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Intel|石墨烯败了：Intel退钴还铜( 二 )


这种增强的铜线包括一个钽阻挡层，钴包层周围的纯铜核心 。eCU似乎是一个折中双赢的选择，与铜合金相比，既提供了更好的电磁寿命(尽管没有钴那么好)，同时小幅提高了0.85倍的线电阻 。
对于Intel 4，该公司选择采用增强型铜(eCu)来处理最底层的四个金属层 。这种增强的铜导线包括钽屏障与钴包层周围的纯铜核心 。总之，eCu似乎是一个中间的双赢-提供更好的电磁寿命比铜合金(虽然不像钴合金一样好)，同时提供了0.85倍适度的提高线电阻 。
其实早在2014年，应用材料公司的化学家就发现，钴比钽能更好地“润湿”铜 。通过将钴代替钽衬垫，用一个钴帽，选择性地沉积在铜电路线上，有效地将它们包裹在钴套管中 。结果，铜更好地粘附在沟槽的侧面，从而最大限度地减少了以后的电迁移 。应用材料公司称钴的引入是“15 年来最重要的互连材料变化” 。
近年来，钴触点采用了薄的 TiN 势垒 。同样在线路或通孔中，有更薄的势垒以及更短的钴平均自由程（10nm 对铜的 39nm）导致线的电阻率更低（电子路径更长，散射会增加净电阻） 。
所以钴也没有取代铜，而是和铜进行联合应用，因此使得芯片又能继续延续摩尔定律 。
2nm之后，钌、铋或钼又被探索
芯片的微缩还在继续，到2nm之后，晶体管的结构要发生新变化，或由GAA纳米片、CFET来取代FinFET，与此同时，铜互连的架构也将需要重新配置向晶体管传输功率的方式 。
要把握好工艺精度的控制，新金属材料的引入将是关键，于是芯片制造商可能会在2nm之后在一定程度上用钌（Ru）或钼（Mo）取代铜 。钌具有低电阻率、高熔点、耐酸腐蚀和极低的腐蚀电位等优点，是极具吸引力的新一代互连材料 。而钼则相对更便宜些 。
imec计划计划采用原子形状的沟道（Atomic Channel），其沟道采用厚度为1到多个原子层的2D材料 。imce所指的2D材料为半导体单层过渡金属二硫属化物（Dichalcogenide），化学式为MX2 。此处的M为Mo（钼）、W（钨）等过渡金属元素 。X为硫、Se硒、Te（碲）等硫硒碲化合物（16类元素），imec通过采用2D材料和High NA EUV，开拓了1纳米以下的工艺 。
而台湾大学、台积电和麻省理工（MIT）在去年共同发布了1nm以下芯片重大研究成果，用二维材料和半金属铋（Bismuth，化学符号Bi）或可突破1nm，该二维材料指的是二硫化钼（Molybdenum disulfide, MoS2） 。
铋材料可以大幅降降低电阻并提高电流，使其效能媲美硅材料，有助于半导体行业应对未来1nm世代的挑战 。这项研究成果由台大电机系暨光电所教授吴志毅，与台积电和MIT研究团队共同完成 。已在国际期刊Nature上发表题为“Ultralow contact resistance between semimetal and monolayer semiconductors”的研究论文 。
无论是钌、钼还是半金属铋，他们的主要优点是可以消除衬垫，为主要金属提供更多的沟槽或通过体积 。回流退火或激光退火可以使晶粒尺寸最大化 。
石墨烯已经败下阵来
其实在铜互连的取代者中，石墨烯早先的呼声也很高 。有很多研究表明石墨烯的潜力很大，石墨烯的强度是钢的100到300倍，其最大电流密度比铜大几个数量级，是地球上最强、最薄、也是迄今为止最可靠的导电材料，再加上石墨烯具有较大的载流子迁移率和热导率，加上较小的材料体积，成为电子电路中铜互连的可行替代品 。
多个科研院所和高校都研究证明了石墨烯能够提高材料传输电荷的能力 。也证明了石墨烯有朝一日可以取代传统的铜，成为在计算机芯片周围传输数据和电力的互连的最佳材料 。
但就当下产业链配套而言，石墨烯不容易制造，而且端到端比较表明石墨烯流动不均匀，无法实现增强铜互连的低电阻 。如何实现石墨烯低成本规模化生产也是个一大问题 。石墨烯面临的问题比1990年代使铜集成变得困难的问题要困难得多 。所以我们可以看到，这几年关于石墨烯的进展已经没那么响亮了 。
光互连能否取代铜互连呢？
现在光芯片的话题很高，尤其是随着电子芯片逼近摩尔定律极限，于是光芯片开始走入行业的研究范畴 。关于铜与光传输介质的争论始于人们意识到光子可用于传输数据的那一刻 。
早在上世纪70年代，贝尔等国际电信巨头就用光纤取代了数千英里长的铜质电话电缆，虽然光纤电缆被广泛使用，但光背板互连仍然很少见 。
光芯片，一般是由化合物半导体材料（InP和GaAs等）所制造，通过内部能级跃迁过程伴随的光子的产生和吸收，进而实现光电信号的相互转换 。


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