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DESCRIZIONE del brevetto per invenzione industriale dal titolo: “METODO DI FABBRICAZIONE DI UN DISPOSITIVO HEMT CON RIDOTTA CORRENTE DI PERDITA DI GATE, E DISPOSITIVO HEMT” La presente invenzione è relativa a un dispositivo ad effetto di campo ad alta mobilità elettronica (“high electron mobility transistors”, HEMT) e un metodo di fabbricazione del dispositivo HEMT.
The present disclosure relates to an HEMT (high-electron-mobility transistor) device, and to a method of manufacturing the HEMT device.
Sono noti transistori ad effetto di campo ad alta mobilità elettronica (“high electron mobility transistors”, HEMT) basati sulla formazione di strati di gas bidimensionale di elettroni (2DEG) ad alta mobilità in corrispondenza di un’eterogiunzione, ovvero all’interfaccia tra materiali semiconduttori a differente band gap.
Known to the art are HEMTs based upon the formation of two-dimensional electron-gas (2DEG) layers with high mobility at a heterojunction, i.e., at the interface between semiconductor materials with different bandgaps.
Ad esempio, sono noti transistori HEMT basati sull’eterogiunzione tra uno strato di nitruro di alluminio e gallio (AlGaN) ed uno strato di nitruro di gallio (GaN).
For instance, HEMTs are known based upon the heterojunction between a layer of aluminum gallium nitride (AlGaN) and a layer of gallium nitride (GaN).
I transistori HEMT basati su eterogiunzioni o eterostrutture AlGaN/GaN offrono svariati vantaggi che li rendono particolarmente adatti ed ampiamente utilizzati per diverse applicazioni.
HEMTs based upon AlGaN/GaN heterojunctions or heterostructures afford a wide range of advantages that render them particularly suited and widely used for different applications.
Ad esempio, l’elevata soglia di rottura (“breakdown”) dei transistori HEMT è sfruttata per interruttori di potenza (“power switches”) ad elevate prestazioni; l’alta mobilità degli elettroni nel canale conduttivo permette di realizzare amplificatori ad alta frequenza; inoltre, l’elevata concentrazione di elettroni nel 2DEG consente di ottenere una bassa resistenza in stato acceso (“ON-state resistance”, RON).
For instance, the high breakdown threshold of HEMTs is exploited for high-performance power switches; the high electron mobility in the conductive channel enables production of high-frequency amplifiers; moreover, the high electron concentration in the 2DEG enables a low ON-state resistance (Rory) to be obtained.
Inoltre, dispositivi basati su GaN per applicazioni a radiofrequenza (RF) hanno tipicamente prestazioni RF migliori rispetto ad analoghi dispositivi LDMOS in silicio.
In addition, GaN-based devices for RF applications typically have a better RF performance than do similar LDMOS silicon devices.
Uno degli aspetti critici di dispositivi HEMT basati su GaN, in particolare in applicazioni RF, riguarda la corrente di porta (“gate current”).
One of the important aspects of GaN-based HEMT devices, in particular in RF applications regards the gate current.
Questa è la principale causa della perdita di corrente rilevabile in corrispondenza dell’elettrodo di pozzo quando il dispositivo è in stato spento.
This is the main cause of the current leakage that can be detected on the drain electrode when the device is in an off state.
Elevati valori di corrente di perdita riducono considerevolmente le prestazioni a radiofrequenza (RF) del dispositivo.
High values of leakage current considerably reduce the RF performance of the device.
La Richiedente ha analizzato diverse cause di tale corrente di perdita, identificando sostanzialmente tre possibili percorsi: (a) attraverso la superficie dell’eterostruttura, a causa di trappole superficiali introdotte durante fasi di pulitura o passivazione superficiale dell’eterostruttura; (b) tra l’elettrodo di porta e l’elettrodo di sorgente, a causa di un allargamento laterale degli elettrodi di porta e di sorgente che si avvicinano tra loro; e (c) attraverso la barriera Schottky, a causa di una riduzione del potenziale di barriera.
