[發明專利]摻雜稀土金屬氧化物的復合介電材料及其制造方法

無效

• 申請號: 201010591461.2
• 申請日: 2010-12-09
• 公開（公告）號: CN102148238A
• 公開（公告）日: 2011-08-10
• 發明（設計）人: 楊弘敦;馬書第;陳慶軒
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: H01L29/51
• 分類號: H01L29/51;H01L21/28;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 上海翼勝專利商標事務所(普通合伙) 31218
• 代理人: 翟羽

技術領域

本發明是有關于一種復合介電材料及其制造方法，特別是有關于一種由摻雜稀土金屬氧化物納米粒子于二氧化硅玻璃組成具有巨大介電系數及磁介電效應的復合介電材料及其制造方法。

背景技術

硅(Si)元素是一種電子工業常用的半導體材料，其可用以做為半導體晶圓(wafer)的基材，以便在其上通過半導體制造過程來沉積各種導電材料以及介電材料，并可利用適當的掩膜(photomask)曝光顯影工藝來圖案化各沉積層，因而構成圖案化多層集成電路(integratedcircuit)架構。在形成集成電路架構之后，即可將半導體晶圓切割成數個芯片(chip)，以供應用做為各種電子產品的主動控制元件。

就半導體晶圓的介電層而言，最常見的介電材料為二氧化硅(SiO₂)、氮化硅(Si₃N₄)或氮氧化硅(SiON)等。然而，隨著集成電路工藝的線寬微型化(miniaturization，例如0.13微米工藝)，厚度愈來愈薄的二氧化硅介電層將引起電子崩潰(electronic?breakdown)，并伴隨產生極大的直接穿遂漏電流(static?leakage?power?due?to?directtunneling)，而此種直接穿遂漏電流將對電路元件的功率消耗有嚴重的影響，并使電路元件不再有正常工作能力(如記憶儲存能力)。因此，當閘極(gate)二氧化硅介電層的厚度被設計至縮小到10納米(nm)以下時，為了解決這嚴重的直接穿遂漏電流現象，業界轉而利用高介電系數材料(high-k?material)來替換傳統的二氧化硅。利用高介電系數材料在相同的等效二氧化硅厚度之下，將能提供較大的實際物理厚度，以解決發生直接穿遂漏電流的技術問題。

常見的高介電系數材料包含鐵酸鉍(BiFeO₃)、錳酸鉍(BiMnO₃)、氧化鋁(Al₂O₃)、氧化鉿(HfO₂)、氧化鋯(ZrO₂)、氧化鈦(TiO₂)、氧化鑭(La₂O₃)、氧化鐠(Pr₂O₃)或其混合物等。上述高介電系數材料可應用在集成電路中的閘極介電層，例如閘極介電層在金氧半導體場效晶體管(metal?oxide?semiconductor?field?effect?transistor，MOSFET)即是一重要的結構層，在與二氧化硅等厚的情況下，其量子穿遂可達1.5至2.5納米。為了要增加電路元件的速度、降低臨界電壓，閘極介電層的厚度需要不斷的降低。閘極介電層愈薄，閘極介電層的要求也就愈嚴格，也就是必須使用上述高介電系數材料來提供較低的漏電流或較高的崩潰電場。

通常，上述介電材料或高介電系數材料是通過對硅基材加熱、化學氣相沉積法(chemical?vapor?deposition，CVD)或直流磁控濺射系統(DC?magnetron?sputtering?system)等來獲得二氧化硅的氧化層或高介電系數鍍層。然而，上述鈣鈦礦型(perovskite)化合物的合成及結晶化學過于復雜，及其純相的穩定性、復合物的精確控制與氧計量亦較為困難。再者，高介電系數氧化物材料大多屬于多晶結構，其晶界效應(grain?boundary?effect)會導致較高的漏電流。因此對設計及組裝要在較高溫度下運作的多功能性微型裝置而言，仍有需要開發具有較佳相穩定性的非定形高介電系數氧化物材料。

最近，則有相關研究人員逐漸將重點聚焦在發展非磁性介電基材內的磁性納米粒子，依磁性離子的濃度來設計所需的磁性、介電及其他特性。此類在非磁性介電基材內的磁性納米粒子系統(如ε-氧化鐵(ε-Fe₂O₃)或鐵酸錳(MnFeO₄))具有磁介電效應(magnetodielectric?effect，MD?effect)特性，然而其可靠性及穩定性仍舊不足。磁介電效應的存在通常與材料的納米等級化學異質性有關，但無關于磁電耦合(magnetoelectric?coupling)。故，仍有必要提供一種具有巨大磁介電效應的介電層的半導體晶圓及其制造方法，以解決現有技術所存在的問題。