阅读说明：本技术 一种空气隙晶体管器件结构及其制造方法 (Air-gap transistor device structure and manufacturing method thereof ) 是由 康晓旭 于 2019-10-21 设计创作，主要内容包括：一种空气隙晶体管器件结构及其制造方法,该结构包括发射极、控制极、收集极和空气隙；发射极包括形成于半导体衬底上的鳍结构和在鳍结构的表面形成一发射极材料层,其中,鳍结构的顶端为凸起的弧型；控制极在发射极的外围形成,并露出发射极的引出端；其中,发射极和控制极通过第一介质隔离层隔离；收集极在控制极的外侧形成,并露出控制极的引出端；其中,控制极与所述收集极通过第二隔离介质层隔离；空气隙的形状如圆弧顶的蘑菇,空气隙的蘑菇顶与收集极相连,发射极位于空气隙的底部,空气隙的蘑菇根部与鳍结构的顶端相连；空气隙的圆弧顶内侧同第一介质隔离层相连,控制极在凸起的发射极的两侧,且被第二隔离介质层所包围。(An air-gap transistor device structure and a method for manufacturing the same, the structure comprises an emitter, a control electrode, a collector and an air gap; the emitter comprises a fin structure formed on a semiconductor substrate and an emitter material layer formed on the surface of the fin structure, wherein the top end of the fin structure is in a convex arc shape; the control electrode is formed at the periphery of the emitter and exposes the leading-out end of the emitter; wherein the emitter and the control electrode are isolated by a first medium isolation layer; the collector is formed at the outer side of the control electrode and exposes the leading-out end of the control electrode; the control electrode and the collector are isolated by a second isolation medium layer; the air gap is shaped like a mushroom with an arc top, the mushroom top of the air gap is connected with the collector, the emitter is positioned at the bottom of the air gap, and the mushroom root of the air gap is connected with the top end of the fin structure; the inner side of the arc top of the air gap is connected with the first medium isolation layer, and the control electrodes are arranged on two sides of the protruding emitter and surrounded by the second isolation medium layer.)

一种空气隙晶体管器件结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及集成电路的制造领域，具体涉及一种空气隙晶体管器件结构及其制造方法。

背景技术

半导体技术发展的是以市场为导向的，其根本动力是单位元件成本的持续下降，性能和功能的持续提升，以满足市场对成本下降和性能、功能提升的需求。进入16nm/14nm及10nm以下CMOS技术代后，CMOS技术沿按比例缩小路线进一步发展面临着成本、技术等方面的巨大挑战，包括载流子迁移率、功耗等等，如何延续摩尔定律并推进半导体技术发展成为业界关注的方向。其中，2D半导体材料、新型器件结构等成为替代MOS器件的研究热点。

空气隙晶体管是一种新型器件结构，请参阅图1，图1中所示为中国专利申请公布号CN 102074584 A，题为一种空气隙石墨烯晶体管及其制备方法。图中所示的晶体管为背栅空气隙石墨烯晶体管，其包括硅衬底101、绝缘体层102、栅电极103、栅介质层104、源电极105、漏电极106和石墨烯层107，石墨烯层107通过空气隙110与栅介质层105和栅电极103相隔离。然而，上述空气隙晶体管的制作工艺复杂，制造成本很高。

因此，如何满足市场需求，已成为业界对空气隙晶体管设计的一个重要考量因素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空气隙晶体管器件结构及其制造方法，为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种空气隙晶体管器件结构，其包括：

发射极，包括形成于半导体衬底上的鳍结构和在所述鳍结构的表面形成一发射极材料层，其中，所述鳍结构的顶端为凸起的弧型；

控制极，其在所述发射极的***形成，并露出所述发射极的引出端；其中，所述发射极和控制极通过第一介质隔离层隔离；

收集极，其在所述控制极的外侧形成，并露出所述控制极的引出端；其中，所述控制极与所述收集极通过第二隔离介质层隔离；

空气隙，其形状如圆弧顶的蘑菇，所述空气隙的蘑菇顶与所述收集极相连，所述发射极位于所述空气隙的底部，所述空气隙的蘑菇根部与所述鳍结构的顶端相连；所述空气隙的圆弧顶内侧同所述第一介质隔离层相连，所述控制极在凸起的所述发射极的两侧，且被所述第二隔离介质层所包围。

