Waiting
Elaborazione accesso...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

המצאה של טמפרטורה נמוכה חיבורים אנכיים-צינורות פחמן תואם עם סמיקונדקטור טכנולוגיה

Published: December 7, 2015 doi: 10.3791/53260
Automatic Translation
1, 1
1Department of Microelectronics, Delft University of Technology

Introduction

נחושת וטונגסטן, המתכות שמשמשות כיום לחיבורים במדינה של טכנולוגיה-the-art-מאוד בקנה מידה גדול אינטגרציה (VLSI), מתקרבים הגבולות הפיזיים שלהם במונחים של אמינות ומוליכות חשמלית 1. בעוד טרנזיסטורים למטה דרוג בדרך כלל משפר את הביצועים שלהם, זה למעשה מגדיל את ההתנגדות וצפיפות נוכחית של החיבורים. זה הביא חיבורים שולטים ביצועי מעגל משולב (IC) במונחים של עיכוב וצריכת חשמל 2.

צינורות פחמן (CNT) הוצעו כחלופה לCu וmetallization W, במיוחד לחיבורים אנכיים (vias) כCNT יכולים בקלות כבר גדלו אנכיים 3. CNT הוכח לי אמינות חשמלית מעולה, המאפשר עד צפיפות זרם גבוהה פי 1,000 מ -4 Cu. יתר על כן, CNT אינו סובל ממשטח ופיזור גבול תבואה, שגדל resistivity של Cu בקנה המידה ננומטרי 5. לבסוף, CNT הוכח להיות מנצחים מצוינים תרמית 6, אשר יכול לסייע בניהול התרמי בשבבי VLSI.

לשילוב מוצלח של CNT בטכנולוגית VLSI חשוב שתהליכי הצמיחה לCNT עשויים תואמים ייצור מוליכים למחצה. זה מחייב את הצמיחה בטמפרטורה הנמוכה של CNT (<C 400 מעלות) תוך שימוש בחומרים וציוד שנחשבים תואם וניתן להרחבה לייצור בקנה מידה גדולה. בעוד דוגמאות רבות של פיאז מבחן CNT הוכחו בספרות 7,8,9,10,11,12,13,14, רוב אלה להשתמש פה כזרז אשר נחשב מזהם בייצור IC 15. חוץ מזה, טמפרטורת הצמיחה בשימוש ברבות מיצירות אלה היא הרבה יותר גבוהה מהגבול העליון של 400 מעלות צלזיוס. רצוי CNT צריך גם להיות מבוגר מתחת 350 מעלות צלזיוס, על מנת לאפשר אינטגרציה עם חומרים דיאלקטריים הנמוך κ מודרניים או גמישמצעים.

כאן אנו מציגים שיטה להרחבה לגידול CNT בטמפרטורות נמוכות כמו 350 מעלות צלזיוס באמצעות Co כזרז 16. שיטה זו היא עניין לבודת מבנים חשמליים שונים בהיקף של CNT מיושר אנכי במעגלים משולבים, הנעים בין קישוריות ואלקטרודות לקבלי סופר והתקני פליטת שדה. מתכת זרז Co משמשת לעתים קרובות בייצור מעגלים משולבים עבור הייצור של silicide של 17, ואילו פח הוא חומר המשמש לעתים קרובות מכשול 7. יתר על כן, אנחנו מדגימים תהליך עבור בודה vias מבחן CNT תוך שימוש בטכניקות מייצור מוליכים למחצה רגיל בלבד. עם זה, vias מבחן CNT מיוצרים, נבדק על ידי סריקת מיקרוסקופ אלקטרונים (SEM) וספקטרוסקופיית ראמאן, וחשמלי מאופיין.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

זהירות: יש להתייעץ בכל גיליונות הנתונים של בטיחות חומרים הרלוונטיים (MSDS) לפני השימוש. כמה מהכימיקלים המשמשים בתהליך ייצור זה הוא בחריפות רעילה ומסרטנים. ייתכן שיש לי ננו מפגעים נוספים בהשוואה לעמיתו בתפוצה רחבה שלהם. אנא השתמש בכל נהלי הבטיחות המתאימים בעת עבודה עם ציוד, כימיקלים או ננו, כולל השימוש בפקדי הנדסה (מנדף) וציוד מגן אישי (משקפי מגן, כפפות, בגדי חדר נקי).

