FR3050573A1 - DEVICE WITH SEGMENTED FIELD PLATES - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif (10) comportant: • Une électrode de source (3) et une électrode de drain (2) en contact avec une couche active (15) ; • Une électrode de grille (4) entre les électrodes de source (3) et de drain (2), présentant un côté drain orienté vers l'électrode de drain (2) et un côté source orienté vers l'électrode de source (3) ; • Une première plaque de champ (FP1), disposée au moins en partie entre l'électrode de grille (4) et l'électrode de drain (2), à une première distance de la couche active (15) ; Le dispositif (10) est remarquable en ce que la première plaque de champ (FP1) comprend une pluralité de premiers pavés (18) disposés cote à cote selon une première ligne de répartition (19) qui suit le côté drain de l'électrode de grille (4).The invention relates to a device (10) comprising: • a source electrode (3) and a drain electrode (2) in contact with an active layer (15); A gate electrode (4) between the source (3) and drain (2) electrodes, having a drain side facing the drain electrode (2) and a source side facing the source electrode (3); ); A first field plate (FP1) disposed at least partially between the gate electrode (4) and the drain electrode (2) at a first distance from the active layer (15); The device (10) is remarkable in that the first field plate (FP1) comprises a plurality of first blocks (18) arranged side by side along a first distribution line (19) which follows the drain side of the grate (4).
Description
DISPOSITIF AVEC PLAQUES DE CHAMP SEGMENTEES DOMAINE DE L'INVENTIONDEVICE WITH SEGMENTED FIELD PLATES FIELD OF THE INVENTION
La présente invention concerne des dispositifs à haute tension. Elle concerne en particulier une configuration de plaques de champ segmentées pour dispositif à haute tension.The present invention relates to high voltage devices. In particular, it relates to a configuration of segmented field plates for a high-voltage device.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTIONBACKGROUND OF THE INVENTION
Les semi-conducteurs à base de nitrures d'éléments III, également appelés nitrures semi-conducteurs III-N, sont connus depuis quelques dizaines d'années comme d'excellents candidats pour les applications à forte puissance et hautes fréquences. En effet, les transistors à effet de champ (« Field Effect Transistors » (FET) selon la terminologie anglo-saxonne) basés sur des hétérojonctions en matériaux composés de nitrures semi-conducteurs III-N sont capables de supporter de très hautes tensions et de faire passer de fortes densités de courant avec de faibles pertes résistives.Element III nitride semiconductors, also known as III-N semiconductor nitrides, have been known for some decades as excellent candidates for high power and high frequency applications. Indeed, the field effect transistors (FETs) based on heterojunctions made of materials composed of III-N semiconductor nitrides are able to withstand very high voltages and voltages. pass high current densities with low resistive losses.
Dans l'état bloquant d'un tel transistor 1, le potentiel sur la borne de l'électrode de drain 2 peut être de quelques centaines de volts à quelques milliers de volts, alors que les bornes de l'électrode de source 3 et de la grille 4 sont à la masse ou à un très faible potentiel l'une par rapport à l'autre : un champ électrique important se développe alors, notamment entre la grille 4 et le drain 2, susceptible d'induire le claquage de l'oxyde de grille 5.In the blocking state of such a transistor 1, the potential on the terminal of the drain electrode 2 can be from a few hundred volts to a few thousand volts, while the terminals of the source electrode 3 and the gate 4 are grounded or at a very low potential with respect to each other: an important electric field then develops, in particular between the gate 4 and the drain 2, capable of inducing the breakdown of the gate oxide 5.
Des plaques de champ (« field plates » selon la terminologie anglo-saxonne) ont été intégrées dans l'empilement de couches formant le transistor : leur fonction principale est de remodeler la distribution du champ électrique dans le canal de conduction du transistor et d'éviter une concentration excessive de champ électrique en bord de l'électrode de grille.Field plates ("field plates" according to the English terminology) have been integrated in the stack of layers forming the transistor: their main function is to reshape the distribution of the electric field in the conduction channel of the transistor and to avoid excessive concentration of electric field at the edge of the gate electrode.
Le bénéfice de l'introduction de ces plaques de champ est notamment une augmentation de la tenue en tension du dispositif (tension de claquage).The benefit of the introduction of these field plates is in particular an increase in the voltage withstand of the device (breakdown voltage).
Les plaques de champ sont habituellement formées en un matériau conducteur, et s'étendent au-dessus de la grille vers le drain, selon une direction longitudinale, de manière à remplir leur rôle d'écrantage du champ électrique se développant entre la grille et le drain. Elles peuvent être connectées électriquement à la source 3 (FPS pour « field plate Source ») et/ou à la grille 4 (FPG pour « field plate Gâte ») comme illustré sur la figure 1.The field plates are usually formed of a conductive material, and extend above the gate to the drain, in a longitudinal direction, so as to fulfill their role of screening the electric field developing between the gate and the gate. drain. They can be electrically connected to source 3 (FPS for "field plate Source") and / or gate 4 (FPG for "field plate Gate") as shown in Figure 1.
Un inconvénient de la présence de plaques de champ au-dessus de la grille 4 et/ou au-dessus de la couche active est l'introduction de capacités parasites supplémentaires, notamment entre la source 3 et la grille 4.A disadvantage of the presence of field plates above the gate 4 and / or above the active layer is the introduction of additional parasitic capacitances, in particular between the source 3 and the gate 4.
Le document EP2538446 divulgue une configuration de plaques de champ multiples permettant de réduire le pic de champ électrique dans le dispositif et ainsi d'améliorer la tension de claquage.EP2538446 discloses a multiple field plate configuration for reducing the electric field peak in the device and thus improving the breakdown voltage.
