Summary

Fabrikasjon av lav temperatur karbon nanorør Vertikale Interconnects Kompatibel med Semiconductor Technology

Published: December 07, 2015
doi:

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

Kobber og wolfram, metallene som i dag brukes for sammenkoblinger i state-of-the-art svært stor skala integrering (VLSI) teknologi, nærmer sine fysiske grenser når det gjelder pålitelighet og elektrisk ledningsevne en. Mens nedskalering transistorer generelt forbedrer sine prestasjoner, er det faktisk øker motstanden og strømtetthet av forbindelser. Dette resulterte i sammenkoblinger som dominerer integrert krets (IC) ytelse i forhold til forsinkelsen og strømforbruk to.

Karbon nanorør (CNT) er foreslått som alternativ for Cu og W metallise, spesielt for vertikale forbindelser (vias) som CNT kan lett blitt dyrket vertikal tre. CNT har vist seg å ha utmerket elektrisk pålitelighet, slik at en opp til 1000 ganger høyere strømtetthet enn Cu 4. Dessuten, CNT ikke lider av overflaten og korn grensen spredning, er noe som øker resistivity av Cu på nanometer skala 5. Endelig CNT har vist seg å være gode varmeledere 6, noe som kan hjelpe til i den termiske styring i VLSI-chips.

For vellykket integrering av CNT i VLSI-teknologi er det viktig at vekstprosesser for CNT er gjort kompatibel med halvledere. Dette krever den lave temperatur veksten av CNT (<400 ° C) ved bruk av materialer og utstyr som anses kompatible og skalerbar til storskala produksjon. Mens mange eksempler på CNT test vias er påvist i litteraturen 7,8,9,10,11,12,13,14, de fleste av disse bruker Fe som katalysator som regnes som forurensning i IC produksjon 15. Dessuten veksttemperatur brukes i mange av disse arbeider er mye høyere enn den øvre grense på 400 ° C. Fortrinn CNT bør også dyrkes under 350 ° C, for å tillate integrering med moderne lav-κ dielektrika eller fleksibelunderlag.

Her presenterer vi en skalerbar metode for voksende CNT ved temperaturer så lave som 350 ° C ved hjelp Co som katalysator 16. Denne metoden er av interesse for å fabrikkere forskjellige elektriske strukturer som består av vertikalt CNT i integrerte kretser, alt fra interconnect og elektroder til superkondensatorer og feltutslipps enheter. The Co katalysatormetall blir ofte brukt i IC industrien for fremstilling av silisid s 17, mens TiN er en ofte brukt barrieremateriale 7. Videre viser vi en prosess for å fabrikkere CNT test vias mens bare ved hjelp av teknikker fra standard produksjon av halvledere. Med dette er CNT test vias stilles, kontrolleres ved scanning-elektronmikroskopi (SEM) og Raman-spektroskopi, og elektrisk karakteriserte.

Protocol

Forsiktig: Sjå alle relevante sikkerhetsdatablad (MSDS) før bruk. Flere av kjemikaliene som brukes i denne fabrikasjon prosessen er akutt giftige og kreftfremkallende. Nanomaterialer kan ha ekstra risiko i forhold til deres bulk motstykke. Vennligst bruk alle nødvendige sikkerhetsrutiner ved arbeid med utstyr, kjemikalier eller nanomaterialer, herunder bruk av tekniske kontroller (avtrekk) og personlig verneutstyr (vernebriller, hansker, renrom klær). 1. Justering Marker definisjon for Lit…

Representative Results

Utformingen av målestrukturen som brukes i dette arbeidet kan finnes i figur 1. Ved anvendelse av en slik struktur måling av CNT bunt motstand og de ​​metall CNT motstander kan bestemmes nøyaktig, og probe og trådmotstander blir omgått. Motstanden av bunten er et mål for kvalitet og tetthet av CNT bunten. For å bestemme kontaktmotstanden bunter av forskjellig lengde måles. En typisk SEM-bilde av CNT dyrket ved 350 ° C i 60 minutter tas fra toppen før metalliser…

Discussion

Figur 1 viser en skjematisk oversikt over konstruksjonen fremstilt i dette arbeidet, og som ble anvendt for 4-punkts sonde-målinger. Etter hvert som potensialet måles gjennom prober bærer ingen strøm, den nøyaktige spenningsfallet (V H -V L) over den sentrale bunt CNT og dets kontakter til metallet måles. Større diameter CNT bunter anvendes for å kontakte den nederste TiN laget fra kontaktflatene, for å redusere den totale motstand for den aktuelle tvinger sondene og utnyt…

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

  1. Sun, S. C. Process technologies for advanced metallization and interconnect systems. Technical digest of the IEEE International Electron Devices Meeting. , 765-768 (1997).
  2. Robertson, J. Growth of nanotubes for electronics. Mater. Today. 10 (1-2), 36-43 (2007).
  3. Wei, B. Q., Vajtai, R., Ajayan, P. M. Reliability and current carrying capacity of carbon nanotubes. Appl. Phys. Lett. 79 (8), 1172-1174 (2001).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Kreupl, F., et al. Carbon nanotubes in interconnect applications. Microelectron. Eng. 64 (1-4), 399-408 (2002).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Istratov, A. A., Hieslmair, H., Weber, E. R. Iron contamination in silicon technology. Appl. Phys. A. 70, 489-534 (2000).
  15. 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).
  16. Kikkawa, T., Inoue, K., Imai, K. Cobalt silicide technology. Silicide Technology for Integrated Circuits. , 77-94 (2004).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Van der Veen, M. H., et al. Electrical characterization of CNT contacts with Cu Damascene top contact. Microelectron. Eng. 106, 106-111 (2012).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
check_url/53260?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Vollebregt, S., Ishihara, R. Fabrication of Low Temperature Carbon Nanotube Vertical Interconnects Compatible with Semiconductor Technology. J. Vis. Exp. (106), e53260, doi:10.3791/53260 (2015).

View Video