Forskare vid University of South Florida utvecklade nyligen ett nytt tillvägagångssätt för att mildra elektromigrering i elektroniska sammankopplingar i nanoskala som är allestädes närvarande i toppmoderna integrerade kretsar. Detta uppnåddes genom att belägga kopparmetallförbindelser med hexagonal bornitrid (hBN), ett atomärt tunt isolerande tvådimensionellt (2D) material som delar en liknande struktur som "undermaterialet" grafen.

Elektromigrering är fenomenet där en elektrisk ström som passerar genom en ledare orsakar atomär erosion av materialet, så småningom resulterar i enhetsfel. Konventionell halvledarteknologi tar itu med denna utmaning genom att använda ett barriär- eller fodermaterial, men detta tar upp dyrbar plats på wafern som annars skulle kunna användas för att packa in fler transistorer. USF maskinteknik biträdande professor Michael Cai Wangs tillvägagångssätt uppnår samma mål, men med de tunnaste möjliga materialen i världen, tvådimensionella (2D) material.

"Detta arbete introducerar nya möjligheter för forskning om gränssnittsinteraktioner mellan metaller och ångströmska 2D-material. Förbättring av elektroniska och halvledarenheters prestanda är bara ett resultat av denna forskning. Resultaten från denna studie öppnar för nya möjligheter som kan hjälpa till att utvecklas framtida tillverkning av halvledare och integrerade kretsar, " Sa Wang. "Vår nya inkapslingsstrategi med enskikts-hBN som barriärmaterial möjliggör ytterligare skalning av enhetstätheten och utvecklingen av Moores lag." en nanometer är 1/60, 000 av tjockleken på människohår, och en ångström är en tiondels nanometer. Att manipulera 2D-material med sådan tunnhet kräver extrem precision och noggrann hantering.

I deras senaste studie publicerad i tidskriften Avancerat elektroniskt material , Kopparkopplingar passiverade med ett monolager hBN via ett back-end-of-line (BEOL)-kompatibelt tillvägagångssätt uppvisade mer än 2500 % längre livslängd för enheten och mer än 20 % högre strömtäthet än annars identiska styrenheter. Denna förbättring, i kombination med ångströmstunheten hos hBN jämfört med konventionella barriär-/linermaterial, möjliggör ytterligare förtätning av integrerade kretsar. Dessa resultat kommer att bidra till att förbättra enhetens effektivitet och minska energiförbrukningen.

"Med den växande efterfrågan på elfordon och autonom körning, efterfrågan på effektivare datoranvändning har ökat exponentiellt. Löftet om högre täthet och effektivitet för integrerade kretsar kommer att möjliggöra utveckling av bättre ASICs (applikationsspecifika integrerade kretsar) skräddarsydda för dessa nya behov av ren energi." förklarade Yunjo Jeong, en alumn från Wangs grupp och första författare till studien.

En genomsnittlig modern bil har hundratals mikroelektroniska komponenter, och betydelsen av dessa små men kritiska komponenter har särskilt belysts genom den senaste tidens globala chipbrist. Att göra konstruktionen och tillverkningen av dessa integrerade kretsar mer effektiv kommer att vara nyckeln till att mildra eventuella framtida störningar i försörjningskedjan. Wang och hans elever undersöker nu sätt att påskynda sin process till den fantastiska skalan.

"Våra resultat är inte bara begränsade till elektriska sammankopplingar i halvledarforskning. Det faktum att vi kunde uppnå en så drastisk förbättring av sammankopplingsanordningar innebär att 2D-material också kan tillämpas på en mängd andra scenarier." Wang tillade.