CN207852645U - 一种半导体晶体管结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型教示一种半导体晶体管结构，包括，半导体衬底；栅极结构，位于半导体衬底的上表面，包括栅极导电层及位于栅极导电层上的栅极绝缘层；栅绝缘侧壁，位于栅极结构的侧壁；栓导电结构，位于栅极结构的两侧，各栓导电结构之间通过空气绝缘结构或绝缘层进行电学隔离；空气侧壁，位于栓导电层及所述栅绝缘侧壁之间，空气侧壁包括空气间隙和绝缘封口层，空气间隙通过所述绝缘封口层密封。与现有技术相比，空气间隙和空气间隔室的引入不仅降低了栅极和栓导电结构之间的寄生电容，而且降低了栓导电结构和栓导电结构之间的寄生电容，改善了晶体管的稳定性和可靠性，为晶体管尺寸的进一步缩小提供了一种有效的途径。

Description

一种半导体晶体管结构

技术领域

本实用新型涉及一种半导体器件的制造工艺，特别是涉及一种半导体晶体管结构。

背景技术

金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET，Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor)是集成电路中使用最普遍的单元。由于MOSFET在正常工作状态下，栅极、源极及漏极的电压都不相等所以他们之间的电场存在着一耦合作用，这种耦合作用就表现为他们之间有电容的存在。随着集成电路的发展，器件小型化是必然的趋势，但工艺中寄生电容不随器件尺寸的减小而成比例的减小，而本证电容随着器件尺寸的减小而成比例的减小，这样寄生电容在总电容中的占的比例就大大增加了，严重影响了器件的稳定性和可靠性，因此对小尺寸器件寄生电容的研究就更有意义。

随着动态随机存储器(DRAM，Dynamic Random Access Memory)的工艺缩小到纳米尺度，在元件大幅缩小的条件下，改善栅极和源漏极电极间的寄生电容是一大挑战，栅极和源漏极等效于一个平行板电容器的两个极板，在平行板电容器中，电容C，平行板电容器的介电层的介电系数k，极板面积A，极板间距d，极板电荷量Q，充放电电流I，充放电功率P，充放电能量W，充放电时间t，极板间电压V之间存在以下关系：C＝kA/d，Q＝It，C＝Q/V， P＝W/t＝IV，对于一个特定的器件，我们假设极板电压、充放电电流，极板面积和极板间距离不变的情况下，由此可以推导出电阻电容延迟t∝C∝k，开关能量W∝C∝k，从中可以看出选用一种介电系数低的间隔层，可以有效降低栅极和漏源极之间的寄生电容，进而降低电容电阻延迟和减少开关能耗。图1是一现有技术的MOSFET的结构示意图，包括半导体衬底 11’，栅极导电层121’，栅极绝缘层122’，栅绝缘侧壁13’，栓结构，所述栅绝缘侧壁 13’依次由氮化硅层131’，氧化硅层132’及氮化硅层131’组成，所述栓结构由栓导电结构15’和栓绝缘结构16’沿所述栅绝缘侧壁13’的长度方向重复排列组成，所述栓绝缘结构16’为绝缘层162’，所述氮化硅层131’介电常数(k:7.8)和所述氧化硅层132’介电常数(k:3.9)较高，这将不利于降半导体晶体管中的寄生电容，影响器件的可靠性和稳定性。

因此，如何降低栅极和栓导电结构之间的寄生电容，以及栓导电结构和栓导电结构之间的寄生电容，提高半导体器件的可靠性，已成为本领域技术人员亟待解决的一个重要问题。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种半导体晶体管结构，用于解决现有技术中栅极和栓导电结构之间，以及栓导电结构和栓导电结构之间的寄生电容大的问题，提高器件稳定性和可靠性。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种半导体晶体管结构，所述半导体晶体管结构至少包括：

半导体衬底；

栅极结构，位于所述半导体衬底的上表面，包括栅极导电层及位于所述栅极导电层上的栅极绝缘层；

栅绝缘侧壁，位于所述栅极结构的侧壁；

栓导电结构，位于所述栅极结构的两侧，相邻的所述栓导电结构之间通过栓绝缘结构进行电学隔离；其中，所述栓导电结构和所述栅极结构之间的间隙大于所述栅绝缘侧壁的沉积厚度，以于所述栅绝缘侧壁及所述栓导电结构之间形成空气间隙；及，

第一绝缘封口层，形成于所述空气间隙上，以将所述空气间隙封闭成空气侧壁，由于空气介电常数小，所述空气侧壁可有效降低栅极和栓导电结构之间的寄生电容，降低电阻电容延迟，进而增加开关速度，降低开关能量。

