KR20220082656A - 전력 반도체 소자 및 전력 반도체 칩 - Google Patents
전력 반도체 소자 및 전력 반도체 칩 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20220082656A KR20220082656A KR1020200172749A KR20200172749A KR20220082656A KR 20220082656 A KR20220082656 A KR 20220082656A KR 1020200172749 A KR1020200172749 A KR 1020200172749A KR 20200172749 A KR20200172749 A KR 20200172749A KR 20220082656 A KR20220082656 A KR 20220082656A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- power semiconductor
- trenches
- layer
- gate electrode
- electrode layer
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 160
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 125
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 claims description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 9
- 125000006850 spacer group Chemical class 0.000 claims description 4
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 3
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 2
- 229910021332 silicide Inorganic materials 0.000 description 2
- FVBUAEGBCNSCDD-UHFFFAOYSA-N silicide(4-) Chemical compound [Si-4] FVBUAEGBCNSCDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N [Si].[Ge] Chemical compound [Si].[Ge] LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BIXHRBFZLLFBFL-UHFFFAOYSA-N germanium nitride Chemical compound N#[Ge]N([Ge]#N)[Ge]#N BIXHRBFZLLFBFL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YBMRDBCBODYGJE-UHFFFAOYSA-N germanium oxide Inorganic materials O=[Ge]=O YBMRDBCBODYGJE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000449 hafnium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N hafnium(4+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[Hf+4] WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PVADDRMAFCOOPC-UHFFFAOYSA-N oxogermanium Chemical compound [Ge]=O PVADDRMAFCOOPC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- -1 region Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/70—Bipolar devices
- H01L29/72—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals
- H01L29/739—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals controlled by field-effect, e.g. bipolar static induction transistors [BSIT]
- H01L29/7393—Insulated gate bipolar mode transistors, i.e. IGBT; IGT; COMFET
- H01L29/7395—Vertical transistors, e.g. vertical IGBT
- H01L29/7396—Vertical transistors, e.g. vertical IGBT with a non planar surface, e.g. with a non planar gate or with a trench or recess or pillar in the surface of the emitter, base or collector region for improving current density or short circuiting the emitter and base regions
- H01L29/7397—Vertical transistors, e.g. vertical IGBT with a non planar surface, e.g. with a non planar gate or with a trench or recess or pillar in the surface of the emitter, base or collector region for improving current density or short circuiting the emitter and base regions and a gate structure lying on a slanted or vertical surface or formed in a groove, e.g. trench gate IGBT
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
- H01L27/04—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body
- H01L27/08—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including only semiconductor components of a single kind
- H01L27/082—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including only semiconductor components of a single kind including bipolar components only
- H01L27/0823—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including only semiconductor components of a single kind including bipolar components only including vertical bipolar transistors only
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/41—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions
- H01L29/417—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions carrying the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/41708—Emitter or collector electrodes for bipolar transistors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/41—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions
- H01L29/423—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions not carrying the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/42304—Base electrodes for bipolar transistors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
Abstract
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 의한 전력 반도체 소자는, 반도체층과, 수직 전하 이동 경로를 제공하도록 상기 반도체층에 형성되고, 제 1 도전형을 갖는 드리프트 영역과, 상기 드리프트 영역 상의 상기 반도체층에 스트라이프 타입으로 형성되고, 제 2 도전형을 갖는 복수의 웰 영역들과, 상기 복수의 웰 영역들 사이의 상기 반도체층의 표면으로부터 상기 반도체층 내부로 상기 웰 영역들보다 깊게 리세스되어 형성된 복수의 트렌치들과, 상기 복수의 트렌치들 하부의 상기 반도체층에 형성되고, 제 2 도전형을 갖는 플로팅 영역과, 상기 복수의 트렌치들의 측벽 상에 상기 복수의 트렌치들의 측벽을 따라서 스트라이프 타입으로 형성된 게이트 전극층을 포함한다.
Description
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 전력 전달을 스위칭하기 위한 전력 반도체 소자 및 전력 반도체 칩에 관한 것이다.
전력 반도체 소자는 고전압과 고전류 환경에서 동작하는 반도체 소자이다. 이러한 전력 반도체 소자는 고전력 스위칭이 필요한 분야, 예컨대 인버터 소자에 이용되고 있다. 예를 들어, 전력 반도체 소자로는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor), 전력 모스펫(Power MOSFET) 등을 들 수 있다. 이러한 전력 반도체 소자는 고전압에 대한 내압 특성이 기본적으로 요구되며, 최근에는 부가적으로 고속 스위칭 동작을 요하고 있다.
