寻找铜互联的替代者

文章摘要

【关 键 词】 晶体管、互连线、电阻率、拓扑半金属、集成电路

集成电路性能的提升已无法仅依赖晶体管尺寸的缩小，互连线材料成为关键瓶颈。随着晶体管进入纳米级，铜互连线的电阻-电容（RC）时间延迟可达晶体管开关速度的20倍，这源于铜的电子平均自由程（40 nm）导致的尺寸效应——当导线宽度接近该值时，晶界和表面散射会显著增加电阻率。半导体行业曾通过用铜替代铝解决类似问题，但当前需要更根本的材料革新。

拓扑半金属因其独特的电子能带结构和表面费米弧特性，展现出颠覆性的尺寸-电阻率关系。与铜不同，这类材料的表面电子态对无序具有鲁棒性，理论预测其电阻率可能随尺寸减小而降低。铌砷化物等候选材料在200 nm厚度时电阻率已接近单晶铜（1.68 μΩ·cm），而1.5 nm厚的铌磷化物薄膜甚至表现出低于本征值的电阻率。磷化钼多晶纳米线更显示出与尺寸无关的电阻特性，单晶纳米线性能可能更优。

材料筛选面临多重挑战。目前仅对5-10种拓扑半金属进行初步研究，直径小于40 nm时的行为尚不明确。表面费米弧的稳定性受结构缺陷影响，外尔半金属比手性半金属更敏感，但实验证实1.5 nm厚度仍能保持拓扑保护。高通量组合薄膜沉积技术可加速筛选，但需开发热机械纳米成型等新方法制备一维纳米线验证性能。电沉积等传统半导体工艺难以直接应用于二元/三元化合物，需探索化学气相沉积等替代方案。

产业化路径仍需突破基础科学与工程障碍。除电阻率外，电迁移行为、抗氧化性、与介电材料的兼容性等特性尚未系统评估。将实验室成果转化为代工厂量产，需要同步优化材料合成、器件设计和工艺集成。尽管拓扑半金属研究处于早期阶段，其特殊的尺寸效应规律为突破互连瓶颈提供了全新方向，可能引发继铜替代铝之后的又一次材料革命。

原文和模型

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【原文作者】 半导体行业观察
【摘要模型】 deepseek/deepseek-v3-0324
【摘要评分】 ★★★★☆

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