KR20110015788A - Trench gate semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 트렌치 게이트 구조를 가지는 전력용 반도체 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a power semiconductor device having a trench gate structure.
최근 전력용 반도체가 사용되는 장치들이 대용량화됨에 따라 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터)나 전력 MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, 금속 산화막 반도체 계 효과 트랜지스터)과 같은 전력 반도체 소자에 대한 수요가 급증하고 있을 뿐 아니라, 전력 반도체 소자는 점차 고효율화되고 있다. Recently, as devices using power semiconductors have increased in volume, power semiconductor devices such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) and power MOSFETs (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) Not only is demand soaring, but power semiconductor devices are becoming more efficient.
고전압, 고전류 응용 분야에 널리 사용되는 IGBT는 높은 항복 전압이 매우 중요한 특성으로, 이 항복 전압을 보다 높이기 위한 연구가 계속되고 있다. IGBT는 게이트에 전압을 가하여 채널을 형성하고 전자와 홀에 의한 전류의 흐름을 제어하는 일종의 스위칭 소자로서, 오프 상태에서 콜렉터(collector)-에미터(emitter)에 인가할 수 있는 최대 전압으로 정의되는 항복 전압은 주로 P 베이스(base)에 집중되는 최대 전계에 의해 결정된다. Widely used in high voltage and high current applications, IGBTs have high breakdown voltages, and research on increasing breakdown voltages is ongoing. IGBT is a kind of switching device that applies voltage to gate to form channel and controls the flow of current through electrons and holes. It is defined as the maximum voltage that can be applied to collector-emitter in off state. The breakdown voltage is mainly determined by the maximum electric field concentrated at the P base.
IGBT 또는 MOSFET과 같은 전력 반도체 소자의 게이트는 플래너 구조 또는 트렌치 구조 등 다양한 형태를 가질 수 있다. The gate of a power semiconductor device such as an IGBT or a MOSFET may have various forms such as a planar structure or a trench structure.
트렌치 게이트(trench gate) 구조의 반도체 소자는 플래너 게이트(planar gate) 구조의 반도체 소자에 비해 단위 면적당 집적 가능한 셀(cell)의 개수가 많기 때문에(즉, 셀의 집적 밀도를 높일 수 있기 때문에) 이에 대응하여 높은 전류 밀도로 인하여 전도성이 우수한 특성을 가진다. 또한, 트렌치 게이트 구조의 IGBT는 구조상 플래너 게이트 구조에서 나타나는 기생 접합형 전계 효과 트랜지스터 영역 성분이 발생하지 않고 수직적으로 보다 큰 밀도의 채널이 형성되어 플래너 게이트 구조의 IGBT보다 우수한 온(on) 상태의 특성을 가진다. Since the trench gate structure of the semiconductor device has a larger number of cells per unit area than the planar gate structure of the semiconductor device, that is, the integration density of the cell can be increased. Correspondingly, the conductivity is excellent due to the high current density. In addition, the IGBT of the trench gate structure has an on-state characteristic that is superior to that of the planar gate structure because the channel of higher density is formed vertically without the parasitic junction field effect transistor region component of the planar gate structure. Has
그러나, 트렌치 게이트 구조의 반도체 소자는 오프 상태일 때, 트렌치 게이트 하부에 전계가 집중되어 플래너 게이트 구조의 반도체 소자에 비해 낮은 항복 전압을 가지는 문제점이 있다. However, when the semiconductor device of the trench gate structure is in the off state, an electric field is concentrated under the trench gate, so that a breakdown voltage is lower than that of the semiconductor device of the planar gate structure.
즉, 복수의 트렌치 중에서 반도체 기판의 에지 터미네이션 영역으로부터 멀리 배치된 내측(예를 들어, 액티브 영역) 트렌치 영역에서는 그 측면 및 바닥면을 따라 공핍층이 확대되어 전계가 고르게 분포된다. 그러나, 에지 터미네이션 영역쪽으로 가장 근접하게 배치된 최외측 트렌치 근방에서는 그보다 외측에 트렌치가 없어 공핍층의 확대가 제한되어 전계 강도가 다른 부분보다 강하게 걸려 최외측 트렌치 영역에서 항복 현상의 발생이 용이해진다. That is, in an inner (eg, active region) trench region disposed far from an edge termination region of the semiconductor substrate among the plurality of trenches, a depletion layer is extended along the side and bottom surfaces thereof to evenly distribute the electric field. However, in the vicinity of the outermost trench disposed closest to the edge termination region, there is no trench on the outer side thereof, thereby limiting the expansion of the depletion layer, so that the field strength is stronger than that of other portions, so that the occurrence of a breakdown phenomenon is facilitated in the outermost trench region.
