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KR20210056147A - Power semiconductor device - Google Patents

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KR20210056147A
KR20210056147A KR1020190142879A KR20190142879A KR20210056147A KR 20210056147 A KR20210056147 A KR 20210056147A KR 1020190142879 A KR1020190142879 A KR 1020190142879A KR 20190142879 A KR20190142879 A KR 20190142879A KR 20210056147 A KR20210056147 A KR 20210056147A
Authority
KR
South Korea
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trench
power semiconductor
semiconductor device
semiconductor layer
layer
Prior art date
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Ceased
Application number
KR1020190142879A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
조선형
우혁
Original Assignee
현대모비스 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대모비스 주식회사 filed Critical 현대모비스 주식회사
Priority to KR1020190142879A priority Critical patent/KR20210056147A/en
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Abstract

본 발명의 일 관점에 의한 전력 반도체 소자는, 반도체층과, 상기 반도체층의 표면으로부터 상기 반도체층 내부로 소정 깊이만큼 리세스 되어 형성된 적어도 하나의 트렌치와, 상기 적어도 하나의 트렌치의 일측의 상기 반도체층에 한정된 웰 영역과, 상기 적어도 하나의 트렌치의 타측의 상기 반도체층에 한정된 플로팅 영역과, 상기 적어도 하나의 트렌치의 측벽 상에 형성되되 상기 플로팅 영역에 인접한 부분의 두께가 상기 웰 영역에 인접한 부분의 두께보다 더 두꺼운 측벽부를 포함하는 게이트 절연층과, 상기 적어도 하나의 트렌치를 매립하도록 상기 게이트 절연층 상에 형성된 게이트 전극층을 포함한다.A power semiconductor device according to an aspect of the present invention includes a semiconductor layer, at least one trench formed by being recessed from a surface of the semiconductor layer by a predetermined depth into the semiconductor layer, and the semiconductor at one side of the at least one trench. A well region defined in a layer, a floating region defined in the semiconductor layer on the other side of the at least one trench, and a portion formed on a sidewall of the at least one trench, wherein a thickness of a portion adjacent to the floating region is adjacent to the well region And a gate insulating layer including a sidewall portion thicker than the thickness of and a gate electrode layer formed on the gate insulating layer to fill the at least one trench.

Description

전력 반도체 소자{Power semiconductor device}Power semiconductor device

본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 전력 전달을 스위칭하기 위한 전력 반도체 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a power semiconductor device for switching power transmission.

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. Power semiconductor devices are semiconductor devices that operate in a high voltage and high current environment. Such power semiconductor devices are used in fields requiring high power switching, for example, inverter devices. For example, the power semiconductor device may include an insulated gate bipolar transistor (IGBT), a power MOSFET, and the like. Such a power semiconductor device is basically required to withstand voltage characteristics for a high voltage, and recently, additionally, a high-speed switching operation is required.

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. Such a semiconductor device operates while electrons injected from a channel and holes injected from a collector flow. However, in the trench gate type power semiconductor device, when holes are excessively accumulated in the trench gate, a negative gate charging (NGC) phenomenon occurs and a displacement current is generated in the gate direction.

이 경우, 도 10에 도시된 바와 같이, 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. In this case, as shown in FIG. 10, the gate-emitter potential (Vge) is instantaneously increased during the switching operation and the collector-emitter current (Ice) is increased, resulting in oscillation and/or overshooting of these values. Can be.

대한민국 공개공보 제20140057630호(2014.05.13. 공개)Republic of Korea Publication No. 20140057630 (released on May 13, 2014)

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 네거티브 게이트 차징 현상을 억제할 수 있는 전력 반도체 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a power semiconductor device capable of suppressing a negative gate charging phenomenon.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.However, these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereby.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 의한 전력 반도체 소자는, 반도체층과, 상기 반도체층의 표면으로부터 상기 반도체층 내부로 소정 깊이만큼 리세스 되어 형성된 적어도 하나의 트렌치와, 상기 적어도 하나의 트렌치의 일측의 상기 반도체층에 한정된 웰 영역과, 상기 적어도 하나의 트렌치의 타측의 상기 반도체층에 한정된 플로팅 영역과, 상기 적어도 하나의 트렌치의 측벽 상에 형성되되 상기 플로팅 영역에 인접한 부분의 두께가 상기 웰 영역에 인접한 부분의 두께보다 더 두꺼운 측벽부를 포함하는 게이트 절연층과, 상기 적어도 하나의 트렌치를 매립하도록 상기 게이트 절연층 상에 형성된 게이트 전극층을 포함한다.A power semiconductor device according to an aspect of the present invention for solving the above problems includes a semiconductor layer, at least one trench formed by being recessed from a surface of the semiconductor layer by a predetermined depth into the semiconductor layer, and the at least one A well region defined in the semiconductor layer at one side of the trench, a floating region defined in the semiconductor layer at the other side of the at least one trench, and a thickness of a portion adjacent to the floating region formed on a sidewall of the at least one trench And a gate insulating layer including a sidewall portion thicker than a thickness of a portion adjacent to the well region, and a gate electrode layer formed on the gate insulating layer to fill the at least one trench.

