一种碳纳米管导线的工艺误差估计方法技术

一种碳纳米管导线的工艺误差快速估计方法属于碳纳米管导线应用领域，其特征在于，是在保证误差分析精度的前提下，利用泰勒级数对电路参数进行多次近似展开，并通过代入化简，将碳纳米管导线受工艺误差影响的各项性能，利用概率密度函数的形式进行表示。相对于传统的Ｓｐｉｃｅ工具仿真算法，本发明专利技术的创新点在于，可大大缩减运算时间，可同时考虑多个工艺误差变量发生变化时对电路性能所引起的综合影响，可给出碳纳米管导线性能受到工艺误差影响所可能产生的各种情况，并给出相应概率，为设计者提供了有力的分析工具与参考指标。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及目前研究碳纳米管导线在电路上的应用，通过提出碳纳米管导线快速估计算法，可快速地估计出工艺误差对碳纳米管导线性能的影响，为碳纳米管大规模工业化应用提供重要的评价准则。
技术介绍
信息产业的发展离不开集成电路的设计和生产。对于纳米时代的集成电路设计者来说，非常希望能够在集成电路的设计初期，而非制造完成后对所设计的集成电路进行验证，并得到准确的验证结果。但是，随着硅工艺集成电路的尺寸不断降低，摩尔定律的前进步伐越来越缓慢，也出现了越来越多很难解决的问题。为此，出现了很多新材料和新工艺。最新的半导体工艺发展路标(The International Technology Roadmap for SemiconductorsITRS 2007)报告指出了碳纳米管导线就是一种新的可替代硅工艺中使用的互连线——铜导线的材料。 碳纳米管(Carbon Nano Tube，简称CNT)是由日本科学家在1991年发现的。其结构就是一张碳元素组成的平面卷成的管子。在卷制过程中，根据卷制层数的不同，可分为单层碳纳米管(SWCNT)与多层碳纳米管(MWCNT)两种，如图1所示。此外，根据卷制方向(即chirality)的不同，又可分为金属特性碳纳米管(即metallic CNT)，与半导体特性碳纳米管(即semi-conducting CNT)，如图2所示。在实际应用中，往往将多根碳纳米管导线相并联，作为线路的传输导线。由多根碳纳米管导线并联组成的集合又被称为碳纳米管集束，如图3所示。 近年来，碳纳米管导线以其优异的机械、热学和电学特性，正日益受到电路设计者的青睐，并在IBM、斯坦福大学等众多企业、高校及研究机构的研发推动下，作为替代铜导线的新型互联线材料，逐渐走向大规模工业化应用。相对于传统的铜导线技术来说，碳纳米管的独特性能，使得铜导线所面临的许多问题不复存在，主要表现在 1)具有与铜导线明显不同的电特征，载流子的传输是一维的，意味着载流子散射的相空间减小； 2)弹道传输特性，使得电阻几乎不存在温度依赖性，并使相应功耗降低； 3)碳纳米原子的所有化学键完整，无需像硅表面由于存在悬挂键而需化学钝化，这意味着碳纳米管器件不必一定使用二氧化硅(SiO2)作为绝缘体，而是可以使用其他高介质常数和晶体的绝缘体进行三维结构的制作； 4)强共价键使碳纳米具有机械和热稳定性及抗电迁移性，可以承受高达109A/cm2的电流密度； 5)有源器件(晶体管)和互连可以分别采用半导体性和金属性碳纳米管来制作； 6)半导体性碳纳米管的迁移率比其他半导体材料高25％，比硅高75％，有望促使碳纳米管在从计算机芯片到生物传感器的各类应用中取代传统半导体材料。 