隨著集成電路越來越小型化,,目前摩爾定律的存續(xù)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(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(xiàn)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 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,。 隨著制程持續(xù)縮小,2 奈米的內壁也將變得太厚,。
針對銅線互聯(lián)即將面臨的問題,,去年 12 月在舊金山舉行的 IEEE 國際電子設備會議上,來自 Stanford 的電機工程師 H.-S. Philip Wong 與其團隊,,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都還要薄,。 另外,半導體工業(yè)其實盡量避免在找尋新材料上花太多時間,,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 的團隊目前與科林研發(fā)(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(fā)已經開發(fā)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,。