The present applicant has analyzed various causes of said leakage current, basically identifying three possible paths: (a) through the surface of the heterostructure, on account of surface traps introduced during steps of surface polishing or passivation of the heterostructure; (b) between the gate electrode and the source electrode, on account of a lateral widening of the gate and source electrodes that approach one another; and (c) through the Schottky barrier, on account of a reduction of the barrier potential.
La Richiedente ha verificato che le summenzionate possibili cause (a) e (b) giocano un ruolo ininfluente nella generazione della corrente di perdita di porta, mentre la causa (c) è risultata corretta.
The present applicant has found that the aforementioned possible causes (a) and (b) play a role that is of no effect in the generation of the gate leakage current, whereas the cause (c) has proven the effective cause.
Un metodo noto per ovviare alla riduzione del potenziale di barriera prevede l’uso del Nickel (Ni) come metallo di contatto tra l’elettrodo di porta e lo strato di barriera di AlGaN dell’eterostruttura.
A known method for overcoming reduction of the barrier potential envisages the use of nickel (Ni) as metal of contact between the gate electrode and the AlGaN barrier layer of the heterostructure.
Il Nickel è utilizzato per la sua elevata funzione lavoro.
Nickel is used on account of its high work function.
Tuttavia, il Nickel ha una resistenza elettrica relativamente elevata che non lo rende adatto a formare interamente l’elettrodo di porta.
However, nickel has a relatively high electrical resistance that does not render it suitable for forming alone the gate electrode.
A questo fine, uno strato di Oro (Au) viene utilizzato per coprire il Nickel e ridurne la resistenza elettrica.
For this purpose, a layer of gold (Au) is used to cover the nickel and reduce the electrical resistance thereof.
Questo approccio tuttavia rende il processo di fabbricazione non utilizzabile in linee di produzione CMOS, a causa della contaminazione dei macchinari utilizzati nelle linee di processo CMOS causata dall’Oro.
This approach, however, renders the manufacturing process not usable on CMOS production lines, on account of the contamination of the machinery used in the CMOS process lines caused by gold.
Un possibile sostituto del Nickel, per formare l’elettrodo di porta, è l’Alluminio (Al) che, data la buona conducibilità elettrica, non richiede una copertura di Oro; tuttavia, la funzione lavoro dell’Alluminio è bassa e la scelta non si rivela ottimale in quanto questa soluzione non consente di ridurre efficacemente la corrente di perdita di gate.
A possible substitute of nickel to form the gate electrode is aluminum (Al), which, given its good electrical conductivity, does not need to be plated with gold; however, the work function of aluminum is low, and this choice does not prove optimal in so far as it does not enable effective reduction of the gate leakage current.
Inoltre, l’Alluminio diffonde nell’eterostruttura, causando la formazione di un percorso conduttivo che favorisce la corrente di perdita in stato spento.
Moreover, aluminum diffuses in the heterostructure, causing formation of a conductive path that favors the leakage current in the off state.
Scopo della presente invenzione è mettere a disposizione un dispositivo HEMT e un relativo metodo di fabbricazione atti a superare gli inconvenienti della tecnica nota.
One or more embodiment of the present disclosure relate to an HEMT device with reduced gate leakage current, which can be manufactured on a CMOS production line.
Secondo la presente invenzione vengono realizzati un dispositivo HEMT e un metodo di fabbricazione del dispositivo HEMT, come definiti nelle rivendicazioni allegate.
According to the present disclosure, a HEMT device and a method of manufacturing the HEMT device are provided.
Per una migliore comprensione della presente invenzione ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali: - la figura 1 mostra, in vista in sezione laterale, un dispositivo HEMT secondo una forma di realizzazione della presente invenzione; - la figura 2 illustra, in vista in sezione laterale, un dettaglio ingrandito dell’elettrodo di porta del dispositivo HEMT di figura 1; e - le figure 3A-3F mostrano fasi di fabbricazione del dispositivo HEMT di figura 1.
