En nanotecnología , las interconexiones de nanotubos de carbono se refieren al uso propuesto de nanotubos de carbono en las interconexiones entre los elementos de un circuito integrado . Los nanotubos de carbono (CNT) se pueden considerar como láminas de grafito de una sola capa atómica enrolladas para formar cilindros sin costura. Dependiendo de la dirección en la que se enrollen, los CNT pueden ser semiconductores o metálicos. Los nanotubos de carbono metálico se han identificado [1] como un posible material de interconexión para las futuras generaciones de tecnología y para reemplazar las interconexiones de cobre . El transporte de electrones puede recorrer largas longitudes de nanotubos, 1 μm, Permitiendo CNTs para llevar a corrientes muy altas (es decir, hasta una densidad de corriente de 10 9 A ∙ cm -2 ) esencialmente sin calentamiento debido a casi una estructura electrónica dimensional. [2] A pesar de la saturación actual en CNT en campos altos, [2] la mitigación de tales efectos es posible debido a los nanocables encapsulados . [3]
Los nanotubos de carbono para la aplicación de interconexiones en chips integrados se han estudiado desde 2001, [4] sin embargo, las prestaciones extremadamente atractivas de los tubos individuales son difíciles de alcanzar cuando se ensamblan en grandes paquetes necesarios para hacer vías o líneas reales en chips integrados. Dos enfoques propuestos para superar las limitaciones hasta la fecha son hacer conexiones locales muy pequeñas que serán necesarias en futuros chips avanzados o hacer una estructura compuesta de metal de carbono que sea compatible con los procesos microelectrónicos existentes.
Las interconexiones híbridas que emplean vías CNT junto con interconexiones de cobre pueden ofrecer ventajas en cuanto a confiabilidad y gestión térmica. [5] En 2016, la Unión Europea financió un proyecto de cuatro millones de euros durante tres años para evaluar la capacidad de fabricación y el rendimiento de interconexiones compuestas que emplean interconexiones de cobre y CNT. El proyecto denominado CONNECT (Interconexiones compuestas de nanotubos de carbono) [6] implica los esfuerzos conjuntos de siete socios industriales y de investigación europeos sobre técnicas y procesos de fabricación para permitir nanotubos de carbono fiables para interconexiones en chip en la producción de microchips ULSI .
Interconexiones locales
Si bien las dimensiones más pequeñas significan un mejor rendimiento para los transistores gracias a la disminución del retardo intrínseco de la puerta del transistor, la situación es todo lo contrario para las interconexiones. Las áreas de interconexión de sección transversal más pequeñas solo conducirían a una degradación del rendimiento, como una mayor resistencia de interconexión y consumo de energía. Desde la década de 1990, el rendimiento del circuito ya no está limitado por los transistores, por lo que las interconexiones se han convertido en un tema clave y son tan importantes como los transistores para determinar el rendimiento del chip. A medida que continúe el escalado de la tecnología, el problema de la degradación del rendimiento de las interconexiones solo se volverá más significativo. Las interconexiones locales que se encuentran en los niveles inferiores de la pila de interconexión que conecta las puertas lógicas cercanas se reducen agresivamente en cada generación para seguir la miniaturización de los transistores y, por lo tanto, son en su mayoría susceptibles a la degradación del rendimiento. En el nivel local, donde las interconexiones están más densamente empaquetadas y tienen tamaños de paso cercanos al tamaño mínimo de la característica, necesitaremos nuevos materiales de interconexión que sufran mucho menos los efectos de tamaño que el cobre.
Gracias a las propiedades medidas de los nanotubos de carbono individuales (CNT), dicho material se ha propuesto como material futuro para interconexiones. [1] Particularmente, sus capacidades de transporte de corriente son extremadamente altas [4] típicamente alrededor de 10 9 Acm −2 y exhiben una longitud balística de hasta micrómetros. [2] Sin embargo, debido a la fuerte interacción electrón- fonón en los CNT de pared simple, se ha descubierto que la corriente electrónica se satura con una polarización de voltaje superior a 0,2 V. [2] [3]
Sin embargo, los CNT con pocos nm de diámetro son extremadamente robustos en comparación con los nanocables metálicos de diámetro similar y demuestran propiedades conductoras superiores en comparación con el cobre. Para hacer una conexión, los CNT deben estar en paralelo para reducir la resistencia.
La resistencia R de un nanotubo de carbono de pared simple se puede expresar mediante
Dónde es una resistencia de contacto extrínseca, es la resistencia cuántica (6,5 kΩ) que proviene de la conexión de un material unidimensional a un metal tridimensional, es la longitud CNT y es el camino libre medio del electrón. Si N tubos están en paralelo, esta resistencia se divide por N, por lo que uno de los desafíos tecnológicos es maximizar N en un área determinada. Si L es pequeño en comparación con L mfp , que normalmente es el caso de vías muy pequeñas, los parámetros tecnológicos a optimizar son principalmente la resistencia de contacto y la densidad del tubo.
