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KR101788415B1 - Semiconductor Device and Fabricating Method thereof - Google Patents

Semiconductor Device and Fabricating Method thereof Download PDF

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KR101788415B1
KR101788415B1 KR1020150189926A KR20150189926A KR101788415B1 KR 101788415 B1 KR101788415 B1 KR 101788415B1 KR 1020150189926 A KR1020150189926 A KR 1020150189926A KR 20150189926 A KR20150189926 A KR 20150189926A KR 101788415 B1 KR101788415 B1 KR 101788415B1
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South Korea
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region
gate electrode
trench
gate
semiconductor device
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강수창
황대원
이용원
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매그나칩 반도체 유한회사
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Abstract

본 발명은 전력용 반도체 소자에 관한 것으로, 게이트 전극을 분리 구조(split poly)로 형성하고, 하부 게이트 전극을 드레인영역의 깊이까지 형성함으로써 게이트 전극의 일부분에 전계가 집중되는 현상을 막고, 온저항이 작은 반도체 소자를 제공할 수 있다.The present invention relates to a power semiconductor device, in which a gate electrode is formed of a split poly and a bottom gate electrode is formed to a depth of a drain region, thereby preventing an electric field from concentrating on a part of the gate electrode, This small semiconductor element can be provided.

Description

반도체 소자 및 그 소자의 제조 방법{Semiconductor Device and Fabricating Method thereof}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a semiconductor device and a fabrication method thereof,

본 발명은 전력용 반도체 소자에 관한 것으로, 특히 온저항이 작도록 게이트 전극을 분리 구조(split poly)로 형성한 트렌치 게이트 반도체 소자에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power semiconductor device, and more particularly, to a trench gate semiconductor device in which a gate electrode is formed in a split poly such that the ON resistance is small.

모바일 기기의 보급과 더불어 모바일 기기에 전원을 공급하는 배터리에 관한 기술도 중요성이 높아지고 있다. 근래의 배터리는 사용에 따라 방전 및 충전이 가능한 2차 전지가 주종을 이루고 있으며, 배터리 사양에 따라 방전 및 충전에 필요한 전압과 전류를 관리하기 위한 배터리 보호회로가 구비되어야 한다.In addition to the spread of mobile devices, technologies related to batteries that supply power to mobile devices are becoming more important. [0003] 2. Description of the Related Art [0004] In recent years, a secondary battery capable of discharging and charging according to usage has been the main type of battery, and a battery protection circuit for managing voltage and current required for discharging and charging according to battery specifications.

이 때, 배터리 보호회로는 충방전 전압 및 전류의 제어뿐만 아니라 런타임(run time) 예측 등의 기능을 추가로 수행할 수 있으며, 상기와 같은 기능을 구현하기 위해 하나 이상의 셀이 직렬 또는 병렬로 연결되어 구성될 수 있다.At this time, the battery protection circuit may perform functions such as a run time prediction as well as charge / discharge voltage and current control. In order to implement the above function, one or more cells may be connected in series or in parallel .

배터리 보호회로는 배터리의 충전 및 방전에 따른 전류를 통과 및 차단시키는 관문과 같은 역할을 하므로, 배터리 보호회로가 활성화되어 전류를 통과시킬 때에는 가급적 낮은 저항값을 가져야 하고, 배터리 보호회로가 비활성화되어 전류를 차단시킬 때에는 높은 전압에서도 항복현상이 일어나지 않도록 높은 내압성능을 갖는 것이 요구된다.The battery protection circuit functions as a gate for passing and blocking the current due to the charging and discharging of the battery. Therefore, when the battery protection circuit is activated and the current passes, the battery protection circuit must have a low resistance value as much as possible. It is required to have a high withstand voltage performance so as not to cause a breakdown phenomenon even at a high voltage.

반도체 소자를 이용한 배터리 보호회로는 일반적으로 Control IC와 Common drain MOSFET이 동시에 구성되며, 그 중 트렌치 게이트 반도체 소자는 높은 집적도를 통한 낮은 온 저항 (Ron)을 구현할 수 있다는 장점으로 인해 배터리 보호회로를 구성하는 소자로 널리 이용되고 있다.A battery protection circuit using a semiconductor device is generally configured with a control IC and a common drain MOSFET, and among them, a trench gate semiconductor device can realize a low on-resistance (Ron) through a high degree of integration, And is widely used as a device for

그러나 종래 단일 게이트 전극으로 형성된 트렌치 게이트 반도체 소자는 게이트 전극 끝에 전계(electric field)가 집중되어 항복전압이 낮아지는 문제점이 있다.However, in the conventional trench gate semiconductor device formed with a single gate electrode, an electric field is concentrated at the gate electrode end, which lowers the breakdown voltage.

