DE102016200825A1 - Apparatus and method for producing a lateral HEMT - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung (100, 200, 300, 400) umfassend einen lateralen HEMT, wobei der laterale HEMT mindestens eine Pufferschicht (101, 201, 301, 401) umfasst auf der eine weitere Halbleiterschicht (102, 202, 302, 402) angeordnet ist, wobei auf der weiteren Halbleiterschicht (102, 202, 302, 402) eine erste Elektrode (103, 203, 303, 403), eine Gate-Elektrode (104, 204, 304, 404) und eine zweite Elektrode (105, 205, 305, 405) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Feldplatte (109, 209, 309, 409) unterhalb der Pufferschicht (101, 201, 301, 401) angeordnet ist, wobei die erste Feldplatte (109, 209, 309, 409) zumindest teilweise an die Pufferschicht (101, 201, 301, 401) angrenzt.Device (100, 200, 300, 400) comprising a lateral HEMT, wherein the lateral HEMT comprises at least one buffer layer (101, 201, 301, 401) on which a further semiconductor layer (102, 202, 302, 402) is arranged on the further semiconductor layer (102, 202, 302, 402) a first electrode (103, 203, 303, 403), a gate electrode (104, 204, 304, 404) and a second electrode (105, 205, 305, 405) are arranged, characterized in that a first field plate (109, 209, 309, 409) below the buffer layer (101, 201, 301, 401) is arranged, wherein the first field plate (109, 209, 309, 409) at least partially adjacent to the buffer layer (101, 201, 301, 401).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines lateralen HEMTs.The invention relates to an apparatus and a method for producing a lateral HEMT.
Laterale High-electron-mobility Transistoren HEMT werden durch Abscheiden von beispielsweise AlGaN/GaN oder InGaN/GaN oder AlN/GaN-Heterostrukturen auf Substraten wie Saphir, SiC oder Si abgeschieden. Dabei führt das Abscheiden von GaN auf Si aufgrund der großen Gitterfehlanpassung zwischen Si und GaN zu einer hohen Belastung in der aufgewachsenen GaN-Schicht. Des Weiteren wird Silizium bei den für das Wachsen von GaN typischen Temperaturen, üblicherweise im Bereich von 1000 bis 1200°C, mechanisch instabil. Um diese Belastungen zu verringern wird zur Herstellung solcher HEMT-Transistoren dotiertes Si mit einer kubisch-flächenzentrierten Gitterstruktur, die eine {111}-Ebene aufweist, für das Abscheiden von GaN verwendet. Nachteilig ist hierbei, dass hohe Substratleckströme auftreten. Des Weiteren ist es nachteilig, dass die Durchbruchspannung solcher HEMT-Transistoren die thermische Kopplung des Bauelements begrenzt, wodurch die Entwärmung begrenzt wird. Zur Verbesserung der Entwärmung des Transistors beschreibt die Schrift
Es ist bekannt die Durchbruchspannung durch lokales Entfernen des Substrates unterhalb des aktiven Transistorbereichs zu erhöhen und die Substratleckströme zu eliminieren. Nachteilig ist hierbei die schlechtere thermische Ankopplung der Rückseite des Halbleiters an beispielsweise eine Platine oder ein Board, da das teilweise entfernte Substrat zwischen der wärmeleitenden Ankopplung und dem Halbleiter angeordnet ist, wodurch das Bauelement schlechter entwärmt wird. It is known to increase the breakdown voltage by locally removing the substrate below the active transistor region and to eliminate the substrate leakage currents. The disadvantage here is the inferior thermal coupling of the back of the semiconductor to, for example, a board or a board, since the partially removed substrate between the heat-conducting coupling and the semiconductor is arranged, whereby the device is less well-behaved.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Durchbrucheigenschaften und die Entwärmung des Transistors zu verbessern.The object of the invention is to improve the breakdown characteristics and the heat dissipation of the transistor.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Vorrichtung umfasst einen lateralen HEMT, der mindestens eine Pufferschicht umfasst auf der eine weitere Halbleiterschicht angeordnet ist. Auf der Halbleiterschicht sind eine erste Elektrode, eine Gate-Elektrode und eine zweite Elektrode angeordnet. Erfindungsgemäß ist unterhalb der Pufferschicht eine erste Feldplatte angeordnet, wobei die erste Feldplatte zumindest teilweise unmittelbar an die Pufferschicht angrenzt.The device comprises a lateral HEMT which comprises at least one buffer layer on which a further semiconductor layer is arranged. On the semiconductor layer, a first electrode, a gate electrode and a second electrode are arranged. According to the invention, a first field plate is arranged below the buffer layer, the first field plate at least partially directly adjoining the buffer layer.