Los trabajos iniciales se han centrado en las vías CNT que conectan dos líneas metálicas. El grupo Fujitsu ha optimizado el crecimiento de la deposición de vapor químico a baja temperatura (400 ° C) de CNT sobre nitruro de titanio catalizado por partículas de cobalto. Las partículas de catalizador obtenidas por ablación con láser de un objetivo de cobalto clasificado por tamaño finalmente permiten desarrollar una densidad de CNT alrededor de 10 12 CNT cm- 2 usando un proceso de múltiples pasos usando plasma y partículas de catalizador alrededor de 4 nm. A pesar de estos esfuerzos, la resistencia eléctrica de dicha vía es de 34 Ω _ para un diámetro de 160 nm. Los rendimientos están cerca de los tapones de tungsteno, por lo tanto, al menos un orden de magnitud superior al del cobre. Para una vía de 60 nm, se ha determinado una longitud balística de 80 nm. Para las líneas de procesamiento, la tecnología CNT es más difícil porque los densos bosques de CNT crecen naturalmente perpendicularmente al sustrato, donde se conocen como matrices de nanotubos de carbono alineadas verticalmente . Solo se han publicado pocos informes sobre líneas horizontales y se basan en la redirección de CNT, [7] [8] o el relleno de zanjas existentes mediante procesos de ensamblaje fluídico. [9] Los rendimientos alcanzados son de alrededor de 1 mΩcm, dos décadas más que los valores solicitados.
Las razones de tal discrepancia entre las expectativas teóricas y los resultados obtenidos son múltiples. Una razón obvia es la densidad de empaquetamiento después de la integración, que está lejos de los valores solicitados, y la utilizada en la predicción teórica. De hecho, incluso con los CNT, que están fuertemente densificados e hilados, la baja conductancia sigue siendo un problema. Sin embargo, un artículo reciente [10] muestra que se puede obtener una mejora de una década en la conductividad simplemente mediante la densificación a alta presión del CNT. A pesar del desarrollo del material CNT de alta densidad [11], el estado del arte de las líneas integradas aún está lejos de los 10 13 cm −2 de muros conductores solicitados por la Hoja de Ruta Tecnológica Internacional para Semiconductores . [12] No obstante, los ensamblajes macroscópicos con diámetros de decenas de micras que consisten en CNT de doble pared [13] o nanotubos de carbono de pared simple [14] tienen rendimientos de resistividad experimental de 15 μΩcm después del dopaje, lo que demuestra el potencial de los CNT para interconexiones.
Interconexiones globales
Para las tecnologías de metalización actuales para microelectrónica de alto rendimiento y baja potencia, el cobre es el material de elección debido a su mayor estabilidad de electromigración (EM) (resultante del punto de fusión más alto) y conductividad al aluminio. Para aplicaciones de memoria y lógica de escala reducida hasta un nodo de 14 nm, el aumento de la densidad de corriente y los requisitos de confiabilidad por línea de interconexión aún tienen soluciones de integración y material conocidas. Las capas de adhesión y barrera más delgadas, el dopado de metales secundarios para mejorar la resistencia a la electromigración de los límites de grano y los conceptos de integración de los recubrimientos selectivos serán algunas de las soluciones adoptadas. Sin embargo, para dimensiones por debajo de los nodos de 7 a 10 nm, la disminución del volumen de metal conductor disponible forzará materiales innovadores y enfoques de integración hacia nuevas arquitecturas de interconexión. También para aplicaciones de energía y alto rendimiento, los desafíos más críticos son la alta ampacidad , la conductividad térmica y la resistencia a la electromigración. Lejos de los conductores de cobre a granel que ya se derretirían a 10 4 A / cm 2 , las líneas de metalización de cobre actuales pueden soportar 10 7 A / cm 2 debido a la buena disipación de calor en contacto térmico con el material circundante, revestimiento y recubrimiento optimizados también. como procesos de chapado y CMP.
La fiabilidad de las interconexiones de última generación está estrechamente ligada a la electromigración. Este efecto adverso describe el transporte de material y, en consecuencia, la formación de huecos, especialmente en líneas finas de metal hacia el ánodo por una combinación de la fuerza del viento del electrón, la fuerza inducida por el gradiente de temperatura, la fuerza inducida por el gradiente de tensión y la fuerza de tensión superficial. Dependiendo del diseño del esquema de interconexión y del esquema de metalización utilizado, el dominio de cada fuerza motriz puede cambiar. Incluso en el nodo de escalado actual de la tecnología CMOS , estos dos problemas se encuentran entre las principales razones de la tendencia de que el aumento de la escala de densidad de los transistores ya no conduce automáticamente a una "escala de rendimiento" (es decir, un mayor rendimiento por transistor).