상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 게이트 절연층은 상기 적어도 하나의 트렌치의 하부를 매립하는 하부 매립부를 더 포함하고, 상기 측벽부는 상기 하부 매립부 상에 형성될 수 있다.According to the power semiconductor device, the gate insulating layer may further include a lower buried portion filling a lower portion of the at least one trench, and the sidewall portion may be formed on the lower buried portion.

상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 하부 매립부의 두께는 상기 측벽부의 두께보다 두꺼울 수 있다.According to the power semiconductor device, a thickness of the lower buried portion may be thicker than a thickness of the sidewall portion.

상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 반도체층은 제 1 도전형의 불순물로 도핑되고, 상기 웰 영역 및 상기 플로팅 영역은 상기 제 1 도전형의 반대인 제 2 도전형의 불순물로 도핑될 수 있다.According to the power semiconductor device, the semiconductor layer may be doped with an impurity of a first conductivity type, and the well region and the floating region may be doped with an impurity of a second conductivity type opposite to the first conductivity type.

상기 전력 반도체 소자에 따르면, 상기 적어도 하나의 트렌치는 스트라이프 타입으로 신장된 적어도 한 쌍의 트렌치들을 포함하고, 상기 웰 영역은 상기 한 쌍의 트렌치들 사이의 상기 반도체층에 형성될 수 있다.According to the power semiconductor device, the at least one trench may include at least a pair of trenches extending in a stripe type, and the well region may be formed in the semiconductor layer between the pair of trenches.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 관점에 의한 전력 반도체 소자의 제조방법은, 반도체층의 표면으로부터 상기 반도체층 내부로 소정 깊이만큼 리세스 되게 적어도 하나의 트렌치를 형성하여, 상기 적어도 하나의 트렌치의 일측의 상기 반도체층에 웰 영역을 한정하고, 상기 적어도 하나의 트렌치의 타측의 상기 반도체층에 플로팅 영역을 한정하는 단계와, 상기 적어도 하나의 트렌치의 측벽 상에 형성되되 상기 플로팅 영역에 인접한 부분의 두께가 상기 웰 영역에 인접한 부분의 두께보다 더 두꺼운 측벽부를 포함하는 게이트 절연층을 형성하는 단계와, 상기 적어도 하나의 트렌치를 매립하도록 상기 게이트 절연층 상에 게이트 전극층을 형성하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a power semiconductor device according to another aspect of the present invention for solving the above problem is to form at least one trench to be recessed by a predetermined depth from the surface of the semiconductor layer into the semiconductor layer, and the at least one trench Defining a well region in the semiconductor layer on one side of the at least one trench, and defining a floating region in the semiconductor layer on the other side of the at least one trench; a portion formed on a sidewall of the at least one trench and adjacent to the floating region Forming a gate insulating layer including a sidewall portion having a thickness greater than that of a portion adjacent to the well region, and forming a gate electrode layer on the gate insulating layer to fill the at least one trench. .

상기 전력 반도체 소자의 제조방법에 따르면, 상기 게이트 절연층을 형성하는 단계는, 상기 적어도 하나의 트렌치의 하부를 매립하는 하부 매립부를 형성하는 단계와, 상기 하부 매립부 상에 상기 측벽부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.According to the method of manufacturing the power semiconductor device, the forming of the gate insulating layer may include forming a lower buried portion filling a lower portion of the at least one trench, and forming the sidewall portion on the lower buried portion. It may include.

상기 전력 반도체 소자의 제조방법에 따르면, 상기 하부 매립부의 두께는 상기 측벽부의 두께보다 두껍게 형성할 수 있다.According to the method of manufacturing the power semiconductor device, a thickness of the lower buried portion may be formed to be thicker than a thickness of the sidewall portion.

상기 전력 반도체 소자의 제조방법에 따르면, 상기 반도체층은 제 1 도전형의 불순물로 도핑되고, 상기 웰 영역 및 상기 플로팅 영역은 상기 제 1 도전형의 반대인 제 2 도전형의 불순물로 도핑될 수 있다.According to the method of manufacturing the power semiconductor device, the semiconductor layer may be doped with an impurity of a first conductivity type, and the well region and the floating region may be doped with an impurity of a second conductivity type opposite to the first conductivity type. have.

상기 전력 반도체 소자의 제조방법에 따르면, 상기 적어도 하나의 트렌치를 형성하는 단계는, 스트라이프 타입으로 신장된 적어도 한 쌍의 트렌치들을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 웰 영역은 상기 한 쌍의 트렌치들 사이의 상기 반도체층에 형성될 수 있다.According to the method of manufacturing the power semiconductor device, the forming of the at least one trench includes forming at least one pair of trenches extending in a stripe type, and the well region is between the pair of trenches. May be formed on the semiconductor layer.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자 및 그 제조 방법에 의하면, 네거티브 게이트 차징(NGC) 현상을 억제하여 소자의 신뢰성을 높일 수 있다. According to the power semiconductor device and the method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention made as described above, it is possible to increase the reliability of the device by suppressing the negative gate charging (NGC) phenomenon.

