氮化物基半导体双向切换器件和其制造方法技术

本公开提供一种具有衬底电位管理能力的氮化物基双向切换器件。所述器件具有控制节点、第一电力/负载节点、第二电力/负载节点和主衬底，且包括：氮化物基双侧晶体管；和衬底电位管理电路，其配置成用于管理所述主衬底的电位。通过实施所述衬底电位管理电路，可将衬底电位稳定到所述双侧晶体管的第一源极/漏极和第二源极/漏极的电位中的较低一个，而不管所述双向切换器件在哪个方向上操作。因此，所述双侧晶体管可在两个方向上以稳定衬底电位操作以用于传导电流。作以用于传导电流。作以用于传导电流。

【技术实现步骤摘要】
氮化物基半导体双向切换器件和其制造方法


[0001]本专利技术总体来说涉及氮化物基半导体双向切换器件。更具体来说，本专利技术涉及具有衬底电位管理能力的氮化物基半导体双向切换器件。

技术介绍

[0002]由于低功率损耗和快速切换转变，GaN基器件已广泛用于高频电能转换系统。与硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)相比，GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)在高功率和高频应用中具有好得多的品质因数和更具前景的性能。
[0003]通过恰当的栅极结构设计，GaN HEMT器件可配置为等效于在相反方向上串联耦合的两个晶体管，使得其可用于双侧晶体管Qm。与需要两个Si基晶体管的常规硅基配置相比，GaN基双侧晶体管Qm可具有更简单的驱动电路系统、更低的功耗和更紧凑的大小。
[0004]如果GaN HEMT器件的衬底是浮动的，那么衬底将在器件的切换过程期间累积电荷，这将影响器件的切换性能且使器件的长期可靠性劣化。在单向GaN HEMT器件中，为了避免衬底浮动对器件的性能和可靠性的影响，通常需要将器件的衬底和源极保持在相同电位。在双向GaN HEMT器件中，由于器件的源极和漏极根据电路的工作状态切换，因此不可能将衬底与源极或漏极端子直接电连接。因此，对于双向GaN HEMT器件，有必要根据器件的工作状态独立地控制衬底电位，使得器件的衬底电位始终维持在器件的最低电位。在低侧应用中，双向器件的最低电位为系统接地，且双向GaN HEMT器件的衬底电位可直接接地。然而，在高侧应用中，双向器件应用的最低电位可能不是系统接地，因此双向GaN HEMT器件的衬底电位应独立地控制为处于器件的最低电位。