항복 현상 발생시 대전류가 최외측 트렌치 영역에 집중적으로 흘러 IGBT가 열화되어 파괴될 우려가 있으므로, 최외측에 위치한 트렌치 게이트의 하단부에 발생하는 전계 집중을 완화하여 반도체 디바이스의 항복 전압 특성을 개선하고, 트렌치 게이트 산화막의 열화를 완화하는 방안이 요구된다. When the breakdown occurs, a large current flows intensively into the outermost trench region, which may deteriorate and destroy the IGBT. Therefore, by reducing electric field concentration occurring at the lower end of the outermost trench gate, the breakdown voltage characteristics of the semiconductor device are improved and the trench is reduced. A method of alleviating deterioration of the gate oxide film is required.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.The background art described above is technical information possessed by the inventors for the derivation of the present invention or acquired during the derivation process of the present invention, and is not necessarily a publicly known technique disclosed to the general public before the application of the present invention.
본 발명은 높은 항복 전압과 함께 견고한 특성을 가지도록 하여 같은 정격의 반도체 소자 이용시 보다 안전한 동작을 확보할 수 있도록 하는 트렌치 게이트 구조를 가지는 반도체 소자를 제공하기 위한 것이다.The present invention is to provide a semiconductor device having a trench gate structure to ensure a safe operation when using a semiconductor device of the same rating by having a robust characteristic with a high breakdown voltage.
또한 본 발명은 항복 전압 상태에서 트렌치 게이트의 하단부에 발생하는 전계 집중을 완화하여 반도체 소자의 항복 전압 특성을 개선하고 트렌치 게이트 산화막의 열화를 완화할 수 있는 트렌치 게이트 구조를 가지는 반도체 소자를 제공하기 위한 것이다.In addition, the present invention is to provide a semiconductor device having a trench gate structure capable of reducing the electric field concentration occurring at the lower end of the trench gate in the breakdown voltage state to improve the breakdown voltage characteristics of the semiconductor device and to mitigate deterioration of the trench gate oxide layer. will be.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.Other objects of the present invention will be readily understood through the following description.
본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 도전형 반도체 기판을 이용하여 생성되는 트렌치 게이트 구조의 반도체 소자로서, 액티브 영역(active area); 상기 액티브 영역을 둘러싸는 에지 터미네이션 영역(edge termination area); 및 상기 액티브 영역과 상기 에지 터미네이션 영역의 사이에 위치되는 주변 영역(peripheral area)을 포함하되, 상기 주변 영역에 형성된 제2 도전형 웰(well)은 적어도 최외측 트렌치를 내부에 수납하는 접합 깊이를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 트렌치 게이트 구조를 가지는 반도체 소자가 제공된다.According to an aspect of the present invention, a semiconductor device having a trench gate structure formed using a first conductivity type semiconductor substrate, the semiconductor device comprising: an active area; An edge termination area surrounding the active area; And a peripheral area positioned between the active area and the edge termination area, wherein a second conductivity type well formed in the peripheral area has a junction depth for accommodating at least the outermost trench therein. There is provided a semiconductor device having a trench gate structure, which is formed to have.
상기 주변 영역에 형성된 제2 도전형 웰은 상기 에지 터미네이션 영역에 형성된 제2 도전형 웰과 동일하거나 그 이상의 접합 깊이로 형성될 수 있다.The second conductivity type well formed in the peripheral region may be formed to the same or greater junction depth than the second conductivity type well formed in the edge termination region.
상기 주변 영역에 형성된 제2 도전형 웰은 상기 에지 터미네이션 영역에 형성된 제2 도전형 웰과 동일하거나 그 이상의 농도로 형성될 수 있다.The second conductivity type well formed in the peripheral region may be formed at the same concentration or higher than the second conductivity type well formed in the edge termination region.
상기 주변 영역에는 둘 이상의 제2 도전형 웰이 수평으로 형성되고, 상기 최외측 트렌치를 내부에 수납하는 제2 도전형 웰이 상대적으로 깊은 접합 깊이를 가지도록 형성될 수 있다.Two or more second conductive wells may be horizontally formed in the peripheral region, and the second conductive wells accommodating the outermost trench may have a relatively deep junction depth.
