Fabbricazione di bassa temperatura Nanotubi di carbonio interconnessioni verticali Compatibile con la tecnologia Semiconductor
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
Il rame e tungsteno, i metalli che vengono attualmente utilizzati per le interconnessioni nella tecnologia state-of-the-art molto su larga scala di integrazione (VLSI), si avvicinano i loro limiti fisici in termini di affidabilità e di conducibilità elettrica 1. Mentre transistori demoltiplicazione generalmente migliora le loro prestazioni, in realtà aumenta la resistenza e la densità di corrente delle interconnessioni. Ciò ha provocato interconnessioni che dominano il circuito integrato (IC) prestazioni in termini di ritardo e consumo energetico 2.
I nanotubi di carbonio (CNT) sono state proposte come alternativa per Cu e W metallizzazione, soprattutto per le interconnessioni verticali (vias) come CNT possono state facilmente coltivate verticale 3. CNT hanno dimostrato di avere un'ottima affidabilità elettrica, permettendo una fino a 1.000 volte superiore densità di corrente di Cu 4. Inoltre, CNT non soffrono di superficie e grano dispersione di confine, che è in aumento il resistivity di Cu su scala nanometrica 5. Infine, CNT hanno dimostrato di essere ottimi conduttori termici 6, che possono aiutare nella gestione termica in chips VLSI.
Per successo dell'integrazione dei CNT nella tecnologia VLSI, è importante che i processi di crescita del CNT è reso compatibile con fabbricazione di semiconduttori. Ciò richiede la crescita bassa temperatura di CNT (<400 ° C) utilizzando materiali e attrezzature che sono considerati compatibili e scalabile per la produzione su larga scala. Mentre molti esempi di vias prova CNT sono state dimostrate in letteratura 7,8,9,10,11,12,13,14, la maggior parte di questi utilizzano Fe come catalizzatore che è considerato come contaminante in IC produzione di 15. Inoltre, la temperatura di crescita utilizzato in molte di queste opere è molto superiore al limite superiore di 400 ° C. Preferibilmente CNT dovrebbe anche essere coltivata inferiore a 350 ° C, al fine di consentire l'integrazione con i moderni dielettrici low-kappa o flessibilesubstrati.
Qui vi presentiamo un metodo scalabile per la crescita di CNT a temperature fino a 350 ° C utilizzando come catalizzatore Co 16. Questo metodo è di interesse per fabbricare differenti strutture elettriche, rappresentati allineati verticalmente CNT in circuiti integrati, che vanno da interconnessione e elettrodi di super-condensatori e dispositivi di emissione di campo. Il catalizzatore di metallo Co è spesso usato in IC di produzione per la fabbricazione di siliciuro di 17, mentre TiN è un materiale barriera spesso usato 7. Inoltre, dimostriamo un processo per la fabbricazione di vias prova CNT mentre solo utilizzando tecniche di produzione di semiconduttori standard. Con questo, vias prova CNT sono fabbricati, ispezionato da microscopia elettronica a scansione (SEM) e spettroscopia Raman, ed elettricamente caratterizzata.
Protocol
Representative Results
Discussion
Figura 1 mostra una visione schematica della struttura fabbricata in questo lavoro, e che è stato utilizzato per le misurazioni della sonda 4 punti. Poiché il potenziale è misurata mediante sonde trasportano nessuna corrente, l'esatta caduta di potenziale (V -V H L) sul fascio CNT centrale e suoi contatti al metallo può essere misurata. Diametro maggiore CNT fasci vengono utilizzati per contattare lo strato TiN fondo dalle piazzole di contatto, al fine di ridurre la resistenza totale …
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
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