Der Vorteil ist hierbei, dass sich die Sperr- und Schalteigenschaften des Transistors verbessern, wodurch die Durchbruchspannung des Transistors erhöht wird. The advantage here is that the blocking and switching properties of the transistor improve, whereby the breakdown voltage of the transistor is increased.
In einer Weiterbildung weist die erste Feldplatte mindestens eine Stufe auf, wobei die Stufe im Wesentlichen senkrecht zur Pufferschicht angeordnet ist. In one development, the first field plate has at least one stage, wherein the stage is arranged substantially perpendicular to the buffer layer.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die erste Feldplatte von der zweiten Elektrode, der sogenannten Drain-Elektrode isoliert, so dass eine hohe Sperrspannung erreicht werden kann. It is advantageous here that the first field plate is isolated from the second electrode, the so-called drain electrode, so that a high blocking voltage can be achieved.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Stufe unterhalb der Gate-Elektrode angeordnet. In a further embodiment, the stage is arranged below the gate electrode.
In einer Weiterbildung ist die Stufe unterhalb eines Fußpunktes der Gate-Elektrode angeordnet, wobei der Fußpunkt an einer Seite der Gate-Elektrode angeordnet ist, die der zweiten Elektrode zugewandt ist. In a development, the stage is arranged below a base point of the gate electrode, wherein the foot point is arranged on one side of the gate electrode, which faces the second electrode.
Der Vorteil ist hierbei, dass ein Verhältnis zwischen der Kontaktlänge der ersten Feldplatte zur Pufferschicht und der Länge der Isolation einstellbar ist, sodass ein Optimum zwischen einer hohen Wärmeableitung und eine hohe Sperrfähigkeit erreicht wird.The advantage here is that a ratio between the contact length of the first field plate to the buffer layer and the length of the insulation is adjustable, so that an optimum between a high heat dissipation and a high blocking capability is achieved.
In einer Weiterbildung repräsentiert die erste Elektrode eine Source-Elektrode und die zweite Elektrode eine Drain-Elektrode. In a further development, the first electrode represents a source electrode and the second electrode a drain electrode.
In einer weiteren Ausgestaltung ist unterhalb der Pufferschicht eine erste Isolationsschicht angeordnet, wobei die erste Isolationsschicht zumindest teilweise unmittelbar an Pufferschicht angrenzt. In a further embodiment, a first insulation layer is arranged below the buffer layer, wherein the first insulation layer is at least partially directly adjacent to the buffer layer.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Entwärmung des HEMTs verbessert wird.The advantage here is that the cooling of the HEMT is improved.
In einer Weiterbildung weist die erste Isolationsschicht eine laterale Länge auf, die sich mindestens von der Gate-Elektrode, insbesondere vom Fußpunkt der Gate-Elektrode, bis zur zweiten Elektrode erstreckt. In a development, the first insulation layer has a lateral length which extends at least from the gate electrode, in particular from the base point of the gate electrode, to the second electrode.
Der Vorteil ist hierbei, dass der dynamische On-Widerstand gering ist, da sich die erste Feldplatte in räumlicher Nähe zur zweiten Elektrode befindet, was die elektrischen Felder dazwischen beeinflusst. Unter dem Begriff On-Widerstand wird hierbei der Widerstand zwischen Source und Drain verstanden, der im Fall des dynamischen An- und Ausschaltens des HEMTs erzeugt wird. The advantage here is that the dynamic on-resistance is low, since the first field plate is in spatial proximity to the second electrode, which affects the electric fields therebetween. The term on-resistance is understood to mean the resistance between source and drain, which is generated in the case of the dynamic switching on and off of the HEMT.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die erste Isolationsschicht dazu eingerichtet, die erste Feldplatte zu strukturieren. Dabei ist die erste Feldplatte teilweise unterhalb der ersten Isolationsschicht angeordnet und grenzt teilweise unmittelbar an die erste Isolationsschicht an. In a further embodiment, the first insulation layer is configured to pattern the first field plate. Here is the first field plate partially disposed below the first insulating layer and partially adjacent directly to the first insulating layer.
Der Vorteil ist hierbei, dass sich Feldspitzen, die sich innerhalb des Bauelements bilden in die Isolationsschicht verlagern, sodass die Feldspitzen innerhalb der Isolationsschicht abgebaut werden können und sich somit die Leistungsfähigkeit bzw. die Zuverlässigkeit des Bauelements nicht verschlechtert. Dadurch wird im Extremfall die Zerstörung des Bauelements verhindert. The advantage here is that field peaks that form within the device shift into the insulation layer, so that the field peaks can be degraded within the insulation layer and thus the performance or reliability of the device does not deteriorate. As a result, the destruction of the component is prevented in extreme cases.
In einer weiteren Ausgestaltung ist ein strukturiertes dotiertes Halbleitersubstrat zumindest teilweise unterhalb der Pufferschicht angeordnet. Das strukturierte dotierte Halbleitersubstrat grenzt dabei unmittelbar an die Pufferschicht an. In a further embodiment, a structured doped semiconductor substrate is arranged at least partially below the buffer layer. The structured doped semiconductor substrate adjoins directly to the buffer layer.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Leckströme innerhalb des HEMTs reduziert werden. The advantage here is that the leakage currents are reduced within the HEMT.
In einer Weiterbildung ist eine erste Via zwischen der ersten Elektrode und der ersten Feldplatte angeordnet. Unter dem Begriff Via wird eine vertikale elektrische Verbindung verstanden. Die erste Via verbindet dabei die erste Elektrode und die erste Feldplatte elektrisch. In a development, a first via is arranged between the first electrode and the first field plate. The term via is understood to mean a vertical electrical connection. The first via thereby electrically connects the first electrode and the first field plate.
Der Vorteil ist hierbei, dass die erste Elektrode und die erste Feldplatte das gleiche Potential aufweisen. Dadurch können geladene Fehlstellen, die durch elektrische Belastung bei hohen Sperrspannungen erzeugt werden, bei Schaltvorgängen schneller entladen werden. Somit ist ein effizientes Schalten des HEMTs möglich, da der Schaltvorgang schnell vonstattengeht. Des Weiteren wird die elektrische Feldverteilung, insbesondere auf der Feldplatte, gezielt variiert, sodass die dynamische Leistungsfähigkeit des Bauelements verbessert wird.The advantage here is that the first electrode and the first field plate have the same potential. As a result, charged defects that are generated by electrical load at high reverse voltages can be discharged faster during switching operations. Thus, an efficient switching of the HEMT is possible because the switching operation is fast. Furthermore, the electric field distribution, in particular on the field plate, is purposefully varied, so that the dynamic performance of the component is improved.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Gate-Elektrode eine zweite Feldplatte, wobei die zweite Feldplatte unmittelbar auf der Gate-Elektrode angeordnet ist und sich lateral mindestens in Richtung der ersten Elektrode erstreckt.In a further embodiment, the gate electrode comprises a second field plate, wherein the second field plate is arranged directly on the gate electrode and extends laterally at least in the direction of the first electrode.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Feldverteilung im aktiven Transistorbereich reguliert werden kann. Durch die Strukturierung der ersten Isolationsschicht kann der Abstand der Feldplatte zur Drainseite und der Abstand zum Pufferschicht variable eingestellt werden, sodass die elektrische Feldverteilung im Bauelement gezielt gesteuert werden. Dabei verschiebt sich die maximale elektrische Feldstärke an die Feldplattenkante innerhalb der Isolationsschicht.It is advantageous here that the field distribution in the active transistor region can be regulated. By structuring the first insulation layer, the distance of the field plate to the drain side and the distance to the buffer layer can be set variable, so that the electric field distribution in the device are selectively controlled. The maximum electric field strength shifts to the field plate edge within the insulation layer.
In einer Weiterbildung ist eine Rückseitenelektrode unterhalb der Pufferschicht in einem vertikalen Abstand zur Pufferschicht innerhalb der Isolationsschicht angeordnet. Eine zweite Via verbindet dabei die Rückseitenelektrode mit der zweiten Feldplatte elektrisch, so dass sich eine Rückseitenkavität bildet.In a development, a rear-side electrode is arranged below the buffer layer at a vertical distance from the buffer layer within the insulating layer. A second via thereby electrically connects the backside electrode to the second field plate, forming a backside cavity.
Der Vorteil ist hierbei, dass die Gatespannung bzw. die Gate-Source-Spannung bei der der Transistor vom sperrenden in den leitenden Zustand bzw. umgekehrt wechselt, die sogenannte Einsatzspannung, eingestellt werden kann. Dadurch lassen sich zum Beispiel sowohl selbstleitende, sogenannte normally-on-Bauelemente, als auch selbstsperrende, sogenannte normally-off-Bauelemente betreiben. The advantage here is that the gate voltage or the gate-source voltage at which the transistor changes from the blocking to the conducting state or vice versa, the so-called threshold voltage, can be set. As a result, it is possible, for example, to operate both normally-conducting, so-called normally-on components as well as normally-off, so-called normally-off components.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines lateralen HEMTs, der mindestens eine Pufferschicht aufweist auf der eine weitere Halbleiterschicht angeordnet ist, wobei auf der weiteren Halbleiterschicht eine erste Elektrode, eine Gate-Elektrode und eine zweite Elektrode angeordnet sind und die Pufferschicht auf einer Vorderseite eines dotierten Halbleitersubstrats angeordnet ist, wobei das dotierte Halbleitersubstrat eine Rückseite aufweist, die der Vorderseite gegenüber liegt, umfasst mindestens ein teilweises Entfernen des dotierten Halbleitersubstrats durch Prozessierung bzw. Ätzen der Rückseite des dotierten Halbleitersubstrats. Des Weiteren umfasst das Verfahren ein strukturiertes Aufbringen einer ersten Isolationsschicht unterhalb der Pufferschicht, so dass die erste Isolationsschicht eine laterale Länge aufweist, die sich mindestens zwischen einem Fußpunkt der Gate-Elektrode und der zweiten Elektrode erstreckt. Das Verfahren umfasst des Weiteren das Erzeugen einer ersten Metallschicht unterhalb der Pufferschicht und der ersten Isolationsschicht, so dass eine erste Feldplatte gebildet wird.The inventive method for producing a lateral HEMT, which has at least one buffer layer on which a further semiconductor layer is arranged, wherein on the further semiconductor layer, a first electrode, a gate electrode and a second electrode are arranged and the buffer layer on a front side of a doped semiconductor substrate wherein the doped semiconductor substrate has a back side facing the front side comprises at least a partial removal of the doped semiconductor substrate by processing or etching the rear side of the doped semiconductor substrate. Furthermore, the method comprises a structured application of a first insulation layer below the buffer layer, such that the first insulation layer has a lateral length which extends at least between a base point of the gate electrode and the second electrode. The method further comprises forming a first metal layer below the buffer layer and the first insulating layer to form a first field plate.
Der Vorteil ist hierbei, dass der Transistor eine hohe Durchbruchspannung aufweist. The advantage here is that the transistor has a high breakdown voltage.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen. Further advantages will become apparent from the following description of exemplary embodiments or from the dependent claims.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The present invention will be explained below with reference to preferred embodiments and accompanying drawings. Show it:
In einem Ausführungsbeispiel weisen die erste Feldplatte
Optional ist die Stufe
In einem Ausführungsbeispiel ist die erste Elektrode
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die erste Isolationsschicht eine laterale Länge auf, die sich mindestens vom Fußpunkt
Da das dotierte Halbleitersubstrat
In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Pufferschicht
Die erste Isolationsschicht
Die erste Feldplatte
In einem weiteren Ausführungsbeispiel reicht die Isolationsschicht nicht ganz bis zur Gateelektrode.In a further embodiment, the insulating layer does not reach all the way to the gate electrode.
In einem folgenden Schritt
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der laterale HEMT in einem optionalen Schritt
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird zwischen dem Schritt
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird nach dem optionalen Schritt
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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