상기 주변 영역에는 농도를 달리하는 둘 이상의 제2 도전형 웰이 수평으로 형성되고, 상기 최외측 트렌치를 내부에 수납하는 제2 도전형 웰이 상대적으로 높은 농도로 형성될 수 있다.Two or more second conductivity type wells having different concentrations may be horizontally formed in the peripheral region, and a second conductivity type well containing the outermost trench may be formed at a relatively high concentration.
상기 주변 영역과 상기 액티브 영역에 각각 형성된 트렌치는 폭 및 메사(mesa) 중 하나 이상이 일치하지 않을 수 있다.The trenches formed in the peripheral area and the active area may not match at least one of a width and a mesa.
상기 주변 영역에 형성된 제2 도전형 웰(well)은 상기 액티브 영역을 둘러싸도록 환형(closed loop)으로 형성될 수 있다.The second conductivity type wells formed in the peripheral area may be formed in a closed loop to surround the active area.
상기 액티브 영역, 상기 에지 터미네이션 영역 및 상기 주변 영역에 각각 형성된 제2 도전형 웰 중 하나 이상은 수평적으로 인접한 제2 도전형 웰에 접촉되도록 확산 처리될 수 있다.One or more of the second conductivity type wells formed in the active region, the edge termination region, and the peripheral region may be diffused to contact the second conductivity type well that is horizontally adjacent.
상기 액티브 영역에 형성된 각 트렌치들 중 하나 이상은 그 말단부가 트렌치 벽에 평행하지 않은 방향으로 연장되어 이웃하는 트렌치와 연결될 수 있다.One or more of each of the trenches formed in the active region may be connected to neighboring trenches by distal ends thereof extending in a direction not parallel to the trench walls.
상기 트렌치 게이트 구조의 반도체 디바이스는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 및 금속 산화막 반도체 계 효과 트랜지스터(MOSFET) 중 하나 이상일 수 있다.The trench gate structured semiconductor device may be at least one of an insulated gate bipolar transistor (IGBT) and a metal oxide semiconductor based effect transistor (MOSFET).
본 발명의 실시예에 따르면, 높은 항복 전압과 함께 견고한 특성을 가지도록 하여 같은 정격의 반도체 소자 이용시 보다 안전한 동작을 확보할 수 있도록 하는 효과가 있다.According to the embodiment of the present invention, it has an effect of ensuring a safe operation when using a semiconductor device of the same rating by having a robust characteristic with a high breakdown voltage.
또한 트렌치 게이트의 하단부에 발생하는 전계 집중을 완화하여 반도체 소자의 항복 전압 특성을 개선하고 트렌치 게이트 산화막의 열화를 완화할 수 있는 효과도 있다.In addition, by reducing electric field concentration occurring at the lower end of the trench gate, the breakdown voltage characteristics of the semiconductor device may be improved and the deterioration of the trench gate oxide layer may be alleviated.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.As the invention allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the written description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all transformations, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In the following description of the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 요소 "위(on)"에 존재하는 것으로 또는 "위로(onto)" 확장되는 것으로 기술되는 경우, 그 요소는 다른 요소의 직접 위에 있거나 직접 위로 확장될 수 있고, 또는 중간의 개입 요소가 존재할 수도 있 다. 반면에, 하나의 요소가 다른 요소 "바로 위(directly on)"에 있거나 "바로 위로(directly onto)" 확장된다고 언급되는 경우, 다른 중간 요소들은 존재하지 않는다. 또한, 하나의 요소가 다른 요소에 "연결(connected)"되거나 "결합(coupled)"된다고 기술되는 경우, 그 요소는 다른 요소에 직접 연결되거나 직접 결합될 수 있고, 또는 중간의 개입 요소가 존재할 수도 있다. 반면에, 하나의 요소가 다른 요소에 "직접 연결(directly connected)"되거나 "직접 결합(directly coupled)"된다고 기술되는 경우에는 다른 중간 요소가 존재하지 않는다.If an element such as a layer, region or substrate is described as being on or "onto" another element, the element may be directly above or directly above another element and There may also be intervening elements. On the other hand, if one element is mentioned as being "directly on" or extending "directly onto" another element, no other intermediate elements are present. In addition, when one element is described as being "connected" or "coupled" to another element, the element may be directly connected to or directly coupled to another element, or an intermediate intervening element may be present. have. On the other hand, when one element is described as being "directly connected" or "directly coupled" to another element, no other intermediate element exists.
