DE102016203906A1 - Semiconductor component, in particular power transistor - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Halbleiterbauelement (1), insbesondere ein Leistungstransistor beschrieben, mit einem Substrat, einem aktiven Halbleiterbereich, der zumindest einen Sourcebereich (8) und zumindest einen Drainbereich (10) aufweist, und mit einem einen ersten Teil des Substrats überdeckenden Sourcepad (2) und mit einem einen zweiten Teil des Substrats überdeckenden Drainpad (4), wobei zwischen dem Sourcepad (2) beziehungsweise dem Drainpad (4) und dem zumindest einen Sourcebereich (8) beziehungsweise dem zumindest einen Drainbereich (10) eine sich im Wesentlichen horizontal erstreckende strukturierte Metallisierungsebene (30) angeordnet ist, wobei das Sourcepad (2) und das Drainpad (4) mittels sich im Wesentlichen vertikal erstreckenden Metallisierungen (51, 52) mit der Metallisierungsebene (30) verbunden ist, und wobei die Metallisierungsebene (30) mittels sich im Wesentlichen vertikal erstreckenden Metallisierungen (53, 54) mit dem Sourcebereich (8) und mit dem Drainbereich (10) verbunden ist. Die Metallisierungsebene (30) kann zumindest 50%, zumindest 70% oder zumindest 90% der Fläche des aktiven Halbleiterbereichs überdecken, um einen geringen Gesamtwiderstand zu ermöglichen.A semiconductor component (1), in particular a power transistor, is described, having a substrate, an active semiconductor region which has at least one source region (8) and at least one drain region (10), and a source pad (2) covering a first part of the substrate. and a drain pad (4) covering a second part of the substrate, wherein a substantially horizontally extending pattern is arranged between the source pad (2) or the drain pad (4) and the at least one source region (8) or the at least one drain region (10) Metallization level (30) is arranged, wherein the source pad (2) and the drain pad (4) by means of substantially vertically extending metallizations (51, 52) is connected to the metallization (30), and wherein the metallization (30) by means in Substantially vertically extending metallizations (53, 54) to the source region (8) and to the drain region (10) n is. The metallization level (30) can cover at least 50%, at least 70%, or at least 90% of the area of the active semiconductor region in order to allow a low total resistance.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, bevorzugt einen Leistungstransistor, insbesondere einen Galliumnitrid-Leistungstransistor.The present invention relates to a semiconductor device, preferably a power transistor, in particular a gallium nitride power transistor.
Stand der TechnikState of the art
Ein wichtiger Parameter zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit von Halbleiterbauelementen ist der Gesamtwiderstand im eingeschalteten Zustand. Für Transistoren beziehungsweise MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) wird dieser Widerstand für gewöhnlich mit RDSon bezeichnet. Ein Teil dieses Widerstands wird durch die Metallisierung von Source und Drain gebildet. Es ist dabei wünschenswert, einen möglichst niedrigen Widerstand zu erreichen.An important parameter for evaluating the performance of semiconductor devices is the total on-state resistance. For transistors or MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors), this resistance is usually referred to as R DSon . Part of this resistance is formed by the metallization of the source and drain. It is desirable to achieve the lowest possible resistance.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, ein Halbleiterbauelement, insbesondere einen Leistungstransistor, mehrschichtig aufzubauen. Es ist dabei üblich, den aktiven Halbleiterbereich in einem Substrat auszubilden und vertikal darüber sich horizontal erstreckende Pads für Source und Drain anzuordnen. Oftmals liegen in einem Halbleiterbauelement eine Vielzahl von Source- und Drainbereichen vor, die die Form dünner Streifen aufweisen. Die Pads für Source und Drain überdecken dann regelmäßig eine Vielzahl sowohl von Source- als auch von Drainbereichen. Um einen Stromfluss beispielsweise von einem Drainbereich zum Drainpad zu ermöglichen, werden zwischen den aktiven Halbleiterbereich und die Pads sich vertikal erstreckende Metallisierungen als Verbindungen eingefügt. Durch diese vertikalen Verbindungen kann der Strom so aus dem Drainbereich beziehungsweise in den Sourcebereich und in das Drainpad beziehungsweise aus dem Sourcepad fließen. Ein Pad ist dabei insbesondere ein flächiger, im Wesentlichen ohmscher Kontakt, mit dem sich das Halbleiterbauelement extern beschalten lässt.It is known from the prior art to construct a semiconductor component, in particular a power transistor, in a multilayered manner. It is customary to form the active semiconductor region in a substrate and to arrange vertically above it horizontally extending pads for source and drain. Often, there are a plurality of source and drain regions in a semiconductor device which are in the form of thin strips. The source and drain pads then regularly cover a plurality of both source and drain regions. In order to allow a current to flow, for example, from a drain region to the drain pad, vertically extending metallizations are inserted as connections between the active semiconductor region and the pads. Through these vertical connections, the current can thus flow from the drain region or into the source region and into the drain pad or from the source pad. A pad is in particular a flat, essentially ohmic contact with which the semiconductor component can be externally connected.