优选地，所述第一绝缘封口层局部填入在所述栅绝缘侧壁及所述栓导电结构之间的空气间隙开口，所述第一绝缘封口层的往内填入深度不超过水平于所述栅极导电层顶面的平面高度。

优选地，所述第一绝缘封口层的第一顶面、所述栅绝缘侧壁的第二顶面、所述栓导电结构的第三顶面及所述栅极结构的所述栅极绝缘层的第四顶面形成于同一研磨平面，用以确保所述半导体晶体管结构在一相对低高度下还保持所述空气侧壁仍被气密封闭。

优选地，所述栓绝缘结构具有第五顶面，亦形成于同一研磨平面。

优选地，所述栓绝缘结构的第五顶面包含绝缘层的实体表面，所述绝缘层填充形成于由相邻所述栓导电结构和相邻所述空气侧壁包围的第二凹槽中。

优选地，所述栓绝缘结构的第五顶面包含栓绝缘侧壁的环形表面及在所述环形表面包围内的第二绝缘封口层的表面，所述栓绝缘侧壁连接相邻所述栓导电结构的端缘并形成于所述栓导电结构的侧壁及所述半导体衬底的上表面，以包围形成空气间隔室；所述第二绝缘封口层将所述空气间隔室封闭成空气绝缘结构，由于空气介电常数小，所述空气绝缘结构可有效降低栅极和栓导电结构之间的寄生电容，降低电阻电容延迟，进而增加开关速度，降低开关能量。

优选地，所述第二绝缘封口层局部填入所述栓绝缘侧壁包围形成的空气间隔室开口，所述第二绝缘封口层的往内填入深度不超过水平于所述栅极导电层顶面的平面高度，所述第二绝缘封口层的材料选自于由氮化硅、二氧化硅及氮氧化硅构成群组的其中之一。

优选地，所述栅绝缘侧壁的材料选自于由氮化硅、二氧化硅及氮氧化硅构成群组的其中之一，所述栅绝缘侧壁的厚度介于2纳米至15纳米之间；所述栓导电结构的材料包括多晶硅；所述第一绝缘封口层的材料选自于由氮化硅、二氧化硅及氮氧化硅构成群组的其中之一。

优选地，所述空气间隙的高度大于所述栅极导电层的高度，且小于所述栅极结构的高度；所述空气间隙的宽度介于2纳米至20纳米之间；所述空气间隙内包含二氯硅烷、氨气、硅烷、四氯硅烷及氮气中的一种或者几种；所述空气间隙内的气体压力介于200毫托至一标准大气压之间。

优选地，所述绝缘层的材料选自于由氮化硅、二氧化硅及氮氧化硅所构成群组的其中之一。

优选地，所述栓绝缘侧壁的材料选自于由氮化硅、二氧化硅以及氮氧化硅所构成群组的其中之一，所述栓绝缘侧壁的厚度介于2纳米至15纳米之间。

优选地，所述空气间隔室的高度大于所述栅极导电层的高度，且小于所述栅极结构的高度；所述空气间隔室的宽度介于2纳米至20纳米之间；所述空气间隔室内包含二氯硅烷、氨气、硅烷、四氯硅烷及氮气中的一种或者几种；所述空气间隔室内的气体压力介于200毫托至一标准大气压之间。

优选地，所述空气绝缘结构内具有笔尖状结构的封闭空气间隔室。

优选地，所述空气侧壁内具有笔尖状结构的封闭空气间隙。

如上所述，本实用新型的半导体晶体管结构，具有以下有益效果：

1.本实用新型采用氮化硅-空气侧壁的不对称结构，与现有技术中氮化硅-氧化硅-氮化硅对称栅绝缘侧壁结构相比，由于空气介电常数小，可有效降低栅极和栓导电结构之间的寄生电容，降低电阻电容延迟，进而增加开关速度，降低开关能量；并且减少了一层氮化硅层，可以增加半导体衬底的有效利用面积。

2.本实用新型采用含有空气间隔室的空气绝缘结构，与现有技术中绝缘层相比，由于空气介电常数小，可有效降低栅极与栓导电结构之间，以及栓导电结构与栓导电结构之间的寄生电容，降低电阻电容延迟，进而增加开关速度，降低开关能量。

3.本实用新型在制备栓导电结构过程中，先沉积多晶硅并形成栓导电结构，后于各栓导电结构之间形成栓绝缘结构，可以避免由于先形成栓绝缘结构后沉积多晶硅时，多晶硅沉积到栓绝缘结构的缺陷中引起栓导电结构之间导通，提高器件的稳定性和可靠性。

4.本实用新型采用空气侧壁和空气绝缘结构能有效的降低栅极与栓导电结构之间以及各栓导电结构之间的寄生电容，在保证半导体晶体管正常工作的情况下，提供了一种进一步缩小半导体晶体管尺寸，提高集成电路集成度的有效途径。