OBJET DE L'INVENTIONOBJECT OF THE INVENTION
Un objet de l'invention est de proposer une solution alternative de plaques de champ permettant de réduire la concentration de champ électrique au niveau de la grille dans l'état off d'un dispositif, tout en limitant la génération de capacités parasites. Un objet de l'invention est notamment un dispositif à haute tension muni d'au moins un niveau de plaque de champ segmentée.An object of the invention is to propose an alternative solution of field plates making it possible to reduce the electric field concentration at the gate in the off state of a device, while limiting the generation of parasitic capacitances. An object of the invention is in particular a high voltage device provided with at least one level of segmented field plate.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION L'invention concerne un dispositif comportant: • Une électrode de source et une électrode de drain en contact avec une couche active ; • Une électrode de grille entre les électrodes de source et de drain, présentant un côté drain orienté vers l'électrode de drain et un côté source orienté vers l'électrode de source ; • Une première plaque de champ, disposée au moins en partie entre l'électrode de grille et l'électrode de drain, à une première distance de la couche active ;BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION The invention relates to a device comprising: a source electrode and a drain electrode in contact with an active layer; A gate electrode between the source and drain electrodes, having a drain side facing the drain electrode and a source side facing the source electrode; A first field plate, disposed at least partially between the gate electrode and the drain electrode, at a first distance from the active layer;
Le dispositif est remarquable en ce que la première plaque de champ comprend une pluralité de premiers pavés disposés cote à cote selon une première ligne de répartition qui suit le côté drain de l'électrode de grille.The device is notable in that the first field plate comprises a plurality of first pads arranged side by side in a first distribution line which follows the drain side of the gate electrode.
La plaque de champ selon l'invention est segmentée en une pluralité de premiers pavés dans un plan parallèle à la couche active ; ces premiers pavés sont agencés le long d'une ligne de répartition qui suit la forme du côté drain de l'électrode de grille. Cette configuration permet de remodeler la distribution du champ électrique, issu de la différence de potentiel entre l'électrode de drain et l'électrode de grille, à proximité du côté drain de la grille. La segmentation de la première plaque de champ en une pluralité de pavés présente également l'avantage de diminuer la surface de conducteur métallique dans l'empilement et ainsi de limiter l'introduction de capacités parasites.The field plate according to the invention is segmented into a plurality of first blocks in a plane parallel to the active layer; these first blocks are arranged along a distribution line which follows the shape of the drain side of the gate electrode. This configuration makes it possible to remodel the distribution of the electric field, resulting from the potential difference between the drain electrode and the gate electrode, close to the drain side of the gate. The segmentation of the first field plate into a plurality of blocks also has the advantage of reducing the metal conductor surface in the stack and thus limiting the introduction of parasitic capacitances.
Selon des caractéristiques avantageuses du dispositif selon l'invention, prises seules ou en combinaison : • la première plaque de champ comprend un élément disposé selon la première ligne de répartition et en contact avec la pluralité de premiers pavés ; • chaque premier pavé est segmenté en au moins deux premiers sous-pavés dans une direction orthogonale à la première ligne de répartition ; • le dispositif comporte une deuxième plaque de champ, disposée au moins en partie entre l'électrode de grille et l'électrode de drain, à une deuxième distance de la couche active ; • la deuxième plaque de champ comprend une pluralité de deuxièmes pavés disposés cote à cote selon une deuxième ligne de répartition qui suit le côté drain de l'électrode de grille ; • chaque deuxième pavé est segmenté en au moins deux deuxièmes sous-pavés dans une direction orthogonale à la deuxième ligne de répartition • tout ou partie des plaques de champ est flottant ; • tout ou partie des plaques de champ est relié électriquement à la source ; • tout ou partie des plaques de champ est relié électriquement à la grille ; • le dispositif comprend un transistor à effet de champ (FET) ; • le dispositif comprend un transistor à haute mobilité électronique (HEMT) ; • la couche active comprend au moins un matériau du groupe des nitrures semi-conducteurs III-N ; • tout ou partie des pavés et/ou les sous-pavés est formé par des vias conducteurs.According to advantageous features of the device according to the invention, taken alone or in combination: • the first field plate comprises an element disposed along the first distribution line and in contact with the plurality of first blocks; Each first block is segmented into at least two first sub-blocks in a direction orthogonal to the first distribution line; • the device comprises a second field plate disposed at least partially between the gate electrode and the drain electrode at a second distance from the active layer; The second field plate comprises a plurality of second blocks arranged side by side along a second distribution line which follows the drain side of the gate electrode; Each second block is segmented into at least two second sub-blocks in a direction orthogonal to the second distribution line; all or part of the field plates are floating; • all or part of the field plates is electrically connected to the source; • all or part of the field plates is electrically connected to the grid; The device comprises a field effect transistor (FET); The device comprises a high electron mobility transistor (HEMT); The active layer comprises at least one material of the group of III-N semiconductor nitrides; • all or part of the pavers and / or sub-pavers is formed by conductive vias.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée de l'invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles :BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the detailed description of the invention which will follow with reference to the appended figures in which:
La figure 1 présente un transistor à haute tension de l'état de l'art ; les figures 2, 3, 4, 5, 6 et 7 présentent des vues de dessus (a) et en coupe (b,c) de plusieurs variantes d'un dispositif muni d'une première plaque de champ segmentée selon l'invention ; les figures 8a, 8b et 8c présentent des vues de dessus (a) et en coupe (b,c) d'un dispositif muni d'une première et d'une deuxième plaque de champ segmentée selon l'invention ;Figure 1 shows a high voltage transistor of the state of the art; Figures 2, 3, 4, 5, 6 and 7 show top views (a) and section (b, c) of several variants of a device provided with a first segmented field plate according to the invention; Figures 8a, 8b and 8c show top views (a) and section (b, c) of a device provided with a first and a second segmented field plate according to the invention;
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTIONDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Les figures sont des représentations schématiques de dispositifs en coupe ou en vue de dessus dans lesquelles les dimensions latérales ou verticales peuvent ne pas être respectées. De plus, pour permettre une visualisation plus aisée des configurations de plaques de champ segmentées selon l'invention, une vue de dessus pourra dans certains cas représenter des éléments compris dans plusieurs plans verticaux (selon l'axe z sur les figures) différents.The figures are diagrammatic representations of devices in section or in plan view in which the lateral or vertical dimensions may not be respected. In addition, to allow easier visualization of segmented field plate configurations according to the invention, a top view may in some cases represent elements in several vertical planes (along the z axis in the figures) different.
