KR20170051712A - 파워 모스펫 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
파워 모스펫은 절연층, 상기 절연층의 하부에 배치된 제1형 도핑층, 상기 제1형 도핑층의 하부에 배치된 제2형 바디, 상기 절연층의 하부와 인접하고 그 이외의 영역에서 절연막으로 감싸지며 상기 제2형 바디를 관통하여 돌출된 게이트 전극 및 상기 절연층의 상부에 배치된 제1 영역과 상기 절연층을 관통하여 상기 제1형 도핑층과 접합하는 제2 영역을 포함한다. 따라서, 파워 모스펫은 양방향 다이오드를 통해 전류의 흐름을 제어할 수 있다.
Description
본 발명은 파워 모스펫에 관한 것으로, 보다 상세하게는 그 내부에 양방향 다이오드를 형성하여 양방향 다이오드를 통한 전류의 흐름을 제어하는 파워 모스펫 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
파워 모스펫은 적어도 하나의 직 병렬 셀을 포함하는 배터리 보호 회로에 사용될 수 있다. 파워 모스펫은 고농도의 N+ 기판을 드레인 전극으로 사용하여 기판의 하부가 드레인 전극이 되고, 드레인 전극은 웨이퍼 내에서 공통으로 연결될 수 있다. 배터리 보호 회로는 배터리 팩의 효율을 증대하고 공간을 효율적으로 활용하기 위하여 일정 크기에서 높은 전자 이동도를 가지는 파워 모스펫을 필요로 한다. 배터리 보호 회로는 온도 감지 저항(PTC, Positive Temperature Coefficient of resistor)을 주로 사용하였으나, 온도 감지 저항은 정밀도가 낮고 제품 불량이 쉽게 발생되며 비용이 비싸서, 최근 파워 모스펫으로 대체되고 있다.
종래 기술에 의한 배터리 보호 회로는 2개의 파워 모스펫들 및 집적 회로를 포함하고, 배터리의 충전 또는 방전 방향에 따라 각각의 파워 모스펫을 집적 회로를 통해 제어한다. 그러나, 배터리 보호 회로에서 2개의 파워 모스펫들을 사용하는 경우 온 저항(RON)이 높고, 회로의 면적이 증가하여, 비용이 증가하는 문제점이 발생한다.
본 발명의 일 실시예는 양방향 다이오드를 통해 전류의 흐름을 제어하는 파워 모스펫을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 소스 전극과 제2형 바디 사이에 제1형 도핑층을 형성하여 소스 전극의 바디 컨택을 방지하는 파워 모스펫을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 제1형 도핑층이 소스 전극과 마주하는 영역에 대한 에칭 공정을 생락하여, 제1형 도핑층이 제2형 바디 및 소스 전극의 사이에서 소정의 깊이를 형성하는 파워 모스펫을 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 파워 모스펫은 절연층, 상기 절연층의 하부에 배치된 제1형 도핑층, 상기 제1형 도핑층의 하부에 배치된 제2형 바디, 상기 절연층의 하부와 인접하고 그 이외의 영역에서 절연막으로 감싸지며 상기 제2형 바디를 관통하여 돌출된 게이트 전극 및 상기 절연층의 상부에 배치된 제1 영역과 상기 절연층을 관통하여 상기 제1형 도핑층과 접합하는 제2 영역을 포함하는 소스 전극을 포함한다.
상기 파워 모스펫은 상기 소스 전극과 이격되어 배치되고, 상기 절연층을 관통하여 상기 제2형 바디와 컨택되는 바이어스 전극을 더 포함할 수 있다. 상기 파워 모스펫은 상기 제2형 바디의 하부에 배치되고, 상기 게이트 전극이 삽입되는 제1형 에피층을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제2형 바디는 서로 이격되어 배치되는 상기 제1형 에피층 및 상기 제1형 도핑층과 연결되어 양방향 다이오드 영역을 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 바이어스 전극은 상기 제2형 바디에 바이어스 전압을 인가하여 상기 제1형 에피층 또는 상기 제1형 도핑층을 향하여 전류의 흐름을 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1형 도핑층은 상기 제2형 바디 및 상기 소스 전극의 사이에서 소정의 깊이를 형성할 수 있도록 상기 소스 전극과 마주하는 영역에 대한 에칭 공정이 생략되어 형성될 수 있다. 다른 일 실시예에서, 상기 제1형 도핑층은 상기 제2형 바디 및 상기 소스 전극의 사이에서 소정의 깊이를 형성할 수 있도록 상기 소스 전극과 마주하는 영역의 일부가 에칭되어 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제1형 도핑층은 0.3㎛ ~ 0.5㎛의 깊이로 형성되어 상기 소스 전극 및 상기 제2형 바디의 컨택을 방지할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1형 도핑층은 상기 소스 전극 및 상기 제2형 바디의 컨택을 방지할 수 있도록 적어도 12V의 문턱 전압을 형성할 수 있다. 상기 절연층은 상기 소스 전극과 상기 게이트 전극을 절연시키고, 상기 소스 전극과 상기 제1형 도핑층을 컨택시키기 위하여 필요한 영역이 에칭될 수 있다.
