磁控溅射制备非晶氮化硼-氧化硅复合薄膜实现厚度可扩展的低介电常数层间介质应用

这篇研究通过磁控溅射技术开发了非晶氮化硼(aBN)-氧化硅(SiOx)复合薄膜，解决了传统氮化硼(BN)薄膜随厚度增加导致的介电常数(k值)升高和电学性能退化问题。通过插入SiOx层抑制涡轮层状氮化硼(tBN)结晶，该复合材料在13.6 nm厚度下实现了k值降低26%、漏电流密度改善20倍、击穿电场(EBD)提升2.2倍的突破性进展，为后端制程(BEOL)层间介质(ILD)提供了厚度可扩展的低k材料解决方案。

　　

材料挑战与创新策略

随着集成电路尺寸的持续微缩，后端制程(BEOL)中互连线的电阻-电容(RC)延迟成为限制性能的关键因素。传统低k材料如多孔SiOC虽能降低介电常数，但机械强度与厚度可扩展性存在瓶颈。非晶氮化硼(aBN)因其低电子密度和强共价键特性，在2.5 nm超薄厚度下展现出k≈2.5-3.5的优异性能，但随厚度增加会结晶形成涡轮层状氮化硼(tBN)，导致k值升至4-5且击穿性能恶化。

厚度依赖的结晶机制

透射电镜(TEM)和拉曼光谱揭示了厚度对BN薄膜结构的决定性影响：2.5 nm薄膜呈现完全非晶态，而7.1 nm以上薄膜中出现tBN结晶区，其(002)晶面间距0.34 nm与hBN靶材一致。这种结晶化使13 nm纯BN薄膜的k值增加1.5倍，漏电流密度激增，击穿电场(E_BD)从8 MV/cm降至1.2 MV/cm。电子能量损失谱(EELS)证实tBN晶界存在缺陷通道，是电学性能退化的主因。

复合材料的突破性设计

研究团队创新性地采用SiO_x夹层策略，通过交替沉积2.5 nm aBN和5-6 nm SiO_x构建多层结构。高分辨TEM显示该复合膜形成均匀非晶相，完全抑制tBN结晶。原子力显微镜(AFM)测得表面粗糙度(R_q)从纯BN的0.5 nm降至0.2 nm，显著提升化学机械抛光(CMP)兼容性。X射线光电子能谱(XPS)证实材料保持B-N键合特征，B1s峰位于190.9 eV。

电学性能的协同优化

在13.6 nm总厚度下，aBN-SiO_x复合材料实现k=3的介电常数，较7.1 nm纯BN薄膜降低26%。更惊人的是漏电流密度在1 MV/cm场强下降低20倍，E_BD提升至2.7 MV/cm。这种"三明治"结构通过两种机制发挥作用：SiO_x的物理阻隔作用破坏BN长程有序，同时Si-O键的高键能(452 kJ/mol)提高了界面稳定性。对比实验显示，碳夹层会形成涡轮层状BCN，而纯硅夹层因k值过高(11.7)被淘汰。

工艺兼容性与应用前景

采用400°C磁控溅射工艺，与BEOL制程完全兼容。通过调节N₂/Ar比控制薄膜应力，沉积速率稳定在0.5 nm/min。该技术已实现晶圆级均匀沉积，未来可通过共溅射进一步优化界面特性。这种厚度不敏感的低k材料为3D集成电路提供新选择，特别适用于高宽比结构的层间隔离，其热稳定性(>500°C)还能满足先进封装需求。

结论与展望

本研究通过材料基因组策略，成功开发出厚度可扩展的aBN-SiO_x复合低k介质。后续研究将聚焦于：优化SiO_x化学计量比以降低k值至2.5以下，开发原子层沉积(ALD)工艺实现亚纳米级界面控制，以及评估在铜互连系统中的抗电迁移性能。这项突破为摩尔定律延续提供了新的材料解决方案。