Šešiakampis boro nitridas: Savybės ir pritaikymas šiuolaikinėje elektronikoje

Pagrindinės išvados

Šešiakampio boro nitridas - unikalus šiluminių, elektrinių ir mechaninių savybių derinys, leidžiantis spręsti svarbiausius šiuolaikinės puslaidininkių technologijos uždavinius.

• Puikus šilumos valdymas: h-BN pasižymi išskirtiniu 585 W/m-K šilumos laidumu plokštumoje, todėl galima efektyviai išsklaidyti šilumą didelės galios 3D integrinių grandynų ir sudėtinių prietaisų architektūrose.

• Itin žemos dielektrinės charakteristikos: Amorfinių BN plėvelių dielektrinės konstantos siekia 1,78 ir prilygsta oro savybėms, tuo pačiu išlaikant 7,3 MV/cm atsparumą pramušimui, kad būtų galima naudoti pažangiausiose jungtyse.

• Patobulintas 2D medžiagos veikimas: h-BN substratai padidina grafeno nešiklių judrumą nuo 5000-10 000 cm²/V-s iki 20 000-60 000 cm²/V-s, o tai iš esmės keičia naujos kartos elektroninius prietaisus.

• mastelio sintezės metodai: CVD, ALD ir MOCVD technologijos leidžia gaminti plokštelės masteliu, kontroliuojant atominio lygio storį, todėl komercinė integracija puslaidininkių gamyboje tampa įmanoma.

• Aukščiausias dielektrinis patikimumas: h-BN pasižymi didesniais nei 15 MV/cm pramušimo laukais ir nuo 10-⁸ iki 10-¹⁰ A/cm² nuotėkio srovėmis, o tai gerokai lenkia tradicines medžiagas, tokias kaip silicio nitridas ir aliuminio oksidas.

Išskirtinių savybių ir pažangių sintezės metodų dermė leidžia heksagoninį boro nitridą laikyti kermine medžiaga, kuri paskatins kitą puslaidininkių inovacijų bangą, ypač šilumos valdymo ir itin mažo k dielektriko srityse.

Šešiakampis boro nitridas yra labai svarbi medžiaga mikroelektronikos ir puslaidininkių technologijų pažangai. Šis termiškai ir chemiškai atsparus ugniai atsparus boro ir azoto junginys struktūriškai panašus į grafitą. Tačiau jis pasižymi puikiu šiluminiu ir cheminiu stabilumu, kuriam tradicinės medžiagos negali prilygti. Boro nitrido keramika yra įvairių struktūrinių formų, o šešiakampis variantas (h-BN) yra stabiliausias iš visų jo polimorfų. Šiuolaikinėje elektronikoje h-BN vertingas dėl unikalaus savybių derinio: didelio šilumos laidumo, stiprios elektros izoliacijos, atsparumo dilimui ir cheminėms medžiagoms bei išskirtinių savybių aukštoje temperatūroje. Šiame straipsnyje nagrinėsime pagrindines šešiakampio boro nitrido savybes ir susipažinsime su sintezės ir nusodinimo būdais. Taip pat aptarsime vis platesnį jo taikymą mikroelektronikoje ir puslaidininkiniuose įtaisuose.

Struktūrinės formos ir pagrindinės savybės

Šešiakampio BN (h-BN) kristalinė struktūra

Boro nitridas kristalizuojasi daugiasluoksnėje šešiakampėje struktūroje, priklausančioje erdvinei grupei P6₃/mmc. Kiekviename sluoksnyje yra boro ir azoto atomų, kurie kovalentiškai jungiasi sp² hibridizacijos būdu ir sudaro korio tinklelį, kuriame kiekvienas boro atomas jungiasi su trimis azoto atomais ir atvirkščiai. Tinklelio parametrai a = 2,504 Å ir c = 6,656 Å, o tarpas tarp sluoksnių yra 0,333 nm. Silpnos van der Vaalso jėgos laiko šiuos sluoksnius kartu ir lemia būdingą anizotropinį elgesį, kuris apibrėžia daugelį h-BN savybių. Boro (2,04) ir azoto (3,04) elektroneigiamumo skirtumas sukuria polinį kovalentinį ryšį, kuris lemia dalinį joninį pobūdį. Tai sustiprina plokštuminę struktūrą.

