along line II-II of FIG. 1 .
3 is a cross-sectional view illustrating a power semiconductor device taken along line III-III of FIG. 2 .
4 is a cross-sectional view illustrating the power semiconductor device taken along line IV-IV of FIG. 2 .
5 to 8 are cross-sectional views illustrating power semiconductor devices according to other embodiments of the present invention.
9 to 11 are schematic perspective views illustrating a method of manufacturing a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
12 is a graph showing a change in an electric field according to a depth of a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

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 the 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 numbers 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 purpose of explanation, and thus are provided to explain 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 상부에 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. When referring to one component as being on another component, such as a layer, region, or substrate, it will be understood that other intervening components may also be present, either directly on top of the other component or 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 소자(100)를 보여주는 개략적인 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1의 II-II선에서 절취한 전력 반도체 소자(100)를 보여주는 평면도이고, 도 3은 도 2의 III-III선에서 절취한 전력 반도체 소자(100)를 보여주는 단면도이고, 도 4는 도 2의 IV-IV선에서 절취한 전력 반도체 소자(100)를 보여주는 단면도이다.1 is a schematic schematic perspective view showing a power semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a plan view showing the power semiconductor device 100 taken along line II-II of FIG. 1, FIG. 3 is a cross-sectional view showing the power semiconductor device 100 taken along line III-III of FIG. 2 , and FIG. 4 is a cross-sectional view showing the power semiconductor device 100 taken along line IV-IV of FIG. 2 .

도 1 내지 도 4를 참조하면, 전력 반도체 소자(100)는 적어도 반도체층(105), 게이트 절연층(118) 및 게이트 전극층(120)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전력 반도체 소자(100)는 전력 모스펫(power MOSFET) 구조를 가질 수 있다.1 to 4 , the power semiconductor device 100 may include at least a semiconductor layer 105 , a gate insulating layer 118 , and a gate electrode layer 120 . For example, the power semiconductor device 100 may have a power MOSFET structure.

반도체층(105)은 하나 또는 복수의 반도체 물질층을 지칭할 수 있으며, 예를 들어, 하나 또는 다층의 에피택셜층(epitaxial layer)을 지칭할 수도 있다. 나아가, 반도체층(105)은 반도체 기판 상의 하나 또는 다층의 에피택셜층을 지칭할 수도 있다. The semiconductor layer 105 may refer to one or more semiconductor material layers, for example, one or multiple epitaxial layers. Furthermore, the semiconductor layer 105 may refer to one or multiple epitaxial layers on a semiconductor substrate.

예를 들어, 반도체층(105)은 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC)로 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 반도체층(105)은 적어도 하나의 실리콘 카바이드의 에피택셜층을 포함할 수 있다. For example, the semiconductor layer 105 may be made of silicon carbide (SiC). More specifically, the semiconductor layer 105 may include at least one epitaxial layer of silicon carbide.

실리콘 카바이드(SiC)는 실리콘에 비해 밴드갭이 넓어, 실리콘에 비해서 고온에서도 안정성을 유지할 수 있다. 나아가, 실리콘 카바이드는 절연 파계 전계가 실리콘에 비해서 매우 높아서 고전압에서도 안정적으로 동작을 할 수 있다. 따라서, 실리콘 카바이드를 반도체층(105)으로 이용한 전력 반도체 소자(100)는 실리콘을 이용한 경우에 비해 높은 항복전압을 가지면서도 우수한 열방출 특성을 갖고, 고온에서도 안정적인 동작 특성을 나타낼 수 있다.Silicon carbide (SiC) has a wider bandgap than silicon, so it can maintain stability even at high temperatures compared to silicon. Furthermore, silicon carbide has a very high insulating wave field compared to silicon, so it can operate stably even at a high voltage. Accordingly, the power semiconductor device 100 using silicon carbide as the semiconductor layer 105 has a high breakdown voltage and excellent heat dissipation characteristics compared to the case where silicon is used, and may exhibit stable operating characteristics even at high temperatures.

보다 구체적으로 보면, 반도체층(105)은 드리프트 영역(drift region, 107)을 포함할 수 있다. 드리프트 영역(107)은 제 1 도전형을 가질 수 있고, 반도체층(105)의 일부에 제 1 도전형의 불순물을 주입하여 형성될 수 있다. 예컨대, 드리프트 영역(107)은 제 1 도전형의 불순물을 실리콘 카바이드의 예피택셜층에 도핑하여 형성될 수 있다. More specifically, the semiconductor layer 105 may include a drift region 107 . The drift region 107 may have the first conductivity type, and may be formed by implanting impurities of the first conductivity type into a portion of the semiconductor layer 105 . For example, the drift region 107 may be formed by doping an impurity of the first conductivity type into an epitaxial layer of silicon carbide.

드리프트 영역(107)은 전하의 수직 이동 경로를 제공할 수 있다. 나아가, 드리프트 영역(107)은 게이트 전극층(120) 하부에 배치된 적어도 하나의 돌출 부분(107a)을 포함할 수 있다. 돌출 부분(107a)은 실질적으로 반도체층(105)의 표면 상으로 신장될 수 있다.The drift region 107 may provide a vertical movement path for electric charges. Furthermore, the drift region 107 may include at least one protruding portion 107a disposed under the gate electrode layer 120 . The protruding portion 107a may extend substantially onto the surface of the semiconductor layer 105 .

웰 영역(well region, 110)은 반도체층(105)에 드리프트 영역(107)의 적어도 일부에 접하도록 형성되고, 제 2 도전형을 가질 수 있다. 예를 들어, 웰 영역(110)은 반도체층(105) 또는 드리프트 영역(107) 내에 제 1 도전형의 반대인 제 2 도전형의 불순물을 도핑하여 형성될 수 있다.The well region 110 may be formed to contact at least a portion of the drift region 107 in the semiconductor layer 105 and may have a second conductivity type. For example, the well region 110 may be formed by doping impurities of a second conductivity type opposite to the first conductivity type into the semiconductor layer 105 or the drift region 107 .

예를 들어, 웰 영역(110)은 게이트 전극층(120) 하부의 반도체층(105)에 형성되고 드리프트 영역(107)의 돌출 부분(107a)과 접하게 형성되는 제 1 웰 영역(110a)과, 게이트 전극층(120) 외측의 반도체층(105)에 형성된 제 2 웰 영역(110b)을 포함할 수 있다. 제 1 웰 영역(110a)과 제 2 웰 영역(110b)은 서로 연결될 수 있다. 실질적으로, 드리프트 영역(107)의 돌출 부분(107a)의 하부는 제 1 웰 영역(110a)에 의해서 한정될 수 있고, 보다 구체적으로는 제 1 웰 영역(110a)의 측벽과 접할 수 있다.For example, the well region 110 includes a first well region 110a formed in the semiconductor layer 105 under the gate electrode layer 120 and formed in contact with the protruding portion 107a of the drift region 107 ; A second well region 110b formed in the semiconductor layer 105 outside the electrode layer 120 may be included. The first well region 110a and the second well region 110b may be connected to each other. Substantially, a lower portion of the protruding portion 107a of the drift region 107 may be defined by the first well region 110a, and more specifically, may be in contact with a sidewall of the first well region 110a.

필라 영역(111)은 드리프트 영역(107)과 슈퍼 정션을 형성하도록 드리프트 영역(107)과 다른 도전형을 갖도록 반도체층(105)에 형성될 수 있다. 예를 들어, 필라 영역(111)은 제 2 도전형을 갖고, 웰 영역(110) 하부의 반도체층(105)에 웰 영역(110)과 접하게 형성될 수 있다.The pillar region 111 may be formed in the semiconductor layer 105 to have a conductivity type different from that of the drift region 107 to form a super junction with the drift region 107 . For example, the pillar region 111 may have the second conductivity type and may be formed in the semiconductor layer 105 under the well region 110 to be in contact with the well region 110 .

예를 들어, 필라 영역(111)은 드리프트 영역(107)의 측벽과 접하거나 또는 측벽을 둘러싸도록 형성될 수 있다. 다른 예로, 필라 영역(111)은 복수개로 구분되어 드리프트 영역(107)과 교대로 서로 접하도록 형성될 수 있다.For example, the pillar region 111 may be formed to contact or surround the sidewall of the drift region 107 . As another example, the pillar regions 111 may be divided into a plurality and formed to alternately contact the drift regions 107 .

일부 실시예에서, 필라 영역(111)은 웰 영역(110)의 바닥면의 적어도 일부를 노출하도록 웰 영역(10)보다 폭이 좁고, 웰 영역(110)의 단부로부터 내측으로 후퇴되어 웰 영역(110)의 하부에 형성될 수 있다. 이에 따라, 웰 영역(110)이 필라 영역(111)보다 드리프트 영역(107)의 돌출 부분(107a) 방향으로 더 돌출되게 형성될 수 있다.In some embodiments, the pillar region 111 is narrower than the well region 10 to expose at least a portion of the bottom surface of the well region 110 , and is retreated inward from the end of the well region 110 to form the well region ( 110) may be formed in the lower part. Accordingly, the well region 110 may be formed to protrude more in the direction of the protruding portion 107a of the drift region 107 than the pillar region 111 .

