石墨烯互連旨在為摩爾定律賦予新生命

半導(dǎo)體行業(yè)長期以來的當(dāng)務(wù)之急 — 摩爾定律 — 該定律規(guī)定芯片上的晶體管密度應(yīng)大約每兩年翻一番 — 變得越來越難以維持?？s小晶體管的能力以及它們之間的互連正在遇到一些基本的物理限制。特別是，當(dāng)銅互連按比例縮小時(shí)，它們的電阻率會飆升，這會降低它們可以攜帶的信息量并增加它們的能量消耗。

該行業(yè)一直在尋找替代互連材料，以將摩爾定律的進(jìn)程延長一段時(shí)間。石墨烯在許多方面都是一個非常有吸引力的選擇：薄薄的碳材料具有出色的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，并且比金剛石更堅(jiān)固。

然而，研究人員一直在努力將石墨烯納入主流計(jì)算應(yīng)用，主要有兩個原因。首先，沉積石墨烯需要高溫，這與傳統(tǒng)的 CMOS 制造不兼容。其次，未摻雜的宏觀石墨烯片的電荷載流子密度相對較低。

現(xiàn)在，總部位于加利福尼亞州米爾皮塔斯的初創(chuàng)公司 Destination 2D 聲稱已經(jīng)解決了這兩個問題。Destination 2D 的團(tuán)隊(duì)展示了一種在 300 °C 下將石墨烯互連沉積到芯片上的技術(shù)，這種技術(shù)仍然足夠涼爽，可以通過傳統(tǒng)的 CMOS 技術(shù)來完成。據(jù) Destination 2D 的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官 Kaustav Banerjee 稱，他們還開發(fā)了一種摻雜石墨烯片的方法，該方法的電流密度是銅的 100 倍。

“人們一直在嘗試將石墨烯用于各種應(yīng)用，但在主流微電子領(lǐng)域，本質(zhì)上是 CMOS 技術(shù)，到目前為止，人們還無法使用它，”Banerjee 說。

Destination 2D 并不是唯一一家追求石墨烯互連的公司。臺積電和三星也在努力使這項(xiàng)技術(shù)得到普及。然而，Banerjee 聲稱，Destination 2D 是唯一一家直接在晶體管芯片頂部展示石墨烯沉積的公司，而不是單獨(dú)生長互連并在事后將它們連接到芯片上。

低溫沉積石墨烯

石墨烯于 2004 年首次被分離出來，當(dāng)時(shí)研究人員用膠帶將石墨烯片從石墨塊上拉下來分離。這種材料被認(rèn)為非常有前途，以至于這一壯舉在 2010 年獲得了諾貝爾獎。（諾貝爾獎共同獲得者 Konstantin Novoselov 現(xiàn)在是 Destination 2D 的首席科學(xué)家）。

Startup Destination 2D 開發(fā)了一種兼容 CMOS 的工具，能夠在晶圓級沉積石墨烯互連。目標(biāo) 2D

然而，使用膠帶小心地從筆尖上撕下石墨烯并不完全是一種可擴(kuò)展的生產(chǎn)方法。為了可靠地創(chuàng)建石墨烯結(jié)構(gòu)，研究人員轉(zhuǎn)向了化學(xué)氣相沉積，其中碳?xì)怏w沉積在加熱的基板上。這通常需要溫度遠(yuǎn)高于 CMOS 制造中大約 400 °C 的最高工作溫度。

Destination 2D 使用加州大學(xué)圣巴巴拉分校 Banerjee 實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的壓力輔助直接沉積技術(shù)。Banerjee 稱之為壓力輔助固相擴(kuò)散的技術(shù)使用鎳等犧牲金屬膜。犧牲膜放置在晶體管芯片的頂部，并在頂部沉積一個碳源。然后，使用大約 410 到 550 千帕（每平方英寸 60 到 80 磅）的壓力，碳被迫通過犧牲金屬，并在下面重新組合成干凈的多層石墨烯。然后簡單地去除犧牲的金屬，將石墨烯留在芯片上用于圖案化。該技術(shù)在 300 °C 下工作，冷卻到不會損壞下面的晶體管。

提高石墨烯的電流密度

在石墨烯互連圖案化后，摻雜石墨烯層以降低電阻率并提高其載流能力。Destination 2D 團(tuán)隊(duì)使用一種稱為插層的摻雜技術(shù)，其中摻雜原子在石墨烯片之間擴(kuò)散。

摻雜原子可以變化，例如氯化鐵、溴和鋰。植入后，摻雜劑將電子（或其材料內(nèi)的對應(yīng)物，電子空穴）提供給石墨烯片，從而獲得更高的電流密度?！安鍖踊瘜W(xué)是一個非常古老的學(xué)科，”Banerjee 說。“我們只是將這種插層引入石墨烯中，這是新的?！?/p>

與銅不同，這種技術(shù)有一個很有前途的特點(diǎn)，隨著石墨烯互連的縮小，它們的載流能力會提高。這是因?yàn)閷τ谳^細(xì)的線條，插層技術(shù)會變得更加有效。Banerjee 認(rèn)為，這將使他們的技術(shù)能夠支持未來多代半導(dǎo)體技術(shù)。

Destination 2D 已經(jīng)在芯片級別展示了他們的石墨烯互連技術(shù)，他們還開發(fā)了可以在制造設(shè)施中實(shí)施的晶圓級沉積工具。他們希望與鑄造廠合作，將他們的技術(shù)用于研發(fā)，并最終用于生產(chǎn)。