新研究展示下一代电子产品的氮化硼薄膜代表小型化电子设备重大飞跃

一种新材料可帮助晶体管变得越来越小

国立蔚山科学技术院UNIST的一个国际研究团队公布了一种新型材料-超薄氮化硼薄膜,可以实现电子设备小型化的重大飞跃。这项研究发表在著名的《自然》杂志上,代表了未来电子技术的重大成就。

这一突破来自于三星高级技术研究所(SAIT)的Hyeon Suk Shin教授(UNIST自然科学学院)和首席研究员Hyeon Jin Shin博士进行的一项研究,与剑桥大学(英国)和加泰罗尼亚纳米科学与技术研究所(西班牙ICN2)的石墨烯先锋研究人员合作。

在这项研究中,该团队成功展示了非晶态氮化硼(a-BN)薄膜的合成,该薄膜具有极低的介电常数以及高击穿电压和优越的金属阻隔性能。研究团队指出,这种新制造的材料具有巨大的潜力,可以用作下一代电子电路中的互连绝缘体。

新研究揭示用于下一代电子产品的超薄氮化硼薄膜代表小型化电子设备重大飞跃

在电子电路中逻辑和存储设备小型化的不断发展过程中,最小化互连线(连接芯片上不同设备组件的金属线)的尺寸对于确保提高性能和提高设备响应速度至关重要。由于采用互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容工艺集成电介质已被证明是非常具有挑战性的,因此,人们一直致力于降低互连线电阻,进行了广泛研究工作。根据研究团队的说法,所需的互连隔离材料不仅要拥有较低的相对介电常数(简称k值),而且还应该在热学、化学和机械上具有稳定性。

至少在过去的20年里,半导体行业一直在追求获得超低k值(相对介电常数在2左右或以下)的材料,避免在薄膜中人为制造孔隙。人们曾多次尝试开发具有所需特性的材料,然而这些材料由于机械性能差或集成后化学稳定性差,造成可靠性故障,这些材料未能成功集成在互连器件中。

在这项研究中成功地展示了一种兼容后端线路(BEOL)的方法生长具有极低k介电常数的非晶态氮化硼(a-BN)。特别是,他们利用低温远程电感耦合等离子体化学气相沉积(ICP-CVD),在Si基底上合成了约3nm的薄型a-BN。所得材料显示出极低的介电常数,范围为1.78,比目前可用绝缘体的介电常数低30%。

研究人员发现,温度是最重要的参数,理想的a-BN薄膜沉积发生在400℃,这种具有超低k的材料还表现出高击穿电压,并可能具有优越的金属阻隔性能,使得该薄膜在实际电子应用中非常有吸引力。

新材料还表现出高强度的优异机械性能。此外,当研究人员在非常苛刻条件下测试a-BN的扩散阻隔性能时,发现它可以防止金属原子从互连体迁移到绝缘体中。这一成果将有助于解决CMOS集成电路制造中长期存在的互连问题,使电子器件进一步小型化。

长期以来,开发具有电气、机械和热稳定的低k材料(k<2)一直是技术难题,该研究也是一个很好的例子,表明公司和学术机构一起努力共同创造更大的协同效应。

带有borazine质量流量控制器(MFC)的远程ICP-CVD系统,用于精确控制borazine流量。
a-BN膜在400°C的Si衬底上生长。
带有borazine质量流量控制器(MFC)的远程ICP-CVD系统,用于精确控制borazine流量。
a-BN膜在400°C的Si衬底上生长。

该研究结果表明,二维六边形BN的非晶态物具有理想的低k介电特性,适用于高性能电子产品。如果将其商业化,对克服迫在眉睫的半导体产业危机提供巨大帮助。

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