综上所述，碳纳米管导线具备优异的导电性能、温度性能以及机械性能，使其成为目前最有可能解决铜导线由于工艺尺寸减小所引起的延时、功耗、温度等各类问题的重要方案。而国际电子信息网站EE TIMES也曾宣称，碳纳米管导线与三维芯片设计是目前线路设计最重要的两个发展方向，也是最有可能保证摩尔定律发展趋势的重要解决方案。 然而，与铜导线一样，碳纳米管导线也会受到工艺误差的影响。所谓工艺误差，是指在工业化应用过程中，由于导线直径、线间距等重要工艺参数的实际值，与理论值往往存在一定偏差，从而使得导线的实际表征性能与预期性能不符，进而使得整个电路的工作频率、温度参数等性能产生偏差，严重情况下，甚至会由于工艺误差引起的延时误差，导致电路误翻转，使整个设计系统的性能发生崩溃。 与铜导线相比，碳纳米管导线涉及的工艺参数种类更为繁多，碳纳米管导线不够成熟的制造工艺使其工艺误差的波动范围也较大，从而，碳纳米管导线受工艺误差影响的程度往往相较铜导线更为严重。 故而，研究碳纳米管导线受工艺误差的影响，已成为保证碳纳米管导线工业化应用的重要课题。在过去的碳纳米管导线工艺误差研究中，多采用基于Spice仿真工具的分析方法。其分析步骤大致如下首先，估计某个误差变量的最大可能误差，随后，将该值代入Spice仿真工具进行误差分析，得到最坏情况下的碳纳米管导线性能受损情况，最终，通过将受损结果与预期性能进行比较，估计得到应留出的设计余量上限。该方法的弊端主要在于以下三点 1)仅仅提供了最坏情况下的分析结果，由此而定的设计方案往往会造成设计性能上的浪费。 2)每次只能估计一个误差变量变化时对导线性能的影响，无法给出多个参数同时变化时所产生的综合性影响，不利于设计者对电路进行综合性规划。 3)仿真时间较长，尤其基于Spice工具的在大规模及超大规模电路仿真中，将占据设计者大量的仿真时间。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种快速估计碳纳米管导线性能受工艺误差影响的计算方法，相对传统估计手段，可在大量减少仿真时间的同时，提供更为综合全面的参考信息。本专利技术不仅综合考虑了各项误差变量同时变化时对导线性能所产生的影响，还可在给定误差变量波动范围的前提下，提供各种可能出现的导线性能受影响情况，并给出相应的概率，从而为设计者提供更为全面准确的参考依据。 本专利技术的特征在于，其所述方法是在计算机中依次按下述步骤实现的 步骤(1)，计算机初始化 定义下述工艺参数 Pm，一个碳纳米管集束中金属性碳纳米管占该碳纳米管集束内所有碳纳米管数的比例，下标m为该碳纳米管集束的序号，下同， St，一个碳纳米管集束中，相邻碳纳米管在相邻侧壁间的最短距离，下标t表示该最短距离的序号， dn，一个碳纳米管集束中，各个碳纳米管的直径，下标n表示各碳纳米管的序号，下同， Rn，一个碳纳米管集束中，各个碳纳米管的接触电阻， λn，一个碳纳米管集束中，各个碳纳米管导线的电子自由程， hm，一个碳纳米管集束靠近地面的侧壁与地之间的最短距离， Wm，一个碳纳米管集束的宽度， Hm，一个碳纳米管集束的高度， 定义所述工艺参数的误差变量及其设定范围3σ ΔPm，不同的碳纳米管集束中，所述Pm的差别，3σ的范围设为32％， ΔSt，不同的碳纳米管集束中，所述St的差别，3σ的范围设为23％， Δintra dn，同一的碳纳米管集束中，所述dn的差别，3σ的范围设为4.4％， Δinter dn，不同的碳纳米管集束中，所述dn的差别，3σ的范围设为50％， Δintra