Des chercheurs de l'Université de Floride du Sud ont récemment développé une nouvelle approche pour atténuer l'électromigration dans les interconnexions électroniques à l'échelle nanométrique qui sont omniprésentes dans les circuits intégrés de pointe. Ceci a été réalisé en recouvrant les interconnexions métalliques de cuivre avec du nitrure de bore hexagonal (hBN), un matériau isolant bidimensionnel (2D) atomiquement mince qui partage une structure similaire à celle du graphène « matériau merveilleux ».

L'électromigration est le phénomène dans lequel un courant électrique traversant un conducteur provoque l'érosion à l'échelle atomique du matériau, entraînant éventuellement une défaillance de l'appareil. La technologie conventionnelle des semi-conducteurs relève ce défi en utilisant une barrière ou un matériau de revêtement, mais cela prend un espace précieux sur la plaquette qui pourrait autrement être utilisé pour emballer plus de transistors. L'approche du professeur adjoint en génie mécanique de l'USF Michael Cai Wang atteint ce même objectif, mais avec les matériaux les plus fins au monde, matériaux bidimensionnels (2D).

"Ce travail présente de nouvelles opportunités de recherche sur les interactions interfaciales entre les métaux et les matériaux 2-D à l'échelle d'ångström. L'amélioration des performances des dispositifs électroniques et semi-conducteurs n'est qu'un résultat de cette recherche. Les résultats de cette étude ouvrent de nouvelles possibilités qui peuvent aider à faire avancer fabrication future de semi-conducteurs et de circuits intégrés, " a déclaré Wang. " Notre nouvelle stratégie d'encapsulation utilisant le hBN monocouche comme matériau barrière permet une mise à l'échelle supplémentaire de la densité du dispositif et la progression de la loi de Moore. " Pour référence, un nanomètre vaut 1/60, 000 de l'épaisseur des cheveux humains, et un ngström est un dixième de nanomètre. La manipulation de matériaux 2D d'une telle finesse nécessite une précision extrême et une manipulation méticuleuse.

Dans leur étude récente publiée dans la revue Matériaux électroniques avancés , les interconnexions en cuivre passivées avec un hBN monocouche via une approche compatible de back-end-of-line (BEOL) présentaient une durée de vie de dispositif plus de 2500 % plus longue et une densité de courant plus de 20 % plus élevée que les dispositifs de contrôle par ailleurs identiques. Cette amélioration, couplé à la finesse ngström du hBN par rapport aux matériaux barrière/liner conventionnels, permet une densification supplémentaire des circuits intégrés. Ces résultats contribueront à améliorer l'efficacité des appareils et à réduire la consommation d'énergie.

« Avec la demande croissante de véhicules électriques et de conduite autonome, la demande pour une informatique plus efficace a augmenté de façon exponentielle. La promesse d'une densité et d'une efficacité plus élevées des circuits intégrés permettra le développement de meilleurs ASIC (circuits intégrés spécifiques à l'application) adaptés à ces besoins émergents en énergie propre », a expliqué Yunjo Jeong, un ancien élève du groupe de Wang et premier auteur de l'étude.

Une voiture moderne moyenne a des centaines de composants microélectroniques, et l'importance de ces composants minuscules mais critiques a été particulièrement mise en évidence par la récente pénurie mondiale de puces. Rendre la conception et la fabrication de ces circuits intégrés plus efficaces sera essentiel pour atténuer d'éventuelles perturbations futures de la chaîne d'approvisionnement. Wang et ses étudiants étudient maintenant des moyens d'accélérer leur processus à l'échelle fabuleuse.

« Nos découvertes ne se limitent pas uniquement aux interconnexions électriques dans la recherche sur les semi-conducteurs. Le fait que nous ayons pu réaliser une amélioration aussi radicale des dispositifs d'interconnexion implique que les matériaux 2D peuvent également être appliqués à une variété d'autres scénarios. Wang a ajouté.