氮化硼是一種性能優異並有很大發展潛力的新型陶瓷材料，它是由氮原子和硼原子所構成的晶體。化學組成為43.6%的硼和56.4%的氮，具有多種不同的變體，如六方氮化硼（HBN）、菱方氮化硼（RBN）、立方氮化硼（CBN）和纖鋅礦氮化硼（WBN）。其立方結晶的變體（氮化硼的纖鋅礦交替形態）被認為是已知的最硬的物質。廣泛用於製造合金、耐高溫材料、半導體、核子反應器、潤滑劑等。
多功能電子產品中使用的現代高性能邏輯和存儲設備，其製造材料和設計可以大幅減小電晶體的尺寸，並在更小的區域內封裝更多的電路，實現器件的微型化。但是，金屬互連件尺寸的減小和堆積密度的增加導致電阻（R）和電容（C）延遲的增加，這已變得可與器件的運行速度相提並論。理想情況下，R和C應該同時減少以實現設備的連續擴展。但是， 開發互補的金屬氧化物半導體（CMOS）兼容工藝開發的電學、力學和耐熱性好的低介電常數κ材料（κ <2），這種材料是良好的金屬間和層間電介質，並充當擴散阻擋層金屬原子從互連中的電遷移，一直具有挑戰性。
最新的實現低κ電介質的策略包括通過摻入氟（SiOF的κ = 3.7）或CH3（SiCOH的κ = 2.8 ）和引入孔隙率（多孔SICOH，κ = 2.4）來降低SiO2（κ = 4）的極化強度和密度。國際Roadmap設備和系統（IRDS）呼籲需要發展κ小於2的超低介電常數的電介質。IRDS還表明，有關互連開發的最大挑戰是引入介電常數低的新材料。硼基化合物如BCN和無定形氮化硼（a-BN）已作為潛在的低κ電介質進行了研究，顯示出巨大潛力。然而，最近的關於BN的電介質的報告顯示混層結構薄膜或高的介電常數的晶體結構。因此，如何得到低介電常數的氮化硼材料是個挑戰！
為了解決這個長期困擾科學界的難題，近日，韓國蔚山國家科技研究所Hyeon Suk Shin等研究人員報告了一種三納米厚的非晶氮化硼薄膜，其超低κ值為1.78和1.16（與空氣接近，κ= 1）分別在100kHz和1 MHz的工作頻率下。該膜具有優異的電學與力學性能，擊穿強度為7.3兆伏/釐米，超過了使用要求。斷面成像顯示，與參考勢壘相比，非晶態氮化硼可以在非常苛刻的條件下阻止鈷原子擴散到矽中。研究結果表明，非晶氮化硼對高性能電子產品具有出色的低介電常數特性。相關研究工作以「Ultralow-dielectric-constantamorphous boron nitride」為題發表在國際頂級期刊《Nature》上。
圖1. a-BN的原子結構。a，a-BN的低倍TEM圖像。b，選擇區域的電子衍射圖像，顯示無明顯晶環的圖案。c，高解析度TEM圖像。d，c中紅色框指示的區域的放大，顯示無序的原子排列。e，對d中描述的區域進行了快速傅立葉變換，表明了非晶薄膜的典型擴散衍射圖樣。
圖1所示的透射電子顯微鏡成像和衍射結果表明，該膜是無定形的，沒有可辨別的遠距離有序。因此，我們將該材料稱為非晶BN（a-BN）
圖2. a-BN的化學結構
通過從電子衍射數據而獲得的減小的徑向分布函數的分析證實了薄膜由B和N組成。X射線光電子能譜（XPS）用於獲得化學信息。發現B/N原子比約為1：1.08（圖2a，b），B 1 s和N 1 s峰分別在190.4 eV和397.9 eV處，表明薄膜B和N是通過sp2鍵合的。
圖3 a-BN的介電性能
表1a-BN和hBN薄膜的性能
介電常數是通過施加電場在材料中誘發電偶極子的物理量度。空氣或真空的κ值為1，但固態物質的電極化率由與高性能電子設備最相關的偶極子、原子和電子組件產生。這些影響可以作為10 kHz–30 MHz範圍內的頻率的函數進行測量。a-BN和hBN在不同頻率下的相對介電常數（κ）顯示在圖3a中,可以看出100 kHz時hBN和a-BN的κ值分別為3.28和1.78。該值是超過250個設備的測量平均值。圖3b和表1顯示了測量值的分布以及100kHz下的相應誤差線。值得注意的是，在1 MHz的頻率下，觀察到的a-BN的κ值進一步降低到1.16，接近空氣或真空的值。α-BN 的低κ值歸因於BN之間的非極性鍵和無序排列，這阻止了偶極子的排列。hBN和a-BN在633 nm波長處的折射率分別為2.16和1.37。橢圓偏振法測定的hBN和a-BN 的κ值分別為4.67和1.88，與在100 kHz的電學測量值相近。通常將低κ介電材料製成多孔材料以利用低κ值，但會降低材料的密度，從而導致較差的機械強度。與眾所周知的低κ材料相比，a-BN在最高密度下具有最低的介電常數。作者還測試了a-BN薄膜的機械性能，以確定其強度。納米壓痕測量結果表明，a-BN膜的硬度和剛度值等於或大於矽（> 11 GPa），且薄膜與基材的粘合性非常好。
圖4 擴散測試
當將TiN用作阻擋層時，Co會嚴重擴散到Si中，斷面透射電子顯微鏡（TEM）圖的結果所示，a-BN既可以充當低κ電介質，又可以充當擴散勢壘，表明a-BN是用於高性能CMOS電子產品的出色的低κ材料。
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2375-9
點下再走吧~
如有任何合作意向或建議，請聯繫[材料十]小助手微信：13521056123。免責聲明：本公眾號致力於打造專屬材料人士的平臺，分享材料資訊，相關內容僅供參考學習，所有轉載內容，均不代表【材料十】贊同其觀點，不能完全保證其真實性。如若本公眾號無意侵犯媒體或個人智慧財產權，請聯繫【材料十】小助手：13521056123，我們將立即予以刪除。