現(xiàn)代高性能應(yīng)用于多功能電子設(shè)備邏輯、記憶器件都趨向于使用更小的晶體管尺寸和在更小的面積里堆疊更多的電路。然而，金屬連接器維度的降低和堆疊密度的增加會(huì)導(dǎo)致電阻和電容延遲的增加，這將影響電子器件的運(yùn)行速度。目前為止，研究者主要聚焦于降低于連接器的電阻，因?yàn)槭褂玫蜏爻练e工藝兼容金屬氧化物半導(dǎo)體的互補(bǔ)的電介質(zhì)集成具有大的技術(shù)挑戰(zhàn)。
連接器獨(dú)立材料必須具有低的介電常數(shù)（κ），作為擴(kuò)散屏障阻止金屬遷移進(jìn)半導(dǎo)體，并且其必須具有高的熱、化學(xué)、機(jī)械穩(wěn)定性。明確的，國(guó)際元件及系統(tǒng)技術(shù)藍(lán)圖提出在2028年之前發(fā)展介電常數(shù)低于2的低電介質(zhì)。如氧化硅衍生物、有機(jī)化學(xué)物與空氣膠等具有低介電常數(shù)的材料，都是大于2的，并且具有不穩(wěn)定的的熱、機(jī)械性質(zhì)。在此，韓國(guó)蔚山科學(xué)技術(shù)院Hyeon Suk Shin聯(lián)合三星綜合技術(shù)院Hyeon-Jin?Shin和英國(guó)劍橋大學(xué)Manish?Chhowalla教授報(bào)道了一種3nm厚的無定型氮化硼薄膜，在100kHz和1MHz的工作頻率下分別展示了1.78和1.16的超低介電性質(zhì)。并且該薄膜展現(xiàn)了強(qiáng)的機(jī)械、高壓穩(wěn)定性。該項(xiàng)研究成果以題為“Ultralow-dielectric-constant amorphous boron nitride”發(fā)表在國(guó)際頂刊《Nature》上。
【圖文解讀】
材料的制備與電鏡表征：在這項(xiàng)工作中，研究者利用低溫遠(yuǎn)程電感耦合等離子體-化學(xué)氣相沉積（ICP-CVD）法在硅基底上獲得了3nm厚的氮化硼薄層。透射電鏡和選區(qū)電子衍射證明了其無定型的性質(zhì)（命名為a-BN）。
材料的化學(xué)成分表征：X射線光電子能譜數(shù)據(jù)分析得到其中B/N原子比例為1:1.08，表示了B和N是通過sp2鍵合的。拉曼譜圖對(duì)比證明了其中沒有六方晶系晶體信號(hào)。傅里葉紅外測(cè)試確定了BN鍵的存在，而沒有任何N-H或B-H的信號(hào)。另外，角相關(guān)近邊X射線吸收測(cè)試探索了a-BN的精確化學(xué)和電子結(jié)構(gòu)。
材料的介電性能：空氣或真空的介電值為1，但由于固態(tài)物質(zhì)會(huì)發(fā)生電極化，與電子器件的性能有著密切的關(guān)系。在100kHz測(cè)試下，a-BN的介電常數(shù)為1.78，而對(duì)比樣六方晶型的hBN為3.28。在1MHz的頻率測(cè)試下，a-BN更是降低到了1.16，非常接近于真空或空氣的值。a-BN如此低的介電常數(shù)得益于BN間的非極性鍵和無序結(jié)構(gòu)的構(gòu)造，阻止了偶極的排列。低介電材料通常會(huì)做成多孔以利用空氣的低介電性質(zhì)，但這也降低了材料的密度，導(dǎo)致了較弱的機(jī)械強(qiáng)度。
而對(duì)比一些著名的低介電材料，a-BN表現(xiàn)了最低的介電性質(zhì)和最高的密度。研究者也測(cè)試了a-BN薄膜的機(jī)械強(qiáng)度，結(jié)果顯示無論是硬度還是強(qiáng)度都比硅要強(qiáng)（>11GPa）。電擊穿強(qiáng)度測(cè)試展示了a-BN具有超過兩倍于hBN的強(qiáng)度，也是目前所報(bào)道介電常數(shù)低于2的材料的最高值。最后，研究者通過在a-BN上沉積80nm厚的鈷膜，并在真空600℃下煅燒1h測(cè)試了a-BN的擴(kuò)散勢(shì)壘性質(zhì)。在如此苛刻的條件下，既沒有發(fā)生鈷的擴(kuò)散也沒有硅化物的形成，表明a-BN可以同時(shí)作為低介電質(zhì)和擴(kuò)散屏障。
總結(jié)：在這項(xiàng)工作中，研究者成功制備了一種3nm厚的無定型氮化硼薄膜，在100kHz和1MHz的工作頻率下分別展示了1.78和1.16的超低介電性質(zhì)，極度接近于空氣和真空的介電值1，并且表現(xiàn)出了優(yōu)異機(jī)械、高壓穩(wěn)定性。該工作成功證明了無定型氮化硼的低介電特點(diǎn)，并且用于高性能電子設(shè)備。
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2375-9
