Fabricación de Baja Temperatura de nanotubos de carbono Interconexiones verticales Compatible con la tecnología de semiconductores

Resumen

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.

Resumen

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.

Introducción

El cobre y tungsteno, los metales que se utilizan actualmente para las interconexiones en tecnología de última generación, muy gran escala de integración (VLSI), se están acercando a sus límites físicos en cuanto a fiabilidad y la conductividad eléctrica ^1. Mientras que los transistores de baja escala general mejora su rendimiento, en realidad, aumenta la resistencia y la densidad de corriente de las interconexiones. Esto dio lugar a las interconexiones que dominan el funcionamiento del circuito integrado (IC) en términos de retardo y consumo de energía ^2.

Los nanotubos de carbono (CNT) se han sugerido como alternativa para Cu y W metalización, especialmente para las interconexiones verticales (Vias) como CNT fácilmente pueden sido cultivados ^vertical 3. CNT han demostrado tener una excelente fiabilidad eléctrica, lo que permite un máximo de 1.000 veces mayor densidad de corriente de Cu ^4. Por otra parte, la CNT no sufren de la superficie y el grano límite de dispersión, que es cada vez mayor la resistivity de Cu en la escala nanométrica ^5. Finalmente, CNT han demostrado ser excelentes conductores térmicos ^6, que pueden ayudar en la gestión térmica en los chips VLSI.

Para la integración exitosa de CNT en la tecnología VLSI es importante que los procesos de crecimiento de la CNT se hace compatible con la fabricación de semiconductores. Esto requiere que el crecimiento de la CNT (<400 ° C) el uso de materiales y equipos que se consideran compatibles y escalable para la fabricación a gran escala de baja temperatura. Aunque muchos ejemplos de vías de prueba de la CNT se han demostrado en la literatura ^{7,8,9,10,11,12,13,14,} la mayoría de ellos utilizan Fe como catalizador que es considerado como un contaminante en el IC de fabricación ^15. Además, la temperatura de crecimiento utilizado en muchos de estos trabajos es mucho mayor que el límite superior de 400 ° C. Preferiblemente CNT aún se cultiva por debajo de 350 ° C, con el fin de permitir la integración con dieléctricos de bajo kappa modernos o flexiblessustratos.

Aquí presentamos un método escalable para el crecimiento de CNT a temperaturas tan bajas como 350 ° C utilizando como catalizador Co ^16. Este método es de interés para la fabricación de diferentes estructuras eléctricos que consisten en alineada verticalmente CNT en circuitos integrados, que van desde interconexión y los electrodos de supercondensadores y dispositivos de emisión de campo. El metal catalizador de Co se utiliza a menudo en la fabricación de IC para la fabricación de siliciuro de ^17, mientras que el estaño es un material de barrera utilizado a menudo ^7. Por otra parte, se demuestra un proceso para la fabricación de vías de prueba de la CNT, mientras que sólo el uso de técnicas de fabricación de semiconductores estándar. Con esto, vias de prueba CNT se fabrican, inspeccionados por microscopía electrónica de barrido (SEM) y la espectroscopia Raman, y eléctricamente caracterizado.

Protocolo

Precaución: Por favor consulte todas las fichas de datos de seguridad de materiales pertinentes (MSDS) antes de usar. Varios de los productos químicos utilizados en el proceso de fabricación son muy tóxico y cancerígeno. Los nanomateriales pueden tener riesgos adicionales en comparación con su contraparte mayor. Utilice todas las prácticas de seguridad adecuadas cuando se trabaja con equipos, productos químicos o los nanomateriales, incluyendo el uso de controles de ingeniería (campana extractora de gases) y el equipo de protección personal (gafas de seguridad, guantes, ropa de sala limpia).

