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遵循摩爾定律，集成電路里晶體管尺寸持續(xù)縮小，微芯片上的晶體管數(shù)量約每兩年翻一番，這是一項(xiàng)非凡的工程壯舉，突破了基礎(chǔ)物理學(xué)的極限。晶體管是關(guān)鍵元件，通過開關(guān)電流來調(diào)節(jié)端子（導(dǎo)電連接點(diǎn)）之間的電流。晶體管尺寸減小，開關(guān)速度加快，能讓集成電路更快地處理信息。

然而，當(dāng)晶體管尺寸縮小到納米級，互連線（連接晶體管和微芯片上其他電路元件的金屬導(dǎo)線）成了處理速度的主要瓶頸。所以，提升下一代電子設(shè)備集成電路的性能，不能只靠縮小晶體管尺寸，還需開發(fā)新型互連材料。

互連線用于將信號從一個(gè)電路元件傳輸?shù)搅硪粋€(gè)電路元件。信號在導(dǎo)線中傳輸所需的時(shí)間叫電阻 - 電容 ( RC ) 時(shí)間延遲，它取決于互連材料的固有電阻和周圍介質(zhì)元件（一種可被電場極化的電絕緣體）的電容。因此，銅作為導(dǎo)電性最好的金屬之一，一直是互連線的標(biāo)準(zhǔn)材料。但仿真結(jié)果顯示，目前使用的最小互連線（寬度約為 15 nm）的 RC 時(shí)間延遲可能高達(dá)晶體管開關(guān)速度的 20 倍。

互連線的 RC 時(shí)間延遲為何這么大呢？銅的電阻會(huì)隨尺寸減小而增大。金屬內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)是造成這種尺寸效應(yīng)影響電阻率的根本原因。電子平均自由程（λ）指電子在材料內(nèi)部移動(dòng)的平均距離，超過該距離后，電子會(huì)因晶格中有序三維原子排列的熱振動(dòng)而發(fā)生散射。當(dāng)互連線的尺寸接近材料的電子平均自由程時(shí)，會(huì)發(fā)生額外的散射，主要發(fā)生在晶界（不同取向晶體相遇的界面）和表面，這會(huì)使互連線的電阻率顯著高于材料的固有電阻率。

比如，當(dāng)銅線的寬度小于銅的電子平均自由程（室溫下為 40 nm）時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電子散射增加，電阻增大，從而產(chǎn)生較長的 RC 時(shí)間延遲（見圖）。盡管解決這個(gè)問題看似困難，但并非沒有先例。1997 年之前的計(jì)算機(jī)芯片用鋁互連線，后來因鋁固有的高電阻率和電遷移（高電流引起的原子運(yùn)動(dòng)）導(dǎo)致材料中出現(xiàn)空隙，鋁互連線被銅互連線取代。

半導(dǎo)體行業(yè)已把目光投向電子平均自由程小于銅的替代材料，如釕（λ 為 6.6 nm）。優(yōu)化沉積工藝、襯墊層（緊鄰銅的薄層材料，可促進(jìn)粘附并防止擴(kuò)散）以及微芯片設(shè)計(jì)，能讓釕在互連尺寸接近其電子平均自由程之前，經(jīng)歷幾輪尺寸縮小。所以，尋找電阻率變化規(guī)律不同于元素金屬的化合物，是解決這一長期問題的必要途徑。

拓?fù)浒虢饘偈且活惡苡邪l(fā)展前景的材料，它是一種具有拓?fù)浔Ｗo(hù)電子態(tài)的量子物質(zhì)相。這類化合物有特殊的電子能帶結(jié)構(gòu)（電子能級與電子動(dòng)量相關(guān)的允許范圍），能顯著改變固體中的電子輸運(yùn)行為。一些拓?fù)浒虢饘?，如外爾半金屬和手性半金屬，有特殊的表面電子態(tài)，即表面費(fèi)米弧，這些表面費(fèi)米弧對無序有魯棒性，并決定著電導(dǎo)率。

這些表面費(fèi)米弧在銅等傳統(tǒng)金屬中不存在。與元素金屬互連線不同，表面費(fèi)米弧能隨材料尺寸減小而降低電阻率。此外，理論預(yù)測表面費(fèi)米弧中的電子運(yùn)動(dòng)時(shí)表面散射為零或極低，這表明即使在小尺寸下，其導(dǎo)電性也能增強(qiáng)。計(jì)算研究預(yù)測，超過 50% 的已知晶體化合物應(yīng)該是拓?fù)浠衔铮@為互連應(yīng)用提供了廣闊的材料設(shè)計(jì)空間。

鈮砷化物、鈮磷化物、鉬磷化物和單硅化鈷等化合物被認(rèn)為是潛在的互連拓?fù)浒虢饘佟Ｆ渲?，鈮砷化物最有前景。在室溫下，?dāng)形成 200 納米厚的薄帶時(shí)，其電阻率約為 1 至 3 微歐姆 · 厘米，接近單晶銅的本征電阻率（1.68 微歐姆 · 厘米）。此外，1.5 納米厚的納米晶鈮磷化物薄膜的電阻率也低于其本征電阻率。

