JP2016524819A - Transistor and transistor manufacturing method - Google Patents

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Abstract

本発明は、支持基板と、支持基板上に被着されかつ第1半導体材料からなる第1半導体層と、第1半導体層に被着されかつ第2半導体材料からなる第2半導体層と、少なくとも第2半導体層に埋め込まれているドレイン端子及びソース端子と、ドレイン端子とソース端子との間のチャネル領域と、チャネル領域を少なくとも部分的に覆うゲート端子と、ドレイン端子及びソース端子とは反対側の、支持基板の面に配置され且つチャネル領域に少なくとも部分的に重なる凹部とを有するトランジスタに関する。第1半導体材料のバンドギャップと第2半導体材料のバンドギャップとは異なる。ドレイン端子及びソース端子を用いて、第1半導体層と第2半導体層との間の境界層に電気的に接触接続可能である。凹部の側方の縁部及び/又は底部は絶縁層に覆われている。The present invention includes a support substrate, a first semiconductor layer deposited on the support substrate and made of a first semiconductor material, a second semiconductor layer deposited on the first semiconductor layer and made of a second semiconductor material, A drain terminal and a source terminal embedded in the second semiconductor layer; a channel region between the drain terminal and the source terminal; a gate terminal at least partially covering the channel region; and the opposite side of the drain terminal and the source terminal The present invention relates to a transistor having a recess disposed on a surface of a support substrate and at least partially overlapping a channel region. The band gap of the first semiconductor material is different from the band gap of the second semiconductor material. The drain terminal and the source terminal can be used for electrical contact connection to the boundary layer between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. Side edges and / or bottoms of the recesses are covered with an insulating layer.

Description

従来の技術
本発明は、トランジスタと、トランジスタの製造方法とに関する。
The present invention relates to a transistor and a method for manufacturing the transistor.

HEMTトランジスタ(High-Electro-Mobility Transistor=高電子移動度トランジスタ)は、電荷担体移動度の高い導電性チャネルによって特徴付けられる、電界効果トランジスタの特別な構造形態である。このチャネルは、従来、適切な半導体をヘテロエピタキシャル成長することにより、ヘテロ構造が、可能な限りにコスト的に有利な基板、例えばケイ素上に作製される。   A HEMT transistor (High-Electro-Mobility Transistor) is a special structural form of a field effect transistor characterized by a conductive channel with high charge carrier mobility. This channel is conventionally made by heteroepitaxially growing a suitable semiconductor on a substrate, such as silicon, where the heterostructure is as cost effective as possible.

しかしながら、この実施形態においてこれらは一般的に、例えば半絶縁性SiC基板のような絶縁性基板の場合よりも高い基板漏れ電流が予想されるという欠点を有する。従って、GaNバッファ層を介して基板内に伸びる漏れ電流路が存在することは、Si上のGaNパワートランジスタの性能を制限する複数の要因のうちの1つである。これにより、基板ドーピングの「トレードオフ」が必要になる。   However, in this embodiment they generally have the disadvantage that a higher substrate leakage current is expected than in the case of an insulating substrate, for example a semi-insulating SiC substrate. Therefore, the presence of a leakage current path extending into the substrate through the GaN buffer layer is one of a number of factors that limit the performance of GaN power transistors on Si. This necessitates a “trade-off” of substrate doping.

この問題の1つの解決手段は、例えば、トランジスタを製造した後、この構造において、活性トランジスタ領域の下方で基板を局所的に除去することにより、基板漏れ電流を取り除き、ひいてはこの素子の降伏特性を格段に改善することができるという点について提案されている。しかしながら、これは、提案された構造において種々の熱特性を犠牲にして行われ、これらの熱特性はこの提案された構造において大きく損なわれてしまうのである。   One solution to this problem is, for example, after manufacturing the transistor, in this structure, the substrate is removed locally under the active transistor region, thereby removing the substrate leakage current and thus the breakdown characteristics of the device. It has been proposed that it can be remarkably improved. However, this is done at the expense of various thermal properties in the proposed structure, and these thermal properties are greatly impaired in the proposed structure.

米国特許出願公開第2006/0099781号明細書には、気相エピタキシによって、欠陥密度の低い窒化ガリウムフィルムを製造する方法が記載されている。   US 2006/0099978 describes a method for producing gallium nitride films with low defect density by vapor phase epitaxy.

発明の開示
上記のことを背景として、本発明により、独立請求項に記載されたトランジスタ及びトランジスタを製造する方法が示される。有利な実施形態は、それぞれ従属請求項及び以下の説明から得られる。
DISCLOSURE OF THE INVENTION Against this background, the present invention provides a transistor and a method of manufacturing the transistor as set forth in the independent claims. Advantageous embodiments are obtained from the dependent claims and the following description, respectively.

本発明により、以下の特徴的構成を有するトランジスタ、即ち、
・ 支持基板と、
・ この支持基板上に被着されかつ第1半導体材料からなる第1半導体層と、
・ この第1半導体層上に被着されかつ第2半導体材料からなる第2半導体層であって、第1半導体材料のバンドギャップと第2半導体材料のバンドギャップとが異なる第2半導体層(いわゆるヘテロ構造)と、
・ 少なくとも第2半導体層に埋め込まれているドレイン端子及びソース端子であって、このドレイン端子及びこのソース端子を用いて、第1半導体材料と第2半導体材料との間の少なくとも1つの境界層に電気的に接触接続可能である、ドレイン端子及びソース端子と、
・ ドレイン端子とソース端子との間のチャネル領域と、
・ 少なくとも部分的にチャネル領域を覆うゲート端子と、
・ ドレイン端子及び/又はソース端子とは反対側の、支持基板の面に配置され、かつ、チャネル領域と少なくとも部分的に重なる凹部であって、この凹部の側方の縁部が絶縁層によって覆われている、凹部とを有するトランジスタが得られるのである。
According to the invention, a transistor having the following characteristic configuration:
A support substrate;
A first semiconductor layer deposited on the support substrate and made of a first semiconductor material;
A second semiconductor layer deposited on the first semiconductor layer and made of a second semiconductor material, wherein the band gap of the first semiconductor material and the band gap of the second semiconductor material are different (so-called Heterostructure)
A drain terminal and a source terminal embedded in at least the second semiconductor layer, the drain terminal and the source terminal being used for at least one boundary layer between the first semiconductor material and the second semiconductor material; A drain terminal and a source terminal that are electrically contactable;
A channel region between the drain terminal and the source terminal;
A gate terminal that at least partially covers the channel region;
A recess disposed on the surface of the support substrate opposite to the drain terminal and / or the source terminal and at least partially overlapping the channel region, and the side edge of the recess is covered with an insulating layer. Thus, a transistor having a concave portion is obtained.

さらに本発明により、トランジスタを製造する方法が得られる。この方法は以下のステップ、即ち、
・ 支持基板を準備するステップと、
・ 第1半導体材料からなる第1半導体層を支持基板上に被着し、第2半導体材料からなる第2半導体層を第1半導体層上に被着するステップであって、第1半導体材料のバンドギャップと第2半導体材料のバンドギャップとが異なる、ステップと、
・ ドレイン端子及びソース端子を形成するステップであって、ドレイン端子及びソース端子は少なくとも第2半導体層に埋め込まれ、ドレイン端子及びソース端子を用いて第1半導体材料と第2半導体材料との間の少なくとも1つの境界層(140)に電気的に接触接続可能であり、ドレイン端子とソース端子との間のチャネル領域がドレイン端子及びソース端子により定められる、ステップと、
・ このチャネル領域を少なくとも部分的に覆うゲート端子を配置するステップと、
・ ドレイン端子及び/又はソース端子とは反対側の、支持基板の面において、チャネル領域に少なくとも部分的に重なる、支持基板の区画に、凹部を設けるステップであって、凹部の縁部が絶縁層によって覆われる、ステップとを有する。
Furthermore, the present invention provides a method for manufacturing a transistor. The method consists of the following steps:
A step of preparing a support substrate;
Depositing a first semiconductor layer made of a first semiconductor material on a support substrate and depositing a second semiconductor layer made of a second semiconductor material on the first semiconductor layer, wherein A step in which the band gap is different from the band gap of the second semiconductor material;
A step of forming a drain terminal and a source terminal, the drain terminal and the source terminal being embedded in at least the second semiconductor layer, and using the drain terminal and the source terminal between the first semiconductor material and the second semiconductor material; Electrically contactable to at least one boundary layer (140), wherein a channel region between the drain terminal and the source terminal is defined by the drain terminal and the source terminal;
Placing a gate terminal that at least partially covers the channel region;
Providing a recess in a section of the support substrate at least partially overlapping the channel region on the surface of the support substrate opposite the drain terminal and / or source terminal, the edge of the recess being an insulating layer Covered by a step.

支持基板とは、ただ1つの材料からなる層又は複数の材料層の結合体のことであると理解することができる。制御領域とは、トランジスタ、特に電界効果トランジスタのチャネルのことであると理解することできる。ここでトランジスタと称されているトランジスタとは、例えば電界効果トランジスタであると理解することができる。凹部とは、支持基板又は支持基板の少なくとも一部分内の凹み又は開口部のことである理解することができる。この凹部の側方の縁部とは、絶縁層によって覆われているこの凹部の横の縁部及び/又は底部のことであると理解することができる。絶縁層とは、例えば、SiO2,Si34又はAlNからなる層と理解することができ、これらの絶縁層は、形成された凹部のパッシベーションによって作製することができる。 A support substrate can be understood as a layer made of only one material or a combination of material layers. The control region can be understood as the channel of a transistor, in particular a field effect transistor. Here, a transistor called a transistor can be understood to be, for example, a field effect transistor. A recess can be understood to be a recess or an opening in at least a portion of a support substrate or support substrate. The lateral edge of the recess can be understood as the lateral edge and / or the bottom of the recess covered by an insulating layer. The insulating layer can be understood as a layer made of, for example, SiO 2 , Si 3 N 4 or AlN, and these insulating layers can be produced by passivation of the formed recesses.

