DE112006001397B4 - Kohlenstoff-Nanoröhren-Verdrahtungskontakte und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Kohlenstoff-Nanoröhren-Verdrahtungskontakte und Verfahren zu deren Herstellung Download PDF

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Abstract

Verfahren, das Folgendes umfaßt: Bereitstellen eines Bündels von Kohlenstoff-Nanoröhren (304) in einem Graben (302); Ätzen eines ersten Endes des Bündels von Kohlenstoff-Nanoröhren, um eine erste Öffnung (602) zu bilden; Ätzen eines zweiten Endes des Bündels von Kohlenstoff-Nanoröhren, um eine zweite Öffnung (602) zu bilden; konformes Aufbringen mehrerer Metallschichten (306) auf jeder der Kohlenstoff-Nanoröhren des Bündels durch die Öffnungen (602); und Bilden metallisierter Kontakte (308) in der ersten und in der zweiten Öffnung (602), die im Wesentlichen an alle der Kohlenstoff-Nanoröhren des Bündels gekoppelt sind, wobei die aufgebrachten mehreren Metallschichten (306) Os, Ir oder eine Legierung eines oder mehrerer dieser Metalle umfaßt.

Description

  • Hintergrund
  • Kohlenstoff-Nanoröhren sind Graphenzylinder, deren Enden häufig durch Kappen, einschließlich fünfeckige Ringe, verschlossen sind. Bei der Nanoröhre handelt es sich um ein sechseckiges Netz aus Kohlenstoffatomen, die einen nahtlosen Zylinder bilden. Diese Zylinder können einen Durchmesser von nur einem Nanometer haben und Längen von Zehnern von Mikrometern oder in manchen Fällen mehr. Je nachdem, wie sie hergestellt werden, können die Kohlenstoff-Nanoröhren einwandig oder mehrwandig sein.
  • Kohlenstoff-Nanoröhren können verschiedene elektrische Eigenschaften aufweisen. Je nach Konfiguration können Kohlenstoff-Nanoröhren entweder als Halbleiter oder als Leiter wirken. Beispielsweise können gewisse Arten von Kohlenstoff-Nanoröhren eine Reihe von metallischen Eigenschaften aufweisen. Von diesen metallischen Eigenschaften sind eine Reihe von Eigenschaften von besonderem Interesse in Bezug auf die Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhren als Ergänzung zu oder als Ersatz für Kupfermetall in den Verdrahtungsstrukturen von Halbleiterchips. Es hat sich gezeigt, daß Kohlenstoff-Nanoröhren eine höhere elektrische und thermische Leitfähigkeit haben als Kupfer. Es hat sich außerdem gezeigt, daß Kohlenstoff-Nanoröhren eine höhere Elektromigrationsfestigkeit haben als Kupfer und Elektromigration ist mit schmaler werdenden Kupferverdrahtungen zu einem größeren Problem geworden. Es hat sich außerdem gezeigt, daß aus Kohlenstoff-Nanoröhren und Kupfermetall hergestellte Verbundmaterialien eine höhere elektrische Leitfähigkeit und eine höhere Elektromigrationsfestigkeit haben als Kupfer allein.
  • Leider nutzen herkömmliche Verdrahtungsstrukturen, die unter Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhren gebildet werden, die volle Strombelastbarkeit der Graphenlagen, die die Nanoröhren bilden, nicht vollständig aus.
