Fabricação de Baixa Temperatura de Nanotubos de Carbono Vertical Interconexões Compatível com Semiconductor Tecnologia

Resumo

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.

Resumo

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.

Introdução

Cobre e tungstênio, os metais que são actualmente utilizados para as interconexões em tecnologia state-of-the-art de muito grande escala de integração (VLSI), estão se aproximando de seus limites físicos em termos de confiabilidade e condutividade elétrica ^1. Enquanto transistores down-dimensionamento geralmente melhora seu desempenho, ele realmente aumenta a resistência ea densidade de corrente das interconexões. Isto resultou em interconexões dominando o desempenho do circuito integrado (IC) em termos de atraso e consumo de energia ^2.

Os nanotubos de carbono (CNT) têm sido sugeridos como alternativa para o Cu e W metalização, especialmente para interconexões verticais (vias) como facilmente pode CNT sido cultivadas verticais ^3. CNT tenha sido demonstrado que possuem uma excelente fiabilidade eléctrica, permitindo um até 1000 vezes mais elevada do que a densidade de corrente de Cu ^4. Além disso, a CNT não sofrem de superfície e contorno de grão de dispersão, que está a aumentar o resistivity de Cu em escala nanométrica ^5. Finalmente, CNT foram mostrados para ser excelentes condutores térmicos ^6, que podem ajudar no tratamento térmico em chips VLSI.

Para a integração bem sucedida da tecnologia CNT em VLSI, é importante que os processos de crescimento para o CNT é tornado compatível com o fabrico de semicondutores. Isto exige que o baixo crescimento da temperatura do CNT (<400 ° C), utilizando materiais e equipamentos que são considerados compatíveis e escalável para a fabricação em grande escala. Embora muitos exemplos de vias de teste CNT tem sido demonstrado na literatura ^{7,8,9,10,11,12,13,14,} a maioria destes Fe utilizar como catalisador o que é considerado como um contaminante no fabrico de IC ^15. Além disso, a temperatura de crescimento utilizados em muitos destes trabalhos é muito maior do que o limite superior de 400 ° C. Preferencialmente CNT deve ainda ser cultivadas abaixo de 350 ° C, a fim de permitir a integração com baixo-k dieléctricos modernos ou flexívelsubstratos.

Aqui é apresentado um método para o cultivo de escalável CNT a temperaturas tão baixas como 350 ° C, utilizando como catalisador Co ^16. Este método é de interesse para a fabricação de diferentes estruturas eléctricas que consistem em alinhados verticalmente CNT em circuitos integrados, variando de interconexão e eletrodos para capacitores super e dispositivos de emissão de campo. O catalisador de metal de Co é muitas vezes usado no fabrico de circuitos integrados para a fabricação de silicieto de ^17, enquanto o estanho é um material de barreira usado muitas vezes ^7. Além disso, nós demonstramos um processo para a fabricação de vias de teste CNT enquanto apenas utilizando técnicas de fabricação de semicondutores padrão. Com isso, vias de teste CNT são fabricados, inspecionado por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia Raman, e eletricamente caracterizada.

Protocolo

Atenção: Por favor, consulte todas as fichas de dados de segurança do material (MSDS) relevantes antes de usar. Vários dos produtos químicos utilizados no presente processo de fabricação são altamente tóxicos e cancerígenos. Os nanomateriais podem ter riscos adicionais em comparação com o seu homólogo granel. Utilize todas as práticas de segurança adequadas quando trabalhar com equipamentos, produtos químicos ou nanomateriais, incluindo o uso de controles de engenharia (extractor de fumo) e equipamentos de proteção individual (óculos de segurança, luvas, roupas de sala limpa).