ここで示したアプローチは、ゲート電極とは反対側の、支持基板の面に、絶縁層を有する凹部を設けることにより、基板漏れ電流を低減することが可能であり、又は、阻止することさえも可能であるという知識に基づいている。これは、絶縁層を有する凹部により、支持基板の領域を比較的薄くすることができるため、支持基板のこの比較的薄い領域を通る漏れ電流は、一層大きな抵抗を受けることになり、この抵抗によって漏れ電流が低減され、又は、完全に阻止されるのである。特に、凹部の側方の縁部に配置される絶縁層を設けることによってさらに、一般的に発生する漏れ電流に対する絶縁バリアを得ることができる。   The approach shown here can reduce or even prevent the substrate leakage current by providing a recess with an insulating layer on the side of the support substrate opposite the gate electrode. Based on the knowledge that it is possible. This is because the concave portion having the insulating layer can make the region of the support substrate relatively thin, so that the leakage current passing through this relatively thin region of the support substrate is subjected to a larger resistance, and this resistance Leakage current is reduced or completely prevented. In particular, by providing an insulating layer disposed on the side edge of the recess, an insulating barrier against leakage current that is generally generated can be obtained.

本発明で示したアプローチにより、技術的に容易に作製することができる構造により、トランジスタの電気特性を格段に改善することができる。絶縁層を備えた凹部を設けることによって同時に、熱放出を伴い得る熱結合の可能性も得られるため、トランジスタに比較的大きな熱の発生が予想されかつこの熱を相応に排出しなければならない比較的大きなパワーのスイッチングにも、ここで示したアプローチによるトランジスタを使用できる可能性が生まれる。   With the approach shown in the present invention, the electrical characteristics of the transistor can be remarkably improved by a structure that can be easily manufactured technically. By providing a recess with an insulating layer, at the same time, the possibility of thermal coupling, which can be accompanied by heat dissipation, is also obtained, so that a comparatively large amount of heat is expected to be generated in the transistor and this heat must be expelled accordingly. The possibility of using the transistor by the approach shown here is also possible for the switching of large power.

さらに凹部から、ゲート端子とは反対側の、支持基板の主面上に絶縁層が延在する発明の一実施形態は好適である。ここでは絶縁層は、もはや凹部がない支持基板の領域にも延在し得る。本発明のこのような実施形態の利点は、絶縁層がこのような配置構成において特に確実に漏れ電流を阻止し、又は、少なくとも低減し得ることである。   Furthermore, an embodiment of the invention in which an insulating layer extends from the recess to the main surface of the support substrate on the side opposite to the gate terminal is preferable. Here, the insulating layer can also extend into the region of the support substrate that no longer has a recess. An advantage of such an embodiment of the invention is that the insulating layer can particularly reliably prevent or at least reduce leakage currents in such an arrangement.

支持基板とは反対側の、絶縁層の面では、少なくとも凹部の領域に充填層が配置されている本発明の一実施形態も考えられ、ここでこの充填層は、熱伝導性及び/又は導電性の材料を含む。このような材料には、膜又は層の形で堆積して、絶縁層への平坦な接合が可能になり、この接合を介し、トランジスタのエレメントの熱排出及び/又は電流供給が技術的に簡単に可能になる。本発明のこのような実施形態では、この充填層により、特に効率的なヒートシンク及び/又は電気的な接触接続ができるという利点が得られる。   An embodiment of the invention is also conceivable in which the filling layer is arranged at least in the region of the recesses on the side of the insulating layer opposite the support substrate, where the filling layer is thermally and / or electrically conductive. Contains sex materials. Such materials can be deposited in the form of a film or layer to allow a flat junction to the insulating layer, through which it is technically easy to drain and / or supply current to the transistor elements. Will be possible. In such an embodiment of the invention, this filling layer provides the advantage of a particularly efficient heat sink and / or electrical contact connection.

本発明の別の実施形態によれば、充填層は、少なくとも凹部の領域に、金属材料、特に銅、ポリシリコン、特にドーピングされたポリシリコン、及び/又はSiC、特に高濃度にドーピングしたSiCを有し得る。本発明のこのような実施形態によって得られる利点は、充填層用の熱伝導性及び/又は導電性の材料に対し、例えばコスト的に有利であることが判明している特に良好な材料選択が得られことである。   According to another embodiment of the invention, the filling layer comprises at least in the region of the recesses a metal material, in particular copper, polysilicon, in particular doped polysilicon, and / or SiC, in particular highly doped SiC. Can have. The advantages afforded by such embodiments of the present invention are particularly good material selections that have been found to be cost-effective, for example, over thermally conductive and / or conductive materials for packed beds. It is obtained.

トランジスタの本来の電気的な機能が損なわれすぎないことを保証するため、本発明の一実施形態において、凹部は所定の深さを有しており、これによって第1半導体層と絶縁層との間に支持基板の部分層が配置される。支持基板のこのような部分層は、均一な材料を含むことができ、例えばバッファ層とすることが可能であり、このバッファ層は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素若しくは窒化アルミニウムからなり、又は、これらの材料を少なくとも部分的に含む。   In order to ensure that the original electrical function of the transistor is not impaired too much, in one embodiment of the present invention, the recess has a predetermined depth, whereby the first semiconductor layer and the insulating layer A partial layer of the support substrate is disposed between them. Such a partial layer of the support substrate can comprise a uniform material, for example it can be a buffer layer, which consists of silicon dioxide, silicon nitride or aluminum nitride, or these Material at least partially.

第2半導体層、ソース端子、ドレイン端子及び/又はゲート端子を覆う別の支持基板が設けられている本発明の実施形態は特に安定である。本発明のこのような実施形態により、凹部によって支持基板に生じるこの支持基板の保持力の低下が、上記別の支持基板の付加的な保持力によって補われ得る、という利点が得られる。   Embodiments of the present invention in which another support substrate is provided that covers the second semiconductor layer, the source terminal, the drain terminal and / or the gate terminal are particularly stable. Such an embodiment of the present invention provides the advantage that the reduction in the holding force of the support substrate caused by the recess in the support substrate can be compensated by the additional holding force of the other support substrate.

本発明の別の実施形態によれば、上記端子の領域から熱を排出するため、又は電気的な接触接続のため、別の凹部を設けることも可能である。この別の凹部は、ゲート端子とは反対側の、支持基板の面から、第1又は第2半導体層まで延在しており、特にこの別の凹部は、チャネル領域とは重ならない、支持基板の区画に配置されている。例えば、この別の凹部は、ドレイン端子又はソース端子と並べて横方向に、チャネル又はチャネル領域外に配置することができる。   According to another embodiment of the present invention, it is possible to provide another recess for discharging heat from the region of the terminal or for electrical contact connection. The another recess extends from the surface of the support substrate opposite to the gate terminal to the first or second semiconductor layer, and in particular, the another recess does not overlap the channel region. It is arranged in the section of. For example, this other recess can be arranged laterally alongside the drain or source terminal and outside the channel or channel region.

漏れ電流が、側方乃至横方向に端子からチャネル領域とは反対側に流れることを阻止するため、本発明の別の実施形態によれば、別の凹部の縁部に、少なくとも部分的に上記絶縁層又は別の絶縁層を配置することができる。凹部又は別の実施の縁部とは、例えば、支持基板に対するこの別の凹部の側壁及び/又は底部のことである。   In order to prevent leakage current from flowing laterally or laterally from the terminal to the opposite side of the channel region, according to another embodiment of the present invention, at least partially on the edge of another recess. An insulating layer or another insulating layer can be arranged. A recess or another implementation edge is, for example, the side wall and / or the bottom of this other recess with respect to the support substrate.

この別の凹部により、特に良好な導電接続が行われるか又は良好な熱排出を可能にするため、本発明の別の実施形態によれば、この別の凹部に上記充填層又は別の充填層を配置する。これらの充填層は、熱伝導性及び/又は導電性の材料を有しており、特に上記別の充填層は、ソース端子、ドレイン端子又は境界層に導電的に接続される。   In order to provide a particularly good conductive connection or to allow good heat dissipation by means of this further recess, according to another embodiment of the present invention, this further recess has said filling layer or another filling layer Place. These filling layers have a thermally conductive and / or conductive material, and in particular, the further filling layer is electrically connected to a source terminal, a drain terminal or a boundary layer.

本発明の別の実施形態によれば、第1及び第2半導体材料は、III/V化合物半導体結合体を形成することができる。本発明のこのような実施形態によって得られる利点は、第1半導体材料と第2半導体材料との間の境界における特に良好かつ極めて高い電子移動度である。これにより、特に高速にスイッチングするトランジスタを具現化することができる。   According to another embodiment of the invention, the first and second semiconductor materials can form a III / V compound semiconductor combination. The advantage afforded by such an embodiment of the present invention is a particularly good and very high electron mobility at the boundary between the first and second semiconductor materials. As a result, a transistor that switches at a particularly high speed can be realized.