For a better understanding of the present disclosure, preferred embodiments thereof are now described, purely by way of non-limiting example, with reference to the attached drawings, wherein: FIG. 1is a lateral sectional view of a HEMT device according to one embodiment of the present invention; FIG. 2illustrates, in lateral sectional view, an enlarged detail of the gate electrode of the HEMT device of FIG. 1; and FIGS. 3A-3Fshow steps for manufacturing the HEMT device of FIG. 1.
La figura 1 mostra, in un sistema triassiale di assi X, Y, Z ortogonali tra loro, un dispositivo HEMT 1 di tipo normalmente acceso (“normally-on”), basato su nitruro di gallio.
FIG. 1shows, in a triaxial system of mutually orthogonal axes X, Y, Z, an HEMT device 1of a normally-on type, based upon gallium nitride.
Il dispositivo HEMT 1 è in particolar modo atto ad essere utilizzato in applicazioni RF, quali ad esempio stazioni base 4G e 5G, incluse evoluzioni e varianti della tecnologia, telefoni portatili, dispositivi di cottura a RF, dispositivi di asciugatura e riscaldamento, dispositivi e sistemi per l’avionica, radar in banda L e S, e simili.
The HEMT device 1is in particular adapted to be used in RF applications, such as 4G and 5G base stations, including evolutions and variants of said technology, portable phones, RF cooking devices, drying and heating devices, devices and systems used for avionics, L- and S-band radars, and the like.
Il dispositivo HEMT 1 include: un substrato 2, ad esempio di silicio, o carburo di silicio (SiC) o zaffiro (Al2O3); uno strato di canale 4, di nitruro di gallio (GaN) intrinseco, estendentesi sopra il substrato 2; uno strato di barriera 6, di nitruro di alluminio e gallio (AlGaN) intrinseco o, più in generale, di composti basati su leghe ternarie, quaternarie del nitruro di gallio, quali AlxGa1-xN, AlInGaN, InxGa1-xN, AlxIn1-xAl, estendentesi sopra lo strato di canale 4; uno strato di isolamento 7, di materiale dielettrico quale nitruro di silicio (Si3N4) o ossido di silicio (SiO2), estendentesi su un lato superiore 6a dello strato di barriera 6; ed una regione di porta (o elettrodo di porta) 8 estendentesi nel corpo semiconduttore 3 tra regioni di sorgente (“source”) 10 e pozzo (“drain”) 12.
The HEMT device 1includes: a substrate 2, for example made of silicon, or silicon carbide (SiC), or sapphire (Al2O3); a channel layer 4, made of intrinsic gallium nitride (GaN), extending over the substrate 2; a barrier layer 6, made of intrinsic aluminum gallium nitride (AlGaN) or, more in general, of compounds with a base of ternary or quaternary alloys of gallium nitride, such as AlxGa1-xN, AlInGaN, InxGa1-xN, AlxIn1-xAl, which extends over the channel layer 4; an insulation layer 7, made of dielectric material such as silicon nitride (Si3N4) or silicon oxide (SiO2), which extends over a top side 6a of the barrier layer 6; and a gate region (or gate-electrode region) 8, which extends in the semiconductor body 5between a source region 10and a drain region 12.
Lo strato di canale 4 e lo strato di barriera 6 formano una eterostruttura 3.
The channel layer 4and the barrier layer 6form a semiconductor heterostructure 3.
L’eterostruttura 3 si estende, quindi, tra un lato inferiore 4a dello strato di canale 4, che è parte dell’interfaccia con il substrato 2 sottostante, e un lato superiore 6a dello strato di barriera 6.
The heterostructure 3hence extends between a bottom side 4a of the channel layer 4, which is part of the interface with the underlying substrate 2, and a top side 6a of the barrier layer 6.