Rn，同一的碳纳米管集束中，所述Rn的差别，3σ的范围设为50％， Δinter Rn，不同的碳纳米管集束中，所述Rn的差别，3σ的范围设为50％， Δλn，不同的碳纳米管集束中，所述λn的差别，3σ的范围设为50％， Δhm，不同的碳纳米管集束中，所述hm的差别，3σ的范围设为32％， ΔWm，不同的碳纳米管集束中，所述Wm的差别，3σ的范围设为32％， ΔHm，不同的碳纳米管集束中，所述Hm的差别，3σ的范围设为32％， 所述3σ为工艺误差概率分布的正态曲线的均值正负3σ范围中覆盖的面积， 步骤(2)，建立碳纳米管的导线模型，据此确定碳纳米管导线的电阻、电容以及电杆的电路表达式 步骤(2.1)，建立碳纳米管集束的电阻模型 当偏置电压Vb≤0.1V时，碳纳米管导线的电阻Rlo本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纳米管导线的工艺误差估计方法，其特征在于，所述方法是在计算机中依次按下述步骤实现的：　步骤（１），计算机初始化　定义下述工艺参数：　Ｐ↓［ｍ］，一个碳纳米管集束中金属性碳纳米管占该碳纳米管集束内所有碳纳米管数的比例， 下标ｍ为该碳纳米管集束的序号，下同，　Ｓ↓［ｔ］，一个碳纳米管集束中，相邻碳纳米管在相邻侧壁间的最短距离，下标ｔ表示该最短距离的序号，　ｄ↓［ｎ］，一个碳纳米管集束中，各个碳纳米管的直径，下标ｎ表示各碳纳米管的序号，下同，　 　Ｒ↓［ｎ］，一个碳纳米管集束中，各个碳纳米管的接触电阻，　λ↓［ｎ］，一个碳纳米管集束中，各个碳纳米管导线的电子自由程，　ｈ↓［ｍ］，一个碳纳米管集束靠近地面的侧壁与地之间的最短距离，　Ｗ↓［ｍ］，一个碳纳米管集束的宽度 ，　Ｈ↓［ｍ］，一个碳纳米管集束的高度，　定义所述工艺参数的误差变量及其设定范围３σ：　ΔＰ↓［ｍ］，不同的碳纳米管集束中，所述Ｐ↓［ｍ］的差别，３σ的范围设为３２％，　ΔＳ↓［ｔ］，不同的碳纳米管集束中，所述Ｓ↓［ ｔ］的差别，３σ的范围设为２３％，　Δｉｎｔｒａ　ｄ↓［ｎ］，同一的碳纳米管集束中，所述ｄ↓［ｎ］的差别，３σ的范围设为４．４％，　Δｉｎｔｅｒ　ｄ↓［ｎ］，不同的碳纳米管集束中，所述ｄ↓［ｎ］的差别，３σ的范围设为５０％， 　Δｉｎｔｒａ　Ｒ↓［ｎ］，同一的碳纳米管集束中，所述Ｒ↓［ｎ］的差别，３σ的范围设为５０％，　Δｉｎｔｅｒ　Ｒ↓［ｎ］，不同的碳纳米管集束中，所述Ｒ↓［ｎ］的差别，３σ的范围设为５０％，　Δλ↓［ｎ］，不同的碳纳米管 集束中，所述λ↓［ｎ］的差别，３σ的范围设为５０％，　Δｈ↓［ｍ］，不同的碳纳米管集束中，所述ｈ↓［ｍ］的差别，３σ的范围设为３２％，　ΔＷ↓［ｍ］，不同的碳纳米管集束中，所述Ｗ↓［ｍ］的差别，３σ的范围设为３２％，　ΔＨ ↓［ｍ］，不同的碳纳米管集束中，所述Ｈ↓［ｍ］的差别，３σ的范围设为３２％，　所述３σ为工艺误差概率分布的正态曲线的均值正负３σ范围中覆盖的面积，　步骤（２），建立碳纳米管的导线模型，据此确定碳纳米管导线的电阻、电容以及电杆的电路表 达式　步骤（２．１），建立碳纳米管集束的电阻模型　当偏置电压Ｖ↓［ｂ］≤０．１Ｖ时，碳纳米管导线的电阻Ｒ↓［ｌｏｗ］为：　Ｒ↓...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：罗嵘，孙芃，张希，汪玉，杨华中，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]