  • Aus der Druckschrift US 2003/0179559 A1 ist ein Verfahren zum Bilden eines metallisierten Kontakts, der an einem Ende eines Bündels von Kohlenstoff-Nanoröhren montiert ist, bekannt. In der Druckschrift von YE, X.-R. [et al.]: „Supercritical fluid fabrication of metal nanowires and nanorods templated by multiwalled carbon nanotubes”, in Advanced Materials, Vol. 15, 2003, Nr. 4, S. 316–319. – ISSN 0935-9648 wird das Füllen mit Metall von mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren und das Bedecken der äußeren Wand der Kohlenstoffnanoröhre beschrieben. In der Druckschrift WO 2004/051726 A1 wird offenbart, dass die Hohlräume zwischen den Kohlenstoffnanoröhren konform mit Metall gefüllt werden. In der Druckschrift von LI, J.; MOSKOVITS, M.; Haslett, T. L.: „Nanoscale electroless metal deposition in aligned carbon nanotubes”, in Chemical Materials, Vol. 10, 1998, S. 1963–1967. – ISSN 0897 4756 wird ebenfalls offenbart, dass Bündel von Kohlenstoffnanoröhren mit Metall gefüllt werden. In der Druckschrift von KIM, H.: „Atomic layer deposition of metal and nitride films: Current research efforts and applications for semiconductor device processing”, in Journal of vacuum science technology B, Vol. 21, 2003, Nr. 6, S. 2231–2261. – ISSN 1071-1023 wird ein ALD Verfahren zur konformen Metallabscheidung in Strukturen mit sehr hohen Aspektverhältnissen beschrieben. Aus der Druckschrift US 2002/0130353 A1 sind Kohlenstoffnanoröhren in einem Graben bekannt, die mit elektrischen Kontakten versehen sind. In der Druckschrift von YE, X.-R. [et al.]: „Supercritical fluid synthesis and characterisation of catalytic metal Nanoparticles an Carbon nanotubes” in Journal of Materials Chemistry, Vol. 14, 2004, Sr. 908–913 wird eine Veränderung der Hydrophilie an einer Kohlenstoffnanoröhre vor dem Abscheiden eines Metalls auf eine Kohlenstoffnanoröhre beschrieben. In der Druckschrift US 2004/0020681 A1 und der Druckschrift von HJORTSTAM, O. [et al.]: „Can we achieve ultra-low resistivity in carbon nanotube – based metal composites?” in Applied Physics A, Materials Science & Processing A Vol. 78, 2004, S. 1175–1179. – ISSN 0947-8396 wird das Konzept von parallel leitenden Kohlenstoffnanoröhren in einer Metallmatrix zum Zweck einer hohen Stromdichte dargestellt.
  • Druckschrift US 2002/0163079 A1 offenbart eine Nanoröhre mit einer T-Struktur, wobei die beiden Enden der T-Struktur mit Katalysatoren versehen sind.
  • Kurzbeschreibung der Erfindung
  • Die vorliegender Erfindung stellt ein Verfahren nach dem unabhängigen Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 16 bereit. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine Kohlenstoff-Nanoröhren-Verdrahtung.
  • 2A und 2B sind Querschnitts-Front- und -Seitenansichten eines herkömmlichen elektrischen Kontakts an ein Kohlenstoff-Nanoröhrenbündel.
  • 2C und 2D sind Querschnitts-Front- und -Seitenansichten eines herkömmlichen elektrischen Kontakts an eine mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhre.
  • 3A und 3B sind Querschnitts-Front- und -Seitenansichten eines Kohlenstoff-Nanoröhrenbündels, das mit einem Metall gefüllt ist.
  • 3C ist eine Querschnitts-Seitenansicht eines Kohlenstoff-Nanoröhrenbündels, das teilweise mit einem Metall gefüllt ist.
  • 4A und 4B sind Querschnitts-Front- und -Seitenansichten einer mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhre, die mit einem Metall gefüllt ist.
  • 4C ist eine Querschnitts-Seitenansicht einer mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhre, die teilweise mit einem Metall gefüllt ist.
  • 5 ist ein Verfahren des Bildens einer Kohlenstoff-Nanoröhren-Verdrahtungsstruktur gemäß einer Ausführung der Erfindung.
  • 6A bis 6D veranschaulichen das Verfahren von 5.
  • 7 ist ein Verfahren des Bildens einer Kohlenstoff-Nanoröhren-Verdrahtungsstruktur gemäß einer anderen Ausführung der Erfindung.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Hierin werden Systeme und Verfahren des Realisierens eines größeren Anteils des Strombelastbarkeitspotenzials von in einer Verdrahtung eingesetzten Kohlenstoff-Nanoröhren beschrieben.
  • Verschiedene Abläufe werden auf eine Weise, die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung am hilfreichsten ist, ihrerseits als mehrere diskrete Abläufe beschrieben, die Reihenfolge der Beschreibung darf jedoch nicht dahingehend ausgelegt werden, daß impliziert wird, daß diese Abläufe notwendigerweise von der Reihenfolge abhängig sind.
  • Insbesondere müssen diese Abläufe nicht in der Reihenfolge der Darstellung ausgeführt werden.