Los CNT se están estudiando como un posible reemplazo del cobre debido a sus excelentes propiedades eléctricas en términos de conductividad, ampacidad y características de alta frecuencia. Sin embargo, los rendimientos de los CNT integrados en dispositivos funcionales son hasta ahora sistemáticamente mucho más bajos que los de los CNT casi perfectos seleccionados para estudios fundamentales en todo el mundo. Como consecuencia, se imaginaron combinaciones de CNT con cobre poco después del estudio pionero sobre interconexiones CNT. [15] Las realizaciones experimentales iniciales se centraron en un enfoque "a granel" en el que se deposita una mezcla de CNT y cobre a partir de una solución sobre el sustrato objetivo. [16] [17] [18] Este enfoque demostró rendimientos mitigados para la interconexión, de modo que ahora el enfoque está casi exclusivamente en materiales compuestos donde los CNT están alineados con respecto al flujo de corriente (denominado compuesto alineado CNT-cobre). Además, la resistencia de contacto, la estabilidad mecánica, la planicidad y la integración podrían mejorarse mediante una matriz conductora de soporte. Chai y col. [19] [20] [21] demostró por primera vez la fabricación de interconexiones verticales utilizando materiales compuestos de CNT-cobre alineados en 2007 al cultivar CNT alineados verticalmente antes de llenar los huecos entre los CNT con cobre mediante un método de galvanoplastia. Se demostró que este material podía alcanzar una resistividad baja, similar al cobre, pero era más resistente a la electromigración que el cobre. Más recientemente, un renovado interés por este material fue generado por el trabajo del grupo Hata [22] que afirmaba un aumento de 100 veces en la capacidad de carga actual de material CNT-cobre alineado en comparación con el cobre puro. Varios grupos están trabajando ahora en todo el mundo en la integración de materiales compuestos de CNT-cobre alineados en estructuras de interconexión, [23] [24] [25] [26] Los esfuerzos actuales y futuros se centran en demostrar y evaluar el rendimiento de CNT- materiales compuestos de cobre para interconexiones verticales y horizontales, y para desarrollar un flujo de proceso compatible con CMOS para interconexiones globales multinivel. [6]
Caracterización física y eléctrica
La electromigración se caracteriza típicamente por el tiempo de falla de un dispositivo portador de corriente. [8] La escala del efecto con la corriente y la temperatura se utiliza para pruebas aceleradas y análisis predictivos. A pesar de la gran relevancia tecnológica de tales mediciones, no existe un protocolo ampliamente utilizado para caracterizar la electromigración. Sin embargo, ciertos enfoques están algo establecidos, como la variación de corriente y temperatura. Uno de los desafíos no resueltos de la electromigración son los efectos de autoamplificación de la electromigración a través del autocalentamiento en los defectos en los cables de interconexión. [27] Normalmente se desconoce el aumento de la temperatura local debido al apiñamiento de la corriente a través de tales defectos. Dado que los procesos subyacentes generalmente se activan térmicamente, la falta de un conocimiento preciso de la temperatura local dificulta el campo de los estudios de electromigración, lo que resulta en una falta de reproducibilidad e intercomparación de diferentes enfoques experimentales. Por tanto, es deseable una combinación con la medición de la temperatura in situ. Existen numerosos métodos para la termometría y la medición de la conductancia térmica de dispositivos y estructuras en una escala de longitud de micrones a macroscópica. Sin embargo, la caracterización térmica cuantitativa de nanoestructuras se describe como un desafío no resuelto en la literatura científica actual. [28] [29] Se han propuesto varios métodos utilizando espectroscopía Raman , espectroscopía de pérdida de energía electrónica , microscopía infrarroja, métodos de autocalentamiento y microscopía térmica de barrido . Sin embargo, en la escala de longitud relevante para CNT individuales y sus defectos, es decir, la escala de 1 nm, no existe una solución establecida aplicable a los materiales basados en CNT (nuestras interconexiones) y dieléctricos (nuestros aislantes y materiales de matriz). La microscopía térmica de barrido y la termometría [30] es la técnica más prometedora por su versatilidad, pero las restricciones en la fabricación de la punta, los modos de funcionamiento y la sensibilidad de la señal han limitado las resoluciones a 10 nm en la mayoría de los casos. Incrementar la resolución de dicha técnica es un desafío abierto que está atrayendo mucha atención de la industria y la comunidad científica. [6]
La metodología de las mediciones de transporte eléctrico en CNT individuales, haces y compuestos de los mismos está bien establecida. Para estudiar los efectos de tamaño finito en el transporte, como la transición del transporte difusivo al balístico, se requiere la colocación y el direccionamiento precisos de electrodos a nanoescala, normalmente fabricados mediante litografía por haz de electrones.
