一種柵極電介質材料及其製備方法

2023-05-12 06:58:51 3

專利名稱：一種柵極電介質材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種柵極電介質材料及其製備方法，尤其涉及一種高介電、低損耗、新型柵極電介質材料的製備方法，屬於電子陶瓷材料技術領域。
背景技術：
集成電路是重要的微型電子器件，其發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體場效應管(MOSFET)的特徵尺度不斷縮小的基礎之上。 金屬氧化物半導體場效應管(MOSFET)特徵尺度的不斷縮小必然要求柵極電介質材料的等效氧化物厚度減小。根據1997美國半導體工業協會(SIA)制定的「國家半導體技術遠景規劃圖」第3版，預計2012年柵極電介質材料的等效氧化物厚度將小於lnm。傳統的SiO2由於相對較低的介電常數所造成的量子遂穿效應已經無法滿足需要。尋找具有高介電常數的材料取代SW2作為柵極電介質材料已經成為人們研究的熱門課題。具有偽立方鈣鈦礦結構的鋁酸鑭(LaA103:LA0)材料是一種比較理想的替代SiO2做為柵極電介質材料的高介電常數材料，其介電常數約為25，熱穩定性和化學穩定性優良，介電損耗低以及與矽晶格有較好的匹配度，可以用來製作高溫超導薄膜的襯底材料和鐵電薄膜與襯底之間的緩衝層。
然而，用固相法合成的LaAlO3陶瓷，燒結溫度很高，一般在1650°C下還難以緻密化。此外，LaAlO3介電常數低，介電損耗高，性能有待進一步優化。發明內容
本發明的目的是降低LaAW3陶瓷材料的燒結溫度和介電損耗，提高LaAW3陶瓷材料的介電常數。本發明是採用傳統陶瓷工藝，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LaAW3-BiAW3，從而提高材料的介電常數，減小介電損耗並降低體系燒結溫度。
本發明的一種高介電、低損耗、新型柵極電介質材料，其特徵在於，其組成為(1-x) LaAlO3-X BiAlO3,0. 05 ^ χ ^ 0. 2，形成一種多元固溶體系 LaAlO3-BiAlO3, BiAlO3 的量佔基體摩爾數為5-20%。
本發明的一種高介電、低損耗、新型柵極電介質材料的製備方法，其特徵在於固相燒結法燒成瓷體，包括以下步驟
1)將原料 La203> A1203、Bi2O3，按化學式(l-x)LaA103_x BiAlO3 (0. 05 彡 χ 彡 0. 2)進行配料及混合，得到混合物粉體。
2)以無水乙醇為介質將混合物球磨8-Μ小時，出料並乾燥後，以3_8°C /min升溫至1090-1120°C下進行預合成，保溫2 4小時；預合成得到的料，以無水乙醇為介質、再次球磨9 12小時，出料並乾燥；粉料中加入粉料質量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量濃度為18%的聚乙烯醇溶液。
3)圓片在560 580°C下保溫2 4小時排塑，升溫速率為1 5°C /min ；然後將圓片置於氧化鋁坩堝中，密閉燒結，燒結溫度為1310 1330°C，保溫時間為3 5小時，即3得陶瓷片。
利用本發明提供的方法獲得的(I-X)LaAW3-X BiAlO3陶瓷材料，燒結溫度和室溫介電損耗低於LaAW3,介電常數高於LaAW3，滿足柵極電介質材料的要求。所以本發明提供的陶瓷材料可作為集成電路中新型柵極電介質材料使用。


