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集成電路逐步小型化 石墨烯將發揮關鍵作用

作者: 2017年03月01日 來源:化工儀器在線 瀏覽量:
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隨著集成電路越來越小型化,目前摩爾定律的存續命運,似乎大多聚焦在硅晶體管的改良上。不過,逐漸有研究人員開始從別的組成部分著手:例如連接各個晶體管形成復雜電路的銅線。而石墨烯在其中起到著關鍵作用。  為

    隨著集成電路越來越小型化,目前摩爾定律的存續命運,似乎大多聚焦在硅晶體管的改良上。不過,逐漸有研究人員開始從別的組成部分著手:例如連接各個晶體管形成復雜電路的銅線。而石墨烯在其中起到著關鍵作用。
 為了提高性能,集成電路密度不斷提升,而在同樣面積的芯片當中塞入更多晶體管,便意味著需要更多線路來連接它們。在2000年生產第一組銅線互聯的芯片,每平方公分布有1公里的銅線;但今日的14奈米節點處理器,在同樣面積里卻能包含10公里的銅線。

  現在越尖端的芯片,銅線就變得越細窄,電阻也因而提高,卻又得承載更多電流以加快切換速度、提高性能,于是會產生電遷移(Electromigration)現象。通電銅線的電子會把動能傳遞給金屬離子,使離子朝電場反方向運動而逐漸遷移,導致銅線的原子擴散與損失,造成短路。

  目前的解決方法,是將銅線置溝槽內,溝槽內壁則包覆了厚達2奈米的氮化鉭(tantalum nitride),能夠阻止銅的逸失。 但這種方式頂多撐到10奈米及7奈米的節點。 隨著制程持續縮小,2奈米的內壁也將變得太厚。

  針對銅線互聯即將面臨的問題,去年12月在舊金山舉行的IEEE國際電子設備會議上,來自Stanford的電機工程師H.-S. Philip Wong與其團隊,發現以石墨烯鍍銅,就可以解決電遷移現象,并且降低電阻。Wong表示,雖然研究人員早已在研究其他可能阻止電遷移的襯層,包括釕和鎂,不過石墨烯可以比任何材質都還要薄。 另外,半導體工業其實盡量避免在找尋新材料上花太多時間,但以現在的情況來看,若銅的壽命無法再延續下去,則必須采用新材料(例如鈷)來取代。
   Stanford 的團隊目前與科林研發(Lam Research Corp.)以及中國浙江大學合作,測試復合式材料布線,讓石墨烯從銅在線生成。 科林研發已經開發出專門的制造方式,在不會損壞芯片其他部分的溫度下(低于400℃)進行,這種包覆石墨烯的復合材料抑制電遷移的效果是一般銅線的10倍,并且只有一半的電阻。
   摩爾定律要能走下去,往后除了晶體管之外,勢必連內存、線路等都得加入改良的行列,而石墨烯的角色或將更加吃重。
  

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