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器件尺寸的缩小使得金属线和介质间隙的尺寸越来越小，电阻、电容和材料稳定性成为首要限制因素。
近几个月来，休斯顿大学、西北大学（与 IBM 合作）和爱丁堡大学的研究人员分别报告了针对该瓶颈不同部分的材料进展：低介电常数层间介电材料、纳米级互连导体和用于光电集成的 IV 族合金。
这三项研究共同表明，除了晶体管之外，线路及其周围的材料也日益成为影响器件扩展潜力的决定性因素。
重新思考介电性能的权衡
休斯顿大学的研究人员展示了大面积 二维共价有机框架（COF）薄膜，据报道其在100 kHz频率下的介电常数约为1.17。相比之下，先进后端工艺中使用的传统有机硅酸盐低介电常数材料的介电常数通常远高于2，而通过增加孔隙率来降低介电常数，却牺牲了机械强度和击穿可靠性。
据《ACS Nano》报道，休斯顿大学的研究团队利用液-液界面聚合法合成了共价有机框架（COF）薄膜，制备出连续的薄层，并对其电学和热机械性能进行了表征。除了超低的介电常数（K值）外，该材料在室温下的介电强度约为3908 MV/m，在300°C下约为2100 MV/m。杨氏模量约为3.4 GPa，密度接近1.1 g/ cm³。
这种组合解决了后端互连（BEOL）集成中一个长期存在的问题。通过增加孔隙率来降低介电常数通常会降低击穿强度，并使薄膜在化学机械抛光和热循环过程中变得脆弱。所报道的COF薄膜旨在降低电容，而无需依赖高孔隙率结构，同时在高温下保持电学和热学稳定性。
目前的研究重点是平面测试结构，而将其集成到图案化互连堆叠结构中则需要进行等离子体暴露、与阻挡层粘附以及时变介电击穿测试等方面的评估。此外，如何将沉积工艺扩展到对沟槽和通孔进行保形涂覆也是一个悬而未决的问题。尽管如此，数据表明，聚合物衍生的框架结构或许能够提供一种实现低于2介电常数且不影响可靠性的全新途径。
铜以外的屏蔽导体
如果说电容是RC方程的一边，那么电阻就是另一边。随着铜线宽度缩小到几纳米尺度，表面散射和晶界散射会导致电阻率急剧上升。这种效应激发了人们对其他导体的兴趣，这些导体的传输机制对尺寸限制的敏感性较低。
西北大学研究人员与IBM合作，开发了一种计算筛选框架，用于识别适用于纳米级互连的拓扑半金属。该团队利用Wannier紧束缚模型和包含表面无序性和粗糙度的模拟，评估了候选材料的传输性能，并生成了包含约3000个表面传输值的数据集。
本文的基本前提是，某些拓扑材料具有能够抵抗反向散射的表面态。在足够窄的导线中，这些表面通道可以贡献相当一部分总电导，从而缓解铜中观察到的电阻率膨胀现象。文中重点介绍的材料包括TiS、ZrB₂以及氮化物，例如MoN、TaN和WN，并以NbAs和NbP作为基准材料。
最终，本研究建立了一种筛选方法，并基于纳米尺度限制下的模拟传输指标，对用于制造互连线的候选材料进行了排序。下一步将进行沉积兼容性、图案化、衬垫集成和电迁移表征等方面的研究。此外，与传统器件层的接触电阻也将决定这些材料是否能够在特定堆叠层中真正替代或补充铜。
扩展Ge-Sn相空间
休斯顿大学和西北大学的研究重点是提高电互连性能，而爱丁堡大学的研究人员则致力于解决第四族合金在光电子应用中的有限相空间问题。
在9至10 GPa的压力和高达1500 K的温度下进行的高压实验中，爱丁堡大学的研究团队合成了在常温常压下无法获得的六方晶系Ge-Sn固溶体。所得材料具有P6₃/mmc结构，存在2H、4H和6H三种多型体，当Sn含量低于约21 at%时，观察到六方对称性。超过该阈值后，体系则转变为立方金刚石结构。
据报道，六方锗具有直接带隙特性，但其光学跃迁可能较弱。引入锡可以扩展晶格并改变电子结构，为调控硅基兼容材料家族的光学性质提供了一种潜在途径。高压合成表明，这些相可以在常温常压下稳定存在并可回收，从而拓宽了IV族半导体的成分选择范围。
虽然这项工作侧重于合成和结构表征，但还需要进一步研究以量化载流子迁移率、光增益和缺陷密度，并探索与晶圆级制造兼容的薄膜生长路线。如果能够实现器件级的此类材料，它们将无需采用 III-V 族化合物集成即可支持片上光子器件。
（来源：编译自allaboutcircuit）
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