附图说明

图1显示为现有技术中的半导体晶体管结构的示意图。

图2显示为本实用新型半导体晶体管的制备方法的流程示意图。

图3显示为本实用新型于半导体衬底上形成栅极导电材料层、栅极绝缘材料层及栅极图案层的结构示意图。

图4显示为本实用新型于半导体衬底上形成栅极导电层、栅极绝缘层的结构示意图。

图5显示为本实用新型于栅极结构侧壁上形成栅绝缘侧壁材料层的结构示意图。

图6显示为本实用新型于栅极结构侧壁上形成栅绝缘侧壁的结构示意图。

图7显示为本实用新型于栅绝缘侧壁上形成牺牲侧壁材料层的结构示意图。

图8显示为本实用新型于栅绝缘侧壁上形成牺牲侧壁的结构示意图。

图9显示为本实用新型于半导体衬底裸露位置形成栓导电材料层的结构示意图。

图10显示为本实用新型于半导体衬底裸露位置形成栓导电层的结构示意图。

图11显示为本实用新型于栓导电层上形成栓图案层的结构示意图。

图12显示为本实用新型于栓导电层上形成栓导电结构的结构示意图。

图13显示为本实用新型实施例一中于栓导电结构的侧壁及半导体衬底的上表面形成栓绝缘侧壁材料层的结构示意图。

图14显示为本实用新型实施例一中于栓导电结构的侧壁及半导体衬底的上表面形成栓绝缘侧壁的结构示意图。

图15显示为本实用新型实施例一中于牺牲侧壁位置形成空气间隙的结构示意图。

图16显示为本实用新型实施例一中于空气间隙和空气间隔室内形成绝缘封口材料层的结构示意图。

图17显示为本实用新型实施例一中的半导体晶体管的结构示意图。

图18显示为本实用新型实施例二中于栓导电结构之间形成绝缘材料层的结构示意图。

图19显示为本实用新型实施例二中于栓导电结构之间形成绝缘层的结构示意图。

图20显示为本实用新型实施例二中于牺牲侧壁位置形成空气间隙的结构示意图。

图21显示为本实用新型实施例二中于空气间隙内形成绝缘封口材料层的结构示意图。图22显示为本实用新型实施例二中的半导体晶体管的结构的示意图

图23显示为本实用新型图3和图18中沿虚线X截面的结构示意图。

图24显示为本实用新型图3中沿虚线Y截面的结构示意图。

图25显示为本实用新型制备绝缘封口的原子沉积装置的结构示意图。

图26显示为本实用新型原子层沉积法制备绝缘封口反应程序的示意图。

图27显示为本实用新型原子层沉积法制备绝缘封口覆盖率的示意图。

图28a-28c显示为本实用新型原子层沉积法制备绝缘封口的结构示意图。

元件标号说明

11，11’ 半导体衬底

121，121’ 栅极导电层

1210 栅极导电材料层

122，122’ 栅极绝缘层

1220 栅极绝缘材料层

13，13’ 栅绝缘侧壁

130 栅绝缘侧壁材料层

131’ 氮化硅层

132’ 二氧化硅层

14 空气侧壁

140 牺牲侧壁

1400 牺牲侧壁材料层

141 空气间隙

15，15’ 栓导电结构

150 栓导电层

1500 栓导电材料层

151 第一凹槽

16，16’ 栓绝缘结构

161 第二凹槽

162，162’ 绝缘层

1620 绝缘材料层

17 空气绝缘结构

171 空气间隔室

172 栓绝缘侧壁

1720 栓绝缘侧壁材料层

18 绝缘封口层

180 绝缘封口材料层

181 第一绝缘封口层

182 第二绝缘封口层

191 栅极图案层

192 栓图案层

21 衬底

22 存储箱

23 第一前驱体

24 反应腔

25 喷嘴

S1～S6 步骤

a～d 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，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实用新型的其他优点与功效。本实用新型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，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图2至图28。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实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型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。

实施例一

如图2～图17所示，为了有效降低栅极和栓导电结构之间的寄生电容，降低电阻电容延迟，进而增加开关速度，降低开关能量，本实施例提供一种半导体晶体管结构的制备方法，所述半导体晶体管结构的制备方法至少包含以下步骤：

