AmBeed文献解读|Nature Communications

由具有超低介电常数的坚固而坚韧的二维聚合物实现的高性能 2D 电子设备

2024年12月30日，南洋理工大学的刘政 & 莱斯大学的楼峻团队在Nature Communications（IF=14.7）上发表题为《High-performance 2D electronic devices enabled by strong and tough two-dimensional polymer with ultra-low dielectric constant》的研究。本文主要讲述了通过使用一种坚固耐用且具有超低介电常数的二维聚合物（2DP）实现高性能二维电子器件的相关研究。研究者们报道了一种化学气相沉积（CVD）法，沉积的2DP-F薄膜表现出超低介电常数（面内k=1.85，面外k=1.82）和卓越的机械性能（杨氏模量>15GPa）。此外，当使用2DP-F薄膜作为介电衬底时，单层MoS₂场效应晶体管的性能得到了显著提升。

研究背景：

随着微电子电路特征尺寸缩小至纳米级，互连串扰、电阻-电容（RC）延迟和功耗等问题日益突出，限制了芯片的性能与可靠性。第一代掺碳低k值介电材料（k值约为3）被引入，但其介电常数仍不符合超大规模集成电路的要求。随后开发的低k值SiCOH（k值为2.5-2.7）虽有进步，但仍低于先进器件对k值低于2的要求。此外，超低k值介电材料因无序或多孔结构，机械性能较差，在制造过程中易损坏和开裂，导致产量下降、成本上升及性能可靠性降低。这凸显了开发具有强大机械性能的新型超低k值介电材料的紧迫性。二维聚合物（2DP）因其良好的热性能和机械性能、高孔隙率和可设计性，被认为是极具前景的低k值介电材料。

研究内容：

图1. 二维聚合物氟化物（2DP-F）薄膜的合成、结构和形貌表征（合成中的Tp来自AmBeed）

研究团队采用了一种低温化学气相沉积（CVD）法，用于在任意衬底上生长富含氟的2DP-F薄膜。这种方法避免了传统液相合成中常用的腐蚀性溶剂，更适合微芯片制造过程。

图2. 2DP-F薄膜的介电性能

通过生长工艺制备的2DP-F薄膜表现出超低介电常数（平面内k = 1.85±0.16，垂直于平面k = 1.82），这在高性能微电子设备中是非常理想的。模拟结果突出了2DP-F作为互连介质的潜力，随着器件特征的缩小，可以降低RC延迟常数。

图3. 2DP-F薄膜的力学性能

2DPs存在较强的平面内共价键，展现出较传统低k值介电材料更优越的力学稳定性。11 nm厚的2DP-F薄膜的杨氏模量为16.8 ± 2.9 GPa，断裂强度为1.01 ± 0.08 GPa。随着薄膜厚度增加，其杨氏模量和断裂强度逐渐降低。2DP-F归于超低k值类别（k < 2.0），较其他低k值介电薄膜，具有更高归一化杨氏模量。2DP-F薄膜抗断裂性更强，且可通过无溶剂、低温CVD法高效制备，适用于微电子设备中作为超低k值介电材料。

图4. 基于2DP-F薄膜的MoS₂场效应晶体管（FET）的电性能

研究团队研究了单层MoS₂/2DP-F薄膜异质结构的电学性能，研究发现2DP-F薄膜具有超低介电常数，适用于高性能微电子器件。CVD生长的2DP-F表面无悬挂键且均匀，适合在不同衬底上进行大面积改性。使用2DP-F薄膜作为介电衬底时，CVD生长的MoS₂基FET性能显著提升。基于2DP-F的器件显著减少了滞后现象，这表明界面处的电荷陷阱数量减少。性能的显著提升主要归因于减少了由氧化物衬底上的悬挂键或电荷陷阱引起的电荷散射效应。

结论：

本研究采用无溶剂化学气相沉积（CVD）技术，在多种衬底上成功制备了2DP-F薄膜，并实现了对其厚度的精准调控。经CVD方法合成的2DP-F薄膜具有极低的介电常数，约为1.8。该沉积工艺的无溶剂特性和卓越的间隙填充能力，凸显了其在微电子制造领域应用的巨大潜力。与传统低k值介电材料相比较，2DP-F薄膜展现出更为出色的机械性能，这很可能得益于其二维结构以及强平面共价键的稳定存在。2DP-F薄膜表面无悬挂键，这一特性有效地减少了表面电荷散射，从而显著提升了二硫化钼（MoS₂）场效应晶体管（FET）器件的性能。本项研究成果为二维聚合物（2DP）在高性能二维电子设备中的集成应用迈出了关键一步，为2DP的实用化发展拓展了新的路径。

实验所用的Tp（triformylphloroglucinol，CAS：34374-88-4）来源于AmBeed 

Doi：10.1038/s41467-024-53935-6