Ingenieure demonstrieren neues Material für IC-Verbindungen

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Prototyp liefert 50-mal höhere Stromdichte als Kupferverbindungen; ebnet den Weg für kleinere ICs

Von Brian Santo, beitragender Autor

Bildquelle: University of California Riverside.

Die Halbleiterindustrie nähert sich schnell den physikalischen Grenzen nicht nur von Silizium, sondern auch von Kupfer, das üblicherweise für IC-Verbindungen verwendet wird. Ingenieure an der Universität von Kalifornien in Riverside haben Prototyp-Geräte demonstriert, die Zirkonium-Tritellurid (ZrTe 3 ) verwenden, das eine Stromdichte führen kann, die 50-mal höher ist als bei herkömmlichen Kupfer-Verbindungen.

Idealerweise wird die Verwendung von exotischem Material, das hohe Stromdichten aushalten kann - vielleicht ZrTe 3 - die Halbleiterindustrie in die Lage versetzen, mit Silizium für einige zusätzliche Gerätegenerationen fortzufahren.

Bis vor etwa 20 Jahren, als die Industrie auf Kupfer umstellte, stützte sich der IC-Hersteller vor allem auf Aluminium. Da Kupfer ein überlegener Leiter ist, wurde weniger Material für die Verbindungen benötigt. In der Praxis half der Austausch der Materialien der Industrie, ihre Schaltkreise weiter zu skalieren. Der Wechsel erforderte auch die Entwicklung neuer Produktionsanlagen und -prozesse. Es war schwierig und teuer, aber weil es der Industrie ermöglichte, Silizium für weitere zwei Jahrzehnte zu skalieren, war es zweifellos die Investition wert.

Bei den heutigen Verarbeitungsknoten läuft Kupfer gegen Grenzen der Stromdichte - die Menge an elektrischem Strom pro Querschnittsfläche an einem gegebenen Punkt. Während die Industrie versucht, ICs weiter in ihrer Größe zu skalieren, benötigen Transistoren höhere und höhere Stromdichten, um auf dem gewünschten Niveau zu arbeiten. Kupfer und die meisten anderen konventionellen elektrischen Leiter neigen dazu, aufgrund von Überhitzung oder anderen Faktoren bei hohen Stromdichten zu brechen, was eine Barriere darstellt, um immer kleinere Komponenten zu erzeugen, erklärten Forscher von UC Riverside.

Daher hat die Industrie andere Materialien als potenziellen Ersatz für Kupfer untersucht, ebenso wie Kupfer einmal Aluminium ersetzt hat.

Einige Unternehmen verwenden bereits Alternativen zu Kupfer bei den kleinsten Verarbeitungsknoten. Es wurde berichtet, dass sowohl Intel als auch GlobalFoundries Cobalt für einige Verbindungen am 10-nm-Knoten verwenden. Kobalt ist besser als Kupfer, aber nicht viel.

Die Industrie sucht auch nach exotischeren Alternativen, die wesentlich höhere Stromdichten bieten können. Bemerkenswert unter ihnen ist Graphen, von dem kürzlich entdeckt wurde, dass es supraleitend ist . Graphen wird als ein zweidimensionales (2D) Material betrachtet, da es in Schichten erzeugt werden kann, die eine einzelne Atomschicht dick sind. Forscher konnten Nanorippen aus Graphen bis zu einigen wenigen Atomen erzeugen.

Aber wenn 2D gut ist, wäre 1D nicht besser? Die Frage löste eine Untersuchung über die mögliche Verwendung von Materialien, die als Einzelatomstränge hergestellt werden können. Sie sind technisch nicht 1D, aber sie sind so nah wie du nur kannst. Wenn Forscher die Terminologie genau kennen, nennen sie einsträngige Materialien "quasi-eindimensional".

Die Forschung am UC Riverside wird von Alexander A. Balandin, Professor für Elektrotechnik und Computertechnik, geleitet. Er und sein Team haben herausgefunden, dass ZrTe 3 eine außergewöhnlich hohe Stromdichte aufweist, die die von herkömmlichen Metallen wie Kupfer weit übersteigt.

Kupfer hat eine Stromdichte von 2 MA / cm 2 bis 3 MA / cm 2 . Zirkontritellurid hat eine Stromdichte von etwa 100 MA / cm 2, entsprechend einer UC Riverside-Forschungsarbeit.

Bisher haben Forscher von UC Riverside Nanobänder aus ZrTe 3 aus Materialbahnen geschnitten, aber das Team ist zuversichtlich, dass es möglich sein wird, das Material als 1D-Stränge zu verarbeiten. ZrTe 3- Nanobänder könnten entweder in Nanometer-Maßstab lokale Verbindungen oder Gerätekanäle für Komponenten der kleinsten Geräte gemacht werden, sagte UC Riverside.

"Konventionelle Metalle sind polykristallin", sagte Balandin. "Sie haben Korngrenzen und Oberflächenrauhigkeiten, die Elektronen streuen. Quasi-eindimensionale Materialien wie ZrTe 3 bestehen aus einkristallinen Atomketten in einer Richtung. Sie haben keine Korngrenzen und haben oft nach dem Abblättern atomar glatte Oberflächen. Wir haben die außergewöhnlich hohe Stromdichte in ZrTe 3 der Einkristall-Natur von quasi-1D-Materialien zugeschrieben. "

Während der Volumenwiderstand des 1D höher ist als der von Kupfer, sagte Balandin Electronic Products, wird erwartet, dass es nicht so schnell abgebaut wird, wie der spezifische Widerstand von Kupfer mit einer abnehmenden Querschnittsfläche.

Bisher weisen ZrTe 3 -Quantendrähte höhere Stromdichten auf als für Metalle oder andere 1D-Materialien berichtet - und erreichen fast die aktuelle Dichte in Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Graphen.

Balandin sagte, dass sein Team mehrere andere Materialien ausprobiert habe und dass Tantal-Triselenid (TaSe 3 ) auch eine vielversprechende Halbleiterverbindung darstellt.

Das Team hat einen Prototyp produziert, der die Fähigkeit demonstriert, ZrTe 3- Nanobänder auf einem Silizium / Siliziumdioxid-Substrat zu erzeugen, aber Balandin sagte Electronic Products, dass er und sein Team noch kein funktionelles Gerät hergestellt haben.

Wenn die Stromdichte von ZrTe 3 für die nächsten wenigen Knoten der Halbleiterherstellung ausreichend ist, könnte 1D mehr von Vorteil sein als supraleitend. Die praktische Anwendbarkeit von ZrTe 3 würde auch davon abhängen, wie gut es dem Siliziumherstellungsprozess hinzugefügt werden kann. Die Forscher von UC Riverside berichten, dass sie einen Prozess entwickeln, mit dem ZrTe 3- Nanobänder direkt auf Siliziumwafern gezüchtet werden können.

Auf die Frage nach der Möglichkeit, ZrTe 3 mit Standard-CMOS-Produktionsanlagen zu verwenden, sagte Balandin: "Das Projekt wird von der Semiconductor Research Corporation (SRC) mit industriellen Verbindungen von der Intel Corporation finanziert. An diesem Punkt ist die Industrie offen für jedes Material, das eine hohe Stromdichte in kleinen Querschnitten und mit akzeptablem Widerstand liefern kann. Unsere Materialien haben Rekord-hohe Stromdichte gezeigt. "