"아래의(below)" 또는 "위의(above)" 또는 "상부의(upper)" 또는 "하부의(lower)" 또는 "수평의(horizontal)" 또는 "측면의(lateral)" 또는 "수직의(vertical)"와 같은 상대적인 용어들은 여기에서 도면에 도시된 바와 같이 하나의 요소, 층 또는 영역의 다른 요소, 층 또는 영역에 대한 관계를 기술하는데 사용될 수 있다. 이들 용어들은 도면에 묘사된 방향(orientation)에 부가하여 장치의 다른 방향을 포괄하기 위한 의도를 갖는 것으로 이해되어야 한다."Below" or "above" or "upper" or "lower" or "horizontal" or "lateral" or "vertical" Relative terms such as "vertical" may be used herein to describe a relationship of one element, layer or region to another element, layer or region, as shown in the figures. It is to be understood that these terms are intended to encompass other directions of the device in addition to the orientation depicted in the figures.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 일반적인 반도체 소자의 평면도이고, 도 2는 도 1의 a-b 부분에서 도시한 단면도이며, 도 3 및 도 4는 각각 플래너 게이트 구조의 IGBT와 트렌치 게이트 구조의 IGBT의 항복 전압 특성을 나타낸 도면이다.1 is a plan view of a general semiconductor device, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the ab portion of FIG. 1, and FIGS. 3 and 4 are diagrams illustrating breakdown voltage characteristics of an IGBT of a planar gate structure and an IGBT of a trench gate structure, respectively. .
도 1 및 도 2를 참조하면, 실리콘으로 이루어진 반도체 기판(100)은 서로 대향하는 상측면과 하측면을 가지며, 상측면에는 게이트 패드 전극 형성 영역(110), 전류 도통을 위한 다수의 셀을 포함하는 액티브 영역(120) 및 고내압을 지지하기 위한 에지 터미네이션 영역(130)이 형성되고, 하측면에는 컬렉터 전극(210)이 형성된다. 액티브 영역(120)에는 트렌치 게이트 구조의 게이트 전극과 에미터 전극이 배치되며, 에지 터미네이션 영역(130)은 그 폭에 걸쳐 전계가 보다 균일하게 전개되도록 형성된다.1 and 2, the
게이트 패드와 전기적으로 연결되어 게이트 신호를 전달하는 게이트 버스 라인(140)이 게이트 패드 형성 영역(110)으로부터 연장되어 액티브 영역(120)의 주위를 따라 형성된다. 예를 들어, 게이트 버스 라인(140)은 환형(closed loop)으로 형성될 수도 있으나, 그 형성 형태가 환형으로 제한되지 않음은 당연하다. 이하에서는, 설명의 편의상 액티브 영역(120)의 주변부로서 게이트 버스 라인(140)이 형성되는 영역을 주변 영역(peripheral area)이라 칭하기로 한다.A
도 1의 a-b 부분의 단면도가 도시된 도 2를 참조하면, 반도체 기판(100)은 N형 에미터 영역(215), N형 에미터 영역(215) 하부에 형성되는 P형 바디 영역(220), 드리프트 영역이라 칭해질 수 있는 N형 베이스 영역(225) 및 P형 컬렉터 영역(230)을 가진다. Referring to FIG. 2, which is a cross-sectional view of an ab portion of FIG. 1, the
P형 바디 영역(220)에 둘러싸여 형성되는 트렌치(235)의 내부에는 폴리실리콘(poly-silicon)으로 이루어진 게이트 도전체(245)가 배치되며, 게이트 도전체(245)와 트렌치 내측 벽면 사이에는 게이트 절연막(gate oxide)(240)이 형성된다. A
게이트 도전체(245)는 게이트 절연막(240)을 통해 P형 바디 영역(220)에 대향되어 있으므로 P형 바디 영역(220)에 채널을 형성하기 위한 게이트 전극으로서 기능한다. 즉, 게이트 전극에 인가되는 전압을 이용하여 게이트 절연막(240)과 P형 바디 영역(220)의 경계면에 채널 형성을 제어함으로써 컬렉터와 에미터 양단의 전압 및 반도체 소자의 온/오프 동작이 제어된다.Since the
반도체 소자가 오프 상태에서 컬렉터와 에미터간에 전압이 인가되면 P형 바디 영역(220)과 N형 베이스 영역(225) 사이에 역방향으로 전압이 분포하게 되고, 컬렉터와 에미터간에 인가되는 전압이 점점 증가함에 따라 결국 반도체 디바이스는 항복 상태로 돌입하게 된다. 이때 전계는 PN 접합(Junction) 영역과 트렌치 게이트의 바닥 영역에 집중되며, 특히 배열된 트렌치들 중 최외측에 위치한(즉, 에지 터미네이션 영역(130)에 가장 가까운 위치의) 트렌치(250)의 바닥 부분에 집중된다. 이러한 전계 집중 현상은 반도체 디바이스의 견고성(ruggedness)이나 항복 전압 특성에 영향을 주는 원인이 된다. When a voltage is applied between the collector and the emitter in the off state of the semiconductor device, voltage is distributed in the reverse direction between the P-