본 발명의 목적은 온 저항이 작은 트렌치 게이트 반도체 소자를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a trench gate semiconductor device with a small on-resistance.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 트렌치 게이트 반도체 소자는 반도체 기판, 상기 반도체 기판 상에 형성된 활성영역, 상기 활성영역의 양측에 형성된 트렌치, 상기 트렌치 내벽에 형성된 절연막, 상기 절연막 상에 형성된 게이트 전극, 상기 트렌치 사이의 활성영역 상부에 형성된 제1 도전형의 소스영역, 상기 트렌치 사이의 활성영역 하부에 형성된 제1 도전형의 드레인영역, 및 상기 소스영역 및 드레인영역 사이에 형성된 제2 도전형의 바디영역;을 포함하고, 상기 게이트 전극은, 상기 트렌치 하부에 형성된 하부 게이트 전극 및 상기 트렌치 상부에 형성된 상부 게이트 전극을 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a trench gate semiconductor device including a semiconductor substrate, an active region formed on the semiconductor substrate, a trench formed on both sides of the active region, an insulating film formed on the inner wall of the trench, A source region of a first conductivity type formed above the active region between the trenches, a drain region of a first conductivity type formed below the active region between the trenches, and a gate electrode formed between the source region and the drain region. 2 conductive type body region, and the gate electrode may include a bottom gate electrode formed under the trench and an upper gate electrode formed over the trench.

또한, 상기 드레인영역은, 하부에 형성된 제1 도전형의 고농도 도핑영역 및The drain region may include a heavily doped region of the first conductivity type formed in the lower portion,

상부에 형성된 제1 도전형의 저농도 드리프트영역을 포함할 수 있다.And a low-concentration drift region of the first conductivity type formed on the upper portion.

또한, 상기 하부 게이트 전극은 상기 드리프트영역이 형성된 깊이에 형성될 수 있다.The lower gate electrode may be formed at a depth where the drift region is formed.

또한, 상기 상부 게이트 전극은 하부 게이트 전극보다 폭이 넓을 수 있다.In addition, the upper gate electrode may be wider than the lower gate electrode.

또한, 상기 절연막은, 상기 하부 게이트 전극의 저면 및 측면을 둘러싸는 하부 절연막 및 상기 상부 게이트 전극의 저면 및 측면을 둘러싸는 상부 절연막을 포함할 수 있다.The insulating layer may include a lower insulating layer surrounding the bottom and side surfaces of the bottom gate electrode, and an upper insulating layer surrounding the bottom and side surfaces of the top gate electrode.

또한, 상기 하부 절연막은 상기 상부 절연막보다 두껍게 형성될 수 있다.The lower insulating layer may be thicker than the upper insulating layer.

또한, 상기 상부 및 하부 게이트 전극은 전기적으로 연결될 수 있다.In addition, the upper and lower gate electrodes may be electrically connected.

또한, 상기 트렌치의 길이 방향 일단에 형성된 터미네이션 영역 및 상기 터미네이션 영역에 상기 상부 및 하부 게이트 전극을 전기적으로 연결하는 게이트 메탈을 더 포함할 수 있다.The semiconductor device may further include a termination region formed at one end in the longitudinal direction of the trench and a gate metal electrically connecting the upper and lower gate electrodes to the termination region.

본 발명의 실시예에 따른 트렌치 게이트 반도체 소자는 게이트 전극을 분리 구조(split poly)로 형성하고, 하부 게이트 전극을 드레인영역의 깊이까지 형성함으로써 게이트 전극의 일부분에 전계가 집중되는 현상을 막고, 온저항이 작은 반도체 소자를 제공할 수 있다.A trench gate semiconductor device according to an embodiment of the present invention includes a gate electrode formed in a split poly shape and a bottom gate electrode extending to a depth of a drain region to prevent the electric field from being concentrated on a portion of the gate electrode, It is possible to provide a semiconductor element having a small resistance.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 트렌치 게이트 반도체 소자의 단면을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 트렌치 게이트 반도체 소자에 형성되는 전계의 분포를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 트렌치 게이트 반도체 소자의 Mesa 및 드리프트영역의 농도에 따른 항복전압의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 트렌치 게이트 반도체 소자의 활성영역과 터미네이션영역을 나타내는 도면이다.
1 is a cross-sectional view of a trench gate semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing a distribution of an electric field formed in a trench gate semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing the relationship between the breakdown voltage according to the concentration of the mesa and the drift region of the trench gate semiconductor device according to the embodiment of the present invention.
4 is a view showing an active region and a termination region of a trench gate semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 트렌치 게이트 반도체 소자(100)의 단면을 나타내는 도면이다.1 is a cross-sectional view of a trench gate semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 트렌치 게이트 반도체 소자(100)는 반도체 기판, 상기 반도체 기판 상에 형성된 활성영역(110), 활성영역(110)의 양측에 형성된 트렌치(120), 트렌치(120) 내벽에 형성된 절연막(130), 보호막(130) 상에 형성된 게이트 전극(140), 트렌치(120) 사이의 활성영역(110) 상부에 형성된 제1 도전형의 소스영역(150), 트렌치(120) 사이의 활성영역(110) 하부에 형성된 제1 도전형의 드레인영역(170), 소스영역(150) 및 드레인영역(170) 사이에 형성된 제2 도전형의 바디영역(160)을 포함할 수 있다. 1, a trench gate semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention includes a semiconductor substrate, active regions 110 formed on the semiconductor substrate, trenches 120 formed on both sides of the active region 110, A gate electrode 140 formed on the protective film 130 and a source region 150 of a first conductivity type formed on the active region 110 between the trenches 120 A first conductive type drain region 170 formed under the active region 110 between the trenches 120 and a second conductive type body region 160 formed between the source region 150 and the drain region 170 ).