  • Kohlenstoff-Nanoröhren können für Verdrahtungen auf einer integrieren Schaltung verwendet werden, wobei sie traditionelles Kupfermetall ersetzen oder damit zusammen verwendet werden. Kohlenstoff Nanoröhren leiten Elektronen ballistisch, anders ausgedrückt, ohne die Streuung, die Kupfer seinen Widerstand verleiht. Dielektrisches Material mit geringer dielektrischer Konstante (low-k), wie beispielsweise amorphes Isoliermaterial auf Kohlenstoffbasis oder fluordotiertes Siliziumdioxid, können zum Isolieren der Kohlenstoff-Nanoröhren verwendet werden. Beispielsweise handelt es sich bei kohlenstoffdotiertem Oxid (CDO) um ein dielektrisches low-k-Material, das als das Isoliermaterial auf Kohlenstoffbasis verwendet werden kann. 1 zeigt Isoliermaterial auf Kohlenstoffbasis und eine Kohlenstoff Nanoröhre, die für Verdrahtungen auf einer integrierten Schaltung verwendet werden.
  • Wie in 1 zu sehen, wird ein dielektrisches low-k-Material auf Kohlenstoffbasis, wie beispielsweise eine CDO-Schicht 100, auf einer integrierten Schaltungsstruktur 102 abgelagert. Auf bzw. in der integrierten Schaltungsstruktur 102 sind Vorrichtungen wie Transistoren, Kondensatoren und Verdrahtungen (nicht abgebildet) gebildet. Die CDO-Schicht 100 wird allgemein als Teil der integrierten Schaltungsstruktur 102 betrachtet. In einer Ausführung kann die Ablagerung der CDO-Schicht 100 durch Verfahren erfolgen, die Personen mit gewöhnlichem Fachwissen wohl bekannt sind, wie beispielsweise chemische Gasphasenabscheidung (CVD), physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) oder plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD).
  • Die CDO-Schicht 100 wird unter Anwendung von chemisch-mechanischem Polieren (CMP) planarisiert, wie Personen mit gewöhnlichem Fachwissen wohl bekannt ist. Die planarisierte CDO-Schicht 100 kann unter Anwendung herkömmlicher Photolithographie- und Ätzverfahren bemustert werden, um eine bemusterte Schicht zu erzeugen. In einer Ausführung ergibt das Ätzverfahren einen Graben 104. Dann kann Precursormaterial auf Kohlenstoffbasis in den Graben 104 in der CDO-Schicht 100 abgelagert werden. Aus dem Precursormaterial auf Kohlenstoffbasis kann eine Kohlenstoff-Nanoröhre 106 erzeugt werden, die als elektrische Verdrahtung zwischen elektrischen Kontakten in der integrierten Schaltungsstruktur 102 dient. Dieses Verfahren kann wiederholt werden, um mehrere Schichten von Verdrahtungen auf Chip-Ebene unter Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhren 106 und CDO-Schichten 100 zu erzeugen.
  • 2A bis 2D sind schematische Darstellungen herkömmlicher Kohlenstoff-Nanoröhren-Verdrahtungsstrukturen. 2A und 2B basieren auf einem Bündel einwandiger Nanoröhren 200. 2C und 2D basieren auf einer mehrwandigen Nanoröhre 202. Die Linie A-A' zeigt, wo die Querschnitte genommen sind. Beide Kohlenstoff-Nanoröhren-Verdrahtungsstrukturen sind mit Top-down-Verdampfung von Metall gezeigt. Ein elektrischer Kontakt 204 bzw. mit dem Kohlenstoff-Nanoröhrenbündel 200 berührt nur die oberste Schicht von Nanoröhren, während ein elektrischer Kontakt 204 zur mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhre 202 nur die Nanoröhre der äußeren Wand berührt.
  • Wie gezeigt, nutzen herkömmliche Verdrahtungsstrukturen, die unter Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhren gebildet werden, nicht die volle Strombelastbarkeit der Graphenlagen der Nanröhren. Das liegt teilweise an Hohlräumen 206, die in einem Bündel von Kohlenstoff-Nanoröhren vorhanden sind und Hohlräumen 206, die zwischen den Schalen mehrwandiger Kohlenstoff-Nanoröhren vorhanden sind, wie in 2A bis 2D gezeigt. Dies liegt außerdem teilweise an der Tatsache, daß nicht zu allen der Graphenlagen, die ein Kohlenstoff-Nanoröhrenbündel 200 oder eine mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhre 202 ausmachen, elektrischer Kontakt hergestellt wird. Aufgrund der Art der angewandten herkömmlichen Verfahren, wie hoch unidirektionalen Metallablagerungsverfahren unter Anwendung von thermischer oder Elektronenstrahlverdampfung, wird nur die oberste Schicht eines Bündels einwandiger Kohlenstoff-Nanoröhren 200 oder einer mehrwandigen Nanoröhre 202 kontaktiert. Wenn nur die oberste Schicht eines Bündels von einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren 200 oder einer mehrwandigen Nanoröhre 202 berührt wird, ist Elektronen-Tunneling erforderlich, um tiefer liegende Schichten bzw. Röhren elektrisch anzusprechen. Leider ist das Elektronen-Tunneling mit einem Widerstand assoziiert, der von der Zwischenelektronen-Kopplung zwischen Nanoröhren und dem Abstand zwischen den Nanoröhren abhängt.
