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KR102719649B1 - Power semiconductor device with electric field relaxation structure - Google Patents

Power semiconductor device with electric field relaxation structure Download PDF

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KR102719649B1
KR102719649B1 KR1020230165030A KR20230165030A KR102719649B1 KR 102719649 B1 KR102719649 B1 KR 102719649B1 KR 1020230165030 A KR1020230165030 A KR 1020230165030A KR 20230165030 A KR20230165030 A KR 20230165030A KR 102719649 B1 KR102719649 B1 KR 102719649B1
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KR
South Korea
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semiconductor layer
layer
electric field
semiconductor device
power semiconductor
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KR1020230165030A
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Inventor
고지아
정진영
류화정
이종헌
김동식
스쑹리
장은선
Original Assignee
주식회사 더블유알지코리아
저지앙 왕룽 세미컨덕터 컴퍼니 리미티드
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    • H01L29/7397
    • H01L29/0696
    • H01L29/1095
    • H01L29/407
    • H01L29/4236

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  • Bipolar Transistors (AREA)

Abstract

전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자를 개시한다. 본 발명은 트렌치의 바닥영역에 드리프트층보다 낮은 농도를 갖는 전계 완화 반도체층을 형성함으로써, 전력 반도체 소자가 역방향모드로 전환될 때, 콜렉터에 인가되는 전압이 증가함에 따라 드리프트층보다 전계 완화 반도체층의 공핍층이 더 빠르게 확장되어 트렌치 바닥영역의 전계 최대치를 감소시키고 전계 집중을 완화시킬 수 있다.A power semiconductor device having a field relaxation structure is disclosed. The present invention forms a field relaxation semiconductor layer having a lower concentration than a drift layer in a bottom region of a trench, so that when the power semiconductor device is switched to a reverse mode, a depletion layer of the field relaxation semiconductor layer expands more rapidly than that of the drift layer as a voltage applied to a collector increases, thereby reducing the maximum electric field in the bottom region of the trench and alleviating electric field concentration.

Description

전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자{POWER SEMICONDUCTOR DEVICE WITH ELECTRIC FIELD RELAXATION STRUCTURE}Power semiconductor device having electric field relaxation structure {POWER SEMICONDUCTOR DEVICE WITH ELECTRIC FIELD RELAXATION STRUCTURE}

본 발명은 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자에 관한 발명으로서, 더욱 상세하게는 트렌치의 바닥영역에 드리프트층보다 낮은 농도를 갖는 전계 완화 반도체층을 형성함으로써, 전력 반도체 소자가 역방향모드로 전환될 때, 콜렉터에 인가되는 전압이 증가함에 따라 드리프트층보다 전계 완화 반도체층의 공핍층이 더 빠르게 확장되어 트렌치 바닥영역의 전계 최대치를 감소시키고 전계 집중을 완화시킬 수 있는 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a power semiconductor device having an electric field relaxation structure, and more specifically, to a power semiconductor device having an electric field relaxation structure in which a field relaxation semiconductor layer having a lower concentration than a drift layer is formed in a bottom region of a trench, so that when the power semiconductor device is switched to a reverse mode, as a voltage applied to a collector increases, a depletion layer of the field relaxation semiconductor layer expands faster than that of the drift layer, thereby reducing the maximum electric field in the bottom region of a trench and alleviating electric field concentration.

일반적으로 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT), 전력용 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(전력용 MOSFET) 및 여러 형태의 사이리스터 등과 같이, 전력 전자분야에서 중요한 요소인 전력 반도체 장치는 높은 절연 전압, 낮은 도통 손실, 스위칭 속도, 낮은 스위칭 손실 등 다양한 산업분야의 요구에 충족할 수 있도록 개발되고 있다.Power semiconductor devices, which are important elements in the power electronics field, such as insulated gate bipolar transistors (IGBTs), power metal oxide semiconductor field-effect transistors (power MOSFETs), and various types of thyristors, are being developed to meet the needs of various industries, such as high insulation voltage, low conduction loss, switching speed, and low switching loss.

절연 게이트 바이폴라 트랜지스터는, 일반적으로, 제1 도전형의 이미터층과, 제2 도전형의 베이스층과, 제1 도전형의 드리프트층과, 제2 도전형의 콜렉터층과, 베이스층 및 드리프트층에 절연막을 통해 대향하여 형성되는 게이트 전극을 가진다. An insulated gate bipolar transistor generally has an emitter layer of a first conductivity type, a base layer of a second conductivity type, a drift layer of the first conductivity type, a collector layer of the second conductivity type, and a gate electrode formed opposite the base layer and the drift layer through an insulating film.

소자의 턴온(turn-on)시에는 게이트 전극의 인가 전압을 통해, 베이스층에 채널을 형성하고, 콜렉터층으로부터 드리프트층으로 소수 캐리어(정공)를 주입하여 드리프트층에 전도도 변조를 발생시킴으로써, 저항값의 감소에 따른 전도시의 온 전압을 저감할 수 있다.When the device is turned on, a channel is formed in the base layer through the voltage applied to the gate electrode, and minority carriers (holes) are injected from the collector layer to the drift layer to cause conductivity modulation in the drift layer, thereby reducing the on-voltage during conduction due to a decrease in the resistance value.

도1은 종래 기술에 따른 트렌치 구조를 갖는 전력 반도체 소자를 나타낸 예시도이다.Figure 1 is an exemplary diagram showing a power semiconductor device having a trench structure according to conventional technology.

도1에 나타낸 바와 같이, 전력 반도체 소자(10)는 제1 반도체층(11, 드리프트층)과, 하부에 제1 반도체층(11)의 도핑 농도보다 높은 도핑 농도를 갖는 필드 스톱층(11a)과, 제1 반도체층(11) 상에 형성된 제2 반도체층(12)과, 제1 반도체층(11) 및 제2 반도체층(12) 사이에 제1 반도체층(11)보다 높은 불순물 농도를 갖도록 형성된 전하 축적층(13)과, 게이트 절연막(14')과 게이트 전극(14")을 구비하고, 제2 반도체층(12)을 관통하여 제1 반도체층(11)까지 연장하여 형성되며 서로 일정 거리 이격되어 평행하게 형성된 복수의 트렌치부(14, 14a, 14b)와, 트렌치부(14, 14a, 14b)에 인접되는 제2 반도체층(12) 내에 형성된 n형 이미터 영역(15')과 오믹 컨택 형성을 위해 p형 고농도 영역(15")으로 구성된 메사 영역(15)과, 제1 반도체층(11)의 하부에 형성된 콜렉터층(16)으로 구성될 수 있다.As shown in Fig. 1, the power semiconductor device (10) comprises a first semiconductor layer (11, drift layer), a field stop layer (11a) having a higher doping concentration than the doping concentration of the first semiconductor layer (11) at the lower portion, a second semiconductor layer (12) formed on the first semiconductor layer (11), a charge accumulation layer (13) formed between the first semiconductor layer (11) and the second semiconductor layer (12) to have a higher impurity concentration than the first semiconductor layer (11), a gate insulating film (14') and a gate electrode (14"), and a plurality of trench portions (14, 14a, 14b) formed by penetrating the second semiconductor layer (12) and extending to the first semiconductor layer (11) and formed in parallel and spaced apart from each other by a certain distance, and an n-type emitter region (15') formed in the second semiconductor layer (12) adjacent to the trench portions (14, 14a, 14b) and an ohmic contact. It can be composed of a mesa region (15) composed of a p-type high-concentration region (15") for formation, and a collector layer (16) formed under the first semiconductor layer (11).

