文章核心观点 - 随着晶体管尺寸缩小至纳米级，互连线已成为集成电路性能提升的主要瓶颈，行业需要开发新型互连材料以替代传统铜材料 [1][2] - 拓扑半金属是一类极具前景的新型互连材料，其独特的表面费米弧电子态使其在小尺寸下电阻率不增反降，这与传统金属的尺寸效应相反 [8][9] - 尽管研究尚处早期且面临制造集成等挑战，但拓扑半金属为突破互连瓶颈提供了广阔的材料设计空间和潜在解决方案 [10][12] 互连性能瓶颈与铜的局限性 - 互连线的电阻-电容时间延迟是处理速度的主要瓶颈，仿真显示最小互连线（宽约15 nm）的RC延迟可达晶体管开关速度的20倍 [2] - 铜的电阻率随尺寸减小而显著增大，当线宽小于其电子平均自由程（室温下40 nm）时，电子在晶界和表面的散射加剧，导致电阻升高和RC延迟变长 [2][3] - 历史上互连材料曾从铝转向铜，当前行业需寻找下一代替代材料以延续性能提升 [3] 拓扑半金属的材料特性与优势 - 拓扑半金属（如外尔半金属、手性半金属）具有拓扑保护的表面电子态，称为表面费米弧，其对无序具有鲁棒性并决定电导率 [8] - 理论预测表面费米弧中的电子表面散射极低，且超过50%的已知晶体化合物可能是拓扑化合物，为材料设计提供广阔空间 [8] - 与铜相反，拓扑半金属的电阻率可随尺寸减小而降低，例如铌砷化物在200纳米厚薄带时电阻率约为1至3微欧姆·厘米，接近单晶铜的本征电阻率（1.68微欧姆·厘米） [9] - 钼磷化物多晶纳米线电阻率与尺寸无关，在宽度小于25 nm时与铜相当；单硅化钴纳米线电阻率可比其固有值低约80% [9] - 在相似线宽下，钼磷化物的线电阻与铜和钌（钌的电子平均自由程为6.6 nm）相当 [7][9] 研究现状与挑战 - 用于互连的拓扑半金属研究仍处于起步阶段，除已提及材料外，还有5到10种类似化合物（如砷化钽、磷化钽、硅化铑）有待研究，其尺寸依赖性电阻率尚不清楚 [10] - 关键研究包括理解纳米尺度（特别是直径小于40 nm）下的电阻率与材料稳定性，以及实验验证表面费米弧在结构缺陷、杂质和晶界存在下的稳定性 [10] - 计算研究表明，外尔半金属（如铌砷化物）的费米弧在引入结构缺陷后稳定性可能低于手性半金属（如单硅化钴） [10] - 当材料厚度小于临界尺寸（<5 nm）时，拓扑保护表面态可能受损，但理论预测此问题仅在厚度达几个埃时才出现，1.5纳米厚的铌磷化物薄膜实验支持该预测 [10] - 理想的拓扑半金属需在费米能级附近多个晶体表面具有高密度长费米弧，并兼顾抗氧化性、低成本元素及与介电材料的化学稳定性等实际应用特性 [11] 材料筛选与制造集成挑战 - 高通量方法（如组合式多元素薄膜沉积）可加速在技术相关尺度下对潜在材料的实验筛选，薄膜中的低电阻率是其在导线中低电阻率的有力指标 [11] - 纳米尺度一维形貌的材料筛选需实验验证，现有合成方法（如化学气相沉积）需大量优化且限于特定体系，热机械纳米成型等先进方法或可加速筛选 [12] - 将实验室成果转化为大规模生产需深入了解材料特性，并解决电迁移（可能导致互连失效）问题，拓扑材料中的电迁移行为目前尚不明确 [12] - 在传统半导体代工厂加工拓扑半金属是一大挑战，铜互连的电沉积工艺不适用于二元或三元化合物，需确定哪些化合物可通过化学气相沉积、物理气相沉积等传统技术制造以实现代工厂集成 [12]

纳米级导电材料研究突破 - 铜在纳米级电子应用中电阻增大导致能量损失增加，与微型电子产品低能耗需求相矛盾 [1][2] - 斯坦福大学团队开发出厚度仅1.5纳米的磷化铌(NbP)薄膜，其导电性随厚度减小而增强，与铜特性相反 [1][2][3] - 1.5纳米NbP薄膜室温电阻率仅34微欧姆厘米，是较厚薄膜的1/6，比同厚度铜(100微欧姆厘米)低66% [2][3] 材料制备工艺 - 采用蓝宝石基板+铌种子层(1.4-4纳米)+NbP多晶膜(1.5-80纳米)的三层结构，溅射工艺实现低温(400℃)沉积 [3][6] - 无定形NbP基质内含纳米晶体结构，晶体形成不受底层铌种子层厚度影响 [3] - 表面导电性占主导的"拓扑半金属"特性是低电阻主因，薄膜越薄表面传导占比越高 [4] 应用前景与挑战 - 可显著降低晶体管连接处电阻率，减少热能损耗，提升集成电路能效 [6] - 400℃工艺温度与现有半导体制造兼容，优于需高温合成的单晶材料方案 [6] - 商业化需解决薄膜层公差控制问题，如种子层厚度对NbP薄膜质量的影响 [6] - 可能存在更多类似NbP的拓扑半金属材料待发现，需通过计算模拟加速筛选 [6]