一种半导体器件结构及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种半导体器件结构及其制备方法，器件结构包括：衬底层、器件外延层、场板介质层、负电容介质层、栅极层、场板电极；场板介质层设置于器件外延层上，负电容介质层设置于场板介质层上，栅极层设置于场板介质层和负电容介质层的第一侧，且栅极层自该第一侧朝第二侧延伸以至少覆盖部分负电容介质层，以形成场板电极。本发明专利技术通过在场板电极与场板介质层之间设置负电容介质层，引入了负电容结构，从而在产生等量电荷的情况下需要更少的输入能量，平衡了GaN基HEMT器件引入场板电极产生的附加电容，在保持场板电极带来的高击穿电压和高使用寿命的同时，缩短了充放电时间，提高了器件开关速度，优化了GaN基HEMT器件的开关特性和频率特性。性和频率特性。性和频率特性。

【技术实现步骤摘要】
一种半导体器件结构及其制备方法


[0001]本专利技术属于半导体集成电路制造
，特别是涉及一种半导体器件结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]GaN(氮化镓)基的HEMT(HighElectronMobilityTransistors，高电子迁移率晶体管)器件作为WBG(宽禁带)功率半导体器件的代表，相比于硅和碳化硅为衬底的器件具有更高的电子迁移率、饱和电子速度和击穿电场，在高频以及功率应用方面有巨大的潜力。
[0003]当GaN基HEMT器件在较大漏极偏压下工作时，沟道电场特别是栅极靠近漏极的一侧会产生峰值电场，极易引起器件漏电，甚至发生击穿，不能发挥出氮化镓器件本身优势。
[0004]如图1所示，现有技术中的GaN基HEMT器件通过引入场板电极可以有效降低栅极边缘电场峰值，使栅极和漏极之间电场分布更加均匀，从而提高器件击穿电压，增加器件寿命。然而，由于场板电极和沟道之间形成附加电容，因此器件在工作时需要更长的时间对附加电容进行充放电作业，使得开关特性和频率特性退化，同时开关损耗的能量也会越大，因此迫切地需要一种可以减少或消除引入场板电极时产生的附加电容的解决方法。
[0005]应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的，不能仅仅因为这些方案在本申请的
技术介绍
部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现思路