1. Alineación Marker Definición de Litografía

1. Comience con grado industrial pulido de una sola cara de Si (100) obleas con cualquiera n o de tipo p dopaje.
2. Escudo de la oblea con 1,4 micras de resina fotosensible positiva. Realizar una hexametildisilazano 90 sec tratamiento (HMDS) a 130 ° C para promover la adhesión de la resina fotosensible, seguido de enfriamiento de la oblea en un plato frío, spin-coating a la velocidad apropiada (3.500 rpm), y un 90 seg bake suave unat 95 ° C.
3. El uso de una máscara de fotolitografía y la herramienta de la exposición exponer los marcadores de alineación, la dosis de exposición 120 mJ / cm ^_2.
4. Realizar un único proceso de desarrollo charco. Realizar un 90 seg 115 ° C después de la exposición de pasteles, seguido de 60 segundos de desarrollo utilizando desarrollador y 90 seg dura hornee a 100 ° C para curar la resisten.
5. Utilice un microscopio para inspeccionar si las aberturas en la capa protectora son de las dimensiones correctas.
6. Etch 120 nm de Si mediante grabado por plasma de cloro. Este espesor da un buen contraste para los sistemas de alineación automática de la herramienta de exposición utilizada en este trabajo. Por ejemplo, usando un plasma inductivo acoplado (ICP): 20/40 sccm O ₂ / CF _4, 5 mTorr, 60/500 W platina / potencia RF ICP, 10 seg grabado avance de óxido, seguido de 80/40 sccm Cl ₂ / HBr , 60 mTorr, 20/500 W plato / potencia ICP RF, 35 seg Si etch.
7. Utilice un separador de plasma de oxígeno para eliminar el fotoprotector (1 kW, 400 sccm O _{2 con} endpoint detección y 2 min overetch). A medida que la resina fotosensible se cura por el plasma normal solvente como la acetona no puede ser utilizado.
8. Limpie las obleas. En primer lugar los puso durante 10 min en 99% HNO _3, seguido de un enjuague en agua DI hasta que la resistividad del agua es 5 mO (limpio orgánico). Después de esto limpia las obleas para 10 min en 65% HNO ₃ a 110 ° C, seguido de un enjuague con agua DI hasta que la resistividad del agua es 5 mO (metal limpio). Use un secador de enjuagadora para secar las obleas.

2. metal de fondo y entre capas dieléctrica Deposición

1. Utilice pulverización catódica con magnetrón para depositar la capa metálica inferior de la prueba a través de. Una pila de tres capas de metal necesita ser depositado: 500 nm de Ti, 50 nm de TiN, y 100 nm Ti. La primera capa de Ti es reducir la resistencia de la pila, el TiN es la capa de soporte real para el crecimiento CNT, y la parte superior Ti es proteger el TiN contra el daño de plasma cuando el grabado de la capa de SiO ₂ ¹² . Realizar Ti bombardeo iónico utilizando un objetivo de Ti puro con Ar-plasma a una temperatura del substrato de 350 ° C. Para TiN pulverización reactiva utilizar una combinación de Ar y N _2, de nuevo a 350 ° C la temperatura del sustrato.
2. Uso de deposición química de vapor mejorada con plasma (PECVD), depositar una gruesa capa de SiO ₂ 1 m. Aquí ortosilicato de tetraetilo (TEOS) se utiliza como precursor a una temperatura de platina de 350 ° C.
   1. Controlar el espesor de la capa de SiO ₂ usando una herramienta apropiada, por ejemplo un reflectómetro o elipsómetro.
3. Escudo de la oblea con 1,4 m de material fotorresistente positivo, comenzando con un tratamiento de 90 seg HMDS a 130 ° C, seguido de enfriamiento de la oblea en un plato frío, spin-coating a la velocidad apropiada (3.500 rpm), y un 90 seg suave hornear a 95 ° C.
4. El uso de una máscara de fotolitografía y la herramienta de la exposición, exponer el patrón deseado de aberturas, que será más tarde grabado en la SiO ₂ to formar las vías, alineados a los marcadores de alineación, la dosis de exposición de 140 mJ / ^_cm2.
5. Realizar un único proceso de desarrollo charco comenzando con un 90 seg 115 ° C después de la exposición de pasteles, seguido de 60 segundos de desarrollo utilizando desarrollador y 90 seg dura hornee a 100 ° C.
6. Utilice un microscopio para inspeccionar si las aberturas en la capa protectora son de las dimensiones correctas y si la superposición de los marcadores de alineación es correcta.
7. Plasma etch las aberturas de contacto en el _SiO2. Por ejemplo, utilizar un grabador de plasma triodo con C _{2 F 6} / CHF ₃ 36/144 sccm a 180 mTorr y 300 W de potencia de RF. Si es necesario, realizar pruebas de velocidad de grabado sobre una oblea de prueba, a fin de reducir al mínimo sobre el grabado al 5% -10% en el tiempo.
   Nota: Aunque el Ti es resistente al ataque químico reactivo en esta química de flúor, la exposición prolongada al plasma se traducirá en el grabado de la capa física Ti. Si la capa de TiN se expone al plasma esto tendrá un influen negativoce en el crecimiento de la CNT ^12. No utilice grabado húmedo ya que esto dará lugar a demasiada ampliación de las aberturas, por lo que la metalización superior en la parte 4 problemático.
8. Retire la capa de Ti sacrificial mediante grabado húmedo en 0.55% HF durante 60 segundos. Después del ataque enjuagar las obleas con agua DI hasta que la resistividad del agua es 5 mO y utilizar un secador de enjuagadora para secar las obleas.
   Nota: El uso de un microscopio se puede comprobar si la capa de Ti está grabado, la capa de TiN tendrá un color dorado-marrón, mientras que el Ti es de color gris metálico.

