KR102399429B1 - 전력 반도체 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 관점에 의한 전력 반도체 소자는 실리콘 카바이드(SiC)의 반도체층과, 상기 반도체층의 표면으로부터 상기 반도체층 내부로 소정 깊이만큼 리세스 되어 형성되고 일 방향으로 신장된 적어도 하나의 트렌치와, 상기 적어도 하나의 트렌치의 적어도 내벽 상에 형성된 게이트 절연층과, 상기 적어도 하나의 트렌치를 매립하도록 상기 게이트 절연층 상에 형성된 적어도 하나의 게이트 전극층과, 상기 적어도 하나의 게이트 전극층 하부의 상기 반도체층에 형성되고, 제 1 도전형을 갖는 드리프트 영역과, 상기 드리프트 영역에 접하고 상기 적어도 하나의 게이트 전극층의 적어도 양측벽들 및 바닥 모서리들을 둘러싸도록 상기 반도체층에 형성되고, 제 2 도전형을 갖는 웰 영역과, 상기 적어도 하나의 게이트 전극층의 바닥면 아래에 상기 드리프트 영역과 연결되게 상기 반도체층에 형성되고, 제 1 도전형을 갖는 정션저항 감소 영역과, 상기 웰 영역 내 또는 상기 웰 영역 상에 형성되고 제 1 도전형을 갖는 소오스 영역과, 상기 소오스 영역과 연결되고, 상기 드리프트 영역의 일 부분과 접촉하여 쇼트키 배리어 다이오드를 형성하는 소오스 전극층을 포함을 포함한다.
Description
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 전력 전달을 스위칭하기 위한 전력 반도체 소자(power semiconductor device) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
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.
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.
이러한 실리콘 카바이드를 이용한 전력 반도체 소자의 채널 밀도를 높이기 위하여 수직 채널 구조를 갖는 트렌치 타입의 게이트 구조가 연구되고 있다. 이러한 트렌치 타입 게이트 구조에서는 트렌치 모서리에서 전계가 집중되는 문제가 있어서, 이러한 트렌치 하부를 보호하기 위한 구조의 적용으로 채널 밀도를 줄이는 데 한계가 있고 정션 저항이 높아지는 문제가 있다. 나아가, 게이트 전극들 사이에 소오스 콘택 구조를 배치하다 보니, 또한 게이트 전극들 사이의 간격을 좁히기 어려워, 채널 밀도를 줄이는 데 한계가 있다.
또한, 이러한 실리콘 카바이드를 이용한 전력 반도체 소자에 있어서, 스위칭 손실을 줄이기 위하여, 내장 다이오드를 사용하고 있으나, 내장 다이오드로는 스위칭 손실을 줄이는 데 한계가 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전계 집중을 완화하면서 정션 저항을 줄이고 스위칭 손실을 줄일 수 있는 고집적 실리콘 카바이드의 전력 반도체 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 의한 전력 반도체 소자는 실리콘 카바이드(SiC)의 반도체층과, 상기 반도체층의 표면으로부터 상기 반도체층 내부로 소정 깊이만큼 리세스 되어 형성되고 일 방향으로 신장된 적어도 하나의 트렌치와, 상기 적어도 하나의 트렌치의 적어도 내벽 상에 형성된 게이트 절연층과, 상기 적어도 하나의 트렌치를 매립하도록 상기 게이트 절연층 상에 형성된 적어도 하나의 게이트 전극층과, 상기 적어도 하나의 게이트 전극층 하부의 상기 반도체층에 형성되고, 제 1 도전형을 갖는 드리프트 영역과, 상기 드리프트 영역에 접하고 상기 적어도 하나의 게이트 전극층의 적어도 양측벽들 및 바닥 모서리들을 둘러싸도록 상기 반도체층에 형성되고, 제 2 도전형을 갖는 웰 영역과, 상기 적어도 하나의 게이트 전극층의 바닥면 아래에 상기 드리프트 영역과 연결되게 상기 반도체층에 형성되고, 제 1 도전형을 갖는 정션저항 감소 영역과, 상기 웰 영역 내 또는 상기 웰 영역 상에 형성되고 제 1 도전형을 갖는 소오스 영역과, 상기 소오스 영역과 연결되고, 상기 드리프트 영역의 일 부분과 접촉하여 쇼트키 배리어 다이오드를 형성하는 소오스 전극층을 포함을 포함한다.
