隨著集成電路特征尺寸不斷縮小,傳統(tǒng)銅互連電阻率過(guò)大和可靠性等問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重,因而我們需要發(fā)展新型互連線技術(shù)。碳納米材料因其諸多良好的物理特性,在互連技術(shù)應(yīng)用中有著廣闊的前景,可有效地緩解傳統(tǒng)銅互連面臨的挑戰(zhàn),從而滿足延遲小、承載電流密度高和熱效應(yīng)好的互連要求。本論文對(duì)基于碳納米材料的互連進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化,建立了豎直石墨烯納米帶互連、銅-石墨烯新型異質(zhì)互連和銅-碳納米管混合互連的等效電路模型,對(duì)比分析了基于碳納米材料的新型互連線的傳輸特性、熱學(xué)性能和串?dāng)_問(wèn)題,相關(guān)工作可分為以下幾個(gè)部分:在第一部分中,為保障信號(hào)完整性,采用差分碳納米管互連結(jié)構(gòu),建立并簡(jiǎn)化了相應(yīng)的等效電路模型。研究了差分碳納米管互連的傳輸性能。并在不同的驅(qū)動(dòng)-負(fù)載模式下,對(duì)比分析了加工工藝參數(shù)的波動(dòng)問(wèn)題對(duì)差分碳納米管互連線傳輸性能的影響。在第二部分中,提出豎直石墨烯納米帶互連的概念,建立相應(yīng)的等效電路模型。研究了豎直石墨烯納米帶互連的電學(xué)性能和熱學(xué)性能,結(jié)合在石墨烯納米帶摻雜雜質(zhì)的概念,分析摻雜后豎直石墨烯納米帶互連線的傳輸性能,證明豎直石墨烯納米帶互連相較于水平石墨烯納米帶互連的性能優(yōu)勢(shì)。在第三部分中,考慮到銅互連良好導(dǎo)電性和較為成熟的工藝水平,以及碳納米材料可承載電流密度高等特性,提出銅-碳納米混合互連的新型結(jié)構(gòu)。構(gòu)建了銅-石墨烯異質(zhì)互連和銅-碳納米管混合互連的等效電路模型。銅-石墨烯異質(zhì)互連線指以石墨烯為銅線保護(hù)層的互連結(jié)構(gòu),基于等效單導(dǎo)體傳輸線模型,提取出相應(yīng)的散射電阻、量子電容和動(dòng)電感等參數(shù),研究了銅-石墨烯異質(zhì)互連的傳輸特性和電熱特性。銅-碳納米管互連線指以碳納米管和銅混合填充材料的新型互連線,碳納米管的填充有效地提高了銅互連的可承載電流密度。研究了銅-碳納米管混合互連的電學(xué)特性和穩(wěn)定性,同時(shí)對(duì)比分析了兩根和三根銅-碳納米管混合互連線的串?dāng)_問(wèn)題�？偠灾�,本文針對(duì)傳統(tǒng)銅互連存在的問(wèn)題和挑戰(zhàn),提出相應(yīng)技術(shù)方案并進(jìn)行探索研究。開(kāi)展了新型碳納米互連的電路建模和特性分析工作。
【學(xué)位單位】：杭州電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN405.97;TQ127.11;TB383.1
【部分圖文】：

１．緒論逡逑１．１．研究背景逡逑１９６５年，Ｇｏｒｄｏｎ邋Ｍｏｏｒｅ邋（Ｉｎｔｅｌ創(chuàng)始人之一）于Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ發(fā)表了“摩爾定律”⑴，指逡逑出“集成電路（１Ｃ）中半導(dǎo)體芯片上的晶體管數(shù)目每近乎２年翻一番，性能提升一倍”。過(guò)逡逑去的５０多年來(lái)，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)始終如一地朝著低成本、大市場(chǎng)和高效益的方向發(fā)展［２］。如圖逡逑１．１所示，如摩爾定律預(yù)測(cè)，至２０１３年，晶體管特征尺寸已縮小到１４ｎｍ［３１，晶體管數(shù)目和逡逑時(shí)鐘頻率翻倍增大。同樣地，隨著晶體管特征尺寸的不斷縮小，微處理器、儲(chǔ)存器等也按逡逑照這一趨勢(shì)發(fā)展［４］。然而，隨著晶體管特征尺寸的不斷減小且不斷接近物理極限，隨之而來(lái)逡逑的是漏電流現(xiàn)象和熱問(wèn)題［５］，同時(shí)人們也將面臨著復(fù)雜加工工藝帶來(lái)的高成本。這些現(xiàn)象表逡逑明摩爾定律即將失效。根據(jù)２０１５年國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線藍(lán)圖（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ逡逑Ｒｏａｄｍａｐ邋ｆｏｒ邋Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，ＩＴＲＳ）預(yù)測(cè)，晶體管特征尺寸將會(huì)定格在７邋ｎｍ［６］。逡逑

圖１．２銅互連電阻率隨尺寸變化的趨勢(shì)逡逑事實(shí)上，銅互連線由不規(guī)則的晶粒構(gòu)成，電子在經(jīng)過(guò)晶粒界和互連線表面的時(shí)候會(huì)有逡逑一定概率發(fā)生散射現(xiàn)象，如圖１．２所示，隨著互連線尺寸的不斷縮小，當(dāng)互連尺寸和晶粒尺逡逑寸臨界于甚至小于電子平均自由程的時(shí)候，散射問(wèn)題發(fā)生可能性越來(lái)越大，使得銅互連線逡逑２逡逑

逑的電阻急劇增大［１８］。除了散射現(xiàn)象愈發(fā)的嚴(yán)重，銅互連線的擴(kuò)散勢(shì)壘和互連線邊緣粗糙程逡逑度對(duì)電阻率的影響也愈發(fā)的增大。如圖１．３（ａ）所示，擴(kuò)散勢(shì)壘是防止銅原子向外擴(kuò)散的隔離逡逑層，常見(jiàn)的采用鉭（Ｔａ）或氮化鉭（ＴａＮ）材料。擴(kuò)散勢(shì)壘截面積的占比隨著制程節(jié)點(diǎn)的推逡逑進(jìn)越來(lái)越大，導(dǎo)致銅的有效截面積的占比越來(lái)越小，電阻率也越來(lái)越大。如圖１．３（ｂ）所示，逡逑受工藝制造水平影響，銅互連邊緣呈現(xiàn)粗糙的現(xiàn)象，而且粗糙的互連線會(huì)影響電子在表面逡逑的散射。美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的Ｇ．邋Ｌｏｐｅｚ博士結(jié)合邊緣粗糙度假設(shè)［１９］，改進(jìn)了銅互連電阻逡逑率的計(jì)算方法，證明粗糙的互連邊緣會(huì)進(jìn)一步增大銅互連電阻率。逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑圖１．３邋（ａ）銅互連的擴(kuò)散勢(shì)皇；（ｂ）銅互連邊緣粗糙現(xiàn)象［１９］逡逑銅互連的可靠性問(wèn)題主要體現(xiàn)在兩方面，一是電遷移現(xiàn)象，電遷移現(xiàn)象指的是有電流逡逑通過(guò)互連線的時(shí)候，靜止的金屬原子被運(yùn)動(dòng)的電子碰撞，原子獲得動(dòng)能，朝著電子的運(yùn)動(dòng)逡逑方向移動(dòng)。電遷移現(xiàn)象頻繁的發(fā)生

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