碳納米管在納米集成電路互連線中的應用研究.pdf

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

2、納米集成電路中應用進行研究。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,熱等做為互連線需具備的基本特性。同時也介紹了目前碳納米管制備工藝的發(fā)展和其面對的挑戰(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的建模和分析也據(jù)此分為兩個主要部分。對于單壁碳納米管,詳細討論單根碳納米管的電阻、電感和電容(RLC)等參數(shù)。尤其對碳納米管做為一維導體所特有的量子電阻,量子電容和動態(tài)電感做了深入的討論和分析。作為未來可能的互連

3、線應用,碳納米管將會是管束結(jié)構(gòu),本文對碳納米管束的互連線進行了建模,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,針對電路中不同層的互連線應用(局部層,中間層和全局層),分別分析了碳納米管互連線的電路性能,并與目前普遍采用的銅互連進行比較。分析結(jié)果顯示,碳納米管互連線在中間和全局層能大大提高電路性能。對于多壁碳納米管,本文首次提出了多壁碳納米管互連線的等效電路模型,該模型不僅僅考慮了不同直徑對多壁碳納米管導電通道、

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、耦合電容和耦合電感?；谔岢龅姆植紖?shù)等效電路模型,本文預估了多壁碳納米管在未來互連線應用中的電路性能,并分別與銅互連線和單壁碳納米管互連線進行比較。分析結(jié)果顯示,對于中間層和全局層互連線,多壁碳納米管的電路時延可以只達到銅互連的15％左右,大大提升了性能。另一方面,多壁碳納米管互連線的電路性能能與單壁碳納米管互連線相當(當單壁碳納米管束緊密排列并且全部為金屬性),甚