KR102572266B1 - 실리콘 카바이드 소자 - Google Patents

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KR102572266B1
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Abstract

본 출원에서는 실리콘 카바이드 소자를 개시하였다. 상기 실리콘 카바이드 기판 내에 위치하고, 교대로 이격되게 배치된 게이트 트렌치와 소스 트렌치; 게이트 트렌치에 위치하며 제1 절연층에 의해 제2 n형 실리콘 카바이드층과 격리되고, 제2 절연층에 의해 p형 실리콘 카바이드층과 제3 n형 실리콘 카바이드층과 격리되는 게이트; 소스 트렌치 내에 위치하고 p형 실리콘 카바이드층 및 제3 n형 실리콘 카바이드층과 연결되며 제3 절연층에 의해 소스 트렌치의 측벽위치에 위치하는 제2 n형 실리콘 카바이드층과 격리되는 소스; 제2 n형 실리콘 카바이드층 내에 위치하고 소스 트렌치의 하부위치에 위치하며 소스 트렌치의 바닥부 위치에서 소스와 연결되는 p형 우물영역을 포함한다. 본 출원의 실리콘 카바이드 소자는 게이트가 파괴되는 위험을 감소시키고, 소자의 내전압을 향상시킨다.

Description

실리콘 카바이드 소자
본 출원은 반도체소자 기술분야에 속하는 것으로서, 예를 들어 실리콘 카바이드 소자에 관한 것이다.
본 출원은 2020년 11월 16일에 중국특허청에 제출된 출원번호가 202011280134.5인 중국특허출원을 우선권으로 주장하는 바, 해당 출원의 내용 전부는 본 출원에 인용된다.
실리콘 카바이드는 기존의 실리콘 반도체 재료와 다른 많은 특성을 가지고 있으며, 이의 에너지 밴드갭은 실리콘의 2.8배이고, 절연파괴 전계 강도는 실리콘의 5.3배이기에, 고전압 전력소자 분야에서, 실리콘 카바이드 소자는 실리콘 재료보다 더 얇은 에피택셜층을 사용하여 기존의 실리콘 소자와 동일한 내전압 수준에 도달할 수 있으며, 동시에 더 낮은 온저항을 구비한다. 현재, 실리콘 카바이드로 제조된 트렌치 전력소자의 주요 문제는 소자가 작동 중에서 게이트 트렌치 내의 게이트유전체층에 아주 큰 전기장이 인가되기에, 게이트가 쉽게 파괴되어 소자의 내전압에 영향을 준다.
본 출원에서는 게이트 파괴의 위험을 감소시키고, 소자의 내전압을 향상시키는 실리콘 카바이드 소자를 제공한다.
본 출원에서는 실리콘 카바이드 소자를 제공하고, 실리콘 카바이드 소자는 실리콘 카바이드 기판, 게이트 트렌치와 소스 트렌치, 게이트, 소스 및 p형 우물영역을 포함하되,
상기 실리콘 카바이드 기판은 순차적으로 적층된 제1 n형 실리콘 카바이드층, 제2 n형 실리콘 카바이드층, p형 실리콘 카바이드층 및 제3 n형 실리콘 카바이드층을 포함하고,
상기 게이트 트렌치와 소스 트렌치는 상기 실리콘 카바이드 기판 내에 위치하고, 교대로 이격되게 배치되며, 상기 게이트 트렌치의 바닥부와 상기 소스 트렌치의 바닥부는 모두 상기 제2 n형 실리콘 카바이드층 내에 위치하며;
상기 게이트는 상기 게이트 트렌치 내에 위치하고, 상기 게이트는 제1 절연층에 의해 상기 제2 n형 실리콘 카바이드층과 격리되고, 상기 게이트는 제2 절연층에 의해 상기 p형 실리콘 카바이드층 및 상기 제3 n형 실리콘 카바이드층과 격리되며;
상기 소스는 상기 소스 트렌치 내에 위치하고, 상기 소스는 상기 p형 실리콘 카바이드층 및 상기 제3 n형 실리콘 카바이드층과 연결되고, 상기 소스는 제3 절연층에 의해 상기 소스 트렌치의 측벽에 위치하는 상기 제2 n형 실리콘 카바이드층과 격리되고;
상기 p형 우물영역은 상기 제2 n형 실리콘 카바이드층 내에 위치하고 상기 소스 트렌치의 바닥부에 위치하며, 상기 p형 우물영역과 상기 소스는 상기 소스 트렌치의 바닥부 위치에서 연결된다.
