三星電子宣佈，三星先進技術研究院(SAIT)聯合蔚山國家科學技術院(UNIST)、英國劍橋大學，發現了一種全新的半導體材料“無定形氮化硼”(amorphous boron nitride)，簡稱a-BN，有望推動下一代半導體芯片的加速發展。
無定形氮化硼擁有無固定形狀的分子結構，內部包含硼原子、氮原子。它源自白石墨烯，後者也有硼原子、氮原子，不過是六邊形結構，無定形氮化硼則與之截然不同。
三星表示，無定形氮化硼是由白色石墨烯衍生而成的，其中包括以六角形結構排列的硼和氮原子，而a-BN的分子結構使其與白色石墨烯具有獨特的區別。
非晶氮化硼具有1.78的同類最佳的超低介電常數，具有強大的電氣和機械性能，可以用作互連隔離材料以最大程度地減少電干擾。
該材料還可以在僅400°C的低温下以晶圓級生長。因此，這種新發現的材料有望廣泛應用於半導體，例如DRAM，NAND解決方案，用於大型服務器的下一代存儲解決方案。
三星技術研究院(SAIT)一直在研究和開發二維(2D)材料-具有單原子層的晶體材料。它一直致力於石墨烯的研究和開發，並在該領域取得了開創性的研究成果。SAIT一直在努力加速材料的商業化。
研究亮點：
通過控制實驗條件，得到了無定形狀態的BN材料。
這種無定形BN具有較好的熱穩定性、機械穩定性，並且介電係數較低，符合將來對高性能半導體器件的要求。
研究背景
在電子學器件的發展過程中，電阻的增加和電容延遲是縮減電子學器件尺寸過程中降低電子學器件工作速度的主要原因。縮減連接處金屬線連接的尺寸是降低器件尺寸的關鍵。相互連接的材料需要較低的介電常數用於阻礙金屬向半導體中擴散的能壘，並且需要其具有熱穩定性、化學穩定性、機械穩定性。the International Roadmap for Devices and Systems建議，到2028年材料的介電常數值需要低於2。目前有些材料的介電常數的數值能達到低於2，但是熱穩定性、機械穩定性較低。
擬解決或者擬探索的關鍵問題
製備能應用於下一代電子學器件中的低介電常數、高穩定半導體材料。
成果簡介
有鑑於此，劍橋大學Manish Chhowalla、三星高級技術研究所Hyeon-Jin Shin、國立蔚山科學技術院Hyeon Suk Shin等報道了具有超低介電常數的無定形氮化硼材料。通過控制反應條件，合成了3 nm厚的無定形BN，其介電常數在100 kHz和1MHz中分別低至1.78和1.16，擊穿強度達到7.3 MV/cm。
要點1：製備方法
材料生長方法。通過低温遠程電感耦合等離子體-化學氣相沉積（ICP-CVD）方法在Si基底上進行生長，通過調節温度和plasma功率進行反應參數的優化，結果顯示當在400 ℃和30 W plasma中進行生長，能獲得介電常數較低的無定形BN材料。在高於該温度時，獲得的BN為納米晶體結構的BN。
圖1. 無定形BN樣品材料合成平台（UNIST, SAIT, University of Cambridge, Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology）。
圖2. BN樣品的掃描/透射表徵。
要點2：結構表徵
相關表徵。通過透射電子顯微鏡方法未發現材料中長程有序，因此作者認為該材料為無定形狀態。作者通過XPS表徵發現B 1s和N 1s的原子比為1:1.08。通過角分辨近邊X射線吸收精細結構NEXAFS測試了無定形BN材料，對1 s核層軌道中電子激發到空π*或σ*軌道的過程中情況進行測試，驗證了該材料呈無定形狀態。
圖3. BN樣品的譜學表徵。
要點3：介電性能
介電性能相關測試。通過對metal/BN/n-Si結構的器件進行電流密度-電壓（J-V）、電容-頻率（C-f）測試，考察了介電常數和擊穿電壓。通過在Si基底上沉積3 nm厚的無定形BN和TiN，並隨後通過80 nm厚的Co進行包覆，通過在真空氛圍中加熱，考察了器件中的擴散現象。結果顯示在苛刻的環境中BN層阻礙了Co金屬向Si中的擴散作用，證明無定形BN具有優異的性能。作者對比了無定形BN和六方相BN。
圖4. 無定形BN介電性能。
表1. 無定形/六方相BN性能比較