石墨烯在半导体行业的商业应用终于要实现了吗？石墨烯有望取代铜做互连线
美国加州大学圣塔芭芭拉分校(UCSB ) 电气和计算机工程系 Kaustav Banerjee实验室克服了石墨烯大规模应用于半导体行业中时的障碍
石墨烯自从2004年被发现以来，世界各地的研究人员一直在致力于开发这种高性能的材料的商业应用。石墨烯的强度是钢的100至300倍，并且其最大电流密度比铜要高几个数量级，使其成为迄今为止地球上最强同时最薄的导电材料。因此它是极具应用前景的互连材料，互连是指连接计算机和其他现代电子设备上的微芯片上的数十亿晶体管的基本组件。
图片来源：BRIAN LONG插图
二十多年以来，互连线都是由铜制成的，但是当电子元件尺寸缩小到纳米尺寸时，铜遇到了基本的物理限制，当继续减小铜线的尺寸时，铜的电阻率会上升。随着电阻率的增加，铜线产生更多的热量，降低了它们的载流能力。这个问题对半导体行业构成了根本威胁。
石墨烯应用于半导体电子器件领域有潜力解决散热问题和其他纳米尺寸带来的问题。但是设计能够应用于商业化的芯片上的大规模生产的石墨烯微器件是目前面临的主要障碍。
经过大约长达十年对石墨烯互连的探索，Banerjee的实验室已经开发出一种实现高导电性、纳米级掺杂多层石墨烯(DMG)互连的方法，这种互连可以与大规模集成电路制造相兼容。描述该新工艺的论文被评为2018年IEEE国际电子器件会议（IEDM）的顶级论文之一。这也是“Nature Electronics”杂志第一期年度“IEDM 精选”部分中仅有的两篇论文之一。
Banerjee在2008年IEDM会议上首次提出了使用掺杂多层石墨烯的想法，并一直致力于此。2017年2月，他领导的实验进行了多层石墨烯高温化学气相沉积(CVD)，随后将其转移到硅芯片上，然后对多层石墨烯进行图形化，然后掺杂。对低至20纳米的DMG互连线电导率的电特性验证了2008年提出的想法的有效性。然而，由于CVD工艺的温度远远超过后端工艺的温度要求，该工艺并非“CMOS兼容”(制造集成电路的标准工业规模工艺)。
<补充说明：半导体制造通常分为前端工艺(FEOL)和后端工艺(BEOL)，与晶体管制造相关的工艺称为IC工艺的“前端”，“后端”工艺实质上涉及互连线的制作、相应的介电层和扩散屏障的制作等工艺，后端工艺过程中要求不能超过约500℃的上限温度，否则芯片上已经存才的其他元件就可能被损坏，或者引起一些杂质的扩散从而改变晶体管的特性。>
为了克服这个瓶颈，Banerjee的团队开发了一种独特的压力辅助固相扩散方法，可以在后端CMOS工艺中使用的典型介质基板上直接合成大面积高质量的多层石墨烯。固相扩散是冶金学领域的一项典型技术，常用于制备合金。固相扩散是将压力和温度施加于两种紧密接触的材料上，使它们彼此扩散。
Banerjee的团队以一种新颖的方式运用了这项技术。他们首先以石墨粉末的形式将固相碳沉积到最佳厚度的镍金属上。然后对石墨粉加热(300摄氏度)并施加额定压力，以帮助分解石墨。镍中碳的高扩散率使它能迅速穿过金属薄膜。
通过镍的碳流量取决于其厚度和它所保持的颗粒数量。“颗粒”是指沉积的镍不是单晶金属，而是多晶金属，这意味着它具有两个单晶区域彼此相遇而没有完全对齐的区域。这些区域称为晶界，外部粒子（这里指碳原子）很容易通过它们扩散。然后，碳原子在离介质基板更近的镍的另一表面重新结合，形成多个石墨烯层。
Banerjee的团队能够控制生产适用于互连的最佳厚度的石墨烯的工艺条件，通过优化镍的厚度和其他工艺参数，可以准确调整电介质表面生长的石墨烯层数，随后通过简单的刻蚀去除镍，这样得到的石墨烯的质量非常高，几乎与高温下CVD法生长的石墨烯具有相同的质量。整个工艺过程都在相对较低的温度条件下进行，因此不会对芯片上的其他包括晶体管在内的元件造成损害。
UCSB已就该工艺提交了临时专利，该专利克服了迄今为止阻止石墨烯取代铜的障碍。Banerjee目前正在与有兴趣获得这种CMOS兼容石墨烯合成技术的行业合作伙伴进行谈判，这可能为第一批进入主流半导体行业的2D材料铺平道路。
Kaustav Banerjee教授的部分相关文献：
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1. Two-dimensional band structure in honeycomb metal-organic frameworks
Avijit Kumar, Kaustuv Banerjee, Adam S Foster, and Peter Liljeroth
Nano Lett., Just Accepted Manuscript
DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b02062
2. Kumar, A., Banerjee, K., Dvorak, M., Schulz, F., Harju, A., Rinke, P., & Liljeroth, P. (2017). Charge-Transfer-Driven Nonplanar Adsorption of F4TCNQ Molecules on Epitaxial Graphene. ACS Nano, 11(5), 4960–4968. doi:10.1021/acsnano.7b01599
3. Flexible Self-Assembled Molecular Templates on Graphene
Banerjee, K., Kumar, A.; Canova, FF., Kezilebieke, S., Foster, AS., Liljeroth, P. ,
JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY C卷: 120 期: 16 页: 8772-8780
DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b01638
4. Molecular assembly on two-dimensional materials
Avijit Kumar, Kaustuv Banerjee and Peter Liljeroth
NANOTECHNOLOGY 卷: 28 期: 8
文献号: 082001 DOI: 10.1088/1361-6528/aa564f
5. Molecular self-assembly on graphene on SiO2 and h-BN substrates. / Järvinen, P.; Hämäläinen, Sampsa; Banerjee, K.; Häkkinen, P.; Ijäs, M.; Harju, A.; Liljeroth, P.
In: Nano Letters, Vol. 13, No. 7, 2013, p. 3199-3204.
DOI: 10.1021/nl401265f