La configuration de plaques de champ selon l'invention peut être mise en œuvre dans différents dispositifs, notamment des transistors à effet de champ (FET) et/ou à haute mobilité électronique (HEMT pour « high électron mobility transistor » selon la terminologie anglo-saxonne) , à base de matériaux à large intervalle de bande, adaptés pour supporter de hautes tensions.The configuration of field plates according to the invention can be implemented in various devices, in particular field effect transistors (FET) and / or high electron mobility transistors (HEMTs for "high electron mobility transistor") according to the English terminology. Saxon), based on wide band gap materials, adapted to withstand high voltages.
En particulier, de tels dispositifs peuvent être élaborés sur une structure comportant un empilement de couches formées de nitrures semi-conducteurs III-N, disposé sur un substrat support, par exemple en silicium, saphir, carbure de silicium ou autre support compatible avec la croissance épitaxiale de matériaux III-N. Une couche de nucléation est habituellement déposée sur le substrat pour réduire le désaccord de maille entre le substrat support et la couche suivante, dite couche tampon 11, en matériau III-N (par exemple GaN). Enfin, une couche barrière 12 également en matériau III-N (par exemple AlGaN) est disposée sur la couche tampon. Une couche de gaz d'électrons à deux dimensions 13 (« two-dimensional électron gas » (2DEG)) pourra se développer à proximité de l'interface entre la couche tampon 11 et la couche barrière 12 (hétérojontion) , pour constituer le canal de conduction du futur dispositif élaboré sur la structure.In particular, such devices can be developed on a structure comprising a stack of layers formed of III-N semiconductor nitrides, disposed on a support substrate, for example silicon, sapphire, silicon carbide or other support compatible with growth. epitaxial material III-N. A nucleation layer is usually deposited on the substrate to reduce the mismatch between the support substrate and the next layer, called the buffer layer 11, of III-N material (eg GaN). Finally, a barrier layer 12 also made of III-N material (for example AlGaN) is placed on the buffer layer. A two-dimensional electron gas layer (2DEG) 13 may be developed near the interface between the buffer layer 11 and the barrier layer 12 (heterojontion), to constitute the channel of conduction of the future device elaborated on the structure.
Comme illustré sur la figure 2b, le dispositif 10 selon l'invention comprend une couche active 15 formée de matériaux semi-conducteurs ; dans l'exemple de structure en matériau III-N précitée, la couche active 15 comprend en particulier 1'hétérojonction au niveau de laquelle la couche 2DEG 13 constituant le canal de conduction pourra se développer.As illustrated in FIG. 2b, the device 10 according to the invention comprises an active layer 15 formed of semiconductor materials; in the exemplary structure III-N material above, the active layer 15 comprises in particular the heterojunction at which the 2DEG layer 13 constituting the conduction channel may develop.
Le dispositif 10 comprend en outre des électrodes de source 3 et de drain 2 en contact électrique avec la couche active 15 et en particulier formant un contact ohmique avec 1'hétérojonction. Les électrodes de source 3 et de drain 2 pourront être formées de différents matériaux incluant de manière non limitative, des alliages de titane, d'aluminium, tungstène, nickel, palladium, or, etc. L'espacement entre l'électrode de source 3 et l'électrode de drain 2 définit la longueur du canal de conduction.The device 10 further comprises source 3 and drain 2 electrodes in electrical contact with the active layer 15 and in particular forming an ohmic contact with the heterojunction. The source 3 and drain 2 electrodes may be formed of different materials including, but not limited to, alloys of titanium, aluminum, tungsten, nickel, palladium, gold, etc. The spacing between the source electrode 3 and the drain electrode 2 defines the length of the conduction channel.
Dans la suite de cette description, la direction parallèle à la longueur du canal sera nommée direction longitudinale (selon l'axe y sur les figures) . La direction perpendiculaire à la direction longitudinale, dans le plan (x,y) de la couche active 15, sera nommée direction transversale (selon l'axe x sur les figures). Enfin, la direction perpendiculaire au plan de la couche active 15 sera appelée direction verticale (selon l'axe z sur les figures).In the remainder of this description, the direction parallel to the length of the channel will be named longitudinal direction (along the axis y in the figures). The direction perpendicular to the longitudinal direction, in the plane (x, y) of the active layer 15, will be named transverse direction (along the x axis in the figures). Finally, the direction perpendicular to the plane of the active layer 15 will be called the vertical direction (along the z axis in the figures).
Le dispositif 10 comprend également une électrode de grille 4, formée entre l'électrode de source 3 et l'électrode de drain 2, pour commuter le dispositif d'un état bloquant (off) à un état passant (on), en autorisant le déplacement des électrons dans la partie sous-jacente du canal de conduction (couche 2DEG 13) . L'électrode de grille 4, isolée de la couche active 15 par un oxyde de grille 5, peut elle aussi est composée de différents matériaux incluant de manière non limitative, le titane, l'aluminium, le tungstène, le nickel, le palladium, l'or, des siliciures, etc. De par son agencement, l'électrode de grille 4 présente un coté drain orienté vers l'électrode de drain 2 et un côté source orienté vers l'électrode de source 3.The device 10 also comprises a gate electrode 4, formed between the source electrode 3 and the drain electrode 2, for switching the device from a blocking state (off) to an on state (on), allowing the displacement of the electrons in the underlying part of the conduction channel (layer 2DEG 13). The gate electrode 4, insulated from the active layer 15 by a gate oxide 5, can itself also be composed of different materials including but not limited to, titanium, aluminum, tungsten, nickel, palladium, gold, silicides, etc. By its arrangement, the gate electrode 4 has a drain side oriented towards the drain electrode 2 and a source side oriented towards the source electrode 3.
