半导体器件及其制造方法技术

本发明专利技术涉及半导体器件及其制造方法。根据本发明专利技术的一个方面的半导体器件，包括：在衬底上的半导体层；在上述半导体层上的隔离层；与上述半导体层接触的源极和漏极，该源极和漏极的每个包括多个指，并且上述源极的多个指与上述漏极的多个指相互交叉；以及在上述隔离层上的栅极，该栅极位于上述源极和漏极之间并包括围绕上述源极和漏极的上述多个指的闭环结构。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及III族氮化物，具体来说，涉及一种新的版 图设计方案，有利于提高III族氮化物半导体器件的击穿电压，同时有效利用晶片上的器 件空间，特别适用于高电压大电流器件。
技术介绍
第三代半导体氮化镓(GaN)的介质击穿电场远远高于第一代半导体硅(Si)或第 二代半导体砷化镓(GaAs)，高达3MV/cm，使其电子器件能承受很高的电压。同时，氮 化镓可以与其他镓类化合物半导体(III族氮化物半导体)形成异质结结构。由于III族氮 化物半导体具有强烈的自发极化和压电极化效应，在异质结的界面附近，可以形成很高 电子浓度的二维电子气(2DEG)沟道。这种异质结结构也有效的降低了电离杂质散射， 因此沟道内的电子迁移率大大提升。在此异质结基础上制成的氮化镓高电子迁移率晶体 管(HEMT)能在高频率导通高电流，并具有很低的导通电阻。这些特性使氮化镓HEMT 特别适用于制造高频的大功率射频器件和高耐压大电流的开关器件。由于二维电子气沟道内的电子有很高的迁移率，所以氮化镓HEMT相对于硅器 件而言，开关速率大大提高。同时高浓度的二维电子气也使得氮化镓HEMT具有较高的 电流密度，适用于大电流功率器件的需要。另外，氮化镓是宽禁带半导体，能工作在较 高的温度。硅器件在大功率工作环境下往往需要额外的降温器件来确保其正常工作，而 氮化镓无须这样，或者对降温要求较低。因此氮化镓功率器件有利于节省空间和成本。常用的氮化镓HEMT的器件结构的截面图如图1所示。底层是基片94，基片94 上沉积有成核层95，缓冲层96和隔离层97。二维电子气沟道在缓冲层和隔离层的界面 附近形成。隔离层上方沉积有一层介质层98，可用于降低高频下的电流崩塌效应。源极 91和漏极92与二维电子气相通，可以控制沟道内电子的流向。栅极93位于源极和漏极 之间，用于控制沟道内电子的数目，进而控制电流的大小。在晶体管中，通常，在栅极与漏极之间承受很高的电压，强电场在栅极附近的 空间电荷区聚集。当峰值电场大于材料的击穿电场时，晶体管的性能会受到严重影响， 甚至出现击穿现象。对于氮化镓功率器件而言，因为其经常要工作在大电压(甚至可能 超过千伏)环境下，所以对峰值电场的控制的要求更加严格。很多研究机构提出了许多 降低峰值电场的方案，涉及从晶片的外延结构和器件的结构上的种种改进，例如，采用 场板结构和浮栅结构，可以使电场分布更加均勻。场板结构的具体细节参见中国专利申 请公开CN101232045A和CN1954440A，以下分别称为专利文献1和2，在此通过参考引 入其整个内容。浮栅结构的具体细节参见中国专利申请公开CN101320751A，以下称为 专利文献3，在此通过参考引入其整个内容。本专利技术从版图设计的角度提供了另外一种方案来实现降低峰值电场，增强器件 击穿电压的目的。传统的氮化镓晶体管的版图多采用直线型的栅极、漏极结构，如图2 所示。在图2中，由于栅极13的终止，在栅极13的两个端部13A电势变化比较激烈，电场比较集中。因此，栅极13的端部13A处的电场要远大于栅极13的中间区域的电场， 器件击穿也多发生在栅极13的端部13A。因此，需要设计一种新的版图，来有效降低栅极的端部处的电场。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述现有技术中存在的问题，提供了。根据本专利技术的一个方面，提供了一种半导体器件，包括在衬底上的半导体 层；在上述半导体层上的隔离层；与上述半导体层接触的源极和漏极，该源极和漏极的 每个包括多个指，并且上述源极的多个指与上述漏极的多个指相互交叉；以及在上述隔 离层上的栅极，该栅极位于上述源极和漏极之间并包括围绕上述源极和漏极的上述多个 指的闭环结构。通过使用本专利技术的这种半导体器件，因为源极和漏极包括相互交叉的多个指， 即源极和漏极相互嵌套，栅极位于源极和漏极之间并围绕源极和漏极的多个指，因此可 以显著增加单位面积内栅极的总长度。因为器件的电流密度不受版图设计的影响，因此 当单位面积内的栅极的总长度显著增加后，单位面积的最大承载电流也会大大增加。同 时，由于栅极包括闭环结构，无始无终，因此使得栅极没有起点和终点，可以有效地避 免尖端放电的现象，增加了器件的击穿电压。相反，如果栅极是开环的结构，则在栅极 的起点和终点的位置，由于尖端放电的效应，电力线在栅极的起点和终点会过于密集， 从而会产生很强的电场。此外，通过使源极和漏极形成为相互交叉的嵌套结构，可以有 效利用晶片的面积，降低生产成本。优选，上述栅极的首尾直接相连或者通过互连线相连。更优选，在上述栅极的 首尾直接相连的情况下，上述栅极的各个拐角都采用弧形结构，并且上述源极和漏极的 与上述各个拐角对应的部分的也采用弧形结构。在上述栅极的首尾通过互连线相连的情 况下，上述漏极的与上述栅极和上述互连线的连接处对应的部分采用弧形结构，上述栅 极的各个拐角都采用弧形结构，并且上述源极和漏极的与上述各个拐角对应的部分也采 用弧形结构。更优选，上述源极和漏极的多个指的尖端采用弧形结构，并且上述栅极的 与上述多个指的尖端的弧形结构对应的部分也采用弧形结构。通过在栅极的各个拐角处都采用弧形结构，并且对应位置处的源极和漏极也采 用弧形结构，使得栅极在拐角处的变化非常平缓，不像上述直线型栅极13的端部13A处 尖端的形状变化那么剧烈。由于弧形结构中栅极的形状变化非常平缓，没有尖锐的形状 变化，因此不会出现电力线在某些尖端非常密集的情况，不会出现尖锐边缘造成的尖端 放电。由于电场分布在这些弧形拐角位置比较均勻，没有直线型栅极的终点位置处的尖 端，因此也避免了尖端放电现象，有效的降低了栅极拐角处的电场，增加了器件的击穿 电压。优选，在上述半导体器件的版图结构中，上述源极和栅极的引线焊盘(又称为 引线衬垫)位于一侧，而上述漏极的引线焊盘位于另一侧。通过使栅极的引线焊盘与源极的引线焊盘位于同一侧，使漏极的引线焊盘位于 另一侧，可以避免栅极、漏极间的高电压造成的器件伤害。这是因为栅极和漏极之间，源极和漏极之间有很大的电压差(可能上千伏)，而源极和栅极之间的电压差比较小。如 果栅极和漏极位于同一侧，栅极和漏极之间的高电压可能导致的器件性能退化或器件击穿。优选，上述源极和漏极的多个指的长度不同。本专利技术并没有限制源极和漏极的指的数目和长度。通过使源极和漏极的指的长 度不同，在源极和漏极内的某些区域会留有足够大的空间用来放置源极的引线焊盘和漏 极的引线焊盘，从而无需在源极和漏极之外的区域放置引线焊盘，并从源极和漏极引出 互连线或者空气桥来连接到引线焊盘。因此，可以节省晶片的空间，降低生产成本。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种用于制造半导体器件的方法，包括以下 步骤在衬底上沉积半导体层；在上述半导体层上沉积隔离层；形成与上述半导体层接 触的源极和漏极，其中该源极和漏极的每个包括多个指，并且上述源极的多个指与上述 漏极的多个指相互交叉；以及在上述隔离层上，在上述源极和漏极之间，形成包括围绕 上述源极和漏极的上述多个指的闭环结构的栅极。通过本专利技术的上述半导体器件的制造方法，可以获得上述相同和相应的优点。 附图说明相信通过以下结合附图对本专利技术具体实施方式的说明，能够使人们更好地了解 本专利技术上述的特点、优点和目的，其中图1示出了常规的氮化镓HE本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体器件，包括：在衬底上的半导体层；在上述半导体层上的隔离层；与上述半导体层接触的源极和漏极，该源极和漏极的每个包括多个指，并且上述源极的多个指与上述漏极的多个指相互交叉；以及在上述隔离层上的栅极，该栅极位于上述源极和漏极之间并包括围绕上述源极和漏极的上述多个指的闭环结构。

【技术特征摘要】
1.一种半导体器件，包括在衬底上的半导体层；在上述半导体层上的隔离层；与上述半导体层接触的源极和漏极，该源极和漏极的每个包括多个指，并且上述源 极的多个指与上述漏极的多个指相互交叉；以及在上述隔离层上的栅极，该栅极位于上述源极和漏极之间并包括围绕上述源极和漏 极的上述多个指的闭环结构。2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，上述栅极的首尾直接相连或者通过互连 线相连。3.根据权利要求2所述的半导体器件，其中，在上述栅极的首尾直接相连的情况下， 上述栅极的各个拐角都采用弧形结构，并且上述源极和漏极的与上述各个拐角对应的部 分也采用弧形结构。4.根据权利要求2所述的半导体器件，其中，在上述栅极的首尾通过互连线相连的情 况下，上述漏极的与上述栅极和上述互连线的连接处对应的部分采用弧形结构。5.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，上述闭环结构将上述源极和漏极中的一 个完全包围。6.根据权利要求5所述的半导体器件，其中，上述源极和漏极中的另一个位于上述栅 极的外围。7.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，上述源极和漏极的多个指的尖端采用弧 形结构，并且上述栅极的与上述多个指的尖端的弧形结构对应的部分也采用弧形结构。8.根据权利要求1-7中任何一项所述的半导体器件，还包括在上述源极和漏极之间的 上述隔离层上的介质层。9.根据权利要求1-7中任何一项所述的半导体器件，还包括场板结构和/或浮栅结构。10.根据权利要求1-7中任何一项所述的半导体器件，其中，上述半导体层和上述隔 离层包括III族氮化物半导体材料，其中III价原子包括铟、铝、镓或其组合。11.根据权利要求1-7中任何一项所述的半导体器件，其中，上述栅极通过空气...

【专利技术属性】
技术研发人员：张乃千，
申请(专利权)人：西安捷威半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：87