FR3053832A1 - METHOD FOR MANUFACTURING FIELD EFFECT HETEROJUNCTION TRANSISTOR AND CORRESPONDING TRANSISTOR - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un transistor à hétérojonction à effet de champ, comprenant : - un substrat de silicium (10), sur lequel est déposée une couche de GaN (11), - une couche barrière (12) déposée sur ladite couche de GaN, pour créer un canal de conduction à l'interface de la couche barrière et de la couche GaN, - une première et une seconde électrodes ohmiques (S1, S2) formées à l'opposée l'une de l'autre et entre lesquelles est déposée au moins une électrode de commande (G, G1, G2) pour moduler la conductance dans ledit canal de conduction entre lesdites première et seconde électrodes ohmiques, - une couche de matériau diélectrique (102) à haute conductivité thermique remplissant une ouverture (101) formée dans ledit substrat de silicium (10) et s'étendant dans une portion du substrat de silicium située sous le canal de conduction dans toute l'étendue dudit canal.The invention relates to a field effect heterojunction transistor, comprising: - a silicon substrate (10), on which a layer of GaN (11) is deposited, - a barrier layer (12) deposited on said GaN layer, to create a conduction channel at the interface of the barrier layer and the GaN layer, first and second ohmic electrodes (S1, S2) formed opposite one another and between which is deposited at least one control electrode (G, G1, G2) for modulating the conductance in said conduction channel between said first and second ohmic electrodes, - a layer of high thermal conductivity dielectric material (102) filling an opening (101) formed in said silicon substrate (10) and extending into a portion of the silicon substrate under the conduction channel throughout the extent of said channel.
Description
Titulaire(s) : RENAULT S.A.S Société par actions simplifiée, COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES Etablissement public.Holder (s): RENAULT S.A.S Simplified joint-stock company, COMMISSION FOR ATOMIC ENERGY AND ALTERNATIVE ENERGIES Public establishment.
Demande(s) d’extensionExtension request (s)
Mandataire(s) : CABINET FEDIT LORIOT.Agent (s): CABINET FEDIT LORIOT.
PROCEDE DE FABRICATION D'UN TRANSISTOR A HETEROJONCTION A EFFET DE CHAMP ET TRANSISTOR CORRESPONDANT.METHOD FOR MANUFACTURING A FIELD-EFFECT HETEROJUNCTION TRANSISTOR AND CORRESPONDING TRANSISTOR.
FR 3 053 832 - A1 (5/) L'invention concerne un transistor à hétérojonction à effet de champ, comprenant:FR 3 053 832 - A1 (5 /) The invention relates to a heterojunction field effect transistor, comprising:
- un substrat de silicium (10), sur lequel est déposée une couche de GaN (11),- a silicon substrate (10), on which is deposited a layer of GaN (11),
- une couche barrière (12) déposée sur ladite couche de GaN, pour créer un canal de conduction à l'interface de la couche barrière et de la couche GaN,a barrier layer (12) deposited on said GaN layer, to create a conduction channel at the interface of the barrier layer and the GaN layer,
- une première et une seconde électrodes ohmiques (S1, S2) formées à l'opposée l'une de l'autre et entre lesquelles est déposée au moins une électrode de commande (G, G1, G2) pour moduler la conductance dans ledit canal de conduction entre lesdites première et seconde électrodes ohmiques,- first and second ohmic electrodes (S1, S2) formed opposite each other and between which is deposited at least one control electrode (G, G1, G2) for modulating the conductance in said channel conduction between said first and second ohmic electrodes,
- une couche de matériau diélectrique (102) à haute conductivité thermique remplissant une ouverture (101) formée dans ledit substrat de silicium (10) et s'étendant dans une portion du substrat de silicium située sous le canal de conduction dans toute l'étendue dudit canal.- a layer of dielectric material (102) with high thermal conductivity filling an opening (101) formed in said silicon substrate (10) and extending in a portion of the silicon substrate located under the conduction channel throughout the extent of said channel.
Procédé de fabrication d’un transistor à hétérojonction à effet de champ et transistor correspondantMethod for manufacturing a heterojunction field effect transistor and corresponding transistor
L’invention concerne les transistors à haute mobilité électronique basés sur la présence d’hétérojonctions, notamment, à base de Nitrure de Gallium (GaN) sur un substrat de silicium et, en particulier, un procédé de fabrication de tels transistors.The invention relates to transistors with high electronic mobility based on the presence of heterojunctions, in particular, based on Gallium Nitride (GaN) on a silicon substrate and, in particular, a method of manufacturing such transistors.
L’invention trouve une application particulière dans les circuits et systèmes de conversion d’énergie électrique utilisés notamment dans le domaine des îo véhicules électriques et qui nécessitent des composants électroniques de puissance performants, c’est-à-dire qui génèrent peu de pertes tout en étant capable de fonctionner à des fréquences élevées.The invention finds a particular application in circuits and systems for converting electrical energy used in particular in the field of electric vehicles and which require high-performance electronic power components, that is to say which generate few losses while by being able to operate at high frequencies.
Les composants électroniques de puissance issus de la technologie GaN sur Silicium constituent une des familles de composants les plus prometteuses en termes de performance et de coût. Cette technologie repose sur la croissance par épitaxie de couches de GaN sur substrat de silicium, dont la filière technologique est particulièrement mature, de sorte qu’on sait aujourd’hui réaliser par épitaxie des couches de GaN à la juste épaisseur sur substrat de silicium et à moindre coût. Les propriétés physiques du GaN permettent en outre d’augmenter l’efficacité des composants, en particulier sa faible résistance spécifique autorise de fortes densités de courant (4 à 5 fois celle du silicium).The electronic power components from GaN technology on Silicon constitute one of the most promising families of components in terms of performance and cost. This technology is based on the growth by epitaxy of GaN layers on silicon substrate, the technological sector of which is particularly mature, so that we know today how to achieve GaN layers by epitaxy at the right thickness on silicon substrate and cheaper. The physical properties of GaN also make it possible to increase the efficiency of the components, in particular its low specific resistance allows high current densities (4 to 5 times that of silicon).
