تلفيق درجة الحرارة منخفضة الكربون الأنابيب الجزيئية عمودي روابط متوافق مع تكنولوجيا أشباه الموصلات
Summary
A method for the growth of low temperature vertically-aligned carbon nanotubes, and the subsequent fabrication of vertical interconnect electrical test structures using semiconductor fabrication is presented.
Abstract
We demonstrate a method for the low temperature growth (350 °C) of vertically-aligned carbon nanotubes (CNT) bundles on electrically conductive thin-films. Due to the low growth temperature, the process allows integration with modern low-κ dielectrics and some flexible substrates. The process is compatible with standard semiconductor fabrication, and a method for the fabrication of electrical 4-point probe test structures for vertical interconnect test structures is presented. Using scanning electron microscopy the morphology of the CNT bundles is investigated, which demonstrates vertical alignment of the CNT and can be used to tune the CNT growth time. With Raman spectroscopy the crystallinity of the CNT is investigated. It was found that the CNT have many defects, due to the low growth temperature. The electrical current-voltage measurements of the test vertical interconnects displays a linear response, indicating good ohmic contact was achieved between the CNT bundle and the top and bottom metal electrodes. The obtained resistivities of the CNT bundle are among the average values in the literature, while a record-low CNT growth temperature was used.
Introduction
النحاس والتنغستن والمعادن التي تستخدم حاليا ليربط في نطاق واسع جدا الاندماج (VLSI) التكنولوجيا للدولة من بين الفن، تقترب حدودها المادية من حيث الموثوقية والتوصيل الكهربائي 1. في حين الترانزستورات أسفل القشور يحسن عموما أدائها، فإنه في الواقع يزيد من المقاومة والكثافة الحالية من الوصلات. وأدى ذلك إلى الوصلات التي تسيطر على الدوائر المتكاملة (IC) الأداء من حيث تأخير واستهلاك الطاقة 2.
وقد اقترحت أنابيب الكربون النانوية (CNT) كبديل للنحاس وW معدنة، وخاصة بالنسبة الوصلات الرأسية (فيا)، والمركز الوطني للاستشعار يمكن بسهولة قد نمت الرأسي 3. وقد ثبت CNT أن يكون الموثوقية الكهربائية ممتازة، مما يسمح ما يصل إلى 1000 مرة أعلى كثافة التيار من النحاس 4. وعلاوة على ذلك، CNT لا تعاني من السطحية والحبوب تشتت الحدود، الذي يزيد من صesistivity من النحاس على مقياس متناهي الصغر 5. وأخيرا، وقد ثبت CNT أن تكون الموصلات الحرارية ممتازة 6، والتي يمكن أن تساعد في إدارة الحرارية في رقائق VLSI.
للاندماج الناجح لCNT في تكنولوجيا VLSI من المهم أن عمليات النمو لCNT يتم متوافق مع تصنيع أشباه الموصلات. وهذا يتطلب النمو في درجة الحرارة من CNT (<400 ° C) باستخدام المواد والمعدات التي تعتبر متوافقة وقابلة للتصنيع على نطاق واسع. في حين أثبتت العديد من الأمثلة على CNT اختبار فيا في الأدب 7،8،9،10،11،12،13،14، ومعظم هذه استخدام الحديد كمحفز التي تعتبر من الملوثات في IC تصنيع 15. الى جانب ذلك، درجة حرارة النمو المستخدمة في العديد من هذه الأعمال هو أعلى بكثير من الحد الأعلى من 400 درجة مئوية. ويفضل CNT يجب حتى يمكن زراعتها تحت 350 ° C، وذلك للسماح للتكامل مع العوازل الحديثة المنخفض κ أو مرنةركائز.
نحن هنا نقدم وسيلة قابلة لزراعة CNT في درجات حرارة منخفضة تصل إلى 350 درجة مئوية باستخدام المشارك كمحفز 16. هذا الأسلوب هو من مصلحة لافتعال الهياكل والمعدات الكهربائية المختلفة التي تتكون من محاذاة عموديا CNT في الدوائر المتكاملة، بدءا من ربط والأقطاب الكهربائية لالمكثفات الفائقة وأجهزة انبعاث المجال. وكثيرا ما يستخدم المحفز المعدنية المحدودة في صناعة IC لتصنيع السيليسيد في 17، في حين القصدير هو مادة الحاجز غالبا ما تستخدم 7. وعلاوة على ذلك، علينا أن نظهر عملية لافتعال CNT اختبار فيا بينما فقط باستخدام تقنيات من تصنيع أشباه الموصلات القياسية. مع ذلك، هي ملفقة فيا CNT الاختبار، للتفتيش من قبل المجهر الإلكتروني (SEM) ورامان الطيفي، ودراسة خصائصها الكهربائية.
