石墨烯可保证电流顺畅传输,可用于下一代芯片的布线

DeepTech深科技 2021-01-10 16:52:33



强大的“电子风”可以吹跑铜原子,使电路短路。然而,石墨烯可以在同等状况下完好无损。



电迁移导致的电路中断:当铜导线很窄时,大电流可能会使原子发生迁移而导致中断。


摩尔定律成功预测了硅晶体管不断变小的趋势。现在,越来越多的研究人员开始关注晶体管的另一个关键部分:连接单个晶体管以形成复杂电路的铜线


2016年12月旧金山举行的IEEE国际电子元件会议上,研究人员描述了铜互连的问题和可能的解决方案。斯坦福大学教授H.-S. Philip Wong领导的小组提出的方案是使用石墨烯来替代现在的铜导线。他的研究小组发现这种纳米材料可以极大的缓解铜互连面临的主要挑战——电迁移。


铜线的直径随着晶体管尺寸的缩小而越来越细,但其承载的电流却越来越大。因此,导线中的原子可以被高能量的电子风“吹跑”,使电路中断。 Wong教授的团队通过在铜导线周围生长石墨烯阻止了电迁移,并且降低了铜线的电阻。


露丝·布瑞(Ruth Brain)是英特尔互联技术和集成部门的负责人,她解释道,现在的互连技术正在接近物理的极限密度。单位面积内集成更多的晶体管意味着必须用更多的互连来连接它们。2000年生产的第一个使用铜互连的芯片中,每平方厘米有1千米的布线。而今天的14纳米节点技术中,这一数字达到了惊人的10千米。


为了提高性能,不断变窄的铜线必须承载更多的电流。电线中单位面积的电流量称为电流密度,它的不断增加来源于两方面:一方面,导线的尺寸必须随着整个工艺的缩小而变窄;另外,更高的电流是实现更快开关速度、提高性能的关键。


露丝说:“导线越窄,其电阻越高。互连在缩小的同时,其电流密度增加来了20倍。如果在家里这样搞的话,房子早就烧着了” 。


现在普遍的解决方案是在铜互连沟槽内沉积 2纳米厚的氮化钽“墙壁”,这一多余的衬里可以有效防止铜原子的逃逸。Wong教授说,这一技术使得铜导线可以在即将到来的10纳米和7纳米节点继续发挥作用。然而,随着器件的不断缩小,2纳米的壁也会变得 “太厚” 。研究人员正在研究如何使用其他衬里材料来阻止电迁移,包括钌和镁。但是对于厚度只有0.3纳米的石墨烯,它比已知的任何其他物质都薄。


半导体工业一直都避免新材料的使用。但Wong教授表示,当前情况下我们并没有太多选择:如果铜无法继续作为互连材料的话,新材料(例如钴)的使用将无法避免。


斯坦福大学的研究小组与芯片制造工具公司科林研发(Lam Research)、中国浙江大学的研究人员一起制造和测试复合互连材料。事实上,石墨烯一直都利用铜衬底来生产,因此与铜具有很好的相容性。科林研发公司已经开发出了在不损坏芯片其他部分的温度(低于400°C)下进行的专有工艺。与单独的铜导线相比,复合材料抵抗电迁移的能力提高了10倍,且电阻只有铜的一半。


Wong教授说:“互连问题已经不能被继续忽略。之前大多数时候我们只关心晶体管的大小,但诸如连接导线和存储等以前没有太大问题的部分也逐渐出现了新的挑战。”


编辑:梁博深

参考: http://spectrum.ieee.org/semiconductors/materials/graphene-could-buttress-nextgen-computer-chip-wiring







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