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延續(xù)摩爾定律另辟蹊徑:在計(jì)算機(jī)芯片布線加入石墨烯

2017-02-22 06:26:20 n
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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(xù)命運(yùn),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(gè)晶體管形成復(fù)雜電路的銅線。 而石墨烯在其中起到著關(guān)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(dāng)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(chǎn)第一組銅線互聯(lián)的芯片,每平方公分布有 1 公里的銅線;但今日的 14 奈米節(jié)點(diǎn)處理器,在同樣面積里卻能包含 10 公里的銅線。

現(xiàn)在越尖端的芯片,銅線就變得越細(xì)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(huì)產(chǎn)生電遷移(Electromigration)現(xiàn)象。 通電銅線的電子會(huì)把動(dòng)能傳遞給金屬離子,使離子朝電場反方向運(yùn)動(dòng)而逐漸遷移,導(dǎo)致銅線的原子擴(kuò)散與損失,造成短路。

目前的解決方法,是將銅線置溝槽內(nèi),溝槽內(nèi)壁則包覆了厚達(dá) 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(jié)點(diǎn)。 隨著制程持續(xù)縮小,2 奈米的內(nèi)壁也將變得太厚。

針對(duì)銅線互聯(lián)即將面臨的問題,去年 12 月在舊金山舉行的 IEEE 國際電子設(shè)備會(huì)議上,來自 Stanford 的電機(jī)工程師 H.-S. Philip Wong 與其團(tuán)隊(duì),發(fā)現(xiàn)以石墨烯鍍銅,就可以解決電遷移現(xiàn)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(zhì)都還要薄。 另外,半導(dǎo)體工業(yè)其實(shí)盡量避免在找尋新材料上花太多時(shí)間,但以現(xiàn)在的情況來看,若銅的壽命無法再延續(xù)下去,則必須采用新材料(例如鈷)來取代。

Stanford 的團(tuán)隊(duì)目前與科林研發(fā)(Lam Research Corp.)以及中國浙江大學(xué)合作,測試復(fù)合式材料布線,讓石墨烯從銅在線生成。 科林研發(fā)已經(jīng)開發(fā)出專門的制造方式,在不會(huì)損壞芯片其他部分的溫度下(低于 400℃)進(jìn)行,這種包覆石墨烯的復(fù)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(shì)必連內(nèi)存、線路等都得加入改良的行列,而石墨烯的角色或?qū)⒏映灾亍?/span>

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