실시예들 중에서, 파워 모스펫의 제조 방법은 제1형 에피층의 상부에 배치된 제2형 바디의 상부에서 소정의 깊이를 형성하도록 제1형 불순물이 도핑된 제1형 도핑층을 형성하는 단계, 상기 제1형 도핑층 및 상기 제2형 바디를 관통하는 게이트 전극을 형성하는 단계, 상기 제1형 도핑층의 상부에 절연층을 형성하는 단계, 상기 제1형 도핑층이 상기 소정의 깊이를 유지할 수 있도록 상기 절연층을 에칭하는 단계 및 상기 에칭된 절연층의 일부 영역에 소스 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 절연층을 에칭하는 단계는 상기 제2형 바디 및 상기 소스 전극의 컨택이 방지되도록 상기 절연층을 에칭하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 절연층을 에칭하는 단계는 상기 제1형 도핑층이 0.3㎛ ~ 0.5㎛의 깊이를 형성하도록 상기 절연층을 에칭하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제1형 도핑층을 형성하는 단계는 상기 제1형 도핑층이 적어도 12V의 문턱 전압을 형성할 수 있도록 상기 제1형 불순물을 도핑하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 파워 모스펫의 제조 방법은 상기 소스 전극이 형성되지 않은 상기 에칭된 절연층의 일부 영역에 바이어스 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 바이어스 전극을 형성하는 단계는 상기 제2형 바디에 바이어스 전압을 인가하여 상기 제1형 에피층 또는 상기 제1형 도핑층을 향하여 전류의 흐름을 생성할 수 있다.
실시예들 중에서, 파워 모스펫의 제조 방법은 제1형 에피층의 상부에 서로 이격된 게이트 전극들을 형성하는 단계, 상기 제1형 에피층의 상부에서 서로 이격된 게이트 전극들을 둘러싸는 제2형 바디를 형성하는 단계, 상기 제2형 바디의 상부에서 소정의 깊이를 형성하도록 제1형 불순물이 도핑된 제1형 도핑층을 형성하는 단계, 상기 제1형 도핑층의 상부에 절연층을 형성하는 단계, 상기 제1형 도핑층이 상기 소정의 깊이를 유지할 수 있도록 상기 절연층을 에칭하는 단계 및 상기 에칭된 절연층의 일부 영역에 소스 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 절연층을 에칭하는 단계는 상기 제2형 바디 및 상기 소스 전극의 컨택이 방지되도록 상기 절연층을 에칭하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 절연층을 에칭하는 단계는 상기 제1형 도핑층이 0.3㎛ ~ 0.5㎛의 깊이를 형성하도록 상기 절연층을 에칭하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제1형 도핑층을 형성하는 단계는 상기 제1형 도핑층이 적어도 12V의 문턱 전압을 형성할 수 있도록 상기 제1형 불순물을 도핑하는 단계를 포함할 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파워 모스펫은 양방향 다이오드를 통해 전류의 흐름을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파워 모스펫은 소스 전극과 제2형 바디 사이에 제1형 도핑층을 형성하여 소스 전극의 바디 컨택을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파워 모스펫은 제1형 도핑층이 소스 전극과 마주하는 영역에 대한 에칭 공정을 생락하여, 제1형 도핑층이 제2형 바디 및 소스 전극의 사이에서 소정의 깊이를 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호 회로를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1에 있는 배터리 보호 회로를 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 2에 있는 배터리 보호 회로의 파워 모스펫을 설명하는 도면이다.
도 4는 도 2에 있는 배터리 보호 회로의 파워 모스펫을 설명하는 회로도이다.
도 5는 도 2에 있는 배터리 보호 회로의 파워 모스펫의 동작을 설명하는 도면이다.
도 6은 도 2에 있는 배터리 보호 회로의 복수의 보호 소자들을 설명하는 도면이다.
도 7은 도 2에 있는 배터리 보호 회로의 파워 모스펫을 제조하는 과정을 설명하는 순서도이다.
도 8은 도 2에 있는 배터리 보호 회로의 파워 모스펫을 다른 일 실시예에 따라 제조하는 과정을 설명하는 순서도이다.
도 2는 도 1에 있는 배터리 보호 회로를 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 2에 있는 배터리 보호 회로의 파워 모스펫을 설명하는 도면이다.
도 4는 도 2에 있는 배터리 보호 회로의 파워 모스펫을 설명하는 회로도이다.
도 5는 도 2에 있는 배터리 보호 회로의 파워 모스펫의 동작을 설명하는 도면이다.
도 6은 도 2에 있는 배터리 보호 회로의 복수의 보호 소자들을 설명하는 도면이다.
도 7은 도 2에 있는 배터리 보호 회로의 파워 모스펫을 제조하는 과정을 설명하는 순서도이다.
도 8은 도 2에 있는 배터리 보호 회로의 파워 모스펫을 다른 일 실시예에 따라 제조하는 과정을 설명하는 순서도이다.
본 발명의 실시예에 관한 설명은 본 발명의 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시 예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시 예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명의 실시예에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것이다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호 회로를 나타내는 블록도이고, 도 2는 도 1에 있는 배터리 보호 회로를 나타내는 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 배터리 보호 회로(1)는 제1 보호 모듈(10) 및 제2 보호 모듈(20)을 포함한다.