Plus spécifiquement, les transistors à effet de champ à haute mobilité d’électrons HEMTs (ou High Electron Mobility Transistor dans la littérature anglo-saxonne), basés sur l’hétérojonction AIGaN/GaN, ont démontré d’excellentes performances et sont appelés à occuper une place significative dans l’électronique de puissance. Ils permettent notamment d’obtenir des fréquences de commutation élevées particulièrement bien adaptées aux besoins des chargeurs de batterie des véhicules électriques. En effet, la montée en fréquence permet de réduire le volume des éléments passifs et donc d’augmenter la densité de puissance et partant, de réduire le coût du chargeur. Cependant, la faible épaisseur d’épitaxie (quelques 3 à 5 microns) limite actuellement la tension de blocage maximale des composants à 600/650V, alors que les applications de charge connectées sur le réseau triphasé requièrent en général une tension de blocage de l’ordre de 1200 V.More specifically, HEMTs (or High Electron Mobility Transistor in the English literature) field effect transistors with high electron mobility, based on the AIGaN / GaN heterojunction, have demonstrated excellent performance and are expected to occupy a significant place in power electronics. In particular, they make it possible to obtain high switching frequencies which are particularly well suited to the needs of electric vehicle battery chargers. Indeed, the increase in frequency makes it possible to reduce the volume of the passive elements and therefore to increase the power density and therefore reduce the cost of the charger. However, the small epitaxy thickness (some 3 to 5 microns) currently limits the maximum blocking voltage of the components to 600 / 650V, while the load applications connected to the three-phase network generally require a blocking voltage of the around 1200 V.
D’autre part, dans ces systèmes haute fréquence/haute puissance, une structure couramment utilisée est la structure latérale de type HEMT. Cette structure latérale permet notamment d’incorporer une deuxième région de grille au transistor sans difficulté spécifique de conception ou de fabrication. Ces composants à double grille permettent notamment d’utiliser des topologies matricielles particulièrement compactes et offrant un très bon rendement de conversion.On the other hand, in these high frequency / high power systems, a structure commonly used is the lateral structure of the HEMT type. This lateral structure makes it possible in particular to incorporate a second gate region in the transistor without specific difficulty of design or manufacture. These double grid components allow in particular the use of particularly compact matrix topologies offering very good conversion efficiency.
îo La figure 1 est un schéma illustrant une coupe verticale d’un transistorîo Figure 1 is a diagram illustrating a vertical section of a transistor
HEMT AIGaN/GaN latéral à double grille et à drain commun. Ce composant est réalisé à partir d’un substrat 10’ de silicium en guise de support, d’une couche canal 11’ de GaN, et d’une couche barrière 12’ de Nitrure de Gallium d’Aluminium AIGaN formant une hétérojonction avec la couche de GaN. Ces deux couches semi-conductrices ont des bandes interdites différentes qui forment un puits quantique à leur interface. Des électrons sont confinés dans ce puits quantique pour former un gaz bidimensionnel d’électrons (2DEG) qui constitue le canal situé à l’interface AIGaN/GaN du côté GaN. L’épitaxie ainsi obtenue accueille deux électrodes ohmiques S1 et S2 espacées latéralement.HEMT AIGaN / GaN lateral with double gate and common drain. This component is produced from a substrate 10 'of silicon as a support, a channel layer 11' of GaN, and a barrier layer 12 'of Aluminum Gallium Nitride AIGaN forming a heterojunction with the GaN layer. These two semiconductor layers have different forbidden bands which form a quantum well at their interface. Electrons are confined in this quantum well to form a two-dimensional electron gas (2DEG) which constitutes the channel located at the AIGaN / GaN interface on the GaN side. The epitaxy thus obtained receives two ohmic electrodes S1 and S2 spaced laterally.
Deux électrodes de commande, communément appelées grilles, respectivement G1 et G2, sont disposées entre les deux électrodes ohmiques S1 et S2. Suivant l’architecture à drain commun retenue, le courant et la tension sont donc gérés par un seul et même canal, ce qui optimise la résistance spécifique et le coût du composant. De fait, la présence de deux grilles permet au composant de couper une tension quel que soit son signe et de conduire du courant dans les deux sens. Cette caractéristique permet de réaliser des fonctions de conversion directe d’une tension alternative vers une autre tension alternative (par exemple dans le cadre d’un variateur de vitesse à partir du réseau triphasé ou d’un chargeur isolé qui alimente le transformateur d’isolement directement à partir du réseau d’alimentation) avec une densité de puissance et un rendement nettement plus élevés qu’avec les topologies conventionnelles.Two control electrodes, commonly called grids, G1 and G2 respectively, are arranged between the two ohmic electrodes S1 and S2. Depending on the common drain architecture chosen, current and voltage are therefore managed by a single channel, which optimizes the specific resistance and the cost of the component. In fact, the presence of two grids allows the component to cut off a voltage whatever its sign and to conduct current in both directions. This characteristic makes it possible to carry out functions for direct conversion from an alternating voltage to another alternating voltage (for example in the context of a variable speed drive from the three-phase network or of an isolated charger which supplies the isolation transformer directly from the supply network) with a significantly higher power density and efficiency than with conventional topologies.
