Die Forscher der University of South Florida haben kürzlich einen neuartigen Ansatz zur Eindämmung der Elektromigration in elektronischen Verbindungen im Nanomaßstab entwickelt, die in hochmodernen integrierten Schaltkreisen allgegenwärtig sind. Dies wurde durch die Beschichtung von Kupfermetallverbindungen mit hexagonalem Bornitrid (hBN) erreicht, einem atomar dünnen isolierenden zweidimensionalen (2-D) Material, das eine ähnliche Struktur wie das „Wundermaterial“ Graphen aufweist.
Elektromigration ist das Phänomen, bei dem ein elektrischer Strom, der durch einen Leiter fließt, eine Erosion des Materials auf atomarer Ebene verursacht, was schließlich zum Ausfall des Geräts führt. Konventionell Halbleiter Technologie Bewältigt diese Herausforderung durch die Verwendung eines Barriere- oder Linermaterials, das jedoch wertvollen Platz auf dem Wafer einnimmt, der andernfalls für die Unterbringung weiterer Transistoren genutzt werden könnte. Der Ansatz von Michael Cai Wang, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der USF, erreicht dasselbe Ziel, jedoch mit den dünnsten möglichen Materialien der Welt, zweidimensionalen (2-D) Materialien.
„Diese Arbeit eröffnet neue Möglichkeiten für die Erforschung der Grenzflächenwechselwirkungen zwischen Metallen und 2D-Materialien im Ångström-Maßstab. Verbesserung elektronischer und Halbleiter Die Geräteleistung ist nur ein Ergebnis dieser Forschung. „Die Ergebnisse dieser Studie eröffnen neue Möglichkeiten, die dazu beitragen können, die zukünftige Herstellung von Halbleitern und integrierten Schaltkreisen voranzutreiben“, sagte Wang. „Unsere neuartige Verkapselungsstrategie mit einschichtigem hBN als Barrierematerial ermöglicht eine weitere Skalierung der Gerätedichte und die Weiterentwicklung des Mooreschen Gesetzes.“ Zur Veranschaulichung: Ein Nanometer entspricht 1/60,000 der Dicke eines menschlichen Haares und ein Ångström entspricht einem Zehntel Nanometer. Die Bearbeitung von 2D-Materialien dieser geringen Dicke erfordert höchste Präzision und sorgfältige Handhabung.
In ihrer kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Fortgeschrittener elektronisch MaterialienKupferverbindungen, die über einen Back-End-of-Line (BEOL)-kompatiblen Ansatz mit einer Monoschicht hBN passiviert wurden, zeigten eine um mehr als 2500 % längere Gerätelebensdauer und eine um mehr als 20 % höhere Stromdichte als ansonsten identische Steuergeräte. Diese Verbesserung ermöglicht in Verbindung mit der Ångström-dünnen hBN im Vergleich zu herkömmlichen Barriere-/Linermaterialien eine weitere Verdichtung integrierter Schaltkreise. Diese Erkenntnisse werden dazu beitragen, die Geräteeffizienz zu steigern und den Energieverbrauch zu senken.
„Mit der wachsenden Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und autonomem Fahren ist die Nachfrage nach effizienterer Datenverarbeitung exponentiell gewachsen. Das Versprechen einer höheren Dichte und Effizienz integrierter Schaltkreise wird die Entwicklung besserer ASICs (anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreise) ermöglichen, die auf diesen neuen Bedarf an sauberer Energie zugeschnitten sind“, erklärte Yunjo Jeong, ein Absolvent von Wangs Gruppe und Erstautor der Studie.
Ein durchschnittliches modernes Auto verfügt über Hunderte mikroelektronischer Komponenten, und die Bedeutung dieser winzigen, aber kritischen Komponenten wurde durch die jüngste weltweite Chipknappheit besonders deutlich. Eine effizientere Gestaltung und Herstellung dieser integrierten Schaltkreise wird der Schlüssel zur Abmilderung möglicher künftiger Störungen der Lieferkette sein. Wang und seine Studenten untersuchen nun Möglichkeiten, ihren Prozess auf den Fab-Maßstab zu beschleunigen.
„Unsere Erkenntnisse beschränken sich nicht nur auf elektrische Verbindungen in Halbleiter Forschung. Die Tatsache, dass wir eine derart drastische Verbesserung der Verbindungsgeräte erreichen konnten, bedeutet, dass 2D-Materialien auch in einer Vielzahl anderer Szenarien eingesetzt werden können.“ Wang fügte hinzu.