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La₂O₃、La(OH)₃、Nd₂O₃、Nd(OH)₃、Pr₆O₁₁、Pr(OH)₃及CeLa₂O₃F₃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。

如图三所示，沿着垂直轴(Z轴)穿过高介电常数闸极介电层128N1-128N3与128P1-128P3，绘示出高介电常数闸极介电层中稀土金属基掺质的掺杂轮廓，稀土金属基掺质在高介电常数闸极介电层(128N1-128N3及128P1-128P3)接近界面氧化物层的区域中，可具有较低的浓度。

图三、高介电常数闸极介电层中稀土金属基掺质的掺杂轮廓

图片来源：台湾专利号TW202205360A

包含氮化铝钪铁电材料之场效应晶体管

铁电场效应晶体管（ferroelectric field effect transistor，FE-FET）是包含铁电材料的晶体管，且铁电材料包夹在装置的闸极电极与源极-汲极导电区之间。台积电发明一种包含氮化铝钪(AlScN)合金的铁电材料晶体管装置[4]，结构包含闸极层(141)、结晶通道层(120)、铁电层(131)以及源极和汲极(图四)。其中，铁电层(131)系由铝、稀土元素钪(Sc)以及氮所组成，且该铁电层(131)具有大于22%但小于50%原子百分比之钪(Sc)含量的氮化铝钪(AlScN)层。氮化铝(AlN)本身具有纤锌矿晶体结构且具有强自发极化和压电效应，再将一定量的稀土元素钪(Sc)引入到氮化铝(AlN)中形成的铁电材料，可增大压电效应，同时维持纤锌矿结构。

图四、铁电场效应晶体管的示意性横截面图

图片来源：美国专利公开号US20210391471A1

具有稀土氧化物的半导体结构

在半导体领域，为了获得高密度芯片，采用三维结构是发展方向之一，例如具有多层堆栈结构的内存芯片是目前高密度存储技术的重要技术趋势。北京清华大学申请一种具有稀土氧化物的半导体结构专利[5]，如图五所示，包括：半导体衬底(100)；以及形成在半导体衬底(100)上的交替堆栈的多层绝缘氧化物层(201)、(202)……(20x)和多层单晶半导体层(301)、(302)……(30x)。其中，与半导体衬底(100)接触的绝缘氧化物层(201)的材料为稀土氧化物或者二氧化硅，其余的绝缘氧化物层(202)至(20x)的材料为单晶稀土氧化物。藉由绝缘氧化物层和单晶半导体层之间的晶格匹配，在单晶半导体层上形成单晶稀土氧化物层的半导体结构，可以显著降低半导体结构的晶体缺陷，从而有利于在该半导体结构上进一步形成高性能、高密度的三维半导体装置，实现高密度三维集成电路。

图五、具有稀土氧化物的半导体结构示意图

图片来源：美国专利公告号US9105464B2

备注：

好消息～北美智权报有微信公众号了！ 《北美智权报》内容涵盖世界各国的知识产权新闻、重要的侵权诉讼案例分析、法规解析，以及产业与技术新知等等。 立即关注北美智权微信公众号→ NAIP_IPServices ～欢迎读者分享与转发～

【本文只反映专家作者意见，不代表本报立场。】

作者： 芮嘉玮 现任： 台湾中技社能源暨产业研究中心组长 学历： 台湾清华大学 奈米工程与微系统研究所 博士 台湾中原大学 财经法律研究所 硕士 台湾科技大学 材料科学与工程研究所 硕士 经历： 台湾工研院技术移转与法律中心执行长室 台湾工研院电子与光电研究所专利副主委 光电产业知识产权经理 专长： 长期从事产业研究、专利知识产权与投资评估等工作，专注于能源、产业、环境、经济等议题。擅长创新技术策略分析、科技预测及评估、专利分析与布局、产业分析、知识产权管理与经营策略、专利的商业化与货币化。熟捻产业技术发展趋势，并常在各媒体平台发表文章、应邀演讲，成功引领技术前瞻与产业关键议题。