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浙大學者質疑Nature超低介電常數非晶氮化硼

ExMh_zhishexues ? 來源:網易新聞 ? 作者:各有態度 ? 2021-02-20 13:49 ? 次閱讀

突破極限亦或是一個烏龍?所幸物理圖像非常清晰,實驗驗證也極其簡單,讓我們拭目以待。。。

背景

應用于半導體集成電路的互連隔離電介質材料(即低k材料)的介電常數決定了信號在元件間傳輸時由電介質層電容引起的延遲,而尋找介電常數小于2的材料一直是巨大的挑戰,現已成為集成電路向更小特征尺寸、更高集成度方向發展的關鍵瓶頸問題。現有的低k材料主要為SiO2(k=4)及其衍生物(k=2.8-3.7)。雖然通過引入氣孔可將介電常數進一步降低,但會引起絕緣性能、力學性能及化學穩定性惡化等一系列問題,難以獲得實際應用。在此背景下,韓國蔚山國立科學技術研究院Seokmo Hong與Hyeon Suk Shin、三星先進技術研究院Hyeon Jin Shin、英國劍橋大學Manish Chhowalla等多所院校的研究人員通過感應耦合等離子體化學氣相沉積法(ICP-CVD),以硅為基板,制備出3 nm厚的致密非晶氮化硼(a-BN)薄膜[1]。報道稱此薄膜除具有超低介電常數(100 kHz下k=1.78,1 MHz下k=1.16)外,還表現出優秀的絕緣性能、力學性能及化學穩定性。

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a-BN與h-BN(六方氮化硼)的介電常數與光頻折射率[1]。

浙大學者的質疑

上述令人振奮的結果,若能確證,無疑是重大科學突破。然而,該結果很快受到浙江大學李雷博士與陳湘明教授的公開質疑。該質疑在最新一期Nature雜志的Matter Arising欄目正式發表[2],而該雜志按規范同時登載了原論文作者的回應[3]。國際頂級期刊論文收到公開質疑,不可避免引起廣泛關注與熱議。因此,知社在咨詢幾名電介質領域權威專家意見后,嘗試從純專業角度剖析該質疑與回應、以及其可能的科學意義。

李雷博士與陳湘明教授的主要質疑與論點如下:

1. 文獻[1]中報道的a-BN在100 kHz–4MHz、h-BN在10 kHz–4 MHz下的介電常數明顯低于兩者在可見光頻率下(633 nm或4.74×1014 Hz)的數值。而根據電介質物理,在可見光頻段僅有電子極化對介電常數有貢獻,其它極化極制已退出響應,故材料在較低頻率下的介電常數應高于其在可見光頻段的數值。

2. 當頻率超過1 MHz時,文獻[1]中a-BN的介電常數降至1以下,在4MHz時僅為~0.4,表明測試結果不可靠。這是因為除非在離子共振、電子共振等特殊情況下,電介質的介電常數應始終高于真空介電常數(k = 1)。

文獻[1]中報道的a-BN與h-BN薄膜在不同頻率下的介電常數[2]

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以上分析表明文獻[1]中報道的超低介電常數被明顯低估了,最可能的原因則是其半導硅基板作為底電極對電容的貢獻。半導體中存在電導與極化的共存與競爭,故也可看作具有高介電損耗的電介質。隨著半導體電阻率的下降,電導的貢獻將增強,而極化的貢獻將減弱,但電容效應可忽略時對應的電阻率上限仍未知。文獻[1]中使用的n++ Si電阻率<0.005 Ω·cm[3],遠高于常用金屬電極(10-6 Ω·cm數量級),故將其視為高損耗電介質、而非金屬電極更為合適。這樣,文獻[1]中測得的電容Cm實際上是薄膜電容Cf與硅基板貢獻的電容Cs串聯后的結果,即:1/Cm = 1/Cf + 1/Cs,并因此導致了薄膜的實際介電常數被低估。薄膜越薄,此效應越明顯。此外,頻率從10 kHz升至4 MHz時,文獻[1]中薄膜的介電常數顯著降低,對應著強烈的介電馳豫。生長在金屬W基板上的a-BN薄膜在此頻率范圍內并無此現象[4],而在對硅介電性能的研究中卻發現了類似的介電馳豫行為[5]。這些數據均表明文獻[1]中報道的介電常數受硅基板電容效應的影響而被低估。

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高阻硅的電容隨頻率的變化[5]。

原論文作者的回應

針對以上質疑,原論文作者做出以下回應[3]:

1.Li和Chen稱,材料在可見光頻段下的介電常數,應小于其在較低頻率下的值,這對陶瓷等極性材料有效,卻不適用于金剛石、PTFE及a-BN等非極性材料。而文獻[1]中的理論和光譜測試表明,盡管B和N原子的電負性有微小差異,但隨機原子結構導致了a-BN的非極性,故其在可見光頻段及較低頻率下的介電常數不必不同。