さらに第1半導体材料がAlGaNを含有し、第2半導体材料がGaNを含有する、又は、第1半導体材料GaNを含有し、第2半導体材料がAlGaNを含有する本発明の実施形態は有利である。本発明のこのような実施形態によって得られる利点は、技術的に特に良好かつ簡単に加工される半導体材料をトランジスタに使用でき、このトランジスタが、良好なスイッチング特性に加え、さらに極めてコスト的に有利に製造できることである。   Furthermore, embodiments of the present invention in which the first semiconductor material contains AlGaN and the second semiconductor material contains GaN or the first semiconductor material GaN and the second semiconductor material contains AlGaN are advantageous. . The advantage obtained by such an embodiment of the present invention is that it is possible to use a semiconductor material that is particularly good and easy to process in the technology for the transistor, which in addition to good switching properties, is also very cost-effective. It can be manufactured.

本発明の別の実施形態によれば、支持基板は、保持材料からなる保持層を有することができ、この保持材料は、支持基板の主材料とは異なる。ここで特に支持基板の主材料はケイ素を有し、第1半導体材料は、この保持層に配置される。本発明のこの実施形態によって得られる利点は、保持層を形成することにより、この保持層における第1半導体材料の良好かつ安定した固定を具現化できることである。   According to another embodiment of the invention, the support substrate can have a holding layer made of a holding material, which is different from the main material of the support substrate. Here, in particular, the main material of the support substrate has silicon, and the first semiconductor material is arranged in this holding layer. An advantage obtained by this embodiment of the present invention is that the formation of the retention layer can embody good and stable fixation of the first semiconductor material in the retention layer.

本発明の特に有利な実施形態によれば、ゲート端子は、チャネル領域から、ゲート酸化物層又はゲート誘電体層により、電気的に絶縁して分離することができ、ここでは特にゲート酸化物層又はゲート誘電体層に、少なくとも1つのあらかじめ定めたタイプの電荷担体が埋め込まれ、及び/又は、ゲート酸化物層又はゲート誘電体層は、あらかじめ定めた濃度の電荷担体を有する。本発明のこのような実施形態によって得られるのは、トランジスタの出力タイプの設定でき、特にトランジスタをノーマリオフ又はノーマリオンとして特徴付けられるという利点である。ゲート酸化物層(ゲート誘電体層)の厚さ及び/又はゲート酸化物層(ゲート誘電体層)におけるあらかじめ定めた電荷担体の濃度により、降伏電圧乃至活性電圧を設定することも可能である。   According to a particularly advantageous embodiment of the invention, the gate terminal can be electrically isolated and separated from the channel region by a gate oxide layer or a gate dielectric layer, in particular here a gate oxide layer. Alternatively, at least one predetermined type of charge carrier is embedded in the gate dielectric layer, and / or the gate oxide layer or gate dielectric layer has a predetermined concentration of charge carriers. Such an embodiment of the present invention provides the advantage that the transistor output type can be set, and in particular the transistor can be characterized as normally off or normally on. Depending on the thickness of the gate oxide layer (gate dielectric layer) and / or a predetermined charge carrier concentration in the gate oxide layer (gate dielectric layer), the breakdown voltage or the activation voltage can be set.

以下、添付の図面に基づき、本発明を例示によって詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

本発明の一実施例によるトランジスタの断面図である。1 is a cross-sectional view of a transistor according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施例によるトランジスタの断面図を種々異なる製造段階において示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a cross-sectional view of a transistor according to an embodiment of the present invention at various manufacturing stages. 本発明の別の一実施例によるトランジスタの断面図である。It is sectional drawing of the transistor by another one Example of this invention. 本発明のさらに別の一実施例によるトランジスタの断面図である。It is sectional drawing of the transistor by another one Example of this invention. 本発明のさらに別の一実施例によるトランジスタの断面図である。It is sectional drawing of the transistor by another one Example of this invention. 本発明の実施例による方法の流れ図である。3 is a flowchart of a method according to an embodiment of the present invention.

本発明の好適な実施例の以下の説明において、異なる図面において示されているが類似の作用を有する要素には同じ又は類似の参照符号を使用している。これらの要素の繰り返しの説明は省略する。   In the following description of the preferred embodiment of the present invention, the same or similar reference numerals are used for elements that are shown in different drawings but have similar functions. A repeated description of these elements is omitted.

図1には、本発明の一実施例によるトランジスタ100の断面図が示されている。トランジスタ100には、半導体基板又は支持基板110が含まれており、この基板には、主構成部115(例えば111格子構造を備えたケイ素結晶)と、主構成部115上に被着されたバッファ層120とが含まれている。バッファ層120は、例えば、窒化アルミニウム層と、これに続く、Alの濃度が低くなる複数のAlGaN層の列とから構成することができ、これにより、支持基板上に堆積すべき層の格子構造に最適に適合される。バッファ層120は、バッファ層120上に配置される半導体ヘテロ構造125のための極めて良好な接着ベースとして使用される。   FIG. 1 shows a cross-sectional view of a transistor 100 according to one embodiment of the present invention. The transistor 100 includes a semiconductor substrate or support substrate 110, which includes a main component 115 (for example, a silicon crystal having a 111 lattice structure) and a buffer deposited on the main component 115. Layer 120 is included. The buffer layer 120 can be composed of, for example, an aluminum nitride layer followed by a plurality of rows of AlGaN layers with a low concentration of Al, whereby the lattice structure of the layer to be deposited on the support substrate Is optimally adapted to. The buffer layer 120 is used as a very good adhesion base for the semiconductor heterostructure 125 disposed on the buffer layer 120.

半導体ヘテロ構造125は、例えば、異なる半導体材料の2つの層の積層体とすることが可能である。例えば、これらの異なる半導体材料は、バンドギャップ若しくは禁止帯の異なる半導体材料から構成し又はこれらを含むことできる。ヘテロ構造125の半導体材料は、(第1半導体材料からなる)第1半導体層130として、また第1半導体層に配置される(第2半導体材料からなる)第2半導体層135として配置することができ、III−V半導体結合体又はIII−V半導体結合体系を構成することできる。このことが意味するのは、第1半導体層130の半導体材料が、III族材料とすることができる(即ち、周期表の第3典型元素群に属する材料)のに対し、第2半導体層135の半導体材料は、V族材料とすることができる(即ち、周期表の第5典型元素群に属する材料)。第1半導体材料をV族材料とし、第2半導体材料をIII族材料とすることも可能である。特に第1半導体材料をAlGaNとし、第2半導体材料をGaNとすることができる(又はこれらの材料を相応に含む)か又はこの逆とすることができる。   The semiconductor heterostructure 125 can be, for example, a stack of two layers of different semiconductor materials. For example, these different semiconductor materials can be composed of or include semiconductor materials with different band gaps or forbidden bands. The semiconductor material of the heterostructure 125 may be arranged as the first semiconductor layer 130 (made of the first semiconductor material) and as the second semiconductor layer 135 (made of the second semiconductor material) arranged in the first semiconductor layer. And can constitute a III-V semiconductor combination or a III-V semiconductor combination system. This means that the semiconductor material of the first semiconductor layer 130 can be a group III material (that is, a material belonging to the third typical element group of the periodic table), whereas the second semiconductor layer 135 The semiconductor material can be a group V material (that is, a material belonging to the fifth typical element group of the periodic table). The first semiconductor material may be a group V material, and the second semiconductor material may be a group III material. In particular, the first semiconductor material can be AlGaN and the second semiconductor material can be GaN (or correspondingly contain these materials) or vice versa.

これらの2つの半導体材料の間には境界層140が形成され、この境界層において電子は特に高い移動度を有する。境界層140は、2次元電子ガス(2DEG)として作用し、また大出力、即ち、大電流及び/又は高電圧に対し、極めて良好にスイッチングを行うことができる。境界層140に電気的に接触接続できるようにするため、ドレイン端子145及びソース端子150が設けられており、この端子は、第2半導体層135を通って、境界層140まで乃至第1半導体層に達している。ドレイン端子145乃至ソース端子150の側方には、即ち、それぞれ他方の端子とは反対側に向かって、横方向の絶縁層153が設けられており、この絶縁層は、ドレイン端子145とソース端子150との間のチャネル領域160から電子の流出を阻止する。   A boundary layer 140 is formed between these two semiconductor materials, in which electrons have a particularly high mobility. The boundary layer 140 acts as a two-dimensional electron gas (2DEG) and can perform very good switching for high power, i.e., high current and / or high voltage. A drain terminal 145 and a source terminal 150 are provided in order to make electrical contact connection to the boundary layer 140, and these terminals pass through the second semiconductor layer 135 to the boundary layer 140 to the first semiconductor layer. Has reached. A lateral insulating layer 153 is provided on the side of the drain terminal 145 to the source terminal 150, that is, toward the side opposite to the other terminal, and the insulating layer includes the drain terminal 145 and the source terminal. Electron outflow from the channel region 160 between 150 is prevented.

第2半導体層135の表面160にはさらに、ゲート酸化物層165がゲート誘電体として配置されている。ゲート酸化物層165上ではチャネル領域155の領域にゲート端子170が設けられているため、トランジスタ100は電界効果トランジスタとして構成されている。この限りにおいてチャネル領域155は、電界効果トランジスタのチャネルと理解することが可能である。   A gate oxide layer 165 is further disposed on the surface 160 of the second semiconductor layer 135 as a gate dielectric. Since the gate terminal 170 is provided in the region of the channel region 155 on the gate oxide layer 165, the transistor 100 is configured as a field effect transistor. In this respect, the channel region 155 can be understood as a channel of a field effect transistor.

