通訊作者：Manish Chhowalla（劍橋大學(xué)）、Hyeon-Jin Shin（三星高級(jí)技術(shù)研究所）、Hyeon Suk Shin（國(guó)立蔚山科學(xué)技術(shù)院）通訊單位：劍橋大學(xué)、三星高級(jí)技術(shù)研究所、國(guó)立蔚山科學(xué)技術(shù)院1. 通過控制實(shí)驗(yàn)條件，得到了無定形狀態(tài)的BN材料。2. 這種無定形BN具有較好的熱穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性，并且介電系數(shù)較低，符合將來對(duì)高性能半導(dǎo)體器件的要求。在電子學(xué)器件的發(fā)展過程中，電阻的增加和電容延遲是縮減電子學(xué)器件尺寸過程中降低電子學(xué)器件工作速度的主要原因。縮減連接處金屬線連接的尺寸是降低器件尺寸的關(guān)鍵。相互連接的材料需要較低的介電常數(shù)用于阻礙金屬向半導(dǎo)體中擴(kuò)散的能壘，并且需要其具有熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性。the International Roadmap for Devices and Systems建議，到2028年材料的介電常數(shù)值需要低于2。目前有些材料的介電常數(shù)的數(shù)值能達(dá)到低于2，但是熱穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性較低。制備能應(yīng)用于下一代電子學(xué)器件中的低介電常數(shù)、高穩(wěn)定半導(dǎo)體材料。有鑒于此，劍橋大學(xué)Manish Chhowalla、三星高級(jí)技術(shù)研究所Hyeon-Jin Shin、國(guó)立蔚山科學(xué)技術(shù)院Hyeon Suk Shin等報(bào)道了具有超低介電常數(shù)的無定形氮化硼材料。通過控制反應(yīng)條件，合成了3 nm厚的無定形BN，其介電常數(shù)在100 kHz和1MHz中分別低至1.78和1.16，擊穿強(qiáng)度達(dá)到7.3 MV/cm。材料生長(zhǎng)方法。通過低溫遠(yuǎn)程電感耦合等離子體-化學(xué)氣相沉積（ICP-CVD）方法在Si基底上進(jìn)行生長(zhǎng)，通過調(diào)節(jié)溫度和plasma功率進(jìn)行反應(yīng)參數(shù)的優(yōu)化，結(jié)果顯示當(dāng)在400 ℃和30 W plasma中進(jìn)行生長(zhǎng)，能獲得介電常數(shù)較低的無定形BN材料。在高于該溫度時(shí)，獲得的BN為納米晶體結(jié)構(gòu)的BN。
圖1. 無定形BN樣品材料合成平臺(tái)（UNIST, SAIT, University of Cambridge, Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology）。相關(guān)表征。通過透射電子顯微鏡方法未發(fā)現(xiàn)材料中長(zhǎng)程有序，因此作者認(rèn)為該材料為無定形狀態(tài)。作者通過XPS表征發(fā)現(xiàn)B 1s和N 1s的原子比為1:1.08。通過角分辨近邊X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)NEXAFS測(cè)試了無定形BN材料，對(duì)1 s核層軌道中電子激發(fā)到空π*或σ*軌道的過程中情況進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了該材料呈無定形狀態(tài)。
介電性能相關(guān)測(cè)試。通過對(duì)metal/BN/n-Si結(jié)構(gòu)的器件進(jìn)行電流密度-電壓（J-V）、電容-頻率（C-f）測(cè)試，考察了介電常數(shù)和擊穿電壓。通過在Si基底上沉積3 nm厚的無定形BN和TiN，并隨后通過80 nm厚的Co進(jìn)行包覆，通過在真空氛圍中加熱，考察了器件中的擴(kuò)散現(xiàn)象。結(jié)果顯示在苛刻的環(huán)境中BN層阻礙了Co金屬向Si中的擴(kuò)散作用，證明無定形BN具有優(yōu)異的性能。作者對(duì)比了無定形BN和六方相BN。這項(xiàng)研究結(jié)果表明無定形氮化硼具有超低介電常數(shù)。Seokmo Hong, et al. Ultralow-dielectric-constant amorphous boron nitride, Nature 2020, 582, 511-514DOI：10.1038/s41586-020-2375-9https://www.nature.com/articles/s41586-020-2375-9Manish Chhowalla，劍橋大學(xué)材料科學(xué)與冶金系教授，研究領(lǐng)域涵蓋了半導(dǎo)體器件中關(guān)鍵的導(dǎo)電連接材料，二維材料在CO2，N2還原催化反應(yīng)中的應(yīng)用，微型電化學(xué)系統(tǒng)（用于催化、儲(chǔ)能）、二維材料/復(fù)合氧化物界面等。主頁：https://www.chhowalla.msm.cam.ac.uk/
