稀土于台湾半导体产业有维他命之效
2022-07-01 08:30阅读：
在台湾，稀土的产值很小，不可与半导体在产业规模上相提并论。但就重要性而言，稀土元素的微量添加确实让它在不同产业应用起了点石成金的作用，从而有「工业维生素」、「工业味精」或「工业润滑剂」等美誉。本文以下就稀土元素在半导体领域的应用专利为例，探究稀土元素在半导体产业是如何产生工业维他命的效果。
图片来源：
Wikipedia
选自铈以外之稀土类化合物的研磨剂组成物
研磨、抛光是半导体芯片加工过程中的重要工艺。化学机械研磨或称化学机械抛光(CMP，Chemical Mechanical
Polishing)是集成电路制造过程中实现晶圆表面平坦化的关键技术。它主要是应用化学研磨液混配磨料的方式对半导体表面进行精密加工，而研磨剂的组成对制造芯片过程中晶圆表面研磨的均匀性、粗糙度等质量至关重要。旭硝子股份有限公司(Asahi
Glass Company)申请一种供制作半导体绝缘膜之研磨的研磨剂组成物专利
[1]
，系使用具有C-Si键与Si-O键之有机硅材料。该研磨剂组成物系含有水与选自铈以外之稀土氢氧化物、稀土氟化物、稀土氟氧化物、稀土氧化物之特定稀土化合物的粒子，其中上述特定稀土化合物之粒子为选自La
2O
3、La(OH)
3、Nd
2O
3、Nd(OH)
3、Pr
6O
11、Pr(OH)
3及CeLa
2O
3F
3之组合中其中一种稀土化合物。
该专利系涉及半导体集成电路中用于层间绝缘之平坦化研磨的研磨剂组成物，含水与特定稀土类化合物之粒子的研磨剂组成物可使半导体集成电路制造步骤中有效平坦化具C-Si键与Si-O键之有机硅材料构成之绝缘膜，实现高度研磨速度，并减少研磨表面的裂化、刮伤、膜剥离等缺陷，用以制造半导体集成电路中具低介电常数、良好表面平坦性的绝缘膜，如图一所示之层间绝缘膜(3)之截面经研磨后实现被平坦化的研磨表面(6)。
图一、半导体集成电路用绝缘膜透过含特定稀土类化合物研磨剂研磨后之状况
图片来源：美国专利公告号US7378348B2
半导体组件结构之高温超导体层重要组成：稀土元素(钇)
半导体组件制程在形成金属内联机的技巧上经历了重要的改变。过去，常使用铝作为金属内联机并以二氧化硅做为介电层。之后，较佳系以铜作为金属内联机，并使用包括无机或有机的低介电常数(low
dielectric
constant,low-k)材料。而铜内联机的形成方式通称为单镶嵌与双镶嵌制程。然而，铜虽有其优点，却很容易扩散至用于半导体组件制造的介电材料中，半导体组件中之铜扩散至介电材料中会造成可靠度上的问题(例如短路)。因此，典型的方式系于作为导体及导线的铜与半导体组件的介电材料之间形成一扩散阻障层。该扩散阻障层典型地形成于铜内联机之沟槽及介电洞之底部或侧壁，以避免铜扩散至周围二氧化硅或其他介电材料中。
不幸地，传统扩散阻障材料对铜之黏着力差且会剥离，因而产生不良之界面特性。因此在其半导体组件及其制作方法中，会沉积一高温超导体层于该阻障层上，且该高温超导体层材料包括钡铜氧以及一稀土元素(稀土钡铜氧)，而该稀土元素以钇(yttrium)特别合适，例如钇钡铜氧。最后再沉积一导电金属并覆盖该高温超导体层以作为导线或半导体组件内联机。如台积电专利
[2]所主张之一种半导体组件(图二)，包括：一介电层(12)，其中定义有至少一孔隙；一阻障层(18)，沿着该至少一孔隙之底部及侧壁形成；一高温超导体(High
Temperature Superconductor,
HTS)层(20)，顺应性的形成于该至少一孔隙中之该阻障层(18)上；以及一金属或金属合金，填充于该介电层(12)之该孔隙中。其中，高温超导体层(20)较佳系以钇钡铜氧以类似三明治结构被夹于扩散阻障层(18)及钽层(22)之间。从而该高温超导体层(20)具有良好的黏着力以及在孔隙、沟槽或介层孔之宽度低于300时仍能提供低电阻。
图二、半导体组件结构
图片来源：台湾专利号TWI319215B，芮嘉玮改绘
以稀土氧化物作为晶体管闸极结构掺杂剂
在半导体制造过程中，为了使n型场效晶体管与p型场效晶体管具有低临界电压，可使用不同浓度的稀土金属基(rare-earth metal
based)掺质来掺杂n型场效晶体管与p型场效晶体管闸极结构的高介电常数闸极介电层。稀土金属基掺质的不同浓度可在n型场效晶体管与p型场效晶体管闸极结构中产生具有变化偶极浓度的偶极层。举例来说，台积电申请一种具有奈米结构之半导体装置的制造方法专利
[3]，该制造方法至少包括：沉积围绕奈米结构信道区的高介电常数介电层；以及使用稀土金属基掺质并分别以不同的稀土金属基掺质浓度对高介电常数介电层进行二次掺杂步骤。稀土金属基掺质包括诸如氧化镧(La2O3)、氧化钇(Y2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化镱(Yb2O3)、氧化铒(Er2O3)等稀土金属氧化物。高介电常数闸极介电层可具有不同的稀土金属基掺质浓度，且该稀土金属基掺质浓度介于0.1原子百分比至15原子百分比之间......
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