トランジスタ100のカットオフ電圧の特に良好な設定を得るため、ゲート酸化物層165を電荷担体によって「汚染」又はドーピングする。これにより、チャネル領域155において、及び/又は、境界層140において、ゲート端子170に加わる電圧が電荷担体移動度に与える影響を変化させることができる。   In order to obtain a particularly good setting of the cutoff voltage of the transistor 100, the gate oxide layer 165 is "contaminated" or doped with charge carriers. Thereby, in the channel region 155 and / or the boundary layer 140, the influence of the voltage applied to the gate terminal 170 on the charge carrier mobility can be changed.

特に良好に(例えばソース端子150からドレイン端子145への)漏れ電流を阻止するため、支持基板110内に凹部180を配置することができる。この凹部180は、特に支持基板110の主材料115内に配置され又は形成され、第1半導体層130と、凹部との間にはバッファ層120が残存している。凹部180の側方の壁即ち縁部182及び底部183は、SiO2,Si34又はAlNのような電気絶縁材料からなる絶縁層185によって覆われている。さらに凹部180が含まれていない、支持基板110の主構成部分115即ち主材料の主面186上にもこの絶縁層185は延在している。これにより、特に良好な電気絶縁を得ることができる。さらに支持基板110とは反対側の、絶縁層の面には充填層187を被着することができる。この充填層187は、例えば銅、ドーピングされたポリシリコン又は高濃度にドーピングしたSiCのような熱伝導性及び/又は導電性の材料を含むことができ又はこのような材料から構成することができる。充填層187は、例えば、絶縁層185が設けられているのにもかかわらず残存している凹部180の凹みを充填し、これにより、絶縁層185は、凹部180の底部183及び複数の縁部182と、充填層187との間にサンドイッチ状に配置される。 In order to prevent leakage current particularly well (for example, from the source terminal 150 to the drain terminal 145), the recess 180 can be disposed in the support substrate 110. The recess 180 is disposed or formed particularly in the main material 115 of the support substrate 110, and the buffer layer 120 remains between the first semiconductor layer 130 and the recess. The side walls or edges 182 and bottom 183 of the recess 180 are covered with an insulating layer 185 made of an electrically insulating material such as SiO 2 , Si 3 N 4 or AlN. Further, the insulating layer 185 also extends over the main component 115 of the support substrate 110, that is, the main surface 186 of the main material, which does not include the recess 180. Thereby, particularly good electrical insulation can be obtained. Further, a filling layer 187 can be applied to the surface of the insulating layer opposite to the support substrate 110. This fill layer 187 can comprise or consist of a thermally and / or electrically conductive material such as, for example, copper, doped polysilicon or heavily doped SiC. . The filling layer 187 fills, for example, the recesses of the recesses 180 that remain even though the insulating layer 185 is provided, so that the insulating layer 185 has a bottom 183 and a plurality of edges of the recesses 180. 182 and the packed bed 187 are arranged in a sandwich shape.

凹部180及び絶縁層185を、凹部180の縁部182及び底部183上に設けることにより、支持基板110乃至支持基板110の一部分(例えば主構成部分115)を通る漏れ電流を、完全に阻止することはなくても少なくとも低減することができる。このために、チャネル領域155に少なくとも部分的に重なる、支持基板110の少なくとも一部分190に凹部を配置する。絶縁層185は、一実施例によれば、十分な電気絶縁作用を保証するため、例えば0.1μmよりも小さくしないようにする。しかしながら絶縁層185は、絶縁層185を通して十分に高い熱伝導率を保証するため、10μmよりも大きな厚さを有しないようにする。これにより、トランジスタ100の動作時に発生する熱は、支持基板110と、絶縁層185と、充填層187とを介して排出することができる。この点において、図1に示した絶縁層185の堆積と、凹部180乃至絶縁層185を載置した後に残ったトレンチの、熱伝導性及び/又は導電性の(充填)層187による充填とは、従来のトランジスタに比べてトランジスタ100の特性を改善するのに役立つ。   By providing the recess 180 and the insulating layer 185 on the edge 182 and the bottom 183 of the recess 180, leakage current passing through the support substrate 110 to a part of the support substrate 110 (for example, the main component 115) is completely prevented. If not, it can be reduced at least. To this end, a recess is disposed in at least a portion 190 of the support substrate 110 that at least partially overlaps the channel region 155. According to one embodiment, the insulating layer 185 is not made smaller than, for example, 0.1 μm in order to ensure sufficient electrical insulation. However, the insulating layer 185 should not have a thickness greater than 10 μm to ensure sufficiently high thermal conductivity through the insulating layer 185. Thus, heat generated during operation of the transistor 100 can be discharged through the support substrate 110, the insulating layer 185, and the filling layer 187. In this respect, the deposition of the insulating layer 185 shown in FIG. 1 and the filling of the trenches remaining after placing the recesses 180 to 185 with the thermally conductive and / or conductive (filled) layer 187 are as follows. It helps to improve the characteristics of the transistor 100 compared to the conventional transistor.

さらに(オプションの)ゲート酸化物層165(これはゲート誘電体として構成することも可能である)、ドレイン端子150、ソース端子145、及び/又は、ゲート端子170を保護層195によって保護することも可能である。保護層195は、例えば保護塗料として形成することができる。保護層195は、ゲート酸化物層165及びゲート端子170に直接被着することができ、これらのエレメントを覆うことができる。これにより、損傷又は周囲環境の作用からトランジスタ100乃至トランジスタ100の表面を確実に保護することができる。   In addition, the (optional) gate oxide layer 165 (which can also be configured as a gate dielectric), the drain terminal 150, the source terminal 145, and / or the gate terminal 170 may be protected by a protective layer 195. Is possible. The protective layer 195 can be formed as a protective paint, for example. A protective layer 195 can be applied directly to the gate oxide layer 165 and the gate terminal 170 and can cover these elements. Thus, the surface of the transistor 100 to the transistor 100 can be reliably protected from damage or the effect of the surrounding environment.

トランジスタ100の上で説明した構造は、ゲート誘電体を有する標準HEMT構造と称することができる。構造から見ると、このHEMTトランジスタは、大きさの異なるバンドギャップ(いわゆるヘテロ構造)を有する種々異なる半導体材料の層から構成される。このためには特に、周期表のIII/V族の元素からなる化合物半導体が対象となる。例えば材料系GaN/AlGaNを使用することができる。これらの材料を互いに切り離すと、これらの材料の境界面においてGaNの両側に導電性チャネルとして使用され得る2次元電子ガスが形成される。なぜならばここでは電子移動度は極めて高いからである(一般的に2000cm2/Vs)。 The structure described above for transistor 100 can be referred to as a standard HEMT structure with a gate dielectric. Viewed from the structure, this HEMT transistor is composed of layers of different semiconductor materials having different band gaps (so-called heterostructures). For this purpose, in particular, compound semiconductors composed of III / V group elements of the periodic table are targeted. For example, the material system GaN / AlGaN can be used. When these materials are separated from each other, a two-dimensional electron gas is formed that can be used as a conductive channel on both sides of the GaN at the interface of these materials. This is because the electron mobility is extremely high here (generally 2000 cm 2 / Vs).

このようなGaN・HEMTトランジスタは、Si,SiC又はサファイア基板上にGaN/AlGaNヘテロ構造をエピタキシャル成長させることによって製造することができる。これらの素子は、導電性の高いチャネルが存在することに起因して常にノーマリオン型である。しかしながら、多くの適用分野において、例えば自動車分野においてノーマリオフ型の素子が安全性及びスイッチング上の面から望まれている。ノーマリオフ型GaN素子を具現化するためには、従って、チャネル領域における適切な方法により、境界層140における2DEGを局所的に破壊する必要がある。例えば、AlGaNバリアを局所的に薄くする、蛍光体を打ち込む、あるいは、反転チャネル素子のようにすでに複数の方法が成功しているように見えるが、これらには一般的に著しい性能低下及び/又は信頼性の問題が伴っている。ここで示したアプローチでは、この問題を扱い且つGaNベースの高性能ノーマリオフトランジスタの具現化を可能にする構造が提案される。   Such a GaN HEMT transistor can be manufactured by epitaxially growing a GaN / AlGaN heterostructure on a Si, SiC or sapphire substrate. These elements are always normally on due to the presence of highly conductive channels. However, in many application fields, for example, in the automobile field, normally-off type elements are desired from the viewpoint of safety and switching. In order to implement a normally-off GaN device, it is therefore necessary to locally destroy the 2DEG in the boundary layer 140 by an appropriate method in the channel region. For example, it seems that several methods have already been successful, such as locally thinning the AlGaN barrier, implanting phosphors, or inversion channel devices, but these generally have significant performance degradation and / or There is a problem with reliability. The approach presented here deals with this problem and proposes a structure that allows the realization of a GaN-based high performance normally-off transistor.

