碳纳米异质互连结构的多物理场协同分析和可靠性研究

The interconnects of integrated circuits are the carriers for signal propagation, which are very important to determine the system performance and reliability. The carbon-based heterogeneous interconnect, which consists of carbon-nanotube (CNT) vias, graphene nanoribbon (GNR) interconnects, and metal pads, is the most promising interconnection scheme for the next-generation integrated circuits. This project studies on the parameter extraction, equivalent modeling, co-simulation, and reliability verification of carbon-based heterogeneous interconnects, which include: 1) the characterization of frequency- and temperature-dependent parameters based on the multi-scale and multi-physical techniques; 2) the developing of fast and accurate algorithms for the multi-physical analysis of carbon-based heterogeneous interconnects; 3) the investigation of reliability of carbon-based heterogeneous interconnects under the electro-static discharge (ESD) stress based on the coupling of multi-physics. The achievement of this project is helpful for understanding and grasping the working performance of carbon-based heterogeneous interconnects, and provides a solid theoretical basis and critical technical reserves for their designs and applications in future integrated circuits.

集成电路中的互连结构作为信号的传输载体，是影响系统工作性能和可靠性的重要因素。结合了碳纳米管（CNT）垂直过孔、石墨烯纳米带（GNR）水平互连线以及金属转接焊盘的碳纳米异质互连结构是下一代集成电路最有潜力的互连实现方案。本项目拟针对碳纳米异质互连结构的参数提取、等效建模、协同仿真、可靠性验证等方面开展系统性的研究，具体包括：1）基于多尺度、多物理场分析，对碳纳米互连线的频变、温变特性进行准确建模；2）设计开发快速、准确的混合多物理场仿真算法，对碳纳米异质互连结构进行多物理场协同仿真；3）基于多物理场耦合机制，在静电放电（ESD）脉冲作用下对碳纳米异质互连结构的可靠性进行数值模拟和实验评估。研究成果将有助于从多尺度、多物理的角度理解和掌握碳纳米异质互连结构的工作性能和可靠性，为其在未来集成电路中的设计和应用提供坚实的理论基础和关键技术储备。

碳纳米异质互连是碳纳米集成电路中多级互连的典型实现方式，本项目针对碳纳米异质互连结构的参数提取、等效建模、协同仿真、可靠性分析等方面开展了系统性的研究，完成了申报书的研究内容，实现了项目研究目标，具体工作如下：.1）研究了碳纳米管和石墨烯纳米带在高频工作情况下的电磁特性，准确提取结构的关键特性参量。研究了碳纳米管过孔和多层石墨烯纳米带的热输运特性，研究了掺杂石墨烯纳米带互连的高频建模和平均功率容量评估，分析比较了高频范围内石墨烯纳米带的正常趋肤效应和奇异趋肤效应的相应特征，建立了碳纳米-金属转接结构的等效接触模型，为碳纳米异质互连结构的多物理场协同分析奠定了基础。.2）在充分考虑碳纳米材料频变和温变参数的基础上，结合碳纳米-金属转接结构的影响，研究了碳纳米互连结构的电、热响应特征。设计开发了多种高效算法对碳纳米异质互连结构进行快速的多物理场协同分析。利用混合有限元法、间断伽辽金算法、交替方向隐式法等快速仿真技术对碳纳米异质互连结构中电磁场分布、热分布以及热应力极值点进行了分析，为碳纳米异质互连的可靠性分析提供了理论支持。.3）基于多物理场协同分析技术，研究了静电放电脉冲作用下碳纳米异质互连结构的可靠性，分析了脉冲宽度、峰值大小等因素对瞬态温度和热应力的影响，制备了石墨烯互连样品，基于实验测试提取的参数来修正理论模型，将仿真模拟和实验手段相结合，研究了碳纳米异质互连结构的电热特性，为互连结构的设计优化提供了技术指导。