前沿 2019-09-11 11:09

美国多所大学认为石墨烯互联通路将推进高速超级计算机发展

陈济桁 摘自 Graphene-info网站

【据graphene-info网站2019年8月25日报道】2018年11月,美国加州大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)的研究人员发表了一篇关于CMOS兼容石墨烯互联通路的论文。继这项研究工作后,该校于近期又提出了一种利用纳米级掺杂多层石墨烯(DMG)互联的方法,该方法非常适用于集成电路的大规模生产。

在此前的20多年时间里,人们多使用铜作为基础材料制造电路基板互连。不过,这种金属在缩小到纳米尺度时电阻率的局限性增加。加州大学洛杉矶分校的研究人员表示,这种限制对价值5000亿美元的半导体产业构成了根本性威胁。随着全球市场对更智能、更快、更轻、更经济的技术和设备需求不断扩张,石墨烯具备解决这一问题的潜力。该校电气和计算机工程系教授Kaustav Banerjee表示,当减小铜线的尺寸时,其电阻率会上升。电阻率本是一种不应该改变的材料特性,但在纳米尺度上,材料的所有特性都会发生变化。

UCSB的研究团队认为,他们已经找到了一种将石墨烯在互联通路中实现应用的极具前景的方法。不过,由于目前研究工作仍在进行中,所以目前还远没有实现在制造过程中简单的用石墨烯替代铜。因此,将材料从大学或其他实验室测试环境中转入大批量生产和广泛应用,是必须克服的障碍。

Banerjee教授表示,半导体行业继续向前发展的唯一方式是,人们能够找到一种可将石墨烯直接合成到硅片上的方法。在晶体管制造完成后,后端的合成问题会凸显——可能会面临合成过程的热预算难以超过500℃。

如果硅晶片在制造互联通路的后端工艺期间过热,则芯片上已经存在的其他元器件有可能被损坏,一些杂质可能开始扩散,从而改变晶体管的性能。

现在,经过十多年的努力,Banerjee教授实验室开发了一种创新的压力辅助固相扩散方法,可以直接合成高质量的多层石墨烯,并且合成方法可与典型的标准工业流程兼容,可用于集成到电路中进行大规模生产。这种方法,需要对两种紧密接触的材料施加压力和温度,使它们相互扩散。因此,克服了存在损坏或将任何杂质扩散到芯片中其他元器件的问题,并能很好的保持晶体管完好性。

该方法的主要工艺步骤如下:UCSB的研究团队首先将石墨形式的固相碳沉积到最适厚度的镍金属沉积层上。随后,将石墨粉末在300℃温度下加热,并施加压力致石墨内部结构崩解。镍中碳的高扩散性使其能够快速移动通过形成多个石墨烯层的金属膜,随后碳原子在靠近电介质基板的金属镍另一表面上重新结合。

UCSB此项研究论文的主要作者Junkai Jiang表示,研究团队已经能够实现“通过优化镍的厚度和其他工艺参数,准确的获得理想的电介质表面石墨烯层数”。

“由于我们的工艺涉及的温度相对较低,不会对芯片上集成的其他元器件构成损伤,包括晶体管,因此我们可以将互联通路安全、正确地集成在芯片中。”Jiang表示。UCSB已经就其创新工艺提交了临时专利,希望一次克服迄今为止阻止石墨烯取代铜作为电路互联通路的某些障碍。

研究人员表示,目前面临的主要挑战仍然是让类似英特尔公司这种每年依靠生产大量的芯片获取巨额利润的技术巨头,逐步接受使用石墨烯替代铜的解决方案,并将其纳入其制造过程。UCSB的Banerjee教授一直在与业界的合作伙伴进行谈判,这些合作伙伴已经表现出对兼容的石墨烯合成技术的认可,这可能为第一批进入主流半导体行业的2D材料铺平道路。

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