KR20190059344A - 고내압 트렌치 게이트 igbt - Google Patents

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Abstract

본 발명은 트렌치 게이트 구조를 갖는 전력 반도체에 관한 것이다. 본 발명의 일측면에 따르면, 트렌치 게이트 IGBT가 제공된다. 트렌치 게이트 IGBT는, 제1 도전형 드리프트 영역, 상기 제1 도전형 드리프트 영역의 상면에 형성된 제2 도전형 베이스 영역, 상기 제2 도전형 베이스 영역의 내부에 형성된 제1 도전형 에미터 영역 및 상기 제2 도전형 베이스 영역 및 상기 제1 도전형 에미터 영역에 인접하게 위치하며, 상기 제1 도전형 드리프트 영역의 상면으로부터 그 내부를 향해 연장되며 상기 제1 도전형 드리프트 영역, 상기 제2 도전형 베이스 영역 및 상기 제1 도전형 에미터 영역과 전기적으로 절연된 트렌치 게이트를 포함하되, 상기 트렌치 게이트의 깊이는 5um인 제2 도전형 필라는 상기 제1 도전형 드리프트 영역에 수직방향으로 30um 이하의 깊이로 형성될 수 있다.

Description

고내압 트렌치 게이트 IGBT{Trench-gate Insulated gate bipolar transistor}
본 발명은 트렌치 게이트 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 1.2kV 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. 1.2kV이상의 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, 트렌치 게이트 IGBT가 제공된다. 트렌치 게이트 IGBT는, 제1 도전형 드리프트 영역, 상기 제1 도전형 드리프트 영역의 상면에 형성된 제2 도전형 베이스 영역, 상기 제2 도전형 베이스 영역의 내부에 형성된 제1 도전형 에미터 영역 및 상기 제2 도전형 베이스 영역 및 상기 제1 도전형 에미터 영역에 인접하게 위치하며, 상기 제1 도전형 드리프트 영역의 상면으로부터 그 내부를 향해 연장되며 상기 제1 도전형 드리프트 영역, 상기 제2 도전형 베이스 영역 및 상기 제1 도전형 에미터 영역과 전기적으로 절연된 트렌치 게이트를 포함하되, 상기 트렌치 게이트의 깊이는 5um인 제2 도전형 필라는 상기 제1 도전형 드리프트 영역에 수직방향으로 30um 이하의 깊이로 형성될 수 있다.
일 실시예로, 상기 제1 도전형 드리프트층의 깊이는 120um일 수 있다.
일 실시예로, 상기 트렌치 게이트 IGBT의 순방향 강하 전압은 1.7V일 수 있다.
일 실시예로, 상기 제1 도전형 드리프트 영역의 에피 저항은 40Ω/cm 또는 50Ω/cm일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 FS(Field stop) 트렌치게이트 IGBT는 공정 파라미터를 조절함으로써 셀 크기(피치)의 변경 없이 1.2 kV 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 트렌치 게이트 IGBT의 단면을 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 트렌치 게이트 IGBT의 도핑 농도 프로파일을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 3a 및 3b는 트렌치 게이트의 깊이에 따른 전기적인 특성 변화를 예시적으로 나타낸 그래프이다.
도 4a 및 4b는 제1 도전형 드리프트층의 설계 파라미터에 따른 전기적인 특성 변화를 예시적으로 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 일 실시예에 따른 트렌치 게이트 IGBT의 단면을 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 트렌치 게이트 IGBT는 제1 도전형 드리프트층(100), 제1 도전형 드리프트층(100)의 상부에 형성된 트렌치 게이트(110) 및 제2 도전형 베이스 영역(120), 및 제2 도전형 베이스 영역(120)의 상부에 형성된 제1 도전형 에미터 영역(130)을 포함한다. 이하에서 제1 도전형은 n형이며, 제2 도전형은 p형으로 가정하고 설명하지만, 그 역의 관계도 성립할 수 있음은 물론이다.