执行步骤S1，提供一半导体衬底11，在所述半导体衬底11上依次形成栅极导电层121 和栅极绝缘层122，通过刻蚀形成栅极结构。

具体地，如图3所示，在本实施例中，所述半导体衬底11采用硅衬底；在所述硅衬底上氧化一层氧化层(图中未显示)，作为栅极结构的介电层，厚度介于1纳米至10纳米之间；利用物理气相沉积法或化学气相沉积法于所述半导体衬底11的表面形成一层栅极导电材料层1210和一层栅极绝缘材料层1220，所述栅极导电材料层1210的材料可采用金属钨，厚度介于15纳米至90纳米之间，所述栅极绝缘材料层1220的材料可采用氮化硅，厚度介于50纳米至300纳米；利用曝光显影技术，于所述栅极绝缘材料层1220上形成栅极图案层191。

具体地，如图4所述，在本实施例中，利用蚀刻工艺在所述半导体衬底11的上表面形成栅极结构，所述栅极结构包括栅极导电层121，及位于所述栅极导电层121上的栅极绝缘层 122，所述蚀刻工艺包括但不限于干法刻蚀或湿法刻蚀，可根据实际需求和实验条件选用具体的刻蚀工艺，不以本实施例为限。

执行步骤S2，于所述栅极结构的侧壁依次形成栅绝缘侧壁13和牺牲侧壁140，相邻的两所述牺牲侧壁140围成第一凹槽151。

具体地，在本实施例中，首先，如图5所示，于步骤S1所得结构的上表面采用化学气相沉积的方法形成一层栅绝缘侧壁材料层130，然后，如图6所示，较佳地，采用干法刻蚀将所述半导体衬底11及所述栅极绝缘层122上的所述栅绝缘侧壁材料层130去除，形成所述栅绝缘侧壁13，所述栅绝缘侧壁13的材料可采用氮化硅，厚度介于2纳米至15纳米；

需要说明的是，化学气相沉积法形成所述氮化硅栅绝缘侧壁13的制程气体包括但不限于甲硅烷与氨气的混合气体，二氯硅烷与氨气的混合气体或四氯硅烷与氨气的混合气体，可根据实验条件选用具体的混合气体，不以本实施例为限，制程压力包括0.25托至500托，制程温度介于600度至800度之间；其中，混合气体中甲硅烷、二氯硅烷或四氯硅烷的体积与氨气的体积比介于1:3至1:10之间。

具体地，在本实施例中，首先，如图7所示，于所述栅绝缘侧壁13上采用化学气相沉积的方法形成一层牺牲侧壁材料层1400，然后，如图8所示，采用干法刻蚀将所述半导体衬底 11及所述栅极绝缘层122上的所述牺牲侧壁材料层1400去除，形成所述牺牲侧壁140，所述牺牲侧壁140的材料可采用二氧化硅，厚度介于2纳米至15纳米。

需要说明的是，气相沉积法形成所述二氧化硅牺牲侧壁140的制程气体包括但不限于正硅酸乙酯与一氧化二氮的混合气体，甲硅烷与一氧化二氮的混合气体，正硅酸乙酯与氧气的混合气体，甲硅烷与氧气的混合气体，可根据实验条件选用具体的混合气体，不以本实施例为限，制程压力包括400毫托至1标准大气压，制程温度介于200度至800度。

执行步骤S3，于所述牺牲侧壁140和半导体衬底11围成的所述第一凹槽151中形成栓导电层150，可采用刻蚀工艺形成由若干第二凹槽161隔离的若干栓导电结构15。

具体的，在本实施例中，如图9所示，首先，在本实施例中，采用化学气相沉积法于步骤S2所得结构的上表面沉积一层栓导电材料层1500，所述栓导电材料层1500的材料可采用多晶硅，厚度介于100纳米至500纳米之间；其次，如图10所示，较佳地，采用化学研磨技术将多余的所述栓导电材料层1500去除掉，形成所述栓导电层150，此工艺停止于所述栅极绝缘层122的上表面；然后，如图11所示，采用曝光显影技术，于所述栓导电层150上形成栓图案层192；最后，如图12所示，较佳地，采用干法刻蚀技术对所述栓导电层150进行刻蚀，形成所述栓导电结构15和位于所述栓导电结构15之间的所述第二凹槽161。

执行步骤S4，于所述栓导电结构15之间的所述第二凹槽161形成栓绝缘结构16。

具体地，在本实施例中，首先，如图13所示，于所述牺牲侧壁140、所述栓导电结构15 的侧壁及所述半导体衬底11的上表面形成栓绝缘侧壁材料层1720，所述栓绝缘侧壁材料层 1720的材料可采用氮化硅，厚度介于2纳米至15纳米；所述栓绝缘侧壁材料层1720的制备方法包括但不限于化学气相沉积和物理气相沉积，不以本实施例为限。然后，如图14所示，较佳地，采用化学研磨技术将多余的栓绝缘侧壁材料层1720去掉，形成所述栓绝缘侧壁172，此工艺停止于所述栅极绝缘层122上表面；所述栓绝缘侧壁172包围形成空气间隔室171。