Pour certaines applications, notamment en vue d’isoler un circuit en cas de dysfonctionnement d’un système de commande, on utilise des transistors de type normalement bloqué, c’est-à-dire que leur tension (entre grille et source) de seuil de commutation est positive, de sorte que le transistor reste bloqué en l’absence de signal de commande. Selon une approche connue illustrée à la figure 1 pour réaliser un transistor à hétérojonction à effet de champ de type normalement bloqué, on implante des dopants de type P tel que du Magnésium Mg pour former des implants 110’ à l’intérieur de la couche 11’ de GaN et chaque grille de commande G1, G2 est formée sur la couche d’AIGaN à l’aplomb d’un implant respectif. Une fois l’implantation de dopant activée, le champ électrique généré permet de créer une zone isolante à sa verticale, à îo l’interface entre la couche de GaN et d’AIGaN. Ainsi, on bloque le canal de conduction dans la couche de gaz d’électrons jusqu’à ce qu’une tension de seuil positive soit atteinte.For certain applications, in particular in order to isolate a circuit in the event of a malfunction of a control system, transistors of the normally blocked type are used, that is to say that their threshold voltage (between gate and source) switching is positive, so that the transistor remains blocked in the absence of a control signal. According to a known approach illustrated in FIG. 1 for producing a heterojunction transistor with a normally blocked type field effect, P type dopants such as Mg magnesium are implanted to form implants 110 ′ inside the layer 11. 'of GaN and each control grid G1, G2 is formed on the AIGaN layer directly above a respective implant. Once the implantation of dopant is activated, the electric field generated makes it possible to create an insulating zone vertically, at the interface between the layer of GaN and AIGaN. Thus, the conduction channel is blocked in the layer of electron gas until a positive threshold voltage is reached.
Dans le cas des transistors à hétérojonction à double grille comme illustré à la figure 1, le substrat en silicium doit être relié à l’une des deux sources S1,In the case of double gate heterojunction transistors as illustrated in FIG. 1, the silicon substrate must be connected to one of the two sources S1,
S2 selon le sens du champ électrique bloqué. Pour ce faire, une liaison externe via deux diodes est en général utilisée, ce qui impose d’enrichir le circuit et la surface du substrat où sont placés les transistors. Le document de brevet US 2012/0217542 décrit le principe de la structure latérale de type HEMT à double grille. La technologie à base de P-GaN utilisée permet d’insérer simplement les diodes de polarisation du substrat dans le composant. Les diodes étant formées entre les contacts des électrodes et le substrat, leur tenue en tension inverse est liée à l’épaisseur de la couche de GaN épitaxiée. Aussi, dans l’optique d’obtenir une tenue en tension améliorée, une solution serait d’augmenter l’épaisseur de la couche de GaN épitaxiée afin de maintenir le champ à une valeur suffisamment faible au niveau de l’interface entre la couche de GaN et la couche de silicium pour limiter le courant de fuite de drain à l’état bloqué. Cependant, l’augmentation de l’épaisseur de la couche de GaN n’est pas souhaitable. En effet, elle entraîne une contrainte mécanique importante en surface, qui cause une déformation mécanique rendant la plaque difficile voire impossible à utiliser. Autrement dit, l’épaisseur du matériau GaN est limitée sur le silicium, en particulier pour des substrats de silicium de grande taille (wafers de diamètre supérieur ou égal à 200 mm) et partant, la tenue en tension du composant décrit dans le document précité est lui-même limité.S2 according to the direction of the blocked electric field. To do this, an external connection via two diodes is generally used, which requires enriching the circuit and the surface of the substrate where the transistors are placed. The patent document US 2012/0217542 describes the principle of the lateral structure of the HEMT type with double grid. The P-GaN technology used makes it possible to simply insert the polarization diodes of the substrate into the component. Since the diodes are formed between the contacts of the electrodes and the substrate, their resistance to reverse voltage is linked to the thickness of the epitaxial GaN layer. Also, with a view to obtaining an improved tensile strength, one solution would be to increase the thickness of the epitaxial layer of GaN in order to maintain the field at a sufficiently low value at the interface between the layer of GaN and the silicon layer to limit the drain leakage current in the blocked state. However, increasing the thickness of the GaN layer is undesirable. Indeed, it causes significant mechanical stress on the surface, which causes mechanical deformation making the plate difficult or even impossible to use. In other words, the thickness of the GaN material is limited on the silicon, in particular for large silicon substrates (wafers with a diameter greater than or equal to 200 mm) and therefore, the voltage withstand of the component described in the aforementioned document. is itself limited.
Or, aujourd’hui, une part importante des applications sont alimentées à partir du réseau 400V triphasé, ce qui requiert des composants capables de bloquer 1200V, ou plus.However, today, a large part of applications are supplied from the three-phase 400V network, which requires components capable of blocking 1200V, or more.
