CN102503400B

CN102503400B - 一种栅极电介质材料及其制备方法

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Publication number: CN102503400B
Application number: CN201110345065.6A
Authority: CN
Inventors: 侯育冬; 司美菊; 朱满康; 葛海燕; 严辉
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2011-11-04
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2031-11-04
Also published as: CN102503400A

Abstract

一种栅极电介质材料及其制备方法，属于电子陶瓷材料技术领域。本发明公开了一种高介电、低损耗、新型栅极电介质材料，(1-x)LaAlO₃-x BiAlO₃，其中BiAlO₃的固溶量是5-20％摩尔比；本发明还公布了一种高介电、低损耗、新型栅极电介质材料的制备方法，包括按(1-x)LaAlO₃-x BiAlO₃的固溶量进行配料、混料、一次球磨、煅烧、二次球磨、排塑、烧结、被覆电极。利用本发明提供的方法获得的陶瓷材料，具有高于LaAlO₃陶瓷材料的介电常数、低于LaAlO₃陶瓷材料的介电损耗和烧结温度，所以本发明所提供的陶瓷材料可作为集成电路中新型栅极电介质材料使用。

Description

一种栅极电介质材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种栅极电介质材料及其制备方法，尤其涉及一种高介电、低损耗、新型栅极电介质材料的制备方法，属于电子陶瓷材料技术领域。

背景技术

集成电路是重要的微型电子器件，其发展趋势是高可靠性和高集成度。而集成度的提高是建立在金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)的特征尺度不断缩小的基础之上。金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)特征尺度的不断缩小必然要求栅极电介质材料的等效氧化物厚度减小。根据1997美国半导体工业协会(SIA)制定的“国家半导体技术远景规划图”第3版，预计2012年栅极电介质材料的等效氧化物厚度将小于1nm。传统的SiO₂由于相对较低的介电常数所造成的量子遂穿效应已经无法满足需要。寻找具有高介电常数的材料取代SiO₂作为栅极电介质材料已经成为人们研究的热门课题。具有伪立方钙钛矿结构的铝酸镧(LaAlO₃:LAO)材料是一种比较理想的替代SiO₂做为栅极电介质材料的高介电常数材料，其介电常数约为25，热稳定性和化学稳定性优良，介电损耗低以及与硅晶格有较好的匹配度，可以用来制作高温超导薄膜的衬底材料和铁电薄膜与衬底之间的缓冲层。

然而，用固相法合成的LaAlO₃陶瓷，烧结温度很高，一般在1650℃下还难以致密化。此外，LaAlO₃介电常数低，介电损耗高，性能有待进一步优化。

发明内容

本发明的目的是降低LaAlO₃陶瓷材料的烧结温度和介电损耗，提高LaAlO₃陶瓷材料的介电常数。本发明是采用传统陶瓷工艺，添加具有高极化率的第二组元Bi³⁺离子形成一种新的多元固溶体系LaAlO₃-BiAlO₃，从而提高材料的介电常数，减小介电损耗并降低体系烧结温度。

本发明的一种高介电、低损耗、新型栅极电介质材料，其特征在于，其组成为(1-x)LaAlO₃-x BiAlO₃，0.05≤x≤0.2，形成一种多元固溶体系LaAlO₃-BiAlO₃，BiAlO₃的量占基体摩尔数为5-20％。

本发明的一种高介电、低损耗、新型栅极电介质材料的制备方法，其特征在于固相烧结法烧成瓷体，包括以下步骤

1)将原料La₂O₃、Al₂O₃、Bi₂O₃，按化学式(1-x)LaAlO₃-x BiAlO₃(0.05≤x≤0.2)进行配料及混合，得到混合物粉体。

2)以无水乙醇为介质将混合物球磨8-24小时，出料并干燥后，以3-8℃/min升温至1090-1120℃下进行预合成，保温2～4小时；预合成得到的料，以无水乙醇为介质、再次球磨9～12小时，出料并干燥；粉料中加入粉料质量5％的粘胶剂溶液，以40-60MPa压力挤压成圆片，其中粘胶剂溶液为质量浓度为18％的聚乙烯醇溶液。

3)圆片在560～580℃下保温2～4小时排塑，升温速率为1～5℃/min；然后将圆片置于氧化铝坩埚中，密闭烧结，烧结温度为1310～1330℃，保温时间为3～5小时，即得陶瓷片。

利用本发明提供的方法获得的(1-x)LaAlO₃-x BiAlO₃陶瓷材料，烧结温度和室温介电损耗低于LaAlO₃，介电常数高于LaAlO₃，满足栅极电介质材料的要求。所以本发明提供的陶瓷材料可作为集成电路中新型栅极电介质材料使用。

附图说明

图1为陶瓷材料的XRD图；

图2陶瓷材料的扫描电镜图；

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

具体实施方式

下面通过实例进一步阐明本发明的实质特点和显著优点。应该指出，本发明绝非局限于所陈述的实施例。

对比例

1)将原料La₂O₃、Al₂O₃，按化学式LaAlO₃配料及混合，得到混合物粉体。

2)以无水乙醇为介质将混合物球磨24小时，出料并干燥后，以7℃/min升温至1100℃下进行预合成，保温4小时；预合成得到的料，以无水乙醇为介质、再次球磨12小时，出料并干燥；粉料中加入粉料质量的5％的粘胶剂溶液(溶液中聚乙烯醇质量浓度为18％)，以40MPa压力挤压成圆片。

3)圆片在560℃下保温2小时排塑，升温速率为1℃/min；然后将圆片置于氧化铝坩埚中，密闭烧结，烧结温度为1300℃，保温时间为4小时，即得陶瓷片。

4)陶瓷片经研磨抛光后两面被覆电极，并在10kHz测得室温介电常数和损耗。

实例1

1)将原料La₂O₃、Al₂O₃、Bi₂O₃，按化学式(1-x)LaAlO₃-x BiAlO₃(x＝0.1)进行配料及混合，得到混合物粉体。

其它条件同对比例。

实例2

1)将原料La₂O₃、Al₂O₃、Bi₂O₃，按化学式(1-x)LaAlO₃-x BiAlO₃(x＝0.15)进行配料及混合，得到混合物粉体。

其它条件同对比例。

实例3

1)将原料La₂O₃、Al₂O₃、Bi₂O₃，按化学式(1-x)LaAlO₃-x BiAlO₃(x＝0.05)进行配料及混合，得到混合物粉体。

2)以无水乙醇为介质将混合物球磨12小时，出料并干燥后，以5℃/min升温至1120℃下进行预合成，保温2小时；预合成得到的料，以无水乙醇为介质、再次球磨10小时，出料并干燥；粉料中加入粉料质量的5％的粘胶剂溶液(溶液中聚乙烯醇质量浓度为18％)，以60MPa压力挤压成圆片。

3)圆片在580℃下保温3小时排塑，升温速率为2℃/min；然后将圆片置于氧化铝坩埚中，密闭烧结，烧结温度为1320℃，保温时间为5小时，即得陶瓷片。

4)陶瓷片经研磨抛光后两面被覆电极，并在1kHz测得室温介电常数和损耗。

实例4

1)将原料La₂O₃、Al₂O₃、Bi₂O₃，按化学式(1-x)LaAlO₃-x BiAlO₃(x＝0.2)进行配料及混合，得到混合物粉体。

2)以无水乙醇为介质将混合物球磨8小时，出料并干燥后，以8℃/min升温至1090℃下进行预合成，保温4小时；预合成得到的料，以无水乙醇为介质、再次球磨9小时，出料并干燥；粉料中加入粉料质量的5％的粘胶剂溶液(溶液中聚乙烯醇质量浓度为18％)，以50MPa压力挤压成圆片。

3)圆片在570℃下保温4小时排塑，升温速率为5℃/min；然后将圆片置于氧化铝坩埚中，密闭烧结，烧结温度为1310℃，保温时间为3小时，即得陶瓷片。

4)陶瓷片经研磨抛光后两面被覆电极，并在100kHz测得室温介电常数和损耗。

上述的对比例和各实施例的陶瓷材料的XRD图见图1，从图中可以看出当x≤0.15时，表现为纯的钙钛矿相，说明Bi已经进入LaAlO₃晶格中，而当x＝0.2时开始有微弱的第二相峰出现。陶瓷材料的扫描电镜图见图2，可以看出随着Bi量的增大陶瓷的致密度增高，孔洞减少。所获得的陶瓷材料的介电常数和介电损耗见表1，由表中数据可以得出随着Bi量的增大，该材料的介电常数增大，介电损耗减小。

表1

Claims

1.一种栅极电介质材料，组成为(1-x)LaAlO₃-x BiAlO₃，0.10≤x≤0.2，是

一种多元固溶体系LaAlO₃-BiAlO₃，其特征在于，是通过以下方法制备的：

1）将原料La₂O₃、Al₂O₃、Bi₂O₃，按化学式(1-x)LaAlO₃-x BiAlO₃进行配料及混合，得到混合物粉体，0.10≤x≤0.2；

2）以无水乙醇为介质将混合物球磨8-24小时，出料并干燥后，以3-8℃/min升温至1090-1120℃下进行预合成，保温2～4小时；预合成得到的料，以无水乙醇为介质、再次球磨9～12小时，出料并干燥；粉料中加入粉料质量5%的粘胶剂溶液，以40-60MPa压力挤压成圆片，其中粘胶剂溶液为质量浓度为18%的聚乙烯醇溶液；

3）圆片在560～580℃下保温2～4小时排塑，升温速率为1～5℃/min；然后将圆片置于氧化铝坩埚中，密闭烧结，烧结温度为1310～1330℃，保温时间为3～5小时，即得陶瓷片。