执行步骤S5，去除所述牺牲侧壁140，于所述栅绝缘侧壁13及所述栓导电结构15之间形成空气间隙141。

具体的，如图15所示，在本实施例中，采用湿法刻蚀技术将所述牺牲侧壁140去除掉，形成所述空气间隙141。

执行步骤S6，于所述空气间隙141及所述空气间隔室171上形成绝缘封口层18，以将所述空气间隙141及所述空气间隔室171封闭成空气侧壁14及空气绝缘结构17，所述绝缘封口层18包括位于所述空气间隙141内的第一绝缘封口层181和位于所述空气间隔室171内的第二绝缘封口层182。

具体地，在本实施例中，首先，如图16所示，于步骤S5所得结构上形成一层绝缘封口材料层180，所述绝缘封口材料层180的材料可采用氮化硅或二氧化硅，形成所述绝缘封口材料层180的方法包括原子层沉积；最后，如图17所示，较佳地采用化学研磨技术将多余的所述绝缘封口材料层180去除掉，形成所述绝缘封口层18。

需要特别说明的是，如图25～图27所示，在本实施例中，可采用原子层沉积形成所述绝缘封口层18，原子层沉积包括多个反应循环，其中单个反应循环过程包括：

a.储存于存储箱22的第一前驱体23以脉冲的方式通过喷嘴25进入到反应腔24，在所述空气间隙141的侧壁及所述空气间隔室171的侧壁表面化学吸附，逐渐覆盖整个沉积区域表面，最后形成一单原子层；

b.使用惰性气体吹洗去除所述反应腔24中多余的所述第一前驱体23，在此过程中所述单原子层保持不变；

c.存储于所述存储箱22中的第二前驱体以脉冲的方式通过所述喷嘴25进入到所述反应腔24，与所述单原子层发生反应，逐渐消耗完整个所述氮原子层，并最终形成一绝缘封口膜层，第二前驱体可施加射频电源进行电离，缩短反应时间，降低沉积温度；

d.使用惰性气体吹洗去除所述反应腔24中多余的所述第二前驱体及副产物，在此过程中所述绝缘封口膜层保持不变。

如图28a至图28c所示，通过多个反应循环依次形成多层绝缘封口膜层，进而形成笔尖状结构的所述空气间隔室171，在实际应用中，反应循环的次数可根据材料、间隙宽度等参数进行具体设定，不以本实施例为限。在本实施例中分为三个步骤，如图28a所示，采用所述反应循环于所述空气间隔室171的侧壁(栓绝缘侧壁172)上沉积绝缘封口材料层180，控制原子层沉积的参数，使所述绝缘封口材料层180主要沉积在所述空气间隔室171的侧壁(栓绝缘侧壁172)远离半导体衬底11的一端，增加所述反应循环次数，所述绝缘封口材料层180 的厚度不断增加，所述空气间隔室171的侧壁(栓绝缘侧壁172)远离所述半导体衬底11的一端之间的间距逐渐变小，形成如图28b所示结构，继续增加所述反应循环次数，所述绝缘封口材料层180将所述空气间隔室171的侧壁(栓绝缘侧壁172)远离所述半导体衬底11的一端完全封闭，最后形成如图28c所示的具有笔尖状结构的所述空气间隔室171；在形成笔尖状结构的所述空气间隔室171的过程中，同时也会形成笔尖状结构的所述空气间隙141，所述空气间隙141的形成过程和所述空气间隔室171的形成过程基本相同，故不在此赘述。

具体地，如图25所示的条件1，所述控制原子层沉积的参数包括所述第一前驱体23以脉冲的方式进入所述反应腔24，并化学吸附在衬底21表面，此时机台后端主阀打开比率介于60％至100％，后端主阀打开比率越大，所述反应腔24中所述第一前驱体23优先化学吸附在所述空气间隙141的侧壁及所述空气间隔室171的侧壁远离所述半导体衬底11的一端，而所述空气间隙141的侧壁及所述空气间隔室171的侧壁靠近所述半导体衬底11的一端只化学吸附少量所述第一前驱体23。

具体地，如图25所示的条件2，在本实用新型的一个实施例中，所述控制原子层沉积的参数包括所述第一前驱体23以脉冲的方式进入反应腔24，在衬底21表面化学吸附反应的时间包括1至3s，减少化学吸附反应时间，由于所述第一前驱体23先接触所述空气间隙141 的侧壁及所述空气间隔室171的侧壁远离所述半导体衬底11的一端，所述反应腔24中所述第一前驱体23优先化学吸附在所述空气间隙141的侧壁及所述空气间隔室171的侧壁远离所述半导体衬底11的一端，而所述空气间隙141的侧壁及所述空气间隔室171的侧壁靠近所述半导体衬底11的一端只化学吸附少量所述第一前驱体23。