さらにGaN・HEMTトランジスタは、Si基板、SiC基板又はサファイア基板これに加えて困難が生じるのは、GaNに対する一般的な成長温度(1000乃至1200℃)においてSiが機械的に不安になることである。従って、上記の成長に対し、比較的な良好な機械的及び熱的特性に起因して有利にはドーピングされたSi(111)基板が選択される。   Furthermore, in the GaN / HEMT transistor, the Si substrate, the SiC substrate, or the sapphire substrate. In addition to this, Si becomes mechanically uneasy at a general growth temperature (1000 to 1200 ° C.) for GaN. . Thus, for the above growth, a doped Si (111) substrate is advantageously selected due to the relatively good mechanical and thermal properties.

特に本発明では、製造方法に対するアプローチも提案され、このアプローチにより、所期のようにゲート誘電体165に電荷担体を入れることができ、これによってGaN・HEMTのカットオフ電圧が設定される。こうすることにより簡単な方法によって、従来のコンセプトと比べて複数の利点を有するノーマリオフ型素子を具現化することができる。   In particular, in the present invention, an approach to a manufacturing method is also proposed. By this approach, charge carriers can be put into the gate dielectric 165 as expected, and thereby, a cut-off voltage of the GaN / HEMT is set. By doing so, a normally-off type element having a plurality of advantages over the conventional concept can be realized by a simple method.

ここで提案されるアプローチにより、例えばGaN/AlGaN材料系において、電荷担体が2次元ヘテロ構造境界面140に沿って移動する素子を作製することができる。ヘテロ構造125にはソース端子150及びドレイン端子145によって側方から接触接続することができ、ソース155とドレイン145との間のチャネル領域155はゲート電極170によって制御される。ゲート電極170は、ゲート誘電体165によってチャネル領域155から分離され、このゲート電極には、トランジスタ100のカットオフ電圧を設定する安定した電荷担体を所期のように入れることができる。   With the approach proposed here, for example, in a GaN / AlGaN material system, a device in which charge carriers move along the two-dimensional heterostructure interface 140 can be produced. The heterostructure 125 can be contacted laterally by a source terminal 150 and a drain terminal 145, and the channel region 155 between the source 155 and the drain 145 is controlled by the gate electrode 170. The gate electrode 170 is separated from the channel region 155 by the gate dielectric 165, and stable charge carriers that set the cut-off voltage of the transistor 100 can be placed in the gate electrode as desired.

素子製造のためのこのような方法の一アプローチは、図2Aに関連して詳細に説明する以下のステップを有することができる。まずはじめにバッファ層120及びGaN/AlGaNヘテロ構造125を支持基板110の主構成部分115上に堆積することができる。この堆積は、主構成部分115である高濃度にドーピングしたSi(111)基板上にMOCVD・GaN/GaN層125を堆積する形態で行うことができる。GaN/AlGaNヘテロ構造125と、例えばGaNからなり又はこの材料を含有する第1半導体材料からなる第1半導体層130と、例えばAlGaNからなり又はこの材料を含有する第2半導体材料からなる第2半導体層135とにより、境界層140を形成することができ、この境界層には、いわゆる2次元電子ガスがあり、2次元電子ガスにより、製造すべき素子即ちトランジスタ100の極めて良好な導電性を得ることができる。   One approach of such a method for device fabrication may have the following steps described in detail in connection with FIG. 2A. First, the buffer layer 120 and the GaN / AlGaN heterostructure 125 can be deposited on the main component 115 of the support substrate 110. This deposition can be performed by depositing the MOCVD GaN / GaN layer 125 on the heavily doped Si (111) substrate which is the main component 115. GaN / AlGaN heterostructure 125, first semiconductor layer 130 made of, for example, GaN or made of a first semiconductor material containing this material, and second semiconductor made of, for example, AlGaN, or made of a second semiconductor material containing this material A boundary layer 140 can be formed by the layer 135, and this boundary layer has a so-called two-dimensional electron gas, and the two-dimensional electron gas provides very good conductivity of the element to be manufactured, that is, the transistor 100. be able to.

この後、図2Bに示したように、領域153における横方向の素子分離を行うことができる。この分離は、例えば、図1のトランジスタ100の横方向の分離層153におけるイオン打ち込みによって行うことできる。この後、所期のように電荷担体を入れることのできるゲート誘電体165のオプションの堆積が行われる。これらの電荷担体は、極性と、表面濃度と、分布とに応じてHEMTトランジスタ100の電気特性をシフトさせる。特に、例えばトランジスタ100としてノーマリオフ素子を製造することができる。引き続き、ゲート電極170の堆積及び構造化を行うことでき、その後、ソース端子150及びドレイン端子145による2DEG(即ち境界層140)の接触接続が行われる。この点において図2Bの断面図は半製品を示しており、この半製品は、打ち込みによる横方向の分離と、最適なゲート誘電体と、基板漏れ電流路の析出とによって標準HEMT製造を可能にする。   Thereafter, as shown in FIG. 2B, lateral element isolation in the region 153 can be performed. This separation can be performed, for example, by ion implantation in the lateral separation layer 153 of the transistor 100 in FIG. This is followed by an optional deposition of gate dielectric 165 that can contain charge carriers as desired. These charge carriers shift the electrical properties of the HEMT transistor 100 according to polarity, surface concentration, and distribution. In particular, a normally-off element can be manufactured as the transistor 100, for example. Subsequently, the gate electrode 170 can be deposited and structured, after which the 2DEG (ie, boundary layer 140) contact connection by the source terminal 150 and the drain terminal 145 is made. In this regard, the cross-sectional view of FIG. 2B shows a semi-finished product that allows standard HEMT manufacturing by lateral separation by implantation, optimal gate dielectric, and deposition of substrate leakage current paths. To do.

ここで示したアプローチにより、降伏特性の改善することでき、ここでこの改善は、例えば、このような改善がなければ発生する(基板の)漏れ電流が阻止され又は少なくとも低減され得ることによって具現化される。また同時に、従来のGaN素子に比べ、改善された熱特性及び付加的な機能も具現化することができる。   With the approach presented here, it is possible to improve the yield characteristics, where this improvement is embodied, for example, by preventing (or at least reducing) the leakage current (of the substrate) that would otherwise occur. Is done. At the same time, improved thermal characteristics and additional functions can be realized as compared to conventional GaN devices.

ここで漏れ電流200を可能な限りに小さく維持し又は完全に阻止できるようにするため、ここでは図2Cのように、上記のステップに従って準備したトランジスタの前面側(即ち、ゲート電極170がある側)にまず、保護層195、例えば保護塗料からなる保護層を被着する。その後、支持基板110を薄くし、また支持基板110又は支持基板110の一部分を局所的に除去する。ここでこの一部分は、活性トランジスタ領域の下の、即ち、チャネル領域155の下の部分190における支持基板110の主構成部分115に対応する。このことが意味するのは、支持基板における凹部180は、部分190において主構成部分115を除去することによって得られることであり、ここで部分190は少なくとも部分的にチャネル領域155と重なる。   Here, in order to keep the leakage current 200 as small as possible or completely blocked, here, as shown in FIG. 2C, the front side of the transistor prepared according to the above steps (ie, the side where the gate electrode 170 is located). First, a protective layer 195, for example, a protective layer made of a protective coating is applied. Thereafter, the support substrate 110 is thinned, and the support substrate 110 or a part of the support substrate 110 is locally removed. Here, this portion corresponds to the main component 115 of the support substrate 110 in the portion 190 below the active transistor region, ie below the channel region 155. This means that the recess 180 in the support substrate is obtained by removing the main component 115 in the portion 190, where the portion 190 at least partially overlaps the channel region 155.

これに続いて凹部180の縁部182及び底部183に絶縁層を被着し、これによって図1に示したトランジスタ100が得られる。   Subsequently, an insulating layer is deposited on the edge 182 and bottom 183 of the recess 180, whereby the transistor 100 shown in FIG. 1 is obtained.

上記処理中に上記局所的な除去をより一層良好に位置合わせしてより良好な機械的安定性を得るため、トランジスタ100の製造を準備するための択一的な処理を行うことができる。ここでは、図3に相応してまず、前面(即ち、ゲート端子170が配置されている面)に対するメサエッチングのステップを行って、トランジスタ100の前面に又はこの前面から溝300(又はトレンチ)を作製する。このトレンチ310は、ゲート酸化物層165から支持基板110の主構成部分115まで貫通しており、支持基板110乃至トランジスタ100全体の開口部を構成している。これに続き、トランジスタ100の前面にパッシベーション層310をトランジスタ100の前面に堆積する。このパッシベーション層は、SiO2からなり又はSiO2を少なくとも部分的に含有している。ここでパッシベーション層310には別の支持基板320が接着され、これによってトランジスタ100は、後続の製造ステップに対して安定化される。トレンチ300は、後面(即ち、支持基板110の主構成部分115が配置されている面)からのドレイン端子150の電気的及び/又は熱的な接触接続に使用することができる。このことについては後でさらに詳細に説明する。 In order to better align the local removal during the process and to obtain better mechanical stability, an alternative process for preparing the manufacture of the transistor 100 can be performed. Here, according to FIG. 3, first, a mesa etching step is performed on the front surface (that is, the surface on which the gate terminal 170 is disposed) to form a trench 300 (or trench) on or from the front surface of the transistor 100. Make it. The trench 310 penetrates from the gate oxide layer 165 to the main component 115 of the support substrate 110 and constitutes an opening of the support substrate 110 to the entire transistor 100. Subsequently, a passivation layer 310 is deposited on the front surface of the transistor 100 on the front surface of the transistor 100. This passivation layer is made of SiO 2 or contains SiO 2 at least partially. Here, another support substrate 320 is adhered to the passivation layer 310, which stabilizes the transistor 100 against subsequent manufacturing steps. The trench 300 can be used for electrical and / or thermal contact connection of the drain terminal 150 from the rear surface (ie, the surface on which the main component 115 of the support substrate 110 is disposed). This will be described in more detail later.