배터리 보호 회로(1)는 전자 기기(2)에 내장된 배터리(3)의 충전 및 방전 과정에서 배터리(3)를 보호할 수 있다. 보다 구체적으로, 배터리 보호 회로(1)는 복수의 하나의 직 병렬 셀로 구성된 배터리(3)를 보호할 수 있다. 배터리 보호 회로(1)는 배터리(3)에 과전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다. 배터리 보호 회로(1)는 배터리의 충전 또는 방전 방향 모두에 대하여 전류를 차단할 수 있다.
전자 기기(2)는 어댑터(4)를 통해 외부 전원과 연결될 있다. 어댑터(4)는 외부 전원 및 배터리(3)의 전기적 불균형을 해소하기 위하여 사용될 수 있다. 어댑터(4)는 외부 전원을 수신하여 배터리(3)를 충전하기 위해 적합한 레벨로 변환할 수 있다.
배터리 보호 회로(1)는 제1 및 제2 보호 모듈들(10, 20)을 통해 배터리(3)의 보호 과정을 중첩적으로 수행할 수 있다. 제1 보호 모듈(10)은 배터리(3)의 보호 과정을 1차적으로 수행하고, 제2 보호 모듈(20)은 배터리(3)의 보호 과정을 2차적으로 수행할 수 있다. 즉, 제2 보호 모듈(20)은 배터리(3)의 보호 과정을 보충적, 추가적으로 수행할 수 있다. 배터리 보호 회로(1)는 중첩적인 보호 과정을 통해 배터리(3)의 충전 또는 방전 과정에서 배터리(3)를 안정적으로 보호할 수 있다.
제1 보호 모듈(10)은 제1 보호 집적 회로(11) 및 복수의 보호 소자들(12)을 포함할 수 있다. 여기에서, 복수의 보호 소자들(12)은 종래 기술에 따른 듀얼 모스펫(Dual MOSFET)으로 구현될 수 있다. 제1 보호 집적 회로(11)는 배터리(3)의 충전 또는 방전에 따라 서로 다른 보호 소자(12a, 12b)를 구동할 수 있다. 예를 들어, 배터리(3)가 충전되는 경우 제1 보호 집적 회로(11)는 제2 보호 소자(12b)를 사용하여 과전류의 흐름을 차단할 수 있다. 한편, 배터리(3)가 방전되는 경우 제1 보호 집적 회로(11)는 제1 보호 소자(12a)를 사용하여 과전류의 흐름을 차단할 수 있다. 즉, 복수의 보호 소자들(12)은 동시에 사용되지 않으며, 충전 또는 방전 상황에 따라 각각 사용될 수 있다.
종래 기술에 따른 복수의 보호 소자들(12) 각각은 소스 전극이 바디 컨택되어 일 방향의 다이오드(또는 단방향 다이오드)를 구현할 수 있다. 복수의 보호 소자들(12) 각각은 같은 방향을 향하는 단방향 다이오드를 포함하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 제1 보호 소자(12a)가 드레인 단자를 향하는 단방향 다이오드를 포함하는 경우, 제2 보호 소자(12b)도 드레인 단자를 향하는 단방향 다이오드를 포함할 수 있다. 즉, 단방향 다이오드를 포함하는 복수의 보호 소자들(12) 각각은 배터리(3)의 충전 또는 방전 방향에 따라 제1 보호 집적 회로(11)에 의하여 구동될 수 있다.
제2 보호 모듈(20)은 제2 보호 집적 회로(21) 및 파워 모스펫(100)을 포함할 수 있다. 여기에서, 파워 모스펫(100)은 싱글 모스펫(Single MOSFET)으로 구현될 수 있고, 배터리(3)의 보호 소자에 해당할 수 있다. 제2 보호 집적 회로(21)는 배터리(3)의 충전 또는 방전 방향에 따라 파워 모스펫(100)을 구동할 수 있다. 파워 모스펫(100)은 양방향으로 흐르는 전류를 제어할 수 있도록 양방향 다이오드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 배터리(3)가 충전되는 경우 제2 보호 집적 회로(21)는 파워 모스펫(100)의 양방향 다이오드를 일 방향으로 구동할 수 있고, 배터리(3)가 방전되는 경우 제2 보호 집적 회로(21)는 파워 모스펫(100)의 양방향 다이오드를 다른 일 방향으로 구동할 수 있다. 즉, 파워 모스펫(100)은 양방향 다이오드를 포함하는 하나의 모스펫을 통해 구현될 수 있고, 복수의 보호 소자들(또는 종래 기술에 따른 듀얼 모스펫)(12)보다 저비용으로 구현될 수 있다.
제2 보호 집적 회로(21)는 파워 모스펫(100)에 인가되는 바이어스 전압을 제어하여 파워 모스펫(100)의 양방향 다이오드를 제어할 수 있다. 즉, 제2 보호 집적 회로(21)는 파워 모스펫(100)의 양방향 다이오드를 제어하여 충전 또는 방전 방향 모두에 대해 과전류의 흐름을 차단할 수 있다. 이하, 파워 모스펫(100)의 구조 및 동작에 관한 설명은 도 3 내지 도 8에서 자세히 설명한다.
