原子层退火技术制备纳米氮化铝薄膜的近弹道声子输运高热导率研究

针对先进集成电路中纳米晶体管热管理难题，研究人员通过原子层退火（ALA）技术增强原子层沉积（ALD）制备的氮化铝（AlN）薄膜结晶质量，在300°C低温下实现与蓝宝石衬底的外延连接。时域热反射（TDTR）分析表明，ALA处理的AlN薄膜热导率接近ab-initio计算的弹道输运极限值，为纳米器件热管理提供新方案。

　　

随着集成电路晶体管尺寸的不断缩小和密度提升，热点散热成为制约性能的关键瓶颈。氮化铝（AlN）因其高达320 W/mK的热导率被视为理想散热材料，但传统制备方法如金属有机化学气相沉积（MOCVD）需1000°C以上高温，易引发热失配问题。原子层沉积（ALD）虽可实现低温生长，但薄膜多为多晶或非晶态，导致声子散射严重。台湾半导体制造公司（TSMC）和国家科学技术委员会（NSTC）支持的研究团队创新性地将原子层退火（ALA）技术引入ALD循环，通过氩/氦等离子体处理促进原子迁移，在300°C低温下制备出高结晶质量的AlN纳米薄膜。

研究采用时域热反射（TDTR）技术表征热导率，结合高分辨透射电镜（HRTEM）、X射线衍射（XRD）和极图分析。结果显示，ALA处理的AlN薄膜呈现厚度依赖的热导率线性增长，数值接近ab-initio计算的弹道输运极限，表明声子在薄膜中几乎无缺陷散射传输。XRD显示（0002）晶面衍射峰强度显著提升，卫星峰证实界面质量优异；HRTEM观察到清晰的晶格条纹和蓝宝石衬底外延关系。

材料与方法
研究使用ALD系统（Fiji G2）在c面蓝宝石衬底上沉积AlN，前驱体为三甲基铝（TMA）和N₂/H₂等离子体。ALA处理在每周期引入Ar/He等离子体退火，通过θ-2θ扫描和摇摆曲线评估结晶性，TDTR测量热导率。

结果与讨论
ALA-AlN的XRD半高宽较传统ALD样品降低50%，表明位错密度大幅减少。TDTR数据显示20nm薄膜热导率达285 W/mK，接近体材料90%。厚度依赖曲线符合声子边界散射模型，说明热输运由弹道主导。

结论
该研究证实ALA技术可突破低温外延生长瓶颈，使AlN纳米薄膜热导率逼近理论极限。这一成果为三维集成电路和异质集成提供了革命性的热管理方案，同时为宽禁带半导体材料的低温制备开辟新途径。论文发表于《Journal of Alloys and Compounds》。