Protocol
Representative Results
Discussion
يعرض الشكل 1 عرضا عاما للهيكل ملفقة في هذا العمل، والذي كان يستخدم لقياسات المسبار 4 نقاط. كما يتم قياس القدرة من خلال تحقيقات تحمل أي تيار، ويمكن قياس انخفاض محتمل المحدد (V H-V L) على حزمة CNT المركزية واتصالاتها لهذا المعدن. وتستخدم أكبر قطرها حزم CNT في الا…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Part of the work has been performed in the project JEMSiP_3D, which is funded by the Public Authorities in France, Germany, Hungary, The Netherlands, Norway and Sweden, as well as by the ENIAC Joint Undertaking. The authors would like to thank the Dimes Technology Centre staff for processing support.
Materials
| Materials | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Si (100) wafer 4" | International Wafer Service | Resisitivity: 2-5 mΩ-cm, thickness: 525 µm | |
| Ti-sputtertarget (99.995 % purity) | Praxair | ||
| Al (1% Si)-sputtertarget (99.999 % purity) | Praxair | ||
| Co (99.95 % purity) | Kurt J. Lesker | ||
| Chemicals | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| SPR3012 positive photoresist | Dow Electronic Materials | ||
| MF-322 developer | Dow Electronic Materials | ||
| HNO3 (99.9 %) | KMG Ultra Pure Chemicals | ||
| HNO3 (69.5%) | KMG Ultra Pure Chemicals | ||
| HF 0.55% | Honeywell | ||
| Tetrahydrofuran | JT Baker | ||
| Acetone | Sigma-Aldrich | ||
| ECI3027 positive photoresist | AZ | ||
| Tetraethyl orthosilicate (TEOS) | Praxair | ||
| Gasses | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| N2 (99.9990%) | Praxair | ||
| O2 (99.9999%) | Praxair | ||
| CF4 (99.9970%) | Praxair | ||
| CL2 (99.9900%) | Praxair | ||
| HBr (99.9950%) | Praxair | ||
| Ar (99.9990%) | Praxair | ||
| C2F6 (99.9990%) | Praxair | ||
| CHF3 (99.9950%) | Praxair | ||
| H2 (99.9950%) | Praxair | ||
| C2H2 (99.6000%) | Praxair | ||
| Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| EVG 120 coater/developer | EVG | ||
| ASML PAS5500/80 waferstepper | ASML | ||
| SPTS Ωmega 201 plasma etcher | SPTS | Used for Si and metal etching | |
| SPTS Σigma sputter coater | SPTS | ||
| Novellus Concept One PECVD | LAM | ||
| Drytek 384T plasma etcher | LAM | Used for oxide etching | |
| CHA Solution e-beam evaporator | CHA | ||
| AIXTRON BlackMagic Pro CVD tool | AIXTRON | Carbon nanotube growth | |
| Philips XL50 scanning electron microscope | FEI | ||
| Tepla 300 | PVA TePla | Resist plasma stripper | |
| Avenger rinser dryer | Microporcess Technologies | ||
| Leitz MPV-SP reflecometer | Leitz | ||
| Renishaw inVia Raman spectroscope | Renishaw | ||
| Agilent 4156C parameter spectrum analyzer | Agilent | ||
| Cascade Microtech probe station | Cascade Microtech |
References
- Sun, S. C. Process technologies for advanced metallization and interconnect systems. Technical digest of the IEEE International Electron Devices Meeting. , 765-768 (1997).
- Robertson, J. Growth of nanotubes for electronics. Mater. Today. 10 (1-2), 36-43 (2007).
- Wei, B. Q., Vajtai, R., Ajayan, P. M. Reliability and current carrying capacity of carbon nanotubes. Appl. Phys. Lett. 79 (8), 1172-1174 (2001).