另外，磷化鉬多晶納米線（一種具有多種不同取向晶粒的固體）的電阻率與尺寸無關(guān)，其值與寬度小于 25 nm 的銅互連線相當(dāng)。由于不存在散射電子的晶界，單晶磷化鉬納米線的電阻率甚至可能低于其多晶對應(yīng)物。

還有，單硅化鈷納米線的電阻率比其固有值低約 80%。盡管互連線的線電阻（單位長度電阻）比電阻率更能反映電路性能，但這些研究提供了拓?fù)浒虢饘匐娮杪孰S尺寸減小的全面實(shí)例，這與銅的情況相反。事實(shí)上，在相似的互連線寬度下，磷化鉬的線電阻與銅和釕相當(dāng)。然而，拓?fù)浒虢饘俚木€路電阻還需進(jìn)一步評估，才能精確預(yù)測它們在集成電路中的性能。

用于互連的拓?fù)浒虢饘傺芯咳蕴幱谄鸩诫A段。

除了上述化合物外，還有 5 到 10 種其他具有相似特性、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的拓?fù)浒虢饘伲ㄈ缟榛g、磷化鉭和硅化銠），但它們的尺寸依賴性電阻率尚不清楚。研究這些材料，特別是直徑小于 40 nm 的材料，有助于更好地理解納米尺度下的電阻率和材料穩(wěn)定性。此外，對拓?fù)浒虢饘僦械碾娮虞斶\(yùn)行為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對于確定在制造過程中可能出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)無序、雜質(zhì)（摻雜劑）和晶界存在下表面費(fèi)米弧的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

例如，計(jì)算研究表明，與單硅化鈷等手性拓?fù)浒虢饘傧啾?，鈮砷化物、鈮磷化物和鉭砷化物等外爾半金屬中的費(fèi)米弧在引入結(jié)構(gòu)缺陷后穩(wěn)定性降低。當(dāng)材料尺寸小于臨界尺寸（<5 nm）時(shí)，拓?fù)浔Ｗo(hù)的表面態(tài)可能會(huì)因來自相反材料表面的波函數(shù)雜化（重疊以及由此產(chǎn)生的電子相互作用）而受到損害。不過，理論計(jì)算預(yù)測，只有當(dāng)材料厚度達(dá)到幾個(gè)埃時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問題，對 1.5 nm 厚的鈮磷化物薄膜的實(shí)驗(yàn)研究也支持這一預(yù)測。

目前還沒發(fā)現(xiàn)大量具有拓?fù)浔Ｗo(hù)表面費(fèi)米弧的不同類型材料。例如，Weyl 拓?fù)浒虢饘俸褪中酝負(fù)浒虢饘傩枰?jì)算量更大的能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算才能精確描述表面費(fèi)米弧的特征。理想的拓?fù)浒虢饘賾?yīng)在費(fèi)米能級（電子在平衡狀態(tài)下占據(jù)的最高能級）附近的多個(gè)晶體表面上有高密度的長費(fèi)米弧。此外，還應(yīng)考慮與實(shí)際應(yīng)用條件相關(guān)的特性，如抗氧化性、低成本元素以及與周圍介電材料的化學(xué)穩(wěn)定性。將計(jì)算預(yù)測擴(kuò)展到三元化合物也有助于增加待探索的候選材料數(shù)量。

高通量方法可以加速在技術(shù)相關(guān)的長度尺度和形貌下對潛在材料的實(shí)驗(yàn)篩選。組合式多元素薄膜沉積可在樣品中制備具有不同元素組成的二元或三元化合物，通過測量電阻率能快速篩選每種化合物作為互連材料的可行性。化合物在薄膜（二維）中的低電阻率是其在導(dǎo)線（一維）中低電阻率的有力指標(biāo)。

然而，在薄膜中觀察到的良好電阻率并不能保證在互連材料中也能獲得相同的電阻率。所以，納米尺度一維形貌的材料篩選必須通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。盡管如此，現(xiàn)有的合成方法，如化學(xué)氣相沉積和氣 - 液 - 固生長，需要針對每種化合物進(jìn)行大量的優(yōu)化，并且僅限于某些特定的化學(xué)體系和樣品尺寸。先進(jìn)的方法，如熱機(jī)械納米成型，將多晶原料壓入納米結(jié)構(gòu)模具中，擠出所需直徑和成分的單晶納米線，可以加速互連材料的篩選。

把實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的測量結(jié)果轉(zhuǎn)化為大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，需要深入了解材料特性（而不只是傳輸行為）。此外，必須抑制電遷移以防止互連失效。拓?fù)洳牧现械碾娺w移是否與元素金屬不同，目前還不清楚。另外，在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體代工廠條件下加工拓?fù)浒虢饘偈橇硪粋€(gè)亟待解決的挑戰(zhàn)。

例如，銅互連通常采用電沉積工藝制造，但這種工藝不適用于制備拓?fù)浒虢饘俚榷蛉衔?。確定哪些化合物可以通過化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積和原子層沉積等傳統(tǒng)技術(shù)制造互連，將有助于實(shí)現(xiàn)代工廠的集成。

參考鏈接

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu7099

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