專利名稱：一種柵極電介質(zhì)材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種柵極電介質(zhì)材料及其制備方法，尤其涉及一種高介電、低損耗、新型柵極電介質(zhì)材料的制備方法，屬于電子陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
集成電路是重要的微型電子器件，其發(fā)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(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)的特征尺度不斷縮小的基礎(chǔ)之上。 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)特征尺度的不斷縮小必然要求柵極電介質(zhì)材料的等效氧化物厚度減小。根據(jù)1997美國半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(SIA)制定的“國家半導(dǎo)體技術(shù)遠(yuǎn)景規(guī)劃圖”第3版，預(yù)計(jì)2012年柵極電介質(zhì)材料的等效氧化物厚度將小于lnm。傳統(tǒng)的SiO2由于相對較低的介電常數(shù)所造成的量子遂穿效應(yīng)已經(jīng)無法滿足需要。尋找具有高介電常數(shù)的材料取代SW2作為柵極電介質(zhì)材料已經(jīng)成為人們研究的熱門課題。具有偽立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)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(zhì)材料的高介電常數(shù)材料，其介電常數(shù)約為25，熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良，介電損耗低以及與硅晶格有較好的匹配度，可以用來制作高溫超導(dǎo)薄膜的襯底材料和鐵電薄膜與襯底之間的緩沖層。
然而，用固相法合成的LaAlO3陶瓷，燒結(jié)溫度很高，一般在1650°C下還難以致密化。此外，LaAlO3介電常數(shù)低，介電損耗高，性能有待進(jìn)一步優(yōu)化。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是降低LaAW3陶瓷材料的燒結(jié)溫度和介電損耗，提高LaAW3陶瓷材料的介電常數(shù)。本發(fā)明是采用傳統(tǒng)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(shù)，減小介電損耗并降低體系燒結(jié)溫度。
本發(fā)明的一種高介電、低損耗、新型柵極電介質(zhì)材料，其特征在于，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 的量占基體摩爾數(shù)為5-20%。
本發(fā)明的一種高介電、低損耗、新型柵極電介質(zhì)材料的制備方法，其特征在于固相燒結(jié)法燒成瓷體，包括以下步驟
1)將原料 La203> A1203、Bi2O3，按化學(xué)式(l-x)LaA103_x BiAlO3 (0. 05 彡 χ 彡 0. 2)進(jìn)行配料及混合，得到混合物粉體。
2)以無水乙醇為介質(zhì)將混合物球磨8-Μ小時(shí)，出料并干燥后，以3_8°C /min升溫至1090-1120°C下進(jìn)行預(yù)合成，保溫2 4小時(shí)；預(yù)合成得到的料，以無水乙醇為介質(zhì)、再次球磨9 12小時(shí)，出料并干燥；粉料中加入粉料質(zhì)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(zhì)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(shí)排塑，升溫速率為1 5°C /min ；然后將圓片置于氧化鋁坩堝中，密閉燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1310 1330°C，保溫時(shí)間為3 5小時(shí)，即3得陶瓷片。
利用本發(fā)明提供的方法獲得的(I-X)LaAW3-X BiAlO3陶瓷材料，燒結(jié)溫度和室溫介電損耗低于LaAW3,介電常數(shù)高于LaAW3，滿足柵極電介質(zhì)材料的要求。所以本發(fā)明提供的陶瓷材料可作為集成電路中新型柵極電介質(zhì)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(shí)施方式
下面通過實(shí)例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)該指出，本發(fā)明絕非局限于所陳述的實(shí)施例。
對比例
1)將原料La203、Al2O3，按化學(xué)式LaAlO3配料及混合，得到混合物粉體。