이러한 반도체 소자는 채널에서 주입되는 전자와 컬렉터에서 주입되는 정공이 흐르면서 동작한다. 하지만, 트렌치 게이트 타입의 전력 반도체 소자에 있어서, 정공이 트렌치 게이트에 과다하게 축적되면, 네거티브 게이트 차징(negative gate charging, NGC) 현상이 발생하면서 게이트 방향으로 변위 전류(displacement current)가 발생하게 된다.
이러한 트렌치 게이트 타입의 전력 반도체 소자는 게이트-컬렉터 간 커패시턴스(Cgc)가 커서 이러한 네거티브 게이트 차징(NGC) 영향을 많이 받게 되어 스위칭 안정성에 이슈가 발생되고 있다. 나아가, 스위칭 동작 시 순간적으로 게이트-에미터간 전위(Vge)가 상승되고 컬렉터-에미터간 전류(Ice)가 상승되면서 이들 값들의 오실레이션 및/또는 오버슈팅이 발생될 수 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고전압에 대한 내압 특성을 확보하면서, 게이트 차징 영향을 감소시켜 동작 안정성을 높일 수 있는 전력 반도체 소자 및 전력 반도체 칩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 의한 전력 반도체 소자는, 반도체층과, 수직 전하 이동 경로를 제공하도록 상기 반도체층에 형성되고, 제 1 도전형을 갖는 드리프트 영역과, 상기 드리프트 영역 상의 상기 반도체층에 스트라이프 타입으로 형성되고, 제 2 도전형을 갖는 복수의 웰 영역들과, 상기 복수의 웰 영역들 사이의 상기 반도체층의 표면으로부터 상기 반도체층 내부로 상기 웰 영역들보다 깊게 리세스되어 형성된 복수의 트렌치들과, 상기 복수의 트렌치들 하부의 상기 반도체층에 형성되고, 제 2 도전형을 갖는 플로팅 영역과, 상기 복수의 트렌치들의 측벽 상에 상기 복수의 트렌치들의 측벽을 따라서 스트라이프 타입으로 형성된 게이트 전극층을 포함한다.
상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 게이트 전극층은 상기 트렌치의 측벽 상에 스페이서 형태로 형성될 수 있다.
상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 게이트 전극층은 상기 복수의 트렌치들 내에 도전층을 형성한 후, 상기 도전층을 이방성 식각하여 형성될 수 있다.
상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 게이트 전극층은 그 상부보다 그 하부의 폭이 더 크게 형성될 수 있다.
상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 게이트 전극층은 상기 복수의 트렌치들의 적어도 중앙 부근에서 상기 복수의 트렌치들 하부의 상기 플로팅 영역을 노출할 수 있다.
상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 게이트 전극층 및 상기 플로팅 영역 상에 상기 복수의 트렌치들을 매립하도록 형성된 층간 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 복수의 웰 영역들 상의 상기 반도체층에 형성되고 제 1 도전형을 갖는 복수의 에미터 영역들을 더 포함할 수 있다.
상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 복수의 에미터 영역들에 연결되도록 상기 에미터 영역들 상에 형성된 에미터 전극층을 더 포함할 수 있다.
상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 게이트 전극층 및 상기 복수의 트렌치들의 측벽들 사이 및 상기 게이트 전극층 및 상기 복수의 트렌치들의 바닥면 사이에 형성된 게이트 절연층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따른 전력 반도체 칩은, 메인 셀 영역 및 센서 영역을 포함하는 반도체층과, 상기 메인 셀 영역에 형성되고, 전술한 전력 반도체 소자를 포함하는, 복수의 전력 반도체 트랜지스터들과, 상기 전력 반도체 트랜지스터들의 전류를 모니터링하기 위해, 상기 센서 영역에 형성된 복수의 전류 센서 트랜지스터들과, 상기 복수의 전력 반도체 트랜지스터들의 에미터 전극과 연결되는 에미터 단자와, 상기 복수의 전류 센서 트랜지스터들의 에미터 전극과 연결되는 전류 센서 단자와, 상기 전력 반도체 트랜지스터들의 게이트 전극 및 상기 복수의 전류 센서 트랜지스터들의 게이트 전극과 연결되는 게이트 단자를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전력 반도체 소자에 따르면, 내압 특성을 유지하면서도 게이트 차징 영향을 감소시켜 동작 안성성을 높일 수 있다.
