一张碳膜，发了一篇Nature大子刊！

原子级薄碳薄膜问世：0.8纳米厚，介电常数仅1.35

随着互补金属氧化物半导体（CMOS）技术持续向更小节点推进，寄生电容问题日益成为制约性能提升的关键瓶颈。国际器件与系统路线图明确指出，下一代金属互连需要介电常数（k）低于2的材料，以在亚10纳米尺度下缓解寄生电容效应；同时，三维晶体管架构（如环绕栅极场效应晶体管）则要求介电材料在3纳米厚度以下仍能保持优异性能。然而，传统多孔或非晶低k介电材料在纳米级厚度下变得不稳定，而现有的二维材料虽已取得一定进展，却始终缺乏一种兼容的、可直接生长的原子级薄膜。即便如三维无定形氮化硼等材料，其性能也仅限于3纳米的最佳厚度，且无法有效阻挡金属离子扩散，需要额外增加至少2纳米的阻挡层，这使得继续缩放的愿景面临严峻挑战。

新加坡国立大学Barbaros Ӧzyilmaz课题组报道了一种原子级薄的无定形碳薄膜，可作为机械性能稳健的超低k介电材料，其介电常数低至1.35，介电强度高达28–31 MV/cm。这种薄膜在0.8纳米厚度下仍能有效阻挡金属离子扩散，预期失效时间超过10¹⁰秒。该材料采用低温、直接且保形的生长工艺，为实现CMOS技术的实际应用提供了可行路径。相关论文以“Atomically thin amorphous carbon with an ultralow dielectric constant”为题，发表在Nature Electronics上。

薄膜生长与原子结构表征

研究团队通过改进化学气相沉积工艺，实现了在低于300°C的温度下，在4英寸晶圆上可控生长厚度可调的ULK碳薄膜（图1a）。关键改进在于用乙炔替代甲烷作为碳源，并引入远程电感耦合等离子体，从而实现了从金属基底上自限单层生长到任意表面上厚度可控的转变。拉曼光谱证实了薄膜在晶圆尺度上的结构均匀性（图1b），特征性的D峰和G峰位置一致，而微弱的2D峰则表明材料缺乏长程有序。原子力显微镜测量显示，通过控制生长时间可获得约0.8纳米至2.7纳米的系列厚度（图1c），且表面粗糙度仅约210皮米，与下方SiO₂基底几乎无法区分（图1d）。透射电子显微镜和电子能量损失谱进一步确认了薄膜在不同厚度下的均匀性（图1e–g），而原子分辨扫描透射电子显微镜图像则揭示了其无定形结构——扭曲的纳米晶嵌入连续随机网络中（图1h,i）。

图1 | ULK碳薄膜的可控生长与原子结构。 a. 在4英寸晶圆上生长的标称厚度为1.4纳米的ULK碳薄膜的光学图像。 b. 图a中三个代表性点的拉曼光谱。 c. 直接在SiO₂上生长的ULK碳厚度随生长时间的变化，通过AFM测量。数据以均值±标准差表示。 d. 在SiO₂上生长的1.4纳米ULK碳表面的AFM图像，以及ULK碳在SiO₂上和裸SiO₂上的高度分布直方图（表面粗糙度）。 e,f. 1.4纳米ULK碳薄膜在SiO₂/Si基底上的高分辨率截面TEM图像（e）及对应的碳K边EELS图谱（f）。 g. 图f中对应区域的碳和氧EELS强度线剖面。 h,i. 转移的1.4纳米（h）和0.8纳米（i）ULK碳薄膜的原子分辨率STEM图像，显示无序原子结构。插图：相应的快速傅里叶变换，表明缺乏长程周期性。

化学结构与衬底无关性

研究进一步展示了ULK碳薄膜在复杂结构上的保形覆盖能力。拉曼面扫描（图2b）和相应光谱（图2d）表明，无论是金属电极（铜、钴）还是下方的SiO₂基底，薄膜均能均匀生长，且拉曼光谱中D/G峰形状、位置及强度比（I_D/I_G，约0.85）几乎一致（图2c）。X射线光电子能谱分析确认了薄膜以sp²杂化碳键为主导（图2e,f），且这一键合特征与薄膜厚度及衬底类型无关，核心能级谱分析也未发现碳化物形成的证据，表明薄膜与衬底间未发生化学反应。