  • Als solches kann gemäß den Ausführungen der Erfindung eine neuartige Kohlenstoff-Nanoröhren-Verdrahtungsstruktur durch eine konforme und im Wesentlichen vollständige Ablagerung von Metall auf allen der die Kohlenstoff-Nanoröhren-Verdrahtungsstruktur ausmachenden Graphenlagen gebildet werden. Es können außerdem neuartige Kontakte an den Enden der Kohlenstoff-Nanoröhren-Verdrahtungsstruktur gebildet werden, die physikalisch mit im Wesentlichen allen der die Kohlenstoff-Nanoröhren-Verdrahtungsstruktur ausmachenden Graphenlagen gekoppelt sind. Gemäß der Erfindung gebildete Verdrahtungsstrukturen können einen größeren Anteil des Strombelastbarkeitspotenzials der Kohlenstoff-Nanoröhren realisieren.
  • 3A und 3B sind Querschnitts-Front- und -Seitenansichten einer Ausführung der Erfindung. Es wird eine dielektrische Schicht 300 gezeigt, die einen Graben 302 enthält. Die dielektrische Schicht 300 kann Teil einer integrierten Schaltung sein und kann beispielsweise über einem Halbleitersubstrat, einer dielektrischen Zwischenschicht oder einer Metallisierungsschicht gebildet sein. Die dielektrische Schicht 300 kann unter Verwendung herkömmlicher dielektrischer Materialien gebildet werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Siliziumdioxid (SiO2) und kohlenstoffdotiertes Oxid (CDO). Der Graben 302 kann unter Anwendung bekannter Maskierungs- und Ätzverfahren (z. B. Photolithograpbie) in der dielektrischen Schicht 300 gebildet werden. Der Graben 302 kann verwendet werden, um eine Verdrahtungsstruktur zu definieren.
  • Eine Verdrahtungsstruktur kann in dem Graben 302 unter Verwendung mehrerer Kohlenstoff-Nanoröhren 304 gebildet werden. 3A und 3B zeigen eine Ausführung, die aus einem Bündel von einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren 304 besteht. In alternativen Ausführungen kann jede Kohlenstoff-Nanoröhre 304 des Bündels aus entweder einer einwandigen oder einer mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhre 304 bestehen. Das Bündel kann nur ein- oder mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren 304 enthalten oder das Bündel kann eine Mischung aus einwandigen und mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren 304 enthalten. Die Kohlenstoff-Nanoröhren 304 können getrennt vom Graben 302 gebildet und dann in den Graben 302 abgelagert werden oder die Kohlenstoff-Nanoröhren 304 können unter Verwendung eines oder mehrerer Precursormaterialien, die in den Graben 302 abgelagert und dann zu Kohlenstoff-Nanoröhren 304 umgewandelt werden, direkt im Graben 302 gebildet werden.
  • Gemäß einer Ausführung der Erfindung kann ein Metall 306 konform auf jedes der die Kohlenstoff-Nanoröhren 304 ausmachenden Graphenlagen abgelagert werden. Das Metall 306 kann verwendet werden, um in jeder Kohlenstoff-Nanoröhre 304 vorhandene Hohlräume und zwischen den Kohlenstoff-Nanoröhren 304 vorhandene Hohlräume zu füllen. Das Metall 306 kann als mehrere dünne konforme Schichten unter Anwendung von Verfahren wie beispielsweise Atomlagenabscheidung (ALD), physikalische Dampfabscheidung (PVD) und stromloses Plattieren abgelagert werden. In Ausführungen der Erfindung umfassen Metalle, die zum konformen Füllen der Kohlenstoff-Nanoröhren 304 verwendet werden können, sind aber nicht beschränkt auf Osmium (Os), Iridium (Ir) und Legierungen beliebiger oder aller dieser Metalle. In manchen Ausführungen kann das verwendete Metall bzw. können die verwendeten Metalle eine chemische Oberflächenmodifikation erfahren, um für verbesserte elektronische Kopplung zu sorgen.
