JoVE Logo
АВТОРЫ
СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

В этой статье

  • Резюме
  • Аннотация
  • Введение
  • протокол
  • Результаты
  • Обсуждение
  • Раскрытие информации
  • Благодарности
  • Материалы
  • Ссылки
  • Перепечатки и разрешения

Резюме

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.

Аннотация

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.

Введение

Медь и вольфрам, металлы, которые в настоящее время используются для межсоединений в технологии государством в самых современных очень-крупномасштабной интеграции (СБИС), которые приближаются к физическим пределам с точки зрения надежности и электропроводности 1. В то время как вниз масштабирования транзисторов в целом улучшает их эффективность, это на самом деле повышает устойчивость и плотность тока межсоединений. Это привело к межсоединений, доминирующих интегральная схема (ИС) эффективность с точки зрения задержки и энергопотребления 2.

Углеродные нанотрубки (УНТ) были предложены в качестве альтернативы для Cu и W металлизации, особенно для вертикальных межсоединений (Vias) как УНТ легко выращивается вертикали 3. CNT было показано, обладают превосходными электрическими надежность, позволяя до 1000 раз более высокой плотности тока, чем Cu 4. Кроме того, УНТ не страдают от поверхности и зерна рассеяния граничной, что увеличивает гesistivity Си в нанометровом масштабе 5. Наконец, CNT, как было показано, чтобы быть отличными проводников тепла 6, которые могут помочь в тепловом управлении в СБИС фишек.

Для успешной интеграции в CNT технологии СБИС важно, чтобы процессы роста для НКТ выполнен совместимым с полупроводников. Это требует низкий рост температуры CNT (<400 ° C) с использованием материалов и оборудования, которые считаются совместимыми и масштабируемым, чтобы в производственных масштабах. Хотя многие примеры испытаний CNT отверстий были продемонстрированы в литературе 7,8,9,10,11,12,13,14, большинство из них используют в качестве катализатора Fe, которая рассматривается в качестве примеси в IC изготовления 15. Кроме того, температура роста используется во многих из этих работ значительно выше, чем верхний предел 400 ° С. Предпочтительно CNT должны даже быть выращены ниже 350 ° С, для того, чтобы позволить интеграцию с современными диэлектриков с низким каппа или гибкойсубстраты.

Здесь мы представляем метод масштабируемой для выращивания CNT при низких температурах, как 350 ° С с использованием в качестве катализатора Co 16. Этот метод представляет интерес для изготовления различных электрических структур, состоящих из вертикально УНТ в интегральных схемах, начиная от присоединения и электродов суперконденсаторов и устройств автоэмиссионных. The Co металлический катализатор часто используется в производстве ИС для изготовления силицида-х 17, в то время как олово часто используемая барьерный материал 7. Кроме того, мы демонстрируем процесс изготовления CNT тестовых отверстий, а только с помощью методов из стандартного изготовления полупроводникового. При этом тест CNT отверстий изготовлены, проверены с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и спектроскопии комбинационного рассеяния, и электрически охарактеризованы.

протокол

Внимание: Пожалуйста, обратитесь все соответствующие паспорта безопасности материала (MSDS) перед использованием. Несколько химических веществ, используемых в этом процессе изготовления остро токсичными и канцерогенными. Наноматериалы могут иметь дополнительные риски по сравнению с их коллегой объемной. При работе с оборудованием, химическими веществами или наноматериалов, в том числе с использованием технических средств контроля (вытяжной шкаф) и средств индивидуальной защиты (защитные очки, перчатки, чистых помещений одежды) Пожалуйста, используйте все необходимые техники безопасности.