상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 드리프트 영역의 상기 일부분은 상기 소오소 영역 및 상기 웰 영역을 관통하는 돌출 부분을 포함하고, 상기 쇼트키 배리어 다이오드는 상기 소오스 전극층이 상기 드리프트 영역의 상기 돌출 부분과 접촉되어 형성될 수 있다.
상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 정션저항 감소 영역의 제 1 도전형의 불순물의 도핑 농도는 상기 드리프트 영역의 제 1 도전형의 불순물의 도핑 농도보다 높을 수 있다.
상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 적어도 하나의 게이트 전극층의 일단의 외측의 상기 소오스 영역 내 소오스 콘택 영역과, 상기 소오스 콘택 영역 내에 상기 웰 영역으로부터 소오스 영역을 관통하여 신장되고 제 2 도전형을 갖고, 상기 웰 영역보다 고농도로 도핑된 웰 콘택 영역을 더 포함하고, 상기 소오스 전극은 상기 소오스 콘택 영역과 접하여, 상기 소오스 영역, 상기 웰 콘택 영역 및 상기 드리프트 영역의 상기 일부분과 접할 수 있다.
상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 정션저항 감소 영역 및 상기 소오스 영역 사이에 상기 적어도 하나의 게이트 전극층의 측벽을 따라서 상기 반도체층에 형성된 채널 영역을 포함할 수 있다.
상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 적어도 하나의 트렌치는 상기 일 방향을 따라서 상기 반도체층에 나란하게 형성된, 복수의 트렌치들을 포함하고, 상기 적어도 하나의 게이트 전극층은 상기 복수의 트렌치들을 매립하여 형성된 복수의 게이트 전극층들을 포함할 수 있다.
상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 적어도 하나의 트렌치는 상기 일 방향으로 일렬로 이격 배치된 복수의 트렌치들을 포함하고, 상기 적어도 하나의 게이트 전극층은 상기 복수의 트렌치들을 매립하여 형성된 복수의 게이트 전극층들을 포함할 수 있다.
상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 드리프트 영역의 일부분, 상기 소오스 영역의 일부분 및 상기 웰 영역의 일부분을 식각하여 형성된 적어도 하나의 홈과, 상기 적어도 하나의 홈의 바닥면의 상기 웰 영역의 일부분 상에 형성되고, 제 2 도전형을 갖는 웰 콘택 영역을 더 포함하고, 상기 소오스 전극층은 상기 적어도 하나의 홈을 채우도록 형성되어, 상기 적어도 하나의 홈 내에서 상기 드리프트 영역, 상기 소오스 영역 및 상기 웰 콘택 영역과 공통으로 접촉될 수 있다.
상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 드리프트 영역 하부의 상기 반도체층에 형성되고 제 1 도전형을 갖는 드레인 영역을 더 포함하고, 상기 드리프트 영역은 상기 드레인 영역 상에 에피택셜층으로 형성될 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자에 의하면, 전계 집중을 완화하면서 정션 저항을 낮추고 스위칭 손실을 줄일 수 있다.
물론 이러한 효과는 예시적인 것이고, 이러한 효과에 의해서 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
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 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 반도체 소자를 보여주는 단면도들이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전력 반도체 소자를 보여주는 개략적인 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 전력 반도체 소자의 다이오드들의 특성을 보여주는 그래프이다.
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 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 반도체 소자를 보여주는 단면도들이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전력 반도체 소자를 보여주는 개략적인 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 전력 반도체 소자의 다이오드들의 특성을 보여주는 그래프이다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
웰 영역(well region, 110)은 반도체층(105)에 드리프트 영역(107)에 접하도록 형성되고, 제 2 도전형을 가질 수 있다. 예를 들어, 웰 영역(110)은 드리프트 영역(107) 내에 제 1 도전형의 반대인 제 2 도전형의 불순물을 도핑하여 형성될 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 웰 영역(110)은 드리프트 영역(107) 상에 배치될 수 있다.
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 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.