그러나 종래 기술에 따른 트렌치 구조를 갖는 전력 반도체 소자는 소자의 오프(off)시에 역방향모드(reverse blocking mode)가 되어 콜렉터층에 인가된 높은 전압에 의해 전계(Electric field)가 트렌치 게이트의 바닥부에 집중되는 현상이 발생한다.However, power semiconductor devices having a trench structure according to conventional technology enter a reverse blocking mode when the device is turned off, and a phenomenon occurs in which an electric field is concentrated at the bottom of the trench gate due to a high voltage applied to the collector layer.

도2(a)는 도1의 트렌치 구조를 갖는 전력 반도체 소자의 전계 분포를 나타낸 그래프이고, 도2(b)는 농도 분포를 나타낸 그래프이다.Figure 2(a) is a graph showing the electric field distribution of a power semiconductor device having the trench structure of Figure 1, and Figure 2(b) is a graph showing the concentration distribution.

도2(a) 및 도2(b)에서 알 수 있듯이, 스위칭 동작시 오프(OFF) 상태가 되어 콜렉터에 전압이 인가되면, 저농도의 n형 반도체층인 드리프트층은 공핍이 발생하고, 트렌치부의 바닥 영역(A)에 전계 최대치가 발생되어 전계가 집중되고, 전력 반도체 소자의 바닥 영역(A')으로 갈수록 전계가 감소된다.As can be seen in FIG. 2(a) and FIG. 2(b), when the OFF state is reached during switching operation and voltage is applied to the collector, depletion occurs in the drift layer, which is a low-concentration n-type semiconductor layer, and the maximum electric field occurs in the bottom area (A) of the trench portion, so that the electric field is concentrated, and the electric field decreases as it goes toward the bottom area (A') of the power semiconductor element.

또한, 지속적으로 트렌치 게이트의 바닥부에 전계가 집중되면, 전계가 집중되는 영역의 게이트 절연막(gate oxide)이 열화되어 게이트 쇼트(gate short)가 발생되거나 게이트 누설 전류(gate leakage current)가 증가되어 전력 반도체 장치의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.In addition, if the electric field is continuously concentrated on the bottom of the trench gate, there is a problem that the gate oxide in the area where the electric field is concentrated deteriorates, causing a gate short or increasing gate leakage current, thereby lowering the reliability of the power semiconductor device.

이러한 문제를 해결하기 위해 트렌치 바닥영역에 제2 도전형 반도체 영역인 p형 쉴드 영역을 형성하여 트렌치 게이트 바닥부에 전계가 집중되는 것을 완화시키는 기술이 적용되었다.To solve this problem, a technology was applied to alleviate the concentration of electric fields at the bottom of the trench gate by forming a p-type shield region, which is a second-challenge semiconductor region, in the trench bottom region.

도3은 종래 기술에 따른 트렌치 구조를 갖는 다른 전력 반도체 소자를 나타낸 예시도이다.FIG. 3 is an exemplary diagram showing another power semiconductor device having a trench structure according to the prior art.

도3에 나타낸 바와 같이, 개선된 전력 반도체 소자(10a)는 도1의 전력 반도체 소자(10)의 구성에서 트랜치부(14, 14a, 14b)의 바닥부를 보호하기 위해 제2 도전형 반도체 영역인 p형 쉴드 영역(17)이 추가되었다.As shown in Fig. 3, the improved power semiconductor device (10a) has a p-type shield region (17), which is a second conductive semiconductor region, added to protect the bottom of the trench portion (14, 14a, 14b) in the configuration of the power semiconductor device (10) of Fig. 1.

도4(a)는 도3의 트렌치 구조를 갖는 전력 반도체 소자의 전계 분포를 나타낸 그래프이고, 도4(b)는 농도 분포를 나타낸 그래프이다.Fig. 4(a) is a graph showing the electric field distribution of a power semiconductor device having the trench structure of Fig. 3, and Fig. 4(b) is a graph showing the concentration distribution.

이를 통해, 트렌치부의 바닥 영역(B)에 전계가 집중되는 것을 완화시키고, 전력 반도체 소자의 바닥 영역(B')으로 갈수록 전계가 감소될 수 있도록 하였지만, 제2 도전형 반도체 영역인 p형 쉴드 영역(17)의 최적화가 이루어지지 못하면 항복 전압이 낮아지고, 순방향 도통 손실이 열화 되는 문제점이 있다.Through this, the electric field concentration in the bottom region (B) of the trench portion is alleviated, and the electric field is reduced toward the bottom region (B') of the power semiconductor element. However, if the p-type shield region (17), which is the second conductive semiconductor region, is not optimized, there is a problem in that the breakdown voltage is lowered and the forward conduction loss deteriorates.