물론 이러한 효과는 예시적인 것이고, 이러한 효과에 의해서 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Of course, these effects are exemplary, and the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자를 보여주는 개략적인평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자를 보여주는 회로도이다.
도 3은 도 2의 전력 반도체 소자의 일부를 보여주는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자를 보여주는 단면도이다.
도 5 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자의 제조방법을 보여주는 단면도들이다.
도 10은 종래 전력 반도체 소자의 네거티브 게이트 차징(NGC) 현상에 의한 동작 웨이브형상(wave form)을 보여주는 그래프이다.
1 is a schematic plan view showing a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
2 is a circuit diagram showing a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
3 is a circuit diagram showing a part of the power semiconductor device of FIG. 2.
4 is a cross-sectional view illustrating a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
5 to 9 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph showing an operation wave form of a conventional power semiconductor device due to a negative gate charging (NGC) phenomenon.

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.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and the following embodiments make the disclosure of the present invention complete, and the scope of the invention to those of ordinary skill in the art. It is provided to fully inform you. In addition, for convenience of description, in the drawings, at least some of the constituent elements may be exaggerated or reduced in size. In the drawings, the same reference numerals refer to the same elements.

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. Unless otherwise defined, all terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. In the drawings, the sizes of layers and regions are exaggerated for the sake of explanation, and thus are provided to describe the general structures of the present invention.

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.The same reference numerals denote the same elements. When referring to a configuration such as a layer, region, or substrate as being on another configuration, it will be understood that it is in the immediately upper trench of the other configuration or that there may also be other intervening configurations in between. On the other hand, when it is referred to as being "directly on" of another configuration, it is understood that there are no intervening configurations.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자를 보여주는 개략적인평면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자를 보여주는 회로도이고, 도 3은 도 2의 전력 반도체 소자의 일부를 보여주는 회로도이다.1 is a schematic plan view showing a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a circuit diagram showing a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is It is a schematic diagram showing a part.

도 1을 참조하면, 전력 반도체 소자(100)는 메인 셀 영역(MC) 및 센서 영역(SA)을 포함하는 반도체층(105)을 이용하여 구현될 수 있다. 이러한 전력 반도체 소자(100)는 웨이퍼(wafer), 칩(chip) 또는 다이(die) 구조를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the power semiconductor device 100 may be implemented using a semiconductor layer 105 including a main cell area MC and a sensor area SA. The power semiconductor device 100 may include a wafer, chip, or die structure.

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.A plurality of power semiconductor transistors (PT of FIG. 3) may be formed in the main cell area MC. A plurality of current sensor transistors (ST in FIG. 3) may be formed in the sensor area SA to monitor currents of the power semiconductor transistors PT.

예를 들어, 전력 반도체 트랜지스터둘(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 소자(100)로 IGBT를 예로 설명한다. For example, the two power semiconductor transistors PT and the current sensor transistors ST may include an insulated gate bipolar transistor (IGBT) or a power MOSFET structure. The IGBT may include a gate electrode, an emitter electrode, and a collector electrode. In FIGS. 2 to 3, an IGBT is described as an example as the power semiconductor device 100.

도 1 내지 도 3을 같이 참조하면, 전력 반도체 소자(100)는 외부와 연결을 위한 복수의 단자들을 포함할 수 있다. 1 to 3, the power semiconductor device 100 may include a plurality of terminals for connection with the outside.

예를 들어, 전력 반도체 소자(100)는 전력 반도체 트랜지스터들(PT)의 에미터 전극에 연결되는 에미터 단자(69), 전력 반도체 트랜지스터들(PT)의 켈빈 에미터 전극에 연결되는 켈빈 에미터 단자(66), 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), 온도를 모니터링하기 위한 온도 센서(TC)와 연결되는 온도 센서 단자들(67, 68) 및/또는 전력 반도체 트랜지스터들(PT) 및 전류 센서 트랜지스터들(ST)의 컬렉터 전극과 연결되는 컬렉터 단자(61)를 포함할 수 있다. For example, the power semiconductor device 100 includes an emitter terminal 69 connected to the emitter electrodes of the power semiconductor transistors PT, and a Kelvin emitter connected to the Kelvin emitter electrodes of the power semiconductor transistors PT. The terminal 66, the current sensor terminal 64 connected to the emitter electrode of the current sensor transistors ST for monitoring current, the gate electrode of the power semiconductor transistors PT, and the current sensor transistors ST. The gate terminal 62 connected to the gate electrode, the temperature sensor terminals 67 and 68 connected to the temperature sensor TC for monitoring the temperature, and/or the power semiconductor transistors PT and the current sensor transistors ST ) May include a collector terminal 61 connected to the collector electrode.

