KR20180116505A - 슈퍼정션 igbt - Google Patents

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KR20180116505A
KR20180116505A KR1020170048595A KR20170048595A KR20180116505A KR 20180116505 A KR20180116505 A KR 20180116505A KR 1020170048595 A KR1020170048595 A KR 1020170048595A KR 20170048595 A KR20170048595 A KR 20170048595A KR 20180116505 A KR20180116505 A KR 20180116505A
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강이구
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극동대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 전력 반도체에 관한 것이다. 본 발명의 일측면에 따르면, 3.3kV 이상의 항복전압을 가진 전력 반도체 소자가 제공된다. 전력 반도체는 제1 도전형 드리프트 영역, 상기 제1 도전형 드리프트 영역의 상면에 형성된 복수의 제2 도전형 웰, 상기 제2 도전형 웰의 내부에 형성된 복수의 제1 도전형 에미터 영역 및 상기 제2 도전형 웰의 하부에 형성되는 제2 도전형 필라 및 상기 제2 도전형 필라 사이에 형성된 제1 도전형 필라를 포함하되, 상기 제2 도전형 필라는 상기 제1 도전형 드리프트 영역에 수직방향으로 30um 이하의 깊이로 형성될 수 있다.

Description

슈퍼정션 IGBT{Super junction IGBT}
본 발명은 슈퍼정션 구조를 갖는 전력 반도체에 관한 것이다.
전력 반도체(Power device)는 전력장치용의 반도체소자이다. 전력 반도체는 전력의 변환이나 제어용으로 최적화되어 있어서, 전력 전자공학의 핵심 소자이며 고전압화, 고전류화, 고주파수화된 것이 특징이다. 대표적인 전력 반도체인 전력IGBT(Insulated gate bipolar transistor)는 전기자동차, 신재생에너지 인버터산업 분야 등에서 주로 사용되며, 이들 분야에서는 600∼1700V 이하의 전력 IGBT가 사용되고 있다. 그러나 최근에는 2.5kV 이상의 전력 IGBT에 대해 활발히 연구가 진행되면서, 송배전분야에서도 전력 IGBT를 채택하고 있다. 특히, 에너지 밴드 갭이 넓은 화합물 반도체 소자인 GaN이나 SiC 전력반도체가 출현되면서 전력 반도체가 적용될 수 있는 분야가 확장되고 있다. 그러나 아직까지는 실리콘 기반의 전력 반도체가 일반적으로 적용되고 있다. 2.5kV이상의 대용량에 적용되기 위해서, 전력 반도체는 큰 전류에 대해 우수한 열적 특성을 가져야 하며, 특히, 대용량이기 때문에 최적의 온 저항을 유지하는 것이 무엇보다 중요하다.
전기적 특성이 향상된 전력 반도체를 제공하고자 한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 3.3kV 이상의 항복전압을 가진 전력 반도체 소자가 제공된다. 전력 반도체는 제1 도전형 드리프트 영역, 상기 제1 도전형 드리프트 영역의 상면에 형성된 복수의 제2 도전형 웰, 상기 제2 도전형 웰의 내부에 형성된 복수의 제1 도전형 에미터 영역 및 상기 제2 도전형 웰의 하부에 형성되는 제2 도전형 필라 및 상기 제2 도전형 필라 사이에 형성된 제1 도전형 필라를 포함하되, 상기 제2 도전형 필라는 상기 제1 도전형 드리프트 영역에 수직방향으로 30um 이하의 깊이로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 제1 도전형은 n형이며, 상기 제2 도전형은 p형일 수 있다.
일 실시예로, 상기 제2 도전형 필라의 제2 도전형 불순물 농도는 5x1015cm-2 이상일 수 있고, 상기 제1 도전형 드리프트 영역의 에피 저항은 140Ω 이상일 수 있다.