미국 등록특허공보 등록번호 US 7456487 B2(발명의 명칭: Semiconductor device)U.S. Patent Publication No. US 7456487 B2 (Title of invention: Semiconductor device)

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 트렌치의 바닥영역에 드리프트층보다 낮은 농도를 갖는 n형 전계 완화 반도체층을 형성함으로써, 전력 반도체 소자가 역방향모드로 전환될 때, 콜렉터에 인가되는 전압이 증가함에 따라 드리프트층보다 n형 전계 완화 반도체층의 공핍층이 더 빠르게 확장되어 트렌치 바닥영역의 전계 최대치를 감소시키고 전계 집중을 완화시킬 수 있는 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve these problems, the present invention provides a power semiconductor device having an electric field relaxation structure in which an n-type field relaxation semiconductor layer having a lower concentration than a drift layer is formed in a bottom region of a trench, so that when the power semiconductor device is switched to a reverse mode, as the voltage applied to the collector increases, a depletion layer of the n-type field relaxation semiconductor layer expands more rapidly than that of the drift layer, thereby reducing the maximum electric field in the bottom region of the trench and alleviating electric field concentration.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예는 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자로서, 하부에 필드 스톱층이 형성된 제1 반도체층; 상기 제1 반도체층 상에 형성된 제2 반도체층; 상기 제1 반도체층 및 제2 반도체층 사이에 제1 반도체층보다 높은 불순물 농도를 갖도록 형성된 전하 축적층; 게이트 전극을 구비하고, 상기 제2 반도체층과 전하 축적층을 관통하여 제1 반도체층까지 연장되어 형성되고, 서로 일정 거리 이격되어 평행하게 형성된 복수의 트렌치부; 상기 트렌치부와 접하도록 형성된 n형 이미터 영역과 상기 n형 이미터 영역 사이에 오믹 컨택을 위해 형성된 p형 고농도 영역을 구비한 액티브 메사 영역; 상기 제1 반도체층의 하부에 형성된 콜렉터층; 및 상기 트렌치부의 하부에 상기 제1 반도체층보다 낮은 불순물 농도를 갖도록 형성된 전계 완화 반도체층;을 포함한다.In order to achieve the above object, one embodiment of the present invention provides a power semiconductor device having an electric field relaxation structure, comprising: a first semiconductor layer having a field stop layer formed thereunder; a second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer; a charge accumulation layer formed between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer so as to have a higher impurity concentration than the first semiconductor layer; a plurality of trench portions formed so as to extend through the second semiconductor layer and the charge accumulation layer to the first semiconductor layer and are formed in parallel and spaced apart from each other by a predetermined distance; an active mesa region having an n-type emitter region formed to be in contact with the trench portion and a p-type high-concentration region formed between the n-type emitter region for an ohmic contact; a collector layer formed under the first semiconductor layer; and a field relaxation semiconductor layer formed under the trench portion so as to have a lower impurity concentration than the first semiconductor layer.

또한, 상기 실시 예에 따른 전계 완화 반도체층은 각 트렌치부의 바닥 영역을 감싸도록 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, the field-mitigating semiconductor layer according to the above embodiment is characterized in that it is formed to surround the bottom area of each trench portion.

또한, 상기 실시 예에 따른 전계 완화 반도체층의 두께(T)는 10㎛ 내지 필드스톱층까지 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the thickness (T) of the field-relaxing semiconductor layer according to the above embodiment is characterized by being formed from 10 μm to the field stop layer.

또한, 상기 실시 예에 따른 전계 완화 반도체층은 임의의 트렌치부와 인접한 하나 이상의 트렌치부 바닥 영역을 동시에 감싸도록 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, the field-mitigating semiconductor layer according to the above embodiment is characterized in that it is formed to simultaneously surround one or more trench bottom regions adjacent to any trench portion.

또한, 상기 실시 예에 따른 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자는 상기 게이트 전극이 이미터 전극에 연결된 하나 이상의 더미 트렌치부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the power semiconductor device having the field relaxation structure according to the above embodiment is characterized in that it further includes one or more dummy trench portions in which the gate electrode is connected to the emitter electrode.

또한, 상기 실시 예에 따른 더미 트렌치부는 바닥 영역에 상기 전계 완화 반도체층이 미설치된 것을 특징으로 한다.In addition, the dummy trench portion according to the above embodiment is characterized in that the electric field alleviating semiconductor layer is not installed in the bottom area.

또한, 상기 실시 예에 따른 더미 트렌치부는 하나 이상의 더미 트렌치부가 연속으로 인접하여 설치된 것을 특징으로 한다.In addition, the dummy trench section according to the above embodiment is characterized in that one or more dummy trench sections are installed adjacent to each other in succession.

본 발명은 트렌치의 바닥영역에 드리프트층보다 낮은 농도를 갖는 전계 완화 반도체층을 형성함으로써, 전력 반도체 소자가 역방향모드로 전환될 때, 콜렉터에 인가되는 전압이 증가함에 따라 드리프트층보다 전계 완화 반도체층의 공핍층이 더 빠르게 확장되어 트렌치 바닥영역의 전계 최대치를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.The present invention has an advantage in that, by forming a field-relaxing semiconductor layer having a lower concentration than a drift layer in the bottom region of a trench, when a power semiconductor device is switched to a reverse mode, the depletion layer of the field-relaxing semiconductor layer expands more rapidly than that of the drift layer as the voltage applied to the collector increases, thereby reducing the maximum electric field in the bottom region of the trench.

또한, 본 발명은 트렌치 바닥영역의 전계 집중을 완화시켜 전력 반도체 소자의 열화를 개선하고 신뢰성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.In addition, the present invention has the advantage of improving the deterioration of power semiconductor devices and enhancing reliability by alleviating electric field concentration in the trench bottom area.

또한, 본 발명은 전력 반도체 소자의 순방향 도통 손실의 열화 없이 항복 전압을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.In addition, the present invention has an advantage of improving the breakdown voltage without deteriorating the forward conduction loss of the power semiconductor device.