또한 게이트 전극(140)은 트렌치(120) 하부에 형성된 하부 게이트 전극(142); 및 트렌치(120) 상부에 형성된 상부 게이트 전극(141)을 포함할하고, 상부 및 하부 게이트 전극(141, 142)은 전기적으로 연결될 수 있다.The gate electrode 140 includes a lower gate electrode 142 formed under the trench 120; And an upper gate electrode 141 formed on the trench 120. The upper and lower gate electrodes 141 and 142 may be electrically connected to each other.

본 발명의 실시예에 따른 트렌치 게이트 반도체 소자(100)는 제1 도전형 또는 제2 도전형의 불순물이 도핑된 에피(EPI) 웨이퍼와 같은 다양한 반도체 기판을 사용할 수 있다. 예를 들어, 에피 웨이퍼로는 대구경 웨이퍼 생산에 유리한 초크랄스키(Cz) 기법에 의해 제조된 Cz 웨이퍼, 일반 웨이퍼 상에 에피층을 성장시킨 웨이퍼 또는 불순물이 낮은 농도로 도핑된 에피층을 가진 웨이퍼를 사용할 수 있다.The trench gate semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention may use various semiconductor substrates such as an epitaxial (EPI) wafer doped with an impurity of a first conductive type or a second conductive type. For example, as the epitaxial wafer, a Cz wafer manufactured by Czochralski (Cz) technique, which is advantageous for production of a large diameter wafer, a wafer in which an epitaxial layer is grown on a general wafer, or an epitaxial layer doped with a low concentration of impurities Can be used.

활성영역(110)은 상기 반도체 기판 상에 인접하여 반복적으로 형성될 수 있다. 활성영역(110)이 많을수록 트렌치 게이트 반도체 소자의 면적이 증가하여 출력할 수 있는 전류의 양이 증가한다.The active region 110 may be repeatedly formed adjacent to the semiconductor substrate. As the number of active regions 110 increases, the area of the trench gate semiconductor device increases and the amount of current that can be output increases.

활성영역(110)이 인접하여 반복적으로 형성되는 경우 활성영역(110)을 구분하는 복수의 트렌치(120)가 일정간격 이격되어 형성될 수 있다. 이 때, 트렌치(120) 사이의 간격은 Mesa라고 지칭될 수 있으며, 드리프트 영역(171)의 농도에 따라 Mesa의 값이 결정될 수 있다. Mesa에 대해서는 도 3을 참조하여 후술하기로 한다.When the active region 110 is repeatedly formed adjacent to the active region 110, a plurality of trenches 120 for separating the active region 110 may be formed with a predetermined spacing. At this time, the distance between the trenches 120 may be referred to as Mesa, and the value of Mesa may be determined according to the concentration of the drift region 171. Mesa will be described later with reference to Fig.

소스영역(150)은 제1 도전형의 불순물이 고농도로 도핑되어 형성될 수 있다. 이 때 소스영역(150)은 트렌치(120) 사이의 활성영역(110) 상부 전영역에 걸쳐 형성될 수도 있고, 도 1에 도시된 바와 같이 트렌치(120)에 인접한 활성영역(110) 일부분에 형성될 수도 있다. 이 때, 소스영역(150)이 트렌치(120)에 인접한 활성영역(110) 일부분에 형성되는 경우 소스영역(150) 사이에 제2 도전형의 불순물이 고농도로 도핑된 제2 도전형 도핑영역(161)을 더 포함할 수 있다.The source region 150 may be formed by doping impurities of the first conductivity type at a high concentration. The source region 150 may be formed over the entire region over the active region 110 between the trenches 120 and may be formed in a portion of the active region 110 adjacent to the trench 120, . In this case, when the source region 150 is formed in a portion of the active region 110 adjacent to the trench 120, a second conductivity type doping region 161).

제2 도전형 도핑영역(161)은 소스영역(150)과의 공핍영역을 형성함으로써 트렌치 게이트 반도체 소자(110)의 문턱전압(threshold voltage)를 높일 수 있다.The second conductive type doped region 161 can increase the threshold voltage of the trench gate semiconductor device 110 by forming a depletion region with the source region 150.

