Yarıiletken Teknolojisi ile uyumlu Düşük Sıcaklık Karbon Nanotüp Dikey Bağlantıları Fabrikasyon
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
Bakır ve tungsten, şu anda devlet-of-the-art çok-büyük ölçekli entegrasyon (VLSI) teknolojisinde ara bağlantı için kullanılan metaller, güvenilirlik ve elektrik iletkenliği 1 açısından fiziksel sınırlarının yaklaşıyor. Aşağı-ölçekleme transistörler genellikle performansı artırır iken, aslında direnç ve interconnect'lerdeki akım yoğunluğunu arttırır. Bu gecikme ve güç tüketimi 2 açısından entegre devre (IC) bir performans hakim ara bağlantı ile sonuçlanmıştır.
Karbon nanotüpler (CNT) dikey interconnet CNT olarak (yollar,) kolayca 3 dikey büyümüş olabilir özellikle, Cu ve W madensel alternatif olarak ileri sürülmüştür. CNT Cu 4 den 1000 katı daha yüksek akım yoğunluğu bir ile tamamen mükemmel elektriksel güvenilirlik gösterilmiştir. Ayrıca, CNT yüzey ve tane sınırı saçılma muzdarip değil, hangi r artıyornanometre ölçeğinde 5 de Cu esistivity. Son olarak, CNT VLSI fiş ısı yönetimi yardımcı olabilir mükemmel termal iletken 6, olduğu gösterilmiştir.
VLSI teknolojisi CNT başarılı entegrasyon için CNT büyüme süreçleri yarı iletken fabrikasyon uyumlu yapılmış olması önemlidir. Bu malzeme ve büyük ölçekli imalat uyumlu ve ölçeklenebilir kabul edilir ekipman kullanılarak CNT (<400 ° C) düşük sıcaklık büyümesini gerektirir. CNT Test yolların bir çok örneği literatürde 7,8,9,10,11,12,13,14 gösterilmiştir olsa da, bunların çoğu IC kontaminant 15 imalat olarak kabul edilir, katalizör olarak Fe kullanımı. Bunun yanı sıra, bu çalışmaların birçoğunda kullanılan büyüme sıcaklığı 400 ° C üst sınırının çok daha yüksektir. Tercihen CNT hatta modern düşük κ yalıtkanların veya esnek ile entegrasyon sağlamak amacıyla, 350 ° C'nin altında yetiştirilen olmalıdıryüzeyler.
Burada katalizör 16 VR ile 350 ° C kadar düşük sıcaklıklarda CNT yetiştirmek için ölçeklenebilir bir yöntem sunulmaktadır. Bu yöntem, entegre devreler dik olarak sıralanmaktadır CNT oluşan farklı elektrik yapıların imal edilmesi, süper kondansatör ve alan emisyon cihazlara ara-bağlantısı ve elektrotların arasında değişen için ilgi çekmektedir. TiN sık kullanılan bariyer malzemesi 7 ise Co katalizör metal genellikle, silisid en 17 imalatı için IC imalat alanlarında kullanılmaktadır. Ayrıca, yalnızca standart yarıiletken imalat teknikleri kullanarak CNT Test VIAS imal edilmesi için bir işlem ortaya koymaktadır. Bu grubu, CNT testi yollar, elektron mikroskobu (SEM) ve Raman spektroskopisi ve elektriksel karakterize tarayarak tarafından denetlenir, imal edilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Şekil 1, bu çalışmada imal yapısının şematik genel bakışını gösterir ve bu 4-nokta prob ölçümleri için kullanıldı. Potansiyel hiçbir akım taşıyan problar ile ölçülür gibi, merkezi CNT demeti ve metal olan kişiler üzerinde tam potansiyel damla (VH -V L) ölçülebilir. Büyük çaplı CNT demetleri akım zorlama problar için toplam direncini azaltmak ve merkezi CNT paket üzerindeki potansiyel düşüş maksimize etmek için, kontak pedleri gelen alt Ti…
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).