도1은 종래 기술에 따른 트렌치 구조를 갖는 전력 반도체 소자를 나타낸 예시도.
도2는 도1의 트렌치 구조를 갖는 전력 반도체 소자의 전계 분포와 농도 분포를 나타낸 그래프.
도3은 종래 기술에 따른 트렌치 구조를 갖는 다른 전력 반도체 소자를 나타낸 예시도.
도4는 도3의 트렌치 구조를 갖는 전력 반도체 소자의 전계 분포와 농도 분포를 나타낸 그래프.
도5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자를 나타낸 예시도.
도6은 도5의 실시 예에 따른 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자의 전계 분포와 농도 분포를 나타낸 그래프.
도7은 도5의 실시 예에 따른 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자의 트렌치 바닥 영역의 전계와 항복 전압의 변화를 시뮬레이션한 결과 그래프.
도8은 도5의 실시 예에 따른 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자의 변형된 실시 예를 나타낸 예시도.
도9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자를 나타낸 예시도.
도10은 도9의 실시 예에 따른 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자의 변형된 실시 예를 나타낸 예시도.
도11은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자를 나타낸 예시도.
도12는 도11의 실시 예에 따른 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자의 변형된 실시 예를 나타낸 예시도.
Figure 1 is an exemplary diagram showing a power semiconductor device having a trench structure according to conventional technology.
Figure 2 is a graph showing the electric field distribution and concentration distribution of a power semiconductor device having the trench structure of Figure 1.
Figure 3 is an exemplary diagram showing another power semiconductor device having a trench structure according to the prior art.
Figure 4 is a graph showing the electric field distribution and concentration distribution of a power semiconductor device having the trench structure of Figure 3.
FIG. 5 is an exemplary diagram showing a power semiconductor device having a field relaxation structure according to one embodiment of the present invention.
Fig. 6 is a graph showing the electric field distribution and concentration distribution of a power semiconductor device having a field relaxation structure according to the embodiment of Fig. 5.
FIG. 7 is a graph showing the results of simulating changes in electric field and breakdown voltage in a trench bottom region of a power semiconductor device having a field relaxation structure according to the embodiment of FIG. 5.
FIG. 8 is an exemplary diagram showing a modified embodiment of a power semiconductor device having a field relaxation structure according to the embodiment of FIG. 5.
FIG. 9 is an exemplary diagram showing a power semiconductor device having a field relaxation structure according to another embodiment of the present invention.
FIG. 10 is an exemplary diagram showing a modified embodiment of a power semiconductor device having a field relaxation structure according to the embodiment of FIG. 9.
FIG. 11 is an exemplary diagram showing a power semiconductor device having a field relaxation structure according to another embodiment of the present invention.
FIG. 12 is an exemplary diagram showing a modified embodiment of a power semiconductor device having a field relaxation structure according to the embodiment of FIG. 11.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시 예 및 첨부하는 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하되, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭함을 전제하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments of the present invention and the accompanying drawings, on the premise that like reference numerals in the drawings indicate like components.

본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하기에 앞서, 본 발명의 기술적 요지와 직접적 관련이 없는 구성에 대해서는 본 발명의 기술적 요지를 흩뜨리지 않는 범위 내에서 생략하였음에 유의하여야 할 것이다. Before explaining the specific details for implementing the present invention, it should be noted that components that are not directly related to the technical gist of the present invention have been omitted to the extent that they do not distract from the technical gist of the present invention.

또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 발명자가 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 적절한 용어의 개념을 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다.In addition, terms or words used in this specification and claims should be interpreted as meanings and concepts that conform to the technical idea of the invention, based on the principle that the inventor can define the concept of an appropriate term to best describe his or her invention.

본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다는 표현은 다른 구성요소를 배제하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.The expression in this specification that a part "includes" a certain component does not exclude other components, but rather means that it may include other components.

또한, "‥부", "‥기", "‥모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 그 둘의 결합으로 구분될 수 있다.Additionally, terms such as "‥part", "‥device", and "‥module" refer to a unit that processes at least one function or operation, and this can be classified as hardware, software, or a combination of the two.

또한, "적어도 하나의" 라는 용어는 단수 및 복수를 포함하는 용어로 정의되고, 적어도 하나의 라는 용어가 존재하지 않더라도 각 구성요소가 단수 또는 복수로 존재할 수 있고, 단수 또는 복수를 의미할 수 있음은 자명하다 할 것이다. Additionally, the term "at least one" is defined as a term including both singular and plural, and it will be apparent that even if the term "at least one" is not present, each component can exist in the singular or plural, and can mean the singular or plural.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, a preferred embodiment of a power semiconductor device having a field mitigation structure according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

(제1 실시 예)(First embodiment)

도5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자를 나타낸 예시도이고, 도6은 도5의 실시 예에 따른 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자의 전계 분포와 농도 분포를 나타낸 그래프이며, 도7은 도5의 실시 예에 따른 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자의 트렌치 바닥 영역의 전계와 항복 전압의 변화를 시뮬레이션한 결과 그래프이다.FIG. 5 is an exemplary diagram showing a power semiconductor device having a field relaxation structure according to an embodiment of the present invention, FIG. 6 is a graph showing an electric field distribution and a concentration distribution of a power semiconductor device having a field relaxation structure according to the embodiment of FIG. 5, and FIG. 7 is a graph showing the results of simulating changes in an electric field and breakdown voltage in a trench bottom region of a power semiconductor device having a field relaxation structure according to the embodiment of FIG. 5.

도5 내지 도7에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자(100)는 실리콘 기판으로 구성될 수 있고, 표면에는 게이트 배선과 이미터 전극이 형성될 수 있다.As shown in FIGS. 5 to 7, a power semiconductor device (100) having a field relaxation structure according to one embodiment of the present invention may be composed of a silicon substrate, and gate wiring and emitter electrodes may be formed on a surface.

전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자(100)는 제1 도전형으로 n형 불순물을 저농도로 도핑한 제1 반도체층(110)이 형성된 기판일 수 있고, n형 불순물의 도핑 농도는 예를 들어, 1013∼1016/㎤ 정도일 수 있다.A power semiconductor device (100) having a field-relief structure may be a substrate on which a first semiconductor layer (110) is formed by lightly doping an n-type impurity with a first conductivity type, and the doping concentration of the n-type impurity may be, for example, about 10 13 to 10 16 /cm3.

제1 반도체층(110)은 n형 불순물의 도핑 농도를 고려하면, n-형의 드리프트층이라 할 수 있다.Considering the doping concentration of n-type impurities, the first semiconductor layer (110) can be said to be an n - type drift layer.

또한, 제1 반도체층(110)은 n형 드리프층의 하부에 필드 스톱층(field stop layer, 111)과 p형 콜렉터층(collector layer, 160)이 순차적으로 형성될 수 있고, 콜렉터층(160)의 하부에는 콜렉터 전극이 형성될 수 있다.In addition, the first semiconductor layer (110) may have a field stop layer (111) and a p-type collector layer (160) sequentially formed under the n-type drift layer, and a collector electrode may be formed under the collector layer (160).

필드 스톱층(111)은 n형 불순물이 도핑된 층일 수 있고, 도핑된 n형 불순물의 농도는 제1 반도체층(110)의 n형 불순물 농도보다 높을 수 있으며, 불순물의 농도는 1014∼1018/㎤ 정도일 수 있다.The field stop layer (111) may be a layer doped with an n-type impurity, and the concentration of the doped n-type impurity may be higher than the n-type impurity concentration of the first semiconductor layer (110), and the concentration of the impurity may be about 10 14 to 10 18 /cm3.

즉, 제1 반도체층(110)은 드리프트층으로서, 저농도의 n형 반도체층이고, 오프 상태에서는 콜렉터-이미터간 전압의 대부분이 제1 반도체층(110)으로 인가되므로, 필드 스톱층(111)은 역방향 전압이 인가될 때 공핍층의 확장을 저지하게 된다.That is, the first semiconductor layer (110) is a drift layer and is a low-concentration n-type semiconductor layer, and in the off state, most of the voltage between the collector and the emitter is applied to the first semiconductor layer (110), so the field stop layer (111) prevents expansion of the depletion layer when a reverse voltage is applied.

이를 통해, 필드 스톱층(111)은 비교적 짧은 길이의 드리프트 영역만으로도 높은 항복 전압을 얻을 수 있어 순방향 동작 특성이 개선될 수 있도록 한다.Through this, the field stop layer (111) can obtain a high breakdown voltage even with a relatively short drift region, thereby improving the forward operation characteristics.

또한, 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자(100)는 제1 반도체층(110)의 상부에 제2 반도체층(120)이 형성될 수 있다.Additionally, a power semiconductor device (100) having a field-relief structure may have a second semiconductor layer (120) formed on top of a first semiconductor layer (110).

제2 반도체층(120)은 p형 불순물이 도핑된 영역일 수 있고, p형 불순물의 도핑 농도는 1015∼1019/㎤ 정도일 수 있으며, p형 불순물의 도핑 농도를 고려하면, p0 또는 p+일 수 있다.The second semiconductor layer (120) may be a region doped with p-type impurities, and the doping concentration of the p-type impurities may be about 10 15 to 10 19 /cm3, and considering the doping concentration of the p-type impurities, it may be p 0 or p + .

또한, 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자(100)는 제1 반도체층(110)과 제2 반도체층(120) 사이에 전하를 축적하기 위해 제1 반도체층(110)의 불순물 농도보다 높은 n형 불순물이 도핑된 전하 축적층(Carrier Storage, 130)이 형성될 수 있다.In addition, a power semiconductor device (100) having a field-relief structure may have a charge accumulation layer (Carrier Storage, 130) formed between the first semiconductor layer (110) and the second semiconductor layer (120) and doped with an n-type impurity having a higher impurity concentration than that of the first semiconductor layer (110) to accumulate charges.

전하 축적층(130)은 제1 반도체층(110)과 제2 반도체층(120) 사이에 설치되어 소자의 온(ON) 상태에서 정공이 제2 반도체층(120)을 통과하여 이미터 전극으로 흐르는 것을 방해함으로써, 전하 축적층(130) 바로 아래 영역의 제1 반도체층(110)의 캐리어 농도가 증가되어 온 전압을 낮출 수 있다.The charge accumulation layer (130) is installed between the first semiconductor layer (110) and the second semiconductor layer (120) so that when the device is in the ON state, holes are prevented from flowing through the second semiconductor layer (120) to the emitter electrode, thereby increasing the carrier concentration of the first semiconductor layer (110) in the region directly below the charge accumulation layer (130), thereby lowering the ON voltage.

또한, 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자(100)는 제2 반도체층(120)과 전하 축적층(130)을 관통하여 제1 반도체층(110)까지 연장되어 복수의 트렌치부(140, 140a, 140b)가 형성될 수 있다. In addition, a power semiconductor device (100) having a field-relief structure may extend through the second semiconductor layer (120) and the charge accumulation layer (130) to the first semiconductor layer (110) to form a plurality of trench portions (140, 140a, 140b).

본 실시 예에서는 설명의 편의를 위해 3개의 트렌치부(140, 140a, 140b)를 실시 예로 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 필요에 따라 변경하여 구현될 수 있다.In this embodiment, for convenience of explanation, three trench sections (140, 140a, 140b) are described as an example, but it is not limited thereto and can be implemented by changing them as necessary.

각 트렌치부(140, 140a, 140b)는 서로 일정 거리 이격되어 평행하게 스트라이프(stripe) 형태로 형성될 수 있다.Each trench section (140, 140a, 140b) can be formed in a stripe shape in parallel with a certain distance from each other.

개별 트렌치부(140, 140a, 140b)는 각각 내벽에 게이트 절연막(141)이 형성될 수 있다.Each of the individual trench sections (140, 140a, 140b) can have a gate insulating film (141) formed on the inner wall.

또한, 개별 트렌치부(140, 140a, 140b)는 게이트 절연막(141)에 의해 매립되어 제2 반도체층(120)과 액티브 메사 영역(150, 150a, 150b)으로부터 절연된 게이트 전극(142)이 형성될 수 있다.Additionally, individual trench portions (140, 140a, 140b) may be filled with a gate insulating film (141) to form a gate electrode (142) that is insulated from the second semiconductor layer (120) and the active mesa region (150, 150a, 150b).

또한, 게이트 전극(142)은 이미터 전극과 전기적으로 분리될 수 있도록 절연막(미도시)이 형성될 수 있다.Additionally, an insulating film (not shown) may be formed so that the gate electrode (142) can be electrically separated from the emitter electrode.

또한, 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자(100)는 개별 트렌치부(140, 140a, 140b)양측에 접하는 n형 이미터 영역(151)과 n형 이미터 영역(151) 사이에 오믹 컨택 형성을 위해 제2 반도체층(120)의 p형 불순물 농도보다 높은 농도로 형성된 p형 고농도 영역(152)을 구비한 액티브 메사 영역(150, 150a, 150b)이 형성될 수 있다.In addition, a power semiconductor device (100) having a field-relief structure may have an active mesa region (150, 150a, 150b) formed with a p-type high-concentration region (152) formed with a higher concentration than the p-type impurity concentration of the second semiconductor layer (120) to form an ohmic contact between the n-type emitter region (151) and the n-type emitter region (151) that contacts both sides of the individual trench portion (140, 140a, 140b).

액티브 메사 영역(150, 150a, 150b)의 상부에는 이미터 전극이 설치될 수 있다.An emitter electrode can be installed on top of the active mesa region (150, 150a, 150b).

또한, 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자(100)는 제1 반도체층(110)의 하부에 콜렉터층(160)이 형성될 수 있다.Additionally, a power semiconductor device (100) having a field-relief structure may have a collector layer (160) formed under a first semiconductor layer (110).

콜렉터층(160)은 p형 불순물이 도핑되고, 도핑된 p형 불순물의 농도는 1017∼1021/㎤ 정도일 수 있어서, p+층이 될 수 있으며, 콜렉터 전극이 형성될 수 있다.The collector layer (160) is doped with a p-type impurity, and the concentration of the doped p-type impurity can be about 10 17 to 10 21 /cm3, so that it can become a p + layer and a collector electrode can be formed.