図3に従って上のように準備した構造において凹部180を設け、続いて絶縁層185及び充填層187を被着すれば、図4に対応するトランジスタ100を具現化することができる。ここでは、縁部及び底部(即ち、パッシベーション層310との境界)そのものに絶縁層185が配置されておりかつ充填層187で満たされているトレンチ300により、トランジスタ100の後面からのドレイン端子150の熱結合が行われる。従って、絶縁層185を堆積し、また充填層18、即ち、例えば銅のような熱伝導性及び/又は導電性の層で(残りの)トレンチ300を充填することにより、トランジスタ100の前面の構造の熱的及び/又は電気的な接触接続を行うことができる。従って、トレンチ300は、(凹部180と類似の)別の凹部と考えることができる。しかし、この別の凹部は、トランジスタ100の後面からの凹部180とは異なり、トランジスタ100の前面から作製される。しかし、このことは、別の凹部300の機能にとってはどうでもよいことである。   If the recess 180 is provided in the structure prepared as described above according to FIG. 3, and then the insulating layer 185 and the filling layer 187 are deposited, the transistor 100 corresponding to FIG. 4 can be realized. Here, the trench 300 in which the insulating layer 185 is disposed at the edge and the bottom (that is, the boundary with the passivation layer 310) itself and is filled with the filling layer 187, causes the drain terminal 150 from the rear surface of the transistor 100. Thermal bonding is performed. Accordingly, the structure of the front side of the transistor 100 is deposited by depositing the insulating layer 185 and filling the (remaining) trench 300 with a filling layer 18, ie a thermally and / or electrically conductive layer such as copper. Thermal and / or electrical contact connections can be made. Thus, the trench 300 can be considered as another recess (similar to the recess 180). However, this other recess is made from the front surface of the transistor 100, unlike the recess 180 from the rear surface of the transistor 100. However, this does not matter for the function of the other recess 300.

この別の凹部300により、図4に示したように、ドレイン端子150の接触接続が可能になるだけなく、むしろトランジスタ100乃至支持基板110においてトレンチ300の位置を適切に選択することにより、ほぼすべての任意の構造又はすべての任意の端子、例えばゲート端子170及び/又はソース端子145も上記のように充填したトレンチ300により、熱的及び/又は電気的に接触接続させることができる。しかし、電気的な接触接続の際に注意しなければならないのは、絶縁層185が、対応する開口部又は少なくとも電気透過性を有しており、これにより、例えばドレイン端子150はトランジスタ100の後面からも接触接続できることである。従って、上記充填層は、オプションのバックゲート電極乃至バックドレイン電極として利用することができる。   This additional recess 300 not only allows contact connection of the drain terminal 150, as shown in FIG. 4, but rather, by properly selecting the location of the trench 300 in the transistor 100 through the support substrate 110, almost all Any structure or any terminal, such as gate terminal 170 and / or source terminal 145, can also be thermally and / or electrically contacted by trench 300 filled as described above. However, it should be noted when making electrical contact connections that the insulating layer 185 has a corresponding opening or at least electrically transmissive, so that, for example, the drain terminal 150 is connected to the rear surface of the transistor 100. It is also possible to contact contact from. Therefore, the filling layer can be used as an optional back gate electrode or back drain electrode.

トレンチ300乃至別の凹部300に絶縁層185が被着されない実施例も考えられる。このような実施例は、図4に断面図で示されている。この場合、別の凹部300内の絶縁層185を省略することにより、例えば、(別の凹部300に配置される)充填層187の導電性材料により、ドレイン端子150のような端子の電気的な接触接続が可能になる。トランジスタ100の前面における構造の特に良好な熱的な接触接続も上記後面から行うことができる。   An embodiment in which the insulating layer 185 is not deposited on the trench 300 or another recess 300 is also conceivable. Such an embodiment is shown in cross-section in FIG. In this case, by omitting the insulating layer 185 in the other recess 300, for example, the electrical material of the terminal such as the drain terminal 150 is formed by the conductive material of the filling layer 187 (arranged in the other recess 300). Contact connection is possible. A particularly good thermal contact connection of the structure on the front side of the transistor 100 can also be made from the rear side.

従って、本発明の図5に示した別の実施例によれば、ソース端子150の下側の別の凹部300において絶縁層185を開口すること(又は絶縁層185の被着を省略すること)により、(例えば金属の)(例えば銅を含有するか又は銅製の)充填層187をトランジスタ100の後面からのソース電極として利用することが可能になる。これにより、トランジスタ100を垂直型素子として具現化することができ、この素子により、支持基板を通して接触接続する選択肢が可能になる。   Therefore, according to another embodiment shown in FIG. 5 of the present invention, the insulating layer 185 is opened in another recessed portion 300 on the lower side of the source terminal 150 (or the deposition of the insulating layer 185 is omitted). This makes it possible to use a filler layer 187 (eg, containing metal) (eg, containing copper or made of copper) as a source electrode from the rear surface of the transistor 100. This allows the transistor 100 to be embodied as a vertical element, which allows the option of contact connection through a support substrate.

要約すると分かるのは、種々異なる実施例において示した製造方法により、降伏特性を格段に改善し、ひいてはGaNパワートランジスタの信頼性を高めることができることである。さらにここで種々異なる実施例において示した製造方法により、熱特性の改善及び付加的な機能が可能になる。   In summary, it can be seen that the yield characteristics can be significantly improved and the reliability of the GaN power transistor can be improved by the manufacturing methods shown in the different embodiments. Furthermore, the manufacturing methods shown here in the different embodiments allow for improved thermal properties and additional functions.

ここで示したトランジスタ100の複数の実施例のいくつかの様相について特に指摘しておく。特にトランジスタ100は、例えばGaN/AlGaN材料系において、電荷担体が2次元ヘテロ構造境界面に沿って移動するという特徴を有する素子として提供することができる。さらにヘテロ構造は、ソース端子145及びドレイン端子150によって側方から接触接続でき、ソース端子145とドレイン端子150との間のチャネル領域155は、ゲート電極170によって制御される。トランジスタの前段階を作製した後、異方性イオンエッチングによって(支持)基板110を薄くして、活性トランジスタ領域の後を除去することができる。これによって発生する(凹部を形成する)穴300又は180は、例えば、熱伝導率の高い金属によって充填され、例えば銅により、エレクトロプレーティング即ち電気メッキを用いてコーティングされ、オプションで付加的な電極として使用される。   In particular, some aspects of the embodiments of the transistor 100 shown here will be pointed out. In particular, the transistor 100 can be provided as an element having a feature that charge carriers move along a two-dimensional heterostructure interface in, for example, a GaN / AlGaN material system. Further, the heterostructure can be contact-connected from the side by the source terminal 145 and the drain terminal 150, and the channel region 155 between the source terminal 145 and the drain terminal 150 is controlled by the gate electrode 170. After the pre-stage of the transistor is fabricated, the (support) substrate 110 can be thinned by anisotropic ion etching to remove the back of the active transistor region. The resulting holes 300 or 180 (forming recesses) are filled, for example, with a metal with high thermal conductivity, for example coated with copper, using electroplating or electroplating, optionally with additional electrodes Used as.

別の実施例では、第2のエッチング処理を使用して、ドレインメタライゼーションを後面から(即ち、支持基板110の後面から)接触接続させる。これにより、構成技術及び接続技術に有利にもソース又はドレインメタライゼーションをチップ乃至トランジスタ100の後面に配置することができ、これによって面積が節約され、一層良好に熱の除去乃至放熱が可能になる。   In another embodiment, a second etching process is used to contact the drain metallization from the back surface (ie, from the back surface of the support substrate 110). This allows source or drain metallization to be placed on the rear surface of the chip or transistor 100, advantageously in construction and connection technology, thereby saving area and enabling better heat removal or heat dissipation. .

一実施例によれば、本発明には、ここで説明した実施例にしたがい、素子、特にトランジスタを製造する方法も記載されている。この方法は、例えば、以下のステップ、即ち、
・ GaN/AlGaNヘテロ構造を有する基板を準備するステップと、
・ オプションのゲート誘電体を有するソース端子/ドレイン端子/ゲート端子を備えたHEMTを作製するステップと、
・ 保護層、例えば保護塗料を被着するステップと、
・ 例えばドライエッチングによって後面から基板を薄くするステップと、
・ 活性トランジスタ領域の下側において、後面からケイ素基板を除去するステップと、
・ 例えばCVD法又はスパッタリング法を用いて、0.1μmと10μmとの間の厚さを有する(合致した)絶縁層をトレンチに堆積するステップであって、ここでは例えば熱伝導率の高いAlNを堆積可能なステップと、
・ トレンチを金属層で、例えば電気メッキによる銅析出で充填するステップであって、択一的な実施では、例えば高濃度にドーピングされた非晶質のSiCを、例えばPECVDによって堆積し得るステップと、
・ 前面及び後面を接触接続してパッケージングするステップとを有する。
According to one embodiment, the present invention also describes a method for manufacturing a device, in particular a transistor, according to the embodiment described herein. This method comprises, for example, the following steps:
Providing a substrate having a GaN / AlGaN heterostructure;
Making a HEMT with a source terminal / drain terminal / gate terminal with an optional gate dielectric;
Applying a protective layer, for example a protective paint;
-Thinning the substrate from the back, for example by dry etching;
Removing the silicon substrate from the back side under the active transistor region;
Depositing (matching) an insulating layer having a thickness between 0.1 μm and 10 μm in the trench, for example using CVD or sputtering, where, for example, AlN having a high thermal conductivity is deposited Depositable steps,
Filling the trench with a metal layer, for example with copper deposition by electroplating, in an alternative implementation, for example, a highly doped amorphous SiC can be deposited, for example by PECVD; ,
And a step of contacting and packaging the front and rear surfaces.

