基于碳纳米材料的新型互连线设计、建模与仿真分析

发布时间：2020-09-15 12:26

　　 随着集成电路特征尺寸不断缩小,传统铜互连电阻率过大和可靠性等问题愈发严重,因而我们需要发展新型互连线技术。碳纳米材料因其诸多良好的物理特性,在互连技术应用中有着广阔的前景,可有效地缓解传统铜互连面临的挑战,从而满足延迟小、承载电流密度高和热效应好的互连要求。本论文对基于碳纳米材料的互连进行了结构设计和优化,建立了竖直石墨烯纳米带互连、铜-石墨烯新型异质互连和铜-碳纳米管混合互连的等效电路模型,对比分析了基于碳纳米材料的新型互连线的传输特性、热学性能和串扰问题,相关工作可分为以下几个部分:在第一部分中,为保障信号完整性,采用差分碳纳米管互连结构,建立并简化了相应的等效电路模型。研究了差分碳纳米管互连的传输性能。并在不同的驱动-负载模式下,对比分析了加工工艺参数的波动问题对差分碳纳米管互连线传输性能的影响。在第二部分中,提出竖直石墨烯纳米带互连的概念,建立相应的等效电路模型。研究了竖直石墨烯纳米带互连的电学性能和热学性能,结合在石墨烯纳米带掺杂杂质的概念,分析掺杂后竖直石墨烯纳米带互连线的传输性能,证明竖直石墨烯纳米带互连相较于水平石墨烯纳米带互连的性能优势。在第三部分中,考虑到铜互连良好导电性和较为成熟的工艺水平,以及碳纳米材料可承载电流密度高等特性,提出铜-碳纳米混合互连的新型结构。构建了铜-石墨烯异质互连和铜-碳纳米管混合互连的等效电路模型。铜-石墨烯异质互连线指以石墨烯为铜线保护层的互连结构,基于等效单导体传输线模型,提取出相应的散射电阻、量子电容和动电感等参数,研究了铜-石墨烯异质互连的传输特性和电热特性。铜-碳纳米管互连线指以碳纳米管和铜混合填充材料的新型互连线,碳纳米管的填充有效地提高了铜互连的可承载电流密度。研究了铜-碳纳米管混合互连的电学特性和稳定性,同时对比分析了两根和三根铜-碳纳米管混合互连线的串扰问题。总而言之,本文针对传统铜互连存在的问题和挑战,提出相应技术方案并进行探索研究。开展了新型碳纳米互连的电路建模和特性分析工作。
【学位单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN405.97;TQ127.11;TB383.1
【部分图文】：

１．绪论逡逑１．１．研究背景逡逑１９６５年，Ｇｏｒｄｏｎ邋Ｍｏｏｒｅ邋（Ｉｎｔｅｌ创始人之一）于Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ发表了“摩尔定律”⑴，指逡逑出“集成电路（１Ｃ）中半导体芯片上的晶体管数目每近乎２年翻一番，性能提升一倍”。过逡逑去的５０多年来，半导体产业始终如一地朝着低成本、大市场和高效益的方向发展［２］。如图逡逑１．１所示，如摩尔定律预测，至２０１３年，晶体管特征尺寸已缩小到１４ｎｍ［３１，晶体管数目和逡逑时钟频率翻倍增大。同样地，随着晶体管特征尺寸的不断缩小，微处理器、储存器等也按逡逑照这一趋势发展［４］。然而，随着晶体管特征尺寸的不断减小且不断接近物理极限，随之而来逡逑的是漏电流现象和热问题［５］，同时人们也将面临着复杂加工工艺带来的高成本。这些现象表逡逑明摩尔定律即将失效。根据２０１５年国际半导体技术路线蓝图（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ逡逑Ｒｏａｄｍａｐ邋ｆｏｒ邋Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，ＩＴＲＳ）预测，晶体管特征尺寸将会定格在７邋ｎｍ［６］。逡逑

图１．２铜互连电阻率随尺寸变化的趋势逡逑事实上，铜互连线由不规则的晶粒构成，电子在经过晶粒界和互连线表面的时候会有逡逑一定概率发生散射现象，如图１．２所示，随着互连线尺寸的不断缩小，当互连尺寸和晶粒尺逡逑寸临界于甚至小于电子平均自由程的时候，散射问题发生可能性越来越大，使得铜互连线逡逑２逡逑

逑的电阻急剧增大［１８］。除了散射现象愈发的严重，铜互连线的扩散势垒和互连线边缘粗糙程逡逑度对电阻率的影响也愈发的增大。如图１．３（ａ）所示，扩散势垒是防止铜原子向外扩散的隔离逡逑层，常见的采用钽（Ｔａ）或氮化钽（ＴａＮ）材料。扩散势垒截面积的占比随着制程节点的推逡逑进越来越大，导致铜的有效截面积的占比越来越小，电阻率也越来越大。如图１．３（ｂ）所示，逡逑受工艺制造水平影响，铜互连边缘呈现粗糙的现象，而且粗糙的互连线会影响电子在表面逡逑的散射。美国佐治亚理工学院的Ｇ．邋Ｌｏｐｅｚ博士结合边缘粗糙度假设［１９］，改进了铜互连电阻逡逑率的计算方法，证明粗糙的互连边缘会进一步增大铜互连电阻率。逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图１．３邋（ａ）铜互连的扩散势皇；（ｂ）铜互连边缘粗糙现象［１９］逡逑铜互连的可靠性问题主要体现在两方面，一是电迁移现象，电迁移现象指的是有电流逡逑通过互连线的时候，静止的金属原子被运动的电子碰撞，原子获得动能，朝着电子的运动逡逑方向移动。电迁移现象频繁的发生

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本文编号：2818961