הגדרת 1. מערך מרקר ליתוגרפיה

  1. התחל עם Si (100) הוופלים כיתה תעשייתית מלוטשת-צדדי יחידה עם שני n או סימום מסוג p.
  2. מעיל הרקיק עם 1.4 מיקרומטר של photoresist החיובי. בצע hexamethyldisilazane 90 שניות טיפול (HMDS) ב 130 מעלות צלזיוס כדי לקדם את ההידבקות של photoresist, ואחרי הקירור של הרקיק על צלחת קרה, ספין-ציפוי במהירות המתאימה (3,500 סל"ד), ולאפות רך 90 שניותC ° T 95.
  3. שימוש במסכת תמונה-ליתוגרפיה וכלי חשיפה לחשוף את סמני היישור, מינון חשיפה 120 mJ / 2 סנטימטר.
  4. לבצע תהליך פיתוח שלולית אחת. בצע לאפות 90 שניות 115 ° C לאחר חשיפה, ואחריו פיתוח שניות 60 באמצעות מפתח ולאפות קשה 90 שניות ב 100 מעלות צלזיוס לרפא להתנגד.
  5. השתמש במיקרוסקופ כדי לבדוק אם הפתחים בלהתנגד הם בממדים הנכונים.
  6. לחרוט 120 ננומטר של Si באמצעות תחריט פלזמה כלור. עובי זה נותן ניגוד טוב למערכות יישור האוטומטית של כלי החשיפה המשמש בעבודה זו. לדוגמא באמצעות פלזמה אינדוקטיביים שילוב (ICP): 20/40 2/4 CF, 5 mTorr, 60/500 גליל דיו W / כוח ICP RF, תחריט פריצת דרך תחמוצת 10 שניות, ואחריו 80/40 SCCM Cl 2 / HBr O SCCM , 60 mTorr, 20/500 גליל דיו W / כוח ICP RF, 35 שניות Si לחרוט.
  7. השתמש חשפנית פלזמה חמצן כדי להסיר את photoresist (1 קילוואט, 400 SCCM O 2 עם endpoזיהוי int ו -2 overetch דקות). כphotoresist הוא נרפא על ידי ממס הפלזמה רגילה כמו אצטון לא ניתן להשתמש.
  8. נקה את הוופלים. ראשון לשים אותם במשך 10 דקות ב -99% HNO 3, ואחריו שטיפה במי DI עד ההתנגדות של המים היא 5 MΩ (נקי אורגני). אחרי זה הוופלים במשך 10 דקות ב -65% HNO 3 ב 110 מעלות צלזיוס נקיות, ואחריו שטיפה עם מים די עד ההתנגדות של המים היא 5 MΩ (מתכת נקייה). השתמש במייבש rinser לייבש את הוופלים.

