曾怡誠、蘇尹翔 / 工研院材化所
隨著半導體製程邁向2 nm以下節點，傳統SiO2與HfO2閘極絕緣層已難兼顧低等效氧化層厚度(EOT)、低漏電與高可靠度等需求，因此高介電常數材料成為關鍵突破方向。稀土氧化物如La2O3與Y2O3，具備優異的高介電常數與寬能隙特性，在邏輯與記憶體元件中展現極大潛力。原子層沉積(ALD)具有原子級厚度控制與優異覆蓋能力，成為沉積稀土薄膜的關鍵技術，也對前驅物的特性提出更高要求。結合氮化處理、形成LaON與YON或摻雜鑭(La)與釔(Y)元素，均有助於提升薄膜品質與元件可靠度，展現稀土高介電材料在2 nm以下先進節點的應用潛力。
【內文精選】
ALD技術下的稀土薄膜應用
近年來多項專利與研究指出，透過ALD精確製程結合多層堆疊與摻雜技術，La2O3與Y2O3在高k閘極與DRAM深溝電容應用上展現出明顯優勢，特別是在HfLaO與HfYO複合結構中，ALD不僅能維持高k性能，亦可有效改善界面穩定性。整體而言，隨著前驅物開發、沉積製程改良與低溫製程的不斷優化，La2O3與Y2O3的商業化應用潛力正在逐步實現，有望成為2 nm以下先進邏輯與高效能記憶體應用的關鍵材料。
前驅物研究現況
目前工研院材料與化工研究所（以下稱「本研究團隊」）已建立La和Y之Cp前驅物的合成與分析流程。以LnCp3 (Ln = La, Y)為例，本研究團隊參考文獻的合成策略，選用氯化鑭(LaCl3)或氯化釔(YCl3)作為金屬起始物，與配位基Cp進行有機金屬配位反應，成功合成出LaCp3或YCp3，其產物特徵與文獻報導相符，驗證本合成流程具有良好的可行性與重現性。
由於LnCp3對於空氣中的水氣和氧氣極為敏感，暴露於大氣環境下將迅速發生降解反應，因此其合成過程必須在隔絕空氣的嚴格條件下進行。為了確保反應的穩定性與再現性，實驗前須有效移除反應環境中的殘留雜質與氣體，建立無水無氧的操作系統。以YCp3為例，透過1H NMR光譜分析，可以觀察到其在暴露空氣前後的差異。實驗顯示，YCp3在空氣中僅暴露5分鐘即開始降解，並產生明顯副產物，驗證其對外界環境的高度敏感性（圖六）。
圖六、YCp3與其接觸空氣後之1H NMR光譜(500 MHz/298 K/C6D6)
根據文獻內容，加上初步合成成果的基礎上，我們進一步在配位基Cp環上引入體積較大的官能基(R)，藉此提升前驅物的揮發性，有助於優化其在ALD製程上汽化的能力，並能夠在相對低溫條件下沉積高品質和高均勻度的薄膜。此設計策略預期將成為未來前驅物的開發方向（圖七）---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖七、前驅物合成策略─修飾官能基
★本文節錄自《工業材料雜誌》467期，更多資料請見下方附檔。