碳納米管在納米集成電路互連線(xiàn)中的應(yīng)用研究.pdf

1、隨著超大規(guī)模集成電路的特征尺寸的不斷縮小,當(dāng)前的工藝技術(shù)進(jìn)入納米(＜100 nm)階段,微電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了納米集成電路時(shí)代。在之前的深亞微米工藝階段,互連線(xiàn)問(wèn)題已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注,成為集成電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。在納米集成電路,互連線(xiàn)將產(chǎn)生更為嚴(yán)重的問(wèn)題,比如金屬電阻率的增加,熱穩(wěn)定性下降,可靠性問(wèn)題日益突出等。為此,互連線(xiàn)新工藝、新結(jié)構(gòu)和新材料的研究逐漸成為熱點(diǎn),也越發(fā)重要。本文主要對(duì)當(dāng)前最為熱門(mén)的新型材料之一——碳納米管在未來(lái)

2、納米集成電路中應(yīng)用進(jìn)行研究。本文首先介紹了碳納米管的結(jié)構(gòu)并討論了碳納米管的電,熱等做為互連線(xiàn)需具備的基本特性。同時(shí)也介紹了目前碳納米管制備工藝的發(fā)展和其面對(duì)的挑戰(zhàn)。鑒于碳納米管分為單壁碳納米管和多壁碳納米管,本文的碳納米管互連線(xiàn)的建模和分析也據(jù)此分為兩個(gè)主要部分。對(duì)于單壁碳納米管,詳細(xì)討論單根碳納米管的電阻、電感和電容(RLC)等參數(shù)。尤其對(duì)碳納米管做為一維導(dǎo)體所特有的量子電阻,量子電容和動(dòng)態(tài)電感做了深入的討論和分析。作為未來(lái)可能的互連

3、線(xiàn)應(yīng)用,碳納米管將會(huì)是管束結(jié)構(gòu),本文對(duì)碳納米管束的互連線(xiàn)進(jìn)行了建模,提出了能與現(xiàn)有電路仿真軟件相兼容的分布參數(shù)等效電路模型。在此基礎(chǔ)上,針對(duì)電路中不同層的互連線(xiàn)應(yīng)用(局部層,中間層和全局層),分別分析了碳納米管互連線(xiàn)的電路性能,并與目前普遍采用的銅互連進(jìn)行比較。分析結(jié)果顯示,碳納米管互連線(xiàn)在中間和全局層能大大提高電路性能。對(duì)于多壁碳納米管,本文首次提出了多壁碳納米管互連線(xiàn)的等效電路模型,該模型不僅僅考慮了不同直徑對(duì)多壁碳納米管導(dǎo)電通道、

4、電阻、電容和電感的影響,也考慮了不同管壁之間的相互作用,包括隧穿電導(dǎo)、耦合電容和耦合電感。基于提出的分布參數(shù)等效電路模型,本文預(yù)估了多壁碳納米管在未來(lái)互連線(xiàn)應(yīng)用中的電路性能,并分別與銅互連線(xiàn)和單壁碳納米管互連線(xiàn)進(jìn)行比較。分析結(jié)果顯示,對(duì)于中間層和全局層互連線(xiàn),多壁碳納米管的電路時(shí)延可以只達(dá)到銅互連的15％左右,大大提升了性能。另一方面,多壁碳納米管互連線(xiàn)的電路性能能與單壁碳納米管互連線(xiàn)相當(dāng)(當(dāng)單壁碳納米管束緊密排列并且全部為金屬性),甚