1. Выравнивание Маркер Определение для литографии

  1. Начните с односторонней полированный промышленные сорта Si (100) пластин с любой п или р-типа легирования.
  2. Пальто пластин с 1,4 мкм позитивного фоторезиста. Выполнение 90 сек гексаметилдисилазана (ГМДС) обработки при 130 ° С для улучшения адгезии фоторезиста с последующим охлаждением пластины на холодную пластину, спин-покрытием на соответствующей скорости (3500 оборотов в минуту), и 90 сек мягкой испечьт 95 ° С.
  3. Использование фото-литографии маски и инструмент воздействия выставить выравнивание маркеры, доза облучения 120 мДж / см 2.
  4. Выполните одну лужу процесс развития. Выполните 90 сек 115 ° С печь после экспозиции, а затем на 60 сек с помощью развития разработчик и 90 сек жесткий запекать при 100 ° C вылечить сопротивляться.
  5. Использование микроскопа для проверки если отверстия в резиста имеют правильные размеры.
  6. Etch 120 нм Si с помощью хлора плазменного травления. Эта толщина дает хороший контраст для автоматических систем выравнивания инструмента воздействия, использованного в этой работе. Например, используя индуцируемой плазмы (ПМС): 20/40 SCCM О 2 / CF 4, 5 мТорр, 60/500 Вт валика / ПМС ВЧ-мощность, 10 сек оксида прорыв травление, а затем 80/40 SCCM Cl 2 / HBr 60 мТорр, 20/500 Вт плита / МСП ВЧ мощность, 35 сек Si травления.
  7. Используйте кислородной плазмы зачистки для удаления фоторезиста (1 кВт, 400 SCCM O 2 с endpoОбнаружение INT и 2 мин overetch). В фоторезист отверждают плазмы нормального растворителе, таком как ацетон, не может быть использован.
  8. Очистите пластины. Во-первых поместить их в течение 10 мин в 99% HNO 3, с последующей промывкой дистиллированной водой до удельное сопротивление воды 5 МОм (органический чистый). После этого чистой пластины в течение 10 мин в 65% HNO 3 при 110 ° С, с последующей промывкой дистиллированной водой до удельное сопротивление воды 5 МОм (металл чистый). Используйте ополаскиватель фен для сушки пластин.

2. Нижняя Металл и прослойка диэлектрика Отложение

  1. Использование магнетронного распыления для нанесения нижнюю металлический слой теста через. Стек из трех металлических слоев должно быть хранение: 500 нм Ti, 50 нм олова и 100 нм Ti. Первый слой Ti является снижение сопротивления в стеке, олово является фактический слой поддержки для роста УНТ, а сверху Ti является защита от повреждений TiN в плазме, когда травления SiO 2 слоя 12 . Выполнение Ti распыления использованием чистого Ti цель с Ar-плазме при температуре подложки 350 ° С. Олова реактивного распыления использовать комбинацию Ar и N 2, снова на 350 ° С Температура подложки.
  2. Использование плазменно-химического осаждения паров (PECVD), хранение толстый слой SiO 2 1 мкм. Здесь тетраэтилортосиликат (ТЭОС) используется в качестве предшественника на плиты температуре 350 ° С.
    1. Проверьте толщину слоя SiO 2, используя соответствующий инструмент, например рефлектометра или эллипсометра.
  3. Шерсть пластина 1,4 мкм позитивного фоторезиста, начиная с лечения 90 сек HMDS при 130 ° С с последующим охлаждением пластины на холодную пластину, спин-покрытием на соответствующей скорости (3500 оборотов в минуту), и 90 сек мягкой выпекать при температуре 95 ° С.
  4. Использование маски фотолитографии и инструмент экспозиции, подвергать желаемый рисунок отверстий, которые будут позже выгравированы на SiO 2 тО образуют отверстий, согласованная с выравнивания маркеров, доза облучения 140 мДж / см 2.
  5. Выполните один процесс развития лужа, начиная с 90 сек 115 ° С выпекать в пост-экспозиции, а затем на 60 сек с помощью развития разработчик и 90 сек жесткий запекать при 100 ° С.
  6. Использование микроскопа для проверки если отверстия в резиста имеют правильные размеры и если наложение на выравнивание маркеров является правильным.
  7. Плазменного травления контактные отверстия в SiO 2. Например, использовать триод плазменный гравер с C 2 F 6 / CHF 3 36/144 SCCM на 180 мТорр и 300 Вт ВЧ мощности. При необходимости, выполните травления испытания на скорость на тестовой пластины для того, чтобы свести к минимуму за травления до 5% -10% времени.
    Примечание: Несмотря на то, Ti устойчив к реактивной травления в этом химии фтора, длительное воздействие плазмы приводит к физической травления слоя Ti. Если слой олова подвергается воздействию плазмы это будет иметь негативное influenсе на рост УНТ 12. Не следует использовать влажное травление, так как это приведет к слишком большим расширением отверстия, что делает верхнюю металлизацию в части 4 проблематичным.
  8. Удаления временного слоя Ti влажным травлением в 0,55% HF в течение 60 с. После травления промыть пластины дистиллированной водой до воды сопротивление 5 МОм и использовать ополаскиватель фен для сушки пластин.
    Примечание: Использование микроскопа можно проверить, если слой Ti травится, олово слой будет иметь золотисто-коричневый цвет, а Ti является серый металлик.