圖1為陶瓷材料的XRD圖2陶瓷材料的掃描電鏡其中 a :x = 0 ;b :x = 0. 05 ；c :x = 0· 1 ；d :x = 0. 15 ；e :x = 0. 2。
具體實施方式
下面通過實例進一步闡明本發明的實質特點和顯著優點。應該指出，本發明絕非局限於所陳述的實施例。
對比例
1)將原料La203、Al2O3，按化學式LaAlO3配料及混合，得到混合物粉體。
2)以無水乙醇為介質將混合物球磨M小時，出料並乾燥後，以7V /min升溫至 1100°C下進行預合成，保溫4小時；預合成得到的料，以無水乙醇為介質、再次球磨12小時，出料並乾燥；粉料中加入粉料質量的5%的粘膠劑溶液(溶液中聚乙烯醇質量濃度為 18% )，以40MPa壓力擠壓成圓片。
3)圓片在560°C下保溫2小時排塑，升溫速率為1°C/min ；然後將圓片置於氧化鋁坩堝中，密閉燒結，燒結溫度為1300°C，保溫時間為4小時，即得陶瓷片。
4)陶瓷片經研磨拋光後兩面被覆電極，並在IOkHz測得室溫介電常數和損耗。
實例1
1)將原料 La203、Al203、Bi203，按化學式(I-X)LaAlO3-X BiAlO3 (x = 0. 1)進行配料及混合，得到混合物粉體。
其它條件同對比例。
實例2
1)將原料 La203> A1203、Bi2O3，按化學式(I-X)LaAlO3-X BiAlO3 (x = 0. 15)進行配料及混合，得到混合物粉體。
其它條件同對比例。
實例3
1)將原料 La203> A1203、Bi2O3,按化學式(l_x) LaAlO3-X BiAlO3 (χ = 0. 05)進行配料及混合，得到混合物粉體。
2)以無水乙醇為介質將混合物球磨12小時，出料並乾燥後，以5°C /min升溫至 1120°C下進行預合成，保溫2小時；預合成得到的料，以無水乙醇為介質、再次球磨10小時，出料並乾燥；粉料中加入粉料質量的5%的粘膠劑溶液(溶液中聚乙烯醇質量濃度為 18% )，以60MPa壓力擠壓成圓片。
3)圓片在580°C下保溫3小時排塑，升溫速率為2V /min ；然後將圓片置於氧化鋁坩堝中，密閉燒結，燒結溫度為1320°C，保溫時間為5小時，即得陶瓷片。
權利要求
1.一種柵極電介質材料，其特徵在於，其組成為(I-X)LaAlO3-X BiAlO3, 0. 05彡χ彡0. 2，形成一種多元固溶體系LaAlO3-BiAlO3, BiAlO3的量佔基體摩爾數為 5-20%。
2.權利要求1所述的一種柵極電介質材料的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟1)將原料La203、Al203、Bi203，按化學式(I-X)LaAlO3-XBiAlO3進行配料及混合，得到混合物粉體，0. 05彡χ彡0.2;2)以無水乙醇為介質將混合物球磨8-24小時，出料並乾燥後，以3-8°C/min升溫至 1090-1120°C下進行預合成，保溫2 4小時；預合成得到的料，以無水乙醇為介質、再次球磨9 12小時，出料並乾燥；粉料中加入粉料質量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量濃度為18%的聚乙烯醇溶液；3)圓片在560 580°C下保溫2 4小時排塑，升溫速率為1 5°C/min ；然後將圓片置於氧化鋁坩堝中，密閉燒結，燒結溫度為1310 1330°C，保溫時間為3 5小時，即得陶瓷片ο
全文摘要
一種柵極電介質材料及其製備方法，屬於電子陶瓷材料技術領域。本發明公開了一種高介電、低損耗、新型柵極電介質材料，(1-x)LaAlO3-x BiAlO3，其中BiAlO3的固溶量是5-20％摩爾比；本發明還公布了一種高介電、低損耗、新型柵極電介質材料的製備方法，包括按(1-x)LaAlO3-x BiAlO3的固溶量進行配料、混料、一次球磨、煅燒、二次球磨、排塑、燒結、被覆電極。利用本發明提供的方法獲得的陶瓷材料，具有高於LaAlO3陶瓷材料的介電常數、低於LaAlO3陶瓷材料的介電損耗和燒結溫度，所以本發明所提供的陶瓷材料可作為集成電路中新型柵極電介質材料使用。
文檔編號C04B35/50GK102503400SQ20111034506
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月4日 優先權日2011年11月4日
發明者嚴輝, 侯育冬, 司美菊, 朱滿康, 葛海燕 申請人:北京工業大學