소오스 영역(source region, 112)은 웰 영역(110) 상에 또는 웰 영역(110) 내에 형성되고, 제 1 도전형을 가질 수 있다. 예를 들어, 소오스 영역(112)은 반도체층(105) 또는 웰 영역(110)에 제 1 도전형의 불순물을 도핑하여 형성될 수 있다. 소오스 영역(112)은 드리프트 영역(107)보다 제 1 도전형의 불순물이 보다 고농도로 도핑되어 형성될 수 있다.A source region 112 may be formed on or in the well region 110 and may have a first conductivity type. For example, the source region 112 may be formed by doping the semiconductor layer 105 or the well region 110 with impurities of the first conductivity type. The source region 112 may be formed by doping a higher concentration of impurities of the first conductivity type than the drift region 107 .

예를 들어, 소오스 영역(112)은 제 1 웰 영역(110a) 상에 형성된 제 1 소오스 영역(112a) 및 제 2 웰 영역(110b) 상에 형성된 제 2 소오스 영역(112b)을 포함할 수 있다. 제 1 소오스 영역(112a)과 제 2 소오스 영역(112b)은 서로 연결될 수 있다. 제 1 소오스 영역(112a)은 게이트 전극층(120) 하부에 배치되고, 제 2 소오스 영역(112b)은 게이트 전극층(120) 외측에 배치될 수 있다.For example, the source region 112 may include a first source region 112a formed on the first well region 110a and a second source region 112b formed on the second well region 110b. . The first source region 112a and the second source region 112b may be connected to each other. The first source region 112a may be disposed under the gate electrode layer 120 , and the second source region 112b may be disposed outside the gate electrode layer 120 .

제 2 소오스 영역(112b)은 게이트 전극층들(120)의 외측에 소오스 전극층(140)과 연결되는 소오스 콘택 영역(112b1)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 소오스 콘택 영역(112b1)은 제 2 소오스 영역(112b)의 일부로서, 소오스 전극층(140)이 연결되는 부분을 지칭할 수 있다.The second source region 112b may include a source contact region 112b1 connected to the source electrode layer 140 outside the gate electrode layers 120 . For example, the source contact region 112b1 is a part of the second source region 112b and may refer to a portion to which the source electrode layer 140 is connected.

웰 콘택 영역(114)은 제 2 소오스 영역(112b) 내, 보다 구체적으로 소오스 콘택 영역(112b1) 내에 형성될 수 있다. 예를 들어, 웰 콘택 영역(114)은 제 2 웰 영역(110b)으로부터 제 2 소오스 영역(112b)을 관통하여 신장되고, 제 2 도전형을 가질 수 있다. 웰 콘택 영역(114)은 하나 또는 복수로 소오스 콘택 영역(112b1) 내에 형성될 수 있다.The well contact region 114 may be formed in the second source region 112b, more specifically, in the source contact region 112b1. For example, the well contact region 114 may extend from the second well region 110b through the second source region 112b and may have the second conductivity type. One or a plurality of well contact regions 114 may be formed in the source contact region 112b1.

웰 콘택 영역(114)은 소오스 전극층(140)과 연결될 수 있고, 소오스 전극층(140)과 연결 시 접촉 저항을 낮추기 위하여 웰 영역(110)보다 제 2 도전형의 불순물이 더 고농도로 도핑될 수 있다.The well contact region 114 may be connected to the source electrode layer 140 , and may be doped with an impurity of the second conductivity type at a higher concentration than the well region 110 to reduce contact resistance when connected to the source electrode layer 140 . .

채널 영역(110c)은 드리프트 영역(107) 및 소오스 영역(112) 사이의 반도체층(105)에 형성될 수 있다. 예를 들어, 채널 영역(110c)은 드리프트 영역(107)의 돌출 부분(107a) 및 제 1 소오스 영역(112a) 사이의 반도체층(105)에 형성될 수 있다. The channel region 110c may be formed in the semiconductor layer 105 between the drift region 107 and the source region 112 . For example, the channel region 110c may be formed in the semiconductor layer 105 between the protruding portion 107a of the drift region 107 and the first source region 112a.

예를 들어, 채널 영역(110c)은 반전 채널(inversion channel)이 형성되도록 제 2 도전형을 가질 수 있다. 채널 영역(110c)은 소오스 영역(112) 및 드리프트 영역(107)과 반대되는 도핑 타입을 갖기 때문에, 채널 영역(110c)은 소오스 영역(112) 및 드리프트 영역(107)과 다이오드 정션 접합을 형성할 수 있다. 따라서, 채널 영역(110c)은 통상적인 상황에서는 전하의 이동을 허용하지 않지만, 게이트 전극층(120)에 동작 전압이 인가된 경우, 그 내부에 반전 채널이 형성되어 전하의 이동을 허용할 수 있게 된다.For example, the channel region 110c may have the second conductivity type to form an inversion channel. Since the channel region 110c has a doping type opposite to that of the source region 112 and the drift region 107 , the channel region 110c may form a diode junction junction with the source region 112 and the drift region 107 . can Accordingly, although the channel region 110c does not allow the movement of charges under normal circumstances, when an operating voltage is applied to the gate electrode layer 120 , an inversion channel is formed therein to allow the movement of charges. .

예를 들어, 채널 영역(110c)은 웰 영역(110)의 일부일 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 채널 영역(110c)은 게이트 전극층(120) 하부에 인접한 웰 영역(110)의 일부일 수 있다. 이 경우, 채널 영역(110c)은 웰 영역(110a)과 일체로 또는 연속적으로 연결되게 형성될 수 있다. 채널 영역(110c)의 제 2 도전형의 불순물의 도핑 농도는 웰 영역(110)의 다른 부분과 같거나, 또는 문턱 전압 조절을 위하여 다를 수도 있다.For example, the channel region 110c may be a part of the well region 110 . More specifically, the channel region 110c may be a part of the well region 110 adjacent to the lower portion of the gate electrode layer 120 . In this case, the channel region 110c may be formed to be integrally or continuously connected to the well region 110a. The doping concentration of the impurity of the second conductivity type in the channel region 110c may be the same as that of other portions of the well region 110 or may be different for controlling the threshold voltage.

일부 실시예에서, 드리프트 영역(107)의 돌출 부분(107a), 제 1 웰 영역(110a), 채널 영역(110c) 및/또는 제 1 소오스 영역(112a)은 일 방향으로 신장될 수 있다. 예를 들어, 도 2의 IV-IV선 방향이 일 방향이 될 수 있다. 여기에서 채널 영역(110c)의 신장 방향은 전하의 이동 방향을 의미하지는 않는다.In some embodiments, the protruding portion 107a of the drift region 107 , the first well region 110a , the channel region 110c , and/or the first source region 112a may extend in one direction. For example, the IV-IV direction of FIG. 2 may be one direction. Here, the extension direction of the channel region 110c does not mean a movement direction of charges.

일부 실시예에서, 제 1 웰 영역(110a), 채널 영역(110c) 및 제 1 소오스 영역(112a)은 드리프트 영역(107)의 돌출 부분(107a)을 중심으로 대칭적으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 웰 영역(110a), 채널 영역(110c) 및 제 1 소오스 영역(112a)은 드리프트 영역(107)의 돌출 부분(107a)의 양측의 반도체층(105)에 각각 형성될 수 있다. 나아가, 필라 영역(111)도 드리프트 영역(107)의 돌출 부분(107a)의 양측의 제 1 웰 영역(110a 하부에 형성될 수도 있다.In some embodiments, the first well region 110a , the channel region 110c , and the first source region 112a may be formed symmetrically with respect to the protruding portion 107a of the drift region 107 . For example, the first well region 110a , the channel region 110c , and the first source region 112a may be respectively formed in the semiconductor layer 105 on both sides of the protruding portion 107a of the drift region 107 . there is. Furthermore, the pillar region 111 may also be formed under the first well region 110a on both sides of the protruding portion 107a of the drift region 107 .

일부 실시예에서, 드리프트 영역(107)은 일 방향으로 나란하게 형성된 복수의 돌출 부분들(107a)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 웰 영역(110a)이 일 방향으로 신장된 스트라이프 패턴으로 형성될 수 있고, 돌출 부분들(107a)이 또한 스트라이프 패턴으로 형성될 수 있다. 또한, 제 1 소오스 영역(112a)은 제 1 웰 영역(110a) 상에 스트라이프 패턴으로 형성될 수 있다. 채널 영역(110c)은 드리프트 영역(107)의 돌출 부분들(107a) 및 제 1 소오스 영역(112a) 사이에 형성될 수 있다.In some embodiments, the drift region 107 may include a plurality of protruding portions 107a formed side by side in one direction. For example, the first well region 110a may be formed in a stripe pattern extending in one direction, and the protruding portions 107a may also be formed in a stripe pattern. Also, the first source region 112a may be formed in a stripe pattern on the first well region 110a. The channel region 110c may be formed between the protruding portions 107a of the drift region 107 and the first source region 112a.

