最新进展 | 石墨烯可以支撑下一代计算机芯片布线

电流确实会吹断铜互连，但石墨烯可以保持其完好无损。 

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们对摩尔定律的命运感到绝望的原因主要集中在不断缩小的硅晶体管。但越来越多的研究人员开始关注基础结构的另一个关键部分：连接各个晶体管以形成复杂电路的铜线。

在2016年12月份于圣弗朗西斯科举行的IEEE国际电子器件会议上，研究人员介绍了铜互连面临的问题并讨论了解决这些问题的办法。斯坦福大学的电气工程师黄汉森领导的一个小组研究了一种用石墨烯镀铜的方法。黄教授的小组发现纳米材料可以缓解铜线的电迁移问题。

铜线变得越来越细，而且必须承载如此大的电流，线中的原子很容易被吹动。“电子风可以吹走铜原子并创造一个空洞。”黄教授说。黄教授的团队在会上提出的研究表明，石墨烯镀铜可以防止这一点，似乎还可以降低铜线的电阻。

英特尔公司俄勒冈州希尔斯伯勒代工厂的互联技术和集成负责人鲁思•布雷恩（RuthBrain）解释了互连如何被推向极限。单位芯片上晶体管越来越多，意味着用来连接它们的互连也越来越多。2000年生产的首批使用铜互连的芯片，每平方厘米包含1千米的布线。她说，今天的14纳米节点处理器在相同面积上包含超过10千米的铜线。

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了提高性能，不断变细的铜线必须承载更大的电流。电线中单位面积的电流量被称为电流密度，前沿芯片上的电流密度不断增大有两个原因：电线越来越细；通过更大电流可以提高开关速度，从而提高性能。

因此面临的挑战是：导线越细，其电阻越大。“当电流增加到20倍时，互连不得不缩小。”布雷恩说，“如果在家里这样做，你的房子很可能付之一炬。”

目前的解决方案是将铜互连放入具有2纳米厚的氮化钽壁内衬的沟槽内。这样做可以防止铜外泄，黄教授说铜线大概可以承受即将到来的10和7纳米节点。然而，随着器件尺寸不断缩小，2纳米的壁就显得太厚了，黄教授说。研究人员正在研究可以阻止电迁移的其他衬垫材料，包括钌和镁，但他说石墨烯比其他任何物质都薄，达到0.3纳米。

半导体工业尽量避免集成新材料，但黄教授说在这种情况下没有太多的选择：如果铜的生命不能延长，将不得不使用新材料（如钴）来代替它。

斯坦福团队与Lam Research公司（生产制造芯片的工具）以及来自中国浙江大学的研究人员合作制造并测试复合互连。两个材料天生一对；石墨烯通常通过在铜线上生长而制成。LamResearch开发出了一种专有工艺，在不会损坏芯片其他部分的温度（低于400摄氏度）下完成制作过程。与单纯的铜线相比，复合材料可以有效限制电迁移，使其降到原来的1/10。此外，复合线材的电阻只有原来的一半。

黄教授说，不能再对互连问题置之不理了。“之前，大部分时候我们讨论的都是晶体管。”他说，“而现在不只是晶体管，还有电线、内存——许多以前不是问题的事物都开始成为问题。”

作者：Katherine Bourzac 

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