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Newton：拓扑半金属——下一代芯片互连材料的突破方向

2025-07-18 07:20

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创 Cell Press CellPress细胞科学

物质科学

Physical science

人工智能（AI）、高性能计算（HPC）及5G/6G通信技术的快速发展推动全球数据量呈指数级增长，芯片算力与能效需求持续攀升。传统铜（Cu）互连在10 nm以下技术节点面临电阻率显著上升的瓶颈，制约了芯片性能提升。拓扑半金属（TSMs）的发现为应对该挑战提供了新思路。为此，康奈尔大学Judy J. Cha教授等人在Cell Press细胞出版社旗下期刊Newton上发表观点文章“Searching for materials for next-generation on-chip interconnects”，探讨拓扑半金属在下一代芯片互连材料中的应用潜力，并提出集成协同设计框架，以促进拓扑半金属纳米结构的高通量材料搜索和实验测试，旨在识别出最有前景的候选材料，以便将其整合到现代半导体工艺中。

铜互联的发展与瓶颈

自1997年IBM首次将铜引入半导体互联工艺以来，凭借其低电阻率和良好的电迁移抗性，铜在后端工艺（BEOL）中主导应用超20年。图1展示了基于国际半导体技术路线图（ITRS）2013年发布的铜互联数据，按最小线宽下的材料选择分为三区：铜镶嵌工艺可延伸至P≥20nm的间距；但进一步微缩则需采用电子平均自由程更小的后铜金属（如减法蚀刻钌和镶嵌铑/铱）；当P≤16nm时，则需突破传统导体范畴，转向拓扑与各向异性导体等新兴材料体系。路线图指出，新型导体必须在8 nm半节距实现R=917Ω/μm的线电阻指标，方可与后铜金属竞争。

图1. 线电阻 vs. BEOL（后端制程）线距图

尽管业界倾向选择电阻率缩放特性更优的常规金属替代铜，拓扑半金属（Topological Semimetal, TSM）等复合导体通过基础研究提供了更本质的解决方案：设计出导电性随尺寸缩减而提升的化合物。理论预测显示，超过85%的已知化合物电子能带结构存在拓扑保护节点。特定拓扑材料具有抑制散射的受保护表面态，当尺寸进入纳米尺度时，其表面态主导的导电机制可使电阻率随尺寸减小而降低。

拓扑半金属的定义与特性

本拓扑半金属（TSMs）作为三维材料，核心特征为动量空间中沿特定线或孤立节点的能带交叉（图2）。这类材料在互联应用中的潜力主要集中于节点型半金属，因节线半金属需严格对称性条件维持稳定性。

图2. 拓扑半导体的分类

当节点型半金属的能带交叉位置呈现四重简并（即两个Kramers对交叉），称之为狄拉克半金属（因其低能激发可以用狄拉克方程描述）。若在狄拉克半金属中打破时间反演或空间反演对称性，四重简并将分裂为偶数个二重简并外尔点。这些外尔点作为贝里曲率的磁单极子与反磁单极子，使得垂直于节点分离方向的动量空间二维平面呈现陈绝缘体特性。

图3. NbAs表面的费米弧

特别值得注意的是，在超薄极限下，这些拓扑边缘模式依然存在，并可主导导电。实验已证实的外尔半金属包括TaAs和NbAs等材料。以NbAs薄膜为例，计算证实其导电态主要源于表面费米弧态，薄膜厚度减小导致电阻-面积显著降低（图3）。

计算驱动的材料筛选

材料基因组计划推动了无机与金属化合物数据库建设，使拓扑材料从稀有体系转变为丰富资源。材料筛选需满足以下要求：

（1）高精度电子结构计算要求：采用Hubbard-U/metaGGA等改进型密度泛函理论（DFT）方法，需平衡计算精度与效率，避免遗漏潜力候选材料。在获得可靠的结构和成分数据后，可应用多个筛选标准来缩小候选TSMs范围，以执行计算资源密集型流程。

（2）自适应发现过程需要获取高保真电子结构。基于布洛赫函数可构建局域化表示，支持稳健的高通量计算。例如目前已建立基于万尼尔函数的紧束缚模型，可用于高通量输运模拟。

（3）针对第一性原理优选TSMs，有限温度输运计算存在挑战。发展从头算方法以捕捉费米弧态准粒子衰减率，对定量理解实验现象及建立声子限制电导率预测模型至关重要。此外，机器学习技术可提供替代DFT的有效途径。

（4）有限温度输运预测精度：TSMs有限温度输运预测需兼顾声子模和电子结构精度。当前主流方案采用DFT+等变图神经网络构建代理能带模型（如HamGNN可精准预测复杂体系跳变参数）。

（5）TSMs互联材料的计算识别与生成需实现实验-计算闭环工作流，核心环节包括：结构表征、费米能级定位、输运数据，以及表面态最大化导线取向优化。上述各环节必须整合为如图4所示的循环工作流。近年来，自动化实验（AE）技术发展，通过集成AI规划的合成/表征工具，可实现多目标同步优化能力。

图4. 面向互联应用的拓扑半金属（TSMs）优化筛选数据驱动工作流

高通量实验室级实验验证方案

拓扑半金属互联材料的实验验证高度依赖于可控制直径的单晶纳米线制备技术。然而，候选材料涵盖从金属磷化物到三元化合物等多元体系，传统纳米线制备方法难以满足快速筛选需求。

薄膜沉积技术（如分子束外延、磁控溅射等）可提供更高效的初步筛选方案，这些技术可以控制化学成分、厚度，并能通过组合沉积法实现高通量制备。结合自动化薄膜合成平台、原位X射线衍射和四探针测试，可构建完整的AI驱动材料设计闭环。化学气相沉积（CVD）和气-液-固（VLS）法虽能制备NbAs、CoSi等TSM纳米线（如NbAs纳米线电阻率较体材料低一个数量级），但存在工艺优化周期长、催化剂污染等问题。

基于此，热机械纳米成型（TMNM）技术实现了以下突破：

高通量制备10 nm级单晶纳米线（制备速度提升5倍以上）；

晶体结构与前驱体完全一致；

表面能主导的择优取向结晶；

优异的电学性能：例如，直径40 nm的NbAs纳米线电阻率低至9.7 μΩ·cm，优于同尺寸的钌（Ru）材料。

当前面临的主要挑战包括：

纳米线接触电阻控制和表面氧化抑制；

电迁移耐受性、抗氧化性、热导率等多参数协同评估；

与后端制程（BEOL）兼容的工艺开发及晶界散射影响研究。

产业化挑战：从实验室走向量产

尽管TSMs在实验室已取得突破，但要真正成为替代铜的材料，仍需解决以下问题：

(1) 性能与可靠性达标：实验室阶段的初步验证应瞄准定量基准。其中一个关键基准是终端电阻率ρ<13 μΩ·cm（适用于半节距w≤8 nm）。此外，TSM互联还必须满足基本可靠性要求，在125°C工作温度下，能承受约10 MA/cm2的电流而不发生显著的电迁移失效。

(2) 可扩展的材料合成：在<10 nm尺度下，为维持高表面电导率，必须将表面缺陷密度和晶界散射效应降至最低。由于晶界散射会严重影响TSM中的载流子迁移率，开发具有大晶粒尺寸的高度织构薄膜或纳米线至关重要。目前TSMs主要通过CVD（化学气相沉积）或TMNM（热机械纳米成型）制备，但实现量产级别的一致性和良率仍是重大挑战。