技术实现思路

[0005]根据本公开的一个方面，提供一种具有衬底电位管理能力的氮化物基双向切换器件。所述器件具有控制节点、第一电力/负载节点、第二电力/负载节点和主衬底，且包括：氮化物基双侧晶体管；和衬底电位管理电路，其配置成用于管理主衬底的电位。
[0006]双向切换器件可在第一操作模式(其中第一电力/负载节点在高于施加到第二电力/负载节点的电压的电压下偏置)下在第一方向上操作；且在第二操作模式(其中第一电力/负载节点在低于施加到第二电力/负载节点的电压的电压下偏置)下在第二方向上操作。
[0007]通过实施衬底电位管理电路，衬底电位Vsub在第一和第二操作模式两者下基本上等于第一和第二电力/负载节点的电位中的较低一个。因此，主衬底的电位可稳定到双侧晶体管的第一源极/漏极和第二源极/漏极的电位中的较低一个，而不管双向切换器件在哪个方向上操作。因此，双侧晶体管可在两个方向上以稳定衬底电位操作以用于传导电流。
附图说明
[0008]当结合附图阅读时，从以下具体实施方式容易理解本公开的各方面。应注意，各种
特征可不按比例绘制。也就是说，为了论述清楚起见，各种特征的尺寸可任意增大或减小。在下文中参考图式更详细地描述本公开的实施例，在图式中：
[0009]图1和图2A至2D显示根据本专利技术的一些实施例的双向切换器件的结构。图1为双向切换器件的部分布局。图2A至2D为分别沿图1中的线A
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A'、B
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B'、C
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C'和D
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D'截取的横截面视图。
[0010]图3A至3K显示根据本专利技术的一些实施例的用于制造双向切换器件的方法的不同阶段。
[0011]图4为根据本专利技术的一些实施例的具有衬底电位管理能力的双向切换器件的电路框图。
[0012]图5描绘基于图4的电路框图的根据一些实施例的双向切换器件的电路图。
[0013]图6A至6D描绘图5中的双向切换器件的操作机构。
[0014]图7和图8A至8D显示基于图5中的电路图的双向切换器件的结构。图7为双向切换器件的部分布局。图8A至8D为分别沿图7中的线A
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A'、B
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B'、C
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C'和D
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D'截取的横截面视图。
[0015]图9为根据本专利技术的其它实施例的具有衬底电位管理能力的双向切换器件的电路框图。
[0016]图10为基于图9的电路框图的根据一些实施例的双向切换器件的电路图。
[0017]图11和图12A至12B显示基于图10的电路图的根据实施例的双向切换器件的结构。图11为双向切换器件的部分布局。图12A至12B为分别沿图11中的线D
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D'和E
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E'截取的横截面视图。
[0018]图13和图14A至14B显示基于图10的电路图的根据另一实施例的双向切换器件的结构。图13为双向切换器件的部分布局。图14A至14B为分别沿图13中的线D
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D'和E
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E'截取的横截面视图。
[0019]图15和图16A至16B显示基于图10的电路图的根据另一实施例的双向切换器件的结构。图15为双向切换器件的部分布局。图16A至16B为分别沿图15中的线D
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D'和E
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E'截取的横截面视图。
[0020]图17和图18A至18B显示基于图10的电路图的根据另一实施例的双向切换器件的结构。图17为双向切换器件的部分布局。图18A至18B为分别沿图17中的线D
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D'和E
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E'截取的横截面视图。
[0021]图19和图20A至20B显示基于图10的电路图的根据另一实施例的双向切换器件的结构。图19为双向切换器件的部分布局。图20A至20B为分别沿图19中的线D
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D'和E
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E'截取的横截面视图。
[0022]图21和图22A至22B显示基于图10的电路图的根据另一实施例的双向切换器件的结构。图21为双向切换器件的部分布局。图22A至22B为分别沿图21中的线D
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D'和E
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E'截取的横截面视图。
具体实施方式
[0023]贯穿图式和具体实施方式使用共用参考标号来指示相同或类似组件。根据结合附图作出的以下详细描述将容易理解本公开的实施例。
[0024]相对于某一组件或组件群组或组件或组件群组的某一平面而指定空间描述，例如
“