또한, 소스영역(150)은 소스메탈(151)과 연결되어 트렌치 게이트 반도체 소자(100)의 외부와 전기적으로 연결될 수 있다.The source region 150 may be connected to the source metal 151 and electrically connected to the outside of the trench gate semiconductor device 100.

드레인영역(170)은 활성영역(110) 하부에 형성될 수 있고, 드레인영역(170)의 하부에 형성된 제1 도전형의 고농도 도핑영역(172) 및 드레인영역(170)의 상부에 형성된 제1 도전형의 드리프트영역(171)을 포함할 수 있다.The drain region 170 may be formed under the active region 110 and may include a heavily doped region 172 of the first conductivity type formed in the lower portion of the drain region 170 and a first And may include a drift region 171 of a conductive type.

드리프트영역(171)은 트렌치 게이트 반도체 소자(100)의 항복전압을 향상시키기 위한 구성으로서, PN접합에서 불순물의 도핑농도가 낮으면 항복전압이 높아지는 원리에 따라 저농도로 도핑된 드리프트영역(171)은 항복전압을 높여주는 역할을 한다. 즉, 드리프트영역(171)는 트렌치 게이트 반도체 소자(100)의 내압성능을 향상시킬 수 있으며, 드리프트영역(171)의 길이 및 불순물 도핑농도는 트렌치 게이트 반도체 소자(100)에게 요구되는 사양에 따라 결정될 수 있다.The drift region 171 has a structure for improving the breakdown voltage of the trench gate semiconductor device 100. The drift region 171 is lightly doped in accordance with the principle that the breakdown voltage becomes high when the doping concentration of the impurity in the PN junction is low It serves to increase the breakdown voltage. That is, the drift region 171 can improve the withstand performance of the trench gate semiconductor device 100, and the length of the drift region 171 and the impurity doping concentration are determined according to the specifications required for the trench gate semiconductor device 100 .

바디영역(160)은 소스영역(150)과 드레인영역(170) 사이의 활성영역(110)에 형성되어 채널을 형성할 수 있다. 이 때, 바디영역(160)은 트렌치 게이트 반도체 소자(100)의 내압성능을 높이기 위해 제2 도전형의 불순물이 저농도로 도핑될 수 있다.The body region 160 may be formed in the active region 110 between the source region 150 and the drain region 170 to form a channel. At this time, the body region 160 may be doped with impurities of the second conductivity type at a low concentration so as to enhance the breakdown voltage capability of the trench gate semiconductor device 100.

트렌치(120)는 상기 반도체 기판의 상부 표면으로부터 일정한 깊이로 형성된다. 트렌치(120)는 소스영역(150)과 드레인영역(170) 사이의 채널을 충분히 형성하거나 차단할 수 있도록 소스영역(150)부터 드레인영역(170)에 걸쳐 깊이가 형성할 수 있고, 드레인영역(170)이 드리프트영역(171)을 포함하는 경우 드리프트영역(171)에 걸쳐 깊이가 형성될 수 있다.The trench 120 is formed at a predetermined depth from the upper surface of the semiconductor substrate. The trench 120 may form a depth from the source region 150 to the drain region 170 so as to sufficiently form or block the channel between the source region 150 and the drain region 170, May include a drift region 171 and a depth over the drift region 171.

트렌치(120) 내부에는 게이트 전극(140)이 형성되고, 게이트 전극(140)은 트렌치 상부에 형성된 상부 게이트 전극(141) 및 트렌치 하부에 형성된 하부 게이트 전극(142)을 포함한다. A gate electrode 140 is formed in the trench 120. The gate electrode 140 includes a top gate electrode 141 formed on the trench and a bottom gate electrode 142 formed on the bottom of the trench.

게이트 전극(140)은 전도성 재질로 형성될 수 있으며, 일반적인 게이트 전극의 재질로 사용되는 폴리실리콘으로 형성될 수 있다.The gate electrode 140 may be formed of a conductive material or polysilicon used as a general gate electrode material.

도 1에 도시된 바와 같이, 하부 게이트 전극(142)은 상부 게이트 전극(141)에 비해 폭이 작을 수 있다.1, the width of the lower gate electrode 142 may be smaller than that of the upper gate electrode 141. Referring to FIG.

게이트 전극(140)은 트렌치(120) 내부에 형성된 절연막(130)에 의해 소스영역(150), 바디영역(160) 및 드레인영역(170)과 분리된다.The gate electrode 140 is separated from the source region 150, the body region 160 and the drain region 170 by an insulating film 130 formed in the trench 120.

