Intégration de nanotubes de carbone dans des via à fort rapport d

Intégration de nanotubes de carbone
dans des via à fort rapport d’aspect
A.Caillard1, S. Kouassi1-2, H. Mbitsi1, C. Boulmer-Leborgne1, P. Bouillon2
1
Groupe de Recherche sur l’Energétique des Milieux Ionisés, UMR6606 Université d’Orléans CNRS BP6744, F-45067 Orléans Cedex 2, France
2
ST Microelectronics, 16 rue Pierre et Marie Curie, 37071 Tours Cedex 2, France
Caractérisation électrique des NTCs
Croissance de NTCs dans des via à fort rapport d’aspect
Wafer de
silicium
Couche
barrière SiO
2
Contact
métallique
Via rempli par des
nanotube de carbone
A
L’intégration du cuivre dans les via à fort rapport d’aspect (profondeur très
importante par rapport à l’ouverture du via) pose de nombreux problèmes aujourd’hui
en microélectronique en terme de procédé. A cela s’ajoute les problèmes liés à
l’électromigration du cuivre dans les structures sous fort courant.
Des véhicules de test pour caractériser électriquement les NTCs ont été développés. Les
premiers tests ont été menés sur une plate forme Microworld 2 pointes à ST Tours.
Electrical Conductivity Metallic ( ≥10
4
S/cm, ~ copper)
or semiconducting
Electrical Transport Ballistic, few scattering events
Energy gap (semicond.) Eg [eV]≈1/d [nm]
Maximum current density 10
10
A/cm
2
(10
4
x copper, due to
the electromigration)
Maximum strain 0.11% at 1 V
Thermal conductivity 6000 W/Km
Diameter 1 – 100 nm
Length Up to millimeters
Gravimetric surface >1500 m
2
/g
E-modulus 1000 GPa
source : W. Hoenlein et al, Mat. Science and
Eng. C23 (2003) 663). De gauche à droite:
Armchair, intermédiaire, zigzag.
Quelques propriétés des nanotubes de carbone :
VT2
Ti 50 nm
Pt/X
NTC
Contacts supérieur (Au ou TiAL)
Contact inférieur (TiN)
SiO
2
Si
Dépôt de fer par PLD:
Fluence Laser = 5 J/cm²
Distance substrat cible = 7 cm
Temps de dépôt = 30 s
Croissance de NTC par PECVD C
2
H
4
/H
2
:
Température = 700°C
Temps de chauffage avt croissance : 15 min
Pression totale = 5 µbar
Temps de croissance = 15 min
Rapport C
2
H
4
/H
2
=
Laser beam
Grille +
Substrat
Cible
Laser beam
∅
∅∅
∅ ≈
≈≈
≈30 nm
∅
∅∅
∅ ≈
≈≈
≈34 nm
∅
∅∅
∅ ≈
≈≈
≈27 nm
50W 100W
10W
Distance inter parois ≈
≈≈
≈0.344 nm
≈
≈≈
≈2.8 nm
Un procédé de croissance de NTC a été développé au GREMI. Il consiste à déposer
des nano-clusters catalytiques (Nickel ou Fer) en fond de via dans un bâti
d'ablation laser (Dépôt Laser Pulsé ou PLD) dans lequel un plasma radiofréquence
d’hydrogène et d’éthylène est ensuite créé pour faire croître les NTC.
Des tapis de MWNTC d’environ 30 µm de hauteur ont été obtenus sur SiO
2
. Le taux de carbone amorphe parasite
s’avère fortement dépendant de la puissance RF ; une puissance RF de 10 à 50 W donne les meilleurs résultats.
Cette première étude a permis d’identifier plusieurs verrous
technologiques concernant :
- les véhicules tests développés (contact supérieur endommagé,
contact inférieur fortement résistif, volume des NTCVs participant
à la conduction non connu précisément,…)
- le dispositif de mesure employé (électrode destructrice, résistance
de l’appareillage important,…)
Développement de nouveaux véhicules de tests (VT)
Tests seront menés sur une plate forme Microworld 4 pointes et
sur un AFM à pointe conductrice.
Véhicule test 0
3,3 mm
I(v)
Véhicule test 0
3,3 cm
I(v)
Plasma O
2
Plasma O
2
Au  R = 40 Ω
Ti/Al  R = 20 Ω
-6 -4 -2 0 2 4 6
-0,10
-0,05
0,00
0,05
0,10
Courant ( A )
Tension ( V )
-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6
-0,020
-0,010
0,000
0,010
0,020
Courant ( A )
Tension ( V )
Après plasma O
2
Décollement du contact supérieur car les NTCs sous le
contact sont endommagés lors du plasma 0
2
La résistance du tapis de NTCs est plus
faible avec un contact supérieur en TiAl.
La densité des NTCs mesurée sur une image MEB est 9 10
8
µm
-2
Résistance d’un NTC : 200-400 MΩ
Résistance = 10 MΩ (< +/- 500 mV)
et 0.2 M Ω (> +/- 500 mV)
Dans la littérature, la résistance d’un NTC
varie de 0.1 à 1 M Ω !!
-2.E-05
-1.E-05
0.E+00
1.E-05
2.E-05
-6 -4 -2 0 2 4 6
Courant ( A )
Tension ( V )
Avant plasma O
2
Contact supérieur en TiAl
Le wafer de silicium est recouvert
d’une couche mince métallique (TiN) sur
laquelle des plots de NTCs métallisés
(TiAl) sont déposés localement grâce à
un masque (métallique ou lithographie)
placé sur le wafer.
Le wafer de silicium est recouvert d’une
couche mince métallique (TiN) et d’une
couche de silice (3-5 µm). Des via
débouchants sur la couche TiN sont ensuite
réalisés par gravure sèche. Des plot de NTCs
métallisés sont ensuite déposés par le double
procédé PLD-PECVD.
V
I
VT1
I(V)
Cantilever
Le but de notre étude est donc d’intégrer des tapis de NTCs
dans des via à fort rapport d’aspect. Elle s’insère dans le projet
« PNANO » financé par l’Agence Nationale de la Recherche qui vise à réaliser des
liens électriques multi –dimensionnels (1,2, 3 D) en réseaux complexes, au moyen de
NTCs, avec des procédés répondant aux exigences de la micro-électronique.
10 µm 30 µm 35 µm
MWCNT MWCNT (+ a-C)
MWCNT
a-C
Perspectives
GdR SurGeCo
3,3 mm
Avantages des NTCs :
- Conductivité électrique et thermqiue
- Resistance à l’electromigration
Challenges:
- Obtenir une grande densité d’intégration
- Croissance sélective des NTCs
- Direction de croissance des NTCs
- Faible résistance de contacts
- NTC sans défaut
- ligne compatible avec les NTCs
Exemple de superposition de deux composants électroniques. Les
chaînes de via sont reliées par des billes métalliques (bumps) qui sont à
la base de la technologie « flip chip » (puce retournée). Cette
technologie succède à la technologie « wire bonding » (câblage par fil).
Diminution des pertes électriques et connexions
périphériques remplacées par les via conducteurs
Schéma de coupe d’un circuit intégré avec la partie active
« front end » et «passive back end »
Banc pour les tests électriques (2 et 4 pointes)