1. Alinhamento marcador de definição para Litografia

1. Comece com grau industrial polido single-sided Si (100) bolachas com qualquer n ou p-type doping.
2. Revestir a bolacha com 1,4 uM de fotorresistente positivo. Executar uma 90 seg hexametildissilazano (HMDS) de tratamento a 130 ° C para promover a adesão do foto-resistente, seguido de arrefecimento da bolacha em uma placa fria, spin-coating à velocidade apropriada (3.500 rpm), e um 90 seg coza macio umt 95 ° C.
3. O uso da máscara foto-litografia e uma ferramenta de exposição expor as marcas de alinhamento, dose de exposição de 120 mJ / cm ^_2.
4. Realize um único processo de desenvolvimento poça. Executar um 90 seg 115 ° C coza pós-exposição, seguido por 60 sec desenvolvimento utilizando desenvolvedor e asse dura 90 seg a 100 ° C para curar a resistir.
5. Usar um microscópio para inspeccionar se as aberturas na parte de resistir são as dimensões correctas.
6. Etch 120 nm de Si usando corrosão por plasma de cloro. Esta espessura confere um bom contraste para os sistemas de alinhamento automático da ferramenta de exposição utilizado neste trabalho. Por exemplo, utilizando um plasma indutivo acoplado (ICP): 20/40 sccm _de O2 / CF _4, 5 mTorr, 60/500 W cilindro / potência de RF ICP, 10 seg avanço óxido de decapagem, seguido por 80/40 sccm Cl ₂ / HBr , 60 mTorr, 20/500 W placa / potência ICP RF, 35 seg Si gravar.
7. Use um descascador de plasma de oxigênio para remover o fotorresiste (1 kW, 400 sccm _O 2 com endpodetecção int e 2 min overetch). À medida que o revestimento fotoprotector é curado pelo solvente como acetona plasma normal não pode ser utilizado.
8. Limpe as bolachas. Primeiro colocá-los durante 10 min em 99% HNO _3, seguido de enxaguamento com água desionizada até que a resistividade da água é de 5 mohms (limpo orgânico). Após este limpa as bolachas durante 10 min em _HNO3 65% a 110 ° C, seguido de enxaguamento com água desionizada até que a resistividade da água é de 5 mohms (metal limpo). Use um secador para secar rinser as bolachas.

2. metal inferior e Interlayer dielétrica Deposição

1. Use pulverização por magnetrão a depositar a camada de metal da parte inferior através do teste. Uma pilha de três camadas metálicas tem de ser depositado: 500 nm de Ti, de 50 nm de TiN, Ti e 100 nm. A primeira camada de Ti é reduzir a resistência da pilha, a lata é a camada de suporte para o crescimento efectivo CNT, e o topo Ti é para proteger o TiN contra danos plasma quando condicionamento da camada de _SiO2 ¹² . Realizar Ti pulverização catódica utilizando um alvo de Ti puro com Ar-plasma a uma temperatura de substrato de 350 ° C. De estanho na forma de pulverização catódica reactiva usar uma combinação de Ar e n _2, de novo, a 350 ° C temperatura do substrato.
2. Usando deposição de vapor químico melhorado por plasma (PECVD), depositar um 1 um espessa camada de _SiO2. Aqui ortossilicato de tetraetilo (TEOS) é usado como precursor a uma temperatura de cilindro de 350 ° C.
   1. Verifique a espessura da camada de SiO _{2, utilizando} uma ferramenta adequada, por exemplo um reflectómetro ou elipsometria.
3. Revestir a bolacha com 1,4 uM de fotorresistente positiva, começando com um tratamento de 90 seg HMDS a 130 ° C, seguido de arrefecimento da bolacha em uma placa fria, spin-coating à velocidade apropriada (3.500 rpm), e um 90 seg suave cozer a 95 ° C.
4. O uso da máscara foto-litografia e uma ferramenta de exposição, expor o padrão desejado de aberturas, que será mais tarde a gravadas em _SiO2 to formar as vias, alinhados com os marcadores de alinhamento, dose de exposição de 140 mJ / cm ^_2.
5. Realizar um único processo de desenvolvimento de uma poça de partida com 90 seg 115 ° C de pós-exposição assar, seguido por 60 seg desenvolvimento utilizando revelador e coze dura 90 segundos a 100 ° C.
6. Usar um microscópio para inspeccionar se as aberturas na parte de resistir são as dimensões correctas e se a sobreposição para os marcadores de alinhamento está correcto.
7. Plasma gravar as aberturas de contacto no SiO _2. Por exemplo, usar um etcher plasma triodo com _C 2 _F 6 / CHF ₃ 36/144 sccm a 180 mTorr e 300 W de potência de RF. Se necessário, efectuar testes de taxa de corrosão sobre uma bolacha de teste, a fim de minimizar mais de gravura a 5% -10% no tempo.
   Nota: Embora o Ti é resistente ao ataque químico reactivo neste flúor química, a exposição prolongada ao plasma resultará na corrosão física da camada de Ti. Se a camada de estanho é exposta ao plasma isso terá um influenzae negativoce sobre o crescimento da CNT ^12. Não use condicionamento úmido, pois isso irá resultar em muito alargamento das aberturas, tornando o top de metalização na parte 4 problemático.
8. Retirar a camada de Ti sacrificial por ataque úmido em 0,55% HF durante 60 segundos. Depois de gravar lavar as bolachas com água DI até a resistividade da água é de 5 mohms e usar um secador para secar rinser as bolachas.
   Nota: Usando um microscópio pode ser verificado se a camada de Ti está gravado, a camada de estanho terá uma cor marrom-ouro, enquanto o Ti é cinza metálico.