이러한 효과는 예시적인 것이고, 본 발명의 실시예들이 이에 제한받는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 칩을 보여주는 개략적인 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 칩을 보여주는 회로도이다.
도 3은 도 2의 전력 반도체 칩의 일부를 보여주는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자를 보여주는 평면도이다.
도 5는 도 4의 전력 반도체 소자의 V-V선에서 절취한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자의 게이트-컬렉터 커패시턴스를 보여주는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전력 반도체 소자와 비교예에 따른 전력 반도체 소자의 동작 특성을 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 칩을 보여주는 회로도이다.
도 3은 도 2의 전력 반도체 칩의 일부를 보여주는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자를 보여주는 평면도이다.
도 5는 도 4의 전력 반도체 소자의 V-V선에서 절취한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자의 게이트-컬렉터 커패시턴스를 보여주는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전력 반도체 소자와 비교예에 따른 전력 반도체 소자의 동작 특성을 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 적어도 일부의 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 도면에서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
다르게 정의되지 않는 한, 여기에 사용된 모든 용어들은 해당기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 같은 의미로 사용된다. 도면에서, 층 및 영역의 크기는 설명을 위해 과장되었고, 따라서 본 발명의 일반적인 구조들을 설명하기 위해 제공된다.
동일한 참조 부호들은 동일한 구성 요소를 나타낸다. 층, 영역, 또는 기판과 같은 한 구성이 다른 구성 상(on)에 있다고 지칭할 때, 그것은 다른 구성의 바로 상부 트렌치에 있거나 또는 그 사이에 다른 개재된 구성이 또한 존재할 수 있는 것으로 이해될 것이다. 반면에, 한 구성이 다른 구성의 “바로 위에(directly on)” 있다라고 지칭할 때는 중간 개재 구성들이 존재하지 않는다고 이해된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 칩(50)을 보여주는 개략적인 평면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 칩(50) 보여주는 회로도이고, 도 3은 도 2의 전력 반도체 칩의 일부를 보여주는 회로도이다.
도 1을 참조하면, 전력 반도체 칩(50)은 메인 셀 영역(MC) 및 센서 영역(SA)을 포함하는 반도체층(105)을 이용하여 형성될 수 있다. 이러한 전력 반도체 칩(50)은 웨이퍼 다이(die) 또는 패키징 구조를 포함할 수 있다.
메인 셀 영역(MC)에는 복수의 전력 반도체 트랜지스터들(power semiconductor transistors, 도 3의 PT)이 형성될 수 있다. 센서 영역(SA)에는 전력 반도체 트랜지스터들(PT)의 전류를 모니터링하기 위해 복수의 전류 센서 트랜지스터들(도 3의 ST)이 형성될 수 있다.
예를 들어, 전력 반도체 트랜지스터들(PT) 및 전류 센서 트랜지스터들(ST)은 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) 또는 전력 모스펫(power MOSFET) 구조를 포함할 수 있다. IGBT는 게이트 전극, 에미터 전극(emitter electrode) 및 컬렉터 전극(collector electrode)을 포함할 수 있다. 도 2 내지 도 3에서는 전력 반도체 트랜지스터들(PT) 및 전류 센서 트랜지스터들(ST)이 IGBT인 경우를 예로 설명한다.
도 1 내지 도 3을 같이 참조하면, 전력 반도체 칩(50)은 외부와 연결을 위한 복수의 단자들을 포함할 수 있다.
예를 들어, 전력 반도체 칩(50)은 전력 반도체 트랜지스터들(PT)의 에미터 전극에 연결되는 에미터 단자(69), 전류를 모니터링하기 위한 전류 센서 트랜지스터들(ST)의 에미터 전극과 연결되는 전류 센서 단자(64), 전력 반도체 트랜지스터들(PT)의 게이트 전극 및 전류 센서 트랜지스터들(ST)의 게이트 전극과 연결되는 게이트 단자(62) 및/또는 전력 반도체 트랜지스터들(PT) 및 전류 센서 트랜지스터들(ST)의 컬렉터 전극과 연결되는 컬렉터 단자(61)를 포함할 수 있다.