进一步地，当所述空气隙晶体管器件结构工作时，所述控制极和收集极施加正电位，所述发射电机施加负电位。

进一步地，所述鳍结构的顶端弧形的曲率半径小于1um，或所述鳍结构的顶端三角形的顶角小于等于90度，或所述鳍结构的顶端三角形的顶角小于等于45度。

进一步地，所述鳍结构的顶端弧形的曲率半径为20纳米～200纳米之间的一个值。

进一步地，所述第一隔离介质层与所述第二隔离介质层材料相同，所述收集极朝向所述空气隙的内侧形状为内嵌的圆弧形、内嵌的三角形或梯形。

为实现上述目的，本发明的又技术方案如下：

一种空气隙晶体管器件结构的制作方法，其包括如下步骤：

步骤S1：在半导体衬底上形成鳍结构，其中，所述鳍结构的顶端为凸起的弧型；

步骤S2：在所述鳍结构的表面形成一发射极材料层以形成发射极；

步骤S3：在所述发射极材料层上形成一第一介质隔离层和一控制金属层；其中，所述控制金属层用于生成控制极；

步骤S4：刻蚀去除所述鳍结构顶部区域的所述控制金属层，停止在所述第一介质隔离层上；以使所述控制极在所述发射极的***形成，所述发射极和控制极通过第一介质隔离层隔离；

步骤S5：去除所述鳍结构顶部区域的第一介质隔离层，并漏出所述发射级的顶部区域，其中，所述第一介质隔离层被打开的窗口小于所述控制电极被打开的窗口，其中，所述控制极与所述收集极通过第二隔离介质层隔离；

步骤S6：形成一牺牲层，以使所述鳍结构顶部的完全被所述牺牲层覆盖，

步骤S7：形成第二隔离介质层，去除所述鳍结构顶部的第二隔离介质层，保留所述鳍结构顶部的牺牲层；

步骤S8：形成收集极金属材料层并图形化，形成收集极，并露出所述空气隙晶体管器件结构侧面的牺牲层；

步骤S9：释放所述牺牲层，形成所述空气隙晶体管器件结构的空气隙。

进一步地，所述发射极材料层的材料为金属、金属硅化物或施主N型高掺杂的硅。

进一步地，所述步骤S4后还包括：再形成一层介质隔离层。

进一步地，所述步骤S7后还包括：去除所述鳍结构两侧的所述牺牲层材料，保留所述鳍结构顶部的牺牲层。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的空气隙晶体管器件结构及其制造方法，其利用与CMOS工艺完全兼容的技术方案来实现空气隙晶体管，并利用鳍式场效应晶体管(Fin Field-effect transistor；FinFET)的鳍结构来实现发射极，从而得到纳米结构的空气隙晶体管，其实现的电子传输的弹道发射，有效地提升了器件的电子迁移率，为后CMOS时代器件的发展提供了技术基础。

附图说明

图1所示为现有技术中一种空气隙石墨烯晶体管的结构示意图

图2所示为本发明基于Finfet鳍结构的空气隙晶体管器件结构一较佳实施例的剖面示意图

图3所示为图2所示的空气隙晶体管器件结构的俯视图

图4所示为本发明基于Finfet结构的空气隙晶体管结构制作方法示意图

具体实施方式

下面结合附图2-4，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

空气隙晶体管是一种新型器件结构，本发明利用与CMOS工艺完全兼容的技术方案来实现空气隙晶体管，并利用Finfet结构来实现发射极，能够实现纳米结构的空气隙晶体管。在FinFET的架构中，其栅极成类似鱼鳍的叉状3D架构，可于电路的两侧控制电路的接通与断开。这种设计可以大幅改善电路控制并减少漏电流(leakage)，也可以大幅缩短晶体管的闸长。

请参阅图2，图2所示为本发明基于Finfet鳍结构的空气隙晶体管器件结构一较佳实施例的剖面示意图。如图2所示，该空气隙晶体管器件结构包括发射极、控制极、收集极和空气隙(Air or Vacuum)。

在本发明的实施例中，发射极是利用finfet的鳍结构，这样做的好处是，一方面，可以CMOS工艺完全兼容的技术方案来实现空气隙晶体管器件结构，另一方面，在衬底上形成的鳍(fin)结构，其fin结构顶端比较尖，即曲率半径较小，以易于后续发射极发射电子。如图2所示，该发射极可以包括形成于半导体衬底上的鳍结构和在鳍结构的表面形成一发射极材料层，其中，鳍结构的顶端为凸起的弧型。一般来说，该鳍结构的顶端弧形的曲率半径通常小于1um，较佳地，该鳍结构的顶端弧形的曲率半径可以为20纳米～200纳米之间的一个值。此外，该发射极材料层的材料可以为金属、金属硅化物或施主N型高掺杂的硅。

