离子液体栅极结构及其制作方法技术

本发明专利技术提供一种离子液体栅极结构及其制作方法，制作方法包括：1)提供一基底，于所述基底表面形成牺牲栅介质层，于所述牺牲介质层上形成栅极材料层；2)于所述栅极材料层中形成开孔，所述开孔显露所述牺牲栅介质层；3)通过所述开孔，采用湿法腐蚀工艺或干法刻蚀工艺选择性去除所述牺牲栅介质层，以形成空腔层；4)于所述空腔层中填充离子液体介质层；5)采用聚合物对所述开孔进行密封。本发明专利技术的离子液体栅极的厚度较小，能够在较小的栅压范围内产生较强的双电层静电场，从而可有效增强栅极对沟道的控制。本发明专利技术的器件结构可有效克服了长期困扰该领域的短沟道效应，可大大提升日益微缩的场效应晶体管的电性能。

【技术实现步骤摘要】
离子液体栅极结构及其制作方法
本专利技术属于半导体集成电路设计制造领域，特别是涉及一种离子液体栅极结构及其制作方法。
技术介绍
场效应晶体管(FieldEffectTransistorFET)是利用电场来控制固体材料导电性能的有源器件。由于其所具有体积小、重量轻、功耗低、热稳定性好、无二次击穿现象以及安全工作区域宽等优点，现已成为微电子行业中的重要元件之一。随着集成电路对功耗和性能的要求提高，对场效应晶体管通常具有以下要求：1)采用高迁移率材料作为半导体主体材料；2)场效应晶体管要求具有较大的沟道宽度以及较小的沟道长度；3)栅绝缘层具有较高的介电常数；4)沟道区与栅绝缘层界面具有较低的界面陷阱；5)电极与半导体层之间的接触电阻较小。鳍式场效晶体管(FinFieldeffecttransistor，简称FinFET)是一种新型的金属氧化半导体场效应晶体管，通常包括形成于半导体绝缘体上硅(SOI)衬底上的鳍状应变硅沟道区，所述鳍状应变硅沟道区内形成有狭窄而孤立的半导体鳍状结构，鳍片两侧形成有栅极结构。通常来说，现有的鳍式场效晶体管包括：半导体绝缘体上硅衬底、源极、漏极、鳍状应变硅沟道区、以及围绕在鳍状应变硅沟道区两侧及上方的栅极结构。其中，所述鳍状应变硅沟道区的厚度通常极薄，且其凸出的三个面均为受控面，受到栅极结构的控制。由此，所述栅极结构可以较为容易的在沟道区构造出全耗尽结构，彻底切断沟道的导电通路。采用FinFET结构使得器件体积更小，性能更好。近年来，硅晶体管结构由平面结构向鳍式结构急剧变化，为了对鳍式结构的进一步改进，人们还提出了环绕栅极(Gate-All-Around)结构，该结构可以将三面包围的栅极结构进一步改进为四面包围的栅极结构，可进一步增强栅极对沟道区的控制。此外，除了传统的Si材料以外，人们还提出了SiGe、Ge、GaAs等高迁移率材料作为有源层。然而，由于载流子密度低于1E13/cm2，固相高k绝缘层通常会被限制为HfOx及ZrOx等介质材料。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种离子液体栅极结构及其制作方法，用于解决现有技术中固相高K介质厚度难以进一步缩小，栅极对沟道控制难以进一步提高的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种离子液体栅极结构的制作方法，所述制作方法包括步骤：1)提供一基底，于所述基底表面形成牺牲栅介质层，于所述牺牲介质层上形成栅极材料层；2)于所述栅极材料层中形成开孔，所述开孔显露所述牺牲栅介质层；3)通过所述开孔，采用湿法腐蚀工艺或干法刻蚀工艺选择性去除所述牺牲栅介质层，以形成空腔层；4)于所述空腔层中填充离子液体介质层；5)采用聚合物对所述开孔进行密封。可选地，所述牺牲介质层包括氮化硅层及非晶碳层中的一种，所述栅极材料层包括金属栅极层。可选地，采用湿法腐蚀工艺去除所述氮化硅层，所述湿法腐蚀工艺选用的腐蚀液包括磷酸，或采用干法刻蚀工艺去除所述非晶碳层，所述干法刻蚀工艺选用的刻蚀气体包括氧气。可选地，所述离子液体介质层的材料包括咪唑型离子液体、吡啶型离子液体以及哌啶型离子液体中的一种。可选地，所述离子液体介质层的材料包括N-甲基-N-丙基哌啶双三氟甲基磺酰亚胺。