파워 모스펫(100)은 복수의 보호 소자들(12)보다 향상된 조건에서 동일한 기능을 수행할 수 있다. 보다 구체적으로, 파워 모스펫(100)은 복수의 보호 소자들(12) 보다 낮은 온 저항(RON)을 가지고, 적은 면적으로 구현될 수 있다. 따라서, 배터리 보호 회로(1)는 파워 모스펫(100)을 사용하여 제2 보호 모듈(20)의 칩 면적을 감소시켜 비용을 절감하고, 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 3은 도 2에 있는 배터리 보호 회로의 파워 모스펫을 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 파워 모스펫(100)은 제1형 기판(310), 제1형 에피층(320), 제2형 바디(330), 제1형 도핑층(340), 게이트 전극(350), 절연층(360), 소스 전극(370) 및 바이어스 전극(380)을 포함할 수 있다.
도 3에서, 파워 모스펫(100)은 반드시 이에 한정되는 것은 아니나, 제1형을 N형으로 구현하고 제2형을 P형으로 구현할 수 있다. 도 3은 본 발명의 일 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐이고, 발명의 권리 범위를 한정하기 위한 것이 아니다.
제1형 기판(310)은 파워 모스펫(100)의 베이스에 해당할 수 있다. 일 실시예에서, 제1형 기판(310)은 N형 기판으로 구현될 수 있다. 제1형 기판(310)은 고농도의 이온을 포함하고 드레인 전극으로 사용될 수 있다. 즉, 제1형 기판(310)은 파워 모스펫(100)의 최하부에 배치되어 드레인 전극으로 동작할 수 있고, 드레인 전극은 웨이퍼 내에서 공통으로 연결될 수 있다.
제1형 에피층(320)은 제1형 기판(310)의 상부에 배치될 수 있다. 제1형 에피층(320)은 제2형 바디(330)의 하부에 배치되고, 게이트 전극(350)이 삽입될 수 있다. 일 실시예에서, 제1형 에피층(320)은 제1형 기판(310)의 상부에서 성장되고, N- 에피층으로 구현될 수 있다. 제1형 에피층(320)은 제1형 기판(310)과 동일한 결정체를 통하여 형성할 수 있다.
제2형 바디(330)는 제1형 에피층(320)의 상부에서 소정의 깊이로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 제2형 바디(330)는 제1형 에피층(320) 상부의 일부 영역에 형성될 수 있고, P형 바디로 구현될 수 있다. 제2형 바디(330)는 순방향 바이어스 또는 역방향 바이어스가 인가될 수 있다. 제2형 바디(330)는 바이어스 전극(380)과 연결되어, 바이어스 전극(380)으로부터 바이어스 전압(BIN)을 수신할 수 있다. 여기에서, 제2형 바디(330)는 채널 영역 또는 공핍 영역에 해당할 수 있고, 전류가 흐르는 경로를 제공할 수 있다. 즉, 제2형 바디(330)는 바이어스 전압(BIN)을 수신하여 채널을 형성할 수 있고, 전류는 형성된 채널을 통하여 흐를 수 있다.
제2형 바디(330)는 서로 이격되어 배치되는 제1형 에피층(320) 및 제1형 도핑층(340)과 연결되어 양방향 다이오드 영역(Bi-Directional Diode Region)을 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 제2형 바디(330)는 바이어스 전극(370)으로부터 바이어스 전압(BIN)을 수신하여 제1형 에피층(320) 또는 제1형 도핑층(340)을 향하여 전류의 흐름을 생성할 수 있다. 한편, 제2형 바디(330)가 P형 바디로 구현되고, 제1형 에피층(320) 및 제1형 도핑층(340)이 각각 N- 에피층 및 N+ 도핑층으로 구현되는 경우, 양방향 다이오드는 PN 접합 다이오드로 구현될 수 있다.
제1형 도핑층(340)은 제2형 바디(330)의 상부에서 소정의 깊이로 형성될 수 있다. 여기에서, 제1형 도핑층(340)의 소정의 깊이는 제2형 바디(330)와 소스 전극(370)의 컨택을 방지하기 위하여 충분한 깊이에 해당할 수 있다. 제1형 도핑층(340)은 절연층(360) 및 소스 전극(370)의 하부에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 제1형 도핑층(340)은 고농도의 이온이 주입되어 N+ 도핑층으로 구현될 수 있다. 제1형 도핑층(340)은 소정의 깊이를 형성하기 위하여 이온 주입의 에너지 및 도즈량이 조절될 수 있다.
일 실시예에서, 제1형 도핑층(340)은 제2형 바디(330) 및 소스 전극(370)의 사이에서 소정의 깊이를 형성할 수 있도록 소스 전극(370)과 마주하는 영역에 대한 에칭 공정이 생략될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1형 도핑층(340)은 소스 전극의 제2 영역(372)과 마주하는 영역에 대한 에칭 공정이 생략되어 소정의 깊이를 유지할 수 있다.
다른 일 실시예에서, 제1형 도핑층(340)은 제2형 바디(330) 및 소스 전극(370)의 사이에서 소정의 깊이를 형성할 수 있도록 소스 전극(370)과 마주하는 영역의 일부를 에칭할 수 있다. 즉, 절연층(360)과 마주하는 제1형 도핑층(340)의 영역의 깊이는 소스 전극(370)과 마주하는 제1형 도핑층(340)의 영역의 깊이보다 깊을 수 있다.