Il substrato 2, lo strato di canale 4 e lo strato di barriera 6 sono nel seguito definiti, nel complesso, con il termine corpo semiconduttore 5.Il corpo semiconduttore 5 alloggia una regione attiva 3a, che alloggia, in uso, il canale conduttivo del dispositivo HEMT 1.
The semiconductor body 5houses an active region 3a, which, in use, houses the conductive channel of the HEMT device 1.
La regione di porta 8 è separata lateralmente (ossia, lungo X) dalle regioni di sorgente 10 e pozzo 12 mediante rispettive porzioni dello strato di isolamento 7.
The gate region 8is separated laterally (i.e., along X) from the source region 10and the drain region 12by means of respective portions of the insulation layer 7.
La regione di porta 8 è di tipo recesso, ossia si estende in profondità attraverso lo strato di isolamento 7, fino a raggiungere il lato superiore 6a dello strato di barriera 6.
The gate region 8is of a recess type; i.e., it extends in depth through the insulation layer 7, until it reaches the top side 6a of the barrier layer 6.
In altre parole, la regione di porta 8 è formata in una trincea 9 scavata attraverso lo strato di isolamento 7; opzionalmente, la trincea 9 si estende attraverso una parte dello strato di barriera 6 (ad esempio per una profondità di 1-10 nm).
Optionally, the trench 9extends through a part of the barrier layer 6(for example, for a depth of 1-10 nm).
La regione di porta 8 si estende in corrispondenza della regione attiva 3a.
The gate region 8extends to the active region 3a.
Secondo ulteriori forme di realizzazione (non mostrate in quanto di per sé non oggetto della presente invenzione), il corpo semiconduttore 5, così come la regione attiva 3a da esso alloggiata, può comprendere, secondo necessità, uno solo o più strati di GaN, o leghe di GaN, opportunamente drogati o di tipo intrinseco.
According to further embodiments (not illustrated in so far as they do not form in themselves the subject of the present disclosure), the semiconductor body 5, as likewise the active region 3a housed thereby, may comprise, just one layer or a number layers of GaN, or GaN alloys, appropriately doped or of an intrinsic type.
Le regioni di sorgente 10 e pozzo 12, di materiale conduttivo, ad esempio metallico, si estendono in profondità nel corpo semiconduttore 5, completamente attraverso lo strato di barriera 6, terminando all’interfaccia tra lo strato di barriera 6 e lo strato di canale 4.
The source region 10and the drain region 12, which are made of conductive material, for example metal, extend in depth in the semiconductor body 5, right through the barrier layer 6, terminating at the interface between the barrier layer 6and the channel layer 4.
Secondo ulteriori forme di realizzazione, non illustrate, le regioni di sorgente 10 e pozzo 12 si estendono inoltre parzialmente attraverso lo strato di canale 4, e terminano nello strato di canale 4.
According to further embodiments (not illustrated), the source region 10and the drain region 12moreover extend partially through the channel layer 4, and terminate in the channel layer 4.
Secondo ancora ulteriori forme di realizzazione, non illustrate, le regioni di sorgente 10 e pozzo 12 si estendono per una parte dello spessore, lungo Z, dello strato di barriera 6, terminando all’interno dello strato di barriera 6.
According once again to further embodiments (not illustrated), the source region 10and the drain region 12extend for a part of the thickness, along Z, of the barrier layer 6, terminating within the barrier layer 6.
Secondo ancora ulteriori forme di realizzazione, non illustrate, le regioni di sorgente 10 e pozzo 12 si estendono esclusivamente attraverso lo strato isolante 7, fino a raggiungere la superficie 6a dello strato di barriera 6, senza sprofondare nello strato di barriera 6.
According once again to further embodiments (not illustrated), the source region 10and the drain region 12extend exclusively through the insulating layer 7, until they reach the surface 6a of the barrier layer 6, without sinking into the barrier layer 6.