도 2에서 컬렉터 단자(61)는 도 1에서 반도체층(105)의 후면 상에 형성되고, 도 2에서 에미터 단자(69)는 도 1에서 메일 셀 영역(MC) 상에 형성될 수 있다.In FIG. 2, the collector terminal 61 may be formed on the rear surface of the semiconductor layer 105 in FIG. 1, and the emitter terminal 69 in FIG. 2 may be formed on the mail cell area MC in FIG. 1.

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. The temperature sensor TC may include a junction diode connected to the temperature sensor terminals 67 and 68. The junction diode may include a junction structure between at least one n-type impurity region and at least one p-type impurity region, such as a P-N junction structure, a P-N-P junction structure, an N-P-N junction structure, and the like.

본 구조는 전력 반도체 소자(100) 내에 온도 센서(TC)가 내장된 구조를 예시적으로 설명하고 있으나, 이 실시예의 변형된 예에서 온도 센서(TC)가 생략될 수도 있다.This structure exemplarily describes a structure in which the temperature sensor TC is embedded in the power semiconductor device 100, but the temperature sensor TC may be omitted in a modified example of this embodiment.

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.The power semiconductor transistor PT is connected between the emitter terminal 69 and the collector terminal 61, and the current sensor transistor ST is the power semiconductor transistor PT between the current sensor terminal 64 and the collector terminal 61. ) And partially connected in parallel. The gate electrode of the current sensor transistor ST and the gate electrode of the power semiconductor transistor PT are sharedly connected to the gate terminal 62 through a predetermined resistance.

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.The current sensor transistor ST has substantially the same structure as the power semiconductor transistor PT, but may be reduced to a predetermined ratio. Accordingly, the output current of the power semiconductor transistor PT can be indirectly monitored by monitoring the output current of the current sensor transistor ST.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자(100)를 보여주는 단면도이다.4 is a cross-sectional view illustrating a power semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention.

도 4를 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. 예컨대, 반도체층(105)은 드리프트 영역(107) 및 웰 영역(110)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 4, the semiconductor layer 105 may refer to one or a plurality of layers of semiconductor material, and, for example, may refer to a part of a semiconductor substrate and/or one or multiple epitaxial layers. May be. For example, the semiconductor layer 105 may include a drift region 107 and a well region 110.

나아가, 반도체층(105)은 웰 영역(110) 내 에미터 영역(112)을 더 포함할 수 있다. 여기에서 에미터 영역(112)은 소오스 영역으로 불릴 수도 있다. Furthermore, the semiconductor layer 105 may further include an emitter region 112 in the well region 110. Here, the emitter region 112 may also be referred to as a source region.

반도체층(105)은 게이트 전극(120) 사이에서 게이트 전극(120) 하부로 이어지는 부분에 플로팅 영역(125)을 더 포함할 수 있다. 플로팅 영역(125)은 게이트 전극(120)의 바닥보다 더 깊이 형성되어, 인접한 두 게이트 전극(120)을 연결하는 형태로 형성될 수 있다. 플로팅 영역(125)은 전력 반도체 트랜지스터들(PT)의 인접한 둘 사이에서 웰 영역(110) 반대편의 반도체층(105)에 형성될 수 있다.The semiconductor layer 105 may further include a floating region 125 between the gate electrodes 120 and connected to the lower portion of the gate electrode 120. The floating region 125 may be formed deeper than the bottom of the gate electrode 120 and may be formed to connect two adjacent gate electrodes 120. The floating region 125 may be formed in the semiconductor layer 105 opposite the well region 110 between two adjacent power semiconductor transistors PT.

예를 들어, 드리프트 영역(107) 및 에미터 영역(112)은 제 1 도전형을 갖고, 웰 영역(110) 및 플로팅 영역(125)은 제 2 도전형을 가질 수 있다. 제 1 도전형 및 제 2 도전형은 서로 반대의 도전형을 가지 되 n형 및 p형 중 각각 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 제 1 도전형은 n형이면 제 2 도전형이 p형이고, 그 반대일 수도 있다.For example, the drift region 107 and the emitter region 112 may have a first conductivity type, and the well region 110 and the floating region 125 may have a second conductivity type. The first conductivity type and the second conductivity type have opposite conductivity types, but may be any one of n-type and p-type, respectively. For example, if the first conductivity type is n-type, the second conductivity type is p-type, and vice versa.