Le document « Above 2000V breakdown voltage on ultrathin barrier 5 AIN/GaN-on-Silicon transistors» (IEMN - CS Mantech conférence, 2015, Arizona) fait connaître une solution innovante pour améliorer la tenue en haute tension des composants du type présentant une hétérostructure AIN/GaN sur substrat de silicium. Cette solution vise à supprimer le phénomène de conduction parasite du substrat dans le cadre de champs électriques élevés îo appliqués sous le canal. Plus précisément, cette solution consiste à supprimer la partie du substrat en silicium située sous le canal de conduction. De la sorte, on peut y appliquer un champ électrique élevé, limité uniquement par la tenue du matériau GaN, en éliminant le risque de courant de fuite par le substrat de silicium. Cependant, l’élimination du substrat de silicium sous le canal de conduction produit une barrière thermique qui n’est pas souhaitable. En effet, la chaleur produite par le composant ne peut plus être évacuée par conduction thermique via le silicium initialement présent sous le canal. Par conséquent, en l’état, la densité de courant est de fait fortement réduite pour ne pas surchauffer le composant, ce qui élimine toute application en électronique de puissance.The document “Above 2000V breakdown voltage on ultrathin barrier 5 AIN / GaN-on-Silicon transistors” (IEMN - CS Mantech conference, 2015, Arizona) announces an innovative solution to improve the high voltage withstand of components of the type having a heterostructure AIN / GaN on silicon substrate. This solution aims to eliminate the parasitic conduction phenomenon of the substrate in the context of high electric fields applied to the channel. More specifically, this solution consists in eliminating the part of the silicon substrate located under the conduction channel. In this way, a high electric field can be applied thereto, limited only by the resistance of the GaN material, by eliminating the risk of leakage current from the silicon substrate. However, the removal of the silicon substrate under the conduction channel produces an undesirable thermal barrier. In fact, the heat produced by the component can no longer be removed by thermal conduction via the silicon initially present under the channel. Consequently, as it stands, the current density is in fact greatly reduced so as not to overheat the component, which eliminates any application in power electronics.
L’invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients.The invention aims to solve one or more of these drawbacks.
Un autre but de l’invention est de permettre une intégration aisée de diodes de polarisation du substrat d’un tel composant à double grille pour une tension de blocage supérieure à 600 volts.Another object of the invention is to allow easy integration of polarization diodes of the substrate of such a double gate component for a blocking voltage greater than 600 volts.
L’invention porte ainsi sur un procédé de fabrication d’un transistor à hétérojonction à effet de champ comprenant des étapes de :The invention thus relates to a method for manufacturing a heterojunction field effect transistor comprising steps of:
- fourniture d’un substrat de silicium comportant une face supérieure et une face inférieure,- supply of a silicon substrate comprising an upper face and a lower face,
- formation par épitaxie d’une couche de GaN sur la face supérieure du substrat de silicium,- formation by epitaxy of a GaN layer on the upper face of the silicon substrate,
- formation par épitaxie d’une couche barrière sur la couche de GaN de façon à créer un canal de conduction situé à l’interface de la couche barrière et de la couche GaN, du côté GaN,- formation by epitaxy of a barrier layer on the GaN layer so as to create a conduction channel located at the interface of the barrier layer and the GaN layer, on the GaN side,
- formation de deux électrodes ohmiques opposées et d’au moins une électrode de commande sur la couche barrière, ladite électrode de commande étant disposée entre les deux électrodes ohmiques, pour moduler la conductance dans le canal de conduction entre les électrodes ohmiques,- formation of two opposite ohmic electrodes and at least one control electrode on the barrier layer, said control electrode being disposed between the two ohmic electrodes, to modulate the conductance in the conduction channel between the ohmic electrodes,
- création d’une ouverture dans le substrat de silicium entre la face inférieure du substrat de silicium et la couche de GaN, ladite ouverture s’étendant dans une portion du substrat de silicium située sous le canal de conduction dans toute l’étendue dudit canal, ledit procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend une étape de :- Creation of an opening in the silicon substrate between the underside of the silicon substrate and the GaN layer, said opening extending in a portion of the silicon substrate located under the conduction channel throughout the extent of said channel , said method being characterized in that it comprises a step of:
- remplissage de la dite ouverture créée dans ledit substrat avec un îo matériau diélectrique à haute conductivité thermique.filling of said opening created in said substrate with a dielectric material with high thermal conductivity.
Grâce à cet agencement, il est possible de fabriquer un transistor à hétérojonction à effet de champ à base de GaN sur substrat de silicium, à simple grille ou à double grille, qui présente une tenue en tension améliorée, sans augmenter l’épaisseur de la couche de GaN, et sans nuire à son refroidissement. En particulier, le procédé de l’invention permet de réaliser un transistor de puissance permettant de bloquer des tensions jusqu’à 1200V et plus.Thanks to this arrangement, it is possible to fabricate a GaN-based heterojunction field effect transistor on silicon substrate, with a single gate or with a double gate, which has improved voltage withstand without increasing the thickness of the layer of GaN, and without affecting its cooling. In particular, the method of the invention makes it possible to produce a power transistor making it possible to block voltages up to 1200V and more.
Par matériau diélectrique à haute conductivité thermique, on entend un matériau qui présente d’excellentes propriétés d’isolation électrique, meilleures que celles du silicium, tout en ayant une conductivité thermique au moins équivalente, voire supérieure, à celle du silicium. Un tel matériau est préférentiellement de l’oxyde de silicium. Une alternative consiste à utiliser à la place de l’oxyde de silicium du nitrure d’aluminium, un composite à base de poudres de diamant, ou tout autre composé susceptible d’assurer un bon compromis entre tenue diélectrique et conduction thermique avec un coefficient d’expansion thermique qui limite les contraintes thermomécaniques subies par le GaN et le silicium.By dielectric material with high thermal conductivity is meant a material which has excellent electrical insulation properties, better than those of silicon, while having a thermal conductivity at least equivalent, or even higher, than that of silicon. Such a material is preferably silicon oxide. An alternative consists in using, instead of silicon oxide, aluminum nitride, a composite based on diamond powders, or any other compound capable of ensuring a good compromise between dielectric strength and thermal conduction with a coefficient d thermal expansion which limits the thermomechanical stresses undergone by GaN and silicon.
Avantageusement, l’ouverture dans le substrat est créée en retirant par gravure du matériau dudit substrat dans ladite portion du substrat, jusqu’à atteindre ladite couche de GaN.Advantageously, the opening in the substrate is created by removing, by etching, material from said substrate in said portion of the substrate, until reaching said layer of GaN.
