Summary

Fabrikation af lav temperatur kulstof nanorør Lodrette Interconnect 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, metaller, som i øjeblikket anvendes til interconnects i state-of-the-art meget-stor skala integration (VLSI) teknologi, nærmer deres fysiske grænser med hensyn til pålidelighed og elektrisk ledningsevne 1. Mens ned-skalering transistorer generelt forbedrer deres præstationer, er det faktisk øger modstand og strømtæthed af forbindelsesledninger. Dette resulterede i interconnects dominerer det integrerede kredsløb (IC) resultater med hensyn til forsinkelser og strømforbrug 2.

Kulstof-nanorør (CNT) er blevet foreslået som alternativ til Cu og W metallisering, især for lodrette interconnects (vias) som CNT let kan været dyrket lodret 3. CNT har vist sig at have fremragende elektrisk pålidelighed, tillader en op til 1.000 gange højere strømtæthed end Cu 4. Hertil kommer, at CNT ikke lider overflade og korngrænseferritfilm spredning, hvilket øger resistivity af Cu på nanometer skala 5. Endelig har CNT vist sig at være fremragende termiske ledere 6, der kan hjælpe til termisk styring i VLSI chips.

For en vellykket integration af CNT i VLSI teknologi er det vigtigt, at processerne for CNT vækst er forenelig med halvleder opspind. Det kræver den lave vækst i CNT (<400 ° C) ved hjælp af materialer og udstyr, der betragtes som forenelige og skalerbar til stor skala produktion temperatur. Selv om der er påvist mange eksempler på CNT test vias i litteraturen 7,8,9,10,11,12,13,14, de fleste af disse bruger Fe som katalysator, der betragtes som en kontaminant i IC fremstilling 15. Desuden, væksttemperaturen bruges i mange af disse værker er meget højere end den øvre grænse på 400 ° C. Fortrinsvis CNT bør også dyrkes under 350 ° C, for at tillade integration med moderne lav K dielektrika eller fleksiblesubstrater.

Her præsenterer vi en skalerbar fremgangsmåde til dyrkning CNT ved temperaturer så lave som 350 ° C under anvendelse af Co som katalysator 16. Denne metode er af interesse for opdigte forskellige elektriske strukturer bestående af lodret linie CNT i integrerede kredsløb, der spænder fra interconnect og elektroder til super kondensatorer og felt gasinstallationer. Co katalysatormetallet bruges ofte i IC fremstilling til fremstilling af silicidbelægning s 17, mens TiN er en ofte anvendt barrieremateriale 7. Desuden har vi demonstrere en proces til fremstilling af CNT test vias mens kun bruge teknikker fra standard halvleder fremstillingsindustrien. Med denne, er CNT test vias fremstilles, kontrolleres ved scanning elektronmikroskopi (SEM) og Raman spektroskopi, og elektrisk karakteriseret.

Protocol

Forsigtig: Se venligst alle relevante materiale sikkerhedsdatablade (MSDS) før brug. Flere af de kemikalier, der anvendes i denne produktionsprocessen er akut giftige og kræftfremkaldende. Nanomaterialer kan have yderligere risici i forhold til deres omfang modstykke. Brug venligst alle passende sikkerhedsforanstaltninger, når du arbejder med udstyr, kemikalier eller nanomaterialer, herunder anvendelse af tekniske kontroller (stinkskab) og personlige værnemidler (sikkerhedsbriller, handsker, renrum tøj). <p cla…

Representative Results

Udformningen af målingen struktur, som anvendes i dette arbejde kan findes i figur 1. Ved at anvende en sådan struktur måling af CNT bundt modstand og metal-CNT kontakt modstande kan bestemmes nøjagtigt, som probe og wire modstande omgås. Modstanden af ​​bundtet er et mål for kvaliteten og densiteten af ​​CNT bundt. For at bestemme kontaktmodstanden bundter af forskellige længder skal måles. En typisk SEM billede af CNT dyrket ved 350 ° C i 60 minutter tages…

Discussion

Figur 1 viser en skematisk oversigt over strukturen fremstillet i dette arbejde, og som blev anvendt til 4-punkts probe målinger. Da potentialet måles gennem sonder bærer ingen strøm, kan måles nøjagtigt spændingsfald (VH-VL) i den centrale CNT bundt og dets kontakter til metallet. Større diameter CNT bundter anvendes til at kontakte bunden TiN lag fra kontaktfladerne, med henblik på at mindske den samlede modstand for den aktuelle tvinger prober og maksimere potentialet fald på den…

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