드리프트 영역(107)은 제 1 도전형의 에피택셜층으로 제공될 수 있고, 웰 영역(110)은 이러한 에피택셜층에 제 2 도전형의 불순물을 도핑하거나 또는 제 2 도전형의 에피택셜층으로 형성할 수 있다. 소오스 영역(112)은 웰 영역(110) 내에 제 1 도전형의 불순물을 도핑하거나 또는 제 1 도전형의 에피택셜층을 부가적으로 형성하여 형성할 수 있다.The drift region 107 may be provided as an epitaxial layer of a first conductivity type, and the well region 110 may be doped with an impurity of a second conductivity type to the epitaxial layer or a second conductivity type epitaxial layer. Can be formed. The source region 112 may be formed by doping an impurity of the first conductivity type in the well region 110 or by additionally forming an epitaxial layer of the first conductivity type.

나아가, 전력 반도체 소자(100)가 IGBT인 경우, 컬렉터 영역(미도시)이 드리프트 영역(107) 아래에 제공되고, 컬렉터 전극(미도시)이 컬렉터 영역에 연결되도록 컬렉터 영역 아래에 제공될 수 있다. 예를 들어, 컬렉터 영역(128)은 드리프트 영역(107) 아래에 제 2 도전형을 갖는 에피택셜층으로 제공될 수 있다.Further, when the power semiconductor device 100 is an IGBT, a collector region (not shown) may be provided under the drift region 107, and a collector electrode (not shown) may be provided under the collector region to be connected to the collector region. . For example, the collector region 128 may be provided as an epitaxial layer having a second conductivity type under the drift region 107.

적어도 하나의 트렌치(116)는 반도체층(105)의 표면으로부터 반도체층(105) 내부로 소정 깊이만큼 리세스되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 4에는 한 쌍의 트렌치들(116)이 예시적으로 도시된 것이고, 트렌치들(116)의 수는 전력 반도체 소자(100)의 성능에 따라 적절하게 선택될 수 있고 이 실시예의 범위를 제한하지 않는다. At least one trench 116 may be formed by being recessed from the surface of the semiconductor layer 105 to the inside of the semiconductor layer 105 by a predetermined depth. For example, in FIG. 4, a pair of trenches 116 is illustrated as an example, and the number of trenches 116 may be appropriately selected according to the performance of the power semiconductor device 100, and Do not limit the scope.

트렌치들(116)은 스트라이프 타입(stripe type)으로 형성되거나 또는 폐루프(closed loop type) 타입으로 형성될 수 있다. 나아가, 트렌치들(116)은 전계가 집중되는 것을 억제하기 위하여 그 모서리, 예컨대 하단 모서리가 라운딩 처리될 수 있다.The trenches 116 may be formed in a stripe type or a closed loop type. Further, the trenches 116 may be rounded at their corners, for example, the lower corners to suppress the concentration of the electric field.

예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 적어도 한 쌍의 트렌치들(116)이 스트라이프 타입으로 신장되고, 웰 영역(110)은 한 쌍의 트렌치들(116) 사이의 반도체층(105)에 형성되고, 플로팅 영역(125)은 트렌치들(116)을 사이에 두고 웰 영역(110)의 반대편의 반도체층(105)에 형성될 수 있다. 나아가, 트렌치들(116)이 복수인 경우, 웰 영역(110)과 플로팅 영역(125)은 번갈아 가며 형성될 수 있다. For example, as shown in FIG. 4, at least one pair of trenches 116 is extended in a stripe type, and the well region 110 is formed in the semiconductor layer 105 between the pair of trenches 116. The floating region 125 may be formed in the semiconductor layer 105 opposite to the well region 110 with the trenches 116 therebetween. Furthermore, when there are a plurality of trenches 116, the well region 110 and the floating region 125 may be formed alternately.

게이트 절연층(118)은 적어도 하나의 트렌치(116)의 표면 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 게이트 절연층(118)은 트렌치(116)의 측벽 상에 형성되되 플로팅 영역(125)에 인접한 부분의 두께가 웰 영역(110)에 인접한 두께보다 두꺼운 측벽부(118b)를 포함할 수 있다. The gate insulating layer 118 may be formed on the surface of at least one trench 116. For example, the gate insulating layer 118 is formed on the sidewall of the trench 116 and the thickness of the portion adjacent to the floating area 125 may include a sidewall portion 118b that is thicker than the thickness adjacent to the well area 110. I can.

이러한 측벽부(118b)의 구조는 게이트-컬렉터 커패시턴스(Cgc)를 감소시켜 네거티브 게이트 차징(NGC) 현상을 억제시킬 수 있다. 특히, 웰 영역(110) 방향의 게이트 절연층(118)은 동작 전압과 관련되므로 자유롭게 두께 설정이 어렵지만, 채널 형성과 관련이 낮은 플로팅 영역(125) 방향의 게이트 절연층(118)을 두껍게 함으로써, 플로팅 영역(125)을 통한 변위 전류를 억제할 수 있다.The structure of the sidewall portion 118b may reduce the gate-collector capacitance Cgc to suppress a negative gate charging (NGC) phenomenon. In particular, since the gate insulating layer 118 in the direction of the well region 110 is related to the operating voltage, it is difficult to freely set the thickness, but by thickening the gate insulating layer 118 in the direction of the floating region 125, which is less related to channel formation, Displacement current through the floating region 125 can be suppressed.