선택적으로, 상기 게이트 트렌치의 깊이와 상기 소스 트렌치의 깊이는 같다.
선택적으로, 상기 소스 트렌치의 폭은 상기 게이트 트렌치의 폭보다 크다.
선택적으로, 상기 제1 절연층의 두께는 상기 제2 절연층의 두께보다 크다.
선택적으로, 상기 제1 절연층은 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 실리콘 옥시나이트라이드, 알루미나, 하프늄 옥사이드 중의 적어도 하나이다.
선택적으로, 상기 제2 절연층은 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 실리콘 옥시나이트라이드, 알루미나, 하프늄 옥사이드 중의 적어도 하나이다.
선택적으로, 상기 제3 절연층은 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 실리콘 옥시나이트라이드, 알루미나, 하프늄 옥사이드 중의 적어도 하나이다.
선택적으로, 상기 게이트는 도전성 다결정 실리콘, 티타늄, 니켈, 구리, 알루미늄, 은, 금, 질화티타늄, 텅스텐 중의 적어도 하나이다.
선택적으로, 상기 소스는 도전성 다결정 실리콘, 티타늄, 니켈, 구리, 알루미늄, 은, 금, 질화티타늄, 텅스텐 중의 적어도 하나이다.
본 출원의 실리콘 카바이드 소자는 우선, 소스 트렌치 하방의 p형 우물영역은 소스 트렌치 바닥부 근처의 전기장을 증가할 수 있고, 가장 높은 전기장을 소스 트렌치 바닥부의 pn접합으로 제한하여, 게이트 트렌치 내의 게이트가 쉽게 파괴되지 않게 보호하여, 소자의 내전압을 향상하고; 다음, 게이트 트렌치의 하부 내에 두께가 더 큰 제1 절연층을 사용함으로써, 게이트가 파괴되지 않도록 한층 더 보호할 수 있다.
도 1은 본 출원에서 제공하는 실리콘 카바이드 소자의 일 실시예의 단면구조 개략도이다.
아래, 본 출원 실시예의 도면을 참조하면서 본 출원의 기술방안을 완전하게 설명한다. 본 출원에서 사용되는 "구비한다", "포함한다" 및 "포괄한다" 등 용어는 하나 또는 그 이상의 다른 소자 또는 이들의 조합이 존재하는 경우를 배제하지 않음을 이해해야 한다. 또한, 본 출원의 구체적인 실시형태를 명확하게 설명하기 위하여, 명세서의 도면에 도시된 개략도는 본 출원에서 설명된 층과 영역의 두께를 확대한 것이며, 도면의 크기는 실제 크기를 나타내지 않는다.
도 1은 본 출원에서 제공하는 실리콘 카바이드 소자의 일 실시예의 단면구조 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 출원의 실리콘 카바이드 소자는 실리콘 카바이드 기판(20)을 포함하되, 실리콘 카바이드 기판(20)은 순차적으로 적층된 제1 n형 실리콘 카바이드층(21), 제2 n형 실리콘 카바이드층(22), p형 실리콘 카바이드층(23) 및 제3 n형 실리콘 카바이드층(24)을 포함하고, 제1 n형 실리콘 카바이드층(21)은 실리콘 카바이드 소자의 n형 드레인영역이다.
게이트 트렌치(41)와 소스 트렌치(42)는 실리콘 카바이드 기판(20) 내에 위치하고 교대로 이격되게 배치되며, 게이트 트렌치(41)의 바닥부와 소스 트렌치(42)의 바닥부는 모두 제2 n형 실리콘 카바이드층(22) 내에 위치한다. 게이트 트렌치(41)와 소스 트렌치(42)의 수량은 설계하고자 하는 실리콘 카바이드 소자의 규격에 따라 결정되고, 본 출원의 실시예에서 단지 예시적으로 하나의 게이트 트렌치(41)와 두 개의 소스 트렌치(42)를 도시하였다. 게이트 트렌치(41)의 깊이와 소스 트렌치(42)의 깊이는 동일할 수 있으므로, 게이트 트렌치(41)와 소스 트렌치(42)는 동일한 식각공정에서 동시에 형성될 수 있다.
게이트 트렌치(41)와 소스 트렌치(42)의 사이에 위치하는 p형 실리콘 카바이드층(23)은 실리콘 카바이드 소자의 p형 바디영역으로 될 수 있고, 게이트 트렌치(41)와 소스 트렌치(42)의 사이에 위치하는 제3 n형 실리콘 카바이드층(24)은 실리콘 카바이드 소자의 n형 소스영역으로 될 수 있다.
게이트 트렌치(41) 내에 위치하는 게이트(27)는 제1 절연층(26) 에 의해 제2 n형 실리콘 카바이드층(22)과 격리되고, 제1 절연층(26)의 재료는 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 실리콘 옥시나이트라이드, 알루미나, 하프늄 옥사이드 중의 적어도 하나일 수 있고, 게이트(27)의 재료는 도전성 다결정 실리콘, 티타늄, 니켈, 구리, 알루미늄, 은, 금, 질화티타늄, 텅스텐 중의 적어도 하나일 수 있으며; 게이트(27)는 제2 절연층(28)에 의해 p형 실리콘 카바이드층(23) 및 제3 n형 실리콘 카바이드층(24)과 격리되고, 제2 절연층(28)의 재료는 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 실리콘 옥시나이트라이드, 알루미나, 하프늄 옥사이드 중의 적어도 하나일 수 있으며, 유전상수가 높은 기타 절연매체일 수도 있다. 제1 절연층(26)의 두께는 제2 절연층(28)의 두께와 같을 수 있고, 또한 제1 절연층(26)의 재료와 제2 절연층(28)의 재료는 같을 수 있으므로, 제1 절연층(26)과 제2 절연층(28)은 동일한 제조공정에서 형성될 수 있으며; 제1 절연층(26)의 두께는 제2 절연층(28)의 두께보다 클 수 있으며, 이는 게이트 트렌치(41) 내의 게이트(27)가 쉽게 파괴되지 않도록 보호할 수 있다.
소스 트렌치(42) 내에 위치하는 소스(29)는 p형 실리콘 카바이드층(23) 및 제3 n형 실리콘 카바이드층(24)과 연결되고, 소스(29)는 제3 절연층(30)에 의해 소스 트렌치(42)의 측벽에 위치하는 제2 n형 실리콘 카바이드층(22)과 격리된다. 제3 절연층(30)의 재료는 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 실리콘 옥시나이트라이드, 알루미나, 하프늄 옥사이드 중의 적어도 하나일 수 있고, 소스(29)의 재료는 도전성 다결정 실리콘, 티타늄, 니켈, 구리, 알루미늄, 은, 금, 질화티타늄, 텅스텐 중의 적어도 하나일 수 있다. 제3 절연층(30)의 재료는 제1 절연층(26)의 재료와 같을 수 있으므로, 제3 절연층(30)과 제1 절연층(26)은 동일한 제조공정에서 형성될 수 있으며, 이로써 실리콘 카바이드 소자의 제조공정을 간소화할 수 있다.