3. Catalisador Deposição e Crescimento CNT

1. Evapora-se 5 nM de Co utilizando um evaporador e-beam. Bombear para baixo até pelo menos 2x10 ^-6 Torr, e aquecer as bolachas a 60 ° C, utilizando lâmpadas sob vácuo antes de depositar para remover qualquer película de água. A foto-resiste usado para definir as aberturas de contato é mantido na bolacha de proporcionar auto-alinhamento do catalisador para as aberturas de contacto no SiO _2.
2. Removero Co fora das aberturas de contacto por lift-off. Para a co, verificou-se que o tetra-hidrofurano (THF) dá os melhores resultados de lift-off e crescimento a baixas temperaturas. N-metil-2-pirrolidona (NMP), que foi previamente utilizado para a descolagem Fe após evaporação, foi encontrada a danos Co demasiado tal forma a impedir qualquer crescimento CNT alinhados. Coloque a bolacha durante 15 minutos num banho de ultrassons com THF a 35 ° C. Lavar com água desionizada, durante 5 min e secar utilizando uma pistola de Spinner ou azoto.
3. Inspecione o wafer debaixo de um microscópio e verificar se há resíduos de resistir. Se os resíduos permanecem realizar um tratamento mais ultra-som em THF, e, opcionalmente, use um cotonete macio especial para fins de lift-off para limpar manualmente longe resíduos.
4. Execute o crescimento CNT usando deposição de vapor químico de baixa pressão (LPCVD). Utilize a seguinte receita: 8 min de pré-recozimento a 350 ° C com 700 sccm _de H 2 a 80 mbar, seguido de crescimento CNT por adição de 50 sccm _C 2 H _2. A 350 ° C, 60min de crescimento dá cerca de 1 uM de CNT. Se for necessário efectuar um teste de crescimento para ajustar a altura, que devem ser da mesma espessura que a camada de _SiO2. Resfriar o reator e limpar usando _N2.
5. Use um microscópio eletrônico de varredura para verificar a altura do CNT no interior das aberturas sob 45 ° de inclinação, ou através da preparação de uma secção transversal.
6. Inspeccionar as amostras utilizando espectroscopia de Raman para determinar a cristalinidade do CNT ^18.

