Exploration of carbon nanotube and copper-carbon nanotube composite for next generation on-chip energy efficient interconnect applications
Exploration de nanotubes de carbone et de composites de nanotubes-cuivre pour des applications d'interconnexion sur puce de la prochained génération efficacité energitique
Résumé
Improving only the performance and energy efficiency of transistors is not sufficient for future systems-on-chip. On-chip interconnects have become equally critical to transistors and can detriment the system’s performance and energy efficiency. Copper (Cu) is the state-of-the-art interconnect material and is reaching its physical limitations due to scaling. Barrier and scattering effects induce high resistivity and electromigration exacerbates interconnect reliability. Carbon Nanotubes (CNTs) and Copper-Carbon Nanotube (Cu-CNT) composite materials are of interest due to ballistic transport, high scalability, high thermal conductivity, and high current density. We investigate from fundamental atomistic level to macroscopic level the physical understanding and electrical compact modeling on CNT and Cu-CNT composite for on-chip local and global interconnect applications. We evaluate and assess the different sources of variations and their impacts on CNT interconnect performance and energy efficiency. Charge transfer based doping of CNT is also investigated as an alternative method to further reduce its resistivity, mitigate CNT chirality variations and contact resistance drawbacks. Experimental measurement results are used to demonstrate the validity and accuracy of our established models. The interconnect models are finally applied to the gate- and circuit- level studies as local and global interconnects to evaluate their performance.
Améliorer uniquement les performances et l'efficacité énergétique des transistors n'est pas suffisant pour les futurs systèmes sur puce. Les interconnexions sont également essentielles et ont de graves répercussions sur les performances globales du circuit et l'efficacité énergétique. Le cuivre (Cu) est le matériau d'interconnexion conventionnel qui a aujourd’hui atteint ses limites par suite de l’effet de la miniaturisation. Les effets de barrière et de dispersion induisent une résistivité élevée et une forte éléctromigration aggravent la fiabilité d'interconnexion. Les Nanotubes de carbone (CNT) et les composites de Cuivre et Nanotube de carbone (Cu-CNT) sont intéressants grâce à leur transport balistique, à la grande évolutivité, à la conductivité thermique élevée et à la densité de courant élevée. Dans ce travail, nous étudions les propriétés physiques fondamentales et électriques des CNT et des composite de Cu-CNT de l’échelle atomique à l’échelle macroscopique pour les applications d’interconnexions locales et globales. Nous évaluons les différentes sources de variabilité et leurs impacts sur les performances d'interconnexion des CNT et l'efficacité énergétique. Le dopage basé sur le transfert de charge des CNT est également étudié en tant que moyen important de réduire davantage sa résistivité et d’atténuer les variations de chiralité des CNT ainsi que d’alléger les effets sur la résistance de contact. Les résultats des mesures expérimentales sont utilisés pour démontrer la validité et la précision de nos modèles établis. Les modèles d'interconnexion sont enfin appliqués aux études à l’échelle de portes et de circuits en tant qu'interconnexions locales et globales pour évaluer leurs performances.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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