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為摩爾定律續命:在計算機芯片布線加入石墨烯

2017-02-23

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 nm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 nm的氮化鉭(tantalum nitride),能夠阻止銅的逸失。 但這種方式頂多撐到 10 nm及 7 nm的節點。 隨著制程持續縮小,2 nm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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