突破铜互联瓶颈：寻找下一代互连材料

在半导体行业的发展进程中，遵循摩尔定律，集成电路中晶体管尺寸的持续缩小堪称一项非凡的工程壮举，它突破了基础物理学的极限。在集成电路里，晶体管作为关键元件，通过开关电流来调节端子（导电连接点）之间的电流。当晶体管尺寸减小时，其开关速度加快，这使得集成电路能够更高效地处理信息，微芯片上的晶体管数量大约每两年就会翻一番。

然而，随着晶体管尺寸缩小到纳米级，互连线 —— 连接晶体管和微芯片上其他电路元件的金属导线 —— 却成为了处理速度的主要瓶颈。这意味着，提升下一代电子设备集成电路的性能，不能仅仅依赖于缩小晶体管尺寸，还需要积极开发新型互连材料。

互连线的主要作用是将信号从一个电路元件传输到另一个电路元件。信号在导线中传输所需的时间被称为电阻 - 电容 (RC) 时间延迟，它主要取决于互连材料的固有电阻和周围介质元件（一种可被电场极化的电绝缘体）的电容。由于铜是导电性最好的金属之一，所以一直以来都是互连线的标准材料。但仿真结果显示，目前使用的最小互连线（宽度约为 15 nm）的 RC 时间延迟可能高达晶体管开关速度的 20 倍。

互连线的 RC 时间延迟为何如此之大呢？这是因为铜的电阻会随着尺寸的减小而增大。金属内部电子的运动是造成这种尺寸效应影响电阻率的根本原因。电子平均自由程（λ）指的是电子在材料内部移动的平均距离，超过该距离后，电子会因晶格中有序三维原子排列的热振动而发生散射。当互连线的尺寸接近材料的电子平均自由程时，就会发生额外的散射，主要发生在晶界（不同取向晶体相遇的界面）和表面，这会导致互连线的电阻率显著高于材料的固有电阻率。

例如，当铜线的宽度小于铜的电子平均自由程（室温下为40 nm）时，会导致电子散射增加，电阻增大，从而产生较长的RC时间延迟（见图）。尽管解决这个问题看似艰巨，但并非没有先例。 1997 年之前的计算机芯片使用铝互连线，后来由于铝固有的高电阻率和电迁移（高电流引起的原子运动）导致材料中出现空隙，因此铝互连线被铜互连线取代。

半导体行业已将目光投向电子平均自由程小于铜的替代材料，例如钌（λ 为 6.6 nm）。通过优化沉积工艺、衬垫层（紧邻铜的薄层材料，可促进粘附并防止扩散）以及微芯片设计，钌在互连尺寸接近其电子平均自由程之前，还能经历几轮尺寸缩小。因此，寻找电阻率变化规律不同于元素金属的化合物，是解决这一长期问题的必要途径。

拓扑半金属（topological semimetals）是一类极具发展前景的材料，它是一种具有拓扑保护电子态的量子物质相。这类化合物拥有特殊的电子能带结构（电子能级与电子动量相关的允许范围），能够显著改变固体中的电子输运行为。一些拓扑半金属，例如外尔半金属和手性半金属，展现出特殊的表面电子态，称为表面费米弧，这些表面费米弧对无序具有鲁棒性，并决定着电导率。

这些表面费米弧在铜等传统金属中并不存在。与元素金属互连线不同，表面费米弧能够随着材料尺寸的减小而降低电阻率。此外，理论预测表面费米弧中的电子运动时表面散射为零或极低，这表明即使在小尺寸下，其导电性也得到了增强。计算研究预测，超过 50% 的已知晶体化合物应该是拓扑化合物，这为互连应用提供了广阔的材料设计空间。

铌砷化物、铌磷化物、钼磷化物和单硅化钴等化合物已被认为是潜在的互连拓扑半金属。其中，铌砷化物是最有前景的候选材料。在室温下，当形成 200 纳米厚的薄带时，其电阻率约为 1 至 3 微欧姆・厘米。这比单晶（连续、无晶界的晶格）铌砷化物的本征电阻率低一个数量级，也接近单晶铜的本征电阻率（1.68 微欧姆・厘米）。此外，1.5 纳米厚的纳米晶（由纳米级晶粒组成的固体）铌磷化物薄膜的电阻率也低于其本征电阻率。