일부 실시예에서, 제 1 웰 영역(110a)은 제 2 웰 영역(110b)을 기준으로 대칭적으로 형성되고, 제 1 소오스 영역(112a)은 제 2 소오스 영역(112b)을 기준으로 대칭적으로 형성될 수 있다. 이 경우, 드리프트 영역(107)의 돌출 부분들(107a)은 제 2 웰 영역(110b) 또는 제 2 소오스 영역(112b)을 기준으로 대칭적으로 형성된 복수의 돌출 부분들(107a)을 포함할 수 있다.In some embodiments, the first well region 110a is symmetrically formed with respect to the second well region 110b, and the first source region 112a is symmetrically formed with respect to the second source region 112b. can be formed. In this case, the protruding portions 107a of the drift region 107 may include a plurality of protruding portions 107a symmetrically formed with respect to the second well region 110b or the second source region 112b. there is.

나아가, 제 1 웰 영역(110a) 및 제 2 웰 영역(110b)이 일 방향을 따라서 반복적으로 교대로 형성될 수도 있다. 이 경우, 제 1 소오스 영역(112a) 및 제 2 소오스 영역(112b)도 반복적으로 형성될 수 있다. Furthermore, the first well region 110a and the second well region 110b may be repeatedly formed alternately in one direction. In this case, the first source region 112a and the second source region 112b may also be repeatedly formed.

부가적으로, 드레인 영역(102)은 드리프트 영역(107) 하부의 반도체층(105)에 형성될 수 있고, 제 1 도전형을 가질 수 있다. 예를 들어, 드레인 영역(102)은 드리프트 영역(107)보다 고농도로 도핑될 수 있다.Additionally, the drain region 102 may be formed in the semiconductor layer 105 under the drift region 107 and may have a first conductivity type. For example, the drain region 102 may be doped at a higher concentration than the drift region 107 .

일부 실시예에서, 드레인 영역(102)은 제 1 도전형을 갖는 실리콘 카바이드의 기판으로 제공될 수도 있다. 이 경우, 드레인 영역(102)은 반도체층(105)의 일부로 이해되거나 또는 반도체층(105)과 별개의 기판으로 이해될 수도 있다.In some embodiments, the drain region 102 may be provided as a substrate of silicon carbide having a first conductivity type. In this case, the drain region 102 may be understood as a part of the semiconductor layer 105 or as a substrate separate from the semiconductor layer 105 .

게이트 절연층(118)은 반도체층(105)의 적어도 일부 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 게이트 절연층(118)은 적어도 채널 영역(110c) 상에 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 게이트 절연층(118)은 제 1 소오스 영역(112a), 채널 영역(110c) 및 드리프트 영역(107)의 돌출 부분들(107a) 상에 형성될 수 있다.The gate insulating layer 118 may be formed on at least a portion of the semiconductor layer 105 . For example, the gate insulating layer 118 may be formed on at least the channel region 110c. More specifically, the gate insulating layer 118 may be formed on the first source region 112a , the channel region 110c , and the protruding portions 107a of the drift region 107 .

예를 들어, 게이트 절연층(118)은 실리콘 산화물, 실리콘 카바이드의 산화물, 실리콘 질화물, 하프늄 산화물, 지르코늄 산화물, 알루미늄 산화물 등의 절연물을 포함하거나 또는 이들의 적층 구조를 포함할 수 있다. For example, the gate insulating layer 118 may include an insulating material such as silicon oxide, silicon carbide oxide, silicon nitride, hafnium oxide, zirconium oxide, aluminum oxide, or a stacked structure thereof.

적어도 하나의 게이트 전극층(120)은 게이트 절연층(118) 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 게이트 전극층(120)은 적어도 채널 영역(110c) 상에 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 게이트 전극층(120)은 제 1 소오스 영역(112a), 채널 영역(110c) 및 드리프트 영역(107)의 돌출 부분들(107a) 상에 형성될 수 있다. 제 2 웰 영역(110b), 제 2 소오스 영역(112b) 및 웰 콘택 영역(114)은 게이트 전극층(120) 외측에 배치될 수 있고, 게이트 전극층(120)으로부터 노출될 수 있다.At least one gate electrode layer 120 may be formed on the gate insulating layer 118 . For example, the gate electrode layer 120 may be formed on at least the channel region 110c. More specifically, the gate electrode layer 120 may be formed on the first source region 112a , the channel region 110c , and the protruding portions 107a of the drift region 107 . The second well region 110b , the second source region 112b , and the well contact region 114 may be disposed outside the gate electrode layer 120 and may be exposed from the gate electrode layer 120 .

예를 들어, 게이트 전극층(120)은 적절한 도전물, 예컨대 폴리실리콘, 금속, 금속 질화물, 금속 실리사이드 등을 포함하거나 또는 이들의 적층 구조를 포함할 수 있다.For example, the gate electrode layer 120 may include a suitable conductive material, such as polysilicon, metal, metal nitride, metal silicide, or the like, or may include a stacked structure thereof.

층간 절연층(130)은 게이트 전극층(120) 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 층간 절연층(130)은 적절한 절연물, 예컨대 산화층, 질화층 또는 이들의 적층 구조를 포함할 수 있다.The interlayer insulating layer 130 may be formed on the gate electrode layer 120 . For example, the interlayer insulating layer 130 may include a suitable insulating material, such as an oxide layer, a nitride layer, or a laminate structure thereof.

소오스 전극층(140)은 층간 절연층(130) 상에 형성되고, 소오스 영역(112), 보다 구체적으로 제 2 소오스 영역(112b) 또는 소오스 콘택 영역(112b1)에 연결될 수 있다. 나아가, 소오스 전극층(140)은 제 2 소오스 영역(112b) 및 웰 콘택 영역(114)에 공통으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 소오스 전극층(140)은 적절한 도전물, 금속 등으로 형성될 수 있다.The source electrode layer 140 may be formed on the interlayer insulating layer 130 , and may be connected to the source region 112 , more specifically, the second source region 112b or the source contact region 112b1 . Furthermore, the source electrode layer 140 may be commonly connected to the second source region 112b and the well contact region 114 . For example, the source electrode layer 140 may be formed of an appropriate conductive material, metal, or the like.

전술한 전력 반도체 소자(100)에 있어서, 제 1 도전형 및 제 2 도전형은 서로 반대의 도전형을 가지되 n형 및 p형 중 각각 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 제 1 도전형은 n형이면 제 2 도전형이 p형이고, 그 반대일 수도 있다. In the above-described power semiconductor device 100 , the first conductivity type and the second conductivity type may have opposite conductivity types, but may be either n-type or p-type, respectively. For example, if the first conductivity type is n-type, the second conductivity type is p-type, and vice versa.

보다 구체적으로, 전력 반도체 소자(100)가 N형 모스펫인 경우, 드리프트 영역(107)은 N- 영역이고, 소오스 영역(112) 및 드레인 영역(102)은 N+ 영역이고, 웰 영역(110), 채널 영역(110c) 및 필라 영역(111)은 P- 영역이고, 웰 콘택 영역(114)은 P+ 영역일 수 있다.More specifically, when the power semiconductor device 100 is an N-type MOSFET, the drift region 107 is an N- region, the source region 112 and the drain region 102 are N+ regions, and the well region 110, The channel region 110c and the pillar region 111 may be a P− region, and the well contact region 114 may be a P+ region.

전력 반도체 소자(100)의 동작 시, 전류는 드레인 영역(102)으로부터 드리프트 영역(107)의 돌출 부분들(107a)을 따라서 대체로 수직 방향으로 흐르고, 이어서 채널 영역(110c)을 통해서 소오스 영역(112)으로 흐를 수 있다.In operation of the power semiconductor device 100 , current flows from the drain region 102 in a generally vertical direction along the protruding portions 107a of the drift region 107 , and then through the channel region 110c to the source region 112 . ) can flow.

전술한 전력 반도체 소자(100)에 있어서, 소오스 콘택 영역(112b1) 및 웰 콘택 영역(114)은 게이트 전극층(120) 외측에 별도로 배치될 수 있다. 따라서, 드리프트 영역(107)의 돌출 부분들(107a)이 조밀하게 배치되도록 제 1 웰 영역(110a) 및 제 1 소오스 영역(112a)을 형성할 수 있고, 이에 따라서 채널 영역(110c)이 게이트 전극층(120) 하부에 조밀하게 형성될 수 있다. 따라서, 전력 반도체 소자(100)는 높은 집적도를 가질 수 있다.In the above-described power semiconductor device 100 , the source contact region 112b1 and the well contact region 114 may be separately disposed outside the gate electrode layer 120 . Accordingly, the first well region 110a and the first source region 112a may be formed such that the protruding portions 107a of the drift region 107 are densely disposed, and thus the channel region 110c is formed as a gate electrode layer. (120) may be densely formed in the lower portion. Accordingly, the power semiconductor device 100 may have a high degree of integration.

한편, 전력 반도체 소자(100)의 경우, 고전력 스위칭에 이용되기 때문에 높은 내압 특성이 요구된다. 고전압이 드레인 영역(102)에 인가되는 경우, 드레인 영역(102)에 인접한 반도체층(105)으로부터 공핍층(depletion region)이 확장되어, 채널의 전압 장벽이 낮아질 수 있다. 이러한 현상을 DIBL(drain induced barrier lowering)이라고 부른다.On the other hand, in the case of the power semiconductor device 100, since it is used for high power switching, high withstand voltage characteristics are required. When a high voltage is applied to the drain region 102 , a depletion region may extend from the semiconductor layer 105 adjacent to the drain region 102 , so that a voltage barrier of a channel may be lowered. This phenomenon is called DIBL (drain induced barrier lowering).