De préférence, l’étape de remplissage de ladite ouverture avec ledit matériau diélectrique comprend :Preferably, the step of filling said opening with said dielectric material comprises:
- une première étape de remplissage consistant à déposer par un dépôt de type CVD une première couche dudit matériau diélectrique à la surface de ladite couche de GaN libérée par ladite ouverture, de façon à combler une première épaisseur de ladite ouverture, eta first filling step consisting in depositing by a CVD type deposit a first layer of said dielectric material on the surface of said layer of GaN released by said opening, so as to fill a first thickness of said opening, and
- une seconde étape de remplissage consistant à déposer par un dépôt par centrifugation une seconde couche dudit matériau diélectrique à la surface de ladite première, de façon à combler une épaisseur résiduelle de ladite ouverture.a second filling step consisting in depositing by deposition by centrifugation a second layer of said dielectric material on the surface of said first, so as to fill a residual thickness of said opening.
Avantageusement, on réalise un transistor basé sur une hétérostructure AIGaN/GaN. Aussi, ladite couche barrière est une couche d’AIGaN.Advantageously, a transistor based on an AIGaN / GaN heterostructure is produced. Also, said barrier layer is a layer of AIGaN.
Selon un mode de réalisation dit à double grille, le procédé peut comprendre la formation de deux électrodes de commande formées sur les côtés respectifs des deux électrodes ohmiques, entre les deux électrodes ohmiques, et il comprend une étape d’intégration dans ledit substrat de silicium de diodes de polarisation du substrat aptes à mettre ledit substrat au potentiel de l’une ou l’autre des deux électrodes ohmiques selon le sens du champ électrique dans ledit canal de conduction.According to an embodiment known as a double grid, the method can comprise the formation of two control electrodes formed on the respective sides of the two ohmic electrodes, between the two ohmic electrodes, and it comprises a step of integration in said silicon substrate substrate bias diodes capable of bringing said substrate to the potential of one or the other of the two ohmic electrodes according to the direction of the electric field in said conduction channel.
De préférence, l’étape d’intégration desdites diodes de polarisation audit substrat comprend des étapes de :Preferably, the step of integrating said polarization diodes into said substrate comprises steps of:
- fourniture d’un substrat de silicium dopé P,- supply of a P-doped silicon substrate,
- implantation d’un matériau dopant de type N+ dans une région d’implantation sélectionnée dudit substrat de silicium dopé P à proximité de chacune desdites électrodes ohmiques,implantation of an N + type doping material in a selected implantation region of said P-doped silicon substrate near each of said ohmic electrodes,
- formation d’une couche de métallisation s’étendant des régions d’implantation dopée N+ vers chaque électrode ohmique respective à proximité.- formation of a metallization layer extending from the N + doped implantation regions towards each respective ohmic electrode nearby.
Avantageusement, les régions d’implantation dopées N+ s’étendent jusqu’à l’interface entre ladite couche de GaN et ledit substrat de silicium.Advantageously, the N + doped implantation regions extend up to the interface between said layer of GaN and said silicon substrate.
L’invention concerne également un transistor à hétérojonction à effet de champ comprenant une structure semi-conductrice multicouches, comprenant :The invention also relates to a heterojunction field effect transistor comprising a multilayer semiconductor structure, comprising:
- un substrat de silicium présentant une face inférieure et une face supérieure,- a silicon substrate having a lower face and an upper face,
- une couche de GaN déposée sur la face supérieure du substrat de silicium,a layer of GaN deposited on the upper face of the silicon substrate,
- une couche barrière déposée sur ladite couche de GaN, de façon à créer un canal de conduction situé à l’interface de la couche barrière et de la couche GaN, du côté GaN,a barrier layer deposited on said GaN layer, so as to create a conduction channel located at the interface of the barrier layer and the GaN layer, on the GaN side,
- une première et une seconde électrodes ohmiques qui sont formées sur ladite structure semi-conductrice multicouches à l’opposée l’une de l’autre et entre lesquelles est déposée au moins une électrode de commande pour moduler la conductance dans ledit canal de conduction entre lesdites première et seconde électrodes ohmiques,- first and second ohmic electrodes which are formed on said multilayer semiconductor structure opposite each other and between which is deposited at least one control electrode for modulating the conductance in said conduction channel between said first and second ohmic electrodes,
- une couche de matériau diélectrique à haute conductivité thermique remplissant une ouverture formée dans ledit substrat de silicium entre la face inférieure du substrat de silicium et la couche de GaN et s’étendant dans une portion du substrat de silicium située sous le canal de conduction dans toute l’étendue dudit canal.a layer of dielectric material with high thermal conductivity filling an opening formed in said silicon substrate between the underside of the silicon substrate and the GaN layer and extending in a portion of the silicon substrate located under the conduction channel in the whole extent of the said canal.
Selon un mode de réalisation dit à double grille, le transistor de l’invention peut comprendre deux électrodes de commande formées sur les côtés respectifs des première et seconde électrodes ohmiques entre les première et seconde électrodes ohmiques et en ce qu’il comprend des diodes de polarisation intégrées audit substrat de silicium aptes à mettre ledit substrat au potentiel de l’une ou l’autre des deux électrodes ohmiques selon le sens du champ électrique dans ledit canal de conduction.According to an embodiment known as a double gate, the transistor of the invention may comprise two control electrodes formed on the respective sides of the first and second ohmic electrodes between the first and second ohmic electrodes and in that it comprises diodes of polarization integrated into said silicon substrate capable of bringing said substrate to the potential of one or the other of the two ohmic electrodes according to the direction of the electric field in said conduction channel.
L’invention concerne encore un circuit intégré comprenant un transistor tel que décrit ci-dessus.The invention also relates to an integrated circuit comprising a transistor as described above.