可选地，步骤2)采用光刻工艺及刻蚀工艺于所述栅极材料层中形成开孔，所述开孔的形状包括圆形及矩形中的一种，所述开孔包括分别形成于所述栅极材料两端部的第一开孔及第二开孔，以利于所述离子液体介质层的填充。可选地，步骤4)在减压条件下，于所述空腔层中填充离子液体介质层。可选地，步骤5)中，所述聚合物包括聚酰亚胺，采用旋涂的方法将所述聚酰亚胺涂覆于所述开空中并进行固化处理，以对所述开孔进行密封。可选地，所述栅极材料层包括金属栅极层。可选地，所述栅极结构包括鳍式栅极结构以及环绕式栅极结构中的一种。可选地，所述离子液体鳍式栅极结构的制作方法包括步骤：1)提供一鳍式半导体基底，于所述鳍式半导体基底的两侧面及上表面形成牺牲栅介质层，于所述牺牲介质层表面形成栅极材料层；2)于所述栅极材料层中形成开孔，所述开孔显露所述牺牲栅介质层；3)通过所述开孔，采用湿法腐蚀工艺或干法刻蚀工艺选择性去除所述牺牲栅介质层，以在所述鳍式半导体基底的两侧面及上表面上形成空腔层；4)于所述空腔层中填充离子液体介质层；5)采用聚合物对所述开孔进行密封。可选地，所述环绕式栅极结构的制作方法包括步骤：1)提供一线式半导体基底，形成环绕所述线式半导体基底周侧表面的牺牲栅介质层，于所述牺牲介质层表面形成栅极材料层；2)于所述栅极材料层中形成开孔，所述开孔显露所述牺牲栅介质层；3)通过所述开孔，采用湿法腐蚀工艺或干法刻蚀工艺选择性去除所述牺牲栅介质层，以在所述线式半导体基底的四周表面上形成空腔层；4)于所述空腔层中填充离子液体介质层；5)采用聚合物对所述开孔进行密封。本专利技术还提供一种离子液体栅极结构，包括：基底；栅极材料层，位于所述基底之上，且所述栅极材料层与所述基底之间围成有空腔层；离子液体介质层，填充于所述空腔层中。可选地，所述离子液体介质层的材料包括咪唑型离子液体、吡啶型离子液体以及哌啶型离子液体中的一种。可选地，所述离子液体介质层的材料包括N-甲基-N-丙基哌啶双三氟甲基磺酰亚胺。可选地，所述栅极材料层中具有开孔，所述开孔的形状包括圆形及矩形中的一种，所述开孔包括分别形成于所述栅极材料两端部的第一开孔及第二开孔，所述第一开孔及第二开孔由聚合物密封，所述聚合物包括聚酰亚胺。可选地，所述离子液体介质层的厚度不大于2nm。可选地，所述栅极结构包括鳍式栅极结构以及环绕式栅极结构中的一种。可选地，所述鳍式栅极结构包括：鳍式半导体基底；栅极材料层，包围于所述鳍式半导体基底的两侧面及上表面，且所述栅极材料层与所述鳍式半导体基底之间围成有空腔层；离子液体介质层，填充于所述空腔层中。可选地，所述环绕式栅极结构包括：线式半导体基底；栅极材料层，包围于所述线式半导体基底的周侧表面上，且所述栅极材料层与所述线式半导体基底之间围成有空腔层；离子液体介质层，填充于所述空腔层中。如上所述，本专利技术的离子液体栅极结构及其制作方法，具有以下有益效果：本专利技术通过制作牺牲介质层后将其选择性去除形成空腔层，然后在减压条件下向所述空腔层中填充离子液体介质层，实现在较小厚度下的离子液体的有效填充且避免气泡等的产生，实现一种有效便捷的离子液体介质层的制作方法。本专利技术的离子液体栅极的厚度较小，能够在较小的栅压范围内产生较强的双电层静电场，从而可有效增强栅极对沟道的控制。本专利技术的器件结构可有效克服了长期困扰该领域的短沟道效应，可大大提升日益微缩的场效应晶体管的电性能。本专利技术的离子液体栅极结构可应用于鳍式栅极结构以及环绕式栅极结构并有效提高其性能，在半导体集成电路设计制造领域具有广泛的应用前景。附图说明图1～图10显示为本专利技术的离子液体栅极结构的制作方法各步骤所呈本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种离子液体栅极结构的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括步骤：/n1)提供一基底，于所述基底表面形成牺牲栅介质层，于所述牺牲介质层上形成栅极材料层；/n2)于所述栅极材料层中形成开孔，所述开孔显露所述牺牲栅介质层；/n3)通过所述开孔，采用湿法腐蚀工艺或干法刻蚀工艺选择性去除所述牺牲栅介质层，以形成空腔层；/n4)于所述空腔层中填充离子液体介质层；/n5)采用聚合物对所述开孔进行密封。/n