2. מתכת תחתונה וInterlayer דיאלקטרי הפקדת

  1. השתמש המקרטעת magnetron להפקיד את שכבת המתכת התחתונה של הבדיקה באמצעות. ערימה של שלוש שכבות מתכת צריכה להיות מופקדת: 500 ננומטר של Ti, 50 ננומטר של פח, ו- 100 ננומטר Ti. שכבת Ti הראשונה היא להפחית את ההתנגדות של הערימה, הפח הוא שכבת התמיכה בפועל לצמיחת CNT, וטי העליון הוא להגן מפני נזק פח פלזמה כאשר תחריט SiO 2 השכבה 12 2, שוב בטמפרטורת מצע C ° 350.
  2. שימוש בתצהיר משופר פלזמה אדים כימיים (PECVD), להפקיד בשכבה עבה 1 מיקרומטר של SiO 2. כאן orthosilicate tetraethyl (TEOS) משמש כמבשר בטמפרטורת גליל דיו של 350 מעלות צלזיוס.
    1. בדוק את עובי השכבה SiO 2 שימוש בכלי מתאים, למשל reflectometer או ellipsometer.
  3. מעיל הרקיק עם 1.4 מיקרומטר של photoresist החיובי, מתחיל עם טיפול 90 שניות HMDS ב 130 מעלות צלזיוס, ואחריו קירור של הרקיק על צלחת קרה, ספין-ציפוי במהירות המתאימה (3,500 סל"ד), ושנייה 90 רכה לאפות ב 95 מעלות צלזיוס.
  4. שימוש במסכת תמונה-ליתוגרפיה וכלי חשיפה, לחשוף את התבנית הרצויה של פתחים, אשר יהיה חרוטה בהמשך ללא SiO 2o טופס פיאז, מיושר לסמני היישור, מינון חשיפה 140 mJ / 2 סנטימטר.
  5. לבצע תהליך יחיד פיתוח שלולית מתחיל עם לאפות לאחר החשיפה C ° 115 90 שניות, ואחריו פיתוח שניות 60 באמצעות מפתח ולאפות קשה 90 שניות ב 100 מעלות צלזיוס.
  6. השתמש במיקרוסקופ כדי לבדוק אם הפתחים בלהתנגד הם של ממדים הנכונים ואם את השכבה לסמני היישור היא נכונה.
  7. פלזמה לחרוט פתחי הקשר בSiO 2. לדוגמא, השתמש חרט פלזמה טריודה עם C 2 F 6/36/144 CHF 3 SCCM ב 180 mTorr ו -300 כוח RF W. במידת הצורך, לבצע בדיקות שיעור לחרוט על רקיק בדיקה על מנת למזער על התחריט עד 5% -10% בזמן.
    הערה: למרות שTi הוא עמיד לתחריט תגובה בכימיה פלואור זה, חשיפה ממושכת לפלזמה תגרום תחריט פיזי של שכבת טי. אם שכבת הפח חשופה לפלזמה זה יהיה influen שליליCe על הצמיחה של 12 CNT. אל תשתמש בתחריט רטוב כמו זה יגרום יותר מדי הרחבת הפתחים, מה שהופך את metallization העליון בחלק 4 בעייתי.
  8. להסיר את שכבת טי ההקרבה ידי תחריט רטוב בHF 0.55% למשך 60 שניות. לאחר התחריט לשטוף הוופלים עם מים די עד התנגדות המים הוא 5 MΩ ולהשתמש במייבש rinser לייבש את הוופלים.
    הערה: שימוש במיקרוסקופ זה ניתן לבדוק אם שכבת טי חקוק, שכבת טין תהיה צבע זהב-חום ואילו Ti הוא אפור מתכתי.

3. Catalyst הפקדת וCNT צמיחה

  1. להתאדות 5 ננומטר של Co באמצעות מאייד קורה אלקטרוני. לשאוב למטה עד לפחות 2x10 -6 Torr, ולחמם את הוופלים עד 60 ° C באמצעות מנורות תחת ואקום לפני ההפקדה כדי להסיר כל סרט מים. הצילום להתנגד משמש להגדרת פתחי הקשר נשמר על פרוסות סיליקון לספק יישור עצמי של הזרז לפתחי הקשר בSiO 2.
  2. לְהַסִירCo מחוץ לפתחי המגע ידי ההמראה. לCo נמצא כי tetrahydrofuran (THF) נותן את התוצאות הטובות ביותר ההמראה וצמיחה בטמפרטורות נמוכות. N -methyl-2-pyrrolidone (תמ"א), ששימש בעבר להמראה לאחר אידוי פה, נמצא נזק מידת שיתוף כזה גם כדי למנוע כל צמיחת CNT מיושרת. שים את הרקיק במשך 15 דקות באמבטיה קולית עם THF ב 35 מעלות צלזיוס. יש לשטוף במי DI במשך 5 דקות ולייבש באמצעות אקדח ספינר או חנקן.
  3. בדוק את הרקיק מתחת למיקרוסקופ ולבדוק להתנגד שאריות. אם שאריות יישארו לבצע טיפול קולי כבר בTHF, ולחלופין להשתמש במטלית כותנה רכה מיוחדת למטרות ההמראה לנגב שאריות ידנית.
  4. בצע צמיחת CNT באמצעות תצהיר בלחץ נמוך אדים כימיים (LPCVD). השתמש במתכון הבא: 8 דקות לפני לחשל ב 350 ° C עם 700 SCCM H 2 ב 80 mbar, ואחריו צמיחת CNT על ידי הוספת 50 C SCCM 2 H 2. ב 350 ° C, 60דקות של צמיחה נותנת בערך 1 מיקרומטר של CNT. אם יש צורך לבצע בדיקת צמיחה לכוון את הגובה, שאמורה להיות באותו העובי כמו השכבה SiO 2. להתקרר הכור ולטהר באמצעות N 2.
  5. השתמש במיקרוסקופ אלקטרונים סורקים כדי לבדוק את הגובה של CNT בתוך הפתחים מתחת לגיל 45 ° הטיה, או על ידי הכנת חתך.
  6. בדוק את הדגימות באמצעות ספקטרוסקופיית ראמאן כדי לקבוע את crystallinity של CNT 18.

4. למעלה Metallization

  1. השתמש המקרטעת magnetron להפקיד המתכת העליונה. כTi הוא מתכת טובה ליצירת קשר עם CNT 19, גמגום הראשון של Ti 100 ננומטר, ואחריו 2 מיקרומטר של אל (1% Si) בלי לשבור את הוואקום.
  2. מעיל הרקיק עם 3.1 מיקרומטר של photoresist החיובי עם צמיגות גבוהה יותר, החל בטיפול 90 שניות HMDS ב 130 מעלות צלזיוס, ואחריו קירור של הרקיק על צלחת קרה, ספין-ציפוי ב3,000 סל"ד, ולאפות רך 90 שניות ב 95מעלות צלזיוס.
  3. שימוש במסכת תמונה-ליתוגרפיה וכלי חשיפה לחשוף את הדפוס העליון מתכת מיושרת לסמני היישור, מינון חשיפה 420 mJ / 2 סנטימטר, מוקד -1.
  4. לבצע תהליך פיתוח שלולית אחת. זה מתחיל עם לאפות לאחר החשיפה C ° 115 90 שניות, ואחרי 60 שניות פיתוח באמצעות מפתח ולאפות קשה 90 שניות ב 100 מעלות צלזיוס.
  5. השתמש במיקרוסקופ כדי לבדוק אם הקווים בלהתנגד הם של ממדים הנכונים ואם את השכבה לסמנים היא נכונה.
  6. לחרוט את ערימת Ti / אל באמצעות תחריט פלזמה כלור. לדוגמא באמצעות פלזמה בשילוב אינדוקטיבי: 30/40 SCCM Cl 2 / HBr, 5 mTorr, 40/500 כוח W פלטון / ICP RF עם זיהוי נקודות קצה וoveretch 80% באמצעות SCCM 15/30 Cl 2 / HBr.
  7. השתמש חשפנית פלזמה חמצן כדי להסיר את photoresist (1 קילוואט, 400 SCCM O 2 עם זיהוי נקודות קצה וoveretch 2 דקות). אם כיסוי המתכת אינו שלם (כלומר, יש חורים סביבCNT) להשתמש ממס אורגני (למשל, תמ"א) כדי להסיר את photoresist כדי למנוע נזק לפלזמת CNT.
  8. נקה את הוופלים. שים אותם במשך 10 דקות ב -99% HNO 3, ואחריו שטיפה עם מים די עד ההתנגדות של המים היא 5 MΩ (נקי אורגני). השתמש במייבש rinser לייבש את הוופלים.

5. מדידות

  1. השתמש במיקרוסקופ אלקטרונים סורק לפי הוראות יצרן כדי לבדוק metallization העליון של הוופלים.
    ואם יש צורך הרקיק ניתן ביקע מכאני על מנת לבדוק CNT המלא באמצעות שימוש בהטית מדגם של 90 מעלות, וכתוצאה מכך תמונות כפי שמוצג באיור 3 כדוגמאות מוליך חשמלית יש כדי לשמש שום צעדי טיפול נוספים: הערה. הדגימות יכולות להיות מותקן ישירות לתוך SEM. באופן כללי, ניתן להשתמש במתחים גבוהה ההאצה של 15 או 20 קילו וולט, אבל אם שכבת SiO 2 טעינה עד לא יותר מדי זה יכול להיות מופחתo 5 קילו וולט.
  2. לבצע 4 נקודות מדידות IV הבדיקה באמצעות בדיקה בתחנה בשילוב עם מנתח פרמטר מוליכים למחצה, כמתואר באיור 1 ובet al Vollebregt. 16.
    הערה: בדרך כלל לטאטא מתח מ-0.5 ל -0.5 V מספיק, כמו הירידה הפוטנציאלית על קישוריות באופן אידיאלי היא קטנה. באמצעות התקנת בדיקה 4 נקודות מגע ההתנגדות של מחטי הבדיקה והתנגדויות החוט של ההתקנה מושמטת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ניתן למצוא את העיצוב של מבנה המדידה המשמש בעבודה זו באיור 1. על ידי שימוש במבנה כזה מדידת התנגדות חבילת CNT והתנגדויות מגע מתכת-CNT ניתן לקבוע במדויק, כהתנגדויות בדיקה ותילם לעקוף. ההתנגדות של החבילה היא מדד לאיכות והצפיפות של חבילת CNT. על מנת לקבוע את חבילות התנגדות מגע באורכים שונים יש למדוד.