  • An jedem Ende des Bündels von Kohlenstoff-Nanoröhren 304 können metallisierte Kontakte 308 gebildet werden, wodurch die Enden der Verdrahtungsstruktur abgedeckt werden und elektrische Kontakte zur Verdrahtung bereitgestellt werden. Im Gegensatz zu den unter Verweis auf 2A und 2B beschriebenen herkömmlichen Kontakten, sind die in 3A und 3B gezeigten metallisierten Kontakte 308 an im Wesentlichen alle der Kohlenstoff-Nanoröhren 304 gekoppelt, die in der Verdrahtungsstruktur verwendet werden.
  • In manchen Ausführungen der Erfindung können die metallisierten Kontakte 308 unter Verwendung des zum konformen Füllen der Kohlenstoff-Nanoröhren 304 verwendeten Metalls 306 gebildet werden. In anderen Ausführungen kann das zum Bilden der metallisierten Kontakte 308 verwendete Metall von dem zum konformen Füllen der Kohlenstoff Nanoröhren 304 verwendeten Metall 306 verschieden sein. Als solche können die metallisierten Kontakte 308 unter Verwendung von Metallen gebildet werden, die Cu, Al, Au, Pt, Pd, Rh, Ru, Os, Ag, Ir, Ti und Legierungen beliebiger oder aller dieser Metalle umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind. Auch hier kann das verwendete Metall bzw. können die verwendeten Metalle eine chemische Oberflächenmodifikation erfahren, um für verbesserte elektronische Kopplung zu sorgen.
  • 3C zeigt eine weitere Ausführung der Erfindung, wobei nur ein Abschnitt der Kohlenstoff-Nanoröhren 304 konform mit dem Metall 306 gefüllt ist. In dieser Ausführung kann das Metall 306 abgelagert werden, um die Enden der Kohlenstoff-Nanoröhren 304 konform zu füllen und die metallisierten Kontakte 308 zu bilden. Die Hohlräume in und zwischen den Kohlenstoff-Nanoröhren 304 dürfen ungefüllt bleiben und elektrischer Strom wird vorwiegend durch die Graphenblätter geleitet.
  • 4A und 4B sind Querschnitts-Front- und -Seitenansichten einer dielektrischen Schicht 300 gezeigt, die den Graben 302 enthält. Wie zuvor kann die dielektrische Schicht 300 Teil einer integrierten Schaltung sein und kann unter Verwendung herkömmlicher dielektrischer Materialien gebildet werden. Der Graben 302 kann in der dielektrischen Schicht 300 gebildet sein und kann verwendet werden, um eine Verdrahtungsstruktur zu definieren. In einer Ausführungsform der Erfindung kann mehr als eine mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhre 400 verwendet werden, um die Verdrahtungsstruktur zu bilden.
  • Ähnlich wie in 3A und 3B gezeigt, kann das Metall 306 in dieser Ausführung konform auf jede der Graphenlagen abgelagert werden, die die mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhre 400 bilden. Das Metall 306 kann unter Anwendung von Verfahren wie ALD, PVD und stromloser Plattierung als mehrere dünne konforme Schichten abgelagert werden. Das Metall 306 füllt zwischen jeder der mehreren Wände der Kohlenstoff-Nanoröhre 400 vorhandene Hohlräume sowie den in der Mitte der Kohlenstoff-Nanoröhre 400 vorhandenen Hohlraum. Wenn mehr als eine mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhre 400 erfindungsgemäß verwendet wird, kann das Metall 306 außerdem zwischen den mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren 400 vorhandene Hohlräume füllen. Wie vorangehend beschrieben, kann das zum Füllen der mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhre 400 verwendete Metall 306 Os, Ir und Legierungen beliebiger oder aller dieser Metalle umfassen, ist aber nicht darauf beschränkt.
  • An jedem Ende der mehrwandigen Kohlenstoff Nanoröhre 400, die in Ausführungsformen der Erfindung jedoch mehrfach vorhanden ist, können ebenfalls metallisierte Kontakte 308 gebildet werden, wodurch die Enden der Verdrahtungsstruktur abgedeckt werden und elektrische Kontakte zur Verdrahtung bereitgestellt werden. Die in 4A und 4B gezeigten metallisierten Kontakte 308 sind an im Wesentlichen alle der Graphenlagen gekoppelt, die die mehrwandige Kohlenstoff Nanoröhre 400 ausmachen. In manchen Ausführungen können die metallisierten Kontakte 308 aus dem selben Metall 306 gebildet werden, das zum konformen Füllen der Kohlenstoff-Nanoröhren 400 verwendet wird, während in anderen Ausführungen das zum Bilden der metallisierten Kontakte 308 verwendete Metall von dem Metall 306 verschieden sein kann, das zum konformen Füllen der Kohlenstoff-Nanoröhren 400 verwendet wird.