나아가, 게이트 절연층(118)은 트렌치(116)의 하부를 매립하는 하부 매립부(118a)를 더 포함하고, 측벽부(118b)는 하부 매립부(118a) 상에 형성될 수 있다. 하부 매립부(118a)의 두께는 측벽부(118b)의 두께보다 더 두꺼울 수 있다. Furthermore, the gate insulating layer 118 may further include a lower buried portion 118a filling the lower portion of the trench 116, and the sidewall portion 118b may be formed on the lower buried portion 118a. The thickness of the lower buried portion 118a may be thicker than the thickness of the sidewall portion 118b.

측벽부(118b)와 마찬가지로 하부 매립부(118a)도 게이트-컬렉터 커패시턴스(Cgc)를 감소시켜 네거티브 게이트 차징(NGC) 현상을 억제시킬 수 있다. 하부 매립부(118a)는 채널 형성과 거의 관련이 없고 그 두께에 있어서 측벽부(118b)보다 더 자유도가 크므로 충분하게 두껍게 할 수 있다.Like the sidewall portion 118b, the lower buried portion 118a may reduce the gate-collector capacitance Cgc to suppress a negative gate charging (NGC) phenomenon. The lower buried portion 118a has almost no relation to the formation of the channel and has a greater degree of freedom than the sidewall portion 118b in terms of its thickness, and thus can be sufficiently thickened.

게이트 전극(120)은 반도체층(105)에 형성된 적어도 하나의 트렌치(116)를 매립하도록 반도체층(105) 내로 리세스되어 게이트 절연층(118) 상에 형성될 수 있다. 게이트 전극(120)의 수는 트렌치(116)와 마찬가지로 전력 반도체 소자(100)의 동작 사양에 따라서 적절하게 선택될 수 있고 이 실시예의 범위를 제한하지 않는다.The gate electrode 120 may be recessed into the semiconductor layer 105 to fill at least one trench 116 formed in the semiconductor layer 105 and formed on the gate insulating layer 118. Like the trench 116, the number of gate electrodes 120 may be appropriately selected according to the operating specifications of the power semiconductor device 100, and the scope of this embodiment is not limited.

에미터 전극(145)은 에미터 영역(112) 상에 형성될 수 있다. 반도체층(105) 및 에미터 전극(145) 사이에는 절연층(130)이 개재될 수 있다.The emitter electrode 145 may be formed on the emitter region 112. An insulating layer 130 may be interposed between the semiconductor layer 105 and the emitter electrode 145.

전술한 설명들은 전력 반도체 소자가 IGBT인 경우를 상정하여 설명하였지만, 전력 모스펫에도 그대로 적용될 수 있다. 예를 들어, 전력 모스펫에서는 컬렉터 영역)이 없고 컬렉터 전극 대신에 드레인 전극이 배치될 수 있다.Although the above description has been described on the assumption that the power semiconductor device is an IGBT, it can be applied to a power MOSFET as it is. For example, in the power MOSFET, there is no collector region, and a drain electrode may be disposed instead of the collector electrode.

도 5 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자의 제조방법을 보여주는 단면도들이다.5 to 9 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 반도체층(105)의 표면으로부터 반도체층(105) 내부로 소정 깊이만큼 리세스 되게 적어도 하나의 트렌치(116)를 형성하여, 트렌치(116)의 일측의 반도체층(105)에 웰 영역(110)을 한정하고, 트렌치(116)의 타측의 반도체층(116)에 플로팅 영역(125)을 한정할 수 있다. Referring to FIG. 5, at least one trench 116 is formed to be recessed by a predetermined depth from the surface of the semiconductor layer 105 into the semiconductor layer 105, and the semiconductor layer 105 on one side of the trench 116 The well region 110 may be defined, and the floating region 125 may be defined in the semiconductor layer 116 on the other side of the trench 116.

예를 들어, 트렌치(116)는 드리프트 영역(107), 웰 영역(110) 및 플로팅 영역(125)이 형성된 반도체층(105)에 포토리소그래피 기술을 이용하여 포토레지스트 패턴을 형성하고, 이 포토레지스트 패턴을 식각 보호막으로 하여 반도체층(105)을 식각하여 형성될 수 있다.For example, in the trench 116, a photoresist pattern is formed on the semiconductor layer 105 in which the drift region 107, the well region 110, and the floating region 125 are formed using a photolithography technique. It may be formed by etching the semiconductor layer 105 using the pattern as an etch passivation layer.

도 6 내지 도 7을 참조하면, 트렌치(116)의 측벽 상에 형성되되, 플로팅 영역(125)에 인접한 부분의 두께가 웰 영역(110)에 인접한 부분의 두께보다 더 두꺼운 측벽부(118b)를 포함하는 게이트 절연층(118)을 형성할 수 있다. 6 to 7, a sidewall portion 118b formed on the sidewall of the trench 116 and having a thickness of a portion adjacent to the floating area 125 is greater than that of a portion adjacent to the well area 110. The included gate insulating layer 118 may be formed.

나아가, 게이트 절연층(118)을 형성하는 단계는 트렌치(116)의 하부를 매립하는 하부 매립부(118a)를 형성하는 단계를 더 포함하고, 측벽부(118b)는 하부 매립부(118a) 상에 형성할 수 있다.Furthermore, the step of forming the gate insulating layer 118 further includes forming a lower buried portion 118a filling the lower portion of the trench 116, and the sidewall portion 118b is formed on the lower buried portion 118a. Can be formed on.

예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 트렌치(116)를 채우는 게이트 절연층(118)을 형성할 수 있다. For example, as shown in FIG. 6, a gate insulating layer 118 filling the trench 116 may be formed.

이어서, 도 7에 도시된 바와 같이, 게이트 절연층(118) 내에 비대칭적인 부가 트렌치(116a)를 형성하여, 하부 매립부(118a) 및 측벽부(118b)를 형성할 수 있다. 부가 트렌치(116a)는 플로팅 영역(125)보다 웰 영역(110)에 보다 인접하게 형성될 수 있고, 하부 매립부(118a)를 한정하도록 트렌치(116)의 바닥면으로부터 일정 두께 이상 위에 형성될 수 있다.Subsequently, as shown in FIG. 7, an asymmetric additional trench 116a is formed in the gate insulating layer 118 to form a lower buried portion 118a and a sidewall portion 118b. The additional trench 116a may be formed closer to the well region 110 than the floating region 125, and may be formed above a predetermined thickness from the bottom surface of the trench 116 to define the lower buried portion 118a. have.

도 8을 참조하면, 트렌치(116)를 매립하도록 게이트 절연층(118) 상에 게이트 전극층(120)을 형성할 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 게이트 전극층(120)은 부가 트렌치(116a)를 매립하도록 게이트 절연층(118) 상에 형성될 수 있다.Referring to FIG. 8, a gate electrode layer 120 may be formed on the gate insulating layer 118 to fill the trench 116. More specifically, the gate electrode layer 120 may be formed on the gate insulating layer 118 to fill the additional trench 116a.

예를 들어, 게이트 전극층(120)은 부가 트렌치(116a)를 매립하는 도전층을 형성한 후 패터닝 또는 평탄화하여 형성할 수 있다. 게이트 전극층(120)은 금속 또는 도핑된 폴리실리콘을 포함할 수 있다.For example, the gate electrode layer 120 may be formed by patterning or planarizing after forming a conductive layer filling the additional trench 116a. The gate electrode layer 120 may include metal or doped polysilicon.

도 9를 참조하면, 에미터 영역(112)을 형성하고, 절연층(130)을 형성하고, 에미터 전극(145)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 9, an emitter region 112 may be formed, an insulating layer 130 may be formed, and an emitter electrode 145 may be formed.

예를 들어, 에미터 영역(112)은 게이트 전극층(120)에 접한 웰 영역(110)의 일부에 제 1 도전형의 불순물을 주입하여 형성할 수 있다.For example, the emitter region 112 may be formed by implanting impurities of the first conductivity type into a part of the well region 110 in contact with the gate electrode layer 120.

예를 들어, 에미터 전극(145)은 도전층을 형성한 후 패터닝하여 형성할 수 있다.For example, the emitter electrode 145 may be formed by patterning after forming a conductive layer.

전술한 제조 방법에 따르면, 게이트 절연층(118)의 하부 매립부(118a)의 두께를 두껍게 하고, 플로팅 영역(125) 방향의 측벽부(118b)를 웰 영역(110) 방향의 측벽부(118b)보다 두껍게 함으로써, 게이트-컬렉터 커패시턴스(Cgc)를 줄여서 네거티브 게이트 차징(NGC) 형상을 억제할 수 있다.According to the above-described manufacturing method, the thickness of the lower buried portion 118a of the gate insulating layer 118 is increased, and the sidewall portion 118b in the direction of the floating region 125 is formed at the sidewall portion 118b in the direction of the well region 110. By making it thicker than ), the shape of the negative gate charging (NGC) can be suppressed by reducing the gate-collector capacitance (Cgc).

