CN100505169C - 介电层以及形成此介电层的组合物及方法 - Google Patents

Abstract

一种用以制造介电层的组合物，其包括一种用以作为高介电前驱物的液态的烷氧化合物、一种感光型或非感光型高分子介质及溶剂，其中液态的烷氧化合物，分子式为M(OR)n，其中M为Al、Ti、Zr、Ta、Si、Ba、Ge或Hf之一，OR为含有1-10个碳的烷氧基，n为1-5。此组合物所形成的介电层除了包括感光型或非感光型高分子介质之外，在感光型或非感光型高分子介质中还具有非晶相氧化物。

Description

介电层以及形成此介电层的组合物及方法

技术领域

本发明涉及一种场效应晶体管用的材料层以及形成此材料层的组合物(composition)与方法，且特别涉及一种介电层以及形成此介电层的组合物及方法。

背景技术

场效应晶体管的半导体载流子传输，是于栅极施予电压，在半导体间与栅极介电层间的界面形成足够的诱导电荷以促使电子传输。为使场效应晶体管于低压操作下即拥有高电流值I_D，除了半导体的载流子移动率、通道长度比以外，尚与电容有关。栅介电层的膜厚愈薄、介电常数愈高，则电容愈高。

3M公司于美国专利第6586791号专利中曾提出一种高介电常数介电层，其是以纳米级陶瓷粉体混入高分子材料所形成的悬浮溶液来涂布制造栅介电层。然而，以此法所制造的介电层其表面会形成条纹且其表面平整度不佳，易造成漏电路径，而使得漏电流偏高。

发明内容

本发明的目的是提供一种介电层，其具有高介电常数、低漏电流特性、高均匀度及高表面平整度等特性。

本发明的再一目的是提供一种具有高介电常数、低漏电流特性的介电层的制造方法，其工艺简易、成本低且可于低温下制造。

本发明的另一目的是提供一种用以制造介电层的组合物，此组合物均相且成本低，可于低温下以简易的工艺制造具有高介电常数、低漏电流特性的介电层。

本发明提出一种用以制造介电层的组合物，其包括一种液态的烷氧化合物，分子式为M(OR)n，其中M为Al、Ti、Zr、Ta、Si、Ba、Ge或Hf之一，OR为含有1-10个碳的烷氧基，n为1-5，用以作为高介电前驱物、一种感光型或非感光型高分子介质及溶剂。其中，有机化合物、感光型或非感光型高分子介质与溶剂互溶成均相液体。

依照本发明实施例所述，上述感光型或非感光型高分子介质为聚酰亚胺、聚酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯酚、聚丙烯酸酯、环氧化物、聚氨基甲酸酯、含氟聚合物、聚硅氧烷、聚酯、聚丙烯腈、聚苯乙烯或聚乙烯。

本发明提出一种介电层的制造方法，此方法是将上述组合物形成在基底上，然后进行烘烤工序，以去除溶剂，并使得上述的液态的烷氧化合物形成非晶相氧化物。

依照本发明实施例所述，上述烘烤工序包括软烤步骤及硬烤步骤。软烤步骤是于0℃至150℃，或室温至100℃，或室温至80℃的温度下进行。硬烤步骤是于0℃至300℃，或室温至200℃，或室温至150℃的温度下进行。

本发明提出一种介电层，其包括感光型或非感光型高分子介质以及均匀分布于上述感光型或非感光型高分子介质之中的非晶相氧化物，其中非晶相氧化物的材质为Al、Ti、Zr、Ta、Si、Ba、Ge或Hf的氧化物，。

依照本发明实施例所述，感光型或非感光型高分子介质为聚酰亚胺、聚酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯酚、聚丙烯酸酯、环氧化物、聚氨基甲酸酯、含氟聚合物、聚硅氧烷、聚酯、聚丙烯腈、聚苯乙烯或聚乙烯。此介电层可以作为场效应晶体管及薄膜晶体管的栅介电层或是电容器的介电层，或应用于高频元件中。

