集成電路逐步小型化 石墨烯將發(fā)揮關(guān)鍵作用

    隨著集成電路越來(lái)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(guò)，逐漸有研究人員開(kāi)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(lái)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(chǎng)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(wèn)題，去年12月在舊金山舉行的IEEE國(guó)際電子設(shè)備會(huì)議上，來(lái)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(guò)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(lái)看，若銅的壽命無(wú)法再延續(xù)下去，則必須采用新材料(例如鈷)來(lái)取代。
   Stanford 的團(tuán)隊(duì)目前與科林研發(fā)(Lam Research Corp.)以及中國(guó)浙江大學(xué)合作，測(cè)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(kāi)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?br />