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.
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.
적어도 하나의 트렌치(116)는 반도체층(105)의 표면으로부터 반도체층(105) 내부로 소정 깊이만큼 리세스 되어 형성될 수 있다. 트렌치(116)는 반도체층(105) 내에서 일 방향으로 신장될 수 있다. 일 방향은 트렌치(116)의 깊이 방향이 아닌 길이 방향을 지칭하는 것으로서, 도 2에서 III-III선 방향을 지칭할 수 있다.
게이트 절연층(118)은 트렌치(116)의 적어도 내벽 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 게이트 절연층(118)은 트렌치(116)의 내부 표면 및 트렌치(116) 외측의 반도체층(105) 상에 형성될 수 있다. 게이트 절연층(118)의 두께는 균일하거나 또는 트렌치(116)의 바닥면 부분의 전계를 낮추기 위하여 트렌치(116)의 바닥면 상에 형성된 부분이 측벽 상에 형성된 부분보다 두꺼울 수도 있다.
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.
적어도 하나의 게이트 전극층(120)은 트렌치(116)를 매립하도록 게이트 절연층(118) 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 게이트 전극층(120)은 적절한 도전물, 예컨대 폴리실리콘, 금속, 금속 질화물, 금속 실리사이드 등을 포함하거나 또는 이들의 적층 구조를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 드리프트 영역(107)은 게이트 전극층(120) 하부의 반도체층(105)에 형성될 수 있다. 웰 영역(110)은 드리프트 영역(107) 상에 적어도 게이트 전극층(120)의 양측벽들 및 바닥 모서리들을 둘러싸도록 게이트 전극층(120) 보다 깊게 신장되게 반도체층(105)에 형성될 수 있다.
정션저항 감소 영역(108)은 게이트 전극층(120)의 바닥면 아래에 드리프트 영역(107)과 연결되게 반도체층(105)에 형성될 수 있다. 정션저항 감소 영역(108)은 제 1 도전형을 가질 수 있고, 예컨대 반도체층(105)에 제 1 도전형의 불순물을 주입하여 형성될 수 있다.
일부 실시예에서, 웰 영역(110)이 게이트 전극층(120)의 측벽들 및 바닥면을 둘러싸도록 형성되고, 정션저항 감소 영역(108)은 게이트 전극층(120)의 바닥면과 드리프트 영역(107) 사이에 웰 영역(110)을 관통하도록 형성될 수도 있다. 이 경우, 정션저항 감소 영역(108)은 웰 영역(110)에 제 1 도전형의 불순물을 주입하여 형성될 수 있다.
이러한 웰(110) 구조는 트렌치(116)의 바닥면에서, 즉 게이트 전극층(120)의 하단 모서리들에서 전계가 집중되는 문제를 더욱 완화시킬 수 있다. 이에 따라, 이러한 구조는 전력 반도체 소자(100)에서 게이트 절연층(118)에 걸리는 전계 마진을 높여, 전력 반도체 소자(100)의 동작 신뢰성을 높일 수 있다.
채널 영역(110a)은 정선저항 감소 영역(108) 및 소오스 영역(112) 사이의 반도체층(105)에 형성될 수 있다. 예를 들어, 채널 영역(110a)은 정선저항 감소 영역(108) 및 소오스 영역(112) 사이에 게이트 전극층(120)의 측벽을 따라서 반도체층(105)에 형성될 수 있다. 예를 들어, 채널 영역(110a)은 제 2 도전형을 갖고, 전력 반도체 소자(100)의 동작 시 일 방향을 따라서 반전 채널(inversion channel)이 형성될 수 있다.
채널 영역(110a)은 소오스 영역(112) 및 드리프트 영역(107)과 반대되는 도핑 타입을 갖기 때문에, 채널 영역(110a)은 소오스 영역(112) 및 드리프트 영역(107)과 다이오드 정션 접합을 형성할 수 있다. 따라서, 채널 영역(110a)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.
일부 실시예에서, 채널 영역(110a)은 웰 영역(110)의 일부일 수 있다. 이 경우, 채널 영역(110a)은 웰 영역(110)과 연속적으로 연결되게 일체로 형성될 수 있다. 채널 영역(110a)의 제 2 도전형의 불순물의 도핑 농도는 웰 영역(110)의 다른 부분과 같거나, 또는 문턱 전압 조절을 위하여 다를 수도 있다.