需要说明的是，在本实施例中，采用原子层沉积法沉积氮化硅以形成所述绝缘封口层18，第一前驱体23包括二氯化硅烷，第二前驱体包括氨气，单个循环的沉积时间介于20秒至60 秒之间，过程温度介于400度至700度之间。

需要说明的是，在本实用新型的一个实施例中，采用原子层沉积法沉积二氧化硅以形成所述绝缘封口层18，第一前驱体23包括单丙基胺硅，第二前驱体包括氧气，单个循环的沉积时间介于20秒至60秒之间，过程温度为室温。

如图17所示，本实施例还提供一种半导体晶体管结构，所述半导体晶体管结构至少包括：半导体衬底11；栅极结构，位于所述半导体衬底11的上表面，包括栅极导电层121，及位于所述栅极导电层121上的栅极绝缘层122；栅绝缘侧壁13，位于所述栅极结构的侧壁；栓导电结构15，位于所述栅极结构的两侧，相邻的所述栓导电结构15之间通过空气绝缘结构17 进行电学隔离；其中，所述栓导电结构15和所述栅极结构之间的间隙大于所述栅绝缘侧壁 13的沉积厚度，以于所述栅绝缘侧壁13及所述栓导电结构15之间形成空气间隙141；及，第一绝缘封口层181，形成于所述空气间隙141内，以将所述空气间隙141封闭成空气侧壁 14，由于空气介电常数小，所述空气侧壁14可有效降低栅极和栓导电结构15之间的寄生电容，降低电阻电容延迟，进而增加开关速度，降低开关能量。

具体地，所述半导体衬底11位于所述半导体晶体管结构的底层，所述半导体衬底11的材料包括但不限于硅。在本实施例中，所述半导体衬底11的上表面形成有氧化层(图中未显示)。

具体地，所述栅极导电层121的材料包括但不限于钨，不以本实施例为限，所述栅极导电层121的厚度介于15纳米至90纳米之间。所述栅极绝缘层122的材料包括但不限于氮化硅、二氧化硅及氮氧化硅中的一种，不以本实施例为限，所述栅极绝缘层122的厚度介于50 纳米至300nm之间。所述栅绝缘侧壁13的材料包括但不限于氮化硅、二氧化硅及氮氧化硅中的一种，不以本实施例为限，所述栅绝缘侧壁13的厚度介于2纳米至15纳米之间；所述栓导电结构15的材料包括但不限于多晶硅，不以本实施例为限。

具体地，如图17所示，所述第一绝缘封口层181的第一顶面、所述栅绝缘侧壁13的第二顶面、所述栓导电结构15的第三顶面、所述栅极结构的所述栅极绝缘层122的第四顶面及所述栓绝缘结构16的第五顶面形成于同一研磨平面。

具体地，如图17所示，所述栓绝缘结构16的第五顶面包含栓绝缘侧壁172的环形表面及在所述环形表面包围内的第二绝缘封口层182的顶面，所述栓绝缘侧壁172连接相邻所述栓导电结构15的端缘并形成于所述栓导电结构15的侧壁及所述半导体衬底11的上表面，以包围形成空气间隔室171；所述第二绝缘封口层182将所述空气间隔室171封闭成空气绝缘结构17，由于空气介电常数小，所述空气绝缘结构17可有效降低栅极和栓导电结构15之间的寄生电容，降低电阻电容延迟，进而增加开关速度，降低开关能量。

具体地，所述栓绝缘侧壁172的材料包括但不限于氮化硅、二氧化硅及氮氧化硅中的一种，不以本实施例为限，所述栓绝缘侧壁172的厚度介于2纳米至15纳米之间。

所述第一绝缘封口层181和所述第二绝缘封口层182的材料包括氮化硅、二氧化硅及氮氧化硅的一种，不以本实施例为限；所述第一绝缘封口层181和所述第二绝缘封口层182的材料包括但不限于氮化硅、二氧化硅或氮氧化硅，不以本实施例为限，所述第一绝缘封口层 181和所述第二绝缘封口层182的填入深度介于2纳米至15纳米之间。

具体地，所述空气间隙的高度大于所述栅极导电层121的高度，且小于所述栅极结构的高度；所述空气间隙的宽度介于2纳米至20纳米之间；所述空气间隙内包含二氯硅烷、氨气、硅烷、四氯硅烷及氮气中的一种或者几种；所述空气间隙内的气体压力介于200毫托至一标准大气压之间。