图2 | ULK碳薄膜的化学与结构特性。 a. ULK碳保形覆盖SiO₂上金属线的器件结构示意图。 b. SiO₂上钴线阵列的G峰强度拉曼面扫描图，显示ULK碳覆盖均匀。 c. 不同生长时间（对应图1c）下SiO₂上ULK碳的拉曼光谱。 d. SiO₂、Cu和Co上生长的ULK碳的拉曼光谱。 e. 不同生长时间（对应图1c）下SiO₂上ULK碳的核能级XPS C 1s光谱。 f. Cu（方块）和SiO₂（圆圈）上生长的1.4纳米厚ULK碳的核能级XPS C 1s光谱。蓝色阴影区域为sp²峰在284.4 eV处的Doniach-Sunjic拟合，确认sp²杂化键合在不同衬底上保持一致。

保形覆盖与物理完整性

为验证薄膜在实际互连结构中的适用性，研究团队评估了ULK碳作为一体化替代材料的潜力。截面扫描透射电子显微镜及电子能量损失谱显示，1.4纳米厚的ULK碳薄膜能在100纳米宽、250纳米深的SiO₂沟槽底部和侧壁均匀生长（图3a–c），同样也能保形覆盖SiO₂/Si基底上的钴金属线（图3d–f）。即使存在陡峭的金属-介电界面，薄膜仍保持完整连续。此外，通过钴和铜对氧化和化学刻蚀的高敏感性测试，证实了ULK碳薄膜在大面积上具备完整的阻挡性能——无保护的钴线在空气中暴露72小时后膨胀约1.5倍，而覆盖ULK碳的钴线则无任何变化，铜线同样受到有效保护。纳米压痕测试还显示该薄膜硬度约100 GPa，比SiO₂高出一个数量级以上，展现出优异的机械鲁棒性。

图3 | ULK碳的保形覆盖。 a–c. 截面TEM图像（a）及对应图b中方框区域的EELS图谱（c），显示1.4纳米厚ULK碳薄膜保形覆盖SiO₂沟槽。 d–f. 截面TEM图像（d,e）及对应图e中方框区域的EELS图谱（f），显示1.4纳米厚ULK碳薄膜保形覆盖钴线和SiO₂衬底。

器件结构与介电性能测试方法

为定量评估ULK碳薄膜的介电特性，研究团队设计并制备了两种金属-绝缘体-金属（MIM）电容测试结构（图4a）。第一种结构为小面积电容器阵列，尺寸从100×100 nm²到50×50 μm²不等，用于局部介电特性的统计分析；第二种结构采用大面积全覆盖底电极配合不同尺寸的顶部接触垫（50×50 μm²至500×500 μm²）。两种器件结构覆盖了从纳米级到微米级的宽尺寸范围，使得电容随器件面积线性变化的比例关系得以验证，从而确认了测量方法的可靠性。对于所有制备的器件，研究团队首先通过原子力显微镜和椭偏仪确定ULK碳薄膜的厚度，随后进行阻抗光谱和电流-电压测量以获取介电常数、击穿强度和泄漏电流等关键参数，最后对代表性器件进行截面透射电子显微镜和电子能量损失谱线剖面分析，进一步验证了介电层厚度的精确性（图4b–d）。

图4 | 介电光谱测试器件结构。 a. 50×50 μm² Au顶电极MIM电容器阵列的光学图像，以及MIM器件结构示意图，电容器尺寸从100×100 nm²到50×50 μm²用于I–V（泄漏）测量，5×5 μm²到50×50 μm²用于电容测量。