정선저항 감소 영역(108)의 제 1 도전형의 불순물의 도핑 농도는 드리프트 영역(107)과 동일하거나 높을 수 있다. 일부 실시예에서, 정선저항 감소 영역(108)의 제 1 도전형의 불순물의 도핑 농도는 정션의 저항을 감소시키도록 드리프트 영역(107)보다 높을 수 있다. 이 경우, 드리프트 영역(107)보다 낮은 저항의 정션저항 감소 영역(108)이 채널 영역과 접함으로써, 정션 저항을 낮출 수 있다.
나아가, 정선저항 감소 영역(108)의 제 1 도전형의 불순물의 도핑 농도는 소오스 영역(112) 및 드레인 영역(102)의 제 1 도전형의 불순물의 도핑 농도와 같거나 낮을 수 있다.
일부 실시예에서, 게이트 절연층(118) 및 게이트 전극층(120)은 트렌치(116) 내부에 형성될 뿐만 아니라, 트렌치(116) 외부로 더 신장되게 형성될 수도 있다.
일부 실시예에서, 트렌치(116)는 반도체층(105) 내에 하나 또는 복수로 제공될 수 있다. 트렌치(116)의 수는 적절하게 선택될 수 있고, 따라서 이 실시예의 범위를 제한하지 않는다.
예를 들어, 복수의 트렌치들(116)은 일 방향을 따라서 반도체층(105)에 나란하게 형성될 수 있다. 트렌치들(116)은 일 방향으로 신장되고, 일 방향에 수직한 방향으로 이격되어 나란하게 배치될 수 있다.
이 경우, 복수의 게이트 전극층들(120)은 트렌치들(116) 내부를 채우도록 게이트 절연층(118) 상에 형성될 수 있다. 이에 따라, 게이트 전극층들(120)은 트렌치 타입으로 반도체층(105) 내에 형성되고, 트렌치들(116)과 마찬가지로 일 방향으로 나란하게 신장되게 배치될 수 있다.
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.
소오스 전극층(140)은 층간 절연층(130) 상에 형성되고, 소오스 영역(112)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 소오스 전극층(140)은 적절한 도전물, 금속 등으로 형성될 수 있다.
일부 실시예에서, 소오스 영역(112)은 게이트 전극층들(120)의 적어도 일단의 외측에 소오스 콘택 영역(112a)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 소오스 콘택 영역(112a)은 소오스 영역(112)의 일부로서, 소오스 전극층(140)이 연결되는 부분을 지칭할 수 있다.
웰 콘택 영역(114)은 소오스 콘택 영역(112a) 내에 형성될 수 있다. 예를 들어, 웰 콘택 영역(114)은 웰 영역(110)으로부터 소오스 영역(112)을 관통하여 신장되고, 제 2 도전형을 가질 수 있다. 웰 콘택 영역(114)은 하나 또는 복수로 소오스 콘택 영역(112a) 내에 형성될 수 있다. 예를 들어, 웰 콘택 영역(114)은 소오스 전극층(140)과 연결 시 접촉 저항을 낮추기 위하여 웰 영역(110)보다 제 2 도전형의 불순물이 더 고농도로 도핑될 수 있다.
소오스 전극층(140)은 소오스 콘택 영역(112a) 및 웰 콘택 영역(114)에 공통으로 연결될 수 있다.
나아가, 소오스 전극층(140)은 드리프트 영역(107)의 일 부분과 접촉하여 쇼트키 배리어 다이오드(schottky barrier diode, SBD)를 형성할 수 있다. 쇼트키 배리어 다이오드(SBD)는 금속과 반도체의 접합에 의해서 생기는 쇼트키 장벽을 이용한 다이오드를 지칭할 수 있다.