전술한 전계 집중 현상을 설명하기 위하여 1200V급 IGBT의 구조를 이용한 반도체 소자의 시뮬레이션 결과가 도 3 및 도 4에 예시되어 있다. 참고로, 도 3은 플래너 게이트 구조의 IGBT의 에지 터미네이션에 대한 반도체 소자의 시뮬레이션 결과이고, 도 4는 도 3의 시뮬레이션 결과와의 비교를 위해 주변 영역 부위만을 확대하여 나타낸 트렌치 게이트 구조의 IGBT의 에지 터미네이션에 대한 반도체 소자의 시뮬레이션 결과이다.Simulation results of the semiconductor device using the structure of the 1200V class IGBT to illustrate the above-described electric field concentration phenomenon are illustrated in FIGS. 3 and 4. For reference, FIG. 3 is a simulation result of the semiconductor device for the edge termination of the IGBT of the planar gate structure, and FIG. 4 is an edge of the IGBT of the trench gate structure in which only the peripheral region is enlarged for comparison with the simulation result of FIG. 3. Simulation results of the semiconductor device for termination.
주변 영역과 에지 터미네이션 영역(130)을 포함하는 플래너 게이트 구조의 반도체 소자의 항복 전압 특성이 도시된 도 3을 참조하면, 항복 현상 발생시 에지 터미네이션 영역(130)의 첫번째 P형 웰(260)에서 충돌 이온화(impact ionization) 현상이 발생되며, 이때의 항복 전압은 1368V 이다. Referring to FIG. 3, which shows the breakdown voltage characteristics of a planar gate structure semiconductor device including a peripheral region and an
이에 비해, 도 3에 예시된 반도체 소자와 동일한 구조를 포함하며 외곽 영역에 트렌치 게이트가 존재하는 구조의 반도체 소자에 대한 항복 전압 특성이 도시된 도 4의 (a) 내지 (d)를 참조하면, 주변 영역에 트렌치 게이트가 존재하는 경우 항복 현상 발생시 최외측 트렌치의 하단부에 전계가 집중하여 충돌 이온화 (impact ionization) 현상이 발생함을 알 수 있다. 이러한 전계 집중 현상은 주변 영역을 감싸는 P형 웰(270)의 위치와 무관하게 발생되며, 이로 인해 항복 전압이 1200V 이하(예를 들어, 도 4의 (a)인 경우 1170V)로 감소됨을 알 수 있다.On the contrary, referring to FIGS. 4A to 4D, the breakdown voltage characteristics of the semiconductor device having the same structure as that of the semiconductor device illustrated in FIG. 3 and having the trench gate in the outer region are shown. In the case where the trench gate is present in the peripheral region, when the breakdown occurs, an electric field is concentrated at the lower end of the outermost trench, so that impact ionization occurs. This field concentration phenomenon occurs regardless of the position of the P-type well 270 surrounding the surrounding area, and thus, the breakdown voltage is reduced to 1200V or less (for example, 1170V in FIG. 4A). have.
전술한 바와 같이, 트렌치 게이트 구조의 반도체 소자는 항복 전압 발생 모드에서 컬렉터-에미터 양단 전압에 의해 인가되는 수직 및 수평 방향의 강한 전계가 최외측에 위치한 트렌치 셀에 집중된다.As described above, in the semiconductor device of the trench gate structure, a strong electric field in the vertical and horizontal directions applied by the voltage across the collector-emitter in the breakdown voltage generation mode is concentrated in the outermost trench cell.
