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導(dǎo)致電阻和電容延遲的增加，這將影響電子器件的運行速度。目前為止，研究者主要聚焦于降低于連接器的電阻，因為使用低溫沉積工藝兼容金屬氧化物半導(dǎo)體的互補的電介質(zhì)集成具有大的技術(shù)挑戰(zhàn)。
連接器獨立材料必須具有低的介電常數(shù)（κ），作為擴散屏障阻止金屬遷移進半導(dǎo)體，并且其必須具有高的熱、化學(xué)、機械穩(wěn)定性。明確的，國際元件及系統(tǒng)技術(shù)藍圖提出在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、機械性質(zhì)。在此，韓國蔚山科學(xué)技術(shù)院Hyeon Suk Shin聯(lián)合三星綜合技術(shù)院Hyeon-Jin?Shin和英國劍橋大學(xué)Manish?Chhowalla教授報道了一種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)了強的機械、高壓穩(wěn)定性。該項研究成果以題為“Ultralow-dielectric-constant amorphous boron nitride”發(fā)表在國際頂刊《Nature》上。
【圖文解讀】
材料的制備與電鏡表征：在這項工作中，研究者利用低溫遠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。拉曼譜圖對比證明了其中沒有六方晶系晶體信號。傅里葉紅外測試確定了BN鍵的存在，而沒有任何N-H或B-H的信號。另外，角相關(guān)近邊X射線吸收測試探索了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測試下，a-BN的介電常數(shù)為1.78，而對比樣六方晶型的hBN為3.28。在1MHz的頻率測試下，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)致了較弱的機械強度。
而對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。研究者也測試了a-BN薄膜的機械強度，結(jié)果顯示無論是硬度還是強度都比硅要強（>11GPa）。電擊穿強度測試展示了a-BN具有超過兩倍于hBN的強度，也是目前所報道介電常數(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測試了a-BN的擴散勢壘性質(zhì)。在如此苛刻的條件下，既沒有發(fā)生鈷的擴散也沒有硅化物的形成，表明a-BN可以同時作為低介電質(zhì)和擴散屏障。
總結(jié)：在這項工作中，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，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