Secondo un aspetto della presente invenzione, come illustrato in figura 2 che rappresenta un dettaglio ingrandito della regione di porta 8 di figura 1, la regione di porta 8 è formata da una pila, o “stack”, includente: un primo strato metallico 20 atto a favorire la formazione di un contatto Schottky con l’eterostruttura 3 (qui, in particolare, con lo strato di barriera 6), ad esempio uno strato di Nickel (Ni); uno strato di protezione (o barriera di diffusione) 22 atto ad ostacolare la diffusione di atomi metallici verso l’eterostruttura 3, estendentesi completamente al di sopra del primo strato metallico 20; un secondo strato metallico 24 atto a formare un contatto di porta a ridotta resistività, estendentesi sullo strato di protezione 22 ed isolato dal corpo semiconduttore 5 mediante lo strato di protezione 22; ed uno strato di cappuccio 26 atto a proteggere il secondo strato metallico 24 da agenti esterni (es., protezione da corrosione, ossidazione, ecc.).
According to one aspect of the present disclosure, as illustrated in FIG. 2, which represents an enlarged detail of the gate region 8of FIG. 1, the gate region 8is formed by a stack, which includes: a first metal layer 20, which is adapted to favor formation of a Schottky contact with the heterostructure 3(here, in particular, with the barrier layer 6), for example a nickel (Ni) layer; a protection layer (or diffusion barrier) 22, which is adapted to hinder diffusion of metal atoms towards the heterostructure 3and extends all over the first metal layer 20; a second metal layer 24, which is adapted to form a gate contact with reduced resistivity, extends over the protection layer 22and is insulated from the semiconductor body 5by means of the protection layer 22; and a cap layer 26, which adapted to protect the second metal layer 24from external agents (e.g., protection from corrosion, oxidation, etc.).
Nel caso in cui lo strato di protezione 22 sia di per sé atto a favorire la formazione di un contatto Schottky con l’eterostruttura 3, il primo strato metallico può essere omesso.
In the case where the protection layer 22is in itself able to favor the formation of a Schottky contact with the heterostructure 3, the first metal layer may be omitted.
Inoltre, nel caso in cui il secondo strato metallico 24 sia un materiale non soggetto a fenomeni di degrado, o nel caso in cui fenomeni di degrado siano trascurabili, lo strato di cappuccio 26 può essere omesso.
In addition, in the case where the second metal layer 24is a material not subject to degradation phenomena, or in the case where degradation phenomena are negligible, the cap layer 26may be omitted.
Più in dettaglio, in una forma di realizzazione della presente invenzione, il primo strato metallico 20 è uno strato di Nickel (Ni) in contatto con lo strato di barriera 6; lo strato di protezione 22 è uno strato di Nitruro di Tungsteno (WN) estendentesi sullo strato di Ni 20; il secondo strato metallico è uno strato di Alluminio (Al) 24 estendentesi di sopra dello strato di WN 22; e lo strato di cappuccio 26 è uno strato di Tantalio (Ta) 26 estendentesi al di sopra dello strato di Al 24.
In greater detail, in one embodiment of the present disclosure, the first metal layer 20is a nickel (Ni) layer in contact with the barrier layer 6, the protection layer 22is a tungsten-nitride (WN) layer extending over the Ni layer 20, the second metal layer is an aluminum (Al) layer 24extending over the WN 22layer, and the cap layer 26is a tantalum (Ta) layer 26extending over the Al layer 24.
Lo strato di Ni 20, che ha la funzione di favorire la creazione di un contatto Schottky con lo strato di barriera 6 sottostante, può essere sostituito da, ad esempio, uno strato di WN, o Pt, o Pd.
The Ni layer 20, which has the function of favoring creation of a Schottky contact with the underlying barrier layer 6, may be replaced, for example, by a layer of WN, or Pt, or Pd.
Lo strato di Ni 20 ha spessore esemplificativamente scelto tra 20 nm e 90 nm.