תמונת SEM טיפוסית של CNT גדלה ב 350 מעלות צלזיוס במשך 60 דקות שצולמו מלמעלה לפני metallization על 45 מעלות הטיה מוצגת באיור 2. כזו תמונה היא שימושית לבדיקה אם זמן הצמיחה של CNT מוגדר כהלכה כדי להשיג באותו אורך כמו עובי שכבת SiO 2. חתך שהוכן על ידי דבקות מכאנית נבדקת על ידי SEM של אותו הרקיק לאחר metallization מוצג באיור 3. זה יכול בהדואר משמש כדי לקבוע את היישור של CNT, צפיפותם (למשל להיות סופרת את מספר CNT ליחידת אורך), ואם ברזולוציה גבוהה SEM משמש לקביעת קוטרם. גם שטח המגע בין CNT ושכבות המתכת יכול להיחקר.

ספקטרום ראמאן של CNT המבוגר Co ב 350 ° C מוצג באיור 4. ספקטרוסקופיית ראמאן היא טכניקה רבת עוצמה לחקירת crystallinity של 18 CNT, ופחית למשל לשמש כדי לייעל את הפרמטרים צמיחת CNT על מנת לקבל הגבוה ביותר איכות CNT. מדידות IV בוצעו באמצעות ארבעה מבני בדיקה נקודה ומוצגות באיור 5. כאשר IV ההתנהגות היא ליניארי זה מצביע על קשר בין ohmic CNT ומגעי המתכת. מהמדרון ניתן לקבוע את ההתנגדות החשמלית. מההתנגדות והממד של חבילות ההתנגדות יכולה להיות מחושבת, אשר לחבילות CNT אלה בהשוואה להספרות באיור 6.

איור 1
איור 1. עיצוב של מבנה מדידת בדיקה 4 נקודות המשמש בעבודה זו. בדמות השכבה הצהובה הכהה מציינת את הפח, הצינורות השחורים חבילות CNT, והשכבה מתכתי ערימת טי ואל. שכבת טי ההקרבה מושמטת לבהירות והתחמוצת היא שקופה למחצה. חיבורי בדיקה למדידות בדיקה 4 נקודות חשמל מצוינים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
תמונת SEM 2. Top-להציג דמות של חבילת CNT. זה מראה חבילת CNT הרחב 2 מיקרומטר גדלה בפתיחת קשר שחרוטה בתוךSiO 2. נתון זה שונה מ16, באישור Elsevier. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3. חתך SEM של CNT באמצעות. חתך של מבחן 2 מיקרומטר רחב ו1 מיקרומטר CNT הארוך באמצעות הוכן באמצעות דבקות מכאנית לאחר metallization. נתון זה שונה מ16, באישור Elsevier. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4. ספקטרום ראמאן של חבילת CNT גדלה באמצעות Co לא 350 מעלות צלזיוס. השמות של להקות ראמאן מצוינות. העקומה השחורה מציגה את נתוני מדידת הגלם. לכל הלהקות הולמת הלורנצית מתבצעת (ירוק מקווקו עקומות), פרט ללהקה 'D אשר מצויד על ידי 18 גאוס. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5
מדידות איור 5. הרביעי של פיאז מבחן CNT בקטרים ​​שונים. סימנים מייצגים את נתוני מדידה, ואילו הקו הקבוע מציין יניארי ריבועים לפחות הולמים לנתוני המדידה. ההתנגדויות חשמליות של פיאז השונים כפי שיקבעו מהשיפוע המתאים ליניארי מצוינות. נתון זה שונה מ16, באישור Elsevier.tp_upload / 53,260 53260fig5large.jpg "target =" / _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6
איור 6. השוואה בין התנגדות חבילת CNT עם ערכים מהספרות. ההתנגדות מחושבת מההתנגדות ובאמצעות ממדים. זה לעומת ערכים מהספרות, ופיאז CNT מפוברק בטמפרטורות שונות בשיטה שתוארה בעבודה זו. נתון זה שונה מ16, באישור Elsevier. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