3. Катализатор Отложение и УНТ Рост

  1. Выпарить 5 нм Co с помощью электронно-лучевой испаритель. Откачка до, по крайней мере 2x10 -6 Торр, и нагревают пластины до 60 ° С с использованием ламп под вакуумом перед нанесением, чтобы удалить пленку воды. Фото-сопротивляться, используемые для определения контактных отверстий хранится на пластине, чтобы обеспечить самовыстраивание катализатора в контактных отверстий в SiO 2.
  2. УдалитьСо пределами контактных отверстий по взлета. Для Co было установлено, что тетрагидрофуран (ТГФ) дает лучшие результаты отрыва и рост при низких температурах. N-метил-2-пирролидон (NMP), который ранее был использован для взлета после испарения Fe, было установлено, повреждений Со слишком такой степени, чтобы предотвратить любую выровненную рост УНТ. Поместите пластину в течение 15 мин в ультразвуковой ванне с ТГФ при 35 ° С. Промыть дистиллированной водой в течение 5 мин и сушат с помощью центрифуги или азота пистолет.
  3. Осмотрите пластины под ними микроскопом и проверить сопротивление остатков. Если остатки остаются выполнить больше ультразвуковую обработку в ТГФ, и, возможно, использовать специальную мягкую ватную палочку в целях подъема-офф вручную стереть остатки.
  4. Выполните рост УНТ с использованием химического осаждения паров низкого давления (LPCVD). Используйте следующий рецепт: 8 мин до отжига при 350 ° С с 700 стандартных кубических сантиметров в H 2 80 мбар, за которым следует рост нанотрубок путем добавления 50 SCCM C 2 H 2. При 350 ° С, 60мин роста дает примерно 1 мкм УНТ. При необходимости выполнить роста тест, чтобы настроить высоту, которая должна быть такой же толщины, как SiO 2 слоя. Охладить реактор и очищать с помощью N 2.
  5. Использование сканирующего электронного микроскопа, чтобы проверить высоту CNT внутри отверстия под углом наклона 45 °, или путем получения поперечное сечение.
  6. Осмотрите образцы, используя спектроскопии комбинационного рассеяния для определения кристалличности УНТ 18.

4. Внутренняя часть окорока Металлизация

  1. Используйте магнетронного распыления для нанесения верхнего металла. Как Ti является хорошим металла для контакта CNT 19, сначала распыления 100 нм Ti, затем 2 мкм Al (1% Si), не нарушая вакуума.
  2. Шерсть пластина 3,1 мкм позитивного фоторезиста с высокой вязкостью, начиная с лечения 90 сек HMDS при 130 ° С с последующим охлаждением пластины на холодную пластину, спин-покрытием при 3000 оборотах в минуту, и 90 сек мягкой выпекать при температуре 95° С.
  3. Использование маски фото-литографии и инструмент экспозиции выставить верхнюю металлическую шаблон, согласованный с выравнивания маркеров, мощность экспозиционной дозы 420 мДж / см 2, фокус -1.
  4. Выполните одну лужу процесс развития. Это начинается с 90 сек 115 ° С выпекать в пост-экспозиции, затем 60 сек развития с использованием разработчик и 90 сек жесткий запекать при 100 ° С.
  5. Использование микроскопа для проверки, когда линии резиста имеют правильные размеры и если наложение на маркеры правильно.
  6. Etch стек Ti / Al, используя хлор плазменного травления. Например, используя индуцируемой плазмы: 30/40 SCCM Cl 2 / HBr, 5 мТорр, 40/500 Вт экспонирования / ПМС ВЧ-мощность с обнаружением конечной точки и 80% overetch использованием 15/30 SCCM Cl 2 / HBr.
  7. Используйте кислородной плазмы зачистки для удаления фоторезиста (1 кВт, 400 SCCM О 2 с определением конечной точки и 2 мин overetch). Если покрытие металла не является полным (то есть, есть поры вокругCNT) использовать органический растворитель (например, N-МП), чтобы удалить фоторезист с целью предотвратить повреждение плазмы НКТ.
  8. Очистите пластины. Поместите их в течение 10 мин в 99% HNO 3, с последующей промывкой дистиллированной водой до удельное сопротивление воды 5 МОм (органический чистый). Используйте ополаскиватель фен для сушки пластин.