3. Catalizador Deposición y Crecimiento CNT

1. Se evapora 5 nm de Co utilizando un evaporador de haz de electrones. Bomba abajo hasta al menos 2x10 ^-6 Torr, y el calor de las obleas a 60 ° C utilizando lámparas de bajo vacío antes de depositar para eliminar cualquier película de agua. La foto-resistir usada para definir las aberturas de contacto se mantiene en la oblea para proporcionar auto-alineación del catalizador a las aberturas de contacto en el _SiO2.
2. Eliminarla Co fuera de las aberturas de contacto por el despegue. Para Co se encontró que tetrahidrofurano (THF) da los mejores resultados de despegue y crecimiento a bajas temperaturas. N-metil-2-pirrolidona (NMP), que fue utilizado previamente para el despegue después de la evaporación Fe, se encontró que el daño una medida de la Co también por ejemplo para prevenir cualquier crecimiento de CNT alineados. Ponga la oblea durante 15 minutos en un baño de ultrasonidos con THF a 35 ° C. Enjuague con agua DI durante 5 min y secar con una pistola de spinner o nitrógeno.
3. Inspeccione la oblea bajo un microscopio y verificar resistir residuos. Si quedan residuos realizar un tratamiento más largo de ultrasonidos en THF, y opcionalmente usar un hisopo de algodón suave especial para fines de despegue para limpiar manualmente los residuos de distancia.
4. Realizar el crecimiento CNT mediante deposición química de vapor de baja presión (LPCVD). Utilice la siguiente receta: 8 min pre-recocido a 350 ° C con 700 sccm H ₂ a 80 mbar, seguido por el crecimiento de CNT mediante la adición de 50 sccm C ₂ H _2. A 350 ° C, 60min del crecimiento da más o menos 1 m de CNT. Si es necesario realizar una prueba de crecimiento para sintonizar la altura, que debe ser del mismo grosor que la capa de SiO _2. Enfriar el reactor y purgar el uso de N _2.
5. Utilice un microscopio electrónico de barrido para comprobar la altura de la CNT en el interior de las aberturas debajo de 45 ° de inclinación, o preparando una sección transversal.
6. Inspeccione las muestras usando la espectroscopia Raman para determinar la cristalinidad de la CNT ^18.

