石墨烯互連技術(shù):延續(xù)摩爾定律的新希望

半導(dǎo)體行業(yè)長(zhǎng)期秉持的摩爾定律（該定律規(guī)定芯片上的晶體管密度大約每?jī)赡陸?yīng)翻一番）越來(lái)越難以維持?？s小晶體管及其間互連的能力正遭遇一些基本的物理限制。特別是，當(dāng)銅互連按比例縮小時(shí)，其電阻率急劇上升，這會(huì)減少它們可承載的信息量并增加能耗。 該行業(yè)一直在尋找替代的互連材料，以讓摩爾定律的發(fā)展進(jìn)程延續(xù)得更久一點(diǎn)。從很多方面來(lái)說(shuō)，石墨烯是一個(gè)非常有吸引力的選擇：這種薄片狀的碳材料具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，并且比金剛石還堅(jiān)硬。

然而，研究人員在將石墨烯納入主流計(jì)算應(yīng)用方面一直舉步維艱，主要有兩個(gè)原因。首先，沉積石墨烯需要高溫，這與傳統(tǒng)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）制造工藝不兼容。其次，未摻雜的宏觀石墨烯片的載流子密度相對(duì)較低。

現(xiàn)在，位于美國(guó)加利福尼亞州米爾皮塔斯（Milpitas）的一家初創(chuàng)公司Destination 2D聲稱已經(jīng)解決了這兩個(gè)問(wèn)題。Destination 2D的團(tuán)隊(duì)展示了一種在300°C的溫度下將石墨烯互連沉積到芯片上的技術(shù)，這個(gè)溫度足夠低，能夠通過(guò)傳統(tǒng)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。他們還開(kāi)發(fā)了一種摻雜石墨烯片的方法，據(jù)Destination 2D的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官Kaustav Banerjee稱，這種方法可使電流密度達(dá)到銅的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，也就是本質(zhì)上的CMOS技術(shù)中，到目前為止人們還未能使用（石墨烯）。”Banerjee說(shuō)道。

Destination 2D并非唯一一家致力于石墨烯互連技術(shù)的公司。臺(tái)積電（TSMC）和三星（Samsung）也在努力使這項(xiàng)技術(shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。然而，Banerjee聲稱，Destination 2D是唯一一家展示了直接在晶體管芯片頂部沉積石墨烯的公司，而不是先單獨(dú)制備互連部件，然后再將其附著到芯片上。

低溫沉積石墨烯

石墨烯于2004年首次被分離出來(lái)，當(dāng)時(shí)研究人員用膠帶從石墨塊上剝離出石墨烯薄片。這種材料被認(rèn)為非常有前景，以至于在2010年這一成果獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。（諾貝爾獎(jiǎng)共同獲得者Konstantin Novoselov現(xiàn)在是Destination 2D的首席科學(xué)家）。

然而，用膠帶小心地從鉛筆芯上剝離石墨烯絕不是一種可大規(guī)模生產(chǎn)的方法。為了可靠地制造石墨烯結(jié)構(gòu)，研究人員已經(jīng)轉(zhuǎn)向化學(xué)氣相沉積法，即將碳?xì)怏w沉積到受熱的基底上。這通常需要的溫度遠(yuǎn)高于CMOS制造中大約400°C的最高工作溫度。

Destination 2D

Destination 2D使用了一種在加州大學(xué)圣巴巴拉分校Banerjee實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的壓力輔助直接沉積技術(shù)。Banerjee稱這種技術(shù)為壓力輔助固相擴(kuò)散，它使用一種犧牲金屬膜，如鎳。犧牲膜被放置在晶體管芯片的頂部，碳源沉積在其上方。然后，使用大約410到550千帕（60到80磅每平方英寸）的壓力，碳被迫穿過(guò)犧牲金屬，并在下方重新結(jié)合成干凈的多層石墨烯。然后簡(jiǎn)單地去除犧牲金屬，將石墨烯留在芯片上進(jìn)行排列。這項(xiàng)技術(shù)在300°C下工作，溫度足夠低，不會(huì)損壞下方的晶體管。

提高石墨烯的電流密度

在石墨烯互連排列之后，對(duì)石墨烯層進(jìn)行摻雜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（intercalation）的摻雜技術(shù)，即將摻雜原子擴(kuò)散到石墨烯片層之間。 摻雜原子可以有多種，例如氯化鐵、溴和鋰。一旦注入，摻雜劑就會(huì)向石墨烯片層提供電子（或者說(shuō)材料中的對(duì)應(yīng)物，電子空穴），從而實(shí)現(xiàn)更高的電流密度?！安鍖踊瘜W(xué)是一個(gè)非常古老的學(xué)科，”Banerjee說(shuō)，“我們只是將這種插層技術(shù)應(yīng)用到石墨烯中，這是一種創(chuàng)新?！?/p>

這項(xiàng)技術(shù)有一個(gè)很有前景的特點(diǎn)——與銅不同，隨著石墨烯互連尺寸縮小，其載流能力會(huì)提高。這是因?yàn)閷?duì)于更細(xì)的線路，插層技術(shù)變得更加有效。Banerjee認(rèn)為，這將使他們的技術(shù)能夠在未來(lái)支持多代半導(dǎo)體技術(shù)。

Destination 2D已經(jīng)在芯片層面展示了他們的石墨烯互連技術(shù)，并且他們還開(kāi)發(fā)了可在制造工廠中應(yīng)用的晶圓級(jí)沉積工具。他們希望與代工廠合作，將他們的技術(shù)用于研發(fā)，并最終用于生產(chǎn)。