ここで示したアプローチにはいくつかの利点がある。例えば、十分に簡単なエピタキシ処理のための基板ドーピングと、小さな基板漏れ電流との妥協を回避することができる。これにより、素子の降伏電圧を高め、ひいては同じエピタキシ厚を維持して信頼性を高めることができる。さらにコストを低減する可能性も得ることができる。なぜならば、一般的に高い降伏電圧は、厚くかつコストのかかるGaNバッファ層を設けることによってのみ得られるからである。ここでは、付加的な電極(バックゲート)として、金属を充填した後面空所を同時に使用する際には、付加的な機能を具現化することができる(例えばカットオフ電圧の設定)。これにより、例えば、ノーマリオン型素子をノーマリオフ型素子として動作させることができ、このことは多くの応用において大きな利点となる。さらに、活性トランジスタ領域の下側のヒートシンクのおかげで、熱特性を改善することができる。図3及び図4に示した択一的な実施形態には、同程度の処理コストで同時に垂直方向のトランジスタ、従って、面積効率の良好な垂直トランジスタを具現化する可能性を得ることもできる。最後にここで提案した構造により、多重の、特に周期的な配置構成を具現化することができ、これによって電流負荷容量の大きい素子を製造することができる。   The approach presented here has several advantages. For example, a compromise between substrate doping for a sufficiently simple epitaxy process and a small substrate leakage current can be avoided. As a result, the breakdown voltage of the element can be increased, and as a result, the same epitaxy thickness can be maintained and the reliability can be increased. Furthermore, the possibility of reducing costs can be obtained. This is because a high breakdown voltage is generally obtained only by providing a thick and expensive GaN buffer layer. Here, when a rear space filled with metal is used simultaneously as an additional electrode (back gate), an additional function can be realized (for example, setting of a cutoff voltage). Thereby, for example, a normally-on element can be operated as a normally-off element, which is a great advantage in many applications. Furthermore, the thermal characteristics can be improved thanks to the heat sink under the active transistor region. The alternative embodiments shown in FIGS. 3 and 4 can also provide the possibility of implementing vertical transistors at the same time and therefore area-efficient vertical transistors with comparable processing costs. Finally, the proposed structure makes it possible to implement a multiple, in particular periodic arrangement, which makes it possible to produce elements with a large current load capacity.

ここに示したアプローチによりさらに、トランジスタを製造する方法600が可能になり、ここで、この方法600は、支持基板を準備するステップ610を有する。さらに方法600は、第1半導体材料からなる第1半導体層130を支持基板110上に被着し、第2半導体材料からなる第2半導体層135を第1半導体層上に被着するステップを有しており、ここで第1半導体材料のバンドギャップと第2半導体材料のバンドギャップとが異なる。方法600は、ドレイン端子145及びソース端子150を形成するステップ630を有しており、これらの端子は、第2半導体層135に埋め込まれ、ドレイン端子145及びソース端子150を用いて、第1半導体材料と第2半導体材料との間の少なくとも1つの境界層140に電気的に接触接続可能であり、また、ドレイン端子145及びソース端子150により、ドレイン端子145とソース端子150との間のチャネル領域155が定められる。さらに方法600には、チャネル領域155を少なくとも部分的に覆うゲート端子170を配置するステップ640が含まれている。最後に方法600には、ドレイン端子145及び/又はソース端子150とは反対側の、支持基板100の面において、チャネル領域155に少なくとも部分的に重なる支持基板110の区画に、凹部180を設けるステップ650が含まれており、ここで、この凹部の縁部は絶縁層によって覆われる。   The approach presented here further enables a method 600 for manufacturing a transistor, where the method 600 comprises a step 610 of preparing a support substrate. The method 600 further includes depositing a first semiconductor layer 130 of a first semiconductor material on the support substrate 110 and depositing a second semiconductor layer 135 of a second semiconductor material on the first semiconductor layer. Here, the band gap of the first semiconductor material is different from the band gap of the second semiconductor material. The method 600 includes a step 630 of forming a drain terminal 145 and a source terminal 150 that are embedded in the second semiconductor layer 135 and using the drain terminal 145 and the source terminal 150 to form the first semiconductor. A channel region between the drain terminal 145 and the source terminal 150 is electrically connectable to at least one boundary layer 140 between the material and the second semiconductor material, and the drain terminal 145 and the source terminal 150 155 is defined. The method 600 further includes a step 640 of placing a gate terminal 170 that at least partially covers the channel region 155. Finally, the method 600 includes providing a recess 180 in a section of the support substrate 110 that at least partially overlaps the channel region 155 on the surface of the support substrate 100 opposite the drain terminal 145 and / or the source terminal 150. 650 is included, where the edge of the recess is covered by an insulating layer.

上で説明し、図面に示した実施例は、単に例示的に選択したものである。異なる複数の実施例を完全に又は個々の特徴的構成について互いに組み合わせることができる。1つの実施例を別の実施例の特徴的構成によって補足することも可能である。   The embodiments described above and shown in the drawings are merely exemplary selections. Different embodiments can be combined with each other completely or for individual characteristic configurations. It is also possible to supplement one embodiment with the characteristic configuration of another embodiment.

さらに本発明によるステップは繰り返して、及び、上で説明した順序とは異なる順序で実行することができる。   Furthermore, the steps according to the invention can be performed repeatedly and in an order different from the order described above.

一実施例が、第1の特徴的構成と第2の特徴的構成との間に「及び/又は」の結合語を含む場合、このことは、この実施例が、一実施形態では、第1の特徴的構成も第2の特徴的構成も共に有し、また別の一実施形態では第1の特徴的構成又は第2の特徴的構成のいずれか一方だけを有すると解釈すべきである。   If an example includes a “and / or” combination word between the first characteristic configuration and the second characteristic configuration, this means that the example, in one embodiment, And the second characteristic configuration, and in another embodiment, should be interpreted as having either the first characteristic configuration or the second characteristic configuration.

漏れ電流が、側方乃至横方向に端子からチャネル領域とは反対側に流れることを阻止するため、本発明の別の実施形態によれば、別の凹部の縁部に、少なくとも部分的に上記絶縁層又は別の絶縁層を配置することができる。凹部又は別の凹部の縁部とは、例えば、支持基板に対するこの別の凹部の側壁及び/又は底部のことである。 In order to prevent leakage current from flowing laterally or laterally from the terminal to the opposite side of the channel region, according to another embodiment of the present invention, at least partially on the edge of another recess. An insulating layer or another insulating layer can be arranged. The edge of a recess or another recess is, for example, the side wall and / or the bottom of this other recess with respect to the support substrate.

上記処理中に上記局所的な除去をより一層良好に位置合わせしてより良好な機械的安定性を得るため、トランジスタ100の製造を準備するための択一的な処理を行うことができる。ここでは、図3に相応してまず、前面(即ち、ゲート端子170が配置されている面)に対するメサエッチングのステップを行って、トランジスタ100の前面に又はこの前面から溝300(又はトレンチ)を作製する。このトレンチ300は、ゲート酸化物層165から支持基板110の主構成部分115まで貫通しており、支持基板110乃至トランジスタ100全体の開口部を構成している。これに続き、トランジスタ100の前面にパッシベーション層310をトランジスタ100の前面に堆積する。このパッシベーション層は、SiO2からなり又はSiO2を少なくとも部分的に含有している。ここでパッシベーション層310には別の支持基板320が接着され、これによってトランジスタ100は、後続の製造ステップに対して安定化される。トレンチ300は、後面(即ち、支持基板110の主構成部分115が配置されている面)からのドレイン端子150の電気的及び/又は熱的な接触接続に使用することができる。このことについては後でさらに詳細に説明する。 In order to better align the local removal during the process and to obtain better mechanical stability, an alternative process for preparing the manufacture of the transistor 100 can be performed. Here, according to FIG. 3, first, a mesa etching step is performed on the front surface (that is, the surface on which the gate terminal 170 is disposed) to form a trench 300 (or trench) on or from the front surface of the transistor 100. Make it. The trench 300 penetrates from the gate oxide layer 165 to the main component 115 of the support substrate 110, and constitutes an opening of the support substrate 110 to the entire transistor 100. Subsequently, a passivation layer 310 is deposited on the front surface of the transistor 100 on the front surface of the transistor 100. This passivation layer is made of SiO 2 or contains SiO 2 at least partially. Here, another support substrate 320 is adhered to the passivation layer 310, which stabilizes the transistor 100 against subsequent manufacturing steps. The trench 300 can be used for electrical and / or thermal contact connection of the drain terminal 150 from the rear surface (ie, the surface on which the main component 115 of the support substrate 110 is disposed). This will be described in more detail later.

