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半导体互连技术的新突破

阅读：553发表时间：2023-06-17

在正在进行的电子电路中逻辑和存储设备小型化的过程中，减小互连的尺寸（连接芯片上不同组件的金属线）对于保证设备的快速响应并提高其性能至关重要。

研究工作集中在开发具有优异绝缘性能的材料上，以使互连彼此分离。合适的材料应作为防止金属迁移到半导体中的扩散屏障，并具有热、化学和机械稳定性。

至少在过去的20年中，对这样一种高度绝缘的材料的追求推动了半导体行业的发展。每当报告具有所需特性的材料时，由于机械性能不佳或集成时化学稳定性不足，系统地无法成功地将它们集成到互连中，从而导致可靠性失败。

西班牙ICN2和英国剑桥大学的Graphene Flagship 研究人员与蔚山国立科学技术学院（UNIST）和韩国三星高级技术学院合作，准备和研究非晶态氮化硼的超薄薄膜（a-BN）具有极低的介电特性，高击穿电压和优异的金属阻挡性能。这种新制造的材料作为下一代电子电路中的互连绝缘体具有巨大的潜力。

研究人员报道了非晶态氮化硼（a-BN）薄膜的大规模合成，这种材料显示出创纪录的低介电特性。换句话说，非晶硼氮化物是高性能电子产品应用的绝佳选择。

研究人员认为，“他们的研究结果表明，非晶氮化硼对高性能电子产品具有出色的低κ介电特性。” 该研究发表在科学杂志《自然》上。

根据该论文，研究人员使用硅衬底和电感耦合等离子体化学气相沉积法合成了厚度仅为3纳米毫米的a-BN层。所得材料显示出极低的介电常数，非常接近1。

此外，在非常苛刻的条件下对这种新材料进行的扩散阻挡层测试也表明，它可以防止金属原子从互连体迁移到绝缘体中。这些特性与高击穿电压一起使a-BN在实际的电子应用中非常有吸引力。

“层状材料的无定形形式，如h-BN是一个新兴的研究领域。这一发现表明，来自世界各地的多个机构之间的合作如何能够导致具有重大技术意义的突破性研究，”Graphene Flagship 合作伙伴英国剑桥大学的Manish Chhowalla说。

Chhowalla是UNIST的客座教授，他帮助监督了该项目，并与UNIST和三星的团队紧密合作，设计，试验和解释了结果。

来自西班牙Graphene Flagship合作伙伴ICN2的Stephan Roche小组进行了理论和计算计算，可以解释a-BN膜的结构和形态特性以及介电响应。“我们的计算有助于确定a-BN优异性能的关键因素：BN键的非极性特征以及缺乏防止偶极排列的有序性。此模拟结果有助于理解这种非晶态材料的结构形态并解释其卓越的介电性能。” Stephan Roche说。

Graphene Flagship产品使能材料负责人MarGarcía-Hernández表示：“这项出色的工作揭示了未来的发展道路。目前铸造厂的技术或基于分层材料的新技术之间没有两难选择，遵循的路线是两者的整合。A-BN可以为CMOS集成电路制造中长期存在的互连问题提供解决方案，使电子设备进一步小型化，因为它结合了对超低k电介质的所有要求，并具有出色的机械性能，高密度以及化学和热稳定性。这一结果鼓励寻找能够为挑战性问题提供新解决方案的新型无定形层状材料。”

“晶体h-BN在层状材料光子学和光电子学中起着关键作用。对A-BN进行了多年研究，当厚度接近剥离层状材料时，本文显示出令人鼓舞的电子性能。优点是大面积沉积相较于晶体晶体，它更容易实现。非晶态超薄膜加入了层状和二维材料族，因此，本文将是探索这一新的有希望的科学技术领域的众多论文中的第一个。”Graphene Flagship产品的科学技术官兼管理小组主席Ferrari如是说。

总而言之，这对于电子供应链而言是令人振奋的消息，并且代表着电子未来的重大成就。

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