소스 트렌치(42)의 폭은 게이트 트렌치(41)의 폭보다 클 수 있으므로, 게이트 트렌치(41) 내의 제1 절연층(26)을 보다 쉽게 형성할 수 있어, 본 출원의 실리콘 카바이드 소자의 제조공정을 간소화할 수 있다.
제2 n형 실리콘 카바이드층(22) 내에 위치하고 소스 트렌치(42)의 바닥부에 위치하는 p형 우물영역(31)과 소스(29)는 소스 트렌치(42)의 바닥부에서 연결된다. p형 우물영역(31)과 제2 n형 실리콘 카바이드층(22)은 pn접합구조를 형성하여 소스 트렌치 바닥부 근처의 전기장을 증가하고 실리콘 카바이드 소자 내의 가장 높은 전기장을 소스 트렌치(42) 하방의 pn접합으로 제한하여 게이트 트렌치(41) 내의 게이트(27)가 쉽게 파괴되지 않도록 보호하고 소자의 내전압을 향상한다.

Claims (9)

  1. 실리콘 카바이드 기판, 게이트 트렌치와 소스 트렌치, 게이트, 소스 및 p형 우물영역을 포함하되,
    상기 실리콘 카바이드 기판은 순차적으로 적층된 제1 n형 실리콘 카바이드층, 제2 n형 실리콘 카바이드층, p형 실리콘 카바이드층 및 제3 n형 실리콘 카바이드층을 포함하고;
    상기 게이트 트렌치와 소스 트렌치는 상기 실리콘 카바이드 기판 내에 위치하고, 교대로 이격되게 배치되며, 상기 게이트 트렌치의 바닥부와 상기 소스 트렌치의 바닥부는 모두 상기 제2 n형 실리콘 카바이드층 내에 위치하며;
    상기 게이트는 상기 게이트 트렌치 내에 위치하고, 상기 게이트는 제1 절연층에 의해 상기 제2 n형 실리콘 카바이드층과 격리되고, 상기 게이트는 제2 절연층에 의해 상기 p형 실리콘 카바이드층 및 상기 제3 n형 실리콘 카바이드층과 격리되며;
    상기 소스는 상기 소스 트렌치 내에 위치하고, 상기 소스는 상기 제2 n형 실리콘 카바이드층, 상기 p형 실리콘 카바이드층, 상기 제3 n형 실리콘 카바이드층에 위치하며, 상기 소스는 상기 p형 실리콘 카바이드층 및 상기 제3 n형 실리콘 카바이드층과 연결되고, 상기 소스는 제3 절연층에 의해 상기 소스 트렌치의 측벽에 위치하는 상기 제2 n형 실리콘 카바이드층과 격리되고;
    상기 p형 우물영역은 상기 제2 n형 실리콘 카바이드층 내에 완전히 위치하고 상기 소스 트렌치의 바닥부의 하면에 위치하며, 상기 p형 우물영역과 상기 소스는 상기 소스 트렌치의 바닥부 위치에서 연결되는 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 게이트 트렌치의 깊이와 상기 소스 트렌치의 깊이가 같은 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 소스 트렌치의 폭은 상기 게이트 트렌치의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 절연층의 두께는 상기 제2 절연층의 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 절연층의 재료는 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 실리콘 옥시나이트라이드, 알루미나, 하프늄 옥사이드 중의 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제3 절연층의 재료는 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 실리콘 옥시나이트라이드, 알루미나, 하프늄 옥사이드 중의 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 절연층의 재료는 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 실리콘 옥시나이트라이드, 알루미나, 하프늄 옥사이드 중의 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 게이트의 재료는 도전성 다결정 실리콘, 티타늄, 니켈, 구리, 알루미늄, 은, 금, 질화티타늄, 텅스텐 중의 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 소스의 재료는 도전성 다결정 실리콘, 티타늄, 니켈, 구리, 알루미늄, 은, 금, 질화티타늄, 텅스텐 중의 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 소자.
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