Une première couche isolante 16,17, comprenant une couche diélectrique ou une combinaison d'une pluralité de couches diélectriques, est formée sur la couche active 15. Elle s'étend au moins sur une portion de la surface entre l'électrode de grille 4 et l'électrode de drain 2 et sur une portion de la surface entre la grille 4 et la source 3. La première couche isolante 16,17 pourra également s'étendre sur l'électrode de grille 4. A titre d'exemple, elle pourra être formé par un matériau choisi parmi de l'oxyde de silicium, du nitrure de silicium, de l'oxyde d'aluminium et avoir une épaisseur comprise entre 0,01 micron et 1 micron.A first insulating layer 16, 17, comprising a dielectric layer or a combination of a plurality of dielectric layers, is formed on the active layer 15. It extends over at least a portion of the surface between the gate electrode 4 and the drain electrode 2 and on a portion of the surface between the gate 4 and the source 3. The first insulating layer 16, 17 may also extend over the gate electrode 4. By way of example, it may be formed by a material selected from silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide and have a thickness between 0.01 micron and 1 micron.
Une première plaque de champ (appelée FP1 pour « field plate » par la suite) est ensuite formée sur ou dans la première couche isolante 16,17 : elle se trouve ainsi à une première distance de la couche active 15, selon la direction verticale (axe z) . La plaque de champ FP1 pourra être électriquement connectée à l'électrode de grille 4 ou à l'électrode de source 3. Alternativement, elle pourra être flottante.A first field plate (called FP1 for "field plate" thereafter) is then formed on or in the first insulating layer 16, 17: it is thus at a first distance from the active layer 15, in the vertical direction ( z axis). The FP1 field plate may be electrically connected to the gate electrode 4 or to the source electrode 3. Alternatively, it may be floating.
La plaque de champ FPl pourra être composée par un matériau choisi parmi l'aluminium, le polysilicium, le tungstène, le cuivre ou leurs alliages. Avantageusement, elle pourra être formé pendant l'étape d'élaboration de l'électrode de grille 4.The FPl field plate may be composed of a material chosen from aluminum, polysilicon, tungsten, copper or their alloys. Advantageously, it may be formed during the step of producing the gate electrode 4.
Elle est disposée au moins en partie entre l'électrode de grille 4 et l'électrode de drain 2 selon la direction longitudinale.It is arranged at least partly between the gate electrode 4 and the drain electrode 2 in the longitudinal direction.
Selon l'invention, la première plaque de champ FPl comprend une pluralité de pavés 18, disposés côte à côte dans un plan (x,y) parallèle à celui de la couche active 15 (figure 2a). Les pavés 18 sont agencés selon une ligne de répartition 19 qui suit le côté drain de l'électrode de grille 4. La ligne de répartition 19 pourra se traduire par une ligne fictive sur laquelle sont alignés les pavés 18 par l'un de leurs côtés. Selon la direction longitudinale, la ligne de répartition 19 est située à une distance dG-FPi par rapport au côté drain de l'électrode de grille 4. Le cas où la ligne de répartition 19 se trouverait quelque part à l'aplomb de la grille 4 se traduirait par une distance dG-FPi négative.According to the invention, the first field plate FP1 comprises a plurality of blocks 18, arranged side by side in a plane (x, y) parallel to that of the active layer 15 (FIG. 2a). The pavers 18 are arranged along a distribution line 19 which follows the drain side of the gate electrode 4. The distribution line 19 may result in a fictitious line on which the pavers 18 are aligned by one of their sides. . In the longitudinal direction, the distribution line 19 is located at a distance dG-FPi from the drain side of the gate electrode 4. The case where the distribution line 19 is located somewhere in line with the gate 4 would result in a negative dG-FPi distance.
Pour plus de clarté par la suite, les pavés 18 seront nommés premiers pavés et la ligne de répartition 19 sera nommée première ligne de répartition.For clarity later, the pavers 18 will be named first blocks and the distribution line 19 will be named first distribution line.
Les dimensions des premiers pavés 18 et leur espacement permettent de modifier la distribution du champ électrique induit par la différence de potentiel entre grille 4 et drain 2 dans l'état bloquant du dispositif 10.The dimensions of the first blocks 18 and their spacing make it possible to modify the distribution of the electric field induced by the potential difference between gate 4 and drain 2 in the blocking state of device 10.
Selon une première variante, illustrée sur les figures 3a et 3b, la plaque de champ FPl est connectée à la source 3. Avantageusement, on choisit alors de ne pas disposer la pluralité de premiers pavés 18 à l'aplomb de l'électrode de grille 4 pour limiter l'introduction de capacités parasites grille/source. Les premiers pavés 18 sont disposés strictement entre l'électrode de grille 4 et l'électrode de drain 2 selon la direction longitudinale, c'est-à-dire que dG-Fpi est supérieure ou égale à 0. Préférentiellement, la première ligne de répartition 19, sur laquelle les premiers pavés 18 sont agencés, s'étend sur toute la largeur de l'électrode de grille 4. La dimension des premiers pavés 18 selon la direction longitudinale pourra être comprise entre 0,1 et 5 microns. Elle est notamment définie en fonction de la distance entre l'électrode de grille 4 et l'électrode de drain 2. La dimension d'un premier pavé 18 et l'espacement entre deux premiers pavés adjacents selon la direction transversale (axe x) pourront être respectivement compris entre 0,1 et 5 microns et entre quelques nanomètres et 10 microns.According to a first variant, illustrated in FIGS. 3a and 3b, the FPl field plate is connected to the source 3. Advantageously, it is then chosen not to have the plurality of first blocks 18 directly above the gate electrode. 4 to limit the introduction of grid / source parasitic capacitances. The first blocks 18 are arranged strictly between the gate electrode 4 and the drain electrode 2 in the longitudinal direction, that is to say that dG-Fpi is greater than or equal to 0. Preferably, the first line of distribution 19, on which the first blocks 18 are arranged, extends over the entire width of the gate electrode 4. The size of the first blocks 18 in the longitudinal direction may be between 0.1 and 5 microns. It is defined in particular as a function of the distance between the gate electrode 4 and the drain electrode 2. The dimension of a first pad 18 and the spacing between two adjacent first blocks in the transverse direction (x axis) can be respectively between 0.1 and 5 microns and between a few nanometers and 10 microns.