此外，磷化钼多晶纳米线（一种具有多种不同取向晶粒的固体）的电阻率与尺寸无关，其值与宽度小于 25 nm 的铜互连线相当。由于不存在散射电子的晶界，单晶磷化钼纳米线的电阻率甚至可能低于其多晶对应物。

此外，单硅化钴纳米线的电阻率比其固有值低约 80%。尽管互连线的线电阻（单位长度电阻）比电阻率更能反映电路性能，但这些研究提供了拓扑半金属电阻率随尺寸减小的全面实例，这与铜的情况相反。事实上，在相似的互连线宽度下，磷化钼的线电阻与铜和钌相当。然而，拓扑半金属的线路电阻还需要进一步评估，才能精确预测它们在集成电路中的性能。

用于互连的拓扑半金属研究仍处于起步阶段。除了上述化合物外，还有 5 到 10 种其他具有相似特性、晶体结构和化学成分的拓扑半金属（例如，砷化钽、磷化钽和硅化铑），但它们的尺寸依赖性电阻率尚不清楚。研究这些材料，特别是直径小于 40 nm 的材料，有助于更好地理解纳米尺度下的电阻率和材料稳定性。此外，对拓扑半金属中的电子输运行为进行实验研究，对于确定在制造过程中可能出现的结构无序、杂质（掺杂剂）和晶界存在下表面费米弧的稳定性至关重要。

例如，计算研究表明，与单硅化钴等手性拓扑半金属相比，铌砷化物、铌磷化物和钽砷化物等外尔半金属中的费米弧在引入结构缺陷后稳定性降低。当材料尺寸小于临界尺寸（<5 nm）时，拓扑保护的表面态可能会因来自相反材料表面的波函数杂化（重叠以及由此产生的电子相互作用）而受到损害。然而，理论计算预测，只有当材料厚度达到几个埃时，才会出现这个问题，而对 1.5 nm 厚的铌磷化物薄膜的实验研究也支持这一预测。

目前尚未发现大量具有拓扑保护表面费米弧的不同类型材料。例如，Weyl 拓扑半金属和手性拓扑半金属需要计算量更大的能带结构计算才能精确描述表面费米弧的特征。理想的拓扑半金属应在费米能级（电子在平衡状态下占据的最高能级）附近的多个晶体表面上具有高密度的长费米弧。此外，还应考虑与实际应用条件相关的特性，例如抗氧化性、低成本元素以及与周围介电材料的化学稳定性。将计算预测扩展到三元化合物也有助于增加待探索的候选材料数量。

高通量方法可以加速在技术相关的长度尺度和形貌下对潜在材料的实验筛选。组合式多元素薄膜沉积可在样品中制备具有不同元素组成的二元或三元化合物，通过测量电阻率可以快速筛选每种化合物作为互连材料的可行性。化合物在薄膜（二维）中的低电阻率是其在导线（一维）中低电阻率的有力指标。

然而，在薄膜中观察到的良好电阻率并不能保证在互连材料中也能获得相同的电阻率。因此，纳米尺度一维形貌的材料筛选必须通过实验验证。尽管如此，现有的合成方法，例如化学气相沉积和气 - 液 - 固生长，需要针对每种化合物进行大量的优化，并且仅限于某些特定的化学体系和样品尺寸。先进的方法，例如热机械纳米成型，将多晶原料压入纳米结构模具中，挤出所需直径和成分的单晶纳米线，可以加速互连材料的筛选。

将实验室规模的测量结果转化为大规模工业生产，需要对材料特性（而不仅仅是传输行为）有深入的了解。此外，必须抑制电迁移以防止互连失效。拓扑材料中的电迁移是否与元素金属有所不同，目前尚不清楚。此外，在传统的半导体代工厂条件下加工拓扑半金属是另一个亟待解决的挑战。

例如，铜互连通常采用电沉积工艺制造，但这种工艺并不适用于制备拓扑半金属等二元或三元化合物。确定哪些化合物可以通过化学气相沉积、物理气相沉积和原子层沉积等传统技术制造互连，将有助于实现代工厂的集成。