芯片領域，三大進展

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器件尺寸的縮小使得金屬線和介質間隙的尺寸越來越小，電阻、電容和材料穩定性成為首要限制因素。

近幾個月來，休斯頓大學、西北大學（與 IBM 合作）和愛丁堡大學的研究人員分別報告了針對該瓶頸不同部分的材料進展：低介電常數層間介電材料、納米級互連導體和用于光電集成的 IV 族合金。

這三項研究共同表明，除了晶體管之外，線路及其周圍的材料也日益成為影響器件擴展潛力的決定性因素。

重新思考介電性能的權衡

休斯頓大學的研究人員展示了大面積 二維共價有機框架（COF）薄膜，據報道其在100 kHz頻率下的介電常數約為1.17。相比之下，先進后端工藝中使用的傳統有機硅酸鹽低介電常數材料的介電常數通常遠高于2，而通過增加孔隙率來降低介電常數，卻犧牲了機械強度和擊穿可靠性。

據《ACS Nano》報道，休斯頓大學的研究團隊利用液-液界面聚合法合成了共價有機框架（COF）薄膜，制備出連續的薄層，并對其電學和熱機械性能進行了表征。除了超低的介電常數（K值）外，該材料在室溫下的介電強度約為3908 MV/m，在300°C下約為2100 MV/m。楊氏模量約為3.4 GPa，密度接近1.1 g/ cm3。

這種組合解決了后端互連（BEOL）集成中一個長期存在的問題。通過增加孔隙率來降低介電常數通常會降低擊穿強度，并使薄膜在化學機械拋光和熱循環過程中變得脆弱。所報道的COF薄膜旨在降低電容，而無需依賴高孔隙率結構，同時在高溫下保持電學和熱學穩定性。

目前的研究重點是平面測試結構，而將其集成到圖案化互連堆疊結構中則需要進行等離子體暴露、與阻擋層粘附以及時變介電擊穿測試等方面的評估。此外，如何將沉積工藝擴展到對溝槽和通孔進行保形涂覆也是一個懸而未決的問題。盡管如此，數據表明，聚合物衍生的框架結構或許能夠提供一種實現低于2介電常數且不影響可靠性的全新途徑。

銅以外的屏蔽導體

如果說電容是RC方程的一邊，那么電阻就是另一邊。隨著銅線寬度縮小到幾納米尺度，表面散射和晶界散射會導致電阻率急劇上升。這種效應激發了人們對其他導體的興趣，這些導體的傳輸機制對尺寸限制的敏感性較低。

西北大學研究人員與IBM合作，開發了一種計算篩選框架，用于識別適用于納米級互連的拓撲半金屬。該團隊利用Wannier緊束縛模型和包含表面無序性和粗糙度的模擬，評估了候選材料的傳輸性能，并生成了包含約3000個表面傳輸值的數據集。

本文的基本前提是，某些拓撲材料具有能夠抵抗反向散射的表面態。在足夠窄的導線中，這些表面通道可以貢獻相當一部分總電導，從而緩解銅中觀察到的電阻率膨脹現象。文中重點介紹的材料包括TiS、ZrB?以及氮化物，例如MoN、TaN和WN，并以NbAs和NbP作為基準材料。

最終，本研究建立了一種篩選方法，并基于納米尺度限制下的模擬傳輸指標，對用于制造互連線的候選材料進行了排序。下一步將進行沉積兼容性、圖案化、襯墊集成和電遷移表征等方面的研究。此外，與傳統器件層的接觸電阻也將決定這些材料是否能夠在特定堆疊層中真正替代或補充銅。

擴展Ge-Sn相空間

休斯頓大學和西北大學的研究重點是提高電互連性能，而愛丁堡大學的研究人員則致力于解決第四族合金在光電子應用中的有限相空間問題。

在9至10 GPa的壓力和高達1500 K的溫度下進行的高壓實驗中，愛丁堡大學的研究團隊合成了在常溫常壓下無法獲得的六方晶系Ge-Sn固溶體。所得材料具有P6?/mmc結構，存在2H、4H和6H三種多型體，當Sn含量低于約21 at%時，觀察到六方對稱性。超過該閾值后，體系則轉變為立方金剛石結構。

據報道，六方鍺具有直接帶隙特性，但其光學躍遷可能較弱。引入錫可以擴展晶格并改變電子結構，為調控硅基兼容材料家族的光學性質提供了一種潛在途徑。高壓合成表明，這些相可以在常溫常壓下穩定存在并可回收，從而拓寬了IV族半導體的成分選擇范圍。

雖然這項工作側重于合成和結構表征，但還需要進一步研究以量化載流子遷移率、光增益和缺陷密度，并探索與晶圓級制造兼容的薄膜生長路線。如果能夠實現器件級的此類材料，它們將無需采用 III-V 族化合物集成即可支持片上光子器件。

（來源：編譯自allaboutcircuit）

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