예를 들어, 소오스 콘택 영역(112a)은 게이트 전극층들(120)의 적어도 일단의 외측의 소오스 영역(112)의 일부분, 웰 영역(110)의 일부분 및 웰 영역(110)으로부터 노출된 드리프트 영역(107)의 돌출 부분(107c)을 포함할 수 있다. 드리프트 영역(107)의 일부분은 소오스 영역(112) 및 웰 영역(110)을 관통하는 돌출 부뷴(107c)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 쇼트키 배리어 다이오드(SBD)는 소오스 전극층(140)이 드리프트 영역(107)의 돌출 부분(107c)과 접촉되어 형성될 수 있다. 이 경우, 소오스 전극층(140)은 소오스 콘택 영역(112a)과 접하여, 소오스 영역(112), 웰 콘택 영역(114) 및 드리프트 영역(107)의 일부분, 예컨대 드리프트 영역(107)의 돌출 부분(107c)과 접할 수 있다.
전력 반도체 소자(100)에는 이러한 쇼트키 장벽 다이오드(SBD) 외에도 바디 다이오드가 기생적으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 웰 영역(110)과 드리프트 영역(107) 사이에 바디 다이오드가 형성될 수 있다. 이러한 바디 다이오드는 서로 다른 극성의 반도체가 접합하여 형성된 PN 다이오드의 하나일 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 쇼트키 배리어 다이오드(SBD)는 PN 다이오드에 비해서 순방향 전압(VF)이 낮으면서 스위칭 특성이 빠른 것을 알 수 있다.
이러한 쇼트키 배리어 다이오드(SBD)는 전력 반도체 소자(100)의 동작에서 바디 다이오드와 더불어 스위칭 손실을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 쇼트키 배리어 다이오드(SBD)와 바디 다이오드는 전력 반도체 소자(100)의 동작에서 프리 휠링 다이오드(free wheeling diode)로 기능할 수 있다.
일부 실시예에서, 복수의 트렌치들(116)은 일 방향을 따라서 일렬로 이격 배치될 수도 있다. 이에 따라, 게이트 전극층들(120)도 트렌치들(116)을 따라서, 일 방향을 따라서 일렬로 이격 배치될 수 있다. 이 경우, 웰 영역(110), 소오스 영역(112), 소오스 콘택 영역(112a) 및 웰 콘택 영역(114)은 일 방향을 따라서 일렬로 이격 배치된 트렌치들(116) 사이의 반도체층(105)에 각각 형성될 수도 있다.
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.
보다 구체적으로, 전력 반도체 소자(100)가 N형 모스펫인 경우, 드리프트 영역(107)은 N- 영역이고, 정션저항 감소 영역(108)은 No 영역이고, 소오스 영역(112), 드레인 영역(102) 및 소오스 콘택 영역(112a)은 N+ 영역이고, 웰 영역(110) 및 채널 영역(110a)은 P- 영역이고, 웰 콘택 영역(114)은 P+ 영역일 수 있다.
전력 반도체 소자(100)의 동작 시, 전류는 드레인 영역(102)으로부터 드리프트 영역(107) 및 정션저항 감소 영역(108)으로 수직 방향으로 흐르고, 이어서 채널 영역이 형성된 게이트 전극층들(120)의 측벽을 따라서 소오스 영역(112)으로 흐를 수 있다.
전술한 전력 반도체 소자(100)에 있어서, 트렌치(116) 내 게이트 전극층들(120)은 스트라이프 타입 또는 라인 타입으로 병렬적으로 조밀하게 배치될 수 있고, 채널 영역들은 게이트 전극층들(120)의 측면에 배치될 수 있어서, 채널 밀도가 높아질 수 있다.
나아가, 소오스 콘택 영역(112a) 및 웰 콘택 영역(114)을 게이트 전극층들(120) 사이에 배치하지 않고 그 외측으로 배치함으로써, 게이트 전극층들(120)을 매우 조밀하게 배치할 수 있다. 이에 따라, 전력 반도체 소자(100)의 채널 밀도가 크게 높아질 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 반도체 소자(100a)를 보여주는 단면도들이다. 전력 반도체 소자(100a)는 도 1 내지 도 4의 전력 반도체 소자(100)에서 일부 구성을 변형한 것이고, 따라서 두 실시예들은 서로 참조될 수 있고 중복된 설명은 생략된다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 전력 반도체 소자(100a)는 드리프트 영역(107)의 일부분, 예컨대 돌출 부분(107c), 소오스 영역(112)의 일부분 및 웰 영역(110)의 일부분을 식각하여 형성된 적어도 하나의 홈(138)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 홈(138)은 도 1 내지 도 4의 전력 반도체 소자(100)에서 소오스 콘택 영역(112a)의 적어도 일부분을 식각하여 형성할 수 있다.