请参阅图3，图3所示为图2所示的空气隙晶体管器件结构的俯视图。如图3所示，控制极在发射极的***形成，并露出发射极的引出端；其中，发射极和控制极通过第一介质隔离层隔离；收集极在控制极的外侧形成，并露出控制极的引出端；其中，控制极与收集极通过第二隔离介质层隔离。此外，第一隔离介质层与第二隔离介质层材料可以相同，也可以不同。

在本发明的实施例中，该空气隙的形状如圆弧顶的蘑菇，空气隙的蘑菇顶与收集极相连，发射极位于空气隙的底部，空气隙的蘑菇根部与鳍结构的顶端相连；空气隙的圆弧顶内侧同第一介质隔离层相连，控制极在凸起的发射极的两侧，且被第二隔离介质层所包围。此外，收集极朝向空气隙的内侧形状为内嵌的圆弧形、内嵌的三角形、梯形或其它内嵌的图形。上述收集极的内嵌(这里的内嵌可以是“向上凹”的意思)结构，一方面可以使收集极和控制级之间的距离变远，另一方面内嵌部分打出的二次电子方向是朝向各个方向，仅部分被非内嵌的收集极所收集，因此，可以有效地防止入射电子打出的二次电子被控制级收集。

当空气隙晶体管器件结构工作时，控制极和收集极施加正电位，发射电机施加负电位。在本发明的实施例中，由于控制极距离发射极较近，可以增强或消弱电子场发射效率，并且，在控制极外侧设置第二隔离介质层，是为了防止电子被控制电极所吸收。

请参阅图4，图4所示为本发明基于Finfet结构的空气隙晶体管结构制作方法示意图。如图4所示，该制作方法包括如下步骤：

步骤S1：在半导体衬底(Sub)上形成鳍结构，其中，所述鳍结构的顶端为凸起的弧型。较佳地，该鳍结构为采用CMOS工艺制作的FinFET鳍结构，该结构可以做到鳍结构顶端比较尖，即曲率半径较小，正好满足后续发射极发射电子的需求。

步骤S2：在鳍结构的表面形成一发射极材料层以形成发射极。该发射极材料层的材料可以为金属、金属硅化物(silicide)或施主N型高掺杂的硅(Si)。

步骤S3：在所述发射极材料层上形成一第一介质隔离层和一控制金属层；其中，所述控制金属层用于生成控制极(如图4中第一排的左边第1图所示)。

步骤S4：刻蚀去除鳍结构顶部区域的控制金属层，停止在第一介质隔离层上；以使控制极在发射极的***形成，并露出发射极的引出端，发射极和控制极通过第一介质隔离层隔离(如图4中第一排的左边第2图所示)，需要说明的是，发射极和控制极的引出不限于该方式。

较佳地，该步骤S4后还可以包括：去除鳍结构侧壁的第一介质隔离层，且保留控制金属层侧壁的第一介质隔离层。

需要说明的是，由于第一介质隔离层隔离非常重要，因此，为防止经过上述步骤S4后第一介质隔离层在局部有缺失，该步骤S4完成后还可以包括：再形成一层介质隔离层。

步骤S5：去除鳍结构顶部区域的第一介质隔离层，并漏出发射级的顶部区域；其中，第一介质隔离层被打开的窗口小于控制电极被打开的窗；其中，控制极与收集极通过第二隔离介质层隔离(如图4中第一排的左边第3图所示)。

步骤S6：形成一牺牲层，以使鳍结构顶部的完全被牺牲层覆盖。在本发明的实施例中，可以使该牺牲层完全覆盖整个半成品器件的外部(如图4中第一排的左边第4图所示)，也可以仅使鳍结构顶部的完全被牺牲层覆盖(如图4中第二排的右边第1图所示)。

步骤S7：形成第二隔离介质层(如图4中第二排的右边第2图所示)，去除鳍结构顶部的第二隔离介质层，保留鳍结构顶部的牺牲层。较佳地，在步骤S7后还可以包括：去除鳍结构两侧的牺牲层材料，保留鳍结构顶部的牺牲层(如图4中第二排的右边第3图所示)。

步骤S8：形成收集极金属材料层并图形化，形成收集极，并露出空气隙晶体管器件结构侧面的牺牲层(如图4中第二排的右边第3图所示)。

步骤S9：释放所述牺牲层，形成所述空气隙晶体管器件结构中的空气隙(如图4中第二排的右边第4图所示)。

综上所述，本发明提供的空气隙晶体管器件结构及其制造方法，其利用与CMOS工艺完全兼容的技术方案来实现空气隙晶体管，并利用鳍式场效应晶体管(Fin Field-effect transistor；FinFET)的鳍结构来实现发射极，从而得到纳米结构的空气隙晶体管，其实现的电子传输的弹道发射，有效地提升了器件的电子迁移率，为后CMOS时代器件的发展提供了技术基础。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。