Ingeniører demo nytt materiale for IC-sammenkoblinger

190th Knowledge Seekers Workshop - Sept 21, 2017 (Juli 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Prototype leverer nåværende tetthet 50 ganger større enn kobberforbindelser; baner vei for mindre kretser

Av Brian Santo, bidragende forfatter

Bildekilde: University of California Riverside.

Halvlederindustrien nærmer seg de fysiske grensene, ikke bare av silisium, men også av kobber, som ofte brukes til sammenkobling av IC. Ingeniører ved University of California at Riverside har demonstrert prototype enheter ved hjelp av zirkonium tritelluride (ZrTe 3 ) som kan utføre en strømtetthet 50 ganger større enn konvensjonelle kobberforbindelser.

Ideelt sett kan bruken av noe eksotisk materiale som opprettholder høye strømtettheter - kanskje ZrTe 3 - gjøre det mulig for halvlederindustrien å fortsette med silisium for noen få enheter.

IC-produsenter stod hovedsakelig på aluminium for sammenkoblinger til omtrent 20 år siden, da industrien flyttet til kobber. Siden kobber er en overlegen leder, behøvde mindre materiale for sammenkoblingene. Som en praktisk sak, bytte materialene hjulpet industrien fortsette å skalere sin krets. Bryteren nødvendiggjorde også utvikling av nytt produksjonsutstyr og prosesser. Det var vanskelig og dyrt, men fordi det gjorde det mulig for industrien å beholde silikonskala i ytterligere to tiår, var det utvilsomt verdt investeringen.

Ved dagens bearbeidingsnoder løper kobber opp mot grenser i dagens tetthet - mengden elektrisk strøm per tverrsnittsareal på et gitt punkt. Siden industrien forsøker å fortsette å måle ICs ned i størrelse, trenger transistorer høyere og høyere nåværende tettheter for å utføre på ønsket nivå. Kobber og de fleste andre konvensjonelle elektriske ledere har en tendens til å bryte på grunn av overoppheting eller andre faktorer ved høy strømdensitet, og presenterer en barriere for å skape stadig mindre komponenter, forklarte UC Riverside forskere.

Industrien har derfor undersøkt andre materialer som potensielle erstatninger for kobber, akkurat som kobber en gang har erstattet aluminium.

Noen selskaper bruker allerede alternativer til kobber ved de minste prosessnoder. Det er blitt rapportert at både Intel og GlobalFoundries bruker kobolt for noen sammenkoblinger ved 10 nm-noden. Kobolt er bedre enn kobber, men ikke mye.

Bransjen ser også på mer eksotiske alternativer som kan gi betydelig høyere nåværende tettheter. Bemerkelsesverdig blant dem er grafen, som nylig ble oppdaget å være superledende . Grafene regnes som et todimensjonalt (2D) materiale ved at det kan opprettes i ark som er et enkelt atomslag tykt. Forskere har klart å skape det de kaller nanoribbons av grafen ned til noen atomer bredt.

Men hvis 2D er bra, ville ikke 1D bli bedre? Spørsmålet ga en undersøkelse av potensiell bruk av materialer som kan fremstilles som enkeltatomstrenger. De er ikke teknisk 1D, men de er så nært som du kan få. Når forskere er omhyggelig om terminologi, kaller de enkeltstrengsmaterialer "kvasi-en-dimensjonal".

Forskningen ved UC Riverside er ledet av Alexander A. Balandin, professor i elektroteknikk og datateknikk. Han og hans team har oppdaget at ZrTe 3 har en eksepsjonelt høy strømtetthet som langt overskrider den av noen vanlige metaller som kobber.

Kobber har en strømtetthet på 2 MA / cm 2 til 3 MA / cm 2 . Zirkoniumtritellurid har en strømtetthet på ca 100 MA / cm 2, ifølge et UC Riverside-forskningspapir.

Hittil har forskere fra UC Riverside kuttet nanoribbons av ZrTe 3 fra ark av materialet, men laget er sikker på at det vil være mulig å behandle materialet som 1D-tråder. ZrTe 3 nanoribbons kan gjøres til enten nanometerskala lokale sammenkoblinger eller enhetskanaler for komponenter av de minste enhetene, sier UC Riverside.

"Konvensjonelle metaller er polykrystallinske", sa Balandin. "De har korngrenser og overflateruhet, som sprer elektroner. Kvasi-en-dimensjonale materialer som ZrTe 3 består av single-crystal atomkjeder i en retning. De har ikke korngrenser og har ofte atomisk glatte overflater etter peeling. Vi tilskrev den eksepsjonelt høye strømtettheten i ZrTe 3 til den enkeltkrystalliske typen av kvasi-1D-materialer. "

Mens bulkresistiviteten til 1D er høyere enn for kobber, fortalte Balandin elektroniske produkter, det forventes at det ikke vil nedbryte så fort som kobberens resistivitet gjør med et avtagende tverrsnittsareal.

Så langt har ZrTe 3- kvanta-ledninger nåværende tettheter høyere enn rapportert for noen metaller eller andre 1D-materialer - og nærmer nå dagens tetthet i karbonnanorør og grafen.

Balandin sa at teamet hans har forsøkt flere andre materialer, og at tantal triselenide (TaSe 3 ) også har løfte som en halvlederkobling.

Teamet har produsert en prototype som demonstrerer evnen til å lage ZrTe 3 nanoribbons på et silisium / silisiumdioksyd-substrat, men Balandin fortalte elektroniske produkter at han og hans team ennå ikke har laget en funksjonell enhet.

Hvis den nåværende tettheten av ZrTe 3 er tilstrekkelig for de neste par noder av halvlederproduksjon, kan være 1D være mer en fordel enn å være superledende. Den praktiske bruken av ZrTe 3 vil også være basert på hvor godt det kan legges til produksjonen av silisium. UC Riversideforskerne rapporterer at de utvikler en prosess for å dyrke ZrTe 3 nanoribbons direkte på silisiumplater.

På spørsmål om muligheten for å bruke ZrTe 3 med standard CMOS produksjonsutstyr, sa Balandin: "Prosjektet er finansiert av Semiconductor Research Corporation (SRC) med industrielle kontakter fra Intel Corporation. På dette tidspunktet er industrien åpen for materiale som kan levere høy strømtetthet i små tverrsnitt og med akseptabel motstand. Våre materialer har vist rekordhøy strømtetthet. "