이러한 전계 집중은 반도체 소자의 항복 전압 특성을 약화시키고, 게이트 산화막의 열화를 촉진하여 반도체 소자의 신뢰성 또한 떨어뜨리게 되며, 동급의 기술을 적용한 플래너 게이트 구조의 반도체 소자에 비하여 낮은 항복 전압을 갖게 하는 원인이 된다.This electric field concentration weakens the breakdown voltage characteristic of the semiconductor device, promotes deterioration of the gate oxide film, and decreases the reliability of the semiconductor device, and causes the breakdown voltage to be lower than that of the planar gate structure semiconductor device employing the same technology. Becomes
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 a-b 부분에서 도시한 트렌치 게이트 구조 IGBT의 단면도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 기판의 평면도이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 트렌치 게이트 구조의 IGBT의 항복 전압 특성을 나타낸 도면이다. 관련도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 트렌치 게이트 구조의 IGBT를 설명함에 있어 앞서 설명한 부분과 동일한 부분의 설명은 생략하기로 한다.5 is a cross-sectional view of the trench gate structure IGBT shown in part ab of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention, FIG. 6 is a plan view of a semiconductor substrate according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1 is a diagram illustrating a breakdown voltage characteristic of an IGBT of a trench gate structure according to an exemplary embodiment. In describing the IGBT of the trench gate structure according to the exemplary embodiment of the present invention with reference to the related drawings, the description of the same parts as those described above will be omitted.
도 5를 참조하면, 주변 영역(peripheral area)에 형성된 P형 웰(570) 영역은 해당 영역에 형성된 하나 이상의 트렌치들의 바닥(bottom)이 완전히 감싸지도록 형성되어 있다. 이에 비해, 앞서 도 2를 참조하여 설명한 일반적인 트렌치 게이트 구조의 IGBT에서는 주변 영역에 형성된 트렌치가 P형 웰(270)을 관통하여 N형 베이스 영역(225)에 그 바닥이 위치되어 있었다.Referring to FIG. 5, an area of the P-type well 570 formed in the peripheral area is formed so as to completely surround the bottom of one or more trenches formed in the area. In contrast, in the IGBT of the general trench gate structure described above with reference to FIG. 2, a trench formed in the peripheral region penetrates through the P-
즉, 주변 영역에 형성되어 최외측 트렌치(250)를 감싸는 P형 웰(570)은 에지 터미네이션 영역(130)의 P형 웰(260)이나 액티브 영역(120)의 P형 바디 영역(220)과는 다른 형태로 구현될 수 있다.That is, the P-type well 570 formed in the peripheral region and surrounding the
예를 들어, 주변 영역에 형성된 P형 웰(570)은 트렌치 게이트보다 깊은 접합 깊이를 가지며, 또한 에지 터미네이션 영역에 형성된 다수의 P형 웰(260)과 접합 깊이가 동일하거나 더 깊게 형성될 수 있다. 예를 들어, P형 웰(570)의 접합 깊이는 주변 영역에 형성된 트렌치 게이트의 수직 깊이보다 수μm 정도 깊게 구현될 수 있다. 액티브 영역, 주변 영역, 에지 터미네이션 영역에 각각 존재하는 P형 웰 영역을 A(220), B(570), C(260)이라고 가정하면, 각각의 접합 깊이의 관계는 "접합 깊이(A) < 접합 깊이(C) ≤ 접합 깊이(B)"로 표현할 수 있다. For example, the P-type well 570 formed in the peripheral region may have a deeper junction depth than the trench gate, and may be formed to have the same or deeper junction depth with the plurality of P-
이 경우, 전술한 접합 깊이의 관계가 만족될 수 있도록 각 영역에 주입되는 P형 이온의 농도가 "농도(C) ≤ 농도(B)"의 관계를 만족하도록 하여 동시에 확산 공정을 수행하더라도 확산 깊이가 달라지도록 할 수도 있다. In this case, the diffusion depth of the P-type ions implanted into each region satisfies the relationship of "concentration (C) ≤ concentration (B)" so that the above-described relationship between the junction depths can be satisfied. May be different.
