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石墨烯芯片可望延续摩尔定律

石墨烯将催生半导体材料的下一个重大创新…

我相信,石墨烯(graphene)将在未来催生半导体材料的下一个重大创新。

材料创新一直是半导体产业中重要的一环。过去,最重要的是高κ闸极介电质;现在,则是钴成为在半导体中段制程(middle-of-line;MOL)触点中替代钨的重要元素。

2004年发现的石墨烯,是迄今最轻薄但最强大的材料。它是碳的一个原子层,它比钢更强劲200倍,同时也是人类已知最轻薄的材料——每平方公尺的重量约0.77毫克(mg)。它同时也是室温下的理想导电和导热体。

由于石墨烯是一个原子层,因此既柔软且透明。它还能在可见光与近红外线频谱范围展现均匀吸收光的能力,而且适用于自旋电子元件。

针对即将出现的新半导体制程节点,石墨烯将在其先进封装与互连材料方面发挥重要作用。在3D IC封装中,石墨烯可作为散热片,用于降低整体热阻,或作为EMI屏蔽,以降低串扰。

主动式石墨烯元件层可经由低温转换制程(< 400°C)彼此堆叠,实现支援近记忆体运算(memory-near-compute)的高密度异质元件。这是目前美国国防部先进计划署(DARPA)目前正积极研究的一个领域,同时也是其15亿美元电子振兴计划的一部份。

至于互连,铜的动能逐渐消逝,而成为重大的IC瓶颈,预计在7nm节点时达到40%的延迟。石墨烯由于具有较高的电子迁移率和导热性,使其成为半导体中段和后段制程中更具吸引力的互连材料,特别是在线宽< 30nm时。

基于石墨烯的半导体应用已经开始进入市场。在今年于巴塞隆纳举行的世界行动通讯大会(MWC 2018)展出了一款整合石墨烯调变器和光探测器的新型光收发器,可实现高达每通道25Gbits/s的速度。美国圣地亚哥一家公司Nanomedical Diagnostics已经开始销售使用石墨烯生物感测器的医疗装置了。而在欧洲,Emberion正在打造石墨烯光电感测器,用于改善低光条件下的感测能力,还可望在光达应用中找到一席之地。

离子布植(ion implantation)技术的发展历史正是石墨烯如何用于半导体产业的最佳写照——从基础科学发现演变至实验室研究,再进展到实际于厂房制造的过程。

在离子布植技术发展之初,半导体产业当时的主流观点并不看好这种技术实际可行(相对于热扩散),就算它能起什么作用,也只是略微提高现有产品的制造产量。从核子物理研究转移离子轰击技术到半导体生产并不明显。

后来,英国物理学家Peter Rose主导的Varian公司打造了一种新的先进离子布植工具,美国德州DRAM制造商Mostek已经用它制造出具有竞争优势的MOS IC了。Varian和Mostek双方的成功合作是离子布植发展成为主要的半导体制程之转折点。

在其后几年,晶片公司在越来越多的制程步骤中导入离子布植技术。大约在1970年代后,它逐渐成为半导体制造所使用的主要制程之一。

同样地,石墨烯产业也必须与半导体产业密切合作,共同开发足以克服石墨烯挑战的工具和技术。唯有如此,我们才能完全实现包含这种2D材料的未来。

石墨烯的挑战包括在大面积上生长具有良好均匀性的材料。此外,如何以CMOS相容方式转移石墨烯以及实现高吞吐量等方面也存在需要解决的问题。

编译:Susan Hong

(参考原文:Graphene Chips in for Moore's Law,by Anand Chamarthy)

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