나아가, 전력 반도체 칩(50)은 전력 반도체 트랜지스터들(PT)의 켈빈 에미터 전극에 연결되는 켈빈 에미터 단자(66) 및 온도를 모니터링하기 위한 온도 센서(TC)와 연결되는 온도 센서 단자들(67, 68)을 더 포함할 수도 있다.
도 2에서 컬렉터 단자(61)는 도 1의 반도체층(105)의 후면 상에 형성되고, 도 2에서 에미터 단자(69)는 도 1의 메인 셀 영역(MC) 상에 형성될 수 있다.
예를 들어, 온도 센서(TC)는 온도 센서 단자들(67, 68)과 연결된 정션 다이오드(junction diode)를 포함할 수 있다. 정션 다이오드는 적어도 하나의 n형 불순물 영역과 적어도 하나의 p형 불순물 영역의 접합 구조, 예컨대 P-N 접합 구조, P-N-P 접합 구조, N-P-N 접합 구조 등을 포함할 수 있다.
본 구조는 전력 반도체 칩(50) 내에 온도 센서(TC)가 내장된 구조를 예시적으로 설명하고 있으나, 이 실시예의 변형된 예에서 온도 센서(TC)가 생략될 수도 있다.
전력 반도체 트랜지스터(PT)는 에미터 단자(69)와 컬렉터 단자(61) 사이에 접속되고, 전류 센서 트랜지스터(ST)는 전류 센서 단자(64)와 컬렉터 단자(61) 사이에 전력 반도체 트랜지스터(PT)와 일부 병렬적으로 접속된다. 전류 센서 트랜지스터(ST)의 게이트 전극과 전력 반도체 트랜지스터(PT)의 게이트 전극은 소정의 저항을 개재하여 게이트 단자(62)에 공유로 연결된다.
전류 센서 트랜지스터(ST)는 전력 반도체 트랜지스터(PT)와 실질적으로 같은 구조로 형성되며, 다만 소정의 비로 축소되어 형성될 수 있다. 이에 따라, 전류 센서 트랜지스터(ST)의 출력 전류를 모니터링함으로써 전력 반도체 트랜지스터(PT)의 출력 전류를 간접적으로 모니터링할 수 있다.
예를 들어, 전력 반도체 트랜지스터(PT) 및/또는 전류 센서 트랜지스터(ST)는 도 4 내지 도 6의 전력 반도체 소자(100)의 구조를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전력 반도체 트랜지스터(PT)와 전력 반도체 소자(100)가 동일한 의미로 사용될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자(100)를 보여주는 평면도이고, 도 5는 도 4의 전력 반도체 소자의 V-V선에서 절취한 단면도이다. 도 4에서 일부 구성은 도시의 편의와 명확성을 위해서 생략되었다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 반도체층(105)은 하나 또는 복수의 반도체 물질층을 지칭할 수 있으며, 예를 들어, 반도체 기판의 일부 및/또는 하나 또는 다층의 에피택셜층(epitaxial layer)을 지칭할 수도 있다. 반도체 물질로는 실리콘, 게르마늄, 실리콘-게르마늄 등을 포함할 수 있다.
예를 들어, 반도체층(105)은 드리프트 영역(107) 및 복수의 웰 영역들(110)을 포함할 수 있다. 나아가, 반도체층(105)은 플로팅 영역(125) 및 복수의 에미터 영역들(112)을 더 포함할 수 있다. 여기에서 에미터 영역(112)은 소오스 영역으로 불릴 수도 있고, 이하에서 에미터 영역(112)은 소오스 영역을 의미할 수도 있다.
드리프트 영역(107)은 제 1 도전형을 가질 수 있고, 반도체층(105)의 일부에 제 1 도전형의 불순물을 주입하여 형성될 수 있다. 예컨대, 드리프트 영역(107)은 제 1 도전형의 불순물을 반도체층(105)에 도핑하여 형성될 수 있다. 드리프트 영역(107)은 전하의 수직 이동 경로를 제공할 수 있다.
웰 영역들(110)은 드리프트 영역(107) 상의 반도체층(105)에 형성되고, 제 2 도전형을 가질 수 있다. 예를 들어, 웰 영역들(110)은 반도체층(105)에 스트라이프 타입(stripe type)으로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 웰 영역들(110)은 복수의 라인들을 따라서 반도체층(105)에 형성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 웰 영역들(110)은 반도체층(105)에 드리프트 영역(107)의 적어도 일부에 접하도록 형성될 수 있다. 웰 영역들(110)은 반도체층(105) 또는 드리프트 영역(107) 내에 제 1 도전형의 반대인 제 2 도전형의 불순물을 도핑하여 형성될 수 있다. 한편, 웰 영역들(110)은 바이폴라 정션 트랜지스터 구조에서 베이스 영역으로 불릴 수도 있다.
