碳纳米管在纳米集成电路互连线中的应用研究

摘要

随着超大规模集成电路的特征尺寸的不断缩小,当前的工艺技术进入纳米(＜100 nm)阶段,微电子技术已经进入了纳米集成电路时代。在之前的深亚微米工艺阶段,互连线问题已经引起人们的广泛关注,成为集成电路设计的关键问题之一。在纳米集成电路,互连线将产生更为严重的问题,比如金属电阻率的增加,热稳定性下降,可靠性问题日益突出等。为此,互连线新工艺、新结构和新材料的研究逐渐成为热点,也越发重要。本文主要对当前最为热门的新型材料之一——碳纳米管在未来纳米集成电路中应用进行研究。本文首先介绍了碳纳米管的结构并讨论了碳纳米管的电,热等做为互连线需具备的基本特性。同时也介绍了目前碳纳米管制备工艺的发展和其面对的挑战。鉴于碳纳米管分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管,本文的碳纳米管互连线的建模和分析也据此分为两个主要部分。对于单壁碳纳米管,详细讨论单根碳纳米管的电阻、电感和电容(RLC)等参数。尤其对碳纳米管做为一维导体所特有的量子电阻,量子电容和动态电感做了深入的讨论和分析。作为未来可能的互连线应用,碳纳米管将会是管束结构,本文对碳纳米管束的互连线进行了建模,提出了能与现有电路仿真软件相兼容的分布参数等效电路模型。在此基础上,针对电路中不同层的互连线应用(局部层,中间层和全局层),分别分析了碳纳米管互连线的电路性能,并与目前普遍采用的铜互连进行比较。分析结果显示,碳纳米管互连线在中间和全局层能大大提高电路性能。对于多壁碳纳米管,本文首次提出了多壁碳纳米管互连线的等效电路模型,该模型不仅仅考虑了不同直径对多壁碳纳米管导电通道、电阻、电容和电感的影响,也考虑了不同管壁之间的相互作用,包括隧穿电导、耦合电容和耦合电感。基于提出的分布参数等效电路模型,本文预估了多壁碳纳米管在未来互连线应用中的电路性能,并分别与铜互连线和单壁碳纳米管互连线进行比较。分析结果显示,对于中间层和全局层互连线,多壁碳纳米管的电路时延可以只达到铜互连的15％左右,大大提升了性能。另一方面,多壁碳纳米管互连线的电路性能能与单壁碳纳米管互连线相当(当单壁碳纳米管束紧密排列并且全部为金属性),甚至更优(当单壁碳纳米管的密度和金属性比例较小时~30%)。本文工作详细分析了碳纳米管做为未来互连线的电路性能,所提出的电路模型和分析结果对今后碳纳米管互连线的分析和设计有着重要的意义,同时也对今后碳纳米管互连线的制备提供了导向。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 纳米互连线的挑战

1.2.1 纳米尺度铜互连线电阻率

1.2.2 纳米尺度铜互连线可靠性

1.2.3 纳米集成电路的热特性

1.3 本文主要工作

参考文献

第二章 碳纳米管结构与特性

2.1 碳纳米管的结构

2.1.1 单壁碳纳米管

2.1.2 多壁碳纳米管

2.1.3 碳纳米纤维

2.2 碳纳米管的特性

2.2.1 能带结构与导电特性

2.2.2 结构及电、热稳定性

2.3 碳纳米管的制备

参考文献

第三章 单壁碳纳米管互连线

3.1 单根单壁碳纳米管建模

3.1.1 电阻模型

3.1.2 电容模型

3.1.3 电感模型

3.2 单壁碳纳米管束互连线建模

3.2.1 电阻模型

3.2.2 电容模型

3.2.3 电感模型

3.2.4 互连线等效电路模型

3.3 单壁碳纳米管互连线性能分析与比较

3.3.1 铜互连模型

3.3.2 电阻比较

3.3.3 互连线电路性能比较

参考文献

第四章 多壁碳纳米管互连线

4.1 多壁碳纳米管导电特性

4.2 多壁碳纳米管建模

4.2.1 大直径碳纳米管壁的导电通道

4.2.2 碳纳米管壁的R L C 模型

4.2.3 多壁碳纳米管互连线模型

4.3 多壁碳纳米管互连线性能分析与比较

4.3.1 电阻率比较

4.3.2 性能分析和比较

4.3.3 非理想接触电阻Rmc的影响

4.3.4 多壁碳纳米管模型与RC 时延模型

4.4 与单壁碳纳米管的性能比较

参考文献

第五章 总结与展望

致谢

攻读学位期间发表和撰写的学术论文