이러한 DIBL은 채널 영역(110c)의 비정상적인 턴-온을 유발할 수 있고, 나아가 드레인 영역(102)과 소오스 영역(112) 사이의 공핍층이 확장되어 맞닿게 되는 펀치쓰루(punch through) 현상을 초래할 수 있다. Such DIBL may cause abnormal turn-on of the channel region 110c, and further may cause a punch-through phenomenon in which the depletion layer between the drain region 102 and the source region 112 expands and comes into contact. there is.

하지만, 전술한 전력 반도체 소자(100)는 드리프트 영역(107)과 슈퍼 정션을 형성하는 필라 영역(111)을 이용하여, 드리프트 영역(107)과 채널 영역(110c)의 저항을 줄일 수 있고 DIBL에 의한 비정상적인 전류 흐름 및 펀치쓰루 현상을 억제하여 적절한 내압 특성을 확보할 수 있다. 따라서, 바디를 이루는 드리프트 영역(107)의 두께를 줄이더라도 높은 항복 전압을 유지할 수 있다.However, the above-described power semiconductor device 100 uses the drift region 107 and the pillar region 111 forming a super junction to reduce the resistance of the drift region 107 and the channel region 110c and to DIBL. By suppressing abnormal current flow and punch-through phenomenon, it is possible to secure appropriate withstand voltage characteristics. Accordingly, a high breakdown voltage can be maintained even when the thickness of the drift region 107 constituting the body is reduced.

이러한 내압 특성은 필라 영역(111)의 전하량과 드리프트 영역(107)의 전하량을 조절하여 더욱 향상시킬 수 있다.Such withstand voltage characteristics may be further improved by adjusting the charge amount of the pillar region 111 and the charge amount of the drift region 107 .

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자(100)의 깊이에 따른 전계 변화를 보여주는 그래프이다. 도 12에서, A의 위치는 제 1 웰 영역(110a)의 표면을 지시하고, B의 위치는 필라 영역(111)의 바닥면을 지시하고, C의 위치는 드리프트 영역(107)의 바닥면을 지시한다.12 is a graph showing a change in an electric field according to a depth of the power semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention. In FIG. 12 , the position of A indicates the surface of the first well region 110a , the position of B indicates the bottom surface of the pillar region 111 , and the position of C indicates the bottom surface of the drift region 107 . instruct

도 12를 참조하면, 필라 영역(111)의 전하량(Qp)을 드리프트 영역(107)의 전하량(Qn)보다 크게 하는 경우, 전력 반도체 소자(100)의 동작 시 최대 전기장이 필라 영역(111)의 바닥면과 동일 선상의 드리프트 영역(107)에 생기게 함으로써 항복 전압을 높일 수 있다. 도 12에서 A위치와 B위치 사이에서 전기장의 세기의 기울기는 필라 영역(108)의 전하량(Qp)을 조절하여 제어할 수 있다.Referring to FIG. 12 , when the charge amount Qp of the pillar region 111 is greater than the charge amount Qn of the drift region 107 , the maximum electric field of the pillar region 111 during operation of the power semiconductor device 100 is The breakdown voltage can be increased by making it occur in the drift region 107 on the same line as the bottom. In FIG. 12 , the slope of the intensity of the electric field between the positions A and B may be controlled by adjusting the charge amount Qp of the pillar region 108 .

예를 들어, 필라 영역(111)의 제 2 도전형의 불순물의 도핑 농도를 드리프트 영역(107)의 제 1 도전형의 불순물의 도핑 농도보다 높게 하여, 전하량 밸런스를 조절할 수 있다. 이에 따라, 전하량 밸런스 조절을 통해서 게이트 절연층(118)에 걸리는 필드를 낮출 수 있고 DIBL 마진을 높일 수 있어서, 전력 반도체 소자(100)의 내압 특성을 향상시킬 수 있다.For example, the doping concentration of the impurity of the second conductivity type in the pillar region 111 may be higher than that of the impurity of the first conductivity type in the drift region 107 to adjust the charge amount balance. Accordingly, the field applied to the gate insulating layer 118 may be lowered and the DIBL margin may be increased by controlling the balance of the charge amount, thereby improving the withstand voltage characteristics of the power semiconductor device 100 .

따라서, 전술한 전력 반도체 소자(100)에 의하면, 채널 밀도를 높여 집적도를 높이면서도, 내압을 유지할 수 있어서 동작 손실을 줄일 수 있다.Accordingly, according to the above-described power semiconductor device 100 , it is possible to maintain a withstand voltage while increasing the degree of integration by increasing the channel density, thereby reducing the operation loss.

도 5 내지 도 8은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전력 반도체 소자들(100a, 100b, 100c, 100d)을 보여주는 단면도들이다. 전력 반도체 소자들(100a, 100b, 100c, 100d)은 도 1 내지 도 4의 전력 반도체 소자(100)에서 일부 구성을 변형하거나 더 부가한 것이므로, 실시예들은 서로 참조할 수 있고 중복된 설명은 생략된다.5 to 8 are cross-sectional views illustrating power semiconductor devices 100a, 100b, 100c, and 100d according to other embodiments of the present invention. The power semiconductor devices 100a, 100b, 100c, and 100d are modified or further added to some configurations in the power semiconductor device 100 of FIGS. do.

도 5를 참조하면, 전력 반도체 소자(100a)는 제 2 소오스 영역(112b)을 관통하고 제 2 웰 영역(110b)을 노출하는 적어도 하나의 홈(138)을 포함할 수 있다. 홈(138)은 제 2 웰 영역(110b)의 표면을 노출하거나 또는 제 2 웰 영역(110b)의 소정 깊이로 리세스되게 형성될 수도 있다. 홈(138)의 적어도 바닥면에는 제 2 웰 영역(110b)과 접촉되게 웰 콘택 영역(114a)이 형성될 수 있다.Referring to FIG. 5 , the power semiconductor device 100a may include at least one groove 138 penetrating through the second source region 112b and exposing the second well region 110b. The groove 138 may be formed to expose the surface of the second well region 110b or to be recessed to a predetermined depth of the second well region 110b. A well contact region 114a may be formed on at least a bottom surface of the groove 138 to be in contact with the second well region 110b.

소오스 전극층(140)은 홈(138)을 채우도록 형성되어, 웰 콘택 영역(114a), 제 2 웰 영역(110b) 및/또는 제 2 소오스 영역(112b)과 연결될 수 있다. 이러한 구조는 소오스 전극층(140)과 제 2 웰 영역(110b) 및 제 2 소오스 영역(112b)과의 접촉 면적을 넓혀서 이들 사이의 콘택 저항을 줄이는 데 도움이 될 수 있다.The source electrode layer 140 may be formed to fill the groove 138 and may be connected to the well contact region 114a, the second well region 110b, and/or the second source region 112b. Such a structure may help to reduce a contact resistance between the source electrode layer 140 and the second well region 110b and the second source region 112b by increasing the contact area therebetween.

일부 실시예에서, 웰 콘택 영역(114a)은 홈(138)에 의해서 노출된 제 2 웰 영역(110b)의 표면 상에 전체적으로 형성될 수도 있다. 따라서, 웰 콘택 영역(114a)은 홈(138)의 바닥면 및 측벽으로부터 노출된 제 2 웰 영역(110b) 상에 형성될 수 있다. 이러한 웰 콘택 영역(114a)의 구조는 소오스 전극층(140)과 제 2 웰 영역(110b)의 콘택 저항을 더 줄이는 역할을 할 수 있다.In some embodiments, the well contact region 114a may be entirely formed on the surface of the second well region 110b exposed by the groove 138 . Accordingly, the well contact region 114a may be formed on the second well region 110b exposed from the bottom and sidewalls of the groove 138 . The structure of the well contact region 114a may serve to further reduce the contact resistance between the source electrode layer 140 and the second well region 110b.

도 6을 참조하면, 전력 반도체 소자(100b)에서 채널 영역(107b)은 드리프트 영역(107) 및 소오스 영역(112) 사이의 반도체층(105)에 형성될 수 있다. 예를 들어, 채널 영역(107b)은 드리프트 영역(107)의 돌출 부분(107a) 및 제 1 소오스 영역(112a) 사이의 반도체층(105)에 형성될 수 있다. 채널 영역(107b)은 축적 채널(accumulation channel)이 형성되도록 제 1 도전형을 가질 수 있다.Referring to FIG. 6 , in the power semiconductor device 100b , the channel region 107b may be formed in the semiconductor layer 105 between the drift region 107 and the source region 112 . For example, the channel region 107b may be formed in the semiconductor layer 105 between the protruding portion 107a of the drift region 107 and the first source region 112a. The channel region 107b may have a first conductivity type to form an accumulation channel.