또는, 주변 영역과 에지 터미네이션 영역(130)에 각각 주입되는 P형 이온의 농도가 일정한 경우라면 전술한 접합 깊이의 관계가 만족될 수 있도록 주변 영역에 형성된 P형 웰(570)이 트렌치 게이트의 바닥을 완전히 감싸는 정도까지 확산되도록 할 수도 있다. 이 경우에는 일반적으로 에지 터미네이션 영역(130)에 주입되는 P형 이온의 농도가 충분히 높은 수준이 아닐 수 있으므로 농도가 비일치하는 경우에 비해 높은 온도 또는/및 긴 시간의 확산 공정이 요구될 수 있다.Alternatively, when the concentration of the P-type ions implanted into the peripheral region and the
전술한 확산 공정에 의해 형성되는 P형 웰들은 상호간의 좁은 간격 등의 이유로 칩 내부에서 수평 방향으로 연결되어 분리되지 않을 수도 있다.The P-type wells formed by the above-described diffusion process may not be separated by being connected in a horizontal direction inside the chip due to a narrow gap between them.
또한, 주변 영역 내에 형성된 트렌치 게이트의 폭과 메사(mesa)는 마스크 설계 방식에 따라 액티브 영역(120) 내에 형성된 트렌치 셀의 폭 및 메사와 동일하거나 동일하지 않도록 형성될 수 있다. In addition, the width and mesa of the trench gate formed in the peripheral area may be formed to be the same as or not equal to the width and the mesa of the trench cell formed in the
전술한 바와 같이, 가장 깊은 접합 깊이를 가지는 P형 웰(570)은 반도체 소자의 평면상에서 도 6의 620 영역과 같이 게이트 버스 라인의 하부를 따라 예를 들어 환형(closed loop)으로 형성될 수 있다.As described above, the P-type well 570 having the deepest junction depth may be formed, for example, in a closed loop along the bottom of the gate bus line as shown in
도 6에 예시된 바와 같이, 액티브 영역(120) 내에는 스트라이프 배열 형식으로 단위 셀(610)들이 배치될 수 있으며, 각 단위 셀의 트렌치 게이트 말단부는 트렌치 벽에 평행하지 않은 방향(예를 들어, 수직인 방향)으로 연장되어 이웃하는 트렌치 게이트와 연결될 수 있다. 여기서, 트렌치 게이트 중 하나 이상은 이웃하는 트렌치 게이트와 연결되지 않을 수도 있으며, 액티브 영역(120) 내의 단위 셀의 형상이나 배치 방식은 다양할 수 있다.As illustrated in FIG. 6, the
도 7에는 주변 영역의 트렌치 게이트를 충분히 감싸도록 P형 웰(570)이 형성된 트렌치 게이트 구조의 IGBT의 항복 전압 특성이 도시되어 있다. 도 7을 참조하면, 트렌치 게이트가 충분히 감싸지도록 접합 깊이를 깊게 한 IGBT인 경우 트렌치 게이트가 없는 플래너 게이트 구조의 IGBT와 근사한 값이 나타남을 알 수 있다.FIG. 7 illustrates the breakdown voltage characteristics of the IGBT of the trench gate structure in which the P-
즉, 접합 깊이가 깊은 P 형 웰(570)을 도입하여 최외측 트렌치 하단부에 가장 강한 전계가 집중되는 현상을 완화함으로써 앞서 도 4의 경우와 비교할 때 약 100~200V 정도의 항복 전압 상승 효과가 도출된다. That is, the P-type well 570 having a deep junction depth is introduced to mitigate a phenomenon in which the strongest electric field is concentrated at the bottom of the outermost trench, resulting in a breakdown voltage increase of about 100 to 200 V as compared with the case of FIG. 4. do.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 1의 a-b 부분에서 도시한 트렌치 게이트 구조 IGBT의 단면도이다. 관련도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 트렌치 게이트 구조의 IGBT를 설명함에 있어 앞서 설명한 부분과 동일한 부분의 설명은 생략하기로 한다.8 is a cross-sectional view of the trench gate structure IGBT shown in part a-b of FIG. 1 according to another embodiment of the present invention. In describing the IGBT of the trench gate structure according to the exemplary embodiment of the present invention with reference to the related drawings, the description of the same parts as those described above will be omitted.