La dimension transversale et l'espacement entre deux premiers pavés 18 adjacents sont choisis, en fonction du potentiel sur l'électrode de drain 2, de manière à optimiser l'effet de réduction du champ électrique tout en minimisant les capacités parasites.The transverse dimension and the spacing between two adjacent first pavers 18 are chosen, as a function of the potential on the drain electrode 2, so as to optimize the effect of reducing the electric field while minimizing the parasitic capacitances.
Selon une deuxième variante, la plaque de champ FP1 est connectée à la grille 4. Elle pourra se situer à différentes distances de la couche active 15, soit sur la couche isolante 16, soit dans la couche isolante 17 (figure 2), soit encore sur la couche isolante 17 (figure 3) . Les premiers pavés 18 sont avantageusement disposés à une distance dG-FPi par rapport au côté drain de l'électrode de grille selon la direction longitudinale, strictement supérieure à 0: cette séparation entre l'électrode de grille et la première plaque de champ FP1 permet de réduire la capacité CGD. Préférentiellement, la première ligne de répartition 19, sur laquelle les premiers pavés 18 sont agencés, s'étend sur toute la largeur de l'électrode de grille 4. Les dimensions des premiers pavés 18 et leur espacement pourront être choisis dans les mêmes gammes qu'énoncé précédemment pour la première variante.According to a second variant, the field plate FP1 is connected to the gate 4. It may be located at different distances from the active layer 15, either on the insulating layer 16, or in the insulating layer 17 (FIG. 2), or again on the insulating layer 17 (Figure 3). The first blocks 18 are advantageously arranged at a distance dG-FPi with respect to the drain side of the gate electrode in the longitudinal direction, strictly greater than 0: this separation between the gate electrode and the first FP1 field plate allows to reduce the CGD capacity. Preferably, the first distribution line 19, on which the first blocks 18 are arranged, extends over the entire width of the gate electrode 4. The dimensions of the first blocks 18 and their spacing can be chosen in the same ranges as in FIG. previously stated for the first variant.
Selon une troisième variante, la première plaque de champ FP1 est flottante. Dans cette configuration, elle pourra prendre l'une des formes et dimensions décrites dans les variantes précédentes.According to a third variant, the first FP1 field plate is floating. In this configuration, it can take one of the shapes and dimensions described in the previous variants.
Selon une quatrième variante, illustrée sur les figures 4a, 4b et 4c, la première plaque de champ FP1 comprend un élément 180 disposé selon la première ligne de répartition 19 et en contact avec la pluralité de premiers pavés 18 (figure 4a) . Les figures 4b et 4c représentent respectivement les vues en coupe selon les plans symbolisés par les pointillés référencés (b) et (c) sur la figure 4a. Avantageusement, l'élément 180 de la plaque de champ FP1 sera localisé entre le côté drain de l'électrode de grille 4 et la pluralité de pavés 18. Il permet un écrantage continu du champ électrique le long du côté drain de l'électrode de grille 4. La segmentation du reste de la surface (dans le plan (x,y)) de la première plaque de champ FP1 en la pluralité de premiers pavés 18 est alors avantageuse pour limiter la surface de conducteur et donc les capacités parasites. Sur la figure 4, la première plaque de champ FP1 est connectée à la grille. Alternativement, FP1 munie de l'élément 180, pourra être connectée à la source ou être flottante.According to a fourth variant, illustrated in FIGS. 4a, 4b and 4c, the first field plate FP1 comprises an element 180 disposed along the first distribution line 19 and in contact with the plurality of first blocks 18 (FIG. 4a). Figures 4b and 4c respectively show the sectional views along the planes symbolized by the dashed lines (b) and (c) in Figure 4a. Advantageously, the element 180 of the field plate FP1 will be located between the drain side of the gate electrode 4 and the plurality of blocks 18. It allows a continuous shielding of the electric field along the drain side of the electrode. grid 4. The segmentation of the remainder of the surface (in the plane (x, y)) of the first field plate FP1 in the plurality of first blocks 18 is then advantageous for limiting the conductor surface and therefore parasitic capacitances. In FIG. 4, the first FP1 field plate is connected to the gate. Alternatively, FP1 provided with the element 180, can be connected to the source or be floating.
Selon une cinquième variante, une plaque de champ additionnelle 181 selon l'état de l'art c'est-à-dire non segmentée selon la direction transversale, pourra être élaborée sur la première couche isolante 16,17, selon une ligne de répartition qui suit le côté drain de l'électrode de grille 4, préalablement à la fabrication de FP1. La figure 5 illustre ce cas de figure avec par exemple une plaque de champ additionnelle 181, reliée à la grille 4 et en continuité de celle-ci. La première plaque de champ FP1 pourra ensuite être formée selon l'une des quatre variantes précédentes. La plaque de champ additionnelle 181 et FP1 pourront être à la même première distance de la couche active 15, selon la direction verticale ou à des distances différentes.According to a fifth variant, an additional field plate 181 according to the state of the art, that is to say not segmented in the transverse direction, may be developed on the first insulating layer 16, 17, according to a distribution line which follows the drain side of the gate electrode 4, prior to the manufacture of FP1. FIG. 5 illustrates this case with, for example, an additional field plate 181, connected to the gate 4 and in continuity with it. The first FP1 field plate may then be formed according to one of the four previous variants. The additional field plate 181 and FP1 may be at the same first distance from the active layer 15, in the vertical direction or at different distances.