The Ni layer 20has a thickness, by way of example, chosen between 20 nm and 90 nm.
Lo strato di Ni 20 può essere omesso nel caso di utilizzo di Nitruro di Tungsteno per lo strato di protezione 22, poiché quest’ultimo è atto a formare un buon contatto Schottky con l’AlGaN dello strato di barriera 6.
The Ni layer 20may be omitted in the case of use of tungsten nitride for the protection layer 22, since the latter is able to form a good Schottky contact with the AlGaN of the barrier layer 6.
In questo caso, lo strato di WN 22 è in contatto diretto con lo strato di barriera 6.
In this case, the WN layer 22is in direct contact with the barrier layer 6.
Lo strato di WN 22 può essere sostituito da un diverso strato di nitruro di metallo, quale ad esempio Nitruro di Tantalio (TaN), Nitruro di Titanio (TiN), o Ossinitruro di titanio (TiON), con proprietà di barriera per la diffusione di atomi metallici provenienti dallo strato metallico 24 soprastante.
The WN layer 22may be replaced by a different layer of metal nitride, such as tantalum nitride (TaN), titanium nitride (TiN), or titanium oxynitride (TiON), with properties of barrier in regard to diffusion of metal atoms coming from the overlying metal layer 24.
Lo strato di WN 22 ha spessore esemplificativamente scelto tra 20 nm e 100 nm.
The WN layer 22has a thickness chosen, by way of example, between 20 nm and 100 nm.
Secondo un altro aspetto, l’unità 9 di alimentazione comprende, opzionalmente, un dispositivo di schiacciamento della capsula 201 C configurato per consentire la compressione della capsula 201 C così da deformare pareti 204 laterali della capsula 201 C. II dispositivo di schiacciamento capsula può comprendere almeno un elemento di riscontro di una parete superiore 208 di detta capsula 201 C. Preferibilmente l’elemento di riscontro è mobile fra una posizione allontanata rispetto a detta capsula 201 C ed una posizione di riscontro e compressione di detta parete superiore 208 della capsula.
According to another aspect, the feed unit 9 comprises, optionally, a device for squeezing the capsule 201C, configured to allow the compression of the capsule 201C in such a way as to deform the side walls 204 of the capsule 201C.
Si osservi che il dispositivo di schiacciamento della capsula 201 C consente di schiacciare la capsula 201 C successivamente al trasferimento del prodotto P di base contenuto al suo interno nel recipiente 3.
It should be noted that the device for flattening the capsule 201C allows the capsule 201C to be flattened after transferring the basic product P contained therein inside the container 3.
La finalità del dispositivo di schiacciamento è essenzialmente quella di consentire di ridurre il volume della capsula 201 C dopo l’estrazione del prodotto di base per consentirne lo smaltimento.
The aim of the flattening device is essentially that of allowing the volume of the capsule 201C to be reduced after extraction of the basic product to allow the disposal.
Con riferimento ai vantaggi del trovato, è da evidenziare che la macchina 1 evita la manipolazione del prodotto alimentare e quindi riduce sostanzialmente al minimo il rischio di contaminazione.
With reference to the advantages of the invention, it should be stressed that the machine 1 avoids the need to handle the food product, thus substantially minimizing the risk of contamination.
In questo modo, è garantita una qualità del prodotto alimentare particolarmente elevata.
Thus, a food product of particularly high quality can be guaranteed.
Inoltre, la macchina secondo la presente invenzione può essere pulita in modo particolarmente semplice e veloce (mediante una procedura di “cleaning-in-place”).
Further, the machine according to this invention can be cleaned in a particularly quick and easy manner (using a cleaning-in-place procedure).
Inoltre, la macchina 1 oggetto dell’invenzione ha ingombri particolarmente ridotti e consente quindi di ottimizzare gli spazi all’interno degli esercizi commerciali.
Moreover, the machine 1 of the invention has a particularly reduced footprint, which means that shop floor space can be optimized.