上方”、“下方”、“向上”、“左”、“右”、“向下”、“顶部”、“底部”、“竖直”、“水平”、“侧”、“较高”、“较低”、“上部”、“之上”、“之下”等等，以用于定向如相关联图中所示的一个或多个组件。应理解，本文中所使用的空间描述仅出于图示的目的，且本文中所描述的结构的实际实施方案可以任何定向或方式在空间上布置，前提为本公开的实施例的优点不因这种布置而有偏差。
[0025]另外，应注意，在实际器件中，归因于器件制造条件，描绘为近似矩形的各种结构的实际形状可能是曲形、具有圆形边缘、具有稍微不均匀的厚度等。使用直线和直角只是为了方便表示层和特征。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有衬底电位管理能力的氮化物基双向切换器件，其具有控制节点、第一电力/负载节点、第二电力/负载节点、参考节点和主衬底，且包括：氮化物基双侧晶体管，其具有连接到所述控制节点的主栅极端子、连接到所述第一电力/负载节点的第一源极/漏极端子、连接到所述第二电力/负载节点的第二源极/漏极端子，和连接到所述主衬底的主衬底端子；和衬底电位管理电路，其配置成用于管理所述主衬底的电位，所述衬底电位管理电路包括第一电位稳定元件，所述第一电位稳定元件具有电连接到所述控制节点的控制端子、电连接到所述第一电力/负载节点的第一传导端子、电连接到所述主衬底的第二传导端子和电连接到所述主衬底的衬底端子。2.根据权利要求1所述的氮化物基双向切换器件，其中所述主衬底通过所述参考节点电连接到第二电位稳定元件；当将高电平电压施加到所述控制节点时，所述第一电位稳定元件具有低于所述第二电位稳定元件的第二电阻的第一电阻，使得所述主衬底的电位基本上等于所述第一电力/负载节点和所述第二电力/负载节点的电位中的较低一个。3.根据权利要求2所述的氮化物基双向切换器件，其中所述第一电位稳定元件为第一衬底耦合晶体管，所述第一衬底耦合晶体管具有连接到所述控制节点的栅极端子、连接到所述第一电力/负载节点的漏极端子、连接到所述主衬底的源极端子；且所述第二电位稳定元件为电阻器，所述电阻器具有通过所述参考节点连接到所述主衬底的第一端子和连接到接地的第二端子。4.根据权利要求3所述的氮化物基双向切换器件，其中所述氮化物基双侧晶体管和所述第一衬底耦合晶体管集成在集成电路(IC)芯片中，所述集成电路芯片包括：衬底；第一氮化物基半导体层，其安置在所述衬底上方；第二氮化物基半导体层，其安置在所述第一氮化物基半导体层上且具有大于所述第一氮化物基半导体层的带隙的带隙；一个或多个栅极结构，其安置在所述第二氮化物基半导体层上方，所述一个或多个栅极结构各自包含栅极半导体层和安置在所述栅极半导体层上的栅电极层；第一钝化层，其安置在所述第二氮化物基半导体层上且覆盖栅极金属层；一个或多个源极/漏极(S/D)电极，其安置在所述第二氮化物基半导体层上且穿透所述第一钝化层；第二钝化层，其安置在所述第一钝化层上且覆盖所述S/D电极；一个或多个第一导电通孔，其安置在所述第二钝化层内；第一导电层，其安置在所述第二钝化层上且图案化以形成一个或多个第一导电迹线；第三钝化层，其安置在所述第一导电层上且覆盖所述一个或多个导电迹线；一个或多个第二导电通孔，其安置在所述第三钝化层内；至少一个镓穿孔(TGV)，其从所述第二导电层纵向延伸且穿透到所述衬底中；第二导电层，其安置在所述第三钝化层上且图案化以形成一个或多个第二导电迹线；和
保护层，其安置在所述第二导电层上方且具有一个或多个开口以暴露一个或多个导电垫，所述一个或多个导电垫包含：控制垫，其配置成充当所述控制节点；第一电力/负载垫，其配置成充当所述第一电力/负载节点；第二电力/负载垫，其配置成充当所述第二电力/负载节点；和参考垫，其配置成充当所述参考节点；且；其中所述一个或多个S/D电极包含：至少一个第一S/D电极，其电连接到所述第一电力/负载垫以充当所述氮化物基双侧晶体管的所述第一源极/漏极端子和所述第一衬底耦合晶体管的所述漏极端子；至少一个第二S/D电极，其电连接到所述第二电力/负载垫以充当所述氮化物基双侧晶体管的所述第二源极/漏极端子；至少一个第三S/D电极，其电连接到所述衬底和所述参考垫以充当所述第一衬底耦合晶体管的所述源极端子；且其中所述一个或多个栅极结构包含：至少一个第一栅极结构，其电连接到所述控制垫以充当所述氮化物基双侧晶体管的所述主栅极端子；和至少一个第二栅极结构，其电连接到所述控制垫以充当所述第一衬底耦合晶体管的所述栅极端子。5.根据权利要求1所述的氮化物基双向切换器件，其中所述衬底电位管理电路进一步包括第二电位稳定元件，所述第二电位稳定元件具有连接到所述主衬底的第一传导端子和连接到所述参考节点的第二传导端子；且当将高电平电压施加到所述控制节点时，所述第一电位稳定元件具有低于所述第二电位稳定元件的第二电阻的第一电阻，使得所述主衬底的电位基本上等于所述第一电力/负载节点和所述第二电力/负载节点的电位中的较低一个。6.根据权利要求5所述的氮化物基双向切换器件，其中所述第一电位稳定元件为第一衬底耦合晶体管，所述第一衬底耦合晶体管具有连接到所述控制节点的栅极端子、连接到所述第一电力/负载节点的漏极端子、连接到所述主衬底的源极端子；且所述第二电位稳定元件为电阻器，所述电阻器具有连接到所述主衬底的第一端子和连接到接地的第二端子。7.根据权利要求6所述的氮化物基双向切换器件，其中所述氮化物基双侧晶体管、所述第一衬底耦合晶体管和所述电阻器集成在集成电路(IC)芯片中，所述集成电路芯片包括：衬底；第一氮化物基半导体层，其安置在所述衬底上方；第二氮化物基半导体层，其安置在所述第一氮化物基半导体层上且具有大于所述第一氮化物基半导体层的带隙的带隙；一个或多个栅极结构，其安置在所述第二氮化物基半导体层上方，所述一个或多个栅极结构各自包含栅极半导体层和安置在所述栅极半导体层上的栅电极层；第一钝化层，其安置在所述第二氮化物基半导体层上且覆盖栅极金属层；一个或多个源极/漏极(S/D)电极，其安置在所述第二氮化物基半导体层上且穿透所述第一钝化层；
第二钝化层，其安置在所述第一钝化层上且覆盖所述S/D电极；一个或多个第一导电通孔，其安置在所述第二钝化层内；第一导电层，其安置在所述第二钝化层上且图案化以形成一个或多个第一导电迹线；第三钝化层，其安置在所述第一导电层上且覆盖所述一个或多个导电迹线；一个或多个第二导电通...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵起越，周春华，李茂林，高吴昊，杨超，杨观深，程绍鹏，
申请(专利权)人：英诺赛科苏州科技有限公司，
类型：发明
国别省市：