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为摩尔定律续命在计算机芯片布线加入石墨烯

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   随着集成电路越来越小型化,目前摩尔定律的存续命运,似乎大多聚焦在硅晶体管的改良上。不过,逐渐有研究人员开始从别的组成部分着手:例如连接各个晶体管形成复杂电路的铜线。而石墨烯在其中起到着关键作用。

  为了提高性能,集成电路密度不断提升,而在同样面积的芯片当中塞入更多晶体管,便意味着需要更多线路来连接它们。在 2000 年生产第一组铜线互联的芯片,每平方公分布有 1 公里的铜线;但今日的 14 nm节点处理器,在同样面积里却能包含 10 公里的铜线。

  现在越尖端的芯片,铜线就变得越细窄,电阻也因而提高,却又得承载更多电流以加快切换速度、提高性能,于是会产生电迁移(Electromigration)现象。通电铜线的电子会把动能传递给金属离子,使离子朝电场反方向运动而逐渐迁移,导致铜线的原子扩散与损失,造成短路。

  目前的解决方法,是将铜线置沟槽内,沟槽内壁则包覆了厚达 2 nm的氮化钽(tantalum nitride),能够阻止铜的逸失。但这种方式顶多撑到 10 nm及 7 nm的节点。随着制程持续缩小,2 nm的内壁也将变得太厚。

  针对铜线互联即将面临的问题,去年 12 月在旧金山举行的 IEEE 国际电子设备会议上,来自 Stanford 的电机工程师 H.-S. Philip Wong 与其团队,发现以石墨烯镀铜,就可以解决电迁移现象,并且降低电阻。 Wong 表示,虽然研究人员早已在研究其他可能阻止电迁移的衬层,包括钌和镁,不过石墨烯可以比任何材质都还要薄。另外,半导体工业其实尽量避免在找寻新材料上花太多时间,但以现在的情况来看,若铜的寿命无法再延续下去,则必须采用新材料(例如钴)来取代。

  Stanford 的团队目前与科林研发(Lam Research Corp.)以及中国浙江大学合作,测试复合式材料布线,让石墨烯从铜在线生成。科林研发已经开发出专门的制造方式,在不会损坏芯片其他部分的温度下(低于 400℃)进行,这种包覆石墨烯的复合材料抑制电迁移的效果是一般铜线的 10 倍,并且只有一半的电阻。

  摩尔定律要能走下去,往后除了晶体管之外,势必连内存、线路等都得加入改良的行列,而石墨烯的角色或将更加吃重。

 

来源:Technews            责任编辑:陈炳欣

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