4. Topside Metalização

1. Use pulverização catódica para depositar o topo metal. Como Ti é um bom metal para o contactar CNT ^19, primeiro por pulverização catódica 100 nm de Ti, seguido por 2 mm de Al (1% Si) sem quebrar o vácuo.
2. Revestir a bolacha com 3,1 uM de fotorresistente positiva com viscosidade mais elevada, a partir de um tratamento de 90 seg HMDS a 130 ° C, seguido de arrefecimento da bolacha em uma placa fria, spin-coating a 3.000 rpm, e um cozimento macio 90 seg a 95° C.
3. O uso da máscara foto-litografia e uma ferramenta de exposição expor o padrão de metal superior alinhada com as marcas de alinhamento, dose de exposição de 420 mJ / cm ^2, o foco de -1.
4. Realize um único processo de desenvolvimento poça. Isso começa com um 90 seg 115 ° C pós-exposição de bolos, seguido por 60 sec desenvolvimento utilizando desenvolvedor e asse dura 90 seg a 100 ° C.
5. Usar um microscópio para inspeccionar se as linhas no resistir são das dimensões correctas e se a sobreposição para os marcadores é correcta.
6. Etch a pilha de Ti / Al utilizar gravação por plasma de cloro. Por exemplo, utilizando um plasma indutivo: 30/40 sccm _Cl 2 / HBr, 5 mTorr, 40/500 poder W Platen / ICP RF com detecção de endpoint e 80% overetch usando 15/30 sccm _Cl 2 / HBr.
7. Use um descascador de plasma de oxigênio para remover o fotorresiste (1 kW, 400 sccm _O 2 com a detecção de endpoint e 2 min overetch). Se a cobertura não é completa de metal (isto é, existem orifícios em torno daCNT) usar um solvente orgânico (por exemplo, NMP) para remover o material fotosensitivo, a fim de evitar danos no plasma para o CNT.
8. Limpe as bolachas. Colocá-los durante 10 min em 99% HNO _3, seguido de enxaguamento com água desionizada até que a resistividade da água é de 5 mohms (limpo orgânico). Use um secador para secar rinser as bolachas.

5. Medições

1. Use um microscópio eletrônico de varredura de acordo com as instruções do fabricante para verificar o top metalização das bolachas.
   Nota:. Como as amostras são electricamente condutora ter para ser usado sem passos de tratamento adicionais, se necessário, a bolacha pode ser clivado mecanicamente, a fim de verificar o CNT completa através de usar uma inclinação amostra de 90 °, resultando em imagens, como mostrado na Figura 3 e as amostras podem ser directamente montado no SEM. Geralmente, tensões de aceleração de 15 kV ou 20 pode ser utilizado, mas, se a camada de _SiO2 está a carregar-se demasiado este pode ser reduzido tO 5 kV.
2. Efectuar as medições de 4 pontos sonda IV, utilizando uma estação sonda, em combinação com um parâmetro analisador semicondutor, tal como descrito na Figura 1 e na Vollebregt et ai. ^16.
   Nota: Normalmente uma varredura tensão de -0,5 a 0,5 V é suficiente, como a queda de potencial através de uma interligação ideal é pequena. Ao usar uma configuração de sonda de 4 pontos a resistência de contato das agulhas da sonda e as resistências de fio da configuração são omitidos.

Resultados

O design da estrutura de medição utilizado neste trabalho podem ser encontrados na Figura 1. Empregando uma tal estrutura a medição da resistência feixe CNT e as resistências de contacto de metal-CNT pode ser determinada com precisão, como sonda e resistências de arame são contornadas. A resistência do pacote é uma medida para a qualidade e densidade do pacote CNT. A fim de determinar os feixes de resistência de contacto de comprimentos diferentes devem ser medidos.

Discussão

A Figura 1 mostra uma vista geral esquemática da estrutura fabricada neste trabalho, e que foi utilizado para as medições de sonda de 4 pontos. À medida que o potencial é medido por meio de sondas que transportam nenhuma corrente, a queda de potencial exacto _(VH-VL) através do feixe CNT central e os contactos para o metal pode ser medido. Maior diâmetro feixes CNT são usadas para contactar a camada de estanho inferior das almofadas de contacto, a fim de reduzir a resistência total pa...

Materiais

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