【技术特征摘要】
1.一种离子液体栅极结构的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括步骤：
1)提供一基底，于所述基底表面形成牺牲栅介质层，于所述牺牲介质层上形成栅极材料层；
2)于所述栅极材料层中形成开孔，所述开孔显露所述牺牲栅介质层；
3)通过所述开孔，采用湿法腐蚀工艺或干法刻蚀工艺选择性去除所述牺牲栅介质层，以形成空腔层；
4)于所述空腔层中填充离子液体介质层；
5)采用聚合物对所述开孔进行密封。


2.根据权利要求1所述的离子液体栅极结构的制作方法，其特征在于：所述牺牲介质层包括氮化硅层及非晶碳层中的一种，所述栅极材料层包括金属栅极层。


3.根据权利要求2所述的离子液体栅极结构的制作方法，其特征在于：采用湿法腐蚀工艺去除所述氮化硅层，所述湿法腐蚀工艺选用的腐蚀液包括磷酸，或采用干法刻蚀工艺去除所述非晶碳层，所述干法刻蚀工艺选用的刻蚀气体包括氧气。


4.根据权利要求1所述的离子液体栅极结构的制作方法，其特征在于：所述离子液体介质层的材料包括咪唑型离子液体、吡啶型离子液体以及哌啶型离子液体中的一种。


5.根据权利要求1所述的离子液体栅极结构的制作方法，其特征在于：所述离子液体介质层的材料包括N-甲基-N-丙基哌啶双三氟甲基磺酰亚胺。


6.根据权利要求1所述的离子液体栅极结构的制作方法，其特征在于：步骤2)采用光刻工艺及刻蚀工艺于所述栅极材料层中形成开孔，所述开孔的形状包括圆形及矩形中的一种，所述开孔包括分别形成于所述栅极材料两端部的第一开孔及第二开孔，以利于所述离子液体介质层的填充。


7.根据权利要求1所述的离子液体栅极结构的制作方法，其特征在于：步骤4)在减压条件下，于所述空腔层中填充离子液体介质层。


8.根据权利要求1所述的离子液体栅极结构的制作方法，其特征在于：步骤5)中，所述聚合物包括聚酰亚胺，采用旋涂的方法将所述聚酰亚胺涂覆于所述开空中并进行固化处理，以对所述开孔进行密封。


9.根据权利要求1所述的离子液体栅极结构的制作方法，其特征在于：所述离子液体介质层的厚度不大于2nm。


10.根据权利要求1所述的离子液体栅极结构的制作方法，其特征在于：所述栅极结构包括鳍式栅极结构以及环绕式栅极结构中的一种。


11.根据权利要求10所述的离子液体栅极结构的制作方法，其特征在于：所述离子液体鳍式栅极结构的制作方法包括步骤：
1)提供一鳍式半导体基底，于所述鳍式半导体基底的两侧面及上表面形成牺牲栅介质层，于所述牺牲介质层表面形成栅极材料层；
2)于所述栅极材料层中形成开孔，所述开孔显露所述牺牲栅介质层；

【专利技术属性】
技术研发人员：三重野文健，
申请(专利权)人：芯恩青岛集成电路有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37