Optionnellement, et dans n'importe laquelle des variantes de mise en œuvre précédemment citées, chaque premier pavé 18 de la première plaque de champ FP1 pourra être segmenté en au moins deux sous-pavés 18', 18'', dans la direction longitudinale (orthogonale à la première ligne de répartition 19). Cette configuration est illustrée en vue plane sur la figure 6a et en vue en coupe sur la figure 6b. Cette segmentation permet de diviser l'intensité du champ électrique, toujours dans le but d'éviter sa concentration en bord de l'électrode de grille, tout en limitant la surface métallique des plaques de champ.Optionally, and in any of the implementation variants mentioned above, each first block 18 of the first field plate FP1 may be segmented into at least two sub-blocks 18 ', 18' ', in the longitudinal direction ( orthogonal to the first distribution line 19). This configuration is illustrated in plan view in FIG. 6a and in sectional view in FIG. 6b. This segmentation makes it possible to divide the intensity of the electric field, always in order to avoid its concentration at the edge of the gate electrode, while limiting the metal surface of the field plates.
Dans le dispositif selon l'invention, une deuxième plaque de champ (appelée FP2 pour « field plate » par la suite) peut également être formée : elle se trouve à une deuxième distance de la couche active 15, selon la direction verticale et est séparée de la première plaque de champ FP1 par une couche isolante. Cette couche isolante pourra être comme dans l'exemple illustré en figure 8, la couche 17, la première plaque de champ FP1 étant formée sur la couche isolante 16 inférieure. Si FP1 est formé sur la couche isolante 17, une deuxième couche isolante peut être formée au-dessus d'au moins une partie de la première plaque de champ FP1 et d'au moins une portion de la première couche isolante entre FPl et l'électrode de drain. Cette deuxième couche isolante pourra comprendre une couche diélectrique ou une combinaison d'une pluralité de couches diélectriques. A titre d'exemple, elle pourra être formé par un matériau diélectrique choisi par exemple parmi de l'oxyde de silicium, du nitrure de silicium, et avoir une épaisseur comprise entre 0,1 et 10 microns.In the device according to the invention, a second field plate (called FP2 for "field plate" later) can also be formed: it is at a second distance from the active layer 15, in the vertical direction and is separated of the first FP1 field plate by an insulating layer. This insulating layer may be as in the example illustrated in FIG. 8, the layer 17, the first field plate FP1 being formed on the insulating layer 16 below. If FP1 is formed on the insulating layer 17, a second insulating layer may be formed over at least a portion of the first FP1 field plate and at least a portion of the first insulating layer between FP1 and the drain electrode. This second insulating layer may comprise a dielectric layer or a combination of a plurality of dielectric layers. For example, it may be formed by a dielectric material selected for example from silicon oxide, silicon nitride, and have a thickness between 0.1 and 10 microns.
La plaque de champ FP2 peut être électriquement connectée à l'électrode de grille ou à l'électrode de source. Alternativement, elle peut être flottante.The FP2 field plate may be electrically connected to the gate electrode or the source electrode. Alternatively, it can be floating.
La plaque de champ FP2 est composée par un matériau identique ou pas au matériau de la première plaque de champ FPl, choisi parmi l'aluminium, le polysilicium, le tungstène, le cuivre, le nickel, le palladium, l'or ou leurs alliages.The FP2 field plate is composed of a material identical or not to the material of the first FPl field plate, chosen from aluminum, polysilicon, tungsten, copper, nickel, palladium, gold or their alloys. .
Elle est disposée au moins en partie entre l'électrode de grille 4 et l'électrode de drain 2 selon la direction longitudinale (axe y) . Avantageusement, pour tendre à former un champ électrique graduel entre l'électrode de grille 4 et l'électrode de drain 2, la deuxième plaque de champ FP2 est disposée entre la première plaque de champ FPl et l'électrode de drain 2, selon la direction longitudinale (figure 8), soit à une distance dG-FP2 par rapport au côté drain de l'électrode de grille 4 .It is arranged at least partly between the gate electrode 4 and the drain electrode 2 in the longitudinal direction (y-axis). Advantageously, to tend to form a gradual electric field between the gate electrode 4 and the drain electrode 2, the second field plate FP2 is disposed between the first field plate FP1 and the drain electrode 2, according to the longitudinal direction (FIG. 8), ie at a distance dG-FP2 from the drain side of the gate electrode 4.
Selon l'invention, la deuxième plaque de champ FP2 peut également comprendre une pluralité de pavés 28, disposés côte à côte dans un plan (x,y) parallèle à celui de la couche active 15. Les pavés sont agencés selon une ligne de répartition 29 qui suit le côté drain de l'électrode de grille 4. Pour plus de clarté par la suite, les pavés 28 de la deuxième plaque de champ FP2 seront nommés deuxièmes pavés et la ligne de répartition 29 associée sera nommée deuxième ligne de répartition.According to the invention, the second field plate FP2 may also comprise a plurality of blocks 28, arranged side by side in a plane (x, y) parallel to that of the active layer 15. The blocks are arranged along a distribution line 29 following the drain side of the gate electrode 4. For clarity later, the blocks 28 of the second FP2 field plate will be named second blocks and the associated distribution line 29 will be named second distribution line.
Avantageusement, mais sans que cela soit limitatif, selon la direction longitudinale, les deuxièmes pavés 28 seront placés en vis-à-vis des zones d'espacement entre les premiers pavés 18, comme illustré sur la figure 8a.Advantageously, but without limitation, in the longitudinal direction, the second blocks 28 will be placed vis-à-vis the spacing zones between the first blocks 18, as shown in Figure 8a.
Les cinq variantes décrites pour la première plaque de champ FP1 peuvent être appliquées à la deuxième plaque de champ FP2. Les gammes décrites de dimensions de pavés et d'espacement entre pavés sont également applicables.The five variants described for the first FP1 field plate can be applied to the second FP2 field plate. The described ranges of paver dimensions and spacing between pavers are also applicable.