절연막(130)은 트렌치(120) 내부에 형성되고, 하부 게이트 전극(142)의 저면 및 측면을 둘러싸는 하부 절연막(132) 및 상부 게이트 전극(141)의 저면 및 측면을 둘러싸는 상부 절연막(131)을 포함할 수 있다. 이 때, 상부 절연막(132)의 저면은 상부 게이트 전극(141)과 하부 게이트 전극(142)을 분리하는 중간 분리층으로 기능할 수 있다.The insulating film 130 is formed in the trench 120 and includes a lower insulating film 132 surrounding the bottom and side surfaces of the bottom gate electrode 142 and an upper insulating film 131 surrounding the bottom and sides of the top gate electrode 141. [ ). At this time, the bottom surface of the upper insulating film 132 may function as an intermediate isolation layer for separating the upper gate electrode 141 and the lower gate electrode 142.

도 1에 도시된 바와 같이, 하부 절연막(132)은 상부 절연막(131)보다 두껍게 형성될 수 있다.As shown in FIG. 1, the lower insulating layer 132 may be thicker than the upper insulating layer 131.

상부 절연막(131)은 얇은 두께를 형성함으로써 상부 게이트 전극(141)에 의한 전계가 바디영역(160)에 손실없이 전달될 수 있도록 하고, 이를 통해 바디영역(160)에 채널이 원활하게 형성되도록 한다.The upper insulating layer 131 is formed to have a small thickness so that an electric field caused by the upper gate electrode 141 can be transmitted to the body region 160 without loss and a channel is smoothly formed in the body region 160 through the upper insulating layer 131 .

반대로 하부 절연막(132)은 두꺼운 두께를 형성함으로써 하부 게이트 전극(142)의 끝에 전계가 집중되는 것을 방지할 수 있고, 상부 게이트 전극(141)의 끝에 형성되는 전계를 하부 게이트 전극(142)을 따라 이어지게 함으로써 일부 영역에 전계가 집중되는 것을 방지할 수 있다.The lower insulating layer 132 can prevent the electric field from concentrating on the end of the lower gate electrode 142 and prevent the electric field formed at the end of the upper gate electrode 141 from flowing along the lower gate electrode 142 It is possible to prevent the electric field from being concentrated in some areas.

이 때, 상부 게이트 전극(141)은 바디영역(160)의 전영역에 걸쳐 채널이 형성될 수 있도록 드레인영역(170)까지 깊이가 형성되고, 하부 게이트 전극(142)은 상부 게이트 전극(141)에 의해 형성된 전계가 완만하게 이어질 수 있도록 드리프트영역(171)이 형성된 깊이에 형성될 수 있다.The upper gate electrode 141 has a depth up to the drain region 170 so that a channel can be formed over the entire region of the body region 160 and the lower gate electrode 142 is connected to the upper gate electrode 141, May be formed at a depth where the drift region 171 is formed so that the electric field formed by the drift region 171 may smoothly continue.

도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 트렌치 게이트 반도체 소자(100)의 동작에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.The operation of the trench gate semiconductor device 100 according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 2 and 3. FIG.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 트렌치 게이트 반도체 소자(100)에 형성되는 전계의 분포를 나타내는 도면이다.2 is a view showing the distribution of the electric field formed in the trench gate semiconductor device 100 according to the embodiment of the present invention.

도 2a는 종래 트렌치 게이트 반도체 소자에 형성되는 전계의 분포를 나타낸다. Cut1은 절연막을 기준으로 수직방향의 선을 따라 형성되는 전계를 나타내고, Cut2는 Cut1로부터 일정 간격 떨어진 수직방향의 선을 따라 형성되는 전계를 나타낸다. Cut1에 나타나는 바와 같이, 종래 트렌치 게이트 반도체 소자는 게이트 전극의 끝에 전계가 집중되며, 특히 하단 코너에서 가장 큰 전계가 형성된다. Cut2에서는 게이트 전극으로부터 일정 간격 떨어지게 되므로 전계도 감소하여 완만한 형상을 보여주기는 하지만, 여전히 게이트 전극 하단에서 가장 큰 전계가 형성되는 것을 확인할 수 있다.2A shows a distribution of an electric field formed in a conventional trench gate semiconductor device. Cut1 represents an electric field formed along a vertical line with respect to an insulating film, and Cut2 represents an electric field formed along a vertical line spaced apart from Cut1 by a certain distance. As shown in Cut1, in the conventional trench gate semiconductor device, the electric field is concentrated at the end of the gate electrode, and in particular, the largest electric field is formed at the bottom corner. In Cut2, since the gate electrode is spaced apart from the gate electrode at a constant distance, the electric field is reduced to show a gentle shape. However, it can be seen that the largest electric field is still formed at the bottom of the gate electrode.

종래 트렌치 게이트 반도체 소자는 상기와 같이 게이트 전극 하단에 전계가 집중되는 현상이 발생하므로 낮은 전압에서도 항복현상이 발생한다. 따라서, 실험결과에 따르면 종래 트렌치 게이트 반도체 소자의 항복전압은 36V로 확인된다.In the conventional trench gate semiconductor device, the electric field is concentrated at the lower end of the gate electrode as described above, so that a yield phenomenon occurs even at a low voltage. Therefore, according to the experimental results, the breakdown voltage of the conventional trench gate semiconductor device is confirmed to be 36V.