איור 1 מציג סקירה סכמטי של המבנה המפוברק בעבודה זו, ואשר שימש למדידות בדיקה 4 נקודות. כפוטנציאל נמדד באמצעות בדיקות שנשאו לא נוכחית, הירידה המדויקת פוטנציאלית (L -V H V) על חבילת CNT המרכזית והקשר שלו למתכת ניתן למדוד. חבילות CNT קוטר גדול יותר נמצאות בשימוש כדי ליצור קשר עם שכבת הפח התחתונה מרפידות המגע, על מנת להפחית את ההתנגדות הכוללת של בדיקות מכריחים הנוכחיות ולמקסם את פוטנציאל הירידה מעל צרור CNT המרכזי.

כפי שניתן לראות מתרשים 2, CNT גדל בהצלחה בתוך הפתחים חקוקים בSiO 2 באורך כ זהה לעומק של החור (1 מיקרומטר). זה חיוני כי אורכו של CNT הוא בערך כמו העומק של החור, על מנת להשיג ציפוי קונפורמי של מגע המתכת העליון. החבילות מופיעות האו"םiform, שגם מסייע בציפוי קונפורמי של המתכת. היושר והיישור אנכי של הצינורות באופן ברור שניתן לראות בחתך מוצג באיור 3. על ידי ספירה, הצפיפות של חבילת CNT הייתה מוערך להיות סביב 5x10 10 צינורות / 2 סנטימטר. באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים שידור הקוטר הממוצע של הצינורות נמצא 8 ננומטר, כפי שהראה במקום אחר 16. בשל טמפרטורות צמיחה נמוכות קירות CNT מכילים פגמים רבים עושים קביעת מספר הקירות קשים. הצינורות נראה שיש לי ליבה חלולה, אם כי מעברי במבוק נצפו. החתך מראה גם את השכבה התחתונה פח, ושכבת טי ההקרבה שהוסרה בחלקו מתחת לSiO 2 בתחריט הרטוב. אם פתחים ממוקמים סגורים יחד בפעם התחריט של שכבת טי ההקרבה ייתכן שיצטרך להיות מותאם כדי למזער underetch למנוע delamination תחמוצת. בשל התחריט היבש של החור,מרווח בין צרור SiO 2 וCNT הוא מינימאלי, שהוא חיוני למניעת Ti גמגם ואל מ טביעה מעגלים קצרים סביב חבילת CNT.

שימוש בנתונים ראמאן crystallinity (או איכות) של CNT יכול להיחקר. כלהקות ראמאן השונות קרובות זה לזה-אחר deconvolution של הלהקות יש צורך, כפי שתואר במקום אחר 18. מנתוני ראמאן באיור 4 נראה כי להקת D ו- D "חזקה יכולה להיות שנצפתה, אשר נגרמת על ידי פיזור ראמאן עם מומים, ואילו להקת G קשורה לקשר CC. שתי להקות האחרות הן תכונות ראמאן חלשות שכלולות להתאמה מדויקת יותר.

זה ידוע שטמפרטורת צמיחה נמוכה בתוצאות כלליות באיכות נמוכה יותר CNT 18. בדרך כלל D על יחס עוצמת G (אני D / G) משמש כדי להעריך את האיכות של חומרי graphitic, שהוא 1.1 באיור 4. כיש להיותen מוצג על ידי למשל פרארי ורוברטסון 20, טיפול יש לקחת בעת השימוש רק יחס הלהקה הזו. עם איכות גוברת של CNT, ראשון אני D / העלאות יחס G, עד שהגיע לסכום מסוים של גיבוש לאחר שהיחס יורד מונוטונית. בשל טמפרטורת הצמיחה הנמוכה מאוד, CNT מופיע בעבודה זו יש crystallinity מתחת לסף זה 16. במקרים אלה ברוחב המלא במחצית המרבית של להקת D ניתן להשתמש כדי להשוות דגימות CNT מפוברקות בתנאי תהליך שונים 18. ניתן לצפות כי באיכות הנמוכה של CNT תהיה להשפיע באופן מובהק את הביצועים החשמליים.

