[发明专利]掺杂稀土金属氧化物的复合介电材料及其制造方法

说明书

技术领域

本发明是有关于一种复合介电材料及其制造方法，特别是有关于一种由掺杂稀土金属氧化物纳米粒子于二氧化硅玻璃组成具有巨大介电系数及磁介电效应的复合介电材料及其制造方法。

背景技术

硅(Si)元素是一种电子工业常用的半导体材料，其可用以做为半导体晶圆(wafer)的基材，以便在其上通过半导体制造过程来沉积各种导电材料以及介电材料，并可利用适当的掩膜(photomask)曝光显影工艺来图案化各沉积层，因而构成图案化多层集成电路(integratedcircuit)架构。在形成集成电路架构之后，即可将半导体晶圆切割成数个芯片(chip)，以供应用做为各种电子产品的主动控制元件。

就半导体晶圆的介电层而言，最常见的介电材料为二氧化硅(SiO₂)、氮化硅(Si₃N₄)或氮氧化硅(SiON)等。然而，随着集成电路工艺的线宽微型化(miniaturization，例如0.13微米工艺)，厚度愈来愈薄的二氧化硅介电层将引起电子崩溃(electronic breakdown)，并伴随产生极大的直接穿遂漏电流(static leakage power due to directtunneling)，而此种直接穿遂漏电流将对电路元件的功率消耗有严重的影响，并使电路元件不再有正常工作能力(如记忆储存能力)。因此，当闸极(gate)二氧化硅介电层的厚度被设计至缩小到10纳米(nm)以下时，为了解决这严重的直接穿遂漏电流现象，业界转而利用高介电系数材料(high-k material)来替换传统的二氧化硅。利用高介电系数材料在相同的等效二氧化硅厚度之下，将能提供较大的实际物理厚度，以解决发生直接穿遂漏电流的技术问题。

常见的高介电系数材料包含铁酸铋(BiFeO₃)、锰酸铋(BiMnO₃)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化铪(HfO₂)、氧化锆(ZrO₂)、氧化钛(TiO₂)、氧化镧(La₂O₃)、氧化镨(Pr₂O₃)或其混合物等。上述高介电系数材料可应用在集成电路中的闸极介电层，例如闸极介电层在金氧半导体场效晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET)即是一重要的结构层，在与二氧化硅等厚的情况下，其量子穿遂可达1.5至2.5纳米。为了要增加电路元件的速度、降低临界电压，闸极介电层的厚度需要不断的降低。闸极介电层愈薄，闸极介电层的要求也就愈严格，也就是必须使用上述高介电系数材料来提供较低的漏电流或较高的崩溃电场。

通常，上述介电材料或高介电系数材料是通过对硅基材加热、化学气相沉积法(chemical vapor deposition，CVD)或直流磁控溅射系统(DC magnetron sputtering system)等来获得二氧化硅的氧化层或高介电系数镀层。然而，上述钙钛矿型(perovskite)化合物的合成及结晶化学过于复杂，及其纯相的稳定性、复合物的精确控制与氧计量亦较为困难。再者，高介电系数氧化物材料大多属于多晶结构，其晶界效应(grain boundary effect)会导致较高的漏电流。因此对设计及组装要在较高温度下运作的多功能性微型装置而言，仍有需要开发具有较佳相稳定性的非定形高介电系数氧化物材料。

最近，则有相关研究人员逐渐将重点聚焦在发展非磁性介电基材内的磁性纳米粒子，依磁性离子的浓度来设计所需的磁性、介电及其他特性。此类在非磁性介电基材内的磁性纳米粒子系统(如ε-氧化铁(ε-Fe₂O₃)或铁酸锰(MnFeO₄))具有磁介电效应(magnetodielectric effect，MD effect)特性，然而其可靠性及稳定性仍旧不足。磁介电效应的存在通常与材料的纳米等级化学异质性有关，但无关于磁电耦合(magnetoelectric coupling)。故，仍有必要提供一种具有巨大磁介电效应的介电层的半导体晶圆及其制造方法，以解决现有技术所存在的问题。