일 실시예에서, 제1형 도핑층(340)은 반드시 이에 한정되는 것은 아니나, 0.3㎛ ~ 0.5㎛의 깊이로 형성되어 소스 전극(370) 및 제2형 바디(330)의 컨택을 방지할 수 있다. 여기에서, 0.3㎛ ~ 0.5㎛의 깊이는 제1형 도핑층(340)이 제2형 바디(330)와 다이오드 영역을 형성하면서, 소스 전극(370)의 바디 컨택을 방지할 수 있는 깊이에 해당할 수 있다. 즉, 제1형 도핑층(340)은 제2형 바디(330)에 형성된 채널 영역과 연결되어 양방향 다이오드 영역(Bi-Directional Diode Region)의 일부를 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 제1형 도핑층(340)은 반드시 이에 한정되는 것은 아니나, 적어도 12V의 문턱 전압을 형성하여 소스 전극(370) 및 제2형 바디(330)의 컨택을 방지할 수 있다. 여기에서, 12V의 문턱 전압은 제1 도핑층(340)이 제2형 바디(330)와 다이오드 영역을 형성하기 위한 전압에 해당할 수 있다. 즉, 제1형 도핑층(340)은 제2형 바디(330)에 형성된 채널 영역과 연결되어 양방향 다이오드 영역의 일부를 형성할 수 있다.
게이트 전극(350)은 제2형 바디(330) 및 제1형 도핑층(340)을 수직으로 관통할 수 있다. 또한, 게이트 전극(350)은 절연층(360)의 하부와 인접하고, 그 이외의 영역에서 절연막(352)으로 감싸질 수 있다. 절연막(352)에 의하여 감싸진 게이트 전극(350)은 제1형 에피층(320)에 삽입될 수 있다. 게이트 전극(350)은 절연막(352)에 의하여 제2형 바디(330)와 이격될 수 있다. 즉, 게이트 전극(350) 및 제2형 바디(330)는 절연막(352)에 의하여 절연될 수 있다.
절연층(360)은 제1형 에피층(320), 제2형 바디(330), 제1형 도핑층(340) 및 게이트 전극(350)의 상단에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 절연층(360)은 금속 산화막을 통해 구현될 수 있고, 그 일부가 패터닝될 수 있다. 보다 구체적으로, 절연층(360)은 게이트 전극(350)의 상단에 형성되어 게이트 전극(350) 및 소스 전극(370)을 이격시킬 수 있다. 절연층(360)은 그 하부에 배치된 게이트 전극(350)과 마주하지 않는 영역이 에칭될 수 있다.
절연층(360)은 소스 전극(370)과 게이트 전극(350)을 절연시키고, 소스 전극(370)과 제1형 도핑층(340)을 컨택시키기 위하여 필요한 영역이 에칭될 수 있다. 보다 구체적으로, 절연층(360)의 상부는 소스 전극의 제1 영역(371)과 마주할 수 있고, 제1형 도핑층(340)의 상부는 소스 전극의 제2 영역(372)과 마주할 수 있다. 즉, 소스 전극(370)은 절연층(360)의 에칭된 영역을 관통할 수 있다.
소스 전극(370)은 절연층(360)을 관통하여 제1형 도핑층(340)과 연결되고, 제1형 도핑층(340)에 의하여 제2형 바디와의 컨택이 방지될 수 있다. 보다 구체적으로, 소스 전극(370)은 절연층(360)의 상부와 마주하는 제1 영역(371)과 제1형 도핑층(340)의 상부와 마주하는 제2 영역(372)을 포함할 수 있다. 소스 전극의 제2 영역(372)은 절연층(360)의 에칭된 영역에 형성될 수 있다.
바이어스 전극(380)은 소스 전극(370)과 이격되어 배치되고, 절연층(360)을 관통하여 제2형 바디(330)와 컨택될 수 있다. 바이어스 전극(380)은 제2형 바디(330)에 바이어스 전압(BIN)을 인가하여 제1형 에피층(320) 또는 제1형 도핑층(340)을 향하여 전류의 흐름을 생성할 수 있다.
도 4는 도 2에 있는 배터리 보호 회로의 파워 모스펫을 설명하는 회로도이고, 도 5는 도 2에 있는 배터리 보호 회로의 파워 모스펫의 동작을 설명하는 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 파워 모스펫(100)은 제1 및 제2 다이오드들(410, 420) 및 제1 과전압 억제 소자(430)를 포함할 수 있다. 여기에서, 제1 및 제2 다이오드들(410, 420)은 파워 모스펫(100)에 형성되는 양방향 다이오드에 해당할 수 있다. 제1 및 제2 다이오드들(410, 420)은 바이어스 전극(380)과 연결되어 서로 다른 방향을 향하여 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 다이오드(410)는 소스 전극(370)을 향하여 배치되고, 제2 다이오드(420)는 드레인 전극(310)을 향하여 배치될 수 있다.
도 5a에서, 바이어스 전극(380)은 제2형 바디(330)에 소스 전압(VSS)을 인가할 수 있다. 여기에서, 소스 전압(VSS)은 소스 전극(370)의 전압과 등전위를 가지는 전압에 해당한다. 바이어스 전극(380)이 소스 전압(VSS)을 인가하는 경우, 제2형 바디(330)와 소스 전극(370)이 등전위가 되어 전류는 제2 다이오드(420)를 통해 흐를 수 있다. 일 실시예에서, 바이어스 전극(380)이 소스 전압(VSS)을 인가하는 경우, 제2 다이오드(420)가 동작하여 파워 모스펫(100)의 과방전을 방지할 수 있다.