- Rossnagel, S. M., Wisnieff, R., Edelstein, D., Kuan, T. S. Interconnect issues post 45nm. Technical digest of the IEEE International Electron Devices Meeting. , 89-91 (2005).
- Pop, E., Mann, D., Wang, Q., Goodson, K., Dai, H. Thermal Conductance of an Individual Single-Wall Carbon Nanotube above Room Temperature. Nano Lett. 6 (1), 96-100 (2006).
- Chiodarelli, N., et al. Measuring the electrical resistivity and contact resistance of vertical carbon nanotube bundles for application as interconnects. Nanotechnology. 22 (8), 085302 (2011).
- Choi, Y. -. M., et al. Integration and Electrical Properties of Carbon Nanotube Array for Interconnect Applications. Proceedings of the Sixth IEEE Conference on Nanotechnology. , 262-265 (2006).
- Dijon, J., et al. Ultra-high density Carbon Nanotubes on Al-Cu for advanced Vias. Technical digest of the IEEE International Electron Devices Meeting. , 33-34 (2010).
- Kreupl, F., et al. Carbon nanotubes in interconnect applications. Microelectron. Eng. 64 (1-4), 399-408 (2002).
- Vereecke, B., et al. Characterization of carbon nanotube based vertical interconnects. Extended Abstracts of the 2012 International Conference on Solid State Devices and Materials. , 648-649 (2012).
- Vollebregt, S., Ishihara, R., Derakhshandeh, J., vander Cingel, J., Schellevis, H., Beenakker, C. I. M. Integrating low temperature aligned carbon nanotubes as vertical interconnects in Si technology. Proceedings of the 11th IEEE Conference on Nanotechnology. , 985-990 (2011).
- Yokoyama, D., et al. Electrical Properties of Carbon Nanotubes Grown at a Low Temperature for Use as Interconnects. Jpn J. App. Phys. 47 (4), 1985-1990 (2008).
- Van der Veen, M. H., et al. Electrical Improvement of CNT Contacts with Cu Damascene Top Metallization. Proceedings of the IEEE International Interconnect Technology Conference. , 193-195 (2013).
- Istratov, A. A., Hieslmair, H., Weber, E. R. Iron contamination in silicon technology. Appl. Phys. A. 70, 489-534 (2000).
- Vollebregt, S., Tichelaar, F. D., Schellevis, H., Beenakker, C. I. M., Ishihara, R. Carbon nanotube vertical interconnects fabricated at temperatures as low as 350 °C. 71, 249-256 (2014).
- Kikkawa, T., Inoue, K., Imai, K. Cobalt silicide technology. Silicide Technology for Integrated Circuits. , 77-94 (2004).
- Vollebregt, S., Ishihara, R., Tichelaar, F. D., Hou, Y., Beenakker, C. I. M. Influence of the growth temperature on the first and second-order Raman band ratios and widths of carbon nanotubes and fibers. Carbon. 50 (10), 3542-3554 (2012).
- Lim, S. C., et al. Contact resistance between metal and carbon nanotube interconnects: Effect of work function and wettability. Appl. Phys. Lett. 95 (26), 264103 (2009).
- Awano, Y., et al. Carbon nanotube via interconnect technologies: size-classified catalyst nanoparticles and low-resistance ohmic contact formation. Phys. Status Solidi (a). 203 (14), 3611-3616 (2006).
- Van der Veen, M. H., et al. Electrical characterization of CNT contacts with Cu Damascene top contact. Microelectron. Eng. 106, 106-111 (2012).
- Horibe, M., Nihei, M., Kondo, D., Kawabata, A., Awano, Y. Mechanical Polishing Technique for Carbon Nanotube Interconnects in ULSIs. Jpn J. App. Phys. 43 (9A), 6499-6502 (2004).
- Vollebregt, S., Chiaramonti, A. N., Ishihara, R., Schellevis, H., Beenakker, C. I. M. Contact resistance of low-temperature carbon nanotube vertical interconnects. Proceedings of the 12th IEEE Conference on Nanotechnology. , 424-428 (2012).
- Fiorentino, G., Vollebregt, S., Tichelaar, F. D., Ishihara, R., Sarro, P. M. Impact of the atomic layer deposition precursors diffusion on solid-state carbon nanotube based supercapacitors performances. Nanotechnology. 26 (6), 064002 (2015).