具体地，如图23所示，所述第一绝缘封口层181局部填入在所述栅绝缘侧壁13及所述栓导电结构15之间的空气间隙开口，所述第一绝缘封口层181的往内填入深度不超过水平于所述栅极导电层121顶面的平面高度，所述第一绝缘封口层181渗透所述空气侧壁14的内腔壁，所述空气侧壁14内具有笔尖状结构的封闭空气间隙；所述空气间隙141的高度大于所述栅极导电层121的高度，且小于所述栅极结构的高度，在本实施例中，所述空气间隙141的宽度介于2纳米至20纳米之间；所述空气间隙141内包含二氯硅烷、氨气、硅烷、四氯硅烷及氮气中的一种或者几种；所述空气间隙141内的气体压力介于200毫托至一标准大气压之间。

具体地，如图24所示，所述第二绝缘封口层182局部填入所述栓绝缘侧壁172包围形成的空气间隔室171开口，所述第二绝缘封口层182的往内填入深度不超过水平于所述栅极导电层121顶面的平面高度，所述第二绝缘封口层182渗透所述空气绝缘结构17的内腔壁，所述空气绝缘结构17内具有笔尖状结构的封闭空气间隔室171；所述空气间隔室171的高度大于所述栅极导电层121的高度，且小于所述栅极结构的高度；所述空气间隔室171的宽度介于2纳米至20纳米之间；所述空气间隔室171内包含二氯硅烷、氨气、硅烷、四氯硅烷及氮气中的一种或者几种；所述空气间隔室171内的气体压力介于200毫托至一标准大气压之间。

实施例二

如图2～图13和图18～图22所示，本实施例提供一种半导体晶体管结构的制备方法，所述半导体晶体管结构的制备方法至少包含以下步骤：

执行步骤S1，提供一半导体衬底11，在所述半导体衬底11上依次形成栅极导电层121 和栅极绝缘层122，通过刻蚀形成栅极结构。

执行步骤S2，于所述栅极结构的侧壁依次形成栅绝缘侧壁13和牺牲侧壁140，相邻的两所述牺牲侧壁140围成第一凹槽151。

执行步骤S3，于所述牺牲侧壁140围成的所述第一凹槽151中形成栓导电层150，通过刻蚀形成由若干第二凹槽161隔离的若干栓导电结构15。

上述步骤S1～步骤S3与实施例一的步骤S1～步骤S3的具体实现方式基本相同，故在此不做赘述。

执行步骤S4，于各所述栓导电结构15之间的所述第二凹槽161中形成绝缘层162，所述绝缘层162用作栓绝缘结构16。

具体地，首先，如图18所示，于所述牺牲侧壁140、所述栓导电结构15的侧壁及所述半导体衬底11的上表面包围的所述第二凹槽161中填充满绝缘材料层1620，所述绝缘材料层1620的材料可采用氮化硅，厚度介于50纳米至200纳米之间。所述绝缘材料层1620的制备方法包括但不限于化学气相沉积和物理气相沉积，不以本实施例为限；然后，如图19所示，可采用化学研磨技术将多余的绝缘材料层1620去掉，形成所述绝缘层162，此工艺停止于所述栅极绝缘层122上表面。

执行步骤S5，去除所述牺牲侧壁140，以于所述栅绝缘侧壁13及所述栓导电结构15之间形成空气间隙141。

具体的，如图20所示，较佳地，采用湿法刻蚀技术将所述牺牲侧壁140去除掉，形成所述空气间隙141。

执行步骤S6，于所述空气间隙141上形成绝缘封口层18，以将所述空气间隙封闭成空气侧壁14。

具体地，首先，如图21所示，于步骤S5所得结构上形成一层绝缘封口材料层180，所述绝缘封口材料层180的材料可采用氮化硅或二氧化硅。最后，如图22所示，可采用化学研磨技术将多余的所述绝缘封口材料层180去除掉，形成所述绝缘封口层18，形成所述绝缘封口层18的方法包括原子层沉积，所述绝缘封口层18包括第一绝缘封口层181。

需要说明的是，如图25至27所示，在本实施例中，可采用原子层沉积形成所述绝缘封口层18，原子层沉积方法与实施例一基本相同，故在此不做赘述。

如图22所示，本实施例还提供一种半导体晶体管结构，本实施例的半导体晶体管结构和实施例一中的半导体结构基本相同，不同的是本实施例中的半导体晶体管结构中各栓导电结构15之间通过绝缘层162进行电学隔离，所述绝缘层162填充形成于由相邻所述栓导电结构和相邻所述空气侧壁包围的凹槽中，故在此不做赘述。

