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

1、cm，与 n+和 p+硅的欧姆接触电阻可以降至为 10-6 /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（Electron migration，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2.0 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

2、，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-walled carbon nanotubes， SWNTs） 和多壁 碳 纳 米 管 （ Multi-walled carbon nanotubes，MWNTs），SWNTs 的直径一般为 16 nm，最小直径为 0.5nm， MWNTs 通常是由 2 50

3、个单层管组成的同轴管，层间距约为 0.34 nm。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

4、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 5800 W / （ mK）。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

5、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. 5 kohm 的量子电阻，在用作超大规模集成电路 （ Very large scale integration，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

6、、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

7、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

8、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（ Chemical vapor deposition，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

9、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 1 CVD 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 （ Plasmon enhancement chemical vapor deposi

10、tion， 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

11、 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（Transmission electron microscopy， 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

12、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（Molecular dynamics，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 （ Electron beam induced deposition，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，Ki

13、m 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。

14、Krasheninnikov 等也从CC 键重组的角度进行了 SWNTs 的 MD 仿真计算，仿真中采用了 0.4 1 keV 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 2000 K 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 0.6 keV。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50 keV C+ 离子垂直于 TEM

15、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 40m40m105nm，两电极间的桥接距离为 1m，然后采用粗糙度为 0.2 nm，表面积 50m2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