제1 도전형 드리프트층(100)은 전류가 흐르는 경로를 제공한다. 제1 도전형 드리프트층(100)은 제2 도전형 컬렉터층(140) 및 제1 도전형 버퍼층(150)의 상부에 에피택셜 성장을 통해 형성된다. 제2 도전형 컬렉터층(140)은 상대적으로 높은 농도로 제2 도전형 불순물을 도핑하여 형성된다. 제1 도전형 버퍼층(150)은 제1 도전형 불순물을 도핑하여 형성된다. 여기서, 제1 도전형 버퍼층(150)은 필드 스탑(field stop)의 기능을 한다.
트렌치 게이트(110)는 제1 도전형 드리프트층(100)의 상부에 형성된다. 게이트(110)를 형성하기 위해서, 제1 도전형 드리프트층(100)의 상면으로부터 내부를 향해 소정 깊이로 식각하여 트렌치를 형성한다. 트렌치 게이트(110)의 깊이에 따른 전기적 특성은 도 3을 참조하여 이하에서 설명한다. 트렌치의 바닥 및 측벽에는 제1 도전형 드리프트층(100)과의 전기적으로 절연을 위해 절연막이 형성된다. 여기서 절연막은 실리콘 산화막일 수 있다. 절연막이 형성된 트렌치의 내부는 금속 또는 폴리실리콘으로 충진된다. 트렌치 게이트 IGBT는 복수의 트렌치 게이트(110)를 포함하며, 트렌치 게이트 사이 거리는 약 11um 내지 약 12um 사이일 수 있다.
제2 도전형 베이스 영역(120)은 트렌치 게이트(110)의 일측에 형성된다. 제2 도전형 베이스 영역(120)은 제1 도전형 드리프트층(100)의 상부에 제2 도전형 불순물을 이온 주입하여 형성된다. 이에 따라 제2 도전형 베이스 영역(120)은 제1 도전형 드리프트층(100)의 상면으로부터 내부로 소정 깊이까지 연장되게 형성된다.
제1 도전형 에미터 영역(130)은 제2 도전형 베이스 영역(120)의 상부 일측에 형성된다. 제1 도전형 에미터 영역(130)은 제2 도전형 베이스 영역(120)의 상부에 제1 도전형 불순물을 상대적으로 높은 농도로 이온 주입하여 트렌치 게이트(110)에 인접하게 형성된다.
표 1은 트렌치 게이트 IGBT의 설계 파라미터를 나타낸다.
구분 단위 값
Pitch ㎛ 20
Depth ㎛ 130
Resistance Ω-cm 40
Buffer depth ㎛ 0.8
P-base dose /cm2 3.5E13
Trench depth ㎛ 7 이하
Trench width ㎛ 1.5이하
N+ width ㎛ 0.7이하
N-drift depth ㎛ 100이하
이하에서는 도 1에 도시된 구조와 표 1의 설계 파라미터를 기본으로 하고, 다른 설계 파라미터는 고정한 상태에서 주요 파라미터들을 변화시켜가면서 항복 전압 BV 및 순방향 강하 전압 Vce , sat 등과 같은 전력 반도체의 핵심적인 전기적 특성을 분석한다.
도 2는 도 1에 도시된 트렌치 게이트 IGBT의 도핑 농도 프로파일을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 제1 도전형 드리프트층(100)은 약 1.139E+12 및 제1 도전형 에미터 영역(130)은 약 1.198E+20의 농도로 실질적으로 균일하게 도핑되어 있다. 제2 도전형 베이스 영역(120), 제2 도전형 컬렉터층(140) 및 제1 도전형 버퍼층(150)은 깊이에 따라 농도 구배가 달라지도록 도핑되어 있다. 제2 도전형 베이스 영역(120) 및 제2 도전형 컬렉터층(140)은 깊이가 증가할수록 제2 도전형 불순물의 농도가 증가하며, 상면에서의 농도는 약 -1.700E+19이며 제1 도전형 드리프트층(100)과의 접합 영역에서의 농도는 약 -8.447E+13이다. 제1 도전형 버퍼층(150)은 일정 깊이까지는 제1 도전형 불순물의 농도가 증가한 후 이후부터는 감소한다.