D’autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels:Other characteristics and advantages of the invention will emerge clearly from the description given below, for information and in no way limitative, with reference to the appended drawings, in which:
- la figure 1 est une vue en coupe schématique d’un transistor à hétérojonction à effet de champ à double grille et à drain commun de type normalement bloqué, connu de l’état de la technique, et a déjà été décrite ;- Figure 1 is a schematic sectional view of a heterojunction transistor with double gate field effect and common drain of normally blocked type, known from the prior art, and has already been described;
- la figure 2 est une vue en coupe schématique d’un transistor à hétérojonction à effet de champ selon un premier mode de réalisation de l’invention, à une seule grille formée entre une source et un drain ;- Figure 2 is a schematic sectional view of a heterojunction field effect transistor according to a first embodiment of the invention, with a single gate formed between a source and a drain;
- la figure 3 est une vue en coupe schématique d’un transistor à hétérojonction à effet de champ selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, à deux grilles formées entre deux sources et à drain commun ;- Figure 3 is a schematic sectional view of a field effect heterojunction transistor according to a second embodiment of the invention, with two gates formed between two sources and with common drain;
- la figure 4 est une vue en coupe du transistor de la figure 3 avec deux diodes de polarisation du substrat intégrées audit substrat.- Figure 4 is a sectional view of the transistor of Figure 3 with two polarization diodes of the substrate integrated into said substrate.
A la figure 2 est représenté un transistor à hétérojonction à effet de champIn Figure 2 is shown a heterojunction field effect transistor
I selon un mode de réalisation dit à simple grille. Il comprend une structure semi-conductrice en couches superposées disposées sur un substrat 10 de silicium, qui peut être de type intrinsèque ou dopé. Le substrat 10 pourra par exemple être de type silicium d’orientation cristalline (111). Une couche 11 de îo GaN, généralement désignée par le terme couche canal est déposée sur le substrat de silicium 10. La couche 11 peut être formée de façon connue en soi par épitaxie sur le substrat 10, par exemple par l’intermédiaire d’un procédé de dépôt par épitaxie en phase vapeur, qui permet de contrôler précisément l’épaisseur du dépôt de la couche 11 de GaN. On forme ensuite une couche 12, dite couche barrière, par exemple par épitaxie en phase vapeur sur la coucheI according to an embodiment known as a single grid. It comprises a semiconductor structure in superimposed layers disposed on a silicon substrate 10, which can be of the intrinsic or doped type. The substrate 10 may for example be of the silicon type with a crystalline orientation (111). A layer 11 of GaN, generally designated by the term channel layer, is deposited on the silicon substrate 10. The layer 11 can be formed in a manner known per se by epitaxy on the substrate 10, for example by means of a deposition process by vapor phase epitaxy, which makes it possible to precisely control the thickness of the deposition of the GaN layer 11. A layer 12 is then formed, called a barrier layer, for example by vapor phase epitaxy on the layer
II de GaN, de façon à former une couche de gaz d’électrons (2DEG), qui constitue un canal de conduction situé à l’interface entre la couche barrière 12 et la couche 11 de GaN, du côté GaN. Une couche 12 en AIGaN est particulièrement appropriée pour une couche 11 en GaN, la formation de la couche 12 par épitaxie étant alors simplement réalisée en maintenant la structure multicouche dans une même machine (réacteur d’épitaxie), et en réalisant une épitaxie en introduisant en supplément de l’aluminium par rapport aux conditions d’épitaxie de la couche 11.II of GaN, so as to form a layer of electron gas (2DEG), which constitutes a conduction channel located at the interface between the barrier layer 12 and the layer 11 of GaN, on the GaN side. A layer 12 of AIGaN is particularly suitable for a layer 11 of GaN, the formation of layer 12 by epitaxy then being simply carried out by maintaining the multilayer structure in the same machine (epitaxy reactor), and by carrying out an epitaxy by introducing in addition to aluminum compared to the epitaxy conditions of layer 11.
On réalise ensuite de façon connue en soi une électrode de commande G, dite électrode de grille, sur la couche barrière 12, qui forme avec la couche barrière 12 une jonction Schottky, et une première et une seconde électrodes ohmiques, dites électrode de source S et électrode de drain D, agencées de part et d’autre de l’électrode de grille G sur la couche barrière 12. De préférence, le transistor 1 est de type naturellement bloqué. Aussi, lors de la formation de la couche 11, une implantation de dopants de type P est réalisée dans la couche 11 de façon à former un implant 110 dans la couche 11. L’implantation est typiquement réalisée par implantation ionique et le type de dopants pour l’implant 110 est par exemple du Mg. En outre une zone isolante 13, par exemple en oxyde d’aluminium AI2O3, est formée dans la couche de gaz d’électrons, à l’aplomb de l’implant 110. L’électrode de grille G est formée à l’aplomb de la zone isolante 13 et de l’implant 110. Le transistor ainsi formé est donc de type normalement bloqué, la zone 13 à l’aplomb de la grille G étant isolante.Then, in a manner known per se, a control electrode G, called the gate electrode, is produced on the barrier layer 12, which forms with the barrier layer 12 a Schottky junction, and a first and a second ohmic electrodes, called the source electrode S and drain electrode D, arranged on either side of the gate electrode G on the barrier layer 12. Preferably, the transistor 1 is of the naturally blocked type. Also, during the formation of layer 11, implantation of P-type dopants is carried out in layer 11 so as to form an implant 110 in layer 11. Implantation is typically carried out by ion implantation and the type of dopants for implant 110 is for example Mg. In addition, an insulating zone 13, for example made of aluminum oxide AI 2 O3, is formed in the layer of electron gas, directly above the implant 110. The gate electrode G is formed at the plumb with the insulating zone 13 and the implant 110. The transistor thus formed is therefore of the normally blocked type, the zone 13 plumb with the gate G being insulating.