  • 4C zeigt eine weitere Ausführung, wobei nur ein Abschnitt der mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhre 400, die in Ausführungsformen der Erfindung jedoch mehrfach vorhanden ist, konform mit dem Metall 306 gefüllt wird. In dieser Ausführung kann das Metall 306 abgelagert werden, um die Enden der mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhre 400 konform zu füllen und die metallisierten Kontakte 308 zu bilden. Die Hohlräume in der mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhre 304 dürfen ungefüllt bleiben und elektrischer Strom wird vorwiegend durch die Graphenlagen geleitet.
  • 5 ist ein Verfahren 500 zum Bilden einer Kohlenstoff-Nanoröhren-Verdrahtungsstruktur gemäß einer Ausführung der Erfindung. Das Verfahren 500 nutzt neuartige chemische Metallablagerungsverfahren, um die Kohlenstoff-Nanoröhren-Verdrahtungsstruktur und die zugehörigen metallisierten Kontakte zu bilden.
  • Gemäß dieser Ausführung können mehrere Kohlenstoff-Nanaröhren 304, einschließlich, aber nicht beschränkt auf einwandige, zweiwandige oder mehrwandige Nanoröhren, unter Anwendung herkömmlicher Verfahren gezüchtet werden (502 in 5). Beispielsweise können die Kohlenstoff-Nanoröhren auf massiven Substraten, bemusterten Substraten oder porösen Substraten gezüchtet werden oder sie können als Teil eines Niederschlags oder einer zweiten Phase in einer Lösung gebildet werden.
  • Mehrere der Kohlenstoff-Nanoröhren werden dann in den Graben 302 in der dielektrischen Schicht 300 gelegt, um eine Verdrahtungsstruktur zu bilden (504 in 5). Alternativ können die Kohlenstoff-Nanoröhren direkt im Graben gezüchtet werden. In manchen Ausführungen der Erfindung wird ein Bündel von Kohlenstoff-Nanoröhren 304 in den Graben 302 gelegt, um die Verdrahtungsstruktur zu bilden, wie in 6A gezeigt. In anderen Ausführungen kann mindestens eine ein- oder mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhre in den Graben gelegt oder in dem Graben gezüchtet werden.
  • Um Kontakte an spezifischen Bereichen entlang der Länge des Kohlenstoff Nanoröhrenbündels zu bilden, können gewöhnliche lithographische Verfahren angewandt werden, um Öffnungen in die Verdrahtungsstruktur zu erzeugen (506 von 5). Beispielsweise können die Kohlenstoff-Nanoröhren 304 von einer Fotolackschicht bedeckt werden, wie auf dem Gebiet wohl bekannt ist. Die Fotolackschicht kann durch Lithographie bemustert werden, um eine Maske 600 über den Kohlenstoff-Nanoröhren 304 zu bilden, die die Enden der Kohlenstoff-Nanoröhren 304 dort freilegt, wo die elektrischen Kontakte gebildet werden sollen, wie in 6B gezeigt. Es kann Plasmaätzen, wie beispielsweise Sauerstoffätzen (in 6B als O2 dargestellt) angewandt werden, um die freigelegten Abschnitte der Kohlenstoff-Nanoröhren 304 herauszubrennen. Die Lithographie kann Photolithographie, e-Strahlenlithographie oder andere auf dem Gebiet bekannte Lithographie umfassen. Obwohl ein Sauerstoffplasma-Ätzverfahren beschrieben wird, sind andere Verfahren ebenfalls möglich.
  • Das Plasmaätzverfahren bildet Öffnungen 602 in den Kohlenstoff-Nanoröhren 304, die sich allgemein bis ganz zum Boden des Grabens 302 herunter erstrecken, wie in 6C gezeigt. Diese Öffnungen 602 stellen einen Eingang für das Metall 306 bereit, um während eines anschließenden Ablagerungsverfahrens in die freigelegten Kohlenstoff-Nanoröhren 304 einzudringen. Die Öffnungen 602 stellen außerdem einen Ort für die Bildung der metallisierten Kontakte 308 bereit. Jede Öffnung 602 legt im Wesentlichen alle der Kohlenstoff-Nanoröhren 304 in der Verdrahtungsstruktur frei, wodurch die später gebildeten metallisierten Kontakte 308 an im Wesentlichen alle der Kohlenstoff-Nanoröhren 304 der Verdrahtung gekoppelt werden können.