도 3a 및 3b은 트렌치 게이트의 깊이에 따른 전기적인 특성 변화를 예시적으로 나타낸 그래프이다.
도 3a를 참조하면, 트렌치 게이트(110)의 깊이에 따라 변화하는 항복전압 BV과 전류를 확인할 수 있다. 트렌치 게이트(110)의 깊이는 3um부터 0.5um 단위로 증가시키면서 항복전압 BV가 측정되었다. 트렌치 게이트(110)의 깊이가 약 4.5 내지 5um일 때 항복전압 BV는 약 1.2kV를 유지함을 알 수 있다. 트렌치 게이트(110)의 깊이가 더 증가하더라도 항복전압은 일정하게 유지됨을 알 수 있다. 한편, 전류는 트렌치 게이트(110)의 깊이가 증가할수록 함께 증가함을 알 수 있다.
도 3b를 참조하면, 트렌치 게이트(110)의 깊이에 따라 변화하는 항복전압 BV과 순방향 강하 전압 Vce , sat 을 확인할 수 있다. 순방향 강하 전압 Vce , sat 는 트렌치 게이트의 깊이가 증가할수록 감소하며, 트렌치 게이트(110)의 깊이가 약 5um일 때 약 1.7V임을 알 수 있다.
도 4a 및 4b는 제1 도전형 드리프트층의 설계 파라미터에 따른 전기적인 특성 변화를 예시적으로 나타낸 그래프이다.
도 4a를 참조하면, 제1 도전형 드리프트층(100)의 저항값에 따라 변화하는 항복전압 BV를 확인할 수 있다. 제1 도전형 드리프트층(100)의 저항값은 40 Ω/cm부터 5 Ω/cm단위로 증가시키면서 항복전압 BV가 측정되었다. 측정값 그래프로부터 알 수 있듯이, 약 50 Ω/cm부터 이상의 저항값이 유지되어야 항복전압 BV가 1.2kV를 유지할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 제1 도전형 드리프트층(100)의 깊이에 따라 변화하는 항복전압 BV 및 순방향 강하 전압 Vce , sat 을 확인할 수 있다. 제1 도전형 드리프트층(100)의 저항값은 40 Ω/cm을 유지한 상태에서 제1 도전형 드리프트층(100)의 깊이는 100um부터 10um 단위로 증가시키면서 항복전압 BV 및 순방향 강하 전압 Vce , sat 이 측정되었다. 1.2kV보다 작지만, 제1 도전형 드리프트층(100)의 깊이를 약 120um으로 유지하면서 저항값을 조절하면 1.2kV급에서 약 1.7V의 순방향 강하 전압 Vce , sat 을 구현할 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 제2 도전형 베이스 영역;
    상기 제2 도전형 베이스 영역의 내부에 형성된 제1 도전형 에미터 영역; 및
    상기 제2 도전형 베이스 영역 및 상기 제1 도전형 에미터 영역에 인접하게 위치하며, 상기 제1 도전형 드리프트 영역의 상면으로부터 그 내부를 향해 연장되며 상기 제1 도전형 드리프트 영역, 상기 제2 도전형 베이스 영역 및 상기 제1 도전형 에미터 영역과 전기적으로 절연된 트렌치 게이트를 포함하되,
    상기 트렌치 게이트의 깊이는 5um인 제2 도전형 필라는 상기 제1 도전형 드리프트 영역에 수직방향으로 30um 이하의 깊이로 형성되는 트렌치 게이트 IGBT.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 도전형 드리프트층의 깊이는 120um인 트렌치 게이트 IGBT.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 트렌치 게이트 IGBT의 순방향 강하 전압은 1.7V인 트렌치 게이트 IGBT.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 도전형 드리프트 영역의 에피 저항은 40Ω/cm인 트렌치 게이트 IGBT.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 도전형 드리프트 영역의 에피 저항은 50Ω/cm인 트렌치 게이트 IGBT.
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