5. Измерения

  1. Использование сканирующего электронного микроскопа в соответствии с инструкциями производителя, чтобы проверить верхнюю металлизацию пластин.
    Примечание:. При необходимости пластины могут быть механически расщепляется для того, чтобы проверить полное CNT с помощью использованием образца наклона 90 °, в результате чего изображение, как показано на рисунке 3, как образцы являются электропроводящими не будет использоваться никаких дополнительных стадий обработки и Образцы могут быть непосредственно установлены в SEM. Как правило, высокие напряжения ускорением 15 или 20 кВ может быть использован, но если SiO 2 слоя зарядки слишком много, это может быть уменьшена тO 5 кВ.
  2. Выполнение 4-балльной зондовых измерений IV с использованием зонда станции в сочетании с анализатором параметров полупроводников, как описано на фиг.1, и в Vollebregt соавт. 16.
    Примечание: Обычно развертки напряжения от -0,5 до 0,5 В, достаточно, как падение потенциала в течение интерконнект идеально мало. С помощью установки датчика 4-балльной контактное сопротивление зонда иглы и проволоки сопротивлений установки опущены.

Результаты

Конструкция структуры измерения, используемых в этой работе можно найти на рисунке 1. Используя такую ​​структуру измерение сопротивления расслоения УНТ и контактных сопротивлений металлических УНТ-может быть точно определен, а зонд и провода сопротивления обходят. Сопрот?...

Обсуждение

Рисунок 1 показывает схематическое представление о структуре, изготовленной в этой работе, и который был использован для зондовых измерений 4-точечных. Как потенциал измеряют при помощи зондов, не несущего тока, точное падение потенциала (V H -V L) над центральной пучк...

Раскрытие информации

The authors have nothing to disclose.

Благодарности

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.

Материалы

NameCompanyCatalog NumberComments
Si (100) wafer 4"International Wafer ServiceResisitivity: 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 photoresistDow Electronic Materials
MF-322 developerDow Electronic Materials
HNO3 (99.9%)KMG Ultra Pure Chemicals
HNO3 (69.5%)KMG Ultra Pure Chemicals
HF 0.55%Honeywell
TetrahydrofuranJT Baker
AcetoneSigma-Aldrich
ECI3027 positive photoresistAZ
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/developerEVG
ASML PAS5500/80 waferstepperASML
SPTS Ωmega 201 plasma etcherSPTSUsed for Si and metal etching
SPTS Σigma sputter coaterSPTS
Novellus Concept One PECVDLAM
Drytek 384T plasma etcherLAMUsed for oxide etching
CHA Solution e-beam evaporatorCHA
AIXTRON BlackMagic Pro CVD toolAIXTRONCarbon nanotube growth
Philips XL50 scanning electron microscopeFEI
Tepla 300PVA TePlaResist plasma stripper
Avenger rinser dryerMicroporcess Technologies
Leitz MPV-SP reflecometerLeitz
Renishaw inVia Raman spectroscopeRenishaw
Agilent 4156C parameter spectrum analyzerAgilent
Cascade Microtech probe stationCascade Microtech

Ссылки

  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).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи

Запросить разрешение

Смотреть дополнительные статьи

106

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

РЕКОМЕНДОВАТЬ БИБЛИОТЕКЕ

НОВОСТИ JoVE

Исследования

Образование

АВТОРЫ

Библиотекарь

О JoVE

Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены