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

近幾個(gè)月來，休斯頓大學(xué)、西北大學(xué)（與 IBM 合作）和愛丁堡大學(xué)的研究人員分別報(bào)告了針對(duì)該瓶頸不同部分的材料進(jìn)展：低介電常數(shù)層間介電材料、納米級(jí)互連導(dǎo)體和用于光電集成的 IV 族合金。

這三項(xiàng)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(kuò)展?jié)摿Φ臎Q定性因素。

重新思考介電性能的權(quán)衡

休斯頓大學(xué)的研究人員展示了大面積 二維共價(jià)有機(jī)框架（COF）薄膜，據(jù)報(bào)道其在100 kHz頻率下的介電常數(shù)約為1.17。相比之下，先進(jìn)后端工藝中使用的傳統(tǒng)有機(jī)硅酸鹽低介電常數(shù)材料的介電常數(shù)通常遠(yuǎn)高于2，而通過增加孔隙率來降低介電常數(shù)，卻犧牲了機(jī)械強(qiáng)度和擊穿可靠性。

據(jù)《ACS Nano》報(bào)道，休斯頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用液-液界面聚合法合成了共價(jià)有機(jī)框架（COF）薄膜，制備出連續(xù)的薄層，并對(duì)其電學(xué)和熱機(jī)械性能進(jìn)行了表征。除了超低的介電常數(shù)（K值）外，該材料在室溫下的介電強(qiáng)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(gè)長期存在的問題。通過增加孔隙率來降低介電常數(shù)通常會(huì)降低擊穿強(qiáng)度，并使薄膜在化學(xué)機(jī)械拋光和熱循環(huán)過程中變得脆弱。所報(bào)道的COF薄膜旨在降低電容，而無需依賴高孔隙率結(jié)構(gòu)，同時(shí)在高溫下保持電學(xué)和熱學(xué)穩(wěn)定性。

目前的研究重點(diǎn)是平面測(cè)試結(jié)構(gòu)，而將其集成到圖案化互連堆疊結(jié)構(gòu)中則需要進(jìn)行等離子體暴露、與阻擋層粘附以及時(shí)變介電擊穿測(cè)試等方面的評(píng)估。此外，如何將沉積工藝擴(kuò)展到對(duì)溝槽和通孔進(jìn)行保形涂覆也是一個(gè)懸而未決的問題。盡管如此，數(shù)據(jù)表明，聚合物衍生的框架結(jié)構(gòu)或許能夠提供一種實(shí)現(xiàn)低于2介電常數(shù)且不影響可靠性的全新途徑。

銅以外的屏蔽導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致電阻率急劇上升。這種效應(yīng)激發(fā)了人們對(duì)其他導(dǎo)體的興趣，這些導(dǎo)體的傳輸機(jī)制對(duì)尺寸限制的敏感性較低。

西北大學(xué)研究人員與IBM合作，開發(fā)了一種計(jì)算篩選框架，用于識(shí)別適用于納米級(jí)互連的拓?fù)浒虢饘佟Ｔ搱F(tuán)隊(duì)利用Wannier緊束縛模型和包含表面無序性和粗糙度的模擬，評(píng)估了候選材料的傳輸性能，并生成了包含約3000個(gè)表面?zhèn)鬏斨档臄?shù)據(jù)集。

本文的基本前提是，某些拓?fù)洳牧暇哂心軌虻挚狗聪蛏⑸涞谋砻鎽B(tài)。在足夠窄的導(dǎo)線中，這些表面通道可以貢獻(xiàn)相當(dāng)一部分總電導(dǎo)，從而緩解銅中觀察到的電阻率膨脹現(xiàn)象。文中重點(diǎn)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(zhǔn)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(biāo)，對(duì)用于制造互連線的候選材料進(jìn)行了排序。下一步將進(jìn)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(tǒng)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(bǔ)充銅。

擴(kuò)展Ge-Sn相空間

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

在9至10 GPa的壓力和高達(dá)1500 K的溫度下進(jìn)行的高壓實(shí)驗(yàn)中，愛丁堡大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)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(jié)構(gòu)，存在2H、4H和6H三種多型體，當(dāng)Sn含量低于約21 at%時(shí)，觀察到六方對(duì)稱性。超過該閾值后，體系則轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎浇饎偸Y(jié)構(gòu)。

據(jù)報(bào)道，六方鍺具有直接帶隙特性，但其光學(xué)躍遷可能較弱。引入錫可以擴(kuò)展晶格并改變電子結(jié)構(gòu)，為調(diào)控硅基兼容材料家族的光學(xué)性質(zhì)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(wěn)定存在并可回收，從而拓寬了IV族半導(dǎo)體的成分選擇范圍。

雖然這項(xiàng)工作側(cè)重于合成和結(jié)構(gòu)表征，但還需要進(jìn)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(jí)制造兼容的薄膜生長路線。如果能夠?qū)崿F(xiàn)器件級(jí)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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