אם לשפוט על פי התנהגות יניארי כמעט המוחלטת של המאפיינים רביעי באיור 5, הקשר בין CNT ושכבות מתכת העליונה ותחתונים הוא ohmic. ההתנגדות של החבילה יורדת עם קוטר, שבו הוא צפויים כיותר CNT יכול לנהל בParalLEL לחבילות גדולות יותר. קשר הטוב בין CNT והמתכות מיוחס לשימוש בTi 19, ופח שהוא עמיד יותר מפני חמצון 21. חוץ מזה, מצאנו כי בשל היעדר כל צעדי כיסוי דיאלקטרי של CNT לאחר הצמיחה (באמצעות זכוכית ספין-על למשל), דבר שלעתים קרובות משמש בספרות בשילוב עם ליטוש כימי מכאני (CMP) 22,23, התנגדות הקשר לCNT היא נמוכה בשל הטבעה של הטיפים CNT במתכת העליונה 24.

כאשר משווים את resistivities של CNT חבילות עם ספרות, כפי שנעשה באיור 6, התוצאות הן בין הערכים הממוצע בספרות. עם זאת, טמפרטורת הצמיחה בשימוש בעבודה זו היא שיא נמוך. התוצאות של אל Yokoyama et. 13 הן ההתנגדות הנמוכה ביותר דווחה בספרות, רק באמצעות טמפרטורת צמיחה גבוהה יותר C ° 40. עם זאת, הציוד המשמש לנקוב Coבתצהיר ticle בעבודה שלהם הוא כנראה לא ניתן להרחבה לייצור נפח גדול. ברור שההתנגדות יורדת עם עליית טמפרטורת צמיחה, אשר יכול להיות יתרון עבור יישום המאפשר טמפרטורות צמיחה גבוהות יותר. כאשר משווה את ההתנגדות של CNT חבילות עם מתכות מסורתיות קישוריות כמו Cu (1.7 μΩ סנטימטרים), נראה כי ירידה דרסטית של ההתנגדות נדרש. שיפור איכות CNT והצפיפות הצרור, על ידי אופטימיזציה של תנאי גידול, יידרש. זה צריך להיעשות מבלי להגדיל את טמפרטורת הצמיחה, על מנת לאפשר שילוב עם חומרים נמוך κ מודרניים ומצעים גמישים.

כך אנחנו הוכחנו טכניקה לשילוב בטמפרטורה נמוכה צמיחת CNT והשתלבות בייצור מוליכים למחצה סטנדרטי. טכניקה זו נעשתה שימוש כדי לפברק CNT באמצעות מבני בדיקה, ולאחרונה הוחל עבור הייצור של קבלי העל CNT 25 </ Sup>.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. International Technology Roadmap for Semiconductors. , Available from: http://public.itrs.net (2013).
  2. Sun, S. C. Process technologies for advanced metallization and interconnect systems. Technical digest of the IEEE International Electron Devices Meeting. , 765-768 (1997).
  3. Robertson, J. Growth of nanotubes for electronics. Mater. Today. 10 (1-2), 36-43 (2007).
  4. Wei, B. Q., Vajtai, R., Ajayan, P. M. Reliability and current carrying capacity of carbon nanotubes. Appl. Phys. Lett. 79 (8), 1172-1174 (2001).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Kreupl, F., et al. Carbon nanotubes in interconnect applications. Microelectron. Eng. 64 (1-4), 399-408 (2002).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Istratov, A. A., Hieslmair, H., Weber, E. R. Iron contamination in silicon technology. Appl. Phys. A. 70, 489-534 (2000).
  16. 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).
  17. Kikkawa, T., Inoue, K., Imai, K. Cobalt silicide technology. Silicide Technology for Integrated Circuits. , The Institution of Engineering and Technology. 77-94 (2004).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Ferrari, A. C., Robertson, J. Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon. Phys. Rev. B. 61 (20), 14095-14107 (2000).
  21. 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).
  22. Van der Veen, M. H., et al. Electrical characterization of CNT contacts with Cu Damascene top contact. Microelectron. Eng. 106, 106-111 (2012).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).

Tags

הנדסה גיליון 106 צינורות פחמן שיקוע כימי חיבורים ייצור מוליכים למחצה זרז מעגלים משולבים מיקרוסקופ אלקטרונים סורק ספקטרוסקופיית ראמאן אפיון חשמלי
המצאה של טמפרטורה נמוכה חיבורים אנכיים-צינורות פחמן תואם עם סמיקונדקטור טכנולוגיה
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Vollebregt, S., Ishihara, R.… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter