Изготовление низкой температуре углеродных нанотрубок Вертикальные соединителям Совместимость с полупроводниковой технологии
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
Медь и вольфрам, металлы, которые в настоящее время используются для межсоединений в технологии государством в самых современных очень-крупномасштабной интеграции (СБИС), которые приближаются к физическим пределам с точки зрения надежности и электропроводности 1. В то время как вниз масштабирования транзисторов в целом улучшает их эффективность, это на самом деле повышает устойчивость и плотность тока межсоединений. Это привело к межсоединений, доминирующих интегральная схема (ИС) эффективность с точки зрения задержки и энергопотребления 2.
Углеродные нанотрубки (УНТ) были предложены в качестве альтернативы для Cu и W металлизации, особенно для вертикальных межсоединений (Vias) как УНТ легко выращивается вертикали 3. CNT было показано, обладают превосходными электрическими надежность, позволяя до 1000 раз более высокой плотности тока, чем Cu 4. Кроме того, УНТ не страдают от поверхности и зерна рассеяния граничной, что увеличивает гesistivity Си в нанометровом масштабе 5. Наконец, CNT, как было показано, чтобы быть отличными проводников тепла 6, которые могут помочь в тепловом управлении в СБИС фишек.
Для успешной интеграции в CNT технологии СБИС важно, чтобы процессы роста для НКТ выполнен совместимым с полупроводников. Это требует низкий рост температуры CNT (<400 ° C) с использованием материалов и оборудования, которые считаются совместимыми и масштабируемым, чтобы в производственных масштабах. Хотя многие примеры испытаний CNT отверстий были продемонстрированы в литературе 7,8,9,10,11,12,13,14, большинство из них используют в качестве катализатора Fe, которая рассматривается в качестве примеси в IC изготовления 15. Кроме того, температура роста используется во многих из этих работ значительно выше, чем верхний предел 400 ° С. Предпочтительно CNT должны даже быть выращены ниже 350 ° С, для того, чтобы позволить интеграцию с современными диэлектриков с низким каппа или гибкойсубстраты.
Здесь мы представляем метод масштабируемой для выращивания CNT при низких температурах, как 350 ° С с использованием в качестве катализатора Co 16. Этот метод представляет интерес для изготовления различных электрических структур, состоящих из вертикально УНТ в интегральных схемах, начиная от присоединения и электродов суперконденсаторов и устройств автоэмиссионных. The Co металлический катализатор часто используется в производстве ИС для изготовления силицида-х 17, в то время как олово часто используемая барьерный материал 7. Кроме того, мы демонстрируем процесс изготовления CNT тестовых отверстий, а только с помощью методов из стандартного изготовления полупроводникового. При этом тест CNT отверстий изготовлены, проверены с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и спектроскопии комбинационного рассеяния, и электрически охарактеризованы.
Protocol
Representative Results
Discussion
Рисунок 1 показывает схематическое представление о структуре, изготовленной в этой работе, и который был использован для зондовых измерений 4-точечных. Как потенциал измеряют при помощи зондов, не несущего тока, точное падение потенциала (V H -V L) над центральной пучк…
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).
