Fabricage van Low Temperature koolstof nanobuis Verticale Verbindingen Compatibel met halfgeleidertechnologie
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
Koper en wolfraam, de metalen die momenteel worden gebruikt voor de verbindingen in stand van de techniek zeer grote schaal integratie (VLSI) technologie, naderen hun fysieke beperkingen wat betreft betrouwbaarheid en elektrische geleidbaarheid 1. Terwijl down-scaling transistors verbetert het algemeen hun prestaties, het eigenlijk verhoogt de weerstand en de huidige dichtheid van de interconnects. Dit resulteerde in interconnects domineert de geïntegreerde schakeling (IC) prestaties in termen van vertraging en het stroomverbruik 2.
Koolstofnanobuisjes (CNT) zijn voorgesteld als alternatief voor Cu en W metallisatie, vooral voor verticale verbindingen (vias) als CNT gemakkelijk verticaal 3 kunnen geteeld. CNT bleken uitstekende elektrische betrouwbaarheid, waardoor een tot 1000 keer hoger dan de stroomdichtheid Cu 4. Bovendien hebben CNT geen last van oppervlak en korrelgrens verstrooiing, die toeneemt resistivity van Cu op nanometerschaal 5. Tenslotte zijn CNT is aangetoond dat uitstekende thermische geleiders 6, die kan helpen bij de warmtehuishouding in VLSI chips.
Voor succesvolle integratie van CNT in VLSI-technologie is het belangrijk dat de groeiprocessen voor de CNT geschikt voor halfgeleiders wordt gemaakt. Dit vereist de lage temperatuur groei van CNT (<400 ° C) met behulp van materialen en apparatuur die compatibel en schaalbaar naar grootschalige productie worden beschouwd. Hoewel vele voorbeelden van CNT proef via's zijn aangetoond in de literatuur 7,8,9,10,11,12,13,14 meeste van deze gebruiken Fe als katalysator die wordt beschouwd als een verontreiniging in IC 15 vervaardigen. Trouwens, de groeitemperatuur in veel van deze werken is veel hoger dan de bovengrens van 400 ° C. Bij voorkeur CNT moet zelfs onder 350 ° C worden gekweekt, om de integratie moderne low-κ diëlektrische of flexibele toestaansubstraten.
Hier presenteren we een schaalbare methode voor het kweken CNT bij temperaturen tot 350 ° C gebruikt als co-katalysator 16. Deze methode is van belang voor het vervaardigen van verschillende elektrische structuren bestaande uit verticaal uitgelijnde CNT in geïntegreerde circuits, variërend van interconnect en elektroden super condensatoren en veldemissie apparaten. De co-katalysator metaal wordt vaak gebruikt in IC fabricage voor de fabricage van het silicide 17, terwijl TiN is een vaak gebruikte barrièremateriaal 7. Verder tonen we een werkwijze voor het vervaardigen CNT proef vias terwijl slechts het gebruik van standaard technieken halfgeleiders. Hierbij worden CNT testen vias vervaardigd, gecontroleerd door scanning elektronenmicroscopie (SEM) en Raman spectroscopie, en elektrisch gekarakteriseerde.
Protocol
Representative Results
Discussion
Figuur 1 toont een schematisch overzicht van de structuur opgebouwd in dit werk, en dat werd gebruikt voor de 4-sonde metingen. Aangezien de potentiaal is gemeten met probes dragen geen stroom, kan de exacte potentiaaldaling (VH-VL) via centrale CNT bundel en de contactpunten aan het metaal te meten. Grotere diameter CNT bundels worden gebruikt om contact met de onderste tinlaag van de contactvlakken, zodat de totale weerstand voor de huidige forceren probes verminderen en het maximaliseren v…
Divulgations
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).
