掺杂稀土金属氧化物的复合介电材料及其制造方法技术

本发明专利技术公开一种掺杂稀土金属氧化物的复合介电材料及其制造方法，其复合介电材料掺杂有稀土金属氧化物纳米粒子，所述纳米粒子嵌于二氧化硅玻璃基材内，且所述稀土金属氧化物纳米粒子与二氧化硅的玻璃复合物是由溶胶—凝胶法加以合成制备。所述玻璃复合物的介电值明显高于纯稀土金属氧化物的介电值。在磁场作用下，所述玻璃复合物的介电值有显著的提升。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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 directturmeling)，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(&02)、氧化钛(TiO2)、氧化镧(Lii2O3)、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，M0SFET)艮口是一重要 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)或直流磁控減身寸系统(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(Mr^eO4))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。有鉴于此，本专利技术研究发现将磁性稀土金属氧化物(如氧化铒Er2O3或氧化 铕Eu2O3)嵌入二氧化硅玻璃基材内形成超顺磁的纳米粒子复合材料时将产生巨大磁介 电效应，此玻璃系统内的巨大磁介电行为是相关于通过晶格的磁自旋(magnetic spin) 与偶极耦合(dipole coupling)，其可用以开发与纳米粒子尺寸及浓度相关的磁阻 (magnetoresistance)变化效应。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供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，其是利用溶胶凝胶 法(sol-gel)来将稀土金属氧化物(如氧化铒Er2O3或氧化铕Eu2O3)纳米粒子掺杂于二氧 化硅(SiO2)玻璃基材内以制成玻璃复合物系统做为复合介电材料，并可将其应用做为半导 体晶圆的介电层，以便在外加磁场下表现巨大的介电系数及磁介电效应，进而有利于提升 半导体晶圆的介电层的介电系数并降低其漏电流，因此有利于开发可在室温下正常运作的 多功能性集成电路。为达成本专利技术的前述目的，本专利技术提供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于磁介电效应的复合介电材料，其包含一基材及复数 个纳米粒子，其中所述基材包含二氧化硅，及所述纳米粒子至少包含稀土金属氧化物，其粒 径介于2至10纳米之间。在本专利技术的一实施例中，所述复合介电材料应用于一半导体晶圆的一介电层，其 中所述晶圆具有一表面，所述介电层形成在所述晶圆的表面上，且所述介电层包含所述复 合介电材料的稀土金属氧化物二氧化硅的玻璃复合物。在本专利技术的一实施例中，稀土金属氧化物选自氧化铒(Er2O3)、氧化铕(Eu2O3)或其混合ο在本专利技术的一实施例中，所述晶圆的表面上具有至少二电极层，所述介电层位于 所述电极层之间。在本专利技术的一实施例中，所述晶圆的表面上具有数个电子元件，所述电子元件贯 穿所述介电层，以连接所述至少二电极层。另一方面，本专利技术提供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 具有巨大介电系数于磁介电效应的制造方法，其包含将四乙氧基硅烷(TEOS)及稀土金属 氯化物掺质混合成为一硅胶；以及，对所述硅胶进行煅烧(calcination)达到介于700至 1000°C之间的预定煅烧温度，以使所述硅胶转变成稀土金属氧化物二氧化硅的玻璃复合 物，因而形成含有稀土金属氧化物纳米粒子的一复合介电材料，其中所述纳米粒子的粒径介于2至10纳米之间。在本专利技术的一实施例中，所述复合介电材料应用于一半导体晶圆的表面上，以形 成一介电层，而使所述介电层内含有所述复合介电材料的稀土金属氧化物二氧化硅的玻璃复合物。在本专利技术的一实施例中，稀土金属选自铒(Er)、铕(Eu)或其混合。在本专利技术的一实施例中，所述稀土金属氯化物在四乙氧基硅烷内的掺杂浓度介于 0. 1至1.0莫耳％之间，例如0. 5莫耳％。在本专利技术的一实施例中，所述稀土金属氧化物纳米粒子在所述二氧化硅的基材内 的掺杂浓度介于0. 1至1. 0莫耳％之间，例如0. 5莫耳％。在本专利技术的一实施例中，在对所述硅胶进行煅烧前，先静置干燥四乙氧基硅烷及 稀土金属氯本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种掺杂稀土金属氧化物的复合介电材料，其特征在于：所述复合介电材料包含：一基材及复数个纳米粒子，其中所述基材包含二氧化硅，且所述纳米粒子至少包含稀土金属氧化物，其中所述纳米粒子的粒径介于２至１０纳米之间。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨弘敦，马书第，陈庆轩，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：71