Kubinio BN (c-BN) ir amorfinio BN (a-BN) variantai

Kubinis boro nitridas turi sfalerito struktūrą, kurioje boro ir azoto atomai yra tetraedriškai sujungti sp³ hibridizacijos būdu. Pirmą kartą susintetintas 1957 m. aukšto slėgio ir aukštos temperatūros sąlygomis, c-BN pasižymi 4500 kp/mm² kietumu, palyginti su 8000 kp/mm² deimanto kietumu. Medžiaga pasižymi netiesioginiu juostos tarpu, kuris svyruoja nuo 5,4 iki 7,0 eV, o gardelės konstanta yra 3,615 Å. c-BN išlaiko šiluminį stabilumą iki 1 000 °C, kai prasideda oksidacija. Tai viršija deimanto stabilumo ribą - 800 °C.

Amorfinis BN turi apdorojimo privalumų dėl sintezės žemoje temperatūroje. Plonos kaip 3 nm plėvelės pasižymi maža 1,78 dielektrine skvarba, esant 100 kHz dažniui. Dielektrinė charakteristika kinta priklausomai nuo nusodinimo temperatūros. Atominio sluoksnio nusodinimas 65 °C, 150 °C ir 250 °C temperatūroje duoda atitinkamai 8,6, 4,6 ir 4,3 κ vertes.

Šilumos laidumo ir šilumos išsklaidymo charakteristikos

Šešiakampis BN pasižymi gana ryškiu anizotropiniu šiluminiu pernešimu. Monoizotopinių ¹⁰B h-BN kristalų plokštumos šiluminis laidumas kambario temperatūroje yra 585 W m-¹ K-¹, t. y. apie 80% didesnis nei natūraliai randamo h-BN. Viensluoksnio BN šiluminis laidumas siekia 751 W/mK ir užima antrą vietą tarp puslaidininkių ir izoliatorių pagal šilumos laidumą svorio vienetui. Monoizotopinio ¹⁰B bandinių laidumas už plokštumos ribų išlieka daug mažesnis - 3,5 ± 0,8 W m-¹ K-¹. Eksfoliuotų dribsnių matavimai skersinėje plokštumoje rodo stiprią priklausomybę nuo storio. Vertės mažėja nuo 8,1 ± 0,5 W m-¹ K-¹, kai storis 585 nm, iki 0,20 ± 0,06 W m-¹ K-¹, kai storis 7 nm.

Dielektrinės savybės ir juostos sandūros elgsena

Viensluoksnio h-BN tiesioginis tarpas kambario temperatūroje yra 6,42 eV, o birioje formoje jis pereina į netiesioginį tarpą, kuris yra apie 5,95 eV. Dielektrinė charakteristika priklauso nuo krypties. Plokštumos dielektrinė skvarba svyruoja nuo 6,82 iki 6,93, o už plokštumos ribų - nuo 3,29 iki 3,76. Skirtingo storio sluoksniams plokštumos komponentė išlieka santykinai pastovi. Iš plokštumos išeinanti konstanta padidėja maždaug 15% nuo monosluoksnio iki masės.

Sintezės ir nusodinimo metodai

Gaminant aukštos kokybės šešiakampį boro nitridą reikia tik tiksliai kontroliuoti nusodinimo parametrus ir pirmtako chemiją. Atsirado keli sintezės būdai, kurių kiekvienas turi savitų privalumų konkrečioms reikmėms.

Cheminio nusodinimo iš garų (CVD) metodai

CVD tebėra vyraujantis didelio ploto h-BN sintezės metodas. Šiame procese borazinas (B₃N₃H₆) arba amoniako boranas (NH₃BH₃) naudojami kaip vieno šaltinio pirmtakai ant katalizinių metalinių substratų, įskaitant Cu ir Ni. Žemo slėgio CVD, kai temperatūra artima 1000 °C, o slėgis mažesnis nei 250 Torr, leidžia kontroliuoti sluoksnių augimą. Cu substratų storis tiesiškai didėja su augimo laiku, kai borazino dalinis slėgis viršija 17 mTorr. Auginant LPCVD ant Si₃N₄/Si substratų gaunamos ištisinės h-BN plėvelės, kurių šiurkštumas, palyginti su pagrindo paviršiais, sumažėja 3,4 karto. Dėl to grafeno judrumas yra 1200 cm²/Vs, palyginti su 400 cm²/Vs ant pliko Si₃N₄.

