上科大物质学院王宏达课题组与孙兆茹课题组在低介电常数材料研究中取得重要进展

来源：上科大物质学院

物质科学与技术学院王宏达课题组与孙兆茹课题组开展实验与理论协作，在低介电常数（low k）材料探索研究取得重要进展，研究成果以“Inorganic Low k Cage-molecular Crystals”为题，在国际知名学术期刊Nano Letters上在线发表。

图1  表征α-Sb2O3分子晶体的介电常数

集成电路微芯片中的介电物质，是未来微芯性能能否突破的关键之一。随着芯片中的器件尺寸持续减小，单位面积内器件密度不断增大，器件互连导线的电阻和之间电容的互连延迟也显著增加；其中电容部分的延迟问题需要具有low k性质的绝缘介电材料才能解决；目前芯片业的low k技术有效地降低二氧化硅（k ～ 3.7）的k值至2.4，满足目前主流的7纳米制造工艺，但未来该技术要支撑尺度更小的集成电路微芯片制造，将面临到一些未知技术难题，这也推动了对新型low k材料的探索和开发。

图2  Sb4O6类金刚烷笼状分子偶极矩理论计算

目前，新型low k介电材料的研究主要集中在轻元素组成的物质。不同于传统或过去被报导过的创新手段，上科大研究人员使用化学气相法合成出了由六氧化四锑（Sb4O6）类金刚烷笼状分子自组装而成的二维α相三氧化二锑（α-Sb2O3，俗称锑白）纳米片，在扫描微波阻抗显微镜分析下，研究人员发现该材料具有异常低的k值，仅在2.0~2.5之间（图1）。该发现和Sb-O化学键本身具有高偶极矩有很大的冲突，说明利用笼状分子晶体结构，重元素组成的化合物也能成为未来low k介电材料。研究人员进一步通过现代极化理论计算发现，Sb4O6笼状分子结构上的高度对称性，以及Sb4O6分子间的有序自组装特性，使得该材料具有较低的偶极矩（图2）和总极化率，再加之该分子晶体的分子密度远小于传统low k材料（二氧化硅）的特点，从而导致总体Sb4O6分子晶体具有异常的low k特性。该文章还报导了α-Sb2O3二维纳米片具有约5.6 eV超大光学带隙，可耐受高达550 ℃的高温热稳定性，以及高达1.4~2.5 MV/cm的优异电击穿强度（图3），这些性质都意味α-Sb2O3可以是一种优质low k介电材料。审稿人对该工作给予了高度评价，并提到“The properties are highly sought for in terms of advancing integrated-circuit fabrication.”，也点出“Ultimately, the application of such material in nanoelectronics will involve some device structures.” 。low k笼状分子晶体付诸器件的应用前景广泛，有待研究人员未来更全面、深入的探索。

图3  表征电击穿强度器件

该器件制备于软纳米平台

上海科技大学为本论文成果唯一完成单位。文章第一作者彭俊为王宏达课题组2017级硕士生，2020年获上科大硕士学位，目前在德国攻读博士学位。第二作者濮伟雯为孙兆茹课题组2019级研究生，负责极化相关的理论计算工作。第三作者陆盛楠为王宏达课题组博士后，出站后任职于软纳米平台，在本论文中负责FEA和sMIM探测。物质科学与技术学院孙兆茹教授、王宏达教授为论文共同通讯作者。本论文中材料表征和器件性能研究获物质学院软纳米平台、电镜中心和分析测试中心共同支持；该研究获得上科大启动基金支持。