반도체 산업의 오랜 숙원 과제—무어의 법칙이는 칩의 트랜지스터 밀도가 대략 2년마다 두 배로 증가해야 한다는 것을 의미하며, 유지 관리가 점점 더 어려워지고 있습니다. 트랜지스터와 트랜지스터 사이의 상호 연결을 축소하는 기능은 몇 가지 기본적인 물리적 한계에 부딪히고 있습니다. 특히 구리의 경우 상호 연결 크기가 축소되고 저항력이 급등하여 운반할 수 있는 정보의 양이 줄어들고 에너지 소비가 증가합니다.
업계에서는 무어의 법칙이 좀 더 오래 지속될 수 있도록 대체 상호 연결 재료를 찾고 있습니다. 그래핀 매우 매력적이다 옵션 여러 면에서: 시트처럼 얇은 탄소 소재는 우수한 전기 및 열 전도성을 제공하며 다이아몬드보다 더 강합니다.
그러나 연구자들은 두 가지 주요 이유로 그래핀을 주류 컴퓨팅 응용 프로그램에 통합하는 데 어려움을 겪었습니다. 첫째, 그래핀을 증착하려면 기존 CMOS 제조와 호환되지 않는 높은 온도가 필요합니다. 둘째, 도핑되지 않은 거시적 그래핀 시트의 전하 캐리어 밀도는 상대적으로 낮습니다.
지금, 목적지 2D캘리포니아주 밀피타스에 본사를 둔 스타트업은 이 두 가지 문제를 모두 해결했다고 주장합니다. Destination 2D 팀은 300°C에서 칩에 그래핀 인터커넥트를 증착하는 기술을 시연했는데, 이는 여전히 전통적인 CMOS 기술로 수행할 수 있을 만큼 충분히 냉각되어 있습니다. 그들은 또한 구리보다 100배나 밀도가 높은 전류 밀도를 제공하는 그래핀 시트를 도핑하는 방법을 개발했습니다. 카우스타프 바네르지Destination 2D의 공동 창립자이자 CTO입니다.
“사람들은 다양한 응용 분야에서 그래핀을 사용하려고 노력해 왔지만 본질적으로 CMOS 기술인 주류 마이크로 전자공학에서는 사람들이 지금까지 이것을 사용할 수 없었습니다”라고 Banerjee는 말합니다.
Destination 2D만이 그래핀 인터커넥트를 추구하는 유일한 회사는 아닙니다. TSMC 그리고 삼성 또한 이 기술을 최대한 활용하기 위해 노력하고 있습니다. 그러나 Banerjee는 Destination 2D가 인터커넥트를 별도로 성장시켜 나중에 칩에 부착하는 대신 트랜지스터 칩 위에 직접 그래핀 증착을 시연한 유일한 회사라고 주장합니다.
저온에서 그래핀 증착
그래핀이 처음으로 외딴 2004년에 연구원은 접착 테이프로 흑연 덩어리를 잡아당겨 그래핀 시트를 분리했습니다. 이 소재는 매우 유망한 것으로 간주되어 2010년에 그 위업이 상을 받았습니다. 노벨상. (노벨상 공동수상자) 콘스탄틴 노보셀로프 현재 Destination 2D의 수석 과학자입니다).
Startup Destination 2D는 웨이퍼 규모로 그래핀 인터커넥트를 증착할 수 있는 CMOS 호환 도구를 개발했습니다.목적지 2D
그러나 테이프를 사용하여 연필 끝에서 그래핀을 조심스럽게 떼어내는 것은 정확히 확장 가능한 생산 방법이 아닙니다. 그래핀 구조를 안정적으로 생성하기 위해 연구자들은 다음과 같은 방법을 사용했습니다. 화학 기상 증착탄소 가스가 가열된 기판에 증착되는 방식입니다. 이를 위해서는 일반적으로 CMOS 제조 시 최대 작동 온도인 약 400°C보다 훨씬 높은 온도가 필요합니다.
Destination 2D는 압력 보조 직접 증착 기술을 사용합니다. 개발됨 캘리포니아 대학교 산타바바라 캠퍼스의 Banerjee 연구실에서. Banerjee가 압력 보조 고체상 확산이라고 부르는 이 기술은 니켈과 같은 희생 금속 필름을 사용합니다. 희생막은 트랜지스터 칩 위에 배치되고 그 위에 탄소 소스가 증착됩니다. 그런 다음 대략 410~550킬로파스칼(평방 인치당 60~80파운드)의 압력을 사용하여 탄소가 희생 금속을 통과하여 아래의 깨끗한 다층 그래핀으로 재결합됩니다. 그런 다음 희생 금속을 간단히 제거하고 패터닝을 위해 그래핀 온칩을 남깁니다. 이 기술은 300°C에서 작동하며, 아래의 트랜지스터가 손상되지 않을 만큼 충분히 냉각됩니다.
그래핀의 전류 밀도 향상
그래핀 상호 연결이 패턴화된 후 그래핀 층은 저항을 줄이고 전류 전달 용량을 높이기 위해 도핑됩니다. Destination 2D 팀은 도핑 원자가 그래핀 시트 사이에 확산되는 인터칼레이션(intercalation)이라는 도핑 기술을 사용합니다.
도핑 원자는 다양할 수 있습니다. 예로는 염화철, 브롬, 리튬 등이 있습니다. 일단 주입되면 도펀트는 전자(또는 물질 내 대응물, 전자 구멍)를 그래핀 시트에 추가하여 더 높은 전류 밀도를 허용합니다. “삽입 화학은 매우 오래된 주제입니다.”라고 Banerjee는 말합니다. “우리는 이 층간삽입을 그래핀에 도입하고 있는데, 이는 새로운 것입니다.”
이 기술은 구리와 달리 그래핀 상호 연결의 크기가 축소됨에 따라 전류 전달 용량이 향상된다는 유망한 기능을 가지고 있습니다. 선이 가늘수록 인터칼레이션 기법이 더 효과적이기 때문입니다. Banerjee는 이를 통해 그들의 기술이 미래의 여러 세대에 걸친 반도체 기술을 지원할 수 있을 것이라고 주장합니다.
Destination 2D는 칩 수준에서 그래핀 상호 연결 기술을 시연했으며 제조 시설에서 구현할 수 있는 웨이퍼 규모 증착을 위한 도구도 개발했습니다. 그들은 파운드리와 협력하여 연구 개발, 그리고 궁극적으로는 생산을 위한 기술을 구현하기를 희망합니다.
