石墨烯可保證電流順暢傳輸，可用于下一代芯片的布線

 強(qiáng)大的“電子風(fēng)”可以吹跑銅原子，使電路短路。然而，石墨烯可以在同等狀況下完好無(wú)損。

電遷移導(dǎo)致的電路中斷：當(dāng)銅導(dǎo)線很窄時(shí)，大電流可能會(huì)使原子發(fā)生遷移而導(dǎo)致中斷。

摩爾定律成功預(yù)測(cè)了硅晶體管不斷變小的趨勢(shì)?，F(xiàn)在，越來(lái)越多的研究人員開(kāi)始關(guān)注晶體管的另一個(gè)關(guān)鍵部分：連接單個(gè)晶體管以形成復(fù)雜電路的銅線。

2016年12月舊金山舉行的IEEE國(guó)際電子元件會(huì)議上，研究人員描述了銅互連的問(wèn)題和可能的解決方案。斯坦福大學(xué)教授H.-S. Philip Wong領(lǐng)導(dǎo)的小組提出的方案是使用石墨烯來(lái)替代現(xiàn)在的銅導(dǎo)線。他的研究小組發(fā)現(xiàn)這種納米材料可以極大的緩解銅互連面臨的主要挑戰(zhàn)——電遷移。

銅線的直徑隨著晶體管尺寸的縮小而越來(lái)越細(xì)，但其承載的電流卻越來(lái)越大。因此，導(dǎo)線中的原子可以被高能量的電子風(fēng)“吹跑”，使電路中斷。 Wong教授的團(tuán)隊(duì)通過(guò)在銅導(dǎo)線周圍生長(zhǎng)石墨烯阻止了電遷移，并且降低了銅線的電阻。

露絲·布瑞(Ruth Brain)是英特爾互聯(lián)技術(shù)和集成部門的負(fù)責(zé)人，她解釋道,現(xiàn)在的互連技術(shù)正在接近物理的極限密度。單位面積內(nèi)集成更多的晶體管意味著必須用更多的互連來(lái)連接它們。2000年生產(chǎn)的第一個(gè)使用銅互連的芯片中，每平方厘米有1千米的布線。而今天的14納米節(jié)點(diǎn)技術(shù)中，這一數(shù)字達(dá)到了驚人的10千米。

為了提高性能，不斷變窄的銅線必須承載更多的電流。電線中單位面積的電流量稱為電流密度，它的不斷增加來(lái)源于兩方面：一方面，導(dǎo)線的尺寸必須隨著整個(gè)工藝的縮小而變窄;另外，更高的電流是實(shí)現(xiàn)更快開(kāi)關(guān)速度、提高性能的關(guān)鍵。

露絲說(shuō)：“導(dǎo)線越窄，其電阻越高。互連在縮小的同時(shí)，其電流密度增加來(lái)了20倍。如果在家里這樣搞的話，房子早就燒著了” 。

現(xiàn)在普遍的解決方案是在銅互連溝槽內(nèi)沉積 2納米厚的氮化鉭“墻壁”，這一多余的襯里可以有效防止銅原子的逃逸。Wong教授說(shuō)，這一技術(shù)使得銅導(dǎo)線可以在即將到來(lái)的10納米和7納米節(jié)點(diǎn)繼續(xù)發(fā)揮作用。然而，隨著器件的不斷縮小，2納米的壁也會(huì)變得 “太厚” 。研究人員正在研究如何使用其他襯里材料來(lái)阻止電遷移，包括釕和鎂。但是對(duì)于厚度只有0.3納米的石墨烯，它比已知的任何其他物質(zhì)都薄。

半導(dǎo)體工業(yè)一直都避免新材料的使用。但Wong教授表示，當(dāng)前情況下我們并沒(méi)有太多選擇：如果銅無(wú)法繼續(xù)作為互連材料的話，新材料(例如鈷)的使用將無(wú)法避免。

斯坦福大學(xué)的研究小組與芯片制造工具公司科林研發(fā)(Lam Research)、中國(guó)浙江大學(xué)的研究人員一起制造和測(cè)試復(fù)合互連材料。事實(shí)上，石墨烯一直都利用銅襯底來(lái)生產(chǎn)，因此與銅具有很好的相容性?？屏盅邪l(fā)公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了在不損壞芯片其他部分的溫度(低于400°C)下進(jìn)行的專有工藝。與單獨(dú)的銅導(dǎo)線相比，復(fù)合材料抵抗電遷移的能力提高了10倍，且電阻只有銅的一半。

Wong教授說(shuō)：“互連問(wèn)題已經(jīng)不能被繼續(xù)忽略。之前大多數(shù)時(shí)候我們只關(guān)心晶體管的大小，但諸如連接導(dǎo)線和存儲(chǔ)等以前沒(méi)有太大問(wèn)題的部分也逐漸出現(xiàn)了新的挑戰(zhàn)。”