本发明所形成的介电层除了包括感光型或非感光型高分子介质之外，在感光型或非感光型高分子介质中还具有金属氧化物。此金属氧化物呈非晶相而不是结晶相，其介电常数高，可用以提高所形成的介电层的整体介电常数。此外，由于此金属氧化物是由均相的组合物烘烤而成。与将结晶型金属氧化物颗粒掺在高分子介质中形成悬浮液所制备介电层相比，本发明的组合物的成膜均匀性佳且所形成的介电层其金属氧化物在介质中分布的均匀性佳并且具有较佳的抗溶剂性。因此，本发明的介电层可应用于场效应晶体管及薄膜晶体管的栅介电层、电容器中两个电极之间的介电层，甚至可以应用于高频元件中，并且所形成的元件具有高击穿电压、高开口率、低耗能的特性。

另外，由于形成介电层的温度可控制在低温，因此，可应用于可挠式基板中。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明的顶接触结构的晶体管示意图。

图2为本发明的底接触结构的晶体管示意图。

主要元件标记说明

100：基板

102：底电极

104：栅介电层

106：半导体层

108：源极

110：漏极

具体实施方式

本发明的介电层是以一种液相的组合物烘烤而成。此液相组合物是由感光型或非感光型高分子介质、有机化合物以及溶剂所构成。感光型或非感光型高分子介质包括聚酰亚胺(polyimide)、聚酰胺(polyamide)、聚乙烯醇(polyvinylalcohol)、聚乙烯酚(polyvinylphenol)、聚丙烯酸酯(polyacrylate)、环氧化物(epoxy)、聚氨基甲酸酯(polyurethane)、含氟聚合物(fluoropolymer)、聚硅氧烷(polysiloxane)、聚酯(polyester)、聚丙烯腈(polyacrylonitrile)、聚苯乙烯(polystyrene)或聚乙烯(polyethylene)。

有机化合物，为一种呈液体状的烷氧化合物，其结构为：

M(OR)_n

其中M包括Al、Ti、Zr、Ta、Si、Ba、Ge或Hf，OR为含有1至10个碳的烷氧基，如甲氧基、乙氧基、丙氧基、异丙氧基、丁氧基、异丁氧基、戊氧基、己氧基、庚氧基、辛氧基、壬氧基、癸氧基、2-甲基壬氧基、3-甲基壬氧基、4-甲基壬氧基、5-甲基壬氧基、3-乙基辛氧基、4-乙基辛氧基、4-丙基庚氧基、4-异丙基庚氧基、2-甲基辛氧基、3-甲基辛氧基、4-甲基辛氧基、3-乙基庚氧基、4-乙基庚氧基、2-甲基庚氧基、3-甲基庚氧基、4-甲基庚氧基、3-乙基己氧基、2-甲基己氧基、3-甲基己氧基、3-乙基戊氧基、2-甲基戊氧基、3-甲基戊氧基、2-甲基丙氧基、2-甲氧基-3-乙氧基等；n为1至5。

当有机化合物为Al的烷氧化合物时，其实例包括Al(OCH₂CH₂OCH₃)₃。当有机化合物为Ti的烷氧化合物时，其实例包括：Ti(OC₄H₉)₄。当有机化合物为Zr的烷氧化合物时，其实例包括Zr(OC₈H₁₇)₄。当有机化合物为Ta的烷氧化合物时，其实例包括Ta(OC₂H₅)₅。当有机化合物为Si的烷氧化合物时，其实例包括Si(OCH₃)₄。当有机化合物为Ba的烷氧化合物时，其实例包括Ba(OC₄H₉)₂。当有机化合物为Hf的烷氧化合物时，其实例包括Hf(OC₈H₁₇)₄。当有机化合物为Ge的烷氧化合物时，其实例包括Ge(OC₂H₅)₄。

