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石墨烯可保證電流順暢傳輸，可用于下一代芯片的布線

2017-02-24 16:05:51 作者：本網整理來源：DeepTech深科技分享至：

    強大的“電子風”可以吹跑銅原子，使電路短路。然而，石墨烯可以在同等狀況下完好無損。

    電遷移導致的電路中斷：當銅導線很窄時，大電流可能會使原子發生遷移而導致中斷。

    摩爾定律成功預測了硅晶體管不斷變小的趨勢。現在，越來越多的研究人員開始關注晶體管的另一個關鍵部分：連接單個晶體管以形成復雜電路的銅線。

    2016年12月舊金山舉行的IEEE國際電子元件會議上，研究人員描述了銅互連的問題和可能的解決方案。斯坦福大學教授H.-S. Philip Wong領導的小組提出的方案是使用石墨烯來替代現在的銅導線。他的研究小組發現這種納米材料可以極大的緩解銅互連面臨的主要挑戰——電遷移。

    銅線的直徑隨著晶體管尺寸的縮小而越來越細，但其承載的電流卻越來越大。因此，導線中的原子可以被高能量的電子風“吹跑”，使電路中斷。 Wong教授的團隊通過在銅導線周圍生長石墨烯阻止了電遷移，并且降低了銅線的電阻。

    露絲·布瑞（Ruth Brain）是英特爾互聯技術和集成部門的負責人，她解釋道，現在的互連技術正在接近物理的極限密度。單位面積內集成更多的晶體管意味著必須用更多的互連來連接它們。2000年生產的第一個使用銅互連的芯片中，每平方厘米有1千米的布線。而今天的14納米節點技術中，這一數字達到了驚人的10千米。

    為了提高性能，不斷變窄的銅線必須承載更多的電流。電線中單位面積的電流量稱為電流密度，它的不斷增加來源于兩方面：一方面，導線的尺寸必須隨著整個工藝的縮小而變窄；另外，更高的電流是實現更快開關速度、提高性能的關鍵。

    露絲說：“導線越窄，其電阻越高。互連在縮小的同時，其電流密度增加來了20倍。如果在家里這樣搞的話，房子早就燒著了” 。

    現在普遍的解決方案是在銅互連溝槽內沉積 2納米厚的氮化鉭“墻壁”，這一多余的襯里可以有效防止銅原子的逃逸。Wong教授說，這一技術使得銅導線可以在即將到來的10納米和7納米節點繼續發揮作用。然而，隨著器件的不斷縮小，2納米的壁也會變得 “太厚” 。研究人員正在研究如何使用其他襯里材料來阻止電遷移，包括釕和鎂。但是對于厚度只有0.3納米的石墨烯，它比已知的任何其他物質都薄。

    半導體工業一直都避免新材料的使用。但Wong教授表示，當前情況下我們并沒有太多選擇：如果銅無法繼續作為互連材料的話，新材料（例如鈷）的使用將無法避免。

    斯坦福大學的研究小組與芯片制造工具公司科林研發（Lam Research）、中國浙江大學的研究人員一起制造和測試復合互連材料。事實上，石墨烯一直都利用銅襯底來生產，因此與銅具有很好的相容性。科林研發公司已經開發出了在不損壞芯片其他部分的溫度（低于400°C）下進行的專有工藝。與單獨的銅導線相比，復合材料抵抗電遷移的能力提高了10倍，且電阻只有銅的一半。

    Wong教授說：“互連問題已經不能被繼續忽略。之前大多數時候我們只關心晶體管的大小，但諸如連接導線和存儲等以前沒有太大問題的部分也逐漸出現了新的挑戰。”