  • Nachdem die Öffnungen 602 geätzt wurden, wird die Maske 600 entfernt und das Verfahren 500 nutzt Atomlagenabscheidung (ALD) von Metall 306, um die Kohlenstoff-Nanoröhren 304 konform zu füllen und die metallisierten Kontakte 308 (508 in 5) zu bilden. Die ALD ermöglicht die konforme Ablagerung von Metall auf allen der Graphenlagen, die in entweder einem Bündel von Kohlenstoff-Nanoröhren oder in einer oder mehreren mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren enthalten sind. Die ALD ist eine auf Oberflächen beschränkte chemische Gasabscheidungsreaktion. Als solche bilden ALD-Verfahren dünne, konforme Metallfilme, die auf die Oberfläche dieser Graphenblätter beschränkt sind. In wiederholten ALD-Zyklen können mehrere Schichten dieser dünnen Filme erzeugt werden, um die Hohlräume in den Kohlenstoff-Nanoröhren 304 im Wesentlichen oder vollständig zu füllen, wie in 6D gezeigt.
  • Es können bekannte ALD Precursorchemien genutzt werden, die für das zum konformen Füllen der Kohlenstoff-Nanoröhren gewählte Metall geeignet sind.
  • 7 ist ein Verfahren 700 zum Bilden einer Kohlenstoff-Nanoröhren-Verdrahtungsstruktur gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung. In dieser Ausführung können mehrere Kohlenstoff-Nanoröhren, einschließlich, aber nicht beschränkt auf einwandige, zweiwandige oder mehrwandige Nanoröhren, unter Anwendung herkömmlicher Verfahren gezüchtet werden (702). Beispielsweise können die Kohlenstoff-Nanoröhren auf massiven Substraten, bemusterten Substraten oder porösen Substraten gezüchtet werden oder sie können als Teil eines Niederschlags oder einer zweiten Phase in einer Lösung gebildet werden.
  • Mehrere der Kohlenstoff-Nanoröhren werden zum Bilden einer Verdrahtungsstruktur verwendet, indem sie in einen Graben in einer dielektrischen Schicht (704) gelegt werden. Wenn die Kohlenstoff-Nanoröhren direkt im Graben gezüchtet werden, kann dieser Abschnitt des Verfahrens eliminiert werden. In Ausführungen der Erfindung wird ein Bündel von Kohlenstoff-Nanoröhren in den Graben gelegt, um die Verdrahtungsstruktur zu bilden. Alternativ können ein- oder mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren in den Graben gelegt oder in denn Graben gezüchtet werden.
  • Es können herkömmliche lithographische Verfahren angewandt werden, um Öffnungen in die Verdrahtungsstruktur zu erzeugen (706). Die Ätzverfahren können einen Abschnitt der Kohlenstoff-Nanoröhren entfernen, um Öffnungen zu bilden, durch die ein Metall abgelagert werden kann und um die Bildung von metallisierten Kontakten zu ermöglichen, die an im Wesentlichen alle der Graphenlagen gekoppelt sind, die die in der Verdrahtungsstruktur verwendeten Kohlenstoff-Nanoröhren ausmachen.
  • Nachdem Öffnungen in die Kohlenstoff-Nanoröhren geätzt wurden, nutzt das Verfahren 700, statt sich auf ALD zu verlassen, eine stromlose Metallabscheidung in superkritischem Kohlendioxid (scCO2), um die Kohlenstoff-Nanoröhren konform mit Metall zu füllen und die metallisierten Kontakte zu bilden (708). Die stromlose Metallabscheidung in scCO2 ermöglicht die konforme Ablagerung von Metall auf allen der Graphenlagen, die ein Kohlenstoff-Nanoröhrenbündel ausmachen. Dieses Verfahren kann den Kerndurchmesser einwandiger oder mehrwandiger Kohlenstoff-Nanoröhren im Wesentlichen oder vollständig mit einem Metall, beispielsweise Platin oder Palladium, füllen.
  • Wie auf dem Gebiet bekannt, wird bei der stromlosen Metallabscheidung ein Metall durch eine kontrollierte chemische Reduktionsreaktion aus einer Lösung auf ein Substrat abgeschieden. Das Metall bzw. die Metalllegierung, die abgeschieden wird, katalysiert allgemein die kontrollierte chemische Reduktionsreaktion. Die stromlose Metallabscheidung hat einige Vorteile gegenüber dem Galvanisieren – ein weiteres, gebräuchliches Plattierungsverfahren, das auf dem Gebiet wohlbekannt ist. Beispielsweise muß für das stromlose Plattieren keine elektrische Ladung an das Substrat angelegt werden, das stromlose Plattieren ergibt allgemein eine gleichmäßigere und nicht poröse Metallschicht auf dem Objekt und die stromlose Metallabscheidung ist autokatalytisch und kontinuierlich, nachdem das Plattierungsverfahren einmal ausgelöst wurde.