2)以無水乙醇為介質(zhì)將混合物球磨M小時(shí)，出料并干燥后，以7V /min升溫至 1100°C下進(jìn)行預(yù)合成，保溫4小時(shí)；預(yù)合成得到的料，以無水乙醇為介質(zhì)、再次球磨12小時(shí)，出料并干燥；粉料中加入粉料質(zhì)量的5%的粘膠劑溶液(溶液中聚乙烯醇質(zhì)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(shí)排塑，升溫速率為1°C/min ；然后將圓片置于氧化鋁坩堝中，密閉燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1300°C，保溫時(shí)間為4小時(shí)，即得陶瓷片。
4)陶瓷片經(jīng)研磨拋光后兩面被覆電極，并在IOkHz測得室溫介電常數(shù)和損耗。
實(shí)例1
1)將原料 La203、Al203、Bi203，按化學(xué)式(I-X)LaAlO3-X BiAlO3 (x = 0. 1)進(jìn)行配料及混合，得到混合物粉體。
其它條件同對比例。
實(shí)例2
1)將原料 La203> A1203、Bi2O3，按化學(xué)式(I-X)LaAlO3-X BiAlO3 (x = 0. 15)進(jìn)行配料及混合，得到混合物粉體。
其它條件同對比例。
實(shí)例3
1)將原料 La203> A1203、Bi2O3,按化學(xué)式(l_x) LaAlO3-X BiAlO3 (χ = 0. 05)進(jìn)行配料及混合，得到混合物粉體。
2)以無水乙醇為介質(zhì)將混合物球磨12小時(shí)，出料并干燥后，以5°C /min升溫至 1120°C下進(jìn)行預(yù)合成，保溫2小時(shí)；預(yù)合成得到的料，以無水乙醇為介質(zhì)、再次球磨10小時(shí)，出料并干燥；粉料中加入粉料質(zhì)量的5%的粘膠劑溶液(溶液中聚乙烯醇質(zhì)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(shí)排塑，升溫速率為2V /min ；然后將圓片置于氧化鋁坩堝中，密閉燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1320°C，保溫時(shí)間為5小時(shí)，即得陶瓷片。
權(quán)利要求
1.一種柵極電介質(zhì)材料，其特征在于，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的量占基體摩爾數(shù)為 5-20%。
2.權(quán)利要求1所述的一種柵極電介質(zhì)材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟1)將原料La203、Al203、Bi203，按化學(xué)式(I-X)LaAlO3-XBiAlO3進(jìn)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(zhì)將混合物球磨8-24小時(shí)，出料并干燥后，以3-8°C/min升溫至 1090-1120°C下進(jìn)行預(yù)合成，保溫2 4小時(shí)；預(yù)合成得到的料，以無水乙醇為介質(zhì)、再次球磨9 12小時(shí)，出料并干燥；粉料中加入粉料質(zhì)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(zhì)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(shí)排塑，升溫速率為1 5°C/min ；然后將圓片置于氧化鋁坩堝中，密閉燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1310 1330°C，保溫時(shí)間為3 5小時(shí)，即得陶瓷片ο
全文摘要
一種柵極電介質(zhì)材料及其制備方法，屬于電子陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明公開了一種高介電、低損耗、新型柵極電介質(zhì)材料，(1-x)LaAlO3-x BiAlO3，其中BiAlO3的固溶量是5-20％摩爾比；本發(fā)明還公布了一種高介電、低損耗、新型柵極電介質(zhì)材料的制備方法，包括按(1-x)LaAlO3-x BiAlO3的固溶量進(jìn)行配料、混料、一次球磨、煅燒、二次球磨、排塑、燒結(jié)、被覆電極。利用本發(fā)明提供的方法獲得的陶瓷材料，具有高于LaAlO3陶瓷材料的介電常數(shù)、低于LaAlO3陶瓷材料的介電損耗和燒結(jié)溫度，所以本發(fā)明所提供的陶瓷材料可作為集成電路中新型柵極電介質(zhì)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(yōu)先權(quán)日2011年11月4日
發(fā)明者嚴(yán)輝, 侯育冬, 司美菊, 朱滿康, 葛海燕 申請人:北京工業(yè)大學(xué)