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南佛罗里达大学的研究人员最近开发了一种新方法来减轻最先进集成电路中无处不在的纳米级电子互连中的电迁移。这是通过用六方氮化硼 (hBN) 涂覆铜金属互连实现的，这是一种原子级薄的绝缘二维 (2-D) 材料，与“神奇材料”石墨烯具有相似的结构。
电迁移是电流通过导体引起材料原子级腐蚀，最终导致器件故障的现象。传统的半导体技术通过使用阻挡层或衬垫材料来解决这一挑战，但这会占用晶片上宝贵的空间，否则这些空间可用于封装更多晶体管。USF 机械工程助理教授 Michael Cai Wang 的方法实现了同样的目标，但使用了世界上最薄的材料，即二维 (2-D) 材料。
“这项工作为研究金属和 ångström 级二维材料之间的界面相互作用提供了新的机会。提高电子和半导体器件的性能只是这项研究的一个结果。这项研究的结果开辟了新的可能性，有助于推进未来的半导体制造和集成的电路，”王说。“我们使用单层 hBN 作为屏障材料的新型封装策略能够进一步扩大器件密度和摩尔定律的进展。” 作为参考，纳米是人类头发厚度的 1/60,000，而 ångström 是纳米的十分之一。处理如此薄的二维材料需要极高的精度和细致的处理。
在他们最近发表在《先进电子材料》杂志上的研究中，通过芯片制造后道工艺 (BEOL) 兼容方法用单层 hBN 钝化的铜互连显示出超过 2500% 的器件寿命和高出 20% 以上的电流密度。否则相同的控制设备。与传统的阻挡层/衬垫材料相比，这种改进加上 hBN 的超薄，可以进一步提高集成电路的密度。这些发现将有助于提高设备效率并降低能耗。
“随着对电动汽车和自动驾驶的需求不断增长，对更高效计算的需求呈指数级增长。更高集成电路密度和效率的承诺将有助于开发更好的 ASIC（专用集成电路），以适应这些新兴的清洁能源需要。” 该研究的第一作者、Wang 团队的校友 Yunjo Jeong 解释说。
一辆普通的现代汽车有数百个微电子元件，这些微小但关键的元件的重要性在最近的全球芯片短缺中尤为突出。提高这些集成电路的设计和制造效率将是减轻未来供应链可能出现的中断的关键。王和他的学生现在正在研究将他们的过程加速到晶圆厂规模的方法。
“我们的发现不仅限于半导体研究中的电互连。我们能够实现如此巨大的互连设备改进这一事实意味着二维材料也可以应用于各种其他场景。”王补充道。
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