또한, 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자(100)는 트렌치부(140, 140a, 140b)의 하부에 제1 반도체층(110)의 도핑 농도보다 상대적으로 낮은 n형 불순물 농도를 갖도록 전계 완화 반도체층(170)이 형성될 수 있다.In addition, a power semiconductor device (100) having a field relaxation structure may have a field relaxation semiconductor layer (170) formed at the bottom of a trench portion (140, 140a, 140b) so as to have an n-type impurity concentration that is relatively lower than the doping concentration of the first semiconductor layer (110).

전계 완화 반도체층(170)인 'N2'의 도핑 농도를 제1 반도체층(110)인 'N1'의 도핑 농도보다 낮게 형성하면, 전계 완화 반도체층(170)의 공핍 영역이 제1 반도체층(110) 보다 빠르게 확장되어 트렌치부(140, 140a, 140b) 하부의 전계 최대치가 낮아지게 된다.When the doping concentration of the 'N2', which is the field relaxation semiconductor layer (170), is formed lower than the doping concentration of the 'N1', which is the first semiconductor layer (110), the depletion region of the field relaxation semiconductor layer (170) expands faster than the first semiconductor layer (110), thereby lowering the maximum electric field value at the bottom of the trench portion (140, 140a, 140b).

따라서, 전계의 최대치(EF)가 종래의 전계 최대치(EF1)보다 낮아짐에 따라 트렌치부(140, 140a, 140b)의 바닥 영역이 부담하는 전계 값이 작아지게 되어 소자의 동작 신뢰성이 개선될 수 있다.Accordingly, as the maximum electric field (EF) becomes lower than the conventional maximum electric field (EF1), the electric field value borne by the bottom area of the trench portion (140, 140a, 140b) becomes smaller, so that the operational reliability of the device can be improved.

전계 완화 반도체층(170)은 개별 트렌치부(140, 140a, 140b)의 바닥 영역 즉, 트렌치부(140, 140a, 140b)의 말단부 주변을 감싸도록 형성될 수 있다.The field-mitigating semiconductor layer (170) can be formed to surround the bottom area of each trench portion (140, 140a, 140b), that is, the periphery of the end portion of the trench portion (140, 140a, 140b).

또한, 도8에 나타낸 바와 같이 전계 완화 반도체층(170')이 개별 트렌치부(140, 140a, 140b)의 하부 저면에만 설치된 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자(100')로 구현될 수도 있다.In addition, as shown in FIG. 8, a power semiconductor device (100') may be implemented with a field alleviation structure in which a field alleviation semiconductor layer (170') is installed only on the lower surface of each trench portion (140, 140a, 140b).

다시 도5를 참조하면, 전계 완화 반도체층(170)은 트렌치부(140, 140a, 140b)의 바닥면(또는 저면)으로부터 콜렉터층(160) 방향으로 일정 두께(T)를 갖도록 형성될 수 있다.Referring again to FIG. 5, the field relaxation semiconductor layer (170) can be formed to have a certain thickness (T) from the bottom surface (or lower surface) of the trench portion (140, 140a, 140b) toward the collector layer (160).

전계 완화 반도체층(170)이 형성되는 두께(T)는 10㎛ 내지 필드스톱층(111)과 접촉하는 위치(또는 거리)까지 형성될 수 있다.The thickness (T) at which the field-mitigating semiconductor layer (170) is formed can be 10 μm to a position (or distance) where it comes into contact with the field stop layer (111).

전계 완화 반도체층(170)의 두께(T1)가 10㎛ 이하인 경우, 전계 최대치 감소로 인한 전계 강도가 일부 감소되는 효과는 있지만 항복 전압 성능은 향상되지 않는다.When the thickness (T1) of the field-relaxing semiconductor layer (170) is 10 ㎛ or less, there is an effect of reducing the field intensity to some extent due to a decrease in the maximum field value, but the breakdown voltage performance is not improved.

따라서 트렌치부의 바닥 영역에 드리프트층(N1)보다 낮은 농도를 갖는 n형 반도체층(N2)을 형성함으로써, 전력 반도체 소자가 역방향모드로 전환될 때 콜렉터에 인가되는 전압이 증가함에 따라 드리프트층보다 n형 반도체층의 공핍층이 더 빠르게 확장되어 트렌치부 바닥 영역의 전계 최대치를 감소시킬 수 있다.Therefore, by forming an n-type semiconductor layer (N2) having a lower concentration than the drift layer (N1) in the bottom region of the trench, the depletion layer of the n-type semiconductor layer expands faster than the drift layer as the voltage applied to the collector increases when the power semiconductor device is switched to the reverse mode, thereby reducing the maximum electric field in the bottom region of the trench.

(제2 실시 예)(Second embodiment)

도9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자를 나타낸 예시도이다.FIG. 9 is an exemplary diagram showing a power semiconductor device having a field relaxation structure according to another embodiment of the present invention.

도9에 나타낸 바와 같이, 제2 실시 예에 따른 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자(100a)는 제1 실시 예에 따른 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자(100, 도5 참조)의 구성과 대비하여 복수의 트렌치부(140, 140a)와 인접하여 평행하게 형성된 더미 트렌치부(180)를 더 포함하여 구성될 수 있다.As shown in FIG. 9, a power semiconductor device (100a) having a field relaxation structure according to the second embodiment may be configured to further include a dummy trench portion (180) formed parallel to and adjacent to a plurality of trench portions (140, 140a) in comparison with the configuration of a power semiconductor device (100, see FIG. 5) having a field relaxation structure according to the first embodiment.

또한, 제2 실시 예에 따른 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자(100a)는 전계 완화 반도체층(170a)이 트렌치부(140)와 인접하여 평행하게 형성된 하나 이상의 트렌치부(140a) 바닥 영역, 즉 복수의 트렌치부(140, 140a) 말단부 주변을 동시에 감싸도록 형성될 수 있다.In addition, the power semiconductor device (100a) having the field relaxation structure according to the second embodiment can be formed so that the field relaxation semiconductor layer (170a) surrounds the bottom area of one or more trench portions (140a) formed parallel to and adjacent to the trench portion (140), i.e., the periphery of the ends of a plurality of trench portions (140, 140a) at the same time.

또한, 도10에 나타낸 바와 같이 전계 완화 반도체층(170a')이 트렌치부(140, 140a)의 하부 저면에만 설치된 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자(100a')로 구현될 수도 있다.In addition, as shown in Fig. 10, a power semiconductor device (100a') having a field alleviation structure in which a field alleviation semiconductor layer (170a') is installed only on the lower surface of a trench portion (140, 140a) may be implemented.