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.The present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but these are merely exemplary, and those of ordinary skill in the art will appreciate that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

100: 전력 반도체 소자
105: 반도체층
107: 드리프트 영역
110: 웰 영역
112: 에미터 영역
118: 게이트 절연층
120: 게이트 전극층
125: 플로팅 영역
100: power semiconductor device
105: semiconductor layer
107: drift area
110: well area
112: emitter area
118: gate insulating layer
120: gate electrode layer
125: floating area

Claims (7)

반도체층;
상기 반도체층의 표면으로부터 상기 반도체층 내부로 소정 깊이만큼 리세스 되어 형성된 적어도 하나의 트렌치;
상기 적어도 하나의 트렌치의 일측의 상기 반도체층에 한정된 웰 영역;
상기 적어도 하나의 트렌치의 타측의 상기 반도체층에 한정된 플로팅 영역;
상기 적어도 하나의 트렌치의 측벽 상에 형성되되 상기 플로팅 영역에 인접한 부분의 두께가 상기 웰 영역에 인접한 부분의 두께보다 더 두꺼운 측벽부를 포함하는 게이트 절연층; 및
상기 적어도 하나의 트렌치를 매립하도록 상기 게이트 절연층 상에 형성된 게이트 전극층;
을 포함하는,
전력 반도체 소자.
A semiconductor layer;
At least one trench formed by being recessed from the surface of the semiconductor layer by a predetermined depth into the semiconductor layer;
A well region defined in the semiconductor layer at one side of the at least one trench;
A floating region defined in the semiconductor layer on the other side of the at least one trench;
A gate insulating layer formed on sidewalls of the at least one trench and including sidewall portions having a thickness of a portion adjacent to the floating area greater than a thickness of a portion adjacent to the well area; And
A gate electrode layer formed on the gate insulating layer to fill the at least one trench;
Containing,
Power semiconductor device.
제 1 항에 있어서,
상기 게이트 절연층은 상기 적어도 하나의 트렌치의 하부를 매립하는 하부 매립부를 더 포함하고,
상기 측벽부는 상기 하부 매립부 상에 형성된,
전력 반도체 소자.
The method of claim 1,
The gate insulating layer further includes a lower buried portion filling a lower portion of the at least one trench,
The sidewall portion is formed on the lower buried portion,
Power semiconductor device.
제 2 항에 있어서,
상기 하부 매립부의 두께는 상기 측벽부의 두께보다 두꺼운,
전력 반도체 소자.
The method of claim 2,
The thickness of the lower buried portion is thicker than the thickness of the sidewall portion,
Power semiconductor device.
제 1 항에 있어서,
상기 반도체층은 제 1 도전형의 불순물로 도핑되고,
상기 웰 영역 및 상기 플로팅 영역은 상기 제 1 도전형의 반대인 제 2 도전형의 불순물로 도핑된,
전력 반도체 소자.
The method of claim 1,
The semiconductor layer is doped with impurities of a first conductivity type,
The well region and the floating region are doped with impurities of a second conductivity type opposite to the first conductivity type,
Power semiconductor device.
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 트렌치는 스트라이프 타입으로 신장된 적어도 한 쌍의 트렌치들을 포함하고,
상기 웰 영역은 상기 한 쌍의 트렌치들 사이의 상기 반도체층에 형성된,
전력 반도체 소자.
The method of claim 1,
The at least one trench includes at least a pair of trenches elongated in a stripe type,
The well region is formed in the semiconductor layer between the pair of trenches,
Power semiconductor device.
반도체층의 표면으로부터 상기 반도체층 내부로 소정 깊이만큼 리세스 되게 적어도 하나의 트렌치를 형성하여, 상기 적어도 하나의 트렌치의 일측의 상기 반도체층에 웰 영역을 한정하고, 상기 적어도 하나의 트렌치의 타측의 상기 반도체층에 플로팅 영역을 한정하는 단계;
상기 적어도 하나의 트렌치의 측벽 상에 형성되되 상기 플로팅 영역에 인접한 부분의 두께가 상기 웰 영역에 인접한 부분의 두께보다 더 두꺼운 측벽부를 포함하는 게이트 절연층을 형성하는 단계; 및
상기 적어도 하나의 트렌치를 매립하도록 상기 게이트 절연층 상에 게이트 전극층을 형성하는 단계;
를 포함하는,
전력 반도체 소자의 제조방법.
At least one trench is formed to be recessed by a predetermined depth from the surface of the semiconductor layer into the semiconductor layer, thereby defining a well region in the semiconductor layer at one side of the at least one trench, and at the other side of the at least one trench. Defining a floating region in the semiconductor layer;
Forming a gate insulating layer formed on sidewalls of the at least one trench and including sidewall portions having a thickness of a portion adjacent to the floating region greater than a thickness of a portion adjacent to the well region; And
Forming a gate electrode layer on the gate insulating layer to fill the at least one trench;
Containing,
A method of manufacturing a power semiconductor device.
제 6 항에 있어서,
상기 게이트 절연층을 형성하는 단계는,
상기 적어도 하나의 트렌치의 하부를 매립하는 하부 매립부를 형성하는 단계; 및
상기 하부 매립부 상에 상기 측벽부를 형성하는 단계를 포함하는,
전력 반도체 소자의 제조방법.
The method of claim 6,
Forming the gate insulating layer,
Forming a lower buried portion filling a lower portion of the at least one trench; And
Including the step of forming the sidewall portion on the lower buried portion,
A method of manufacturing a power semiconductor device.
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