Intégration de nanotubes de carbone dans des via à fort rapport d
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Intégration de nanotubes de carbone dans des via à fort rapport d’aspect GdR SurGeCo 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 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. 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. 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 Couche barrière SiO2 A Schéma de coupe d’un circuit intégré avec la partie active « front end » et «passive back end » Quelques propriétés des nanotubes de carbone : Wafer de silicium Electrical Conductivity Metallic ( ≥ 104 S/cm, ~ copper) or semiconducting Ballistic, few scattering events Eg [eV]≈ 1/d [nm] 1010 A/cm2 (104 x copper, due to the electromigration) 0.11% at 1 V 6000 W/Km 1 – 100 nm source : W. Hoenlein et al, Mat. Science and Up to millimeters Eng. C23 (2003) 663). De gauche à droite: >1500 m2/g Armchair, intermédiaire, zigzag. 1000 GPa Electrical Transport Energy gap (semicond.) Maximum current density Via rempli par des nanotube de carbone Maximum strain Thermal conductivity Diameter Length Gravimetric surface E-modulus Contact métallique 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 Croissance de NTCs dans des via à fort rapport d’aspect 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. 50W 10W 100W 30 µm 10 µm 35 µm ∅ ≈ 30 nm ∅ ≈ 34 nm ∅ ≈ 27 nm Grille + Substrat ≈ 2.8 nm Laser beam 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 C2H4/H2: Température = 700°C Temps de chauffage avt croissance : 15 min Pression totale = 5 µbar Temps de croissance = 15 min Rapport C2H4/H2 = a-C MWCNT Laser beam Cible MWCNT (+ a-C) Distance inter parois ≈ 0.344 nm Des tapis de MWNTC d’environ 30 µm de hauteur ont été obtenus sur SiO2. 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. Caractérisation électrique des NTCs Perspectives Cette première étude a permis d’identifier plusieurs verrous technologiques concernant : 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. NTC Contacts supérieur (Au ou TiAL) - les véhicules tests développés (contact supérieur endommagé, contact inférieur fortement résistif, volume des NTCVs participant à la conduction non connu précisément,…) Contact inférieur (TiN) SiO2 Contact supérieur en TiAl Si MWCNT Pt/X I(v) Ti 50 nm 3,3 mm 3,3 mm - le dispositif de mesure employé (électrode destructrice, résistance de l’appareillage important,…) Développement de nouveaux véhicules de tests (VT) Véhicule test 0 Tests seront menés sur une plate forme Microworld 4 pointes et sur un AFM à pointe conductrice. I(V) 0,020 Cantilever Courant ( A ) Courant ( A ) 0,10 0,05 0,00 -0,05 0,010 I V 0,000 -0,010 -0,10 VT1 -6 -4 -2 0 2 4 6 -0,020 -0,6 -0,4 Tension ( V ) Au R = 40 Ω Ti/Al R = 20 Ω -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 VT2 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. Tension ( V ) 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 9 108 µm-2 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. Courant ( A ) 2.E-05 Résistance d’un NTC : 200-400 MΩ I(v) 1.E-05 0.E+00 -1.E-05 -2.E-05 Plasma O2 Plasma O2 -6 -4 -2 0 2 4 6 Tension ( V ) 3,3 cm Résistance = 10 MΩ (< +/- 500 mV) et 0.2 M Ω (> +/- 500 mV) Véhicule test 0 Avant plasma O2 Après plasma O2 Décollement du contact supérieur car les NTCs sous le contact sont endommagés lors du plasma 02 Dans la littérature, la résistance d’un NTC varie de 0.1 à 1 M Ω !! Banc pour les tests électriques (2 et 4 pointes)
