Уменьшение размеров транзисторов и цепей в целом всегда было простым путём к повышению производительности чипов. Всё это работало ровно до того момента, как размеры элементов вплотную приблизились к масштабу атомов. На дыбы встала сама физика материалов, электрические и физические свойства которых перестали выполнять свои задачи — точно и под полным контролем передавать электрические сигналы. Диэлектрики не стали исключением и тоже пошли в разнос.

Проблему диэлектриков и изоляционных материалов для чипов атомарного масштаба среди прочих изучают учёные из Сингапура. Так, исследователи из Национального университета Сингапура (NUS) создали сверхтонкую углеродную плёнку толщиной всего 0,8 нм, которая может помочь продолжить уменьшение размеров компьютерных чипов. И что самое обнадёживающее — они ещё весной передали эти знания инженерам из тайваньской компании TSMC, которые занялись вопросами адаптации разработки к запуску в промышленное производство.

На удивление, аморфный углерод проявил необычное сочетание сверхнизкой диэлектрической проницаемости, высокой механической прочности и способности блокировать диффузию атомов металлов — это фактически базовый набор свойств, которые становятся критически важными по мере дальнейшей миниатюризации микросхем. Этакое комбо, способное разом пробить проход в будущее производства чипов.

Одна из проблем современных процессоров заключается не только в уменьшении транзисторов, но и в усложнении системы проводников — металлических соединений между ними. Внутри передовых чипов миллиарды транзисторов соединены тончайшими медными проводниками, расстояние между которыми постоянно сокращается. При слишком плотной упаковке возникает паразитная ёмкость: соседние линии начинают влиять друг на друга, увеличивая энергопотребление и замедляя передачу сигналов. Для решения этой проблемы нужны изоляторы с очень низкой диэлектрической постоянной (low-k материалы), однако обычные пористые диэлектрики теряют механическую стабильность при толщине в несколько нанометров и не могут быть использованы в дальнейшем.

Предложенный учёными материал представляет собой аморфный углерод с преобладанием связей типа sp². Даже при толщине всего 0,8 нм он сохраняет диэлектрическую постоянную около 1,35 — значение, близкое к вакууму (1,0). При этом плёнка выдерживает электрическое поле напряжённостью 28–31 МВ/см, что значительно превышает показатели некоторых перспективных ультратонких изоляторов, например аморфного нитрида бора. Дополнительным преимуществом стала высокая твёрдость — около 100 ГПа, что примерно на порядок выше, чем у традиционного диоксида кремния.

Кроме изоляции соседних проводников, углеродная плёнка способна выполнять роль барьерного слоя против миграции металлов. В современных чипах для предотвращения проникновения меди в окружающие материалы обычно требуется отдельный слой нитрида тантала, но он занимает ценное пространство. Новый углеродный материал совмещает обе функции: он снижает паразитную ёмкость и одновременно препятствует движению ионов металла. Испытания показали, что даже слой толщиной 0,8 нм в 100 раз превосходит барьерные свойства нитрида тантала, широко применяющегося в современном производстве чипов.

Также неплохо, что углеродную плёнку можно создавать при относительно невысокой температуре 300 °C методом химического осаждения из газовой фазы и не только на ровную подложку, но на все неровности и углубления, что создаёт перспективы для 3D-компоновки элементов чипа. Не исключено, что компания TSMC первой применит эту технологию на практике как лидер мирового производства полупроводников, но пока это только лабораторные исследования с пластинами малого диаметра и как эта технология проявит себя при масштабировании — это пока открытый вопрос.

Источник:

Материалы по теме

Материалы по теме