도 5b에서, 바이어스 전극(380)은 제2형 바디(330)에 드레인 전압(V-)을 인가할 수 있다. 여기에서, 드레인 전압(V-)은 드레인 전극(310)의 전압과 등전위를 가지는 전압에 해당한다. 바이어스 전극(380)이 드레인 전압(V-)을 인가하는 경우, 제2형 바디(330)와 드레인 전극(310)이 등전위가 되어 전류는 제1 다이오드(410)를 통해 흐를 수 있다. 일 실시예에서, 바이어스 전극(380)이 드레인 전압(V-)을 인가하는 경우, 제1 다이오드(410)가 동작하여 파워 모스펫(100)의 과충전을 방지할 수 있다.
따라서, 파워 모스펫(100)은 바이어스 전압(BIN)에 의하여 제어되는 양방향 다이오드 영역(Bi-Directional Diode Region)을 형성하여, 복수의 보호 소자들(12)보다 향상된 조건에서 동일한 기능을 수행할 수 있다. 파워 모스펫(100)은 단방향 다이오드 영역을 형성하는 2개의 보호 소자들(12)과 동일하거나 또는 2개의 보호 소자들(12)보다 더 향상된 기능을 수행할 수 있다.
제1 과전압 억제 소자(430)는 소스 전극(370) 및 게이트 전극(310)의 사이에 배치될 수 있다. 제1 과전압 억제 소자(430)는 파워 모스펫(100)에 과전압이 인가되어 과전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 과전압 억제 소자(430)는 과도전압억제 다이오드(TVS, Transient Voltage Suppression)로 구현될 수 있다.
도 6은 도 2에 있는 배터리 보호 회로의 복수의 보호 소자들을 설명하는 도면이다. 보다 구체적으로, 도 6a는 듀얼 모스펫으로 구현된 복수의 보호 소자들을 나타내는 회로도이고, 도 6b는 듀얼 모스펫으로 구현된 복소의 보호 소자들의 레이아웃을 나타내는 도면이다.
도 6a에서, 복수의 보호 소자들(12)은 종래 기술에 따른 듀얼 모스펫(Dual MOSFET)으로 구현되어 제1 및 제2 보호 소자들(12a, 12b)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 보호 소자(12a)는 드레인 단자를 향하는 단방향 다이오드(611) 및 제2 과전압 억제 소자(612)를 포함하고, 제2 보호 소자(12b)는 드레인 단자를 향하는 단방향 다이오드(621) 및 제3 과전압 억제 소자(622)를 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 파워 모스펫(100)은 싱글 모스펫(Single MOSFET)으로 구현되어 양방향 다이오드 및 제1 과전압 억제 소자(430)를 포함할 수 있고, 듀얼 모스펫(Dual MOSFET)으로 구현되는 복수의 보호 소자들(12)보다 저비용으로 구현될 수 있다.
도 6b에서, 제1 및 제2 보호 소자들(12a, 12b)에 대한 칩은 하나의 레이아웃으로 소잉(Sawing)될 수 있다. 한편, 파워 모스펫(100)은 싱글 모스펫으로 구현되어 하나의 레이아웃을 형성할 수 있고, 듀얼 모스펫이 하나의 레이아웃을 형성하는 복수의 보호 소자들(12)보다 작은 면적으로 구현될 수 있다. 따라서, 파워 모스펫(100)은 작은 면적으로 구현되어 저비용으로 제작될 수 있다.
도 7은 도 2에 있는 배터리 보호 회로의 파워 모스펫을 제조하는 과정을 설명하는 순서도이다.
도 7을 참조하면, 제1형 에피층(320)은 제1형 기판(310)의 상부에 성장될 수 있다(단계 S710). 제1형 에피층(320)은 제1형 기판(310)과 동일한 결정체를 통하여 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 제1형 기판(310)은 N형 기판으로 구현되고, 제1형 에피층(320)은 N- 에피층으로 구현될 수 있다.
제2형 바디(330)는 제1형 에피층(320)의 상부에서 소정의 깊이로 형성될 수 있다(단계 S720). 일 실시예에서, 제2형 바디(330)는 P형 바디로 구현될 수 있다.
제1형 도핑층(340)은 제2형 바디(330)의 상부에서 소정의 깊이로 형성될 수 있다(단계 S730). 일 실시예에서, 제1형 도핑층(340)은 고농도의 N형 불순물을 도핑하여 N+ 도핑층으로 구현될 수 있다. 여기에서, 소정의 깊이는 제2형 바디(330)와 소스 전극(370)의 컨택을 방지하기 위하여 충분한 깊이에 해당할 수 있다.
게이트 전극(350)은 제1형 도핑층(340) 및 제2형 바디(330)를 수직으로 관통할 수 있다(단계 S740). 게이트 전극(350)은 절연층(360)의 하부와 인접하고, 그 이외의 영역에서 절연막(352)으로 감싸질 수 있다.
절연층(360)은 제1형 도핑층(340)의 상부에서 형성될 수 있다(단계 S750). 일 실시예에서, 절연층(360)은 금속 산화막을 통해 구현될 수 있고, 그 일부가 패터닝될 수 있다.