다시 도9를 참조하면, 더미 트렌치부(180)는 게이트 전극(142)이 이미터 전극에 연결되도록 하고, 더미 트렌치부(180)의 바닥 영역에는 전계 완화 반도체층(170a)이 형성되지 않는다. Referring again to FIG. 9, the dummy trench portion (180) allows the gate electrode (142) to be connected to the emitter electrode, and a field-relaxing semiconductor layer (170a) is not formed in the bottom region of the dummy trench portion (180).

더미 트렌치부(180)는 소자가 동작하여 전도도 변조가 이루어지면, 콜렉터층(160)으로부터 올라온 정공이 모이게 되고, 정공들이 모인 만큼 전자들도 모여 들게 되어 캐리어 농도가 증가함에 따라 순방향 전압 강하를 낮아지게 함으로써, 도통 손실이 낮아지게 한다.When the device operates and conductivity modulation occurs, the dummy trench portion (180) gathers holes that have risen from the collector layer (160), and as many holes gather, electrons also gather, so that the carrier concentration increases, thereby lowering the forward voltage drop and thus reducing the conduction loss.

(제3 실시 예)(Example 3)

도11은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자를 나타낸 예시도이다.FIG. 11 is an exemplary diagram showing a power semiconductor device having a field relaxation structure according to another embodiment of the present invention.

도11에 나타낸 바와 같이, 제3 실시 예에 따른 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자(100b)는 제1 실시 예에 따른 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자(100, 도5 참조)의 구성과 대비하여 연속적으로 형성된 복수의 트렌치부(140, 140a, 140b)와 평행하게 인접하여 연속적으로 복수의 더미 트렌치부(180, 180a)가 형성될 수 있다.As shown in FIG. 11, a power semiconductor device (100b) having a field relaxation structure according to the third embodiment may have a plurality of trench portions (140, 140a, 140b) formed continuously and adjacent to a plurality of dummy trench portions (180, 180a) in parallel with each other, as compared to the configuration of a power semiconductor device (100, see FIG. 5) having a field relaxation structure according to the first embodiment.

또한, 제3 실시 예에 따른 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자(100b)는 전계 완화 반도체층(170b)이 연속적으로 형성된 복수의 트렌치부(140, 140a, 140b) 바닥 영역, 즉 트렌치부(140, 140a, 140b)의 말단부 주변을 동시에 감싸도록 형성될 수 있다.In addition, a power semiconductor device (100b) having a field relaxation structure according to the third embodiment can be formed so as to simultaneously surround the bottom area of a plurality of trench portions (140, 140a, 140b) in which field relaxation semiconductor layers (170b) are continuously formed, i.e., the periphery of the ends of the trench portions (140, 140a, 140b).

또한, 도12에 나타낸 바와 같이 전계 완화 반도체층(170b')이 트렌치부(140, 140a)의 하부 저면에만 설치된 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자(100b')로 구현될 수도 있다.In addition, as shown in Fig. 12, a power semiconductor device (100b') having a field alleviation structure in which a field alleviation semiconductor layer (170b') is installed only on the lower surface of a trench portion (140, 140a) may be implemented.

다시 도11을 참조하면, 더미 트렌치부(180, 180a)는 게이트 전극(142)이 이미터 전극에 연결되도록 하고, 더미 트렌치부(180, 180a)의 바닥 영역에는 전계 완화 반도체층(170b)이 형성되지 않는다. Referring again to FIG. 11, the dummy trench portion (180, 180a) allows the gate electrode (142) to be connected to the emitter electrode, and a field-relaxing semiconductor layer (170b) is not formed in the bottom region of the dummy trench portion (180, 180a).

이를 통해, 소자가 동작할 때 더미 트렌치부(180, 180a)는 채널이 형성되지 않게 되어 콜렉터층(160)으로부터 올라온 정공이 더미 트렌치의 하부에 모이게 되고, 정공들이 모인 만큼 전자들도 모여 들게 되어 캐리어 농도가 증가함에 따라 순방향 전압 강하를 낮아지게 함으로써, 도통 손실이 낮아지게 한다.Through this, when the device is in operation, the dummy trench portion (180, 180a) does not form a channel, so that holes rising from the collector layer (160) gather at the bottom of the dummy trench, and as many holes gather, electrons also gather, so that the forward voltage drop is lowered as the carrier concentration increases, thereby lowering the conduction loss.

또한, 트렌치의 바닥영역에 드리프트층보다 낮은 농도를 갖는 n형 반도체층을 형성함에 의해 전력 반도체 소자가 역방향모드로 전환될 때, 콜렉터에 인가되는 전압이 증가함에 따라 드리프트층보다 n형 반도체층의 공핍층이 더 빠르게 확장되어 트렌치 바닥영역의 전계 최대치를 감소시킬 수 있다.In addition, by forming an n-type semiconductor layer having a lower concentration than the drift layer in the bottom region of the trench, when the power semiconductor device is switched to the reverse mode, the depletion layer of the n-type semiconductor layer expands more quickly than the drift layer as the voltage applied to the collector increases, thereby reducing the maximum electric field in the bottom region of the trench.

또한, 트렌치 바닥 영역의 전계 집중을 완화시켜 전력 반도체 소자의 열화를 개선하고 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 전력 반도체 소자의 순방향 도통 손실의 열화 없이 항복 전압을 향상시킬 수 있다.In addition, the electric field concentration in the trench bottom region can be alleviated to improve the deterioration of power semiconductor devices and enhance the reliability, and the breakdown voltage can be improved without deterioration of the forward conduction loss of the power semiconductor devices.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, although the present invention has been described with reference to preferred embodiments, it will be understood by those skilled in the art that the present invention can be variously modified and changed within the scope and spirit of the present invention as set forth in the claims below.

또한, 본 발명의 특허청구범위에 기재된 도면번호는 설명의 명료성과 편의를 위해 기재한 것일 뿐 이에 한정되는 것은 아니며, 실시예를 설명하는 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.In addition, the drawing numbers described in the patent claims of the present invention are only described for the sake of clarity and convenience of explanation and are not limited thereto, and in the process of explaining the embodiments, the thickness of lines and the sizes of components depicted in the drawings may be exaggerated for the sake of clarity and convenience of explanation.

또한, 상술된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로, 이러한 용어들에 대한 해석은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In addition, the terms described above are terms defined in consideration of their functions in the present invention, and may vary depending on the intention or custom of the user or operator. Therefore, the interpretation of these terms should be made based on the contents throughout this specification.

또한, 명시적으로 도시되거나 설명되지 아니하였다 하여도 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기재사항으로부터 본 발명에 의한 기술적 사상을 포함하는 다양한 형태의 변형을 할 수 있음은 자명하며, 이는 여전히 본 발명의 권리범위에 속한다. In addition, even if not explicitly illustrated or described, it is obvious that a person having ordinary skill in the art to which the present invention pertains can make various modifications including technical ideas of the present invention from the description of the present invention, and this still falls within the scope of the rights of the present invention.