2. 文獻[1]中出于謹慎考慮,較低頻率下a-BN的介電常數采用了最高測試值。而對原始數據更細致的分析及新增測試結果則表明:不同頻率下a-BN介電常數的差別在測試標準偏差允許的范圍內,即1 MHz下的最高值(k≈ 1.47)與633nm下的最低值(k≈ 1.44)接近、100 kHz下的最低值(k≈ 1.71)與633nm下的最高值(k≈ 1.72)接近。

3.文獻[1]中采用的底電極是簡并態n++硅、而非半導的硅,其電阻率(<0.005Ω·cm)接近金屬(~10-3Ω·cm),故應視為金屬電極而非高損耗電介質。

4. 文獻[1]中光譜學分析未發現SiBN及B滲入Si中,新增的C-V曲線中也未發現滯后或耗盡行為,表明Si基板并不影響介電測試結果。

5. 介電損耗(DF)可以用來表征電容器的質量,DF<0.1則可用于評估介電常數測試結果的可靠性。新增的數據表明,a-BN在10 kHz–1MHz間的DF均<0.1,而在1 MHz以上DF則迅速升高。因此,10 kHz–1 MHz間的介電常數是可靠的,而更高頻率下低于1的介電常數則是由于遠大于0.1的DF,沒有物理意義。

a-BN薄膜在不同頻率下介電常數的更新數據[3]

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a-BN薄膜的C-V曲線[3]

a-BN薄膜的介電損耗隨頻率的變化[3]

專家點評

針對這一爭鳴,知社請教了幾位領域大家。

中國工程院院士、清華大學材料學院周濟教授著眼物理常識:

“致密無機介質材料具有如此低的低頻介電常識有悖于常識,光頻介電常數高于低頻從原理上也很難說通。原作者并未給出一個令人信服的解釋。對于這樣的實驗結果,需要嚴謹審視其實驗方法和過程。如果測試結構中有諧振機制存在,可能會導致較低的表觀介電常數。這種情況下,會有可觀察的頻率色散和介電常數虛部的升高,但從原作者給出的數據看似乎沒有諧振。因此,陳湘明教授等人的質疑是有道理的,而原作者的回復很難解釋其中的問題?!?/p>

信息產業部第七研究所高級工程師莊嚴博士側重測試方法:

“n型重摻雜硅為底電極,其電導率比常用金屬電極材料仍低3個數量級,電子濃度遠低于金屬。重摻硅與金屬間仍然存在費米能級之差,而費米能級之差與功函數之差相等,兩者接觸存在勢壘,在低電壓(如0.5V)下測量因為串聯外加電容器而導致顯示的電容量下降,由此計得的介數常數偏低。李、陳二位的質疑有半導體物理常識根據,作者認為底電極應視為金屬電極之說難以服人。實證也十分容易,可在作者認為合適的金屬上生長3nm的a-BN介質薄膜進行測量對比?!?/p>

南京大學Ising先生則進一步質疑了原作者的回復:

“Ising 以為,均勻絕緣體介質的本征介電響應,其實是一個物理圖像相對簡單的大學電磁學或電動力學問題。雖然介電常數的準確計算并不容易,但從物理圖像推演其規律性的結論并不困難,過程也通俗易懂。這里,隨激勵信號頻率升高,本征介電常數下降,就是這樣的普適性規律,跟介質是不是極性的應該無關。宣稱突破大學基礎物理中的那些千錘百煉的規律,是一件危險的事情,應該謹慎對待,否則很容易被質疑及至翻船?!?/p>

可能的科學意義

看來,質疑遠未化解,爭議依然存在。超低介電常數非晶氮化硼薄膜,究竟是重大科學突破,還是純粹的錯誤測試結果,恐怕一時難以定論,只有留待時間來檢驗。也許還會有新的質疑出現,也許原論文作者未來能夠拿出新的、符合基本物理原理的數據來消除疑慮,也許他們會修訂他們的論點。而這,大概也是科學研究的必由之路。

無論這場科學爭辯以什么結果告終,由浙大學者發起的這項質疑,無疑有著十分重要的科學意義。首先,這項可能的重大突破畢竟過于震撼,以至于顛覆好幾項電介質物理的基本原理與常識,不經過充分的質疑與檢驗,難以確認其可靠性。其次,這個質疑還附帶引出了如下基礎科學問題的思考:利用重摻雜硅襯底為底電極測試薄膜介電常數的方法,究竟在什么條件下是可靠的,什么條件下附加電容效應會帶來不可接受的誤差?而這一重要課題的解決,可能需要電介質與半導體兩個領域學者的通力合作。如果能成為這一交叉領域發展的契機,則將是這場科學爭辯一大意外的貢獻。

原文標題:突破極限亦或烏龍?浙大學者質疑Nature超低介電常數非晶氮化硼

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責任編輯:haq

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