原创 基于CNT的互连频率高达GHz

　　斯坦福大学的研究人员使用多层碳纳米管（MW-CNT）构成导线，使互连线传输频率首次达到千兆赫兹的传输性能。

　　斯坦福大学电子工程系教授H.-S. Philip Wong及其博士生Gael Close表示：“尽管很多人都预测了纳米管可以用于互连线，但到目前为止，将纳米管用于数字电路连线的验证实验却寥寥无几。本次试验的成功让我们更加坚信了将纳米管用于互连线的巨大前景。”

　　还有几位来自于东芝公司的研究人员参与了该项目，他们设计了环形振荡器测试芯片来确定纳米管互连的性能。该测试芯片采用台积电0.25μm工艺加工，送回斯坦福纳米制造中心完成CNT互连线。纳米管的制备部分是由Helix Material Solutions Inc.完成的。

　　如何将纳米管固定到CMOS电路上是本次试验最大的挑战。原位生长纳米管是不可能的，原因是纳米管生长的温度高达800~900℃，这样高的温度会将CMOS芯片融化。

　　研究人员使用单碳纳米管在含有环形振荡器的测试芯片上生成一层连线。

　　Close利用双向电泳效应来放置纳米管。在一对金电极上加交流电场。将含有CNT的溶液滴到两个电极之间。频率为200

kHz的交流电场会吸引溶液中很多长且薄的（长度约为5μm，直径约为50~70 nm）纳米管中的一根，最终将两个电极短接起来。

　　Wong解释说：“一旦纳米管将两个电极连接起来，会立即扰乱电极周围的电场分布，导致电极不能吸引其他任何纳米管。这也就是我们如何在一对电极上放置一根纳米管的方法。”

　　实验通过11000个晶体管构成的256个环路振荡器来测量纳米管互连线的传输速度，每级环路振荡器上都缺少一段导线，这段缺失的连线将由纳米管构成。封装好的测试芯片连接到PCB上进行测试，试验表明：该测试电路可以以GHz级别的速度传输数字信号。

　　Wong说，佐治亚理工学院的Jim Meindl教授和斯坦福大学的Krishna Saraswat教授所进行的仿真表明，CNT理论传输频率可以达到太（拉）赫兹（THz）的量级。然而，上述实验所测得的传输频率相对较小，这主要是由于片上以及一些片外测量单元上的大电容造成的。

　　Wong表示：“为了获得高频信号，必须要尽可能减小片上电容。在这个实验中，系统是直接在片上搭建的，我们所使用的片上电容为fF（千万亿分之一法拉）量级，和我们需要驱动的传输速度是相匹配的。”

　　直径极小的CNT可能具有金属特性，也可能具有半导体特性，而我们实验中用做互连线的大直径CNT总是表现出金属特性。Wong表示：“对于数字开关需要的小直径CNT，目前仍然很难控制其金属或者绝缘特性。而互连应用则不同。一般来讲，纳米管的能带宽度与直径成反比。直径越大，能带宽度越窄。因此对大直径的纳米管来说，其能带宽度几乎为零，也就意味着良好的导电性”。

　　然而，CNT的电阻比铜还是要高出好几倍，我们仍然需要做大量的工作来改善纳米管的纯度。

　　采用CNT作为连接线的一大优势在于纳米管不受电迁移（EM）效应的影响，而在小直径的铜导线中，这种现象比较显著。EM效应导致连接线上的铜原子沿电流方向的反方向（电子实际流动方向）移动。如果足够多的铜原子发生了移动，将会在连接线上产生孔洞，导致连线失效。

　　Wong表示使用CNT作为互连线的最大挑战来自如何将纳米管放置在CMOS芯片上，同时保证高良率的集成工艺。他说：“我们使用的芯片非常小，单边长度只有5 mm，前后需要使用4~5次光刻。如果我们在晶圆尺度上实现CNT互连，放置的问题将会更加棘手。”

　　MARCO Interconnect Focus Center为斯坦福大学的研究计划提供了三年的资金支持。Wong表示，Close正在着手减小CNT互连线的直径并提高良率。第一次实验中，256根CNT互连线中的19根可以正常工作，成功率为8%左右。同时，研究小组也计划在更为复杂的电路上进行测试，并在同一电路上使用多根纳米互连线。(David Lammers, News Editor)