한편, 상기 전력 반도체는 전력용 MOSFET 및 IGBT 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 FS(Field stop) 슈퍼정션 IGBT는 공정 파라미터를 조절함으로써 셀 크기(피치)의 변경 없이 3.3kV 이상의 항복전압을 가질 수 있게 되었다.
이하에서, 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명된다. 이해를 돕기 위해, 첨부된 전체 도면에 걸쳐, 동일한 구성 요소에는 동일한 도면 부호가 할당되었다. 첨부된 도면에 도시된 구성은 본 발명을 설명하기 위해 예시적으로 구현된 실시예에 불과하며, 본 발명의 범위를 이에 한정하기 위한 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼정션 IGBT를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 슈퍼정션 IGBT 소자의 설계 파라미터를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 도 1의 슈퍼정션 IGBT 소자의 접합 깊이에 따른 항복전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 도 1의 슈퍼정션 IGBT 소자의 접합 농도에 따른 항복전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 1의 슈퍼정션 IGBT 소자의 에피 저항에 따른 항복전압 특성을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
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.
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.
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 있다. 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.
"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.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이하에서는 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)를 중심으로 설명하지만, 본 발명의 기술적 사상이 전력용 MOSFET 등 여러 형태의 반도체 소자에 동일 또는 유사하게 적용 및 확장될 수 있음은 당연하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기적 특성을 갖는 슈퍼정션 전력 반도체 소자를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 슈퍼정션 전력 반도체 소자는, 수직 방향으로 연장된 제1 도전형 필라(130;N-pillar) 및 제2 도전형 필라(140;P-pillar)이 수평방향으로 서로 교번하게 액티브 영역에 형성된 수퍼정션 구조를 포함한다. 여기서, 제1 도전형은 n형이며, 제2 도전형은 p형일 수 있다.
상세하게, 슈퍼정션 전력 반도체 소자는, 제1 도전형 드리프트 영역(100)의 상면에 형성된 제2 도전형 웰(110), 제2 도전형 웰(110)의 내부에 형성된 복수의 제1 도전형 에미터 영역(115), 및 인접한 두 개의 제2 도전형 웰(110) 사이에 위치한 제1 도전형 드리프트 영역(100)의 상부에 형성된 게이트 전극(120)을 포함한다. 게이트 전극(120)은 제1 도전형 드리프트 영역(100)의 상면에 수평하게 형성되며, 예를 들어, 폴리 실리콘으로 형성될 수 있다. 여기서, 게이트 전극(120)의 양단은 인접한 두 개의 제2 도전형 웰(110)에 형성된 제1 도전형 에미터 영역(115)의 상부까지 연장된다.
제2 도전형 웰(110)은 게이트 전극(120) 사이에 위치한 제1 도전형 드리프트 영역(100)의 상면에 형성된다. 게이트 산화막(125)은 게이트 전극(120)과 제2 도전형 웰(110) 사이에 개재되며, 실시예에 따라 게이트 산화막(125)은 게이트 전극(120)을 에미터 메탈(170)로부터 전기적으로 절연시키기 위해서 게이트 전극(120)을 둘러싸도록 형성될 수 있다.
버퍼층(150)은 제1 도전형 드리프트 영역(100)과 제2 도전형 컬렉터 영역(160) 사이에 형성된다. 버퍼층(150)은 공핍층이 제2 도전형 컬렉터 영역(160)으로 확장되지 않도록 억제한다. 제2 도전형 컬렉터 영역(160)의 하부에는 금속 컬렉터 전극이 형성된다.
상술한 구조를 갖는 슈퍼정션 전력 반도체 소자의 동작을 설명한다.