웰 콘택 영역(114a)은 홈(138)으로부터 노출된 웰 영역(110)의 일부분 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 웰 콘택 영역(114a)은 홈(138)의 바닥면의 웰 영역(110)의 일부분 상에 형성될 수 있다. 웰 콘택 영역(114a)은 제 2 도전형을 갖고, 웰 영역(110)보다 고농도로 도핑될 수 있다.
소오스 전극층(140a)은 홈(138)을 채우도록 형성되어, 홈(138) 내에서 웰 콘택 영역(114a), 드리프트 영역(107)의 돌출 부분(107c) 및 소오스 영역(112)과 공통으로 접촉될 수 있다. 소오스 전극층(140a)과 드리프트 영역(107)의 돌출 부분(107c)의 접촉은 쇼트키 배리어 다이오드(SBD)를 형성할 수 있다.
이러한 구조는 소오스 전극층(140a)과 소오스 전극층(140a)과 소오스 영역(112), 웰 콘택 영역(114a) 사이의 접촉 면적을 넓혀서 이들 사이의 콘택 저항을 줄이는 데 도움이 될 수 있다.
일부 실시예에서, 웰 콘택 영역(114a)은 홈(138)에 의해서 노출된 웰 영역(110)의 표면 상에 전체적으로 형성될 수도 있다. 따라서, 웰 콘택 영역(114a)은 홈(138)의 바닥면 및 측벽으로부터 노출된 웰 영역(110) 상에 형성될 수 있다. 이러한 웰 콘택 영역(114a)의 구조는 소오스 전극층(140a)과 웰 영역(110)의 콘택 저항을 더 줄이는 역할을 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 반도체 소자(100b)를 보여주는 단면도이다. 이 실시예에 따른 전력 반도체 소자(100b)는 도 1 내지 도 4의 전력 반도체 소자(100)를 이용하거나 일부 변형한 것이고, 따라서 중복된 설명은 생략된다.
도 7을 참조하면, 전력 반도체 소자(100b)에 있어서, 소오스 영역(112)은 게이트 전극층(120)의 신장 방향을 따라서 연속적으로 연결되게 형성될 수 있다. 예를 들어, 소오스 영역(112)은 게이트 전극층(120)의 상부 영역을 둘러싸도록 넓게 형성될 수 있다. 이와 같이, 소오스 영역(112)이 넓게 형성되면, 드레인 영역(102)에서 소오스 영역(112)으로 전하의 이동 경로가 넓어질 수 있다.
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.
100: 전력 반도체 소자
102: 드레인 영역
105: 반도체층
107: 드리프트 영역
108: 정션저항 감소 영역
110: 웰 영역
112: 소오스 영역
118: 게이트 절연층
120: 게이트 전극층
130: 층간 절연층
140: 소오스 전극층
102: 드레인 영역
105: 반도체층
107: 드리프트 영역
108: 정션저항 감소 영역
110: 웰 영역
112: 소오스 영역
118: 게이트 절연층
120: 게이트 전극층
130: 층간 절연층
140: 소오스 전극층
Claims (9)
- 실리콘 카바이드(SiC)의 반도체층;
상기 반도체층의 표면으로부터 상기 반도체층 내부로 소정 깊이만큼 리세스 되어 형성되고 일 방향으로 신장된 적어도 하나의 트렌치;
상기 적어도 하나의 트렌치의 적어도 내벽 상에 형성된 게이트 절연층;
상기 적어도 하나의 트렌치를 매립하도록 상기 게이트 절연층 상에 형성된 적어도 하나의 게이트 전극층;
상기 적어도 하나의 게이트 전극층 하부의 상기 반도체층에 형성되고, 제 1 도전형을 갖는 드리프트 영역;
상기 드리프트 영역에 접하고 상기 적어도 하나의 게이트 전극층의 적어도 양측벽들 및 바닥 모서리들을 둘러싸도록 상기 반도체층에 형성되고, 제 2 도전형을 갖는 웰 영역;
상기 적어도 하나의 게이트 전극층의 바닥면 아래에 상기 드리프트 영역과 연결되게 상기 반도체층에 형성되고, 제 1 도전형을 갖는 정션저항 감소 영역;
상기 웰 영역 내 또는 상기 웰 영역 상에 형성되고 제 1 도전형을 갖는 소오스 영역; 및
