Атомно-тонкие аморфные материалы освобождаются от ограничений кристаллической решеточной симметрии, сочетая двумерные геометрические особенности со структурной неупорядоченностью, демонстрируя высокую дефектоустойчивость и непрерывно регулируемые физико-химические свойства. В отличие от двумерных кристаллов, сложенных за счет сил Ван-дер-Ваальса, аморфные пленки не имеют границ зерен и ван-дер-ваальсовых зазоров, что позволяет формировать монолитные пленки с атомарной гладкостью и структурной однородностью, открывающими огромные перспективы применения в областях интегральных схем следующего поколения, электронной пропускания и металлических диффузионных барьерных слоев. В настоящее время в академических кругах уже заложена начальная основа в синтезе и исследовании свойств таких систем, как однослойный аморфный углерод и сверхтонкие оксиды.

Однако продвижение этой области к практическому промышленному применению сталкивается с серьезными вызовами. В области синтеза материалов остается недостаточно изученной проблема преодоления ограничений монослоя, точного контроля толщины в диапазоне от субнанометра до нескольких нанометров и достижения крупномасштабного непрерывного бездефектного однородного роста. В области интеграции устройств технологии задней линии полупроводников требуют строгого соблюдения температуры изготовления ниже 400 °C, в то время как традиционные барьерные материалы склонны к отказу при уменьшении толщины, а двумерные кристаллы из-за диффузии по границам зерен и межслоевым промежуткам не способны удовлетворить требования к экстремально тонким линиям, что necessitates прямое выращивание предельно тонких и высокоплотных аморфных барьерных слоев при низких технологических температурах.

Для решения указанных проблем группа исследователей из Пекинского университета, Института физики Китайской академии наук и других организаций провела систематическое исследование с использованием криогенной зондовой станции с жидким азотом компании ZEPTOOLS. С помощью технологии дистанционной плазменной активации команде удалось осуществить контролируемое получение монолитных пленок азотированного аморфного углерода с непрерывно регулируемой толщиной в диапазоне от субнанометра до нескольких нанометров, без дефектов и с атомарной гладкостью. Был раскрыт механизм сглаживающего роста за счет переноса массы вниз по склону, управляемого бомбардировкой радикалами водорода, и подтвержден потенциал применения таких пленок в качестве высокоэффективных сверхтонких барьерных слоев для диффузии меди, совместимых с технологией задней линии интеграции чипов.

Название: Nitrogen-doped amorphous carbon as atomically thin monolithic membrane
Журнал: Matter
URL:http://dx.doi.org/10.1016/j.matt.2026.102911

Для решения проблемы контроля роста двумерных аморфных материалов исследовательская группа разработала технологию химического осаждения из паровой фазы с дистанционной плазменной активацией, позволившую успешно получить монолитные пленки азотированного аморфного углерода с непрерывно регулируемой толщиной в диапазоне от субнанометра до нескольких нанометров. Используя пиразин в качестве молекулы-прекурсора при температуре подложки от 300 °C до 500 °C, путем регулирования подачи прекурсора и плотности плазмы удалось достичь плавного перехода от островкового режима роста к режиму непрерывной гладкой пленки. Полученные пленки азотированного аморфного углерода на масштабе пластины демонстрируют отсутствие дефектов, трещин и обладают однородной атомарной гладкостью со среднеквадратичной шероховатостью до 0,36 нм. Как материал не-слоистой структуры, он полностью преодолевает ограничения, связанные с ван-дер-ваальсовыми зазорами и границами зерен традиционных двумерных кристаллов, формируя атомно-тонкую монолитную пленку, сочетающую изотропную структуру и высокую механическую прочность.

В исследовании механизма роста команда раскрыла механизм сглаживания за счет переноса массы вниз по склону, управляемого бомбардировкой радикалами водорода, и объяснила физическую причину, по которой аморфным материалам трудно формировать субнанометровые сверхтонкие гладкие пленки. Эксперименты и молекулярно-динамическое моделирование показали, что радикалы водорода, образующиеся при пиролизе прекурсора, играют ключевую роль в динамическом травлении и реконструкции поверхности в процессе осаждения. Радикалы водорода часто инициируют разрыв и рекомбинацию связей углерод-углерод в приповерхностном слое, придавая атомам динамическую подвижность для латеральной миграции, что эффективно компенсирует локальные выступы и тенденцию к огрублению поверхности, вызываемые чисто процессом осаждения. Этот непрерывный механизм переноса массы вниз по склону позволяет сохранять предельную гладкость поверхности пленки в процессе непрерывного роста, что дает новую теоретическую основу для крупномасштабного высококачественного получения атомно-тонких аморфных пленок.

Для проверки применимости данного материала в технологиях задней линии полупроводниковой интеграции исследовательская группа провела систематическую оценку его электрических характеристик в качестве барьера для диффузии меди. Поскольку температура прямого осаждения этой аморфной углеродной пленки составляет всего 350 °C, она полностью соответствует температурным ограничениям задней линии чипов. Группа сконструировала массив конденсаторов и с использованием криогенной зондовой станции с жидким азотом компании ZEPTOOLS провела ключевые испытания на диэлектрический пробой с временной зависимостью в вакууме и при контролируемой температуре. Данные испытаний точно зафиксировали эволюцию тока утечки и время пробоя приборов под действием сильного электрического поля и теплового напряжения, подтвердив, что даже при уменьшении толщины высокоплотной азотированной аморфной углеродной пленки до субнанометрового уровня ее среднее время до отказа в десятки раз превышает показатели традиционных барьерных материалов, демонстрируя исключительно высокие барьерные свойства и долговременную надежность.

Сочетая первопринципные расчеты теории функционала плотности с многопараметрической функциональной верификацией, исследовательская группа дополнительно прояснила микроскопический механизм выдающихся характеристик азотированных аморфных углеродных пленок и их широкие перспективы применения. Результаты расчетов показывают, что легирование азотом эффективно укорачивает локальные длины связей и повышает локальную плотность упаковки атомов, создавая значительный стерический эффект для диффузии атомов меди и существенно повышая энергетический барьер их миграции. Кроме того, пленка демонстрирует выдающиеся характеристики пропускания электронов; после успешного переноса на поверхность микроканальных пластин она обеспечивает эффективное проникновение электронов и умножение сигнала без эффекта мертвой зоны по напряжению. Эти результаты показывают, что атомно-тонкие азотированные аморфные углеродные пленки как высокопроизводительные монолитные компоненты обладают огромной промышленной ценностью в областях барьерных слоев для медных межсоединений в интегральных схемах сверхбольшого масштаба следующего поколения, электронных детекторов и молекулярных барьеров.

Криогенная зондовая станция с жидким азотом ZEPTOOLS представляет собой передовое научно-исследовательское оборудование, специально предназначенное для высокоточного электрического тестирования полупроводниковых приборов, микро- и наноматериалов, а также электронных компонентов в условиях низких температур. Она обеспечивает сверхнизкотемпературные условия для образцов с помощью системы охлаждения жидким азотом, гарантируя точное измерение электрических характеристик при экстремально низких температурах. Устройство оснащено модулем микроскопа высокого разрешения, позволяющим четко наблюдать микроструктуру образцов и обеспечивать точное позиционирование и контакт зондов с образцом. В настоящее время станция широко применяется в таких областях, как полупроводниковые исследования и разработки, микро- и наноэлектроника, материаловедение, физическая химия и другие, являясь идеальным инструментом для изучения транспортных свойств при переменных температурах, термоэлектрических характеристик, фотоэлектрического отклика и других ключевых свойств приборов.