에미터 영역들(112)은 웰 영역(110)들 상의 반도체층(105)에 각각 형성되고, 제 1 도전형을 가질 수 있다. 예를 들어, 에미터 영역들(112)은 반도체층(105) 또는 웰 영역(110)에 제 1 도전형의 불순물을 도핑하여 형성될 수 있다. 에미터 영역(112)은 드리프트 영역(107)보다 제 1 도전형의 불순물이 보다 고농도로 도핑되어 형성될 수 있다.
컬렉터 영역(102)은 드리프트 영역(107) 아래에 제공되고, 컬렉터 전극(150)은 컬렉터 영역(128)에 연결되도록 컬렉터 영역(102) 아래에 제공될 수 있다. 예를 들어, 컬렉터 영역(102)은 제 2 도전형을 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 컬렉터 영역(102)은 반도체 기판의 적어도 일부를 구성할 수 있고, 드리프트 영역(107)은 이러한 반도체 기판, 즉 컬렉터 영역(102) 상에 에피??셜층으로 형성될 수 있다. 컬렉터 전극(150)은 컬렉터 영역(102)에 전기적으로 연결되도록, 반도체 기판의 하면 상에 형성될 수 있다.
한편, 전력 반도체 소자(100)가 모스펫 구조를 갖는 경우, 컬렉터 영역(102)은 생략될 수 있다. 이 경우, 컬렉터 전극(150)은 드레인 전극으로 불릴 수 있고, 이러한 드레인 전극이 드리프트 영역(107)과 접하도록 형성될 수 있다.
복수의 트렌치들(116)은 반도체층(105) 내부로 리세스되게 형성될 수 있다. 예를 들어, 트렌치들(116)은 웰 영역들(110) 사이의 반도체층(105)의 표면으로부터 반도체층(105) 내부로 리세스되어 형성될 수 있다. 나아가, 트렌치들(116)은 웰 영역들(110)보다 깊게 형성될 수 있다. 트렌치들(116)의 측벽은 웰 영역들(110)과 드리프트 영역(107)의 일부분과 접할 수 있다.
일부 실시예들에서, 반도체층(105)의 표면에서 보면, 트렌치들(116)은 웰 영역들(110) 및 에미터 영역들(112)을 제외한 영역에 전체적으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 트렌치들(116)은 스트라이프 타입으로 형성된 웰 영역들(110) 사이의 반도체층에 라인 타입으로 형성될 수 있다.
게이트 전극층(120)은 트렌치들(116)의 측벽 상에 측벽 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 게이트 전극층(120)은 트렌치들(116)의 측벽을 따라서 스트라이프 타입으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 게이트 전극층(120)은 적절한 도전물, 예컨대 폴리실리콘, 금속, 금속 질화물, 금속 실리사이드 등을 포함하거나 또는 이들의 적층 구조를 포함할 수 있다.
게이트 절연층(118)은 게이트 전극층(120)과 반도체층(105)의 사이에 형성될 수 있다. 예를 들어, 게이트 절연층(118)은 게이트 전극층(120)과 반도체층(105)의 트렌치들(116)에 의해서 노출된 부분 사이에 형성될 수 있다.
예를 들어, 게이트 절연층(118)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 게르마늄 산화물, 게르마늄 질화물, 하프늄 산화물, 지르코늄 산화물, 알루미늄 산화물 등의 절연물을 포함하거나 또는 이들의 적층 구조를 포함할 수 있다.
플로팅 영역(125)은 트렌치들(116) 하부의 반도체층(105)에 형성되고, 제 2 도전형을 가질 수 있다. 예를 들어, 플로팅 영역(125)은 반도체층(105) 또는 드리프트 영역(107)에 제 2 도전형의 불순물을 주입하여 형성될 수 있다. 나아가, 플로팅 영역(125)은 게이트 전극층(120)의 바닥면에서 전계가 집중되는 것을 완화하기 위하여, 적어도 게이트 전극층(120)의 바닥면을 둘러싸도록 형성될 수 있다.