Par la suite, on retire la portion du substrat 10 situé sous le canal de conduction, de façon à isoler électriquement la zone de la couche canal où le champ électrique est important. Pour ce faire, à partir de la face inférieure 100 du substrat 10, on forme une ouverture 101 dans le substrat de silicium 10 à l’emplacement de la portion du substrat de silicium 10 située sous le canal de îo conduction dans toute l’étendue de ce canal. L’ouverture 101 dans le substrat de silicium 10 peut être formée en retirant par gravure du matériau du substrat de silicium à l’emplacement de la portion de substrat située sous le canal, jusqu’à atteindre la couche de GaN 11. Cette suppression localisée du substrat de silicium évite les courants de fuite à travers le substrat sous la zone de conduction à fort champ électrique, en particulier sous la zone s’étendant entre l’électrode de grille G et l’électrode de drain D.Subsequently, the portion of the substrate 10 located under the conduction channel is removed, so as to electrically isolate the zone of the channel layer where the electric field is high. To do this, from the underside 100 of the substrate 10, an opening 101 is formed in the silicon substrate 10 at the location of the portion of the silicon substrate 10 located under the conduction channel throughout the extent of this channel. The opening 101 in the silicon substrate 10 can be formed by removing by etching the material of the silicon substrate at the location of the portion of substrate located under the channel, until reaching the GaN layer 11. This localized suppression of the silicon substrate prevents leakage currents through the substrate under the conduction zone with a strong electric field, in particular under the zone extending between the gate electrode G and the drain electrode D.
Conformément à l’invention, pour assurer un refroidissement efficace de cette zone où est dissipée l’essentiel de la chaleur produite par le composant, tout en garantissant une barrière isolante électriquement, on prévoit de remplir l’ouverture 101 créée dans le substrat de silicium sous le canal de conduction avec un matériau diélectrique 102 à haute conductivité thermique, permettant d’évacuer la chaleur par conduction en lieu et place du silicium initialement présent. On utilise par exemple de l’oxyde de silicium SiO2 pour remplir l’ouverture 101, qui présente l’avantage d’être un meilleur isolant électrique que le silicium tout en ayant des propriétés de conduction thermique équivalentes à celles du silicium. En variante, on peut utiliser du nitrure d’aluminium AIN, ou tout autre composé notamment à base de poudre de diamant, qui est également à la fois un très bon isolant électrique et un très bon conducteur thermique.In accordance with the invention, to ensure effective cooling of this zone where most of the heat produced by the component is dissipated, while guaranteeing an electrically insulating barrier, provision is made to fill the opening 101 created in the silicon substrate. under the conduction channel with a dielectric material 102 with high thermal conductivity, allowing the heat to be removed by conduction in place of the silicon initially present. For example, silicon oxide SiO 2 is used to fill the opening 101, which has the advantage of being a better electrical insulator than silicon while having thermal conduction properties equivalent to those of silicon. As a variant, it is possible to use aluminum nitride AIN, or any other compound in particular based on diamond powder, which is also both a very good electrical insulator and a very good thermal conductor.
De préférence, le vide dans l’ouverture 101 créée dans le substrat de silicium 10 sous le canal est comblé en deux étapes. Dans une première étape de remplissage, on dépose par un dépôt de type CVD (« Chemical Vapor Déposition » en anglais, pour procédé de dépôt chimique en phase vapeur), une première couche de SiO2 à la surface de la couche de GaN libérée par l’ouverture 101, de façon à venir combler une première épaisseur de l’ouverture 101. Puis, dans une seconde étape de remplissage, on dépose par un dépôt par centrifugation (« spin coating ») une seconde couche de S1O2 à la surface de la première couche de S1O2 déposée par CVD, de façon à venir combler l’épaisseur résiduelle de l’ouverture 101. Le procédé de dépôt par centrifugation est avantageusement plus rapide et moins onéreux à mettre en oeuvre. Une fois l’ouverture 101 complètement comblée, la couche de S1O2 s’étend sous le canal de conduction entre la couche de GaN et la face inférieure 100 du substrat de silicium 10.Preferably, the vacuum in the opening 101 created in the silicon substrate 10 under the channel is filled in two stages. In a first filling step, a first layer of SiO 2 is deposited on the surface of the layer of GaN liberated by a CVD (“Chemical Vapor Deposition”) deposit. the opening 101, so as to fill a first thickness of the opening 101. Then, in a second filling step, a second layer of S1O2 is deposited by centrifugation deposition (“spin coating”) on the surface of the first layer of S1O2 deposited by CVD, so as to fill the residual thickness of the opening 101. The deposition method by centrifugation is advantageously faster and less expensive to implement. Once the opening 101 is completely filled, the layer of S1O2 extends under the conduction channel between the layer of GaN and the underside 100 of the silicon substrate 10.
Ce principe d’augmenter la tenue en tension, sans augmenter l’épaisseur d’épitaxie de la couche de GaN, tout en garantissant la dissipation de la chaleur produite, peut être transposé à un transistor à hétérojonction à effet de champ à deux grilles G1, G2, comme illustré à la figure 3, qui représente une coupe d’un tel transistor 1’ selon la présente invention. Les mêmes éléments que ceux de la figure précédente portent les mêmes références. Cette figure montre la présence de deux électrodes de commande ou de grille G1, G2 formées sur les côtés respectifs de deux électrodes de source S1 et S2 entre ces deux électrodes de source S1 et S2. La couche d’isolation électrique et de dissipation thermique à base de matériau diélectrique 102 est intégrée au substrat 10 sous le canal de conduction et, en particulier sous la zone s’étendant entre les deux électrodes de grille G1 et G2, selon les mêmes principes qu’exposées en référence à la figure précédente.This principle of increasing the voltage withstand, without increasing the epitaxy thickness of the GaN layer, while guaranteeing the dissipation of the heat produced, can be transposed to a heterojunction transistor with field effect with two gates G1 , G2, as illustrated in FIG. 3, which represents a section of such a transistor 1 'according to the present invention. The same elements as those in the previous figure have the same references. This figure shows the presence of two control or gate electrodes G1, G2 formed on the respective sides of two source electrodes S1 and S2 between these two source electrodes S1 and S2. The electrical insulation and heat dissipation layer based on dielectric material 102 is integrated into the substrate 10 under the conduction channel and, in particular under the zone extending between the two gate electrodes G1 and G2, according to the same principles as set out with reference to the previous figure.
Il est d’usage de mettre le substrat de silicium au potentiel de la source du composant, de façon à limiter l’augmentation de la résistance à l’état passant juste après une mise en conduction. Dans la configuration du transistor à double grille illustré à la figure 3, le substrat de silicium 10 doit être mis au potentiel de l’une des deux électrodes de source S1 ou S2 selon le sens du champ électrique dans le canal de conduction.It is customary to set the silicon substrate to the potential of the source of the component, so as to limit the increase in resistance to the passing state just after conduction. In the configuration of the double gate transistor illustrated in FIG. 3, the silicon substrate 10 must be set to the potential of one of the two source electrodes S1 or S2 depending on the direction of the electric field in the conduction channel.
La figure 4 illustre le composant de la figure 3, dans lequel on a intégré dans le substrat de silicium 10, des diodes de polarisation permettant de mettre le substrat au potentiel de l’une ou l’autre des deux électrodes S1 ou S2 selon le sens du champ électrique dans le canal de conduction. Une telle intégration des diodes de polarisation dans le substrat de silicium permet de limiter le nombre de composants et les interconnexions, ainsi que d’augmenter la densité de puissance.FIG. 4 illustrates the component of FIG. 3, in which polarization diodes have been integrated in the silicon substrate 10 making it possible to set the substrate to the potential of one or the other of the two electrodes S1 or S2 depending on the direction of the electric field in the conduction channel. Such integration of the polarization diodes in the silicon substrate makes it possible to limit the number of components and the interconnections, as well as to increase the power density.
Le processus d’intégration des diodes dans le substrat est le suivant. Le substrat de silicium 10 est dopé P, de résistivité entre 3 et 20 ohm.cm, soit avec une densité de dopants de type P comprise entre 1015 et 1016 /cm3 La première étape consiste, par gravure chimique à atteindre la surface du substrat de silicium 10 dopé P à proximité de chacune des sources S1 et S2. On réalise ensuite un dopage très concentré de la région de silicium à nu 103, 104 à proximité des électrodes de source S1 et S2, par un dopant de type N+, avec îo une densité de dopants de type N+ de l’ordre de 1018/cm3, par exemple de type arsenic. On forme ensuite une couche de métallisation 105, 106 s’étendant entre la surface de silicium dopée N+ des régions 103, 104 jusqu’à la métallisation de l’électrode de source correspondante S1, S2, afin de courtcircuiter la cathode de la diode intégrée au substrat 10 avec l’électrode de source.The process of integrating the diodes into the substrate is as follows. The silicon substrate 10 is P-doped, with a resistivity between 3 and 20 ohm.cm, that is to say with a density of P-type dopants between 10 15 and 10 16 / cm 3 The first step consists in reaching the surface by chemical etching of the P-doped silicon substrate 10 near each of the sources S1 and S2. A very concentrated doping of the bare silicon region 103, 104 is then carried out near the source electrodes S1 and S2, with an N + type dopant, with an density of N + type dopants of the order of 10 18 / cm 3 , for example of the arsenic type. A metallization layer 105, 106 is then formed which extends between the N + doped silicon surface of the regions 103, 104 until the metallization of the corresponding source electrode S1, S2, in order to short-circuit the cathode of the integrated diode. to substrate 10 with the source electrode.
Les diodes ainsi intégrées au substrat ne servent qu’à polariser celui-ci à l’une ou l’autre des sources S1 ou S2, selon le sens du champ électrique dans le canal, sans débiter de courant. Le volume de la région dopée N+ peut donc être réduit. En revanche, la jonction PN réalisée doit pouvoir bloquer la même tension que le JFET GaN (typiquement 1200V). Toutefois, pour maintenir un champ électrique dans la couche de GaN qui soit inférieur à ce que peut supporter le GaN (environ 300 V/pm), la région d’implantation dopée N+ doit aller jusqu’à la limite du dépôt de GaN, autrement dit doit s’étendre jusqu’à l’interface entre la couche de GaN et le substrat de silicium (point de départ de la zone de déplétion), de façon à limiter le champs électrique maximal au point de jonction des zones de GaN /SiO2 (ou AIN ou autre) / Si (dopé P).The diodes thus integrated into the substrate only serve to polarize the latter to one or other of the sources S1 or S2, depending on the direction of the electric field in the channel, without delivering current. The volume of the N + doped region can therefore be reduced. On the other hand, the PN junction produced must be able to block the same voltage as the JFET GaN (typically 1200V). However, to maintain an electric field in the GaN layer which is less than what GaN can support (approximately 300 V / pm), the N + doped implantation region must go to the limit of GaN deposition, otherwise dit must extend to the interface between the GaN layer and the silicon substrate (starting point of the depletion zone), so as to limit the maximum electric field at the junction point of the GaN / SiO2 zones (or AIN or other) / Si (P doped).
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