Atominio sluoksnio nusodinimo (ALD) procesas

ALD suteikia galimybę kontroliuoti atominio mastelio storį nuosekliai veikiant pirmtakus. Naudojant plazmos sustiprintą ALD, h-BN nusodinamas 250-350 °C temperatūroje, o augimo greitis yra 1,1 Å/ciklą, naudojant trietilborato ir N₂/H₂ plazmą. ALD temperatūrinis langas apima 80-175 °C, kai naudojami BCl3 arba TDMAB pirmtakai su NH₃ reagentais. Elektronų sustiprinta ALD pasiekiama kambario temperatūros nusodinimo, naudojant borazino ir elektronų ekspozicijas, o didžiausia augimo sparta yra 3,2 Å/ciklą, esant 80-160 eV elektronų energijoms.

Metalo organinio CVD (MOCVD) metodai

MOCVD leidžia užtikrinti plokštelės dydžio vienodumą naudojant trietilboraną (TEB) ir NH₃ pirmtakus. Impulsinio režimo MOCVD, esant 1000 °C temperatūrai, pasiekiamas konformalus augimas ant Si pagrindu sukurtų 45 nm žingsnio ir 7:1 kraštinių santykio nanovamzdelių. Augimo greitis siekia 70 nm/min, tinkamai valdant TEB srautą. Procesui tereikia aukštesnės nei 950 °C temperatūros, kad būtų užtikrintos didelio amoniako ir aukšto slėgio sąlygos.

Augimo žemoje temperatūroje metodai

Indukctively coupled plasma CVD, naudojant boraziną, 400-500 °C temperatūroje ant kvarco ir Si sintezuojamas daugiasluoksnis h-BN. Optimalios sąlygos - 500 °C substrato temperatūra ir 180 W radijo dažnių galia su kombinuotomis H₂ ir N₂ nešančiosiomis dujomis. Taip gaunamos didesnio nei 50 nm storio plėvelės.

Pagrindo parinkimo ir integravimo iššūkiai

Metaliniams substratams, tokiems kaip Cu ir Ni, reikia tik perkėlimo po augimo procesų, kurie sukelia užterštumą ir mechaninius pažeidimus. Nekatalitiniams substratams, tokiems kaip SiO₂ ir safyras, reikia aukštesnės nei 900 °C temperatūros, kad būtų įveikti energetiniai barjerai. Epitaksinis augimas ant Si₃N₄ pašalina perkėlimo etapus, išlaikant suderinamumą su puslaidininkių apdorojimu.

Mikroelektronikos ir puslaidininkinių prietaisų taikymas

Aprašytos sintezės galimybės leidžia šešiakampio boro nitridui spręsti svarbiausius šiuolaikinių puslaidininkinių prietaisų uždavinius.

Itin mažo k dielektrinė medžiaga jungtims

3 nm storio amorfinio boro nitrido plėvelės pasiekė itin mažas dielektrines konstantas - 1,78, kai dažnis 100 kHz, ir 1,16, kai dažnis 1 MHz. Šios vertės priartėja prie oro dielektrinės konstantos, išlaikydamos 7,3 MV/cm pramušamąją jėgą. Taigi a-BN apsaugo nuo vario difuzijos į silicį atšiauriomis sąlygomis ir, palyginti su neapsaugotomis struktūromis, pailgina prietaiso tarnavimo laiką trimis eilėmis. Vertikaliai tekstūruotas užpurkštas h-BN pasižymi 57 W/m*K šilumos laidumu per plokštumą, kai nusodinimo temperatūra yra žemesnė nei 400 °C. Tai leidžia patikimai išplėsti iki devynių didelės galios lygmenų 3D integrinių grandynų.