층간 절연층(130)은 게이트 전극층(120) 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 층간 절연층(130)은 적절한 절연물, 예컨대 산화층, 질화층 또는 이들의 적층 구조를 포함할 수 있다.
에미터 전극층(140)은 층간 절연층(130) 상에 형성될 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 에미터 전극층(140)은 에미터 영역들(112)에 연결되도록 에미터 영역들(112) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 에미터 전극층(140)은 적절한 도전물, 예컨대 폴리실리콘, 금속, 금속 질화물, 금속 실리사이드 등을 포함하거나 또는 이들의 적층 구조를 포함할 수 있다.
나아가, 에미터 전극층(140)은 웰 영역(110)에 더 연결될 수 있다. 예를 들어, 웰 영역(110)은 일부분에 고농도 도핑 영역을 포함하고, 이러한 고농도 도핑 영역에 에미터 전극층(140)이 연결될 수 있다.
일부 실시예들에서, 게이트 전극층(120)은 트렌치들(116)의 측벽 상에 스페이서 형태로 형성될 수 있다. 나아가, 게이트 전극층(120)은 그 상부보다 그 하부의 폭이 더 크게 형성될 수 있다.'
예를 들어, 반도체층(105)에 트렌치들(116)가 형성되고, 트렌치들(116) 내면 상에 게이트 절연층(118)이 형성되고, 이러한 게이트 절연층(118)이 형성된 트렌치들(116)내에 도전층이 형성될 수 있다. 이러한 도전층을 이방성 식각(anisotropic etching)하면, 스페이서 형태의 게이트 전극층(120)이 형성될 수 있다. 이러한 게이트 전극층(120)의 폭은 적어도 소정 깊이까지는 점차 커질 수 있다.
트렌치들(116)의 양 측벽 상의 게이트 전극층(120)은 트렌치들(116)의 적어도 중앙 부근에서 트렌치들(116) 하부의 플로팅 영역(125)을 노출할 수 있다. 트렌치들(116)의 폭이 게이트 전극층(120)을 형성하기 위한 도전층의 두께의 2배보다 더 크기 때문에, 게이트 전극층(120)이 트렌치들(116)의 측벽들을 따라서 형성되고 트렌치들(116)를 매립하지 않을 수 있다.
따라서, 게이트 전극층(120)의 형성 시 도전층에 대한 별도의 리소그래피 공정 없이 전면적인 이방성 식각으로 트렌치들(116)의 측벽을 따라서 스트라이프 타입의 게이트 전극층(120)이 형성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 층간 절연층(130)은 게이트 전극층(120) 및 플로팅 영역(125) 상에 트렌치들(116)를 매립하도록 형성될 수 있다. 따라서, 웰 영역(110)의 맞은 편 게이트 전극층(120)의 일측은 두꺼운 층간 절연층(130)과 접할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 이러한 구조는 층간 절연층(130)과 접하는 게이트 전극층(120)의 일측에서 게이트-컬렉터 커패시턴스(Cgc)가 거의 무시할만한 수준으로 작게 하고, 게이트=컬렉터 커패시턴스(Cgc)가 게이트 전극층(120)과 드리프트 영역(107) 사이에 한정되게 함으로써, 전체적인 게이트-컬렉터 커패시턴스(Cgc)를 줄이는 역할을 할 수 있다.
따라서, 전력 반도체 소자(100)에 따르면, 게이트 전극층(120)의 일측이 두꺼운 층간 절연층(130)에 접함에 따라서, 기존의 트렌치 구조에 비해서 게이트-컬렉터 커패시턴스를 줄일 수 있다. 이에 따라, 전력 반도체 소자(100)의 네거티브 게이트 차징 현상을 줄이 수 있어서, 스위칭 안정성이 높아질 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전력 반도체 소자와 비교예에 따른 전력 반도체 소자의 동작 특성을 보여주는 그래프이다. 도 7에서 비교예는 기존 트렌치 구조의 전력 반도체 소자를 나타내고, 실시예는 전술한 전력 반도체 소자(100)의 구조를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 전력 반도체의 스위칭 시 비교예의 경우 게이트-에미터 전압(Vge), 게이트-컬렉터 전압(Vgc) 및 컬렉터-에미터 전류(Ice)에서 모두 오실레이션이 나타나면서 피크가 생겼으나, 실시예의 경우 오실레이션이 거의 나타나지 않고 피크도 거의 관찰되지 않음을 알 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 전력 반도체 소자(100)의 경우, 네거티브 게이트 차징을 억제하여, 높은 스위칭 안정성을 확보할 수 있음을 알 수 있다.
