Wolfram tilbyder nano-sammenkoblinger en vej med mindst modstand

Efterhånden som mikrochips bliver stadig mindre og derfor hurtigere, den krympende størrelse af deres kobberforbindelser fører til øget elektrisk resistivitet på nanoskalaen. At finde en løsning på denne forestående tekniske flaskehals er et stort problem for halvlederindustrien.

En lovende mulighed indebærer at reducere resistivitetsstørrelseseffekten ved at ændre den krystallinske orientering af sammenkoblede materialer. Et par forskere fra Rensselaer Polytechnic Institute gennemførte elektrontransportmålinger i epitaksiale enkeltkrystallag af wolfram (W) som en sådan potentiel sammenkoblingsløsning. De udførte første-princip simuleringer, at finde en bestemt orienteringsafhængig effekt. Den anisotrope resistivitetseffekt, de fandt, var mest markant mellem lag med to særlige orienteringer af gitterstrukturen, nemlig W (001) og W (110). Værket offentliggøres i denne uge i Journal of Applied Physics .

Forfatter Pengyuan Zheng bemærkede, at både 2013 og 2015 International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) opfordrede til, at nye materialer udskiftede kobber som sammenkoblingsmateriale for at begrænse stigningen i modstand i reduceret skala og minimere både strømforbrug og signalforsinkelse.

I deres undersøgelse, Zheng og medforfatter Daniel Gall valgte wolfram på grund af sin asymmetriske Fermi-overflade-dens elektronenergistruktur. Dette gjorde det til en god kandidat til at demonstrere den anisotrope resistivitetseffekt på de små interesseskalaer. "Bulkmaterialet er fuldstændig isotropisk, så modstanden er den samme i alle retninger, "Sagde Gall." Men hvis vi har tynde film, så varierer resistiviteten betydeligt. "

For at teste de mest lovende retningslinjer, forskerne dyrkede epitaksial W (001) og W (110) film på substrater og udførte resistivitetsmålinger af begge, mens de var nedsænket i flydende nitrogen ved 77 Kelvin (ca. -196 grader Celsius) og ved stuetemperatur, eller 295 Kelvin. "Vi havde nogenlunde en faktor 2 forskel i resistiviteten mellem 001 orienteret wolfram og 110 orienteret wolfram, "Sagde Gall, men de fandt betydeligt mindre resistivitet i W (011) lagene.

Selvom den målte anisotrope resistenseffekt var i god overensstemmelse med, hvad de forventede af beregninger, den effektive gennemsnitlige frie vej - gennemsnitsafstanden elektroner kan bevæge sig inden spredning mod en grænse - i tyndfilmforsøgene var meget større end den teoretiske værdi for bulk wolfram.

"En elektron bevæger sig gennem en ledning på en diagonal, det rammer en overflade, bliver spredt, og fortsætter derefter med at rejse, indtil den rammer noget andet, måske den anden side af tråden eller en gittervibration, "Sagde Gall." Men denne model ser forkert ud for små ledninger. "

Eksperimenterne mener, at dette kan forklares ved kvantemekaniske processer af elektronerne, der opstår på disse begrænsede skalaer. Elektroner kan samtidig røre begge sider af tråden eller opleve øget elektron-fonon (gittervibrationer) kobling, når lagtykkelsen falder, fænomener, der kan påvirke søgningen efter et andet metal til erstatning af kobberforbindelser.

"De påtænkte konduktivitetsfordele ved rhodium, iridium, og nikkel kan være mindre end forudsagt, "sagde Zheng. Fund som disse vil vise sig stadig vigtigere, efterhånden som kvantemekaniske skalaer bliver mere almindelige for kravene til sammenkoblinger.

Forskergruppen fortsætter med at undersøge den anisotrope størrelseseffekt i andre metaller med ikke -atmosfæriske Fermi -overflader, såsom molybdæn. De fandt ud af, at overfladens orientering i forhold til lagets orientering og transportretning er afgørende, da den bestemmer den faktiske stigning i resistivitet ved disse reducerede dimensioner.

"Resultaterne i dette papir viser klart, at det korrekte valg af krystallinsk orientering har potentiale til at reducere nanotrådmodstand, "sagde Zheng. Betydningen af ​​arbejdet rækker ud over den nuværende nanoelektronik til nye og udviklende teknologier, herunder gennemsigtige fleksible ledere, termoelektrik og memristors, der potentielt kan gemme oplysninger. "Det er problemet, der definerer, hvad du kan gøre i den næste teknologi, "Sagde Gall.