本发明的组合物中的溶剂则是用来溶解感光型或非感光型高分子介质，使其与有机化合物互溶成均相液体。此溶剂例如是水、甲醇(methanol)、乙醇(ethanol)、异丙醇(isopropanol)、丁醇(butanol)、四氢呋喃(tetrahydrofuran)、甲酰胺(formamide)、N-甲基-2-吡咯烷酮(N-methylpyrrolidone，NMP)、N，N-二甲基乙酰胺(N，N-dimethylacetamide，DMAc)、N，N-二甲基甲酰胺(N，N-dimethylformamide，DMF)、二甲基亚砜(dimethyl sulfoxide，DMSO)、γ-丁内酯(r-butyrolactone)、1，3-二甲基-2-咪唑啉酮(1，3-dimethyl-2-imidazolidinone，DMI)。

本发明的组合物可用来形成晶体管的栅介电层，兹以下实施例来说明之。

图1为本发明的顶接触(top contact)结构的晶体管示意图。图2为本发明的底接触(bottom contact)结构的晶体管示意图。

请参照图1与图2，在基板100上形成栅极102，然后，将本发明的组合物形成在电极102上。基板100例如是硬式基板如玻璃基板或是硅基板，或是可挠式基板。栅极102的材质例如是铟锡氧化物。然后，依次进行软烤和硬烤，将组合物中的溶剂去除，并使得有机化合物形成非晶相氧化物，以完成栅介电层104的制造。

本发明的组合物可以采用直接图案化(direct patterning)的方法来形成在基板100上。或者，可以先将组合物涂布在基板100上，进行烘烤后，再进行图案化。直接图案化的方法例如是狭缝模具式涂布(slot die coating)、凸版印刷法(flexographic coating)、喷墨涂布法(inkjet printing)、微接触式印刷(microcontact printing)、纳米印刷(nanoimprinting)、网板印刷(screenprinting)。涂布的方法例如是旋转涂布法(spin coating)、浸泡式涂布法(dipcoating)、喷涂法(spary)；图案化的方法例如是光刻、蚀刻法、激光蚀刻法(laser ablation)。烘烤工序可以先在较低的温度下进行软烤，之后，再于较高的温度下进行硬烤。软烤及硬烤的温度与组合物中的溶剂的种类有关。软烤的温度可以是0℃至150℃，较佳的是在室温至100℃之间，更佳的是在室温至80℃之间。硬烤的温度可以是0℃至300℃，较佳的是室温至200℃，更佳的是室温至150℃。

之后，再形成图案化的半导体层106以及源极108、漏极110，完成如图1所示的顶接触(top contact)结构的晶体管，或是如图2所示的底接触(bottom contact)结构的晶体管。

本发明的组合物除了可用来制造场效应晶体管及薄膜晶体管的栅介电层之外，还可用来制造电容器的介电层，或是应用于高频元件中。

实例1

请参照图1，以400rpm/10秒及1000rpm/30秒的速度，将20wt.％的Ta(OC₂H₅)₄、6wt.％的聚酰亚胺以及N-甲基-2-吡咯烷酮或γ-丁内酯搅拌混合所形成的组合物旋涂在已形成铟锡氧化物底电极的玻璃基板上，以形成薄膜。然后，在摄氏80度的加热板上软烤，之后，再于摄氏150度的烘箱中进行硬烤，以完成栅介电层的制造。之后，再形成图案化的半导体层以及源极、漏极，完成顶接触结构的晶体管。之后，进行I-V以及C-V电性测量，其介电常数可达5.7；迁移率μ为0.047cm²/Vs；开/关比(on/offratio)为10⁴至10⁵。

实例2

依据以上的方法形成顶接触结构的晶体管，但组合物改变成30wt.％的五(乙酰丙酮)二钽(Ta₂(acac)₅)、6wt.％的聚酰亚胺以及N-甲基-2-吡咯烷酮或γ-丁内酯所形成的混合物。将形成顶接触结构的晶体管进行I-V以及C-V电性测量，其介电常数可达6.7；迁移率μ为0.059cm²/Vs；开/关比为10⁴。

