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Amorphes Bornitrid - ein Nova mit extrem niedrigem Dielektrikum

Jul 07, 2020

Moderne Hochleistungslogik- und Speichervorrichtungen, die in multifunktionalen elektronischen Vorrichtungen verwendet werden, neigen dazu, eine kleinere Transistorgröße zu verwenden und mehr Schaltungen in einem kleineren Bereich zu stapeln. Die Verringerung der Metallverbinderabmessung und die Erhöhung der Stapeldichte führen jedoch zu einer Erhöhung des Widerstands und der Kapazitätsverzögerung, was sich auf die Betriebsgeschwindigkeit elektronischer Geräte auswirkt. Bisher konzentrierten sich die Forscher auf die Reduzierung des Widerstands von Steckverbindern aufgrund der technischen Herausforderungen bei der Verwendung von Niedertemperatur-Abscheidungsprozessen zur Integration komplementärer Dielektrika, die mit Metalloxid-Halbleitern kompatibel sind. Das unabhängige Material des Verbinders muss eine niedrige Dielektrizitätskonstante (κ) aufweisen, als Diffusionsbarriere wirken, um eine Metallmigration in den Halbleiter zu verhindern, und es muss eine hohe thermische, chemische und mechanische Stabilität aufweisen. In der internationalen Blaupause für Komponenten- und Systemtechnologie wird eindeutig vorgeschlagen, bis 2028 ein niedriges Dielektrikum mit einer Dielektrizitätskonstante unter 2 zu entwickeln. Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante wie Siliziumoxidderivate, organische Chemikalien und Luftkleber sind alle größer als 2 und weisen instabile thermische und thermische Eigenschaften auf mechanische Eigenschaften. Hier haben Hyeon Suk Shin vom Weishan Institute of Science and Technology in Korea zusammen mit Hyeon Jin Shin vom Samsung Institute of Technology und Manish Chhowalla von der Cambridge University, UK, über a berichtet3 nm dicker amorpher Bornitrid-Dünnfilm, der bei 100 kHz bzw. 1 MHz extrem niedrige dielektrische Eigenschaften von 1,78 und 1,16 aufweist. Und der Film zeigt starke mechanische und hohe Druckstabilität.

Interpretation von Bildern und Texten

Herstellung und elektronenmikroskopische Charakterisierung: In dieser Arbeit wurde eine 3 nm dicke Bornitrid-Dünnschicht auf einem Siliziumsubstrat durch ferninduktiv gekoppelte chemische Plasmadampfabscheidung (ICP-CVD) bei niedriger Temperatur erhalten. Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Elektronenbeugung im ausgewählten Bereich (SAED) bewiesen ihre amorphe Eigenschaft (a-bn genannt)

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Figure 1. Atomstruktur von a-bn.

Charakterisierung der chemischen Zusammensetzung: Die Analyse der Röntgenphotoelektronenspektroskopie-Daten zeigte, dass das B / N-Atomverhältnis 1: 1,08 betrug, was darauf hinwies, dass B und N durch SP2 gebunden waren. Der Vergleich der Raman-Spektren zeigt, dass kein hexagonales Kristallsignal vorliegt. Der Fourier-Transformations-Infrarot (FTIR) -Test bestätigte die Existenz einer BN-Bindung ohne NH- oder BH-Signal. Zusätzlich wurde die genaue chemische und elektronische Struktur von a-bn durch den Winkelkorrelations-Röntgenabsorptionstest in der Nähe der Kante untersucht

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Abb. 2. Chemische Struktur von a-bn.

Dielektrische Eigenschaften von Materialien: Der dielektrische Wert von Luft oder Vakuum beträgt 1, aber die festen Materialien sind Elektroden, was eng mit der Leistung elektronischer Geräte zusammenhängt. Bei 100 kHz beträgt die Dielektrizitätskonstante von a-bn 1,78, während die des hexagonalen Kristalls 3,28 beträgt. Beim 1-MHz-Frequenztest wird a-bn auf 1,16 reduziert, was sehr nahe am Wert von Vakuum oder Luft liegt. Die niedrige Dielektrizitätskonstante von a-bn ist auf die Struktur der unpolaren Bindungs- und Störungsstruktur zwischen BN zurückzuführen, die eine Dipolanordnung verhindert. Materialien mit niedrigem Dielektrikum sind normalerweise porös, um die geringen dielektrischen Eigenschaften von Luft auszunutzen. Dies verringert jedoch auch die Dichte des Materials, was zu einer schwachen mechanischen Festigkeit führt. Im Vergleich zu einigen bekannten Materialien mit niedrigem Dielektrikum zeigt a-bn die niedrigsten dielektrischen Eigenschaften und die höchste Dichte. Die mechanische Festigkeit von a-bn-Filmen wurde ebenfalls getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass sowohl die Härte als auch die Festigkeit von a-bn-Filmen stärker waren als die von Silizium (GG gt; 11 gpa). Der Durchschlagfestigkeitstest zeigt, dass a-bn mehr als doppelt so stark ist wie hBN, was auch der höchste Wert der Materialien ist, deren Dielektrizitätskonstante niedriger als 2 ist. Schließlich wurden die Diffusionsbarriereeigenschaften von a-bn durch Abscheiden von 80 gemessen nm dicker Kobaltfilm auf a-bn und Kalzinieren bei 600 ° C für 1 h. Unter solch rauen Bedingungen tritt weder Kobaltdiffusion noch Silizidbildung auf, was darauf hinweist, dass a-bn gleichzeitig als niedrige Dielektrikum- und Diffusionsbarriere verwendet werden kann.

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Figure 3. Dielektrische Eigenschaften von a-bn.

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Table 1. Vergleich der dielektrischen Eigenschaften von a-bn und hBN.

Fazit: In dieser Arbeit wurde erfolgreich ein 3 nm dicker amorpher Bornitridfilm hergestellt. Es wurden die extrem niedrigen dielektrischen Eigenschaften von 1,78 und 1,16 bei 100 kHz bzw. 1 MHz gezeigt, die dem dielektrischen Wert von 1 in Luft und Vakuum extrem nahe kamen und eine ausgezeichnete mechanische Stabilität und Hochspannungsstabilität zeigten. Diese Arbeit hat erfolgreich die niedrige dielektrische Eigenschaft von amorphem Bornitrid bewiesen und wurde in elektronischen Hochleistungsgeräten verwendet.