또한, 첨부하는 도면을 참조하여 설명된 상기의 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 목적으로 기술된 것이며 본 발명의 권리범위는 이러한 실시예에 국한되지 아니한다.In addition, the above embodiments described with reference to the attached drawings are described for the purpose of explaining the present invention, and the scope of the rights of the present invention is not limited to these embodiments.

100, 100', 100a, 100a', 100b, 100b' : 전계 완화 반도체 소자
110 : 제1 반도체층
111 : 필드 스톱층
120 : 제2 반도체층
130 : 전하 축적층(Carrier Storage, CS)
140, 140a, 140b : 트렌치부
141 : 게이트 절연막
142 : 게이트 전극
150, 150a, 15b : 액티브 메사 영역
151 : n형 이미터 영역
152 : p형 고농도 영역
160 : 콜렉터층
170, 170', 170a, 170a' 170b, 170b' : 전계 완화 반도체층
180, 180a : 더미 트렌치부
100, 100', 100a, 100a', 100b, 100b' : Field-relief semiconductor devices
110: 1st semiconductor layer
111 : Field stop layer
120: Second semiconductor layer
130: Carrier Storage (CS)
140, 140a, 140b: Trench section
141 : Gate Insulator
142 : Gate electrode
150, 150a, 15b: Active Mesa Area
151: n-type emitter region
152: p-type high concentration region
160 : Collector layer
170, 170', 170a, 170a' 170b, 170b' : Field-relaxing semiconductor layer
180, 180a: Dummy trench section

Claims (7)

하부에 필드 스톱층(111)이 형성된 제1 반도체층(110);
상기 제1 반도체층(110) 상에 형성된 제2 반도체층(120);
상기 제1 반도체층(110) 및 제2 반도체층(120) 사이에 제1 반도체층(110)보다 높은 불순물 농도를 갖도록 형성된 전하 축적층(130);
게이트 전극(142)을 구비하고, 상기 제2 반도체층(120)과 전하 축적층(130)을 관통하여 제1 반도체층(110)까지 연장되어 형성되고, 서로 일정 거리 이격되어 평행하게 형성된 복수의 트렌치부(140, 140a, 140b);
상기 트렌치부(140, 140a, 140b)와 접하도록 형성된 n형 이미터 영역(151)과 상기 n형 이미터 영역(151) 사이에 형성된 p형 고농도 영역(152)을 구비한 액티브 메사 영역(150, 150a, 150b);
상기 제1 반도체층(110)의 하부에 형성된 콜렉터층(160);
상기 트렌치부(140, 140a, 140b)의 하부에 상기 제1 반도체층(110)보다 낮은 불순물 농도를 갖도록 형성된 전계 완화 반도체층(170, 170', 170a, 170a' 170b, 170b'); 및
상기 게이트 전극(142)이 이미터 전극에 연결된 하나 이상의 더미 트렌치부(180);을 포함하고,
상기 더미 트렌치부(180)는 바닥 영역에 상기 전계 완화 반도체층(170, 170', 170a, 170a' 170b, 170b')이 미설치된 것을 특징으로 하는 포함하는 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자.
A first semiconductor layer (110) having a field stop layer (111) formed at the bottom;
A second semiconductor layer (120) formed on the first semiconductor layer (110);
A charge accumulation layer (130) formed between the first semiconductor layer (110) and the second semiconductor layer (120) to have a higher impurity concentration than the first semiconductor layer (110);
A plurality of trench portions (140, 140a, 140b) formed in parallel and spaced apart from each other by a certain distance, and having a gate electrode (142) and extending through the second semiconductor layer (120) and the charge accumulation layer (130) to the first semiconductor layer (110);
An active mesa region (150, 150a, 150b) having an n-type emitter region (151) formed to be in contact with the trench portion (140, 140a, 140b) and a p-type high-concentration region (152) formed between the n-type emitter region (151);
A collector layer (160) formed on the lower side of the first semiconductor layer (110);
A field relaxation semiconductor layer (170, 170', 170a, 170a' 170b, 170b') formed at the lower portion of the trench portion (140, 140a, 140b) to have a lower impurity concentration than the first semiconductor layer (110); and
The above gate electrode (142) includes one or more dummy trench portions (180) connected to the emitter electrode;
A power semiconductor device having an electric field alleviation structure, characterized in that the above dummy trench portion (180) has no electric field alleviation semiconductor layer (170, 170', 170a, 170a' 170b, 170b') installed in the bottom area.
제 1 항에 있어서,
상기 전계 완화 반도체층(170, 170a, 170b)은 각 트렌치부(140, 140a, 140b)의 바닥 영역을 감싸도록 형성된 것을 특징으로 하는 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자.
In paragraph 1,
A power semiconductor device having an electric field relaxation structure, characterized in that the above-mentioned electric field relaxation semiconductor layer (170, 170a, 170b) is formed to surround the bottom area of each trench portion (140, 140a, 140b).
제 1 항에 있어서,
상기 전계 완화 반도체층(170, 170', 170a, 170a' 170b, 170b')의 두께(T)는 10㎛ 내지 필드스톱층(111)까지 형성되는 것을 특징으로 하는 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자.
In paragraph 1,
A power semiconductor device having an electric field relaxation structure, characterized in that the thickness (T) of the above-mentioned electric field relaxation semiconductor layer (170, 170', 170a, 170a' 170b, 170b') is formed from 10 ㎛ to the field stop layer (111).
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전계 완화 반도체층(170a, 170a' 170b, 170b')은 임의의 트렌치부(140)와 인접한 하나 이상의 트렌치부(140a, 140b) 바닥 영역을 동시에 감싸도록 형성된 것을 특징으로 하는 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자.
In any one of claims 1 to 3,
A power semiconductor device having an electric field relaxation structure, characterized in that the above-mentioned electric field relaxation semiconductor layer (170a, 170a' 170b, 170b') is formed to simultaneously surround a bottom area of an arbitrary trench portion (140) and one or more adjacent trench portions (140a, 140b).
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 더미 트렌치부(180)는 하나 이상의 더미 트렌치부(180a)가 연속으로 인접하여 설치된 것을 특징으로 하는 전계 완화 구조를 갖는 전력 반도체 소자.
In paragraph 1,
A power semiconductor device having an electric field mitigation structure, characterized in that the above dummy trench portion (180) is installed in a continuous and adjacent manner with one or more dummy trench portions (180a).
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