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稀土材料以輕薄高效能之永久磁鐵形式應用於電動車與風力發電機為最大量且最高價值的應用。然而隨著半導體先進製程的進展，稀土材料悄悄的滲透，而漸漸成為不可忽視的『半導體調味料』。

包括電晶體閘極介電層、功函數調整、鐵電記憶體介電層與更下世代的負電容場效電晶體都可以發現稀土材料的使用。其他像EUV光罩、EUV光阻、CMP拋光研磨液等在半導體的應用可說是隨處可見且更形重要。

這些含有稀土材料的電晶體內介電薄膜必須藉由先進的ALD方法成膜，其前驅物全球市場與主要提供稀土前驅物之供應商也一併盤點。

【內容大鋼】

• 一、前言
• 二、台積電近年的專利分析與『技術-功效矩陣』
• 三、HfO2為基礎的鐵電(ferroelectric)記憶體元件
• 四、負電容場效電晶體(Negative-Capacitance FET)
• 五、其他應用
• 六、先進ALD薄膜製程與其材料市場
• 七、稀土類ALD前驅物材料供應商動態
  • (一)Air Liquide Electronics(法國液空電子)
  • (二)ADEKA(日本艾迪科)
  • (三)Trichemical(日本三化)
  • (四)PentaPro Materials(台灣宇川精密材料)
• IEKView
• 參考文獻

【圖表大綱】

• 圖一、全球稀土供需與應用
• 表一、以稀土為關鍵字在專利範圍內搜尋，並限定公開日期與專利權人檢索結果
• 表二、220篇專利之技術(稀土種類)-功效(應用)矩陣
• 圖二、稀土材料氧化物的介電常數與常見SiO₂、Al₂O₃、ZrO₂、HfO₂比較
• 圖三、(左)鐵磁(ferromagnetic)材料磁場(H)與磁矩磁化量(M)的遲滯(hysteresis)現象；(右)鐵電(ferroelectric)材料電場(E)與偶極矩極化量(P)的遲滯現象與鐵磁材料有高度類比性
• 圖四、(a) FeRAM：一個電晶體與一個鐵電電容所組成的ferroelectric RAM，類似常見的動態隨機存取記憶體(Dynamic Random Access Memory，DRAM)；(b) FeFET：單一電晶體形式的ferroelectric FET，類似常見的NAND Flash；(c) FTJ：上/下電極包覆鐵電薄膜的ferroelectric tunnel junction，類似常見的可變電阻式記憶體(Resistive random-access memory，縮寫為RRAM或ReRAM)[1-2]
• 圖五、(a) MFS(金屬/鐵電層/半導體)負電容結構，其中F為鐵電介電層，若為氧化物，即同MOS(金屬/氧化物/半導體)；(b) MFIS(金屬/鐵電層/絕緣介電層/半導體)負電容結構；(c) MFMIS(金屬/鐵電層/金屬/絕緣介電層/半導體)負電容結構[3]
• 圖六、(a) n-type MFIS NCFET結構；(b) NCFET沒有遲滯現象；而FeFET有遲滯現象，有雙穩態，有記憶功能；(c) NCFET能達成小於『波茲曼統治(Boltzmann tyranny)』定義元件功耗下限的60mV/dec [4]
• 圖七、(a)電晶體技術演進，從最早的為平面式(Planar)通道，到25~3nm節點的鰭片式(Fin)通道，演進到2nm節點以下的環繞式閘極(Gate-All-Arounf, GAA)結構；(b)介於通道(灰色)與閘極(綠色)之間為氧化物介電層(黃色)，其成膜必須完整包裹住通道，傳統的PVD與CVD薄膜技術，已經無法確保側面與背面的膜層均勻成長。
• 圖八、 鍍膜技術示意圖，(a)物理氣相沈積(Physical Vapor Deposition, PVD)，如濺鍍(sputter)或蒸鍍(evaporation)，僅接觸表面成膜；(b)化學氣相沈積(Chemical Vapor Deposition, CVD)，接觸面與部分側面成膜，背面則無法成膜；(c)原子層沈積 (Atomic Layer Deposition, ALD)，不分位置均勻成膜[6]
• 圖九、High-K閘極用前驅物市場
• 圖十、2021年High-K邏輯晶片類閘極用與記憶體晶片電容用前驅物市場出貨與供應商市佔
• 圖十一、Air Liquide Electronics提供的ALD前驅物選擇，其中17種稀土元素中，更已經開發了12種元素的前驅物