全碳三维互连新结构中电磁-热耦合效应和传输特性研究

本项目针对先进硅CMOS工艺中互连结构的低损耗和高物理可靠性迫切需求，突破传统铜互连的设计理念，利用碳基金属性石墨烯（GNR）和碳纳米管(CNT) 独有的电磁、热和力学性能, 构建由水平层状GNR和垂直CNT管束组成的芯片内/芯片间全碳三维互连新结构，对其电磁-热耦合效应和传输特性进行研究。发展基于量子和经典物理的等效电路建模方法,借助非平衡格林函数等数值方法分析和认识全碳互连结构中GNR边缘粗糙度、费米能级、插层掺杂、层间耦合以及层状GNR与CNT管束接头的散射效应；进一步研究典型全碳互连结构中极高频信号传输特性随其几何和物理参数的变化规律；同时发展半解析等效热阻网络和非线性时域电磁-热耦合并行有限元数值方法，研究多尺度全碳互连结构中的电磁-热场分布特性，掌握芯片内/芯片间全碳互连结构中极高频传输信号延迟和串扰的实验测量方法，为全碳纳米电子器件和电路的集成实现提供理论指导。

本项目针对先进硅CMOS 工艺中互连结构低损耗和高可靠性迫切需求，突破传统铜互连设计理念，充分利用金属性石墨烯（GNR）和碳纳米管(CNT) 独有的电磁、热和力学性能, 分别构建了水平层状GNR互连、垂直CNT(SWCNT&MWCNT)束组成的硅通孔（CNTB-TSV）和它们共同组成的芯片内/芯片间全碳三维互连新结构，对它们的电磁-热耦合效应和传输特性进行了深入、系统的研究。主要研究内容和重要结果包括：.(1)发展了芯片内水平层状GNR和垂直CNTB-TSV互连结构的量子-经典物理相结合等效电路建模方法，掌握了结构分布参数的半解析和数值提取技术；并且分析了GNR粗糙边缘、费米能级、GNR与CNT管束接头处散射和互连输入/输出端接触电阻效应对高频、极高频信号传输的影响。.(2)发展了芯片间水平层状GNR和垂直CNTB-TSV相结合的互连结构建模方法，比较研究了GNR层间容性、感性耦合和非碳/全碳TSV及周围绝缘层MOS电容效应；并且分析了GNR几何参数和插层掺杂、CNTB几何参数以及它们接头处散射对极高频信号传输的影响。.(3)发展了等效热阻网络、非线性时域有限元（TD-FEM）和改进时域有限差分(FDTD)方法，比较研究了多重不连续耦合非碳/全碳互连结构的稳态和瞬态电磁-热响应、 共模和差模传输特性以及电-热串扰效应。.(4)探索了大尺寸、高质量石墨烯制备和向高阻硅衬底转移工艺以及部分碳互连（铜、石墨烯和CNT）集成制备工艺，初步掌握了基于GNR的无源结构制备流程;并且研究了部分碳/全碳集成互连结构的在片测试校准和信号传输特性参数（衰减、延时、串扰）提取技术；.(5)提出的全碳（石墨烯/碳纳米管）三维互连结构中电磁-热耦合过程建模分析方法已推广应用到太赫兹波段石墨烯天线和碳纳米管相变存储器等新型碳基三维纳米电子学器件结构的设计应用中，得到了部分实验验证。.本项目研究成果已发表著名国际刊物论文25篇(章)（IEEE论文13篇，3篇为受邀在国际著名学术专著中出版，出版商分别是John Wiley & Sons 和 Springer)；发表的学术论文最高影响因子IF达10.3；另外，在IEEE等国际学术会议中发表论文18篇,荣获了2015 IEEE EDAPS 学生最佳论文奖；研究成果能为全碳纳米电子器件和电路的集成实现提供理论指导。