예를 들어, 채널 영역(107b)은 소오스 영역(112) 및 드리프트 영역(107)과 동일한 도핑 타입을 가질 수 있다. 이 경우, 소오스 영역(112), 채널 영역(107b) 및 드리프트 영역(107)은 통상적으로(normally) 전기적으로 연결될 수 있는 구조이다. 하지만, 실리콘 카바이드의 반도체층(105) 구조에서, 탄소 클러스터가 게이트 절연층(118)에 형성되면서 발생된 음의 차지(negative charge)의 영향으로 채널 영역(107b)의 밴드가 위로 휘면서 포텐셜 장벽이 형성된다. 이에 따라, 게이트 전극층(120)에 동작 전압이 인가된 경우에, 채널 영역(107b)에 전하 또는 전류의 흐름을 허용하는 축적 채널이 형성될 수 있다.For example, the channel region 107b may have the same doping type as the source region 112 and the drift region 107 . In this case, the source region 112 , the channel region 107b , and the drift region 107 have a structure that can be normally electrically connected. However, in the structure of the semiconductor layer 105 of silicon carbide, the band of the channel region 107b bends upward due to the influence of a negative charge generated while carbon clusters are formed in the gate insulating layer 118 , resulting in a potential barrier. this is formed Accordingly, when an operating voltage is applied to the gate electrode layer 120 , an accumulation channel allowing the flow of charges or currents may be formed in the channel region 107b.

따라서, 채널 영역(107b)에 축적 채널을 형성하기 위해 게이트 전극층(120)에 인가되어야 하는 문턱 전압은 통상적인 반전 채널을 형성하기 위해서 게이트 전극층(120)에 인가되어야 하는 문턱 전압보다 크게 낮을 수 있다.Accordingly, the threshold voltage that must be applied to the gate electrode layer 120 to form the accumulation channel in the channel region 107b may be significantly lower than the threshold voltage that must be applied to the gate electrode layer 120 to form a typical inversion channel. .

일부 실시예에서, 채널 영역(107b)은 드리프트 영역(107)의 일부일 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 채널 영역(107b)은 드리프트 영역(107)의 돌출 부분(107a)의 일부일 수 있다. 예를 들어, 채널 영역(107b)은 드리프트 영역(107)과 일체로 형성될 수 있다. In some embodiments, the channel region 107b may be part of the drift region 107 . More specifically, the channel region 107b may be a part of the protruding portion 107a of the drift region 107 . For example, the channel region 107b may be integrally formed with the drift region 107 .

드리프트 영역(107)은 채널 영역(107b)을 통해서 소오스 영역(112)에 연결될 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 채널 영역(107b) 부분에서, 드리프트 영역(107)의 돌출 부분(107a)과 제 1 소오스 영역(112a)은 서로 접할 수 있다.The drift region 107 may be connected to the source region 112 through the channel region 107b. More specifically, in the channel region 107b, the protruding portion 107a of the drift region 107 and the first source region 112a may contact each other.

예를 들어, 채널 영역(107b)의 제 1 도전형의 불순물의 도핑 농도는 드리프트 영역(107)의 다른 부분과 같거나, 또는 문턱 전압 조절을 위하여 다를 수도 있다.For example, the doping concentration of the impurity of the first conductivity type in the channel region 107b may be the same as that of other portions of the drift region 107 or may be different for adjusting the threshold voltage.

일부 실시예에서, 제 1 웰 영역(110a)은 제 1 소오스 영역(112a)보다 드리프트 영역(107)의 돌출 부분(107a) 방향으로 돌출되게 제 1 소오스 영역(112a) 하부에 형성될 수 있다. 채널 영역(107b)은 제 1 웰 영역(110a)의 돌출된 부분 상의 반도체층(105)에 형성될 수 있다. 예를 들어, 드리프트 영역(107)의 돌출 부분(107a)이 제 1 웰 영역(110a)과 게이트 전극층(120) 사이의 홈 부분으로 더 신장될 수 있고, 채널 영역(107b)은 이 부분에 형성될 수 있다. 이러한 구조는 채널 영역(107b)이 게이트 전극층(120) 및 웰 영역(110) 사이에 한정되게 할 수 있다.In some embodiments, the first well region 110a may be formed below the first source region 112a to protrude in the direction of the protruding portion 107a of the drift region 107 than the first source region 112a. The channel region 107b may be formed in the semiconductor layer 105 on the protruding portion of the first well region 110a. For example, the protruding portion 107a of the drift region 107 may further extend into a groove portion between the first well region 110a and the gate electrode layer 120 , and the channel region 107b is formed in this portion. can be This structure allows the channel region 107b to be defined between the gate electrode layer 120 and the well region 110 .

일부 실시예에서, 제 1 웰 영역(110a)과 제 1 소오스 영역(112a)의 폭이 동일할 수 있다. 이 경우, 제 1 소오스 영역(112a)은 드리프트 영역(107)의 돌출 부분(107a)과 접하고, 이 돌출 부분(107a)의 접하는 부분에 채널 영역(107b)이 한정될 수 있다.In some embodiments, the width of the first well region 110a and the first source region 112a may be the same. In this case, the first source region 112a may be in contact with the protruding portion 107a of the drift region 107 , and the channel region 107b may be defined in the contacting portion of the protruding portion 107a .

도 7을 참조하면, 전력 반도체 소자(100c)에서 제 1 웰 영역(110a)은 제 1 소오스 영역(112a)보다 드리프트 영역(107)의 돌출 부분(107a) 방향으로 돌출되고, 그 단부에 게이트 전극층(120) 방향으로 신장된 탭 부분을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 7 , in the power semiconductor device 100c , the first well region 110a protrudes in the direction of the protruding portion 107a of the drift region 107 rather than the first source region 112a, and the gate electrode layer is disposed at the end thereof. It may include a tab portion extending in the (120) direction.

채널 영역(107b1)은 제 1 웰 영역(110a)의 돌출된 부분 상의 반도체층(105)에 형성될 수 있다. 예를 들어, 채널 영역(107b1)은 제 1 웰 영역(110a)의 돌출된 부분과 탭 부분 위에 굴절 형상으로 형성될 수 있다. 이러한 구조는 채널 영역(107b1)이 게이트 전극층(120) 및 제 1 웰 영역(110a) 사이에 보다 한정되게 할 수 있다.The channel region 107b1 may be formed in the semiconductor layer 105 on the protruding portion of the first well region 110a. For example, the channel region 107b1 may be formed in a refractive shape on the protruding portion and the tab portion of the first well region 110a. This structure may allow the channel region 107b1 to be more confined between the gate electrode layer 120 and the first well region 110a.

도 8을 참조하면, 전력 반도체 소자(100d)에서, 제 1 웰 영역(110a)은 제 1 소오스 영역(112a)보다 드리프트 영역(107)의 돌출 부분(107a) 방향으로 돌출되고, 그 단부에 탭 부분을 포함할 수 있다. 나아가, 드리프트 영역(107)의 돌출 부분(107a)은 제 1 소오스 영역(112a)의 하부 및 제 1 웰 영역(110a) 사이로 더 신장될 수 있다.Referring to FIG. 8 , in the power semiconductor device 100d, the first well region 110a protrudes in the direction of the protruding portion 107a of the drift region 107 rather than the first source region 112a, and a tab is provided at the end thereof. It may contain parts. Furthermore, the protruding portion 107a of the drift region 107 may further extend between the lower portion of the first source region 112a and the first well region 110a.

채널 영역(107b2)은 제 1 소오스 영역(112a)의 하부 및 제 1 웰 영역(110a) 사이의 반도체층(105)으로 더 신장되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 채널 영역(107b2)은 제 1 웰 영역(110a)의 탭 부분 상으로부터 제 1 소오스 영역(112a)의 하부로 굴절 형상으로 형성될 수 있다. 이러한 구조는 채널 영역(107b2)과 제 1 소오스 영역(112a) 사이의 접촉 면적을 넓게 하는 데 기여할 수 있다.The channel region 107b2 may be formed by further extending into the semiconductor layer 105 between the lower portion of the first source region 112a and the first well region 110a. For example, the channel region 107b2 may be formed in a refractive shape from the tab portion of the first well region 110a to the lower portion of the first source region 112a. This structure may contribute to increasing the contact area between the channel region 107b2 and the first source region 112a.

도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자(100)의 제조 방법을 보여주는 개략적인 사시도들이다.9 to 11 are schematic perspective views illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 실리콘 카바이드(SiC)의 반도체층(105)에 전하의 수직 이동 경로를 제공하도록 제 1 도전형을 갖는 드리프트 영역(107)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 드리프트 영역(107)은 제 1 도전형을 갖는 드레인 영역(102) 상에 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 드레인 영역(102)은 제 1 도전형의 기판으로 제공되고, 드리프트 영역(107)은 이러한 기판 상에 하나 또는 그 이상의 에피택셜층으로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 9 , a drift region 107 having a first conductivity type may be formed to provide a vertical movement path for electric charges in the semiconductor layer 105 of silicon carbide (SiC). For example, the drift region 107 may be formed on the drain region 102 having the first conductivity type. In some embodiments, drain region 102 is provided as a substrate of a first conductivity type, and drift region 107 may be formed on one or more epitaxial layers on such a substrate.