La segmentation des deuxièmes pavés 29 en sous-pavés pourra également être mise en œuvre.The segmentation of the second pavers 29 in sub-pavers can also be implemented.
On notera qu'une ou plusieurs plaque(s) de champ additionnelle(s) classiquement utilisée (s) dans l'art antérieur, pourra (ont) être formées avant ou après FP1 ou FP2, à une distance inférieure, égale ou supérieure à la première distance entre FP1 et la couche active 15 selon la direction verticale.Note that one or more additional field plate (s) conventionally used in the prior art, may (have) be formed before or after FP1 or FP2, at a distance less than, equal to or greater than the first distance between FP1 and the active layer 15 in the vertical direction.
Selon un mode de réalisation avantageux, les premiers 18 et/ou deuxièmes 28 pavés sont formés par des vias conducteurs (figure 7) . Les vias, très usuellement utilisés dans les technologies microélectroniques, sont formés par des tranchées, dont les parois comportent une couche de matériau isolant électrique, qui sont remplies par un matériau conducteur électrique (par exemple le tungstène, l'aluminium, le cuivre, le titane...) ; elles sont classiquement élaborées au cours d'un procédé de fabrication de composants microélectroniques, pour relier des niveaux de métal entre eux. Dans ce mode de réalisation des premiers 18 et/ou deuxièmes 28 pavés, les vias conducteurs ne sont pas nécessairement connectés à un métal sous-j acent. L'utilisation des étapes d'élaboration de vias conductrices pour la réalisation des pavés 18,28 permet une optimisation des étapes de fabrication : seule une modification du ou des masque (s) des niveaux de vias visés est nécessaire, sans ajout d'étapes de fabrication spécifique pour les plaques de champ.According to an advantageous embodiment, the first 18 and / or second 28 blocks are formed by conductive vias (FIG. 7). The vias, very commonly used in microelectronic technologies, are formed by trenches, the walls of which comprise a layer of electrical insulating material, which are filled with an electrically conductive material (for example tungsten, aluminum, copper, titanium ...); they are conventionally developed during a process for manufacturing microelectronic components, for connecting metal levels to each other. In this embodiment of the first 18 and / or second 28 blocks, the conductive vias are not necessarily connected to an underlying metal. The use of the steps of developing conductive vias for the realization of pavers 18,28 allows optimization of the manufacturing steps: only a modification of the mask (s) of the target vias levels is necessary, without adding steps specific manufacturing for field plates.
Bien sur, l'invention n'est pas limitée à deux niveaux de plaques de champ (FP1 et FP2), ni aux géométries de plaques de champ décrites ; on pourra ajouter d'autres niveaux de plaques de champ selon le dispositif élaboré et les agencer selon différentes configurations adaptées.Of course, the invention is not limited to two levels of field plates (FP1 and FP2) nor to the described field plate geometries; other levels of field plates may be added according to the developed device and arranged according to different adapted configurations.
La distance entre la plaque de champ la plus proche de l'électrode de drain 2 devra préférentiellement être maintenue au moins supérieure à 1 micron, en fonction de la tension d'utilisation du composant, pour éviter le claquage de la couche isolante entre ladite plaque de champ et l'électrode de drain 2.The distance between the field plate closest to the drain electrode 2 should preferably be kept at least greater than 1 micron, depending on the use voltage of the component, to avoid the breakdown of the insulating layer between said plate field and the drain electrode 2.
Exemple 1 :Example 1
Selon un premier exemple, le dispositif est constitué d'un transistor HEMT élaboré sur une structure à base de GaN, comportant une hétéro j onction apte à développer un gaz à deux dimensions qui formera le canal de conduction. Le transistor HEMT présente une configuration latérale, avec des électrodes de source 3 et de drain 2 sous forme de doigts interdigités, distants de 5 microns. L'électrode de grille 4 est disposée entre les électrodes de source 3 et de drain 2 et présente une forme sensiblement rectangulaire avec un côté drain orienté vers l'électrode de drain et un côté source orienté vers l'électrode de source. Sa dimension selon la direction longitudinale est d'environ 1 micron. Dans l'état « off » du transistor, l'électrode de drain 2 présente un potentiel de 600 Volts, alors que le potentiel de source est de 0 Volt et le potentiel de grille de -5 Volts.According to a first example, the device consists of a HEMT transistor produced on a GaN-based structure, comprising a hetero junction capable of developing a two-dimensional gas which will form the conduction channel. The HEMT transistor has a lateral configuration, with source 3 and drain 2 electrodes in the form of interdigitated fingers, 5 microns apart. The gate electrode 4 is disposed between the source 3 and drain 2 electrodes and has a substantially rectangular shape with a drain side facing the drain electrode and a source side oriented towards the source electrode. Its dimension in the longitudinal direction is about 1 micron. In the "off" state of the transistor, the drain electrode 2 has a potential of 600 volts, while the source potential is 0 volts and the gate potential is -5 volts.
La première plaque de champ FPl est disposée sur une première couche isolante 16 formée en SiN d'épaisseur 0,2 micron. La plaque de champ FPl présente une pluralité de premiers pavés 18, disposés à une distance dG-FPi égale à 0,1 micron. Les dimensions transversale et longitudinale (dans le plan (x,y)) de chaque premier pavé 18 sont respectivement de 1 micron et 1 micron. L'espacement entre deux pavés 18 adjacents est de 1 micron.The first FPl field plate is disposed on a first insulating layer 16 formed of 0.2 micron thick SiN. The field plate FP1 has a plurality of first blocks 18, arranged at a distance dG-FPi equal to 0.1 micron. The transverse and longitudinal dimensions (in the plane (x, y)) of each first block 18 are respectively 1 micron and 1 micron. The spacing between two adjacent pavers 18 is 1 micron.
La deuxième plaque de champ FP2 est formée dans la couche isolante 17 : celle-ci est formée en Si02 d'épaisseur 0,2 micron et recouvre l'électrode de grille 4 et FP1. La plaque de champ FP2 présente une pluralité de deuxièmes pavés 28 disposés à une distance dG-FP2 égale à 2,2 micron. Ces deuxièmes pavés 28 sont formés par des vias conducteurs en tungstène, de section circulaire de 1 micron. L'espacement entre deux pavés 28 adjacents est de 1 micron. Selon la direction longitudinale, les deuxièmes pavés 28 sont placés en regard des zones d'espacement entre les premiers pavés 18.The second field plate FP2 is formed in the insulating layer 17: it is formed of 0.2 micron thick SiO 2 and covers the gate electrode 4 and FP1. The field plate FP2 has a plurality of second blocks 28 arranged at a distance dG-FP2 equal to 2.2 micron. These second blocks 28 are formed by conductive vias tungsten, circular section of 1 micron. The spacing between two adjacent blocks 28 is 1 micron. In the longitudinal direction, the second blocks 28 are placed opposite the spacing zones between the first blocks 18.
Cette configuration abaisse avantageusement l'intensité du champ électrique généré par la différence de potentiel entre drain 2 et grille 4. Elle permet également de limiter les capacités parasites du fait de la réduction des surfaces métalliques des plaques de champs.This configuration advantageously lowers the intensity of the electric field generated by the potential difference between drain 2 and gate 4. It also makes it possible to limit parasitic capacitances due to the reduction of the metal surfaces of the field plates.
Exemple 2 :Example 2
Selon un deuxième exemple, le dispositif est constitué d'un transistor HEMT élaboré sur une structure à base de GaN, comportant une hétéro j onction apte à développer un gaz à deux dimensions qui formera le canal de conduction. Le transistor HEMT latéral présente une topologie circulaire avec une électrode de drain centrale circulaire, une électrode de grille formant un anneau autour de l'électrode de drain et une électrode de source disposée autour de l'électrode de grille. L'électrode de drain est distante de l'électrode de source de 5 microns.According to a second example, the device consists of a HEMT transistor produced on a GaN-based structure, comprising a hetero junction capable of developing a two-dimensional gas which will form the conduction channel. The lateral HEMT transistor has a circular topology with a circular central drain electrode, a gate electrode forming a ring around the drain electrode, and a source electrode disposed around the gate electrode. The drain electrode is distant from the source electrode of 5 microns.
Dans le cas d'une topologie circulaire, la direction longitudinale évoquée précédemment devient la direction radiale et la direction transversale devient la direction tangentielle.In the case of a circular topology, the longitudinal direction mentioned above becomes the radial direction and the transverse direction becomes the tangential direction.
La première plaque de champ FP1 est formée dans la première couche isolante par des vias conducteurs de section circulaire de 1 micron. Dans le plan (x,y), la plaque de champ FP1 présente une pluralité de premiers pavés, disposés à une distance dG-FPi égale à 0,1 micron, le long d'une ligne de répartition qui suit le côté drain de l'anneau formé par l'électrode de grille. L'espacement entre deux pavés adjacents est de 1 micron. Alternativement, les pavés pourront avoir une forme carré, rectangle ou encore une forme de secteur d'anneau, dans le plan (x, y) .The first FP1 field plate is formed in the first insulating layer by 1 micron conductive vias of circular section. In the plane (x, y), the field plate FP1 has a plurality of first blocks, arranged at a distance dG-FPi equal to 0.1 micron, along a distribution line which follows the drain side of the ring formed by the gate electrode. The spacing between two adjacent pavers is 1 micron. Alternatively, the tiles may have a square shape, rectangle or a form of ring sector, in the plane (x, y).
La deuxième plaque de champ FP2 est formée dans une deuxième couche isolante formée en Si02 d'épaisseur 0,2 micron. La plaque de champ FP2 présente une pluralité de deuxièmes pavés disposés à une distance dG-FP2 égale à 2,2 micron, le long d'une ligne de répartition qui suit le côté drain de l'anneau formé par l'électrode de grille. Ces deuxièmes pavés sont formés par des vias conducteurs de section circulaire de 1 micron. L'espacement entre deux pavés adjacents est de 1 micron. Selon la direction radiale, les deuxièmes pavés sont placés en regard des zones d'espacement entre les premiers pavés.The second FP2 field plate is formed in a second insulating layer formed of 0.2 micron thick SiO 2. The FP2 field plate has a plurality of second blocks arranged at a distance dG-FP2 equal to 2.2 micron, along a distribution line which follows the drain side of the ring formed by the gate electrode. These second blocks are formed by conductive vias of 1 micron circular section. The spacing between two adjacent pavers is 1 micron. In the radial direction, the second blocks are placed next to the spacing zones between the first blocks.
Une ou plusieurs autres plaques de champ FPn selon l'invention pourront être ajoutées si besoin pour gérer le champ électrique entre grille et drain.One or more other FPn field plates according to the invention may be added if necessary to manage the electric field between gate and drain.
Cette configuration de plaques de champ selon l'invention abaisse avantageusement l'intensité du champ électrique généré par la différence de potentiel entre drain et grille. Elle permet également de limiter les capacités parasites du fait de la réduction des surfaces métalliques des plaques de champs.This configuration of field plates according to the invention advantageously lowers the intensity of the electric field generated by the potential difference between drain and gate. It also makes it possible to limit the parasitic capacitances due to the reduction of the metal surfaces of the field plates.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications.Of course, the invention is not limited to the embodiments described and variants can be made without departing from the scope of the invention as defined by the claims.
Le dispositif selon l'invention pourra également consister en ou comprendre d'autres types de composants latéraux à haute tension tels qu'un transistor MOS sur silicium, LDMOS, un transistor HEMT GaAs, GaN, etc.The device according to the invention may also consist of or comprise other types of high voltage side components such as a silicon MOS transistor, LDMOS, a GaAs HEMT transistor, GaN, etc.
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