Da das Sourcepad und das Drainpad konstruktionsbedingt jeweils nicht den gesamten aktiven Halbleiterbereich überdecken können, ist es notwendig, dass ein Teil des Stroms lateral durch das Halbleiterbauelement transportiert wird, um zu dem entsprechenden Pad zu gelangen. Ein lateraler Stromtransport findet dann so lange statt, bis eine Position erreicht ist, die von dem entsprechenden Sourcepad oder Drainpad überdeckt wird. Dort findet dann ein Stromfluss durch die vertikalen Verbindungen zwischen dem aktiven Halbleiterbereich und dem entsprechenden Pad statt. Der laterale Stromtransport kann dabei innerhalb des aktiven Halbleiterbereichs oder in den für gewöhnlich mit den jeweiligen Source- beziehungsweise Drainbereichen deckungsgleichen ohmschen Kontakten der Source- und Drainbereiche stattfinden.Since the source pad and the drain pad can not cover the entire active semiconductor region by design, it is necessary that a part of the current is transported laterally through the semiconductor device in order to reach the corresponding pad. Lateral current transport then takes place until a position is reached which is covered by the corresponding source pad or drain pad. There then takes place a current flow through the vertical connections between the active semiconductor region and the corresponding pad. The lateral current transport can take place here within the active semiconductor region or in the ohmic contacts of the source and drain regions which usually coincide with the respective source or drain regions.
Problematisch an dieser Konstruktion sind die sich ergebenden relativ hohen Widerstände für den lateralen Stromtransport, die unvorteilhaft zum Gesamtwiderstand des Halbleiterbauelements beitragen.The problem with this construction is the resulting relatively high lateral current transfer resistances, which disadvantageously contribute to the overall resistance of the semiconductor device.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird ein Halbleiterbauelement, insbesondere ein Leistungstransistor, zur Verfügung gestellt, mit einem Substrat, einem aktiven Halbleiterbereich, der zumindest einen Sourcebereich und zumindest einen Drainbereich aufweist, und mit einem einen ersten Teil des Substrats überdeckenden Sourcepad und mit einem einen zweiten Teil des Substrats überdeckenden Drainpad, wobei zwischen dem Sourcepad beziehungsweise dem Drainpad und dem zumindest einen Sourcebereich beziehungsweise dem zumindest einen Drainbereich eine sich im Wesentlichen horizontal erstreckende strukturierte Metallisierungsebene angeordnet ist, wobei das Sourcepad mittels zumindest einer ersten sich im Wesentlichen vertikal erstreckenden Metallisierung mit zumindest einem ersten Teil der Metallisierungsebene verbunden und das Drainpad mittels zumindest einer zweiten sich im Wesentlichen vertikal erstreckenden Metallisierung mit zumindest einem zweiten Teil der Metallisierungsebene verbunden ist, und wobei der zumindest eine erste Teil der Metallisierungsebene mittels einer dritten sich im Wesentlichen vertikal erstreckenden Metallisierung mit dem zumindest einen Sourcebereich verbunden ist und wobei der zumindest eine zweite Teil der Metallisierungsebene mittels einer vierten sich im Wesentlichen vertikal erstreckenden Metallisierung mit dem zumindest einen Drainbereich verbunden ist. Unter „im Wesentlichen vertikalen“ Verbindungen werden dabei insbesondere Verbindungen verstanden, die einen Winkel von mehr als 45°, bevorzugt von mehr als 75°, zur Horizontalen bilden. Besonders bevorzugt verlaufen die Verbindungen exakt vertikal. Der Begriff „im Wesentlichen horizontal“ ist analog zu verstehen.According to the invention, a semiconductor component, in particular a power transistor, is provided with a substrate, an active semiconductor region having at least one source region and at least one drain region, and with a source pad covering a first part of the substrate and with a second part covering the substrate Drainpad, wherein between the source pad or the drain pad and the at least one source region or the at least one drain region, a substantially horizontally extending structured metallization is arranged, wherein the source pad by means of at least a first substantially vertically extending metallization with at least a first part of the metallization connected and the drain pad is connected by means of at least a second substantially vertically extending metallization with at least a second part of the metallization, and wherein d at least a first part of the metallization plane is connected to the at least one source region by means of a third substantially vertically extending metallization, and wherein the at least one second part of the metallization plane is connected to the at least one drain region by means of a fourth substantially vertically extending metallization. By "substantially vertical" connections are meant in particular compounds which form an angle of more than 45 °, preferably of more than 75 °, to the horizontal. Particularly preferably, the compounds are exactly vertical. The term "essentially horizontal" is to be understood analogously.