도 1 내지 도 3에서 전력 반도체 칩(50)은 도 4 내지 도 6의 전력 반도체 소자(100)를 전력 반도체 트랜지스터(PT) 및/또는 전류 센서 트랜지스터(ST)로 이용할 수 있고, 따라서 전술한 전력 반도체 소자(100)의 특징은 전력 반도체 칩(50)에도 그대로 적용될 수 있다.
예를 들어, 전력 반도체 소자(100)가 전력 반도체 트랜지스터(PT) 및 전류 센서 트랜지스터(ST)로 구현되는 경우, 전력 반도체 소자(100)의 게이트 전극층(120), 에미터 전극층(140) 및 컬렉터 전극층(150)은 전력 반도체 트랜지스터(PT) 및 전류 센서 트랜지스터(ST)의 게이트 전극, 에미터 전극 및 컬렉터 전극에 각각 대응되는 구조로 이해될 수 있다.
따라서, 전술한 전력 반도체 소자(100) 및 이러한 전력 반도체 소자(100)를 이용한 전력 반도체 칩(50)에 따르면, 고전압에서 내압을 유지하면서도 네거티브 게이트 차징 현상을 억제하고, 스위칭 안정성을 높일 수 있다.
전술한 설명들은 전력 반도체 소자가 IGBT인 경우를 상정하여 설명하였지만, 전력 모스펫에도 그대로 적용될 수 있다. 다만, 전력 모스펫에서는 컬렉터 영역(102)이 없고 컬렉터 전극(150) 대신에 드레인 전극이 배치될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
50: 전력 반도체 칩
100: 전력 반도체 소자
102: 컬렉터 영역
105: 반도체층
107: 드리프트 영역
110: 웰 영역
112: 에미터 영역
118: 게이트 절연층
120: 게이트 전극층
125: 플로팅 영역
130: 절연층
140: 에미터 전극층
150: 컬렉터 전극층
100: 전력 반도체 소자
102: 컬렉터 영역
105: 반도체층
107: 드리프트 영역
110: 웰 영역
112: 에미터 영역
118: 게이트 절연층
120: 게이트 전극층
125: 플로팅 영역
130: 절연층
140: 에미터 전극층
150: 컬렉터 전극층
Claims (10)
- 반도체층;
수직 전하 이동 경로를 제공하도록 상기 반도체층에 형성되고, 제 1 도전형을 갖는 드리프트 영역;
상기 드리프트 영역 상의 상기 반도체층에 스트라이프 타입으로 형성되고, 제 2 도전형을 갖는 복수의 웰 영역들;
상기 복수의 웰 영역들 사이의 상기 반도체층의 표면으로부터 상기 반도체층 내부로 상기 웰 영역들보다 깊게 리세스되어 형성된 복수의 트렌치들;
상기 복수의 트렌치들 하부의 상기 반도체층에 형성되고, 제 2 도전형을 갖는 플로팅 영역; 및
상기 복수의 트렌치들의 측벽 상에 상기 복수의 트렌치들의 측벽을 따라서 스트라이프 타입으로 형성된 게이트 전극층;을 포함하는,
전력 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 게이트 전극층은 상기 복수의 트렌치들의 측벽 상에 스페이서 형태로 형성된,
전력 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 게이트 전극층은 상기 복수의 트렌치들 내에 도전층을 형성한 후, 상기 도전층을 이방성 식각하여 형성되는,
전력 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 게이트 전극층은 그 상부보다 그 하부의 폭이 더 크게 형성된,
전력 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 게이트 전극층은 상기 복수의 트렌치들의 적어도 중앙 부근에서 상기 복수의 트렌치들 하부의 상기 플로팅 영역을 노출하는,
전력 반도체 소자. - 제 5 항에 있어서,
상기 게이트 전극층 및 상기 플로팅 영역 상에 상기 복수의 트렌치들을 매립하도록 형성된 층간 절연층을 더 포함하는,
전력 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 웰 영역들 상의 상기 반도체층에 형성되고 제 1 도전형을 갖는 복수의 에미터 영역들을 더 포함하는,
전력 반도체 소자. - 제 7 항에 있어서,
상기 복수의 에미터 영역들에 연결되도록 상기 에미터 영역들 상에 형성된 에미터 전극층을 더 포함하는,
전력 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 게이트 전극층 및 상기 복수의 트렌치들의 측벽들 사이 및 상기 게이트 전극층 및 상기 복수의 트렌치들의 바닥면 사이에 형성된 게이트 절연층을 더 포함하는,
전력 반도체 소자. - 메인 셀 영역 및 센서 영역을 포함하는 반도체층;
상기 메인 셀 영역에 형성되고, 제 1 항 내지 제 9 항의 어느 한 항에 따른 전력 반도체 소자를 포함하는, 복수의 전력 반도체 트랜지스터들;
상기 전력 반도체 트랜지스터들의 전류를 모니터링하기 위해, 상기 센서 영역에 형성된 복수의 전류 센서 트랜지스터들;