综上所述，本实用新型采用氮化硅-空气侧壁的不对称结构代替现有技术中氮化硅-氧化硅-氮化硅对称栅绝缘侧壁结构，采用含有空气间隔室的空气绝缘结构代替现有技术中绝缘层，由于空气介电常数小，可有效降低栅极与栓导电结构之间，以及栓导电结构与栓导电结构之间的寄生电容，降低电阻电容延迟，进而增加开关速度，降低开关能量；本实用新型在制备栓结构过程中，先沉积多晶硅并形成导电结构，后于各栓导电结构之间形成栓绝缘结构，可以避免由于先形成栓绝缘结构后沉积多晶硅时，多晶硅沉积到栓绝缘结构的缺陷中引起栓导电结构之间导通，提高器件的稳定性和可靠性；本实用新型采用空气侧壁和空气绝缘结构能有效的降低降低栅极与栓导电结构之间，以及栓导电结构与栓导电结构之间的寄生电容，在保证半导体晶体管正常工作的情况下，提供了一种进一步缩小半导体晶体管尺寸，提高集成电路集成度的有效途径。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (13)

1.一种半导体晶体管结构，其特征在于，所述半导体晶体管结构至少包括：

半导体衬底；

栅极结构，位于所述半导体衬底的上表面，包括栅极导电层及位于所述栅极导电层上的栅极绝缘层；

栅绝缘侧壁，位于所述栅极结构的侧壁；

栓导电结构，位于所述栅极结构的两侧，相邻的所述栓导电结构之间通过栓绝缘结构进行电学隔离；其中，所述栓导电结构和所述栅极结构之间的间隙大于所述栅绝缘侧壁的沉积厚度，以于所述栅绝缘侧壁及所述栓导电结构之间形成空气间隙；及，

第一绝缘封口层，形成于所述空气间隙上，以将所述空气间隙封闭成空气侧壁。

2.如权利要求1所述的半导体晶体管结构，其特征在于，所述第一绝缘封口层局部填入在所述栅绝缘侧壁及所述栓导电结构之间的空气间隙开口，所述第一绝缘封口层的往内填入深度不超过水平于所述栅极导电层顶面的平面高度。

3.如权利要求2所述的半导体晶体管结构，其特征在于，所述第一绝缘封口层的第一顶面、所述栅绝缘侧壁的第二顶面、所述栓导电结构的第三顶面及所述栅极结构的所述栅极绝缘层的第四顶面形成于同一研磨平面。

4.如权利要求3所述的半导体晶体管结构，其特征在于，所述栓绝缘结构具有第五顶面，亦形成于同一研磨平面。

5.如权利要求4所述的半导体晶体管结构，其特征在于，所述栓绝缘结构的第五顶面包含绝缘层的实体表面，所述绝缘层填充形成于由相邻所述栓导电结构和相邻所述空气侧壁包围的凹槽中。

6.如权利要求4所述的半导体晶体管结构，其特征在于，所述栓绝缘结构的第五顶面包含栓绝缘侧壁的环形表面及在所述环形表面包围内的第二绝缘封口层的表面，所述栓绝缘侧壁连接相邻所述栓导电结构的端缘并形成于所述栓导电结构的侧壁及所述半导体衬底的上表面，以包围形成空气间隔室；所述第二绝缘封口层将所述空气间隔室封闭成空气绝缘结构。

7.如权利要求6所述的半导体晶体管结构，其特征在于，所述第二绝缘封口层局部填入所述栓绝缘侧壁包围形成的空气间隔室开口，所述第二绝缘封口层的往内填入深度不超过水平于所述栅极导电层顶面的平面高度。

8.如权利要求6所述的半导体晶体管结构，其特征在于，所述栓绝缘侧壁的厚度介于2纳米至15纳米之间。

9.如权利要求6所述的半导体晶体管结构，其特征在于，所述空气间隔室的高度大于所述栅极导电层的高度，且小于所述栅极结构的高度；所述空气间隔室的宽度介于2纳米至20纳米之间；所述空气间隔室内的气体压力介于200毫托至一标准大气压之间。

10.如权利要求6所述的半导体晶体管结构，其特征在于，所述空气绝缘结构内具有笔尖状结构的封闭空气间隔室。

11.如权利要求1所述的半导体晶体管结构，其特征在于，所述栅绝缘侧壁的厚度介于2纳米至15纳米之间；所述栓导电结构的材料包括多晶硅；所述第一绝缘封口层的材料包含氮化硅，二氧化硅或氮氧化硅。

12.如权利要求1所述的半导体晶体管结构，其特征在于，所述空气间隙的高度大于所述栅极导电层的高度，且小于所述栅极结构的高度；所述空气间隙的宽度介于2纳米至20纳米之间；所述空气间隙内的气体压力介于200毫托至一标准大气压之间。

13.如权利要求1至12中任一项所述的半导体晶体管结构，其特征在于，所述空气侧壁内具有笔尖状结构的封闭空气间隙。