4. Topside Metalización

1. Utilice pulverización catódica para depositar el metal de la parte superior. Como Ti es un buen metal para hacer contacto con CNT ^19, primero por pulverización catódica 100 nm de Ti, seguido de 2 micras de Al (1% Si) sin romper el vacío.
2. Escudo de la oblea con 3,1 micras de resina fotosensible positiva con mayor viscosidad, comenzando con un tratamiento de 90 seg HMDS a 130 ° C, seguido de enfriamiento de la oblea en un plato frío, spin-recubrimiento a 3000 rpm, y una cocción suave 90 seg a 95DO.
3. El uso de una máscara de fotolitografía y la herramienta de la exposición exponer el patrón de metal superior alineado con los marcadores de alineación, la dosis de exposición 420 mJ / cm ^2, el enfoque de -1.
4. Realizar un único proceso de desarrollo charco. Esto comienza con un 90 seg 115 ° C después de la exposición de pasteles, seguido de 60 segundos de desarrollo utilizando desarrollador y 90 seg dura hornee a 100 ° C.
5. Utilice un microscopio para inspeccionar si las líneas en la capa protectora son de las dimensiones correctas y si la superposición de los marcadores es correcta.
6. Etch la pila de Ti / Al utilizar el grabado por plasma de cloro. Por ejemplo el uso de un plasma de acoplamiento inductivo: 30/40 sccm Cl ₂ / HBr, 5 mTorr, 40/500 W de potencia de la platina / ICP RF con detección de punto final y 80% overetch usando 15/30 sccm Cl ₂ / HBr.
7. Utilice un separador de plasma de oxígeno para eliminar el fotoprotector (1 kW, 400 sccm _O 2 con detección de punto final y 2 min overetch). Si la cobertura de metal no está completa (es decir, hay agujeros alrededor de laCNT) utiliza un disolvente orgánico (por ejemplo, NMP) para eliminar la resina fotosensible con el fin de evitar daños en plasma a la CNT.
8. Limpie las obleas. Puesto les durante 10 min en 99% HNO _3, seguido de un enjuague con agua DI hasta que la resistividad del agua es 5 mO (limpio orgánico). Use un secador de enjuagadora para secar las obleas.

5. Mediciones

1. Utilice un microscopio electrónico de barrido de acuerdo con las instrucciones del fabricante para comprobar la metalización parte superior de las obleas.
   Nota:. Si es necesario la oblea se puede escindir mecánicamente con el fin de comprobar la completa CNT a través utilizando una inclinación de la muestra de 90 °, lo que resulta en imágenes como se muestra en la Figura 3 ya que las muestras son eléctricamente conductores tienen que ser utilizados sin pasos de tratamiento adicionales y las muestras se pueden montar directamente en el SEM. En general, los voltajes de alta aceleración de 15 kV o 20 se pueden usar, pero si la capa de SiO ₂ se está cargando demasiado esto puede ser reducido to 5 kV.
2. Realizar 4 puntos mediciones sonda IV utilizando una estación de sonda en combinación con un parámetro analizador de semiconductor como se describe en la Figura 1 y en Vollebregt et al. ^16.
   Nota: Normalmente un barrido de tensión desde -0,5 a 0,5 V es suficiente, ya que la caída de potencial a través de una interconexión idealmente es pequeña. Mediante el uso de una configuración de sonda de 4 puntos la resistencia de contacto de las agujas de la sonda y las resistencias de alambre de la configuración se omiten.

Resultados

El diseño de la estructura de medición utilizado en este trabajo se puede encontrar en la Figura 1. Mediante el empleo de una estructura tal, la medición de la resistencia haz CNT y las resistencias de contacto de metal-CNT puede determinarse con precisión, como sonda de alambre y resistencias se eluden. La resistencia del haz es una medida de la calidad y densidad del haz de CNT. Con el fin de determinar los haces de resistencia de contacto de diferentes longitudes se debe medir. <...

Discusión

La figura 1 muestra una visión esquemática de la estructura fabricada en este trabajo, y que se utilizó para las mediciones de la sonda de 4 puntos. A medida que el potencial se mide a través de sondas que llevan ninguna corriente, la caída de potencial exacta (V _H -V _L) sobre el haz de CNT central y sus contactos a que el metal se puede medir. Mayor diámetro haces de CNT se utilizan para ponerse en contacto con la capa de TiN parte inferior de las almohadillas de contacto, a...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Si (100) wafer 4"	International Wafer Service		Resisitivity: 2-5 mΩ-cm, thickness: 525 µm
Ti-sputter target (99.995% purity)	Praxair
Al (1% Si)-sputter target (99.999% purity)	Praxair
Co (99.95% purity)	Kurt J. Lesker
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
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
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