[0006]鉴于以上现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种半导体器件结构及其制备方法，用于解决现有技术中GaN基HEMT器件引入场板电极产生的开关特性和频率特性退化的问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供一种半导体器件结构，所述器件结构包括：衬底层、器件外延层、场板介质层、负电容介质层、栅极层、场板电极；
[0008]所述器件外延层设置于所述衬底层上，所述场板介质层设置于所述器件外延层上，所述负电容介质层设置于所述场板介质层上，所述栅极层设置于所述场板介质层和所述负电容介质层的第一侧，且所述栅极层自所述第一侧朝所述场板介质层和所述负电容介质层的第二侧延伸，以至少覆盖部分所述负电容介质层，以形成场板电极。
[0009]可选地，所述器件结构还包括源极层和漏极层，所述场板介质层将所述栅极层、所述源极层和所述漏极层分隔开。
[0010]可选地，所述第二侧为所述场板介质层和所述负电容介质层靠近所述漏极层的一侧。
[0011]可选地，所述场板电极在第一平面上的投影完全覆盖所述负电容介质层在第一平面上的投影，所述第一平面平行于所述器件外延层。
[0012]可选地，所述场板电极与所述负电容介质层在第一平面上的投影完全重合。
[0013]可选地，所述场板介质层在第一平面上的投影完全覆盖所述负电容介质层在所述第一平面上的投影，所述第一平面平行于所述器件外延层。
[0014]可选地，所述负电容介质层的材料包括铪基氧化物、ε型氧化钾、钛酸钡、铌酸锂、钛酸锂或钛酸铅中的一种或一种以上的组合物。
[0015]可选地，所述负电容介质层的制备方法包括金属有机化合物化学气相沉积、分子束外延、脉冲激光沉积、原子层沉积或溅射中的一种或一种以上的任意组合。
[0016]可选地，所述器件外延层包括沟道层和势垒层，所述势垒层位于所述沟道层上，所述势垒层包括InAlN、InAlGaN和AlGaN中的一种或一种以上的任意组合，所述沟道层包括GaN。
[0017]本专利技术还提供一种半导体器件结构的制备方法，所述制备方法用于制备上述任意一种器件结构，所述制备方法包括：提供一衬底层；于所述衬底层上设置所述器件外延层；于所述器件外延层上设置场板介质层；于所述场板介质层上设置负电容介质层；于所述场板介质层和所述负电容介质层的第一侧设置栅极层；于所述栅极层设置场板电极，所述场板电极自该第一侧朝第二侧延伸以至少覆盖部分所述负电容介质层。
[0018]如上，本专利技术的半导体器件结构及其制备方法，具有以下有益效果：
[0019]本专利技术通过在场板电极与场板介质层之间设置负电容介质层，引入了负电容结构，从而在产生等量电荷的情况下需要更少的输入能量，平衡了GaN基HEMT器件引入场板电极产生的附加电容，在保持场板电极带来的高击穿电压和高使用寿命的同时，缩短了充放电时间，提高了器件开关速度，优化了GaN基HEMT器件的开关特性和频率特性。
附图说明
[0020]图1显示为现有技术中引入场板电极的半导体器件结构示意图。
[0021]图2显示为本专利技术实施例一中的半导体器件结构示意图。
[0022]图3显示为现有技术中不同电容的能量和电荷的函数关系示意图。
[0023]元件标号说明
[0024]10、衬底层；20、器件外延层；21、沟道层；22、势垒层；30、场板介质层；40负电容介质层；50、栅极层；51、场板电极；60、漏极层；70、源极层；81、正电容曲线；82、负电容曲线；83、正负串联电容曲线；84、负电容区。
具体实施方式
[0025]以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。
[0026]如在详述本专利技术实施例时，为便于说明，表示装置结构的示意图会不依一般比例作局部放大，而且示意图只是示例，其在此不应限制本专利技术保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0027]为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的半导体器件结构空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特
征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。
[0028]在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
[0029]需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，遂图示中仅显示与本专利技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0030]实施例一：
[0031]如图2所示，本专利技术提供一种半导体器件结构，所述器件结构包括：衬底层10、器件外延层20、场板介质层30、负电容介质层40、栅极层50、场板电极51；
[0032]所述器件外延层20设置于所述衬底层10上，所述场板介质层30设置于所述器件外延层20上，所述负电容介质层40设置于所述场板介本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半导体器件结构，其特征在于，所述器件结构包括：衬底层、器件外延层、场板介质层、负电容介质层、栅极层、场板电极；所述器件外延层设置于所述衬底层上，所述场板介质层设置于所述器件外延层上，所述负电容介质层设置于所述场板介质层上，所述栅极层设置于所述场板介质层和所述负电容介质层的第一侧，且所述栅极层自所述第一侧朝所述场板介质层和所述负电容介质层的第二侧延伸，以至少覆盖部分所述负电容介质层，以形成场板电极。2.根据权利要求1所述的半导体器件结构，其特征在于，所述器件结构还包括源极层和漏极层，所述场板介质层将所述栅极层、所述源极层和所述漏极层分隔开。3.根据权利要求2所述的半导体器件结构，其特征在于，所述第二侧为所述场板介质层和所述负电容介质层靠近所述漏极层的一侧。4.根据权利要求1所述的半导体器件结构，其特征在于，所述场板电极在第一平面上的投影完全覆盖所述负电容介质层在第一平面上的投影，所述第一平面平行于所述器件外延层。5.根据权利要求4所述的半导体器件结构，其特征在于，所述场板电极与所述负电容介质层在第一平面上的投影完全重合。6.根据权利要求1所述的半导体器件结构，其特征在于，所述场板介质层在第一平面上的投影完全覆盖所述负电容介质层在所述第一平面上的投...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭德霄，许东，雷嘉成，刘胜北，彭昊炆，
申请(专利权)人：上海新微半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：