슈퍼정션 전력 반도체 소자에 순방향 전압이 인가되면, 제1 도전형 필라(130)는 에미터 메탈(170)부터 제2 도전형 컬렉터 영역(160)까지 전하가 흐를 수 있는 도전 경로를 제공한다. 제공된 도전 경로를 통해, 제1 도전형 에미터 영역(115)을 통해 채널에 주입된 전자는 제1 도전형 드리프트 영역을 통과하여 제2 도전형 컬렉터 영역(160)으로 이동할 수 있다. 한편, 슈퍼정션 전력 반도체 소자에 역방향 전압이 인가되면, 공핍 영역이 제1 도전형 필라(130)와 제2 도전형 필라(140)간 PN 접합면을 따라 생성된다. 전계는 PN 접합면에 수평한 방향으로 확장된다. 여기서, 제1 도전형 필라(130)가 완전히 공핍 영역으로 전환되도록 하기 위해, 제1 도전형 필라(130) 및 제2 도전형 필라(140)의 전하량이 조절될 수 있다. 이를 통해서, 일반적인 전력 반도체 소자보다 높은 도핑 농도를 사용하여 실질적으로 동일 또는 그 이상의 항복 전압을 얻을 수 있다.
앞서 설명한 도 1의 수평형 게이트를 구비한 전력 반도체 소자의 경우, 반도체 소자에 역방향 전압이 인가되는 경우, 드리프트 영역과 P형 웰(20) 영역 사이에 역방향 전압이 인가되고 N 도전형 영역인 드리프트 영역을 통해 P형 웰(20)과 드리프트 영역 사이의 접합면을 따라 공핍 영역이 생성되고 이를 따라 수직한 방향으로 전계가 확장된다, 이때 PN 접합에서 최대값을 갖는 삼각형 형상의 수직 방향 전계는 PN 접합에서의 전계가 임계치에 도달했을 때 항복 현상이 발생되고, 이에 의해 항복 전압이 결정된다. 이로 인해 슈퍼정션 구조는 개선된 순방향 특성을 가질 수 있다.
제1 도전형 필라(130)와 제2 도전형 필라(140)가 완전히 공핍 영역으로 전환되는 경우를 가정할 때, 수퍼정션 구조가 적용된 전력 반도체 소자의 온-저항은 항복 전압과 셀 피치(Cell pitch)에 선형적으로 비례한다. 따라서 순방향 소자 특성은 항복 전압을 유지하면서 셀 피치를 감소시켜 개선될 수 있다. 즉, 셀 피치가 감소되면, 인접한 PN 접합면 사이의 거리가 감소되고 공핍 영역이 만나는 길이가 짧아지므로 제1 도전형 필라(130)가 형성된 제1 도전형 드리프트 영역(100)의 농도를 증가시킬 수 있다. 이로 인해, 제1 도전형 드리프트 영역(100)의 저항이 감소되고, 전력 반도체 소자의 집적도 증가에 의한 효과까지 얻을 수 있어 칩의 저항을 효과적으로 줄일 수 있다.
그러나, 수퍼정션 구조에서 제1 도전형 필라(130)와 제2 도전형 필라(140)의 피치가 작아지면, 제1 도전형 필라(130)와 제2 도전형 필라(140)의 농도가 높아지기 때문에 각 영역의 형성 공정에서의 공정 변수에 따라 전하의 불균형이 발생할 수 있는 가능성이 커지며, 이는 반도체 소자 특성의 열화 및 수율의 하락 등의 원인이 된다.
여기서는, 열적 특성과 온 저항 특성을 확보하기 위하여 고전압 IGBT가 사용되어 온 기존 Planar Gate type IGBT 구조에 슈퍼정션 구조를 형성하여 동일한 셀(Cell)의 크기를 유지하고 구조적인 차이를 통해서 손실전력을 최소화할 수 있다. 특히 슈퍼정션 구조는 기존의 구조보다 상당히 작은 온 저항을 구현할 수 있다. 이하에서는 슈퍼정션 구조를 통하여 기존 Planar Gate type IGBT와 유사한 항복전압(3300V), 문턱전압을 유지하면서 온 저항과 직접적인 관계가 있는 온 상태 전압강하(Vce,sat)를 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 도 1의 슈퍼정션 IGBT 소자의 설계 파라미터를 설명하기 위한 단면도이다.
슈퍼정션 IGBT 소자에서, 제1 도전형 드리프트 영역(100)은 기존 Planar Gate type IGBT의 N-드리프트 영역과 같은 역할을 하며, 제1 도전형 드리프트 영역(100)을 쉽게 공핍화할 수 있어 낮은 온 상태 전압강하를 가지면서 높은 항복전압을 확보할 수 있다. 도 2에 도시된 슈퍼정션 IGBT 소자는, 10um의 셀 피치와 320um 깊이를 가질 수 있다. 제1 도전형 드리프트 영역(100)의 깊이는 315.5um이고, 버퍼층(150)의 두께는 5um이며, 제2 도전형 필라(140)의 깊이는 30um일 수 있다. 게이트 전극(120)의 폭은 4.5um이며, N+ 영역의 폭은 1um일 수 있다. 제2 도전형 필라(140)는 5x1015cm-2로, 제2 도전형 웰(110)은 7x1013cm-2로, 그리고 JFET 영역은 1x1012cm-2로 각각 도핑될 수 있다. 여기서, 제1 도전형 드리프트 영역(100)의 에피 저항은 140Ω 일 수 있다.
도 3은 도 1의 슈퍼정션 IGBT 소자의 접합 깊이에 따른 항복전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 제2 도전형 필라(140)의 깊이 변화에 따라 측정된 항복전압이 도시되어 있다. 항복전압은 전력소자에 오프 상태 유지 능력을 나타내는 중요한 전기적 특성이다. 일반적으로 항복현상은 애벌런치(Avalanche) 항복 또는 펀치스루에 의해서 발생하게 되며, 보편적으로 애벌런치 항복이 일어나기 전에 공핍 영역에 의한 펀치스루 항복이 먼저 발생하게 된다. 슈퍼정션 구조의 핵심설계지표인 제2 도전형 필라(140)의 깊이를 10um부터 30um까지 변경할 때, 제2 도전형 필라(140)의 깊이가 깊어질수록 항복전압이 낮아지는 것을 알 수 있다. 제2 도전형 필라(140)의 깊이가 10um일 때 항복전압은 약 3430V인데, 제2 도전형 필라(140)의 깊이가 30um로 깊어지면 항복전압은 약 3345V로 감소한다. 즉, 제2 도전형 필라(140)의 깊이가 깊을수록 펀치스루 항복이 먼저 발생하게 때문에 항복전압이 낮아지게 되는 것이다. 여기서, 제2 도전형 필라(140)가 제1 도전형 드리프트 영역(100)에서 차지하는 면적이 증가하므로 온 저항은 낮아질 것임을 충분히 예상할 수 있다.
도 4는 도 1의 슈퍼정션 IGBT 소자의 접합 농도에 따른 항복전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 제2 도전형 필라(140)의 농도 변화에 따라 측정된 항복전압이 도시되어 있다. 제2 도전형 필라(140)의 농도 1.0×1013cm-2부터 1×1016cm-2으로 증가할수록 항복전압이 증가함을 알 수 있다. 즉, 제2 도전형 필라(140)의 농도가 높을수록 공핍 영역의 길이는 짧아진다. 따라서 공핍 영역이 짧아진 만큼 펀치스루 항복이 늦게 일어나기 때문에 항복전압이 증가하게 된다. 다만 제2 도전형 필라(140)는 캐리어가 흐르는 제1 도전성 드리프트 영역(100)이 아니므로, 제1 도전성 드리프트 영역(100)의 농도는 항복전압과 반비례 관계에 있다.
제2 도전성 필라(cm-2) 항복전압(V)
1×1013 3177.92
5×1013 3305.02
1×1014 3376.98
5×1014 3379.72
1×1015 3407.09
5×1015 3549.83
1×1016 3575.25
표 1은 제2 도전형 필라(140)의 농도변화에 따른 항복전압을 나타낸다. 본 발명에 따른 실시예에서 목표로 하고 있는 3.3kV 이상의 항복전압을 갖는 제2 도전형 필라(140)의 농도는 약 5×1013cm-2이며, 그 이상의 농도에서 안정적인 항복전압을 구현할 수 있다.
도 5는 도 1의 슈퍼정션 IGBT 소자의 에피 저항에 따른 항복전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 제1 도전성 드리프트 영역(100)의 에피 저항 변화에 따라 측정된 항복전압이 도시되어 있다. 제1 도전성 드리프트 영역(100)의 농도가 낮을수록 에피 저항은 커지게 되며, 이로 인해 전력 반도체 소자의 온 저항은 커지게 되고, 항복전압은 높아지게 된다. 일반적으로 온 저항과 항복전압은 트레이드 오프 관계에 있으며, 항복전압을 올리기 위해서는 제1 도전성 드리프트 영역(100)의 농도를 낮게 설정하는 것이 바람직하다. 그러나 전력손실과 밀접한 관계에 있는 온 저항은 낮은 것이 바람직하므로, 온 저항과 항복전압간 적절한 점을 찾아야 한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 3.3kV 이상의 항복전압을 유지하기 위해서, 에피 저항은 약 140Ω 이상이 유지되어야 한다.
에피 저항(Ω) 항복전압(V)
100 2722.70
110 2917.79
120 3082.73
130 3213.08
135 3268.06
140 3318.61
145 3365.60
150 3410.83
160 3492.84
170 3563.86
표 2는 에피 저항의 변화에 따른 항복전압을 나타낸다. 도 5에 도시되어 있듯이, 에피 저항이 약 140Ω일 때, 항복전압은 약 3318V이며, 에피 저항이 증가할수록 항복전압도 증가함을 알 수 있다. 그러나 항복전압을 증가시키면 온 저항도 따라서 증가하므로, 에피 저항을 지속적으로 증가시킬 수 없다.
이상에서는 차세대 전력반도체 소자로 대표되고 있는 3.3kV급 슈퍼정션 FS IGBT의 구조적인 설계를 통해 그 전기적인 특성 중 공정 파라미터에 따른 항복전압의 변화를 설명하였다. 다양한 공정 파라미터 중에서, P형 불순물로 도핑된 제2 도전형 필라가 형성되는 트렌치의 깊이에 따라서 항복전압이 감소하며, 제2 도전형 필라의 농도가 증가하면서 항복전압도 동시에 증가하는 것을 알 수 있었다. 또한 제1 도전형 드리프트층의 저항이 높아질수록 항복전압도 같이 증가하는 것을 이해할 수 있다. 이를 종합하면, FS 슈퍼정션 IGBT가 3.3kV 이상의 값을 유지하기 위한 제2 도전형 필라의 농도는 약 5×1013cm-2이며, 제1 도전형 드리프트층의 에피 저항은 약 140Ω임을 알 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (5)

  1. 제1 도전형 드리프트 영역;
    상기 제1 도전형 드리프트 영역의 상면에 형성된 복수의 제2 도전형 웰;
    상기 제2 도전형 웰의 내부에 형성된 복수의 제1 도전형 에미터 영역; 및
    상기 제2 도전형 웰의 하부에 형성되는 제2 도전형 필라 및 상기 제2 도전형 필라 사이에 형성된 제1 도전형 필라를 포함하되,
    상기 제2 도전형 필라는 상기 제1 도전형 드리프트 영역에 수직방향으로 30um 이하의 깊이로 형성되는 전력 반도체.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 도전형 필라의 제2 도전형 불순물 농도는 5x1015cm-2 이상인 전력 반도체.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 도전형 드리프트 영역의 에피 저항은 140Ω 이상인 전력 반도체.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 도전형은 n형이며, 상기 제2 도전형은 p형인 전력 반도체.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 전력 반도체는 전력용 MOSFET 및 IGBT 중 어느 하나인 전력 반도체.
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