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement hat den Vorteil, dass ein geringer und homogener Gesamtwiderstand erzielt wird. Gleichzeitig können Halbleiterbauelemente mit einer hohen Stromtragfähigkeit von über 50 A hergestellt werden. Unter einer Metallisierungsebene wird dabei insbesondere nicht lediglich eine geometrische Ebene verstanden, sondern ein räumliches Gebilde, das aus elektrisch leitfähigem Material, beispielsweise aus einem Metall, besteht. Es handelt sich dabei insbesondere um eine im Vergleich zum gesamten Halbleiterbauelement dünne Schicht aus Metall, die zweidimensional strukturiert ist und durch Angabe der Orte oder Bereiche, an denen aus einer Richtung senkrecht zur Ebene betrachtet Material vorhanden ist, charakterisiert werden kann. Insbesondere hat die Metallisierungsebene eine annähernd homogene Dicke, ist also im Wesentlichen ein zweidimensionales Gebilde. The semiconductor device according to the invention has the advantage that a low and homogeneous total resistance is achieved. At the same time, semiconductor devices with a high current carrying capacity of more than 50 A can be produced. In this case, a metallization level is understood to mean, in particular, not merely a geometric plane but a spatial structure which consists of electrically conductive material, for example of a metal. In particular, this is a thin layer of metal, which is structured in two dimensions in comparison to the entire semiconductor component, and by specifying the locations or regions at which they are perpendicular to one direction Considered level material is present, can be characterized. In particular, the metallization has an approximately homogeneous thickness, so is essentially a two-dimensional structure.
Die Metallisierungsebene wird durch zwei dielektrische Zwischenschichten isoliert, sodass nur an den vertikalen Metallisierungen elektrische Verbindungen zwischen den einzelnen Ebenen vorhanden sind. Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist, dass es keine Bereiche der Sourcebereiche und der Drainbereiche gibt, in denen der Strom eine lange Distanz zurücklegt, ohne eine Ausweichmöglichkeit auf eine darüber liegende Metallebene zu haben. Eine Erhöhung des Widerstands durch einen solchen Effekt wird dadurch wirkungsvoll vermieden.The metallization level is isolated by two dielectric interlayers, so that only at the vertical metallizations electrical connections between the individual levels are present. A particular advantage of the invention is that there are no regions of the source regions and the drain regions in which the current travels a long distance, without having an alternative possibility to an overlying metal plane. An increase of the resistance by such an effect is thereby effectively avoided.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Metallisierungsebene eine Struktur auf derart, dass zumindest 50% der Fläche des aktiven Halbleiterbereichs, vorzugsweise zumindest 70% der Fläche des aktiven Halbleiterbereichs und besonders bevorzugt zumindest 90% der Fläche des aktiven Halbleiterbereichs von der Metallisierungsebene überdeckt werden. Je größer der Anteil der von der Metallisierungsebene überdeckten Fläche ist, desto größer ist der durchschnittliche für laterale Stromtransporte zur Verfügung stehende Querschnitt. Dies verbessert die angesprochene Reduktion des In a preferred embodiment, the metallization level has a structure such that at least 50% of the area of the active semiconductor area, preferably at least 70% of the area of the active semiconductor area, and more preferably at least 90% of the area of the active semiconductor area, is covered by the metallization level. The larger the fraction of the area covered by the metallization level, the larger the average cross-section available for lateral power transports. This improves the mentioned reduction of the
WiderstandsieheSee resistance
Vorteilhafterweise können der zumindest eine Sourcebereich und der zumindest eine Drainbereich als zueinander parallele Streifen ausgeführt sein. Hierdurch ergibt sich ein einfach strukturiertes Layout, das ohne große Änderungen in bereits bestehende Prozesse eingegliedert werden kann.Advantageously, the at least one source region and the at least one drain region can be designed as strips parallel to one another. This results in a simply structured layout that can be incorporated into existing processes without major changes.
Dabei kann die Metallisierungsebene Streifen aufweisen, die zumindest die einfache, zumindest die dreifache oder zumindest die fünffache Breite der Streifen der Source- und Drainbereiche aufweisen. Auch durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass für lateralen Stromtransport ein ausreichend großer Querschnitt zur Verfügung steht. Die Orientierung der Streifen der Metallisierungsebene kann einen Winkel zur Orientierung der Source- und Drainpads von 30° bis 150°, insbesondere von 80° bis 100° und in einem Spezialfall von 90°, bilden. Der Strom kann dann besonders effektiv im Halbleiterbauelement verteilt werden.In this case, the metallization level can have strips which have at least the simple, at least three times or at least five times the width of the strips of the source and drain regions. This measure also ensures that a sufficiently large cross-section is available for lateral current transport. The orientation of the strips of the metallization plane can form an angle to the orientation of the source and drain pads of 30 ° to 150 °, in particular from 80 ° to 100 ° and in a special case of 90 °. The current can then be distributed particularly effectively in the semiconductor component.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Metallisierungsebene trapezförmig ausgestaltete Streifen auf. Dabei kann das schmale Ende des Trapezes sich an den Stellen befinden, an denen eine direkte Verbindung zwischen den Trapezen, die Teil der Metallisierungsebene sind, und den Kontaktpads mittels der ersten oder zweiten vertikalen Verbindungen möglich ist. Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist ein reduzierter Gesamtwiderstand durch ein größeres Metallvolumen der vergrabenen Bereiche der Metallisierungsebene.In a development of the invention, the metallization plane has trapezoidal stripes. In this case, the narrow end of the trapezoid can be located at the places where a direct connection between the trapezoids, which are part of the metallization, and the contact pads by means of the first or second vertical connections is possible. An advantage of this embodiment is a reduced total resistance by a larger metal volume of the buried regions of the metallization.
In einer alternativen Ausführungsform ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Metallisierungsebene eine gitter- oder netzartige Struktur aufweist. Die Periodizität kann minimal etwa den zweifachen Abstand der Sourcebereiche von den Drainbereichen betragen und beispielsweise im Bereich zwischen 10 µm und 1 mm liegen. Es kann dann eines der Pads das andere Pad ringförmig umschließen. Mit anderen Worten umschließt das Sourcepad das Drainpad vollständig, oder umgekehrt. Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist eine konzentrische Anordnung von Sourcepad und Drainpad. In der beschriebenen Geometrie können Source- und Drainpotenzial ohne Verlust der Funktionalität vertauscht werden.In an alternative embodiment, it is advantageously provided that the metallization level has a grid or net-like structure. The periodicity may be at least about twice the distance of the source regions from the drain regions and, for example, in the range between 10 .mu.m and 1 mm. It can then enclose one of the pads ring the other pad. In other words, the source pad completely encloses the drain pad, or vice versa. An advantage of this embodiment is a concentric arrangement of source pad and drain pad. In the described geometry, source and drain potentials can be reversed without loss of functionality.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Halbleiterbauelement eine Metallisierung in einer Zwischenschicht, die zur Metallisierungsebene gleichartig aufgebaut ist und ebenfalls eine stromverteilende Funktion erfüllt, jedoch unterhalb oder oberhalb der Metallisierungsebene angeordnet ist. Es wird so möglich, die Stromverteilung für die Sourcebereiche/das Sourcepad und für die Drainbereiche/das Drainpad unabhängig voneinander zu optimieren, da sich die Wege des Sourcestroms und des Drainstroms in Draufsicht gesehen auch überkreuzen können.In one development of the invention, the semiconductor component comprises a metallization in an intermediate layer, which has a similar structure to the metallization level and also fulfills a current-distributing function, but is arranged below or above the metallization level. It thus becomes possible to optimize the current distribution for the source regions / source pad and for the drain regions / drain pad independently of one another, since the paths of the source current and the drain current can also cross over one another in plan view.
Ebenfalls ist es möglich, dass die Metallisierungsebene zumindest zwei auf unterschiedlichem Potential liegende Bereiche aufweist, die so strukturiert sind, dass sie zahn- oder zinnenartig ineinander greifen. Hierdurch kann eine Reduktion des Gesamtwiderstands durch eine kompaktere Bauweise der zusätzlichen Metallisierungsebene erreicht werden.It is also possible for the metallization plane to have at least two regions lying at different potential, which are structured in such a way that they mesh with one another like a tooth or crenellation. In this way, a reduction of the total resistance can be achieved by a more compact construction of the additional metallization level.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims and described in the description.
Zeichnungendrawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below. Show it:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die Sourcebereiche
Im gezeigten Beispiel handelt es sich um das Layout zur Herstellung eines Galliumnitrid-Leistungs-Transistors (GaN-Transistor).
Die Gatebereiche
Mittels des Sourcepads
Die Source- und Drainbereiche
Im gezeigten Beispiel aus dem Stand der Technik wurde eine Ausrichtung der Kontaktpads, also des Sourcepads
Problematisch ist, dass der einzuprägende beziehungsweise der zu entnehmende Strom teilweise weite Wege zwischen dem aktiven Halbleiterbereich und dem entsprechenden Pad
Im unteren Bereich der
Ähnlich wie in
Als im rechten Winkel zu den Sourcebereichen
Die Sourcestreifen
In den Bereichen, in denen sich die Sourcestreifen
In ähnlicher Art und Weise wird die elektrische Verbindung zwischen der Metallisierungsebene
Die vertikalen Verbindungen
Einige Streifen
Die Längen der zueinander parallelen Seiten der Trapeze weisen dabei ein Verhältnis von etwa 2 zu 1 auf. Andere Verhältnisse im Bereich zwischen 10 zu 1 und 1 zu 1 sind ebenfalls möglich, zum Beispiel also 1:1, 5:1 oder 10:1. Beispielsweise ist also die lange Seite des Sourcestreifens
Im gegenüberliegenden Bereich, in dem die Streifen
Mittels zweiter vertikaler Verbindungen
Umlaufend um das Halbleiterbauelement
Im Grenzbereich zwischen Sourceanteil
Die in der Figur mittleren beiden Drainbereiche
Alle beschriebenen Strukturen können sich beliebig oft über das gesamte Halbleiterbauelement wiederholen und somit als Einheitszellen angesehen werden. Ebenso ist es möglich, jeweils die geometrischen Positionen der Elemente mit Sourcefunktionalität mit den Elementen mit Drainfunktionalität zu vertauschen, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Es wird dadurch lediglich die Stromrichtung umgekehrt. Auch können in den Einheitszellen mehr einzelne Elemente, beispielsweise mehr parallele Source- und Drainbereiche, als gezeigt vorhanden sein. Der Übersichtlichkeit halber ist in den Figuren jeweils nur eine relativ geringe Anzahl von Strukturen gezeigt.All structures described can be repeated as often as desired over the entire semiconductor component and thus be regarded as unit cells. It is also possible to exchange the respective geometric positions of the elements with source functionality with the elements with drain functionality, without deviating from the idea of the invention. It is thereby reversed only the current direction. Also, more individual elements, for example, more parallel source and drain regions than shown may be present in the unit cells. For the sake of clarity, only a relatively small number of structures are shown in the figures.
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