상기 소오스 영역과 연결되고, 상기 드리프트 영역의 일부분과 접촉하여 쇼트키 배리어 다이오드를 형성하는 소오스 전극층;을 포함하고,
상기 적어도 하나의 게이트 전극층의 일부는 상기 적어도 하나의 트렌치 외부로 더 신장되고, 상기 적어도 하나의 트렌치가 신장된 상기 일 방향과 교차하는 방향으로 신장되며,
상기 소오스 영역의 일부는 상기 적어도 하나의 게이트 전극층의 일부의 신장 방향을 따라서 라인 타입으로 형성되어 상기 적어도 하나의 게이트 전극층의 일부와 접하며,
상기 웰 영역은 상기 소오스 영역의 일부의 양측벽들 및 바닥면을 둘러싸는,
전력 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 드리프트 영역의 상기 일부분은 상기 소오스 영역 및 상기 웰 영역을 관통하는 돌출 부분을 포함하고,
상기 쇼트키 배리어 다이오드는 상기 소오스 전극층이 상기 드리프트 영역의 상기 돌출 부분과 접촉되어 형성되는,
전력 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 정션저항 감소 영역의 제 1 도전형의 불순물의 도핑 농도는 상기 드리프트 영역의 제 1 도전형의 불순물의 도핑 농도보다 높은,
전력 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 게이트 전극층의 일단의 외측의 상기 소오스 영역 내 소오스 콘택 영역; 및
상기 소오스 콘택 영역 내에 상기 웰 영역으로부터 소오스 영역을 관통하여 신장되고 제 2 도전형을 갖고, 상기 웰 영역보다 고농도로 도핑된 웰 콘택 영역을 더 포함하고,
상기 소오스 전극은 상기 소오스 콘택 영역과 접하여, 상기 소오스 영역, 상기 웰 콘택 영역 및 상기 드리프트 영역의 상기 일부분과 접하는,
전력 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 정션저항 감소 영역 및 상기 소오스 영역 사이에 상기 적어도 하나의 게이트 전극층의 측벽을 따라서 상기 반도체층에 형성된 채널 영역을 포함하는,
전력 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 트렌치는 상기 일 방향을 따라서 상기 반도체층에 나란하게 형성된, 복수의 트렌치들을 포함하고,
상기 적어도 하나의 게이트 전극층은 상기 복수의 트렌치들을 매립하여 형성된 복수의 게이트 전극층들을 포함하는,
전력 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 트렌치는 상기 일 방향으로 일렬로 이격 배치된 복수의 트렌치들을 포함하고,
상기 적어도 하나의 게이트 전극층은 상기 복수의 트렌치들을 매립하여 형성된 복수의 게이트 전극층들을 포함하는,
전력 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 드리프트 영역의 일부분, 상기 소오스 영역의 일부분 및 상기 웰 영역의 일부분을 식각하여 형성된 적어도 하나의 홈; 및
상기 적어도 하나의 홈의 바닥면의 상기 웰 영역의 일부분 상에 형성되고, 제 2 도전형을 갖는 웰 콘택 영역을 더 포함하고,
상기 소오스 전극층은 상기 적어도 하나의 홈을 채우도록 형성되어, 상기 적어도 하나의 홈 내에서 상기 드리프트 영역, 상기 소오스 영역 및 상기 웰 콘택 영역과 공통으로 접촉되는,
전력 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 드리프트 영역 하부의 상기 반도체층에 형성되고 제 1 도전형을 갖는 드레인 영역을 더 포함하고,
상기 드리프트 영역은 상기 드레인 영역 상에 에피택셜층으로 형성된,
전력 반도체 소자.
Priority Applications (1)
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