상기 복수의 전력 반도체 트랜지스터들의 에미터 전극과 연결되는 에미터 단자;
상기 복수의 전류 센서 트랜지스터들의 에미터 전극과 연결되는 전류 센서 단자; 및
상기 전력 반도체 트랜지스터들의 게이트 전극 및 상기 복수의 전류 센서 트랜지스터들의 게이트 전극과 연결되는 게이트 단자를 포함하는
전력 반도체 칩.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200172749A KR20220082656A (ko) | 2020-12-10 | 2020-12-10 | 전력 반도체 소자 및 전력 반도체 칩 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200172749A KR20220082656A (ko) | 2020-12-10 | 2020-12-10 | 전력 반도체 소자 및 전력 반도체 칩 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20220082656A true KR20220082656A (ko) | 2022-06-17 |
Family
ID=82269130
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020200172749A KR20220082656A (ko) | 2020-12-10 | 2020-12-10 | 전력 반도체 소자 및 전력 반도체 칩 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20220082656A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20140057630A (ko) | 2011-09-28 | 2014-05-13 | 도요타 지도샤（주） | Igbt 와 그 제조 방법 |
-
2020
- 2020-12-10 KR KR1020200172749A patent/KR20220082656A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20140057630A (ko) | 2011-09-28 | 2014-05-13 | 도요타 지도샤（주） | Igbt 와 그 제조 방법 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11610884B2 (en) | Semiconductor device | |
| KR102088181B1 (ko) | 반도체 트랜지스터 및 그 제조 방법 | |
| JP7327672B2 (ja) | 半導体装置 | |
| CN112201690A (zh) | Mosfet晶体管 | |
| US11569360B2 (en) | Power semiconductor device and power semiconductor chip | |
| CN213459746U (zh) | Mosfet晶体管 | |
| KR20220082656A (ko) | 전력 반도체 소자 및 전력 반도체 칩 | |
| KR102437048B1 (ko) | 전력 반도체 소자 및 전력 반도체 칩 | |
| KR102437047B1 (ko) | 전력 반도체 소자 및 전력 반도체 칩 | |
| KR102187903B1 (ko) | 전력 반도체 소자 | |
| KR20220079262A (ko) | 전력 반도체 소자 및 전력 반도체 칩 | |
| KR102042834B1 (ko) | 전력 반도체 소자 및 그 제조방법 | |
| KR102321272B1 (ko) | 전력 반도체 소자 및 그 제조방법 | |
| KR20230128847A (ko) | 전력 반도체 소자 및 전력 반도체 칩 | |
| KR20230128846A (ko) | 전력 반도체 소자 및 전력 반도체 칩 | |
| KR102398995B1 (ko) | 전력 반도체 소자 | |
| KR20230128845A (ko) | 전력 반도체 소자 및 전력 반도체 칩 | |
| KR102300623B1 (ko) | 전력 반도체 소자 및 전력 반도체 칩 | |
| KR20230155856A (ko) | 전력 반도체 소자 및 전력 반도체 칩 | |
| KR20210056147A (ko) | 전력 반도체 소자 | |
| KR20220083264A (ko) | 전력 반도체 소자 및 전력 반도체 칩 | |
| KR20220083265A (ko) | 전력 반도체 소자 및 전력 반도체 소자의 제조방법 | |
| KR102042833B1 (ko) | 전력 반도체 소자 및 그 제조방법 | |
| CN117497410B (zh) | 一种rc-ligbt及其制备方法、芯片 | |
| CN113921603B (zh) | 一种功率半导体装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E601 | Decision to refuse application |