  • Gemäß der Erfindung wird eine superkritische Flüssigkeit, wie beispielsweise scCO2, als das Medium für die Lösung für die stromlose Plattierung verwendet. Es ist bekannt, daß superkritische Flüssigkeiten aufgrund ihrer vernachlässigbaren Viskosität in die sehr kleinen Hohlräume, Spalte und Innenwände von Kohlenstoff-Nanoröhren eindringen. Superkritische Flüssigkeiten hinterlassen außerdem geringe oder keine Rückstände, da die superkritische Flüssigkeit, beispielsweise scCO2, als Gas verdampft (d. h. CO2), sobald die Bedingungen entfernt werden, die sie superkritisch werden lassen. Wie nachfolgend beschrieben wird, neigen superkritische Flüssigkeiten, wie beispielsweise scCO2, außerdem dazu, die Wechselwirkung zwischen der Kohlenstoff-Nanoröhrenoberfläche und den Metallionen in der Lösung für die stromlose Plattierung zu verstärken.
  • In einer Ausführung der Erfindung umfaßt die Lösung für die stromlose Plattierung eine superkritische Flüssigkeit (z. B. scCO2), eine das abzuscheidende Metall enthaltende Verbindung (z. B. ein Metallsalz) und ein Reduktionsmittel. In einer Ausführung kann das Metallsalz Palladium-Hexafluoroacetylacetonat (Pd(hfac)2), welches in scCO2 löslich ist, umfassen, ist aber nicht darauf beschränkt und das Reduktionsmittel kann Wasserstoff (H2) umfassen, ist aber nicht darauf beschränkt. Die stromlose Metallabscheidung in scCO2 funktioniert ähnlich wie die stromlose Abscheidung von Metall in Wasser – das Metallsalz und das Reduktionsmittel werden im scCO2 gelöst und das stromlose Plattierungsverfahren wird ausgeführt.
  • In einer weiteren Ausführung kann eine herkömmliche, nicht superkritische, stromlose Plattierungschemie verwendet werden. In einer derartigen Ausführung kann Palladium im stromlosen Plattierungsverfahren verwendet werden. In manchen Ausführungen kann die Palladiumabscheidung von einer Kupferabscheidung gefolgt werden. Eine standardmäßige Lösung für die stromlose Plattierung ist ähnlich wie die vorangehend beschriebenen Lösungen, nutzt jedoch eine Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, statt einer superkritischen Flüssigkeit.
  • In Ausführungen der Erfindung können die vorangehend beschriebenen Lösungen für die stromlose Plattierung weiter Komplexbildner (z. b. eine organische Säure oder ein organisches Amin), die die chemische Reduktion der Metallionen in Lösung verhindern und gleichzeitig die selektive chemische Reduktion auf einer Oberfläche des Objekts zulassen, chemische Reduktionsmittel (z. B. Hypophosphit, Dimethylaminoboran (DMAB), Formaldehyd, Hydrazin oder Borohydrid) für die Metallionen, Puffer (z. B. Borsäure, eine organische Säure oder ein Amin) zum Steuern des pH-Werts der Lösung und verschiedene optionale Additive, wie beispielsweise Lösungsstabilisatoren (z. B., Pyridin, Thioharnstoff oder Molybdate) und Tenside (z. B. ein Glykol) umfassen. Es ist zu beachten, daß in allen vorangehend beschriebenen stromlosen Plattierungsverfahren die spezielle Zusammensetzung der Plattierungslösung abhängig vom gewünschten Plattierungsergebnis verändert wird.
  • In weiteren Ausführungen der Erfindung kann das Benetzungsverhalten der Kohlenstoff-Nanoröhren verändert werden, um das stromlose Plattierungsverfahren zu verbessern. Das Benetzen der Kohlenstofff-Nanoröhren ermöglicht allgemein eine verbesserte Wechselwirkung zwischen der Kohlenstoff-Nanoröhrenoberfläche und den Metallionen in der Plattierungslösung. Da die Verwendung von scCO2 als Plattierungslösungsmedium ebenfalls die Wechselwirkung der Oberfläche der Kohlenstoff-Nanoröhren mit den Metallionen verbessert, führt des Weiteren die Kombination der Verwendung von scCO2 mit