以上组合物中的烷氧化合物是以钽的烷氧化合物为例来说明之。本发明的其它的烷氧化合物，如Al、Ti、Zr、Ta、Si、Ba、Ge或Hf的烷氧化合物，亦可以采用类似上述实例1和2的方式来形成组合物，进而在烘烤所形成的组合物后形成介电层。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与改进，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (14)

1.一种介电层的制造方法，其特征是包括：

将组合物形成在基底上，上述组合物包括：

液态的烷氧化合物，分子式为M(OR)n，其中M为Al、Ti、Zr、Ta、Si、Ba、Ge或Hf之一，OR为含有1-10个碳的烷氧基，n为1-5，作为高介电前驱物；

感光型或非感光型高分子介质；以及

溶剂，上述液态的烷氧化合物、上述感光型或非感光型高分子介质与上述溶剂互溶成均相液体；以及

进行烘烤工序，以去除上述溶剂，并使得上述液态的烷氧化合物形成非晶相氧化物。

2.根据权利要求1所述的介电层的制造方法，其特征是上述烘烤工序包括软烤步骤及硬烤步骤。

3.根据权利要求2所述的介电层的制造方法，其特征是上述软烤步骤是于0℃至150℃的温度下进行。

4.根据权利要求3所述的介电层的制造方法，其特征是上述软烤步骤是于室温至100℃的温度下进行。

5.根据权利要求4所述的介电层的制造方法，其特征是上述软烤步骤是于室温至80℃的温度下进行。

6.根据权利要求2所述的介电层的制造方法，其特征是上述硬烤步骤是于0℃至300℃的温度下进行。

7.根据权利要求6所述的介电层的制造方法，其特征是上述硬烤步骤是于室温至200℃的温度下进行。

8.根据权利要求7所述的介电层的制造方法，其特征是上述硬烤步骤是于室温至150℃的温度下进行。

9.根据权利要求1所述的介电层的制造方法，其特征是上述感光型或非感光型高分子介质为聚酰亚胺、聚酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯酚、聚丙烯酸酯、环氧化物、聚氨基甲酸酯、含氟聚合物、聚硅氧烷、聚酯、聚丙烯腈、聚苯乙烯或聚乙烯。

10.一种用以制造介电层的组合物，其特征是包括：

液态的烷氧化合物，分子式为M(OR)n，其中M为Al、Ti、Zr、Ta、Si、Ba、Ge或Hf之一，OR为含有1-10个碳的烷氧基，n为1-5，用以作为高介电前驱物；

感光型或非感光型高分子介质；以及

溶剂；

其中，上述液态的烷氧化合物、上述感光型或非感光型高分子介质与上述溶剂互溶成均相液体。

11.根据权利要求10所述的用以制造介电层的组合物，其特征是上述感光型或非感光型高分子介质为聚酰亚胺、聚酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯酚、聚丙烯酸酯、环氧化物、聚氨基甲酸酯、含氟聚合物、聚硅氧烷、聚酯、聚丙烯腈、聚苯乙烯或聚乙烯。

12.一种介电层，其特征是包括：

感光型或非感光型高分子介质；以及

非晶相氧化物，其材质为Al、Ti、Zr、Ta、Si、Ba、Ge或Hf的氧化物，均匀分布于上述感光型或非感光型高分子介质中。

13.根据权利要求12所述的介电层，其特征是上述感光型或非感光型高分子介质为聚酰亚胺、聚酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯酚、聚丙烯酸酯、环氧化物、聚氨基甲酸酯、含氟聚合物、聚硅氧烷、聚酯、聚丙烯腈、聚苯乙烯或聚乙烯。

14.根据权利要求12所述的介电层，其特征是上述介电层为场效应晶体管及薄膜晶体管的栅介电层或是电容器的介电层，或是应用于高频元件中。

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