Учёные из Национального университета Сингапура (NUS) разработали сверхтонкую углеродную плёнку толщиной всего 0,8 нм, способную решить одну из ключевых проблем миниатюризации компьютерных чипов. Уже весной наработки передали инженерам тайваньской TSMC для изучения возможностей внедрения технологии в промышленное производство.
Материал представляет собой аморфный углерод с преобладанием связей sp2. При толщине 0,8 нм он сохраняет диэлектрическую постоянную около 1,35 — это близко к показателю вакуума (1,0). Плёнка выдерживает напряжённость электрического поля 28–31 МВ/см, превосходя многие перспективные ультратонкие изоляторы, включая аморфный нитрид бора.
Твёрдость материала достигает примерно 100 ГПа — это на порядок выше, чем у традиционного диоксида кремния, который сейчас применяется в производстве чипов.
Современные процессоры сталкиваются не только с проблемой уменьшения транзисторов, но и с усложнением системы медных проводников между ними. Чем плотнее упаковка, тем выше паразитная ёмкость: соседние линии влияют друг на друга, растёт энергопотребление, замедляется передача сигналов.
Для борьбы с этим нужны изоляторы с крайне низкой диэлектрической постоянной. Но обычные пористые low-k материалы теряют механическую стабильность при толщине в несколько нанометров и становятся непригодными для дальнейшего использования.
Уменьшение размеров транзисторов долгое время было главным способом роста производительности чипов. Но на масштабе атомов сама физика материалов начала давать сбои — диэлектрики не исключение.
Помимо изоляции проводников, новая плёнка может выполнять функцию барьера против миграции металлов. Обычно для защиты от проникновения меди требуется отдельный слой нитрида тантала, занимающий дополнительное пространство в чипе.
Углеродный материал совмещает обе задачи сразу: снижает паразитную ёмкость и одновременно блокирует движение ионов металла. Испытания показали, что даже слой в 0,8 нм превосходит барьерные свойства нитрида тантала в 100 раз.
Сочетание сверхнизкой диэлектрической проницаемости, высокой прочности и способности блокировать диффузию металлов делает материал критически важным для дальнейшей миниатюризации чипов.
Важное преимущество — плёнку можно создавать методом химического осаждения из газовой фазы при относительно низкой температуре 300 °C. Материал ложится не только на ровные поверхности, но и на неровности, что открывает перспективы для 3D-компоновки элементов чипа.
Не исключено, что TSMC как лидер мирового производства полупроводников первой применит технологию на практике. Однако пока речь идёт только о лабораторных исследованиях на пластинах малого диаметра — как материал поведёт себя при масштабировании, покажет время.