도 8에 예시된 바와 같이, 주변 영역(peripheral area)에 형성된 복수의 트렌치들 중 최외측 트렌치는 P형 웰(570)에 의해 그 바닥이 완전히 감싸지도록 형성되고, 그 이외의 트렌치들은 종래의 IGBT 구조와 같이 P형 웰(810)을 관통하도록 형성될 수 있다. As illustrated in FIG. 8, the outermost trench of the plurality of trenches formed in the peripheral area is formed such that its bottom is completely covered by the P-
즉, 반도체 기판의 최외측에 배치된 트렌치 바닥 부근에 전계가 집중됨을 감안하여 최외측 트렌치는 P형 웰(570)로 감싸 전계 집중을 완화하고, 주변 영역에 형성된 나머지 트렌치들은 기존과 동일하게 형성할 수 있다. 이때, P형 이온의 확산 특성을 고려할 때 최외측 트렌치보다 내측에 형성된 트렌치들 중 하나 이상도 P형 웰(570)로 그 바닥까지 감싸질 수도 있을 것이다.That is, since the electric field is concentrated near the bottom of the trench disposed on the outermost side of the semiconductor substrate, the outermost trench is wrapped in the P-type well 570 to relax the electric field concentration, and the remaining trenches formed in the peripheral region are formed in the same manner as before. can do. At this time, considering the diffusion characteristics of the P-type ions, at least one of the trenches formed inside the outermost trench may be wrapped to the bottom of the P-
이 경우, 액티브 영역, 외곽 영역, 에지 터미네이션 영역에 각각 존재하는 P형 웰 영역을 A(220), D(810), B(570), C(260)이라고 가정하면, 각각의 접합 깊이의 관계는 "접합 깊이(A) < 접합 깊이(C) ≤ 접합 깊이(D) < 접합 깊이(B)"로 표현할 수 있다. In this case, assuming that the P-type well regions respectively present in the active region, the outer region, and the edge termination region are A 220,
또한, 전술한 접합 깊이의 관계가 만족될 수 있도록 각 영역에 주입되는 P형 이온의 농도는 "농도(C) ≤ 농도(D) ≤ 농도(B)"의 관계를 만족하도록 하거나, 각 P형 웰이 적절한 깊이로 확산될 수 있도록 확산 공정을 위한 온도 조건 또는/및 시간 조건을 상이하게 적용할 수도 있다.In addition, the concentration of the P-type ions implanted in each region so that the above-described relationship between the junction depths is satisfied may satisfy the relationship of "concentration (C) ≤ concentration (D) ≤ concentration (B)", or each P-type. Different temperature conditions and / or time conditions for the diffusion process may be applied to allow the wells to diffuse to the appropriate depth.
상기 실시예에서는 IGBT의 경우를 예로 들어 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 예를 들면, MOSFET 등의 전력 반도체 소자에도 적용될 수 있다. 이 경우, IGBT의 상술된 컬렉터 및 에미터는 각각 MOSFET의 드레인(Drain) 및 소스(Source)에 대응됨은 당업자에게 자명하다.In the above embodiment, the case of IGBT has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to power semiconductor devices such as MOSFETs, for example. In this case, it will be apparent to those skilled in the art that the above-described collector and emitter of the IGBT correspond to the drain and source of the MOSFET, respectively.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to embodiments of the present invention, those skilled in the art may variously modify the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. And can be changed.
도 1은 일반적인 반도체 소자의 평면도.1 is a plan view of a general semiconductor device.
도 2는 도 1의 a-b 부분에서 도시한 단면도.FIG. 2 is a sectional view taken along a-b of FIG. 1; FIG.
도 3 및 도 4는 각각 플래너 게이트 구조의 IGBT와 트렌치 게이트 구조의 IGBT의 에지 터미네이션의 항복 전압 특성을 나타낸 도면.3 and 4 show breakdown voltage characteristics of the edge termination of the IGBT of the planar gate structure and the IGBT of the trench gate structure, respectively.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 a-b 부분에서 도시한 트렌치 게이트 구조 IGBT의 단면도.5 is a cross-sectional view of the trench gate structure IGBT shown in part a-b of FIG. 1 in accordance with an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 평면도.6 is a plan view of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 트렌치 게이트 구조의 IGBT의 항복 전압 특성을 나타낸 도면.7 is a view showing breakdown voltage characteristics of an IGBT of a trench gate structure according to an embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 1의 a-b 부분에서 도시한 트렌치 게이트 구조 IGBT의 단면도.8 is a cross-sectional view of the trench gate structure IGBT shown in part a-b of FIG. 1 in accordance with another embodiment of the present invention.
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