《Materials Science in Semiconductor Processing》：Nanoscale interconnects of gold, copper, and aluminium-based mono-silicide nanotubes for next generation integrated circuits
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Vangapandu Esha|Sonal Agrawal|Shakti Kumar|Kavindra Kandpal|Andrey N. Chibisov|Anurag Srivastava|Boddepalli SanthiBhushan印度信息技术学院电子与通信工程系，阿拉
Vangapandu Esha|Sonal Agrawal|Shakti Kumar|Kavindra Kandpal|Andrey N. Chibisov|Anurag Srivastava|Boddepalli SanthiBhushan
印度信息技术学院电子与通信工程系，阿拉哈巴德，北方邦，211015，印度
摘要
硅化物在集成电路（IC）中广泛用作局部互连材料；因此，其纳米结构应与IC技术具有较好的工艺兼容性。本研究通过材料-器件-电路协同建模方法，报道了基于金（Au）、铜（Cu）和铝（Al）的单硅化物纳米管（锯齿形（ZZ）和扶手椅形（AC）在纳米尺度互连中的应用。这些纳米管表现出金属电子特性，这是互连应用所必需的。基于金的硅化物纳米管具有最低的延迟、功率延迟积（PDP）和最高的最大工作频率（MFOO），其次是基于铜和铝的纳米管。在所有这些硅化物纳米管中，ZZ-AuSi纳米管具有最低的延迟（34.5ps）、PDP（0.19×10^-9 W-ps）和最高的MFOO（28.9 GHz），适用于数字IC。由于基于铝的硅化物纳米管（AC和ZZ）的稳定性较差（延迟分别为113ps和250ps，PDP分别为0.63×10^-9 W-ps和1.46×10^-9 W-ps，MFOO分别为8.85 GHz和4 GHz），因此可能不适合用于互连应用，而基于金和铜的硅化物纳米管似乎是下一代硅基电子产品的互连材料的有希望选择。
引言
互连是连接集成电路（IC）中不同组件或晶体管的复杂布线系统，它们充当载流子的“高速公路”。在早期代数的IC中，晶体管速度是唯一的性能限制因素，由于互连宽度较大，其影响被忽视了[1,2]。通过遵循摩尔定律不断缩小晶体管尺寸，解决了与晶体管尺寸相关的性能限制[3]。然而，当晶体管尺寸缩小到纳米级别时，更细且更密集的互连开始对IC性能产生显著影响。例如，如今指甲大小的IC包含约30英里的互连。一般来说，互连可以分为全局互连和局部互连。传统上，铝（Al）、铜（Cu）和金（Au）等金属用于全局互连[[4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13]]，而非金属如多晶硅[14]、硅化物[15,16]和多硫化物[17]用于局部互连。使用非金属进行局部互连具有多种优势，例如工艺兼容性和由于功函数差异较小而降低的晶体管阈值电压等。
随着对更细、更高效互连需求的不断增加，各种纳米材料如纳米带、纳米管、纳米线等[[18], [19], [20], [21]]因其原子级尺寸以及迷人的电子、传输和机械性能而被广泛研究用于全局和局部互连。Nishad等人研究了过渡金属（Pd、Pt、Rh和Ru）边缘钝化的石墨烯纳米带（GNR）作为纳米尺度互连的应用，并报告称双边缘Ru钝化的扶手椅形GNR比传统氢边缘钝化的GNR具有低10.6倍的延迟和低9.2倍的能量延迟积[22]。Agrawal等人研究了氧边缘工程化的GNR作为纳米尺度互连的材料，并报告称双边缘O钝化的锯齿形GNR具有更高的稳定性、更低的动态电感、量子电容、延迟和功率耗散[23]。在另一项研究中，Agrawal等人研究了掺杂B、N、P和Al的锯齿形GNR，并报告称掺氮结构比其他掺杂剂具有更好的延迟和功率延迟积（PDP）[24]。其他研究还探讨了铜纳米线的形状和尺寸对互连性能的影响[25]，并发现矩形形态的铜纳米线相对适用。Krishna等人研究了有无氢边缘钝化的锑烯纳米带，并报告称裸露的锑烯纳米带比基于铜纳米线的纳米尺度互连具有更好的延迟和PDP[26]。Jatkar等人研究了掺铜和铁的BN纳米带，并报告称含有一个铜掺杂剂的锯齿形BN纳米带具有26.3 us的较低延迟[27]。其他研究还探讨了F边缘功能化对锯齿形和扶手椅形GNR互连性能的影响[28]。此外，研究人员还报道了合成低电阻率和抗氧化性的Ag-Cu纳米粒子溶液用于烧结互连[29]、制备石墨烯/Ag纳米线/炭黑复合材料[30]，以及用于高效短距离互连的Si中间层的数值建模方法[31]、内部应力分布[32]和多层之间的连接[33]。
然而，这些基于DFT的先前研究中报道的纳米材料与现有的IC技术没有工艺兼容性。另一方面，硅化物在IC行业中广泛用作局部互连材料，因此其纳米结构比其他纳米材料具有更好的工艺兼容性。本文设计了基于Al、Cu和Au的单硅化物的锯齿形（ZZ）和扶手椅形（AC）纳米管结构，即ZZ-AlSi、AC-AlSi、ZZ-CuSi、AC-ACuSi、ZZ-AuSi和AC-AuSi，并对其进行了材料-器件-电路分析，以评估它们作为下一代IC技术的纳米尺度互连材料的适用性。
章节摘录
计算细节
使用密度泛函理论（DFT）和非平衡格林函数（NEGF）方法（在Synopsys-quantumATK商业代码中实现[34]），评估了铝、金和铜的锯齿形（ZZ，(4,0)手性）和扶手椅形（AC，(4,4)手性）硅化物纳米管的结构、电子、电传输和动态特性。还评估了互连的电路特性，如延迟、功率延迟积等
结构分析
表1报告了硅化物纳米管的结构参数，包括键长、纳米管直径、纳米管长度（周期性方向上的单元格长度）和结合能。锯齿形（扶手椅形）纳米管的长度较大（较小），但直径较小（较大）。通过结合能来评估纳米管的结构稳定性。这里的结构稳定性指的是系统保持其配置的能力
结论
本文首次研究了基于金、铜和铝的单硅化物的一维锯齿形（ZZ）和扶手椅形（AC）纳米管在纳米尺度互连中的应用。研究使用了DFT、NEGF和Cadence Virtuoso EDA框架对材料、器件和电路特性进行了全面分析。结构分析表明，ZZ纳米管比AC纳米管更稳定。ZZ和AC-AlSi纳米管都较为脆弱
CRediT作者贡献声明
Vangapandu Esha：可视化、数据整理。Sonal Agrawal：方法论、研究。Shakti Kumar：数据整理、软件。Kavindra Kandpal：验证、方法论。Andrey N. Chibisov：撰写-审稿与编辑、验证、数据整理。Anurag Srivastava：撰写-审稿与编辑、可视化、验证、软件。Boddepalli SanthiBhushan：撰写-初稿、监督、形式分析、概念化。
AI使用
本工作没有使用任何AI工具进行数据生成和撰写。但是，使用了Grammerly工具来改进手稿中某些部分的语言。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者BS感谢印度信息技术学院阿拉哈巴德分校提供的计算资源，资助编号为I1ITA/RO/1532/2022。