이와 달리, 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 트렌치 게이트 반도체 소자(100)는 일부 전계가 상부 게이트 전극(141)의 하단에 집중되기는 하지만 하부 게이트 전극(142)에 의해 전계가 분산되면서 전계 집중현상이 완화되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 실험결과에 따르면 본 발명의 실시예에 따른 트렌치 게이트 반도체 소자(100)의 항복전압은 40V로 확인된다.2B, in the trench gate semiconductor device 100 according to the embodiment of the present invention, although a part of the electric field is concentrated on the lower end of the upper gate electrode 141, It can be seen that the electric field concentration phenomenon is alleviated. Therefore, according to the experimental results, the breakdown voltage of the trench gate semiconductor device 100 according to the embodiment of the present invention is confirmed to be 40V.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 트렌치 게이트 반도체 소자(100)의 Mesa 및 드리프트영역(171)의 농도에 따른 항복전압의 관계를 나타내는 도면이다.3 is a diagram showing the relationship of the breakdown voltage according to the concentration of the mesa and the drift region 171 of the trench gate semiconductor device 100 according to the embodiment of the present invention.

도 3에서, 민무늬 마크로 표시된 그래프는 본 발명의 실시예에 따른 트렌치 게이트 반도체 소자(100)의 항복전압을 나타내고, 빗금무늬 마크로 표시된 그래프는 종래 기술에 따른 트렌치 게이트 반도체 소자의 항복전압을 나타낸다.In FIG. 3, the graph marked with a fringe mark represents the breakdown voltage of the trench gate semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention, and the graph denoted by the hatched mark represents the breakdown voltage of the trench gate semiconductor device according to the prior art.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 트렌치 게이트 반도체 소자(100)는 동일한 드리프트영역(171)의 농도에서 종래 기술 대비 향상된 항복전압을 갖는 것으로 나타난다.As shown in Figure 3, the trench gate semiconductor device 100 according to embodiments of the present invention appears to have an improved breakdown voltage compared to the prior art at the same drift region 171 concentration.

항복전압의 향상된 특성을 다른 관점으로 보면, 본 발명의 실시예에 따른 트렌치 게이트 반도체 소자(100)는 동일한 항복전압의 요구사양에서 보다 높은 농도로 도핑된 드리프트영역(171)을 구비할 수 있음을 의미한다. 드리프트영역(171)의 도핑농도가 높아지면 캐리어 농도가 향상되어 활성화 상태에서의 트렌치 게이트 반도체 소자(100) 저항이 감소한다.From another aspect of the improved characteristics of the breakdown voltage, the trench gate semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention may have a higher concentration doped drift region 171 in the same breakdown voltage requirements it means. When the doping concentration of the drift region 171 is high, the carrier concentration is improved and the resistance of the trench gate semiconductor device 100 in the active state is decreased.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 트렌치 게이트 반도체 소자(100)는 드리프트영역(171)의 도핑농도를 보다 높게 구비함으로써 온저항을 감소시키고, 온저항으로 인해 불필요하게 소비되는 전력을 줄일 수 있다.That is, the trench gate semiconductor device 100 according to the embodiment of the present invention has a higher doping concentration in the drift region 171, thereby reducing on-resistance and reducing unnecessary power consumption due to on-resistance.

도 3에서 각 마크의 모양은 Mesa의 값에 따라 구분되는데, 사각형은 Mesa가 1.2um인 경우를 나타내고, 원형은 Mesa가 0.8um인 경우를 나타내고, 삼각형은 Mesa가 0.4um인 경우를 나타낸다.In FIG. 3, the shape of each mark is divided according to the value of Mesa. The square represents the case where Mesa is 1.2um, the circle represents when Mesa is 0.8um, and the triangle represents when Mesa is 0.4um.

도 3에 도시된 바와 같이, 드리프트영역(171)의 도핑농도가 낮은 경우에는 Mesa가 클수록 항복전압이 증가하지만, 드리프트영역(171)의 도핑농도가 높은 경우에는 Mesa가 작을수록 항복전압이 감소하는 경향을 나타낸다.As shown in FIG. 3, when the doping concentration of the drift region 171 is low, the breakdown voltage increases as the mesa becomes larger. However, when the doping concentration of the drift region 171 is high, Respectively.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 트렌치 게이트 반도체 소자(100)는 항복전압의 요구사양, 적절한 트렌치(120) 사이의 간격(Mesa) 및 드리프트영역(171)의 농도에 따라 결정될 수 있다. Thus, the trench gate semiconductor device 100 according to embodiments of the present invention can be determined according to the requirements of the breakdown voltage, the spacing (Mesa) between the appropriate trenches 120, and the concentration of the drift region 171.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 트렌치 게이트 반도체 소자(100)의 활성영역(110)과 터미네이션영역(111)을 나타내는 도면이다. 도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 트렌치 게이트 반도체 소자(100)의 평면도를 나타내고, 도 4b는 A-A`선에 따른 단면을 나타낸다.4 is a view showing an active region 110 and a termination region 111 of a trench gate semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention. FIG. 4A shows a plan view of a trench gate semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4B shows a cross section along line A-A '.

도 4a에 도시된 바와 같이, 트렌치(120)는 활성영역(110)과 터미네이션영역(111)에 형성되고, 활성영역(110)에서는 트렌치(120) 사이에 소스영역(150)과 소스영역(150)과 전기적으로 연결되는 소스메탈(151)이 형성된다. 터미네이션영역(111)에서는 트렌치(120)가 연장되어 형성되고, 트렌치(120) 내부에 형성된 게이트 전극(140)이 반도체 기판 상에 형성되어 노출된다. 터미네이션영역(111)에서는 반도체 기판 상에 노출된 게이트 전극(140)이 게이트메탈(145)과 전기적으로 연결되는데, 상부 게이트 전극(141) 상부 게이트 컨택(143)에 의해 게이트 메탈(145)과 연결되고, 하부 게이트 전극(142)는 하부 게이트 컨택(144)에 의해 게이트 메탈(145)과 연결된다.4A, the trench 120 is formed in the active region 110 and the termination region 111, and in the active region 110, the source region 150 and the source region 150 A source metal 151 is formed. In the termination region 111, a trench 120 is formed to extend and a gate electrode 140 formed in the trench 120 is formed and exposed on the semiconductor substrate. In the termination region 111, the gate electrode 140 exposed on the semiconductor substrate is electrically connected to the gate metal 145. The upper gate electrode 141 is connected to the gate metal 145 by the upper gate contact 143 And the bottom gate electrode 142 is connected to the gate metal 145 by the bottom gate contact 144.

도 4b를 참조하여 활성영역(110) 및 터미네이션영역(111)의 단면을 살펴보면, 활성영역에서는 상부 게이트 전극(141)과 하부 게이트 전극(142)이 트렌치(120) 내부에 상부 절연막(132)에 의해 상하로 구분되어 형성되고, 활성영역(110) 상에 형성된 산화막(135)에 의해 소스메탈(151)과 전기적으로 분리된다. 터미네이션영역(111)에서는 하부 게이트 전극(142)이 반도체 기판 상에 형성되어 트렌치(120) 외부로 노출되고, 노출된 하부 게이트 전극(142) 상에 하부 게이트 컨택(144)가 형성된다. 상부 게이트 전극(141)도 반도체 기판 상으로 연장되어 형성됨으로써 트렌치(120) 외부로 노출되고, 노출된 상부 게이트 전극(141) 상에 상부 게이트 컨택(143)이 형성된다. 상부 게이트 컨택(143)과 하부 게이트 컨택(144) 상에 게이트 메탈(145)이 형성됨으로써 상부 및 하부 게이트 전극(141, 142)는 전기적으로 연결될 수 있다.The top gate electrode 141 and the bottom gate electrode 142 are formed in the trench 120 in the active region 110 and the termination region 111 in the active region, And is electrically separated from the source metal 151 by the oxide film 135 formed on the active region 110. [ In the termination region 111, a bottom gate electrode 142 is formed on the semiconductor substrate to be exposed to the outside of the trench 120, and a bottom gate contact 144 is formed on the exposed bottom gate electrode 142. The upper gate electrode 141 is also formed on the semiconductor substrate to be exposed to the outside of the trench 120 and the upper gate contact 143 is formed on the exposed upper gate electrode 141. The upper and lower gate electrodes 141 and 142 may be electrically connected by forming the gate metal 145 on the upper gate contact 143 and the lower gate contact 144.

도 4에 도시된 바와 같이, 게이트 메탈(145)과 소스메탈(151)은 소정 간격 이격되어 형성됨으로써 게이트 전극(140)과 소스영역(150)이 전기적으로 분리될 수 있다.As shown in FIG. 4, the gate metal 145 and the source metal 151 are spaced apart from each other by a predetermined distance, so that the gate electrode 140 and the source region 150 can be electrically separated from each other.

상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The features, structures, effects and the like described in the foregoing embodiments are included in at least one embodiment of the present invention and are not necessarily limited to one embodiment. Further, the features, structures, effects, and the like illustrated in the embodiments may be combined or modified in other embodiments by those skilled in the art to which the embodiments belong. Therefore, it should be understood that the present invention is not limited to these combinations and modifications.

또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limiting the scope of the present invention. It can be seen that various modifications and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiments may be modified and implemented. It is to be understood that the present invention may be embodied in many other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof.

