延續摩爾定律另闢蹊徑:在電腦晶片佈線加入石墨烯

作者 | 發布日期 2017 年 02 月 21 日 16:50 | 分類 奈米 , 晶片 , 零組件 follow us in feedly

隨著積體電路越來越小型化,目前摩爾定律的存續命運,似乎大多聚焦在矽電晶體的改良上。不過,逐漸有研究人員開始從別的組成部分著手:例如連接各個電晶體形成複雜電路的銅線。而石墨烯在其中起到著關鍵作用。




為了提高性能,積體電路密度不斷提升,而在同樣面積的晶片當中塞入更多電晶體,意味著需要更多線路來連接它們。2000 年生產第一組銅線互聯的晶片,每平方公分佈有 1 公里的銅線;但今日的 14 奈米節點處理器,在同樣面積裡卻能包含 10 公里的銅線。

現在越尖端的晶片,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,於是會產生電遷移(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,是將銅線置於溝槽內,溝槽內壁則包覆厚達 2 奈米的氮化鉭(tantalum nitride),能夠阻止銅的佚失。但這種方式頂多撐到 10 奈米及 7 奈米的節點。隨著製程持續縮小,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,並且降低電阻。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,則必須採用新材料(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,測試複合式材料佈線,讓石墨烯從銅線上生成。科林研發已經開發出專門的製造方式,在不會損壞晶片其他部分的溫度下(低於 400℃)進行,這種包覆石墨烯的複合材料抑制電遷移的效果是一般銅線的 10 倍,並且只有一半的電阻。

摩爾定律要能走下去,往後除了電晶體之外,勢必連記憶體、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。

(首圖來源:Shutterstock) 

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