【產(chǎn)通社，12月27日訊】自從2004年發(fā)現(xiàn)石墨烯這種柔性的二維石墨形式(想象一下1個原子厚的鉛筆芯)以來，世界各地的研究人員一直在努力開發(fā)這種高性能材料的商業(yè)應(yīng)用。

石墨烯的強度是鋼的100至300倍，最大電流密度比銅大幾個數(shù)量級，這使它成為地球上最強、最薄、迄今為止最可靠的導(dǎo)電材料。因此，它是一種非常有前途的互連材料，互連是現(xiàn)代世界中計算機和其他電子設(shè)備中連接微芯片上數(shù)十億個晶體管的基本組件。

二十多年來，互連一直由銅制成，但隨著包含銅的電子元件縮小到納米級，這種金屬遇到了基本的物理限制。“當(dāng)你減小銅線的尺寸時，它們的電阻率會猛增，”電子和計算機工程系的教授Kaustav Banerjee說。“電阻率是一種不應(yīng)該改變的材料屬性，但在納米尺度上，所有屬性都會改變。”

“無論是什么組件，無論是電感器、互連、天線，還是任何你想用石墨烯做的事情，只有找到一種將石墨烯直接合成到硅片上的方法，工業(yè)才會向前發(fā)展，”Banerjee說。他解釋說，所有與晶體管相關(guān)的制造過程都被稱為“前端”，晶體管是最先制造出來的要在后端合成某種東西，也就是在晶體管制造出來之后，你面臨著一個嚴格的熱預(yù)算，溫度不能超過約500攝氏度。如果硅晶片在用于制造互連的后端工藝中變得太熱，芯片上已經(jīng)存在的其他元件可能會被損壞，或者一些雜質(zhì)可能會開始擴散，從而改變晶體管的特性。

現(xiàn)在，經(jīng)過十年來對實現(xiàn)石墨烯互連的探索，Banerjee的實驗室開發(fā)出了一種實現(xiàn)高導(dǎo)電性、納米級摻雜多層石墨烯(DMG)互連的方法，這種互連與集成電路的大規(guī)模制造兼容。一篇描述這一新過程的論文在2018年IEEE國際電子設(shè)備會議(IEDM)上被評為最佳論文之一，來自230多篇被接受進行口頭陳述的論文。這也是《自然電子》雜志第一期年度“IEDM集錦”中僅有的兩篇論文之一。

Banerjee在2008年IEDM會議上首次提出了使用摻雜多層石墨烯的想法，并一直致力于此。2017年2月，他通過高溫下多層石墨烯的化學(xué)氣相沉積(CVD)在實驗上實現(xiàn)了這一想法，隨后將其轉(zhuǎn)移到硅片上，然后對多層石墨烯進行圖案化，隨后進行摻雜。對寬度低至20納米的DMG互連導(dǎo)電性的電學(xué)表征證實了2008年提出的想法的有效性。然而，該工藝不是“CMOS兼容的”(制造集成電路的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)規(guī)模工藝)，因為CVD工藝的溫度遠遠超過后端工藝的熱預(yù)算。

為了克服這一瓶頸，Banerjee的團隊開發(fā)了一種獨特的壓力輔助固相擴散方法，用于在后端CMOS工藝中使用的典型電介質(zhì)基底上直接合成大面積的高質(zhì)量多層石墨烯。在冶金學(xué)領(lǐng)域眾所周知并經(jīng)常用于形成合金的固相擴散，包括對緊密接觸的兩種不同材料施加壓力和溫度，以使它們相互擴散。

Banerjee團隊以一種新穎的方式運用了這項技術(shù)。他們首先將石墨粉末形式的固相碳沉積到優(yōu)化厚度的鎳金屬沉積層上。然后，他們對石墨粉加熱(300攝氏度)并施加額定壓力，以幫助分解石墨。碳在鎳中的高擴散性允許它快速穿過金屬膜。

有多少碳流過鎳取決于它的厚度和它所含的顆粒數(shù)量�！邦w粒”是指沉積的鎳不是單晶金屬，而是多晶金屬，這意味著它具有兩個單晶區(qū)域彼此相遇但沒有完全對齊的區(qū)域。這些區(qū)域被稱為晶界，外部粒子——在這種情況下，是碳原子——很容易通過它們擴散。碳原子然后在鎳的另一個表面上重組，更靠近電介質(zhì)基底，形成多個石墨烯層。

Banerjee的小組能夠控制生產(chǎn)最佳厚度石墨烯的工藝條件。“對于互連應(yīng)用，我們知道需要多少層石墨烯，”Banerjee實驗室的博士生、2018年IEDM論文的第一作者蔣俊凱說�！耙虼�，我們優(yōu)化了鎳的厚度和其他工藝參數(shù)，以精確地獲得我們想要的電介質(zhì)表面的石墨烯層數(shù)。”隨后，我們簡單地通過蝕刻去除鎳，這樣剩下的只是非常高質(zhì)量的石墨烯——實際上與通過CVD在非常高的溫度下生長的石墨烯質(zhì)量相同，”因為我們的工藝涉及相對較低的溫度，不會對芯片上的其他制造元件(包括晶體管)構(gòu)成威脅，所以我們可以在它們上面制作互連。"

Banerjee已經(jīng)就該工藝申請了臨時專利，克服了迄今為止阻止石墨烯取代銅的障礙。一句話，石墨烯互連有助于創(chuàng)造更快、更小、更輕、更靈活、更可靠和更具成本效益的集成電路。Banerjee目前正在與有興趣獲得這種CMOS兼容石墨烯合成技術(shù)許可的行業(yè)合作伙伴進行談判，這可能為第一種進入主流半導(dǎo)體行業(yè)的2D材料鋪平道路。

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