100: 트렌치 게이트 반도체 소자
110: 활성영역
111: 터미네이션영역
120: 트렌치
130: 절연막
131: 상부 절연막
132: 하부 절연막
140: 게이트 전극
141: 상부 게이트 전극
142: 하부 게이트 전극
150: 소스영역
151: 소스메탈
160: 바디영역
161: 제2 도전형 도핑영역
170: 드레인영역
171: 드리프트영역
172: 고농도 도핑영역
100: trench gate semiconductor element
110: active area
111: Termination area
120: trench
130: Insulating film
131: upper insulating film
132: Lower insulating film
140: gate electrode
141: upper gate electrode
142: lower gate electrode
150: source region
151: source metal
160: Body area
161: second conductivity type doping region
170: drain region
171: drift region
172: heavily doped region

Claims (8)

반도체 기판;
상기 반도체 기판 상에 형성된 활성영역;
상기 활성영역의 양측에 형성된 트렌치;
상기 트렌치 내벽에 형성된 절연막;
상기 절연막 상에 형성된 게이트 전극;
상기 트렌치 사이의 활성영역 상부에 형성된 제1 도전형의 소스영역;
상기 트렌치 사이의 활성영역 하부에 형성된 제1 도전형의 드레인영역; 및
상기 소스영역 및 드레인영역 사이에 형성된 제2 도전형의 바디영역;을 포함하고,
상기 게이트 전극은,
상기 트렌치 하부에 형성된 하부 게이트 전극; 및
상기 트렌치 상부에 형성된 상부 게이트 전극;을 포함하고,
상기 트렌치의 길이 방향 일단에 형성된 터미네이션 영역; 및
상기 트렌치의 외부로 연장되며, 상기 터미네이션 영역에 서로 이격되어 동일 평면상에 형성된 상기 상부 및 하부 게이트 전극을 각각의 상부 게이트 컨택과 하부 게이트 컨택을 통해 전기적으로 연결하는 게이트 메탈;을 더 포함하는 트렌치 게이트 반도체 소자.
A semiconductor substrate;
An active region formed on the semiconductor substrate;
A trench formed on both sides of the active region;
An insulating film formed on the inner wall of the trench;
A gate electrode formed on the insulating film;
A source region of a first conductivity type formed over the active region between the trenches;
A drain region of a first conductivity type formed under the active region between the trenches; And
And a second conductive type body region formed between the source region and the drain region,
The gate electrode
A lower gate electrode formed under the trench; And
And an upper gate electrode formed on the trench,
A termination region formed at one end in the longitudinal direction of the trench; And
And a gate metal extending outside of the trench and electrically connecting the upper and lower gate electrodes formed on the same plane spaced apart from each other to the termination region through respective upper gate contacts and lower gate contacts, Gate semiconductor device.
제1항에 있어서,
상기 드레인영역은,
하부에 형성된 제1 도전형의 고농도 도핑영역; 및
상부에 형성된 제1 도전형의 저농도 드리프트영역;을 포함하는 트렌치 게이트 반도체 소자.
The method according to claim 1,
The drain region
A heavily doped region of a first conductivity type formed in a lower portion; And
And a low-concentration drift region of the first conductivity type formed on the trench.
제2항에 있어서,
상기 하부 게이트 전극은 상기 드리프트영역이 형성된 깊이에 형성된 트렌치 게이트 반도체 소자.
3. The method of claim 2,
And the bottom gate electrode is formed at a depth where the drift region is formed.
제1항에 있어서,
상기 상부 게이트 전극은 하부 게이트 전극보다 폭이 넓은 트렌치 게이트 반도체 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the upper gate electrode is wider than the lower gate electrode.
제1항에 있어서,
상기 절연막은,
상기 하부 게이트 전극의 저면 및 측면을 둘러싸는 하부 절연막; 및
상기 상부 게이트 전극의 저면 및 측면을 둘러싸는 상부 절연막:을 포함하는 트렌치 게이트 반도체 소자.
The method according to claim 1,
Wherein,
A bottom insulating film surrounding the bottom and side surfaces of the bottom gate electrode; And
And an upper insulating film surrounding the bottom and side surfaces of the upper gate electrode.
제5항에 있어서,
상기 하부 절연막은 상기 상부 절연막보다 두껍게 형성된 트렌치 게이트 반도체 소자.
6. The method of claim 5,
Wherein the lower insulating film is thicker than the upper insulating film.
제1항에 있어서,
상기 상부 및 하부 게이트 전극은 전기적으로 연결된 트렌치 게이트 반도체 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the upper and lower gate electrodes are electrically connected.
제1항에 있어서,
상기 트렌치의 길이 방향 일단에 형성된 터미네이션 영역; 및
상기 터미네이션 영역에 상기 상부 및 하부 게이트 전극을 전기적으로 연결하는 게이트 메탈;을 더 포함하는 트렌치 게이트 반도체 소자.
The method according to claim 1,
A termination region formed at one end in the longitudinal direction of the trench; And
And a gate metal electrically connecting the upper and lower gate electrodes to the termination region.
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