2D medžiagų substratas ir hermetizuojantis sluoksnis

Šešiakampis BN užtikrina lygų paviršių, dėl kurio grafeno nešiklių judrumas padidėja nuo 5000-10 000 cm²/V-s ant SiO₂ iki 20 000-60 000 cm²/V-s. Visiškas hermetiškumas sumažina priemaišų sklaidą iki dviejų eilių žemoje temperatūroje.

Vartų dielektrikai lauko tranzistoriuose

Kelių sluoksnių h-BN pasižymi didesniais nei 10 MV/cm pramušamaisiais laukais, o nuotėkio srovės siekia nuo 10-⁸ iki 10-¹⁰ A/cm². Platinos ir HBN užtvarų krūviai pasižymi 500 kartų mažesniu nuotėkiu nei aukso pagrindu sukurtos konfigūracijos ir pasiekia bent 25 MV/cm dielektrinį stiprį.

Šilumos valdymas sudėtinių prietaisų architektūrose

Aukso nanovamzdelių padengimas hBN sumažina temperatūrinį šuolį 40% ir padidina pramušimo srovės tankį 30%. hBN ant SiGe nanovamzdelių sumažina darbinę temperatūrą 500 K, esant optiniam sužadinimui.

Medžiagos apibūdinimas ir našumo lyginamieji rodikliai

Tiksliais apibūdinimo metodais nustatoma, ar heksagoninis boro nitridas atitinka griežtus elektroninės integracijos reikalavimus.

Dielektrinės konstantos ir pramušimo įtampos matavimai

Metalas-izoliatorius-metalas kondensatorių struktūros leidžia tiesiogiai išgauti dielektrines konstantas atliekant talpos ir įtampos matavimus. Už plokštumos ribų esanti elektrinė skvarba susiaurėja iki 3,4±0,2. Atliekant įtampos įtampos bandymus, matuojama pramušimo elgsena. Esant nulinei mechaninei įtampai, plonų nanoplokštelių pramušimo laukas yra 15,7 MV/cm, o 3 nm plėvelės pasiekia 21 MV/cm. Storis daro didelę įtaką dielektriniam stiprumui. 4,6 nm bandinių E63.2% yra 15,1 MV/cm, o 41,3 nm plėvelėse šis rodiklis sumažėja iki 10,4 MV/cm.

Šiluminio laidumo bandymo metodai

Laiko srities termorefleksija su kintamu dėmės dydžiu matuoja laidumą plokštumoje ir per plokštumą tuo pačiu metu, reguliuojant lazerio dėmės matmenis, atsižvelgiant į terminio įsiskverbimo gylį. Optoterminė Ramano spektroskopija stebi nuo temperatūros priklausančius smailės poslinkius, kad būtų galima nustatyti šiluminio pernešimo savybes.

Paviršiaus kokybė ir sąsajos savybės

Rinkoje parduodamas CVD h-BN pasižymi gerokai prastesne nuotėkio srove ir elektriniu homogeniškumu nei medžiaga, gauta mechaninio eksfoliavimo būdu. Tarpusavio spąstų tankis tarp h-BN ir Ge substratų svyruoja nuo 10¹¹ iki 10¹² cm-² eV-¹.

Palyginimas su tradicinėmis dielektrinėmis medžiagomis

Boro nitrido dielektrinė skvarba viršija silicio nitrido 8,0-10 intervalą ir sumažina signalo vėlinimą aukšto dažnio srityse. Atsparumo stipris siekia 61-200 kV/mm. Tai labai svarbu, nes tai reiškia, kad aliuminio oksido 8,9-12 kV/mm stiprumas gerokai atsilieka.

Išvada

Šešiakampis boro nitridas dėl savo išskirtinio šilumos laidumo, puikių dielektrinių savybių ir cheminio stabilumo pasirodė esąs labai svarbi naujos kartos elektronikos medžiaga. Dėl pažangių sintezės metodų tapo įmanoma gaminti dideliais kiekiais ir integruoti į itin mažo k skaičiaus jungtis, užtūros dielektrikus ir šilumos valdymo sistemas. Medžiaga pranoksta tradicinius dielektrikus kritiniuose standartuose. Dėl to h-BN tampa gyvybiškai svarbia technologija, kuri padės optimizuoti puslaidininkių inovacijas ir patenkinti sudėtingus šiuolaikinių mikroelektroninių prietaisų reikalavimus.

