奇异准粒子赋能下一代互连：导线越细，导电性反而越强

互连线（Interconnect）是将晶体管连接成微芯片电路的金属导线。长期以来，由于具有优异的导电性能，铜一直是芯片互连的标准材料。然而，随着电子器件尺寸不断缩小，铜的导电性能急剧下降。如今，科学家发现，一类包含奇异准粒子的全新材料，有望用于下一代芯片互连，并且与传统材料不同，其导电性能会随着尺寸缩小而进一步提升。

铜互连如今面临的问题，与金属的电子平均自由程（Mean Free Path）密切相关。电子平均自由程是指电子在与分子碰撞之前能够行进的平均距离。对于铜而言，这一距离的极限值约为40纳米。当铜导线宽度缩小到低于这个极限值时，电子开始经历更多的碰撞，导致其导电性急剧下降。

为了寻找替代方案，研究人员一直在探索能够在纳米尺度保持较高导电性的金属材料。例如，钴（Cobalt）和钌（Ruthenium）的电子平均自由程分别约为10纳米和6纳米，因此，相比铜，它们能够在更细的情况下保持较好的导电性能。不过，当导线进一步缩小时，这些材料最终也会遭遇与铜相同的问题。

在最新研究中，科学家将目光转向了一类拓扑材料（Topological Materials）。这类材料具有基于其结构拓扑的特殊性能。作为概念验证，研究团队成功制备出了由其中一种拓扑材料构成的纳米线。

美国康奈尔大学材料科学与工程教授Judy Cha表示：“我们不需要超纯净或高质量的样品，也不需要超低温或高真空就能观察到量子效应。我们所有的测试都是在室温、低真空甚至空气环境中完成的，这一点令我十分惊讶。”

为什么拓扑材料有望成为下一代互连材料？

拓扑学（Topology）是数学的一个分支，研究物体在连续形变的过程中保持不变的几何性质。

一个经典例子是甜甜圈和带把手的杯子。两者都只有一个“孔”，因此可以通过连续拉伸和压缩相互变换，而无需切割材料；但如果想把甜甜圈变成没有孔的球体，就必须将其撕裂。

基于拓扑学理论，研究人员于2007年首次提出了一类被称为电子拓扑绝缘体（Electronic Topological Insulator）的新型材料。在这类材料中，沿着表面或边缘运动的电子受到拓扑保护（Topological Protection），免受标准导体中观察到的那种散射的影响，也就是说它们能够抵抗各种会阻碍电子传输的扰动，就像甜甜圈不会因为普通的拉伸或挤压而失去它的那个孔一样。

不过，拓扑绝缘体虽然表面具有导电能力，其内部仍然保持绝缘状态。

相比之下，另一类拓扑材料——Weyl半金属（Weyl Semimetal）——不仅内部可以导电，其表面同样具有受拓扑保护的导电态。Cha表示：“Weyl半金属的导电性能远优于拓扑绝缘体。”

Weyl半金属的特殊导电性能来源于Weyl费米子（Weyl Fermion）的准粒子形式。Weyl费米子是一种理论上的亚原子粒子，没有质量并携带电荷。（准粒子是材料中原子的集体激发态，其行为类似于自由空间中的粒子。）

这些Weyl准粒子赋予材料表面更强的导电能力。因此，当Weyl半金属导线不断变细时，其表面积与体积之比增大，表面导电所占比例也随之提高。理论上，这可以使Weyl半金属在互连领域比其他材料更具优势，尤其是在导线尺寸缩小的情况下。

砷化铌纳米线展现出应用前景

在这项研究中，Cha团队采用热机械纳米成形（Thermomechanical Nanomolding）技术，合成了Weyl半金属砷化铌纳米线。研究人员成功获得长度约2～3微米、厚度仅为40纳米的单晶纳米线。

科学家发现，随着导线直径不断减小，砷化铌纳米导线的电阻率反而持续降低。在室温条件下，宽度为40纳米的砷化铌纳米导线，其电阻率比块体单晶低约70%。研究分析认为，这种电阻率的降低主要来自于材料表面的导电效应。

尽管40纳米宽的砷化铌纳米线比同等尺寸的钴或钌纳米线导电性更好，但它们的导电性并不优于目前最先进的10纳米宽铜互连线。不过，研究人员预计直径约为12纳米的砷化铌纳米线将优于此类铜互连。他们表示，当直径接近或小于该值时，这些纳米线的表面导电性将超过体导电性。

除此之外，这种纳米导线在空气中还表现出良好的稳定性，能够在发生断裂之前承载较高的电流密度。同时，其热导性也较高，有助于在作为芯片互连时防止过热。

不过，Cha也指出，砷化铌最终可能无法成为铜的替代品。她表示：“砷有毒。”此外，他们使用的合成技术目前尚无法兼容CMOS制造流程及芯片后道工艺条件（BEOL）。

尽管如此，Cha认为，这项概念验证研究已经证明了Weyl半金属在尺寸持续缩小过程中，相较传统材料具有独特优势。更重要的是，即使纳米导线内部存在大量缺陷，也能展现出增强的导电性。Cha表示：“拓扑半金属不应仅仅停留在物理学研究中的模型材料，而是真正具有应用潜力、值得产业界关注的工程应用材料。”

除了砷化铌之外，其他拓扑半金属同样展现出应用前景。例如，今年6月举行的IEEE/JSAP VLSI 研讨会上，三星展示了关于磷化钼（Molybdenum Phosphide）作为互连材料的研究成果，IBM则展示了一硅化钴（Cobalt Monosilicide）的研究成果。Cha表示：“产业界已经开始关注这一方向。”

相关研究成果已于7月16日在线发表于《Science》期刊。