介电性能与频率稳定性

电容-电压测量表明，在不同厚度（1.4纳米、2.1纳米、2.6纳米）和不同频率（1 kHz至1 MHz）下，电容均无电压依赖性（图5a,b），由此提取的介电常数为1.35 ± 0.10，且在全部厚度范围内保持恒定（图5c）。这一厚度无关的特性与无定形氮化硼形成鲜明对比——后者仅在3纳米最佳厚度时表现良好。ULK碳的介电常数远低于六方氮化硼（3.3）和当前最先进的无定形氮化硼（1.78）（图5d）。其超低介电常数源于材料本征的低极化率和低密度：非极性的C–C键抑制了离子极化贡献，而严重的结构无序将π电子态局域化在亚纳米尺度，限制了偶极形成的空间范围，结合仅1.2–1.5 g/cm³的低质量密度（远低于石墨烯的2.3 g/cm³），共同实现了这一优异性能。

图5 | ULK碳薄膜的介电性能。 a. 1.4纳米、2.1纳米和2.6纳米ULK碳薄膜在1 kHz、100 kHz和1 MHz下的C–V测量，显示电容无电压依赖性。 b. 归一化单位面积电容的频率依赖性。 c. 相对介电常数随ULK碳薄膜厚度的变化，采用10 kHz低频介电光谱测量。虚线表示平均值1.35。 d. ULK碳与六方氮化硼（hBN）、无定形氮化硼（aBN）和共价有机框架（COF）的介电常数对比。红色虚线标示ULK阈值（k = 2.0）和下一代介电材料的关键3纳米厚度瓶颈。所有测量均采用图4a中面积为5×5 μm²、10×10 μm²和50×50 μm²的电容器。

介电强度与电气可靠性

ULK碳薄膜展现出卓越的介电强度和电气可靠性。通过两种互补方法（金属-绝缘体-金属电容器的慢速电压扫描和导电原子力显微镜）测得的介电强度分别为28 MV/cm和31 MV/cm（图6a,b），在已知介电材料中名列前茅。威布尔分析显示斜率（β）均大于4，表明击穿行为高度可预测且变异性低。泄漏电流随厚度的指数衰减表明传输机制以直接隧穿为主——在0.5 V偏压下，0.8纳米薄膜的电流密度约为10 A/cm²，而1.4纳米及以上厚度的薄膜则满足晶体管低功耗泄漏限值。作为铜互连扩散阻挡层，ULK碳表现出优异的阻挡性能，电流-电压曲线在正负偏压下的明显不对称性是铜离子漂移的特征信号（图6c）。通过时间相关介电击穿分析，在典型工作场强（0.5 MV/cm）下，50%概率的预期失效时间超过10¹⁰秒，比工业标准的TaN阻挡层高出两个数量级以上（图6d,e），从而克服了无定形氮化硼的关键局限。

图6 | ULK碳薄膜的电气可靠性与阻挡性能。 a. 不同ULK碳厚度的50×50 μm² MIM器件的I–V曲线，显示代表性击穿事件。 b. 击穿电压随ULK碳厚度的变化，采用MIM器件（黑色圆点）和C-AFM（红色叉号）测量。数据线性拟合（虚线）得到的介电强度分别为28和31 MV/cm。数据以均值±标准差表示，原始数据点显示在背景中。 c. Cu/ULK-C/SiO₂/Si（金属-氧化物-半导体）电容器的代表性I–V曲线，显示正负偏压间的特征不对称性，表明铜离子扩散。 d. ULK碳的失效时间（TTF）与外推电场的依赖关系，与TaN和TaNbY对比。 e. ULK碳与TaN、TaNbY、MoS₂、hBN和聚合物源无定形碳在0.5 MV/cm电场下50%累积失效概率的TTF对比。ULK碳表现出优异的阻挡性能，比工业标准TaN高出至少两个数量级。

总结与展望

本研究报道了一种原子级薄的无定形碳材料，在0.8纳米厚度下仍保持1.35的超低介电常数。除低介电常数外，该材料还兼具高介电强度、优异的机械硬度和出色的金属离子扩散阻挡性能，即使在原子级厚度下依然表现优异。这种材料有望替代三维堆叠器件中复杂的多层互连堆栈，简化器件结构并最大化导电线路体积，从而降低RC延迟、提升器件性能。ULK碳还具备低温生长（<300°C）、精确厚度控制和厚度无关的介电常数等多项技术相关优势，为半导体行业的实际应用展现了广阔前景，为持续CMOS缩放提供了可行路径，并为后CMOS时代的二维电子学发展开辟了新可能。