Se ha demostrado que la caracterización estructural de los NTC mediante microscopía electrónica de transmisión es un método útil para la identificación y medición de estructuras. Se han informado resultados con resoluciones de hasta aproximadamente 1 nm y muy buen contacto con el material. [31] Debido a las dificultades experimentales de poner en contacto nano-objetos dentro de un microscopio electrónico, solo ha habido pocos intentos de combinar la caracterización estructural por microscopía electrónica de transmisión con mediciones de transporte eléctrico in situ. [32] [33] [6]
Modelado y simulación
Macroscópico
Desde un punto de vista macroscópico, un modelo RLC compacto generalizado para interconexiones CNT se puede representar como en, [34] donde el modelo de un nanotubo de carbono de paredes múltiples individual se muestra con parásitos que representan tanto la conductancia de cd como la impedancia de alta frecuencia, es decir, la inductancia. y efectos de capacitancia. Los parásitos individuales de cada capa presentan múltiples capas de un nanotubo de carbono de paredes múltiples. Dicho modelo también puede ser aplicable a nanotubos de carbono de pared simple en los que solo se representa una capa.
La resistencia de la capa de un nanotubo individual se puede obtener calculando la resistencia de cada capa como
dónde es la resistencia balística, es la resistencia de contacto, es la resistencia óhmica distribuida y es la resistencia debida al voltaje de polarización aplicado. La capacitancia de los nanotubos consiste en cuanto, C q y capacitancia electrostática C e . Para los nanotubos de carbono de paredes múltiples, existe la capacitancia de acoplamiento de capa a capa, C c . Además, existe una capacitancia de acoplamiento, C cm entre dos haces de CNT cualesquiera. En cuanto a la inductancia, los CNT tienen tanto inductancia cinética, L k como magnética, L m . También hay inductancias mutuas entre carcasas, M my haces, M mm .
Naeemi et al., [35] [36] [37] han realizado una simulación detallada de las interconexiones de señales y se ha demostrado que los CNT tienen menos parásitos que las líneas de cobre metálico, sin embargo, la resistencia de contacto entre CNT-a-CNT y CNT-to-metal es grande y puede ser perjudicial por problemas de sincronización. Todri-Sanial et al. [38] y mostró que los CNT en general conducen a una caída de voltaje reducida que las interconexiones de cobre.
Tsagarakis y Xanthakis han demostrado la dependencia significativa de la densidad de corriente entre los CNT de la geometría entre ellos. [39]
Mesoscópico
La simulación de circuito macroscópico aborda solo el rendimiento de la interconexión descuidando otros aspectos importantes como la confiabilidad y la variabilidad de los CNT, que pueden tratarse adecuadamente solo a nivel mesoscópico por medio de enfoques de modelado de diseño asistido por computadora con tecnología completamente tridimensional. [40] Recientemente, la comunidad industrial y científica está invirtiendo considerables esfuerzos para investigar el modelado de la variabilidad y confiabilidad de CNT por medio de enfoques de diseño asistido por computadora de tecnología tridimensional para generaciones tecnológicas avanzadas. [6]
Microscópico
Debajo del modelado macroscópico (nivel de circuito) y mesoscópico (nivel de diseño asistido por computadora de tecnología) de interconexiones CNT, también es importante considerar el modelado microscópico ( nivel Ab Initio ). Se ha realizado un trabajo significativo en el modelado electrónico, [41] [42] [43] [44] y térmico, [45] [46] de NTC. Las herramientas de simulación de estructura de banda y nivel molecular también se pueden encontrar en nanoHUB . Otras posibles mejoras de modelado incluyen la simulación autoconsistente de la interacción entre el transporte electrónico y térmico en CNT, pero también en líneas compuestas de cobre-CNT y contactos CNT con metales y otros materiales relevantes.
Los CNT con nanocables encapsulados se han estudiado a nivel ab initio con un tratamiento autoconsistente del transporte electrónico y de fonones y se ha demostrado que mejoran el rendimiento de corriente-voltaje. [3]
Una herramienta de modelado electrotérmica totalmente calibrada experimentalmente resultaría útil para estudiar, no solo el rendimiento de CNT y líneas compuestas, sino también su fiabilidad y variabilidad, y el impacto de los contactos en el rendimiento electrónico y térmico. [6] En este contexto, un paquete completo de simulación tridimensional basado en la física y multiescala (desde la simulación de material ab-initio hasta la simulación de circuito) que tiene en cuenta todos los aspectos de las interconexiones VLSI (rendimiento, disipación de potencia y confiabilidad) es deseable para permitir una evaluación precisa de las futuras tecnologías basadas en CNT.
Ver también
- Matrices de nanotubos de carbono alineadas verticalmente
- Electromigración
- Nanoelectrónica
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