Claims (11)

・ 支持基板(110)と、
・ 前記支持基板(110)上に被着されかつ第1半導体材料からなる第1半導体層(130)と、
・ 前記第1半導体層(130,135)に被着されかつ第2半導体材料からなる第2半導体層(135)であって、前記第1半導体材料のバンドギャップと前記第2半導体材料のバンドギャップとが異なる第2半導体層(135)と、
・ 少なくとも前記第2半導体層(135)に埋め込まれているドレイン端子(145)及びソース端子(150)であって、前記ドレイン端子(145)及び前記ソース端子(150)を用いて、前記第1半導体材料と前記第2半導体材料との間の少なくとも1つの境界層(140)に電気的に接触接続可能である、ドレイン端子(145)及びソース端子(150)と、
・ 前記ドレイン端子(145)と前記ソース端子(150)との間のチャネル領域(155)と、
・ 前記チャネル領域(155)を少なくとも部分的に覆うゲート端子(170)と、
・ 前記ドレイン端子(145)及び/又は前記ソース端子(150)とは反対側の、前記支持基板(100)の面に配置され、且つ、前記チャネル領域(155)に少なくとも部分的に重なる凹部(180)であって、当該凹部(180)の側方の縁部(182)及び/又は底部(183)が、絶縁層(185)に覆われている、凹部(180)とを有する、
ことを特徴とするトランジスタ(100)。
A support substrate (110);
A first semiconductor layer (130) deposited on the support substrate (110) and made of a first semiconductor material;
A second semiconductor layer (135) deposited on the first semiconductor layer (130, 135) and made of a second semiconductor material, the band gap of the first semiconductor material and the band gap of the second semiconductor material; A second semiconductor layer (135) different from
A drain terminal (145) and a source terminal (150) embedded in at least the second semiconductor layer (135), and using the drain terminal (145) and the source terminal (150), the first terminal A drain terminal (145) and a source terminal (150) in electrical contact connection with at least one boundary layer (140) between a semiconductor material and the second semiconductor material;
A channel region (155) between the drain terminal (145) and the source terminal (150);
A gate terminal (170) that at least partially covers the channel region (155);
A recess (on the side of the support substrate (100) opposite to the drain terminal (145) and / or the source terminal (150) and at least partially overlapping the channel region (155) 180), the lateral edge (182) and / or bottom (183) of the recess (180) having a recess (180) covered with an insulating layer (185).
A transistor (100) characterized by that.
前記凹部(180)から、前記ゲート端子(170)とは反対側の、前記支持基板(100)の主面(186)上に前記絶縁層が延在する、
請求項1に記載のトランジスタ(100)。
The insulating layer extends from the recess (180) on the main surface (186) of the support substrate (100) on the side opposite to the gate terminal (170).
The transistor (100) of claim 1.
前記支持基板(110)とは反対側の、前記絶縁層(185)の面では、少なくとも前記凹部(180)の領域に、熱伝導性及び/又は導電性の材料を含む充填層(187)が配置されている、
請求項1又は2に記載のトランジスタ(100)。
On the surface of the insulating layer (185) opposite to the support substrate (110), a filling layer (187) containing a thermally conductive and / or conductive material is provided at least in the region of the recess (180). Arranged,
The transistor (100) according to claim 1 or 2.
前記充填層(187)は、少なくとも前記凹部(180)の領域に、金属材料、特に銅、ポリシリコン、特にドーピンクされたポリシリコン、及び/又は、SiC、特に高濃度にドーピングされたSiC、及び/又は、窒化アルミニウムを含む、
請求項1乃至3のいずれか一項に記載のトランジスタ(100)。
The filling layer (187) has at least in the region of the recess (180) a metal material, in particular copper, polysilicon, in particular doped polysilicon, and / or SiC, in particular highly doped SiC, and / Or including aluminum nitride,
4. The transistor (100) according to any one of claims 1 to 3.
前記絶縁層(185)は、少なくとも0.1μmの、及び/又は、最大で10μmの厚さを有する、
請求項1乃至4のいずれか一項に記載のトランジスタ(100)。
The insulating layer (185) has a thickness of at least 0.1 μm and / or at most 10 μm;
A transistor (100) according to any one of the preceding claims.
前記凹部(180)は、所定の深さを有しており、これによって前記第1半導体層(130)と前記絶縁層(185)との間に前記支持基板(110)の部分層が配置されている、
請求項1乃至5のいずれか一項に記載のトランジスタ(100)。
The recess (180) has a predetermined depth, whereby a partial layer of the support substrate (110) is disposed between the first semiconductor layer (130) and the insulating layer (185). ing,
A transistor (100) according to any one of the preceding claims.
前記第2半導体層(135)、前記ソース端子(145)、前記ドレイン端子(150)及び/又は前記ゲート端子(170)を覆う別の支持基板(320)を有する、
請求項1乃至6のいずれか一項に記載のトランジスタ(100)。
Another support substrate (320) covering the second semiconductor layer (135), the source terminal (145), the drain terminal (150) and / or the gate terminal (170);
A transistor (100) according to any one of the preceding claims.
前記ゲート端子(170)とは反対側の、前記支持基板(110)の面から、前記第1半導体層(130)及び/又は前記第2半導体層(135)まで延在する別の凹部(300)を有しており、特に当該別の凹部(300)は、前記チャネル領域(155)と重ならない、前記支持基板(110)の区画に配置されている、
請求項1乃至7のいずれか一項に記載のトランジスタ(100)。
Another recess (300) extending from the surface of the support substrate (110) opposite to the gate terminal (170) to the first semiconductor layer (130) and / or the second semiconductor layer (135). In particular, the other recess (300) is disposed in a section of the support substrate (110) that does not overlap the channel region (155).
A transistor (100) according to any one of the preceding claims.
前記別の凹部(300)の縁部に、少なくとも部分的に前記絶縁層(185)又は別の絶縁層が配置されている、
請求項8に記載のトランジスタ(100)。
The insulating layer (185) or another insulating layer is disposed at least partially on the edge of the another recess (300),
The transistor (100) of claim 8.
前記別の凹部(300)に前記充填層(187)又は熱伝導性及び/又は導電性の材料を含む別の充填層が配置されており、特に、前記充填層(187)又は前記別の充填層は、前記ソース端子(145)、前記ドレイン端子(150)、前記ゲート端子(170)又は前記境界層(140)に導電的に接続されている、
請求項8又は9に記載のトランジスタ(100)。
The filling layer (187) or another filling layer comprising a thermally conductive and / or conductive material is arranged in the further recess (300), in particular the filling layer (187) or the other filling. A layer is conductively connected to the source terminal (145), the drain terminal (150), the gate terminal (170) or the boundary layer (140);
The transistor (100) according to claim 8 or 9.
トランジスタ(100)の製造方法(200)において、
当該方法(200)は、以下のステップ、即ち、
・ 支持基板(110)(110)を準備するステップ(210)と、
・ 第1半導体材料からなる第1半導体層(130)を前記支持基板(110)上に被着し、第2半導体材料からなる第2半導体層(135)を前記第1半導体層上に被着するステップ(220)であって、前記第1半導体材料のバンドギャップと前記第2半導体材料のバンドギャップとが異なる、ステップ(220)と、
・ ドレイン端子(145)及びソース端子(150)を形成するステップ(230)であって、前記ドレイン端子(145)及び前記ソース端子(150)は少なくとも前記第2半導体層(135)に埋め込まれ、前記ドレイン端子(145)及び前記ソース端子(150)を用いて前記第1半導体材料と前記第2半導体材料との間の少なくとも1つの境界層(140)に電気的に接触接続可能であり、前記ドレイン端子(145)と前記ソース端子(150)との間のチャネル領域(155)が前記ドレイン端子(145)及び前記ソース端子(150)により定められる、ステップ(230)と、
・ 前記チャネル領域(155)を少なくとも部分的に覆うゲート端子(170)を配置するステップ(240)と、
・ 前記ドレイン端子(145)及び/又は前記ソース端子(150)とは反対側の、前記支持基板(110)の面において、前記チャネル領域(155)に少なくとも部分的に重なる、前記支持基板基板(110)の区画に、凹部(180)を設けるステップであって、当該凹部(180)の縁部が絶縁層(185)によって覆われる、ステップと、
を有する、
ことを特徴とする、トランジスタ(100)の製造方法(200)。
In the manufacturing method (200) of the transistor (100),
The method (200) comprises the following steps:
Providing a support substrate (110) (110) (210);
A first semiconductor layer (130) made of a first semiconductor material is deposited on the support substrate (110), and a second semiconductor layer (135) made of a second semiconductor material is deposited on the first semiconductor layer. Step (220), wherein a band gap of the first semiconductor material is different from a band gap of the second semiconductor material;
A step (230) of forming a drain terminal (145) and a source terminal (150), wherein the drain terminal (145) and the source terminal (150) are embedded in at least the second semiconductor layer (135); The drain terminal (145) and the source terminal (150) can be electrically contacted to at least one boundary layer (140) between the first semiconductor material and the second semiconductor material, and A channel region (155) between a drain terminal (145) and the source terminal (150) is defined by the drain terminal (145) and the source terminal (150);
Disposing (240) a gate terminal (170) that at least partially covers the channel region (155);
The supporting substrate substrate (at least partially overlapping the channel region (155) on the surface of the supporting substrate (110) opposite the drain terminal (145) and / or the source terminal (150); 110) in which a recess (180) is provided in the compartment, the edge of the recess (180) being covered by an insulating layer (185);
Having
A method (200) for manufacturing a transistor (100), characterized in that
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