절연층(360)은 제1형 도핑층(340)이 소정의 깊이를 유지할 수 있도록 에칭될 수 있다(단계 S760). 절연층(360)은 소스 전극(370)과 게이트 전극(350)을 절연시키고, 소스 전극(370)과 제1형 도핑층(340)을 컨택시키기 위하여 필요한 영역이 에칭될 수 있다.
소스 전극(370)은 에칭된 절연층(360)의 일부 영역의 상부에 형성될 수 있다(단계 S770). 소스 전극(370)은 절연층(360)을 관통하여 제1형 도핑층(340)과 연결되고, 제1형 도핑층(340)에 의하여 제2형 바디와의 컨택이 방지될 수 있다.
바이어스 전극(380)은 소스 전극(370)이 형성되지 않은 절연층(360)의 일부 영역에 형성될 수 있다(단계 S780). 바이어스 전극(380)은 소스 전극(370)과 이격되어 배치되고, 절연층(360)을 관통하여 제2형 바디(330)와 컨택될 수 있다.
도 8은 도 2에 있는 배터리 보호 회로의 파워 모스펫을 다른 일 실시예에 따라 제조하는 과정을 설명하는 순서도이다.
도 8을 참조하면, 제1형 에피층(320)은 제1형 기판(310)의 상부에 성장될 수 있다(단계 S810). 서로 이격된 게이트 전극들(350)은 제1형 에피층(320)의 상부에 형성될 수 있다(단계 S820).
제2형 바디(330)는 제1형 에피층(320)의 상부에서 게이트 전극들(350)의 일부를 둘러싸도록 소정의 깊이로 형성될 수 있다(단계 S830). 제1형 도핑층(340)은 제2형 바디(330)의 상부에서 소정의 깊이로 형성될 수 있다(단계 S840).
절연층(360)은 제1형 도핑층(340)의 상부에서 형성될 수 있다(단계 S850). 절연층(360)은 제1형 도핑층(340)이 소정의 깊이를 유지할 수 있도록 에칭될 수 있다(단계 S860).
소스 전극(370)은 에칭된 절연층(360)의 일부 영역의 상부에 형성될 수 있다(단계 S870). 바이어스 전극(380)은 소스 전극(370)이 형성되지 않은 절연층(360)의 일부 영역에 형성될 수 있다(단계 S880).
따라서, 파워 모스펫(100)는 제1 및 제2 다이오드들(410, 420)을 통해 전류의 흐름을 제어할 수 있다. 파워 모스펫(100)은 제1형 도핑층(340)이 소스 전극(370)과 마주하는 영역에 대한 에칭 공정을 생략할 수 있고, 제1형 도핑층(340)은 제2형 바디(330) 및 소스 전극(370)의 사이에서 소정의 깊이를 형성할 수 있다. 즉, 파워 모스펫(100)은 제1형 도핑층(340)을 통해 소스 전극(370)의 바디 컨택을 방지할 수 있다.
상기에서는 본 출원의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 통상의 기술자는 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.
1: 배터리 보호 회로
2: 전자 기기
3: 배터리 4: 어댑터
10: 제1 보호 모듈 11: 제1 보호 집적 회로
12: 복수의 보호 소자들 20: 제2 보호 모듈
21: 제2 보호 집적 회로
100: 파워 모스펫
310: 제1형 기판 320: 제1형 에피층
330: 제2형 바디 340: 제1형 도핑층
350: 게이트 전극 352: 절연막
360: 절연층 370: 소스 전극
380: 바이어스 전극
410, 420: 제1 및 제2 다이오드들 430: 제1 과전압 억제 소자
611: 단방향 다이오드
612: 제2 과전압 억제 소자
621: 단방향 다이오드
622: 제3 과전압 억제 소자
3: 배터리 4: 어댑터
10: 제1 보호 모듈 11: 제1 보호 집적 회로
12: 복수의 보호 소자들 20: 제2 보호 모듈
21: 제2 보호 집적 회로
100: 파워 모스펫
310: 제1형 기판 320: 제1형 에피층
330: 제2형 바디 340: 제1형 도핑층
350: 게이트 전극 352: 절연막
360: 절연층 370: 소스 전극
380: 바이어스 전극
410, 420: 제1 및 제2 다이오드들 430: 제1 과전압 억제 소자
611: 단방향 다이오드
612: 제2 과전압 억제 소자
621: 단방향 다이오드
622: 제3 과전압 억제 소자
Claims (20)
- 절연층;
상기 절연층의 하부에 배치된 제1형 도핑층;
상기 제1형 도핑층의 하부에 배치된 제2형 바디;
상기 절연층의 하부와 인접하고 그 이외의 영역에서 절연막으로 감싸지며 상기 제2형 바디를 관통하여 돌출된 게이트 전극; 및
상기 절연층의 상부에 배치된 제1 영역과 상기 절연층을 관통하여 상기 제1형 도핑층과 접합하는 제2 영역을 포함하는 소스 전극을 포함하는 파워 모스펫.
- 제1항에 있어서,
상기 소스 전극과 이격되어 배치되고, 상기 절연층을 관통하여 상기 제2형 바디와 컨택되는 바이어스 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 모스펫.
- 제2항에 있어서,
상기 제2형 바디의 하부에 배치되고, 상기 게이트 전극이 삽입되는 제1형 에피층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 모스펫.
- 제3항에 있어서, 제2형 바디는
서로 이격되어 배치되는 상기 제1형 에피층 및 상기 제1형 도핑층과 연결되어 양방향 다이오드 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 파워 모스펫.
- 제3항에 있어서, 상기 바이어스 전극은
상기 제2형 바디에 바이어스 전압을 인가하여 상기 제1형 에피층 또는 상기 제1형 도핑층을 향하여 전류의 흐름을 생성하는 것을 특징으로 하는 파워 모스펫.
- 제1항에 있어서, 상기 제1형 도핑층은
상기 제2형 바디 및 상기 소스 전극의 사이에서 소정의 깊이를 형성할 수 있도록 상기 소스 전극과 마주하는 영역에 대한 에칭 공정이 생략되어 형성되는 것을 특징으로 하는 파워 모스펫.
- 제1항에 있어서, 상기 제1형 도핑층은
상기 제2형 바디 및 상기 소스 전극의 사이에서 소정의 깊이를 형성할 수 있도록 상기 소스 전극과 마주하는 영역의 일부가 에칭되어 형성되는 것을 특징으로 하는 파워 모스펫.
- 제1항에 있어서, 상기 제1형 도핑층은
0.3㎛ ~ 0.5㎛의 깊이로 형성되어 상기 소스 전극 및 상기 제2형 바디의 컨택을 방지하는 것을 특징으로 하는 파워 모스펫.
- 제1항에 있어서, 상기 제1형 도핑층은
상기 소스 전극 및 상기 제2형 바디의 컨택을 방지할 수 있도록 적어도 12V의 문턱 전압을 형성하는 것을 특징으로 하는 파워 모스펫.
- 제1항에 있어서, 상기 절연층은
상기 소스 전극과 상기 게이트 전극을 절연시키고, 상기 소스 전극과 상기 제1형 도핑층을 컨택시키기 위하여 필요한 영역이 에칭되는 것을 특징으로 하는 파워 모스펫.
- 제1형 에피층의 상부에 배치된 제2형 바디의 상부에서 소정의 깊이를 형성하도록 제1형 불순물이 도핑된 제1형 도핑층을 형성하는 단계;
상기 제1형 도핑층 및 상기 제2형 바디를 관통하는 게이트 전극을 형성하는 단계;
상기 제1형 도핑층의 상부에 절연층을 형성하는 단계;
상기 제1형 도핑층이 상기 소정의 깊이를 유지할 수 있도록 상기 절연층을 에칭하는 단계; 및
상기 에칭된 절연층의 일부 영역에 소스 전극을 형성하는 단계를 포함하는 파워 모스펫의 제조 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 절연층을 에칭하는 단계는
상기 제2형 바디 및 상기 소스 전극의 컨택이 방지되도록 상기 절연층을 에칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 모스펫의 제조 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 절연층을 에칭하는 단계는
상기 제1형 도핑층이 0.3㎛ ~ 0.5㎛의 깊이를 형성하도록 상기 절연층을 에칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 모스펫의 제조 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 제1형 도핑층을 형성하는 단계는
상기 제1형 도핑층이 적어도 12V의 문턱 전압을 형성할 수 있도록 상기 제1형 불순물을 도핑하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 모스펫의 제조 방법.
- 제11항에 있어서,
상기 소스 전극이 형성되지 않은 상기 에칭된 절연층의 일부 영역에 바이어스 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 모스펫의 제조 방법.
- 제15항에 있어서, 상기 바이어스 전극을 형성하는 단계는
상기 제2형 바디에 바이어스 전압을 인가하여 상기 제1형 에피층 또는 상기 제1형 도핑층을 향하여 전류의 흐름을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 모스펫의 제조 방법.
- 제1형 에피층의 상부에 서로 이격된 게이트 전극들을 형성하는 단계;
상기 제1형 에피층의 상부에서 서로 이격된 게이트 전극들을 둘러싸는 제2형 바디를 형성하는 단계;
상기 제2형 바디의 상부에서 소정의 깊이를 형성하도록 제1형 불순물이 도핑된 제1형 도핑층을 형성하는 단계;
상기 제1형 도핑층의 상부에 절연층을 형성하는 단계;
상기 제1형 도핑층이 상기 소정의 깊이를 유지할 수 있도록 상기 절연층을 에칭하는 단계; 및
상기 에칭된 절연층의 일부 영역에 소스 전극을 형성하는 단계를 포함하는 파워 모스펫의 제조 방법.
- 제17항에 있어서, 상기 절연층을 에칭하는 단계는
상기 제2형 바디 및 상기 소스 전극의 컨택이 방지되도록 상기 절연층을 에칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 모스펫의 제조 방법.
- 제17항에 있어서, 상기 절연층을 에칭하는 단계는
상기 제1형 도핑층이 0.3㎛ ~ 0.5㎛의 깊이를 형성하도록 상기 절연층을 에칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 모스펫의 제조 방법.
- 제17항에 있어서, 상기 제1형 도핑층을 형성하는 단계는
상기 제1형 도핑층이 적어도 12V의 문턱 전압을 형성할 수 있도록 상기 제1형 불순물을 도핑하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 모스펫의 제조 방법.
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Legal Events
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N231 | Notification of change of applicant | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |