学术干货一文读懂碳纳米管互连技术最新进展Word文档格式.docx

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cm，与n+和p+硅的欧姆接触电阻可以降至为10-6Ω/cm2，并且与硅和磷玻璃有很好附着性，易于沉积与刻蚀，凭借这些优点，Al成为了集成电路最早使用的互连金属材料。

但是，铝互连线存在着电迁移现象（Electronmigration，EM）以及Al/Si接触的尖楔现象，虽然在结构上得到了一定程度的改善，但当集成度增加，互连线变的更细，EM现象则变得尤为突出，所以寻求新的互连导线金属材料成为解决此问题的关键。

其中，金属铜的电阻率小于2.0μΩ·

cm，能极大地降低互连线的电阻，减小引线的宽度和厚度以及分布电容来提高集成电路的密度，且铜互连方案更大的优势表现在可靠性上，铜的抗EM性能好，没有应力迁移。

因此，在电路功耗密度不断增加、EM现象更加严重的情况下，铜凭借其优异的性能取代了铝连线，成为目前普遍采用的互连材料，其重要性更为显著。

2.碳纳米管作为互连导线的优越性能

CNTs是由六边形排列的碳原子构成，是具有中空管状结构的材料，其径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级。

碳纳米管分为单壁碳纳米管（Single-walledcarbonnanotubes，SWNTs）和多壁碳纳米管（Multi-walledcarbonnanotubes，MWNTs），SWNTs的直径一般为1~6nm，最小直径为0.5nm，MWNTs通常是由2~50个单层管组成的同轴管，层间距约为0.34nm。

由于CNTs的结构尺度处于纳米量级，其表面的电子结构和晶体结构发生了明显变化，因此产生了宏观物体所不具备的特殊效应，并且由于其独特的一维纳米结构而具有许多优良的性能。

2.1机械性能

CNTs弹性模量可达1Tpa，与金刚石相当，为已知材料的最高弹性模量，其弹性应变最高可达12%，CNTs还具有超高强度的耐磨性和自润滑性，其耐磨性要比轴承钢高100倍，摩擦系数为0.06~0.1。

2.2电学性能

CNTs受到直径、长度、手性等结构参数影响将表现出金属导电性或半导体导电性，而且由于其特殊结构的量子限域效应，电子只能沿CNTs轴向进行有效的运动，径向则受到限制。

由于CNTs的sp2的成键结构和电子的弹道式输运，其承载的电流密度为109~1010A/cm2量级，明显高出铜互连导线3个的数量级。

2.3热学性能

由于CNTs的一维导体结构，与电子的平均自由程类似，它的声子的平均自由程也相当的长，微米量级的SWNTs仍显示出声子弹道传输现象，由于声子的散射直接影响材料的散射特性，长的平均自由程将减小声子散射的机会，体现出高的热导率，可达到1750~5800W/（m·

K）。

在集成电路制造中，通过“自下而上”冶的技术可以实现CNTs的放置，可解决目前“自下而上”冶制造工艺所面临的困境，然而后续的互连技术则成为关键部分。

CNTs互连技术是结构制造、功能器件制备或其组装不可或缺的环节，主要目的是为获得机械连接或支撑、电连接、电绝缘或者其它特殊性能，其连接质量直接决定了功能器件的可靠性。

3.碳纳米管互连形式

CNTs具有机械、电学、热学等优异性能，然而在CNTs的实际应用中，由于管径为几纳米的SWNTs本身具有6.5kohm的量子电阻，在用作超大规模集成电路（Verylargescaleintegration，VLSI）的互连导线时，需要将多根SWNTs并联使用，所以在VLSI互连应用方面，采用SWNTs束，MWNTs束、以及大直径的多壁碳纳米管作为主要的互连形式。

基于WNTs束的互连形式又主要集中在垂直的通孔上，主要受到两方面的限制:

一是由于通孔尺寸小，承受的电流密度相对较大，最有可能产生稳定性问题，因此更加稳定的碳纳米管在通孔上更加有应用的优势;

二是目前还没有相对成熟的工艺能够在水平（与晶圆平面平行）的两个方向上生长出较长的紧密排列的碳纳米管束。

因此，此互连形式在对于水平互连线的应用上，生长工艺受到极大挑战。

基于上述互连方式的考虑以及水平方向的应用需求，大直径的MWNTs互连线也成为研究的热点，理论和实验证明在MWNTs的所有层与电极充分连接，所有层都可以导电，因此大直径MWNTs的性能优于铜甚至SWNTs，将成为优异的互连形式，但是实际应用中的大直径MWNTs的电导比理论预测值低，这主要是本身的缺陷密度以及层数等因素导致的，这需要提升大直径WNTs制备的工艺水平。

虽然SWNTs在实际应用方面不及MWNTs，但是SWNTs结构简单，易于表征，也易于建模，也成为专家学者在探索互连方面的主要对象。

4.碳纳米管互连技术

目前，尽管碳纳米管的制备技术发展的很快，也比较完善，但将其作为互连导线集成到电路中的技术还不太成熟，主要集中在CNTs的互连工艺方面，主要问题在于，当互连的尺寸和互连精度的量变超过一定的尺度范围时，尺寸效应将导致互连过程的能场作用规律和互连原理产生质变，这将严重制约着CNTs电子器件互连线路的可靠性及稳定性，为克服这一技术性难题，当前的互连工艺主要从微观领域采用物理或化学等方法来实现。

4.1化学气相沉积技术

CNTs的制备过程主要采用电弧放电和化学气相沉积技术（Chemicalvapordeposition，CVD），其中CVD过程是通过含碳气体在催化剂作用下裂解实现。

因此，专家学者利用这一特点，直接将CNTs“自下而上”冶（Bottom-Up）生长在所需的电极上，然后根据需要，配合机械转移及粘合技术将CNTs置于其它的电极，再利用倒装芯片键合技术实现两电极上CNTs的互连。

Yung等采用倒装芯片互连的方法实现碳纳米管束的集成及其与基底的粘结。

首先在底部的基片和需倒装的基底上采用CVD方法生长出齐整的高密度碳纳米管束，然后利用典型的倒装芯片键合技术，将上方倒装基片上的碳纳米管束与底部基片的对齐，再在外力作用下将上方基片的碳纳米束插入到底部基片上的碳纳米管束间隙处，这样CNTs会因范德华力而保持在一起，形成互相连接更高密度的碳纳米管束，该互连过程见图1。

图1CVD结合倒装键合技术实现CNTs的互连

在传统CVD技术的基础之上，专家学者则对此进行改善，提出了等离子体增强的化学气相沉积技术（Plasmonenhancementchemicalvapordeposition，PECVD）以实现CNTs的互连过程，Kaul采用PECVD方法在纳机电装置上实现了碳纳米管的桥式互连。

总结发现，通过CVD方法实现CNTs与电极互连的过程中，多数是为解决碳纳米管束或基团与电极的互连，而CVD技术基本都需要复杂超精细的模版，且碳纳米管不能总是按照预先设置好的区域进行生长，并由于直接在金属层上放置催化颗粒，会有移位的现象，这对今后互连线的工艺容差也是一个潜在的问题。

Ting等在不采用模版的条件下通过CVD技术分支形成二维（2D）、三维（3D）互连的Y型节点，图2为其CVD互连过程的连接点。

图2无模板CVD过程形成的互连节点

4.2高能束辐照技术

在碳纳米管的高能束辐照互连方面，采用的高能束主要是电子束、离子束和激光束三种，但由于激光束的波长比较大，存在着衍射极限，且聚焦辐照的尺寸比较大，不及聚焦电子束或离子束几纳米尺度的分辨率，所以易对大幅度面积内的CNTs造成缺陷损伤，并有可能使之转化为无定形碳。

4.2.1电子束辐照技术

Terrones等-率先采用透射电子显微镜（Transmissionelectronmicroscopy，TEM）对加热到800℃的SWNTs的交错连接部位进行电子束轰击，连接部位的碳原子网络重新进行组合，获得了X，Y和T型的互连点，实现了完全C-C原子互连网络的连接，连接处的成键结构为sp2和sp3组合形式。

此外，Terrones等还采用了分子动力学（Moleculardynamics，MD）方法对模型进行了仿真计算，见图3.图3电子束辐照SWNTs互连的分子动力学过程

除通过对CNTs的碳原子网络结构进行重组外，还可通过电子束诱导沉积（Electronbeaminduceddeposition，EBID）的方式实现CNTs互连过程，即采用电子束辐照碳氢化合物，使之分解产生无定形碳，可在CNTs连接处形成类似钎焊的互连点。

为解决降低碳纳米管基纳米器件阻抗所面临的挑战，Kim等采用EBID技术沉积石墨化碳的方式，在低温的制造过程中实现了端部开口型MWNTs与金属电极的欧姆接触，欧姆接触电阻从26.5千欧降低为116欧，这对未来互连技术的广泛应用具有非常重要的指导意义。

同样，在互连领域专家学者前期研究的基础之上，Fedorov等将聚焦电子束诱导沉积技术应用到碳纳米管互连领域，较好地实现了碳纳米管与电极的良好连接见图4。

图4聚焦电子束诱导沉积技术实现碳纳米管与金属电极的连接

4.2.2离子束辐照技术

与电子束辐照方法类似，一部分学者则利用高能量的离子束对CNTs进行辐照，通过碳原子网络结构重组实现互连过程。

Krasheninnikov等也从C—C键重组的角度进行了SWNTs的MD仿真计算，仿真中采用了0.4~1keV的Ar+离子对交错区域进行辐照，在互连点附近出现明显的辐照诱导缺陷，如图5所示。

作者还建立了2000K温度下离子影响的缺陷退火模型，研究发现离子辐照和高温都是通过悬挂键饱和以及碳原子网络结构重组对互连过程产生作用，并预测最优的Ar+离子能量为0.4~0.6keV。

图5离子束辐照CNT-CNT互连过程产生的损伤

Wang等在研究中选取分布有交叉或相互关联MWNTs的网栅，将其装入靶室后，采用50keVC+离子垂直于TEM网栅均匀辐照，对轰击的互连区域结构采用TEM观察和分析得出，在MWNTs的交叠区出现了无定形碳的结构性的互连现象，如图6所示。

作者通过分析可以得出，互连区域的ACNWs是sp2和sp3结构的混合物，其sp2/sp3比值大小的差别将预示其物性的不同，因为他们分别具有三重或四重不同的配位结构，研究表明他们可能成为导体、绝缘体或半导体材料。

图6离子束辐照CNTs形成的无定形碳结构互连点

4.3超声波振动互连技术

上海交通大学Zhang研究团队开展了利用超声波振动方式进行CNTs互连的研究，其互连过程见图7。

其研究小组对聚团的SWNTs超声波分散后沉积到基片表面，利用介电泳效应使其搭接到硅基底的金属钛电极上，电极的尺寸为40μm×

40μm×

105nm，两电极间的桥接距离为1μm，然后采用粗糙度为0.2nm，表面积50μm2的单晶Al2O3焊头实施纳米焊接过程，互连过程采用的压力为78.4mN，超声