DUK

Q1. Kuo šešiakampio boro nitridas vertingas elektronikos srityje? Šešiakampis boro nitridas pasižymi keliomis svarbiausiomis savybėmis, dėl kurių jis idealiai tinka šiuolaikinei elektronikai: dideliu šilumos laidumu (iki 585 W m-¹ K-¹ plokštumoje), puikia elektrine izoliacija ir plačia, maždaug 6 eV juosta, išskirtiniu cheminiu ir šiluminiu stabilumu aukštoje temperatūroje bei maža dielektrine skvarba. Dėl šių savybių h-BN leidžia spręsti pagrindinius puslaidininkinių prietaisų uždavinius, įskaitant šilumos išsklaidymą, signalo vėlinimo mažinimą ir prietaisų patikimumą.

Q2. Kaip heksagoninis boro nitridas skiriasi nuo kubinio boro nitrido? Šešiakampis boro nitridas (h-BN) pasižymi į grafitą panašia daugiasluoksne struktūra su sp² jungtimi ir yra stabiliausias polimorfas aplinkos sąlygomis. Kubinis boro nitridas (c-BN) turi į deimantą panašią struktūrą su sp³ jungtimi ir pasižymi ypatingu kietumu (4 500 kp/mm²), nusileidžiančiu tik deimantui. c-BN reikia sintetinti aukštu slėgiu ir aukštoje temperatūroje, o h-BN galima nusodinti žemesnėje temperatūroje. Kiekviena forma naudojama skirtingoms reikmėms: h-BN puikiai tinka elektronikai ir šilumos valdymui, o c-BN - pjovimo įrankiams ir abrazyvams.

Q3. Kokie yra pagrindiniai šešiakampio boro nitrido plėvelių sintezės būdai? Pagrindiniai sintezės metodai: cheminis nusodinimas iš garų (CVD), kai temperatūra artima 1000 °C, naudojant tokius pirmtakus kaip borazinas arba amoniako boranas, atomų sluoksnių nusodinimas (ALD), kai 250-350 °C temperatūroje galima kontroliuoti atominio mastelio storį, metalų organinis nusodinimas (MOCVD), kai naudojamas trietilboranas ir amoniakas, siekiant plokštelių mastelio vienodumo, ir žemos temperatūros plazminiai metodai, kai nusodinama 400-500 °C temperatūroje. Kiekvienas metodas turi savitų privalumų, susijusių su konkrečiomis taikymo sritimis ir suderinamumu su substratais.

Q4. Kodėl šešiakampio boro nitridas naudojamas kaip grafeno prietaisų substratas? Šešiakampio boro nitrido keramika užtikrina atomiškai lygų, chemiškai inertišką paviršių, kuris labai pagerina grafeno veikimą. Kai grafenas dedamas ant h-BN substratų vietoj tradicinio silicio dioksido, nešiklių judrumas padidėja nuo 5 000-10 000 cm²/V-s iki 20 000-60 000 cm²/V-s. Visiškas grafeno įterpimas tarp h-BN sluoksnių dar labiau sumažina priemaišų sklaidą iki dviejų eilių, todėl pagerėja elektroninės savybės ir prietaisų našumas.

Q5. Kokią dielektrinę skvarbą ir pramušimo įtampą pasiekia šešiakampis boro nitridas? Šešiakampio boro nitrido dielektrinė skvarba svyruoja nuo 4,0 iki 4,4 ir yra mažesnė nei silicio nitrido (8,0-10), todėl jis naudingas mažinant signalo vėlinimą aukšto dažnio įrenginiuose. Skirstomoji įtampa yra įspūdinga - priklausomai nuo storio plonos plėvelės pasiekia 15-21 MV/cm skvarbos lauką. Amorfinės BN plėvelės gali pasiekti itin žemas dielektrines konstantas, siekiančias net 1,78, išlaikydamos 7,3 MV/cm pramušimo stiprį, priartėdamos prie oro savybių ir kartu užtikrindamos tvirtą elektros izoliaciją.