[發(fā)明專利]一種柵極電介質(zhì)材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110345065.6
• 申請(qǐng)日: 2011-11-04
• 公開（公告）號(hào): CN102503400A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 侯育冬;司美菊;朱滿康;葛海燕;嚴(yán)輝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): C04B35/44
• 分類號(hào): C04B35/44;C04B35/50;C04B35/622
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種柵極電介質(zhì)材料及其制備方法，尤其涉及一種高介電、低損耗、新型柵極電介質(zhì)材料的制備方法，屬于電子陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

集成電路是重要的微型電子器件，其發(fā)展趨勢是高可靠性和高集成度。而集成度的提高是建立在金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)的特征尺度不斷縮小的基礎(chǔ)之上。金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)特征尺度的不斷縮小必然要求柵極電介質(zhì)材料的等效氧化物厚度減小。根據(jù)1997美國半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)(SIA)制定的“國家半導(dǎo)體技術(shù)遠(yuǎn)景規(guī)劃圖”第3版，預(yù)計(jì)2012年柵極電介質(zhì)材料的等效氧化物厚度將小于1nm。傳統(tǒng)的SiO₂由于相對(duì)較低的介電常數(shù)所造成的量子遂穿效應(yīng)已經(jīng)無法滿足需要。尋找具有高介電常數(shù)的材料取代SiO₂作為柵極電介質(zhì)材料已經(jīng)成為人們研究的熱門課題。具有偽立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鋁酸鑭(LaAlO₃:LAO)材料是一種比較理想的替代SiO₂做為柵極電介質(zhì)材料的高介電常數(shù)材料，其介電常數(shù)約為25，熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良，介電損耗低以及與硅晶格有較好的匹配度，可以用來制作高溫超導(dǎo)薄膜的襯底材料和鐵電薄膜與襯底之間的緩沖層。

然而，用固相法合成的LaAlO₃陶瓷，燒結(jié)溫度很高，一般在1650℃下還難以致密化。此外，LaAlO₃介電常數(shù)低，介電損耗高，性能有待進(jìn)一步優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是降低LaAlO₃陶瓷材料的燒結(jié)溫度和介電損耗，提高LaAlO₃陶瓷材料的介電常數(shù)。本發(fā)明是采用傳統(tǒng)陶瓷工藝，添加具有高極化率的第二組元Bi³⁺離子形成一種新的多元固溶體系LaAlO₃-BiAlO₃，從而提高材料的介電常數(shù)，減小介電損耗并降低體系燒結(jié)溫度。

本發(fā)明的一種高介電、低損耗、新型柵極電介質(zhì)材料，其特征在于，其組成為(1-x)LaAlO₃-x?BiAlO₃，0.05≤x≤0.2，形成一種多元固溶體系LaAlO₃-BiAlO₃，BiAlO₃的量占基體摩爾數(shù)為5-20％。

本發(fā)明的一種高介電、低損耗、新型柵極電介質(zhì)材料的制備方法，其特征在于固相燒結(jié)法燒成瓷體，包括以下步驟

1)將原料La₂O₃、Al₂O₃、Bi₂O₃，按化學(xué)式(1-x)LaAlO₃-x?BiAlO₃(0.05≤x≤0.2)進(jìn)行配料及混合，得到混合物粉體。

2)以無水乙醇為介質(zhì)將混合物球磨8-24小時(shí)，出料并干燥后，以3-8℃/min升溫至1090-1120℃下進(jìn)行預(yù)合成，保溫2～4小時(shí)；預(yù)合成得到的料，以無水乙醇為介質(zhì)、再次球磨9～12小時(shí)，出料并干燥；粉料中加入粉料質(zhì)量5％的粘膠劑溶液，以40-60MPa壓力擠壓成圓片，其中粘膠劑溶液為質(zhì)量濃度為18％的聚乙烯醇溶液。

3)圓片在560～580℃下保溫2～4小時(shí)排塑，升溫速率為1～5℃/min；然后將圓片置于氧化鋁坩堝中，密閉燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1310～1330℃，保溫時(shí)間為3～5小時(shí)，即得陶瓷片。

利用本發(fā)明提供的方法獲得的(1-x)LaAlO₃-x?BiAlO₃陶瓷材料，燒結(jié)溫度和室溫介電損耗低于LaAlO₃，介電常數(shù)高于LaAlO₃，滿足柵極電介質(zhì)材料的要求。所以本發(fā)明提供的陶瓷材料可作為集成電路中新型柵極電介質(zhì)材料使用。

附圖說明

圖1為陶瓷材料的XRD圖；

圖2陶瓷材料的掃描電鏡圖；

其中a：x＝0；b：x＝0.05；c：x＝0.1；d：x＝0.15；e：x＝0.2。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)該指出，本發(fā)明絕非局限于所陳述的實(shí)施例。

對(duì)比例

1)將原料La₂O₃、Al₂O₃，按化學(xué)式LaAlO₃配料及混合，得到混合物粉體。