이어서, 반도체층(105)에 드리프트 영역(107)의 적어도 일부에 접하도록 제 2 도전형을 갖는 웰 영역(110)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 웰 영역(110)을 형성하는 단계는 반도체층(105)에 제 2 도전형의 불순물을 주입하여 수행할 수 있다.Next, the well region 110 having the second conductivity type may be formed in the semiconductor layer 105 to contact at least a portion of the drift region 107 . For example, the forming of the well region 110 may be performed by implanting impurities of the second conductivity type into the semiconductor layer 105 .

보다 구체적으로 보면, 웰 영역(110)은 드리프트 영역(107)의 적어도 하나의 돌출 부분(107a)을 한정하도록 돌출 부분(107a)과 접하게 반도체층(105)에 형성될 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 웰 영역(110)은 드리프트 영역(107) 또는 반도체층(105)에 드리프트 영역(107)과 반대되는 불순물을 도핑하여 형성할 수 있다.More specifically, the well region 110 may be formed in the semiconductor layer 105 in contact with the protruding portion 107a to define at least one protruding portion 107a of the drift region 107 . More specifically, the well region 110 may be formed by doping the drift region 107 or the semiconductor layer 105 with an impurity opposite to that of the drift region 107 .

웰 영역(110)은 게이트 전극층(120) 하부의 제 1 웰 영역(110a)과 게이트 전극층(120) 외측의 제 2 웰 영역(110b)으로 구분될 수 있다. 예를 들어, 제 1 웰 영역(110a)은 드리프트 영역(107)의 돌출 부분(107a)을 한정하고, 제 2 웰 영역(110b) 내에는 추후 웰 콘택 영역(114)이 형성될 수 있다. 제 1 웰 영역(110a)과 제 2 웰 영역(110b)은 서로 연결될 수 있다.The well region 110 may be divided into a first well region 110a under the gate electrode layer 120 and a second well region 110b outside the gate electrode layer 120 . For example, the first well region 110a may define the protruding portion 107a of the drift region 107 , and a well contact region 114 may be formed later in the second well region 110b . The first well region 110a and the second well region 110b may be connected to each other.

필라 영역(111)은 웰 영역(110)의 하부의 반도체층(105)에 웰 영역(110)과 접하게 형성될 수 있다. 필라 영역(111)은 드리프트 영역(107)과 슈퍼 정션을 형성하도록 제 2 도전형을 가질 수 있다. 예를 들어, 필라 영역(111)은 반도체층(105) 또는 드리프트 영역(107)에 제 2 도전형의 불순물을 주입하여 형성할 수 있다.The pillar region 111 may be formed in the semiconductor layer 105 under the well region 110 to be in contact with the well region 110 . The pillar region 111 may have a second conductivity type to form a super junction with the drift region 107 . For example, the pillar region 111 may be formed by implanting impurities of the second conductivity type into the semiconductor layer 105 or the drift region 107 .

나아가, 웰 영역(110) 상에 또는 웰 영역(110) 내에 제 1 도전형을 갖는 소오스 영역(112)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 소오스 영역(112)을 형성하는 단계는 웰 영역(110) 내에 또는 반도체층(105)에 제 1 도전형의 불순물을 주입하여 수행할 수 있다.Furthermore, the source region 112 having the first conductivity type may be formed on or in the well region 110 . For example, the forming of the source region 112 may be performed by implanting impurities of the first conductivity type into the well region 110 or into the semiconductor layer 105 .

예를 들어, 소오스 영역(112)을 형성하는 단계는 제 1 웰 영역(110a) 상에 또는 제 1 웰 영역(110a) 내에 제 1 소오스 영역(112a)을 형성하고, 제 2 웰 영역(110b) 상에 또는 제 2 웰 영역(110b) 내에 제 2 소오스 영역(112b)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 제 2 소오스 영역(112b)의 일부는 소오스 전극층(140)과 연결될 소오스 콘택 영역(112b1)으로 할당될 수 있다. 제 1 소오스 영역(112a)과 제 2 소오스 영역(112b)은 서로 연결될 수 있다. 소오스 영역(112)은 실질적으로 반도체층(105)의 표면으로부터 웰 영역(110) 내 또는 웰 영역(110) 위로 소정 깊이로 형성될 수 있다.For example, forming the source region 112 may include forming the first source region 112a on or in the first well region 110a, and forming the second well region 110b. It may include forming the second source region 112b on or in the second well region 110b. A portion of the second source region 112b may be allocated as the source contact region 112b1 to be connected to the source electrode layer 140 . The first source region 112a and the second source region 112b may be connected to each other. The source region 112 may be formed substantially from the surface of the semiconductor layer 105 to a predetermined depth in the well region 110 or above the well region 110 .

소오스 영역(112) 형성과 더불어, 소오스 영역(112) 및 드리프트 영역(107) 사이의 반도체층(105)에, 반전 채널이 형성되도록 제 2 도전형을 갖는 채널 영역(110c)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 채널 영역(110c)은 드리프트 영역(107)의 돌출 부분(107a) 및 제 1 소오스 영역(112a) 사이의 반도체층(105)에 형성될 수 있다. 예를 들어, 채널 영역(110c)은 제 1 웰 영역(110a)의 일부로서, 별도로 형성되지 않고 제 1 웰 영역(110a)과 함께 형성될 수도 있다.In addition to forming the source region 112 , a channel region 110c having a second conductivity type may be formed in the semiconductor layer 105 between the source region 112 and the drift region 107 to form an inversion channel. . For example, the channel region 110c may be formed in the semiconductor layer 105 between the protruding portion 107a of the drift region 107 and the first source region 112a. For example, the channel region 110c is a part of the first well region 110a and may be formed together with the first well region 110a without being separately formed.

선택적으로, 제 2 소오스 영역(112b) 내에 제 2 웰 영역(110b)으로부터 제 2 소오스 영역(112b)을 관통하여 신장되는 웰 콘택 영역(114)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 웰 콘택 영역(114)은 웰 영역(110)의 일부에 제 2 도전형의 불순물을 웰 영역(110)보다 높은 농도로 주입하여 형성할 수 있다.Optionally, a well contact region 114 extending from the second well region 110b through the second source region 112b may be formed in the second source region 112b. For example, the well contact region 114 may be formed by implanting impurities of the second conductivity type into a portion of the well region 110 at a higher concentration than that of the well region 110 .

이 실시예의 변형된 예에서, 웰 영역(110), 필라 영역(111), 소오스 영역(112), 채널 영역(110c) 및 웰 콘택 영역(114)의 불순물 도핑 순서는 적절하게 변경될 수 있다.In a modified example of this embodiment, the order of impurity doping of the well region 110 , the pillar region 111 , the source region 112 , the channel region 110c , and the well contact region 114 may be appropriately changed.

전술한 제조 방법에 있어서, 불순물 주입 또는 불순물 도핑은 반도체층(105)에 불순물을 이온 주입하거나 또는 에피택셜층의 형성 시 불순물이 혼입되게 수행할 수 있다. 다만, 선택적인 영역에서 불순물 주입은 마스크 패턴을 이용한 이온 주입 방법을 이용할 수 있다.In the above-described manufacturing method, impurity implantation or impurity doping may be performed such that ions are implanted into the semiconductor layer 105 or impurities are mixed during formation of the epitaxial layer. However, for implantation of impurities in the selective region, an ion implantation method using a mask pattern may be used.

선택적으로, 이온 주입 후 불순물을 활성화시키거나 확산시키기 위한 열처리 단계가 이어질 수 있다.Optionally, the ion implantation may be followed by a thermal treatment step to activate or diffuse the impurities.

도 10을 참조하면, 반도체층(105)의 적어도 일부 상에 게이트 절연층(118)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 게이트 절연층(118)은 적어도 채널 영역(110c) 및 드리프트 영역(107)의 돌출 부분(107a) 상에 형성될 수 있다. Referring to FIG. 10 , a gate insulating layer 118 may be formed on at least a portion of the semiconductor layer 105 . For example, the gate insulating layer 118 may be formed on at least the channel region 110c and the protruding portion 107a of the drift region 107 .

예를 들어, 게이트 절연층(118)은 반도체층(105)을 산화시켜 산화물로 형성하거나 또는 반도체층(105) 상에 산화물 또는 질화물과 같은 절연물을 증착하여 형성할 수 있다.For example, the gate insulating layer 118 may be formed of an oxide by oxidizing the semiconductor layer 105 , or may be formed by depositing an insulating material such as oxide or nitride on the semiconductor layer 105 .

이어서, 게이트 절연층(118) 상에 게이트 전극층들(120)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 게이트 전극층(120)은 게이트 절연층(118) 상에 도전층을 형성한 후, 이를 패터닝하여 형성할 수 있다. 게이트 전극층(120)은 폴리실리콘에 불순물을 도핑하여 형성하거나 또는 도전성 금속 또는 금속 실리사이드를 포함하도록 형성할 수 있다.Subsequently, gate electrode layers 120 may be formed on the gate insulating layer 118 . For example, the gate electrode layer 120 may be formed by forming a conductive layer on the gate insulating layer 118 and then patterning it. The gate electrode layer 120 may be formed by doping polysilicon with impurities or may be formed to include a conductive metal or metal silicide.

패터닝 공정은 포토 리소그래피(photo lithography) 및 식각(etching) 공정들을 이용하여 수행할 수 있다. 포토 리소그래피 공정은 사진 공정과 현상 공정을 이용하여 마스크층으로 포토레지스트(photo resist) 패턴을 형성하는 공정을 포함하고, 식각 공정은 이러한 포토레지스트 패턴을 이용하여 하부 구조물을 선택적으로 식각하는 공정을 포함할 수 있다.The patterning process may be performed using photo lithography and etching processes. The photolithography process includes a process of forming a photoresist pattern as a mask layer using a photolithography process and a developing process, and the etching process includes a process of selectively etching an underlying structure using the photoresist pattern can do.

도 11을 참조하면, 게이트 전극층(120) 상에 층간 절연층(130)을 형성할 수 있다. 선택적으로, 층간 절연층(130)을 하부 구조물 상에 전체적으로 형성하는 경우, 소오스 콘택 영역(112b1) 및 웰 콘택 영역(114)을 노출하기 위한 콘택 홀 패턴을 형성하는 공정이 이어질 수 있다.Referring to FIG. 11 , an interlayer insulating layer 130 may be formed on the gate electrode layer 120 . Optionally, when the interlayer insulating layer 130 is entirely formed on the lower structure, a process of forming a contact hole pattern for exposing the source contact region 112b1 and the well contact region 114 may be followed.

이어서, 반도체층(105) 상에 제 2 소오스 영역(112b) 및 웰 콘택 영역(114)에 연결되게 소오스 전극층(140)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 소오스 전극층(140)은 층간 절연층(130) 상에 도전층, 예컨대 금속층을 형성한 후, 이를 패터닝하거나 평탄화하여 형성할 수 있다.Subsequently, the source electrode layer 140 may be formed on the semiconductor layer 105 to be connected to the second source region 112b and the well contact region 114 . For example, the source electrode layer 140 may be formed by forming a conductive layer, for example, a metal layer, on the interlayer insulating layer 130 and then patterning or planarizing it.

한편, 도 5의 전력 반도체 소자(100a)는 전술한 전력 반도체 소자(100)의 제조 공정에 일부 공정을 추가하거나 변형하여 제조할 수 있다.Meanwhile, the power semiconductor device 100a of FIG. 5 may be manufactured by adding or modifying some processes to the above-described manufacturing process of the power semiconductor device 100 .

도 5의 전력 반도체 소자(100a)의 제조는, 제 2 소오스 영역(112b) 내에 제 2 소오스 영역(112b)을 관통하고 제 2 웰 영역(110b)을 노출하는 적어도 하나의 홈(138)을 형성하고, 이 홈(138)의 바닥면에 웰 영역(110)과 접촉되게 웰 콘택 영역(114)을 형성하고, 홈(138)을 채워서 소오스 영역(112) 및 웰 콘택 영역(114)에 연결되도록 소오스 전극층(140)을 형성하는 단계를 부가할 수 있다.Fabrication of the power semiconductor device 100a of FIG. 5 forms at least one groove 138 penetrating the second source region 112b and exposing the second well region 110b in the second source region 112b. A well contact region 114 is formed on the bottom surface of the groove 138 to be in contact with the well region 110 , and the groove 138 is filled to be connected to the source region 112 and the well contact region 114 . A step of forming the source electrode layer 140 may be added.

한편, 도 6 내지 도 8의 전력 반도체 소자들(100b, 100c, 100d)의 제조 시 채널 영역들(107b, 107b1, 107b2)은 축적 채널을 형성하도록 제 1 도전형을 갖도록 형성할 수 있다. 예를 들어, 채널 영역들(107b, 107b1, 107b2)은 드리프트 영역(107)의 일부로 형성될 수 있다.Meanwhile, when the power semiconductor devices 100b, 100c, and 100d of FIGS. 6 to 8 are manufactured, the channel regions 107b, 107b1, and 107b2 may be formed to have a first conductivity type to form an accumulation channel. For example, the channel regions 107b , 107b1 , and 107b2 may be formed as a part of the drift region 107 .

전술한 제조 방법에 따르면, 실리콘 카바이드의 반도체층(105)을 이용하여 기존의 실리콘 기판에 사용되는 공정을 이용하여 고집적의 전력 반도체 소자(100)를 경제적으로 제조할 수 있다.According to the above-described manufacturing method, it is possible to economically manufacture the high-integration power semiconductor device 100 by using the semiconductor layer 105 of silicon carbide by using a process used for a conventional silicon substrate.

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 embodiments shown in the drawings, which are 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
102: 드레인 영역
105: 반도체층
107: 드리프트 영역
110: 웰 영역
111: 필라 영역
112: 소오스 영역
118: 게이트 절연층
120: 게이트 전극층
130: 층간 절연층
140: 소오스 전극층
100: power semiconductor device
102: drain region
105: semiconductor layer
107: drift zone
110: well area
111: pillar area
112: source area
118: gate insulating layer
120: gate electrode layer
130: interlayer insulating layer
140: source electrode layer

Claims (15)

실리콘 카바이드(SiC)의 반도체층;
상기 반도체층의 일부 상의 게이트 절연층;
상기 게이트 절연층 상의 게이트 전극층;
전하의 수직 이동 경로를 제공하도록 상기 반도체층에 형성되고, 상기 게이트 전극층 하부에 배치된 적어도 하나의 돌출 부분을 포함하고, 제 1 도전형을 갖는 드리프트 영역;
상기 게이트 전극층 하부의 상기 반도체층에 상기 드리프트 영역의 상기 적어도 하나의 돌출 부분과 접하게 형성되는 제 1 웰 영역 및 상기 게이트 전극층 외측의 상기 반도체층에 형성되고 상기 제 1 웰 영역과 연결된 제 2 웰 영역을 포함하고, 제 2 도전형을 갖는 웰 영역;
상기 웰 영역 하부의 상기 반도체층에 상기 웰 영역과 접하게 형성되며, 상기 드리프트 영역과 슈퍼 정션을 형성하도록 제 2 도전형을 갖는 필라 영역;
상기 제 1 웰 영역 상의 상기 반도체층에 형성된 제 1 소오스 영역 및 상기 제 2 웰 영역 상의 상기 반도체층에 형성되고 상기 제 1 소오스 영역과 연결된 제 2 소오스 영역을 포함하고, 제 1 도전형을 갖는 소오스 영역;
상기 드리프트 영역의 상기 적어도 하나의 돌출 부분 및 상기 제 1 소오스 영역 사이의 상기 반도체층에 형성되는 채널 영역; 및
상기 제 2 소오스 영역 내에 상기 제 2 웰 영역으로부터 상기 제 2 소오스 영역을 관통하여 신장되며 제 2 도전형을 갖는 웰 콘택 영역을 포함하고,
상기 필라 영역은 상기 웰 콘택 영역과 오버랩 되면서 상기 제 2 웰 영역 하부에서 상기 제 2 웰 영역과 접촉되도록 형성되는,
전력 반도체 소자.
a semiconductor layer of silicon carbide (SiC);
a gate insulating layer on a portion of the semiconductor layer;
a gate electrode layer on the gate insulating layer;
a drift region formed in the semiconductor layer to provide a vertical movement path of electric charge, the drift region including at least one protruding portion disposed under the gate electrode layer, the drift region having a first conductivity type;
A first well region formed in the semiconductor layer under the gate electrode layer in contact with the at least one protruding portion of the drift region, and a second well region formed in the semiconductor layer outside the gate electrode layer and connected to the first well region a well region comprising a second conductivity type;
a pillar region formed in the semiconductor layer under the well region in contact with the well region and having a second conductivity type to form a super junction with the drift region;
a source having a first conductivity type, comprising a first source region formed in the semiconductor layer on the first well region and a second source region formed in the semiconductor layer on the second well region and connected to the first source region area;
a channel region formed in the semiconductor layer between the at least one protruding portion of the drift region and the first source region; and
a well contact region extending from the second well region through the second source region and having a second conductivity type in the second source region;
the pillar region overlaps the well contact region and is formed to contact the second well region under the second well region;
power semiconductor devices.
제 1 항에 있어서,
동작 시 최대 전기장이 상기 필라 영역의 바닥면과 동일 선상의 상기 드리프트 영역에 위치되도록, 상기 필라 영역의 전하량이 상기 드리프트 영역의 전하량보다 큰,
전력 반도체 소자.
The method of claim 1,
In operation, the amount of charge in the pillar region is greater than the amount of charge in the drift region so that a maximum electric field is located in the drift region on the same line as the bottom surface of the pillar region;
power semiconductor devices.
제 2 항에 있어서,
상기 필라 영역의 제 2 도전형의 불순물의 도핑 농도는 상기 드리프트 영역의 제 1 도전형의 불순물의 도핑 농도보다 큰,
전력 반도체 소자.
3. The method of claim 2,
a doping concentration of the impurity of the second conductivity type in the pillar region is greater than a doping concentration of the impurity of the first conductivity type in the drift region;
power semiconductor devices.
제 1 항에 있어서,
상기 드리프트 영역의 상기 적어도 하나의 돌출 부분, 상기 제 1 웰 영역 및 상기 제 1 소오스 영역은 일 방향으로 신장되고,
상기 제 1 웰 영역, 상기 제 1 소오스 영역 및 상기 채널 영역은 상기 드리프트 영역의 상기 적어도 하나의 돌출 부분의 양측의 상기 반도체층에 각각 형성되는,
전력 반도체 소자.
The method of claim 1,
the at least one protruding portion of the drift region, the first well region, and the first source region extend in one direction;
the first well region, the first source region and the channel region are respectively formed in the semiconductor layer on both sides of the at least one protruding portion of the drift region;
power semiconductor devices.
제 1 항에 있어서,
상기 채널 영역은 반전 채널이 형성되도록 제 2 도전형을 갖고,
상기 채널 영역은 상기 웰 영역의 일부인,
전력 반도체 소자.
The method of claim 1,
the channel region has a second conductivity type such that an inversion channel is formed;
wherein the channel region is part of the well region;
power semiconductor devices.
제 1 항에 있어서,
상기 채널 영역은 축적 채널이 형성되도록 제 1 도전형을 갖고,
상기 채널 영역은 상기 드리프트 영역의 일부인,
전력 반도체 소자.
The method of claim 1,
the channel region has a first conductivity type such that an accumulation channel is formed;
wherein the channel region is part of the drift region;
power semiconductor devices.
제 6 항에 있어서,
상기 제 1 웰 영역은 상기 제 1 소오스 영역보다 상기 드리프트 영역의 상기 적어도 하나의 돌출 부분 방향으로 더 돌출되고,
상기 채널 영역은 상기 제 1 웰 영역의 돌출된 부분 상의 상기 반도체층에 형성되는,
전력 반도체 소자.
7. The method of claim 6,
the first well region protrudes more in a direction of the at least one protruding portion of the drift region than the first source region;
wherein the channel region is formed in the semiconductor layer on a protruding portion of the first well region;
power semiconductor devices.
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 돌출 부분은 일 방향으로 나란하게 형성된 복수의 돌출 부분들을 포함하고,
상기 채널 영역은 상기 복수의 돌출 부분들 및 상기 제 1 소오스 영역 사이에 형성된,
전력 반도체 소자.
The method of claim 1,
The at least one protruding portion includes a plurality of protruding portions formed side by side in one direction,
the channel region is formed between the plurality of protruding portions and the first source region;
power semiconductor devices.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 웰 영역은 상기 제 2 웰 영역을 기준으로 대칭적으로 형성되고,
상기 제 1 소오스 영역은 상기 제 2 소오스 영역을 기준으로 대칭적으로 형성되고,
상기 드리프트 영역의 상기 적어도 하나의 돌출 부분은 상기 제 2 웰 영역 또는 상기 제 2 소오스 영역을 기준으로 대칭적으로 배치된 복수의 돌출 부분들을 포함하는,
전력 반도체 소자.
The method of claim 1,
the first well region is formed symmetrically with respect to the second well region;
The first source region is formed symmetrically with respect to the second source region,
The at least one protrusion portion of the drift region includes a plurality of protrusion portions symmetrically disposed with respect to the second well region or the second source region.
power semiconductor devices.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 소오스 영역 및 상기 웰 콘택 영역에 연결된 소오스 전극층을 더 포함하는,
전력 반도체 소자.
The method of claim 1,
and a source electrode layer connected to the second source region and the well contact region.
power semiconductor devices.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 소오스 영역을 관통하여 상기 제 2 웰 영역을 노출하는 적어도 하나의 홈;
상기 적어도 하나의 홈의 바닥면에 상기 제 2 웰 영역과 접하게 형성되고 제 2 도전형을 갖는 웰 콘택 영역; 및
상기 적어도 하나의 홈을 채우도록 형성되어, 상기 제 2 소오스 영역 및 상기 웰 콘택 영역과 연결된 소오스 전극층을 더 포함하는,
전력 반도체 소자.
The method of claim 1,
at least one groove passing through the second source region to expose the second well region;
a well contact region formed in contact with the second well region on a bottom surface of the at least one groove and having a second conductivity type; and
and a source electrode layer formed to fill the at least one groove and connected to the second source region and the well contact region.
power semiconductor devices.
제 1 항에 있어서,
상기 드리프트 영역 하부의 상기 반도체층에 제 1 도전형을 갖는 드레인 영역을 더 포함하고,
상기 드레인 영역은 상기 드리프트 영역보다 제 1 도전형의 불순물이 더 고농도로 도핑된,
전력 반도체 소자.
The method of claim 1,
a drain region having a first conductivity type in the semiconductor layer under the drift region;
The drain region is doped with an impurity of the first conductivity type more heavily than the drift region,
power semiconductor devices.
실리콘 카바이드(SiC)의 반도체층에, 전하의 수직 이동 경로를 제공하고 제 1 도전형을 갖는 드리프트 영역을 형성하는 단계;
상기 드리프트 영역의 적어도 하나의 돌출 부분을 한정하도록 상기 적어도 하나의 돌출 부분과 접하는 제 1 웰 영역 및 상기 제 1 웰 영역과 연결된 제 2 웰 영역을 포함하고, 제 2 도전형을 갖는 웰 영역을 형성하는 단계;
상기 웰 영역 하부의 상기 반도체층에 상기 웰 영역과 접하게 형성되며, 상기 드리프트 영역과 슈퍼 정션을 형성하도록 제 2 도전형을 갖는 필라 영역을 형성하는 단계;
상기 제 1 웰 영역 상의 상기 반도체층에 형성된 제 1 소오스 영역 및 상기 제 2 웰 영역 상의 상기 반도체층에 형성되고 상기 제 1 소오스 영역과 연결된 제 2 소오스 영역을 포함하고, 제 1 도전형을 갖는 소오스 영역을 형성하는 단계;
상기 드리프트 영역의 상기 적어도 하나의 돌출 부분 및 상기 제 1 소오스 영역 사이의 상기 반도체층에 채널 영역을 형성하는 단계;
상기 채널 영역 및 상기 드리프트 영역의 상기 적어도 하나의 돌출 부분 상에 게이트 절연층을 형성하는 단계;
상기 게이트 절연층 상에 게이트 전극층을 형성하는 단계; 및
상기 제 2 소오스 영역 내에 상기 제 2 웰 영역으로부터 상기 제 2 소오스 영역을 관통하여 신장되며 제 2 도전형을 갖는 웰 콘택 영역을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 제 2 웰 영역 및 상기 제 2 소오스 영역은 상기 게이트 전극층 외측의 상기 반도체층에 형성되고,
상기 필라 영역은 상기 웰 콘택 영역과 오버랩 되면서 상기 제 2 웰 영역 하부에서 상기 제 2 웰 영역과 접촉되도록 형성되는,
전력 반도체 소자의 제조방법.
providing a vertical movement path for electric charges in a semiconductor layer of silicon carbide (SiC) and forming a drift region having a first conductivity type;
a first well region in contact with the at least one protrusion to define at least one protrusion of the drift region and a second well region connected to the first well region, the well region having a second conductivity type to do;
forming a pillar region formed in contact with the well region in the semiconductor layer under the well region and having a second conductivity type to form a super junction with the drift region;
a source having a first conductivity type, comprising a first source region formed in the semiconductor layer on the first well region and a second source region formed in the semiconductor layer on the second well region and connected to the first source region forming a region;
forming a channel region in the semiconductor layer between the at least one protruding portion of the drift region and the first source region;
forming a gate insulating layer on the at least one protruding portion of the channel region and the drift region;
forming a gate electrode layer on the gate insulating layer; and
forming a well contact region extending from the second well region through the second source region and having a second conductivity type in the second source region;
the second well region and the second source region are formed in the semiconductor layer outside the gate electrode layer;
the pillar region overlaps the well contact region and is formed to contact the second well region under the second well region;
A method of manufacturing a power semiconductor device.
제 13 항에 있어서,
상기 제 2 소오스 영역 및 상기 웰 콘택 영역에 연결된 소오스 전극층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 웰 콘택 영역은 상기 웰 영역보다 고농도로 도핑된,
전력 반도체 소자의 제조방법.
14. The method of claim 13,
forming a source electrode layer connected to the second source region and the well contact region;
the well contact region is more heavily doped than the well region;
A method of manufacturing a power semiconductor device.
제 13 항에 있어서,
상기 제 2 소오스 영역을 관통하여 상기 제 2 웰 영역을 노출하는 적어도 하나의 홈을 형성하는 단계;
상기 적어도 하나의 홈의 바닥면에 상기 제 2 웰 영역과 접하고 제 2 도전형을 갖는 웰 콘택 영역을 형성하는 단계; 및
상기 제 2 소오스 영역 및 상기 웰 콘택 영역과 연결되도록 상기 적어도 하나의 홈을 채우는 소오스 전극층을 형성하는 단계를 더 포함하는,
전력 반도체 소자의 제조방법.
14. The method of claim 13,
forming at least one groove through the second source region to expose the second well region;
forming a well contact region in contact with the second well region and having a second conductivity type on a bottom surface of the at least one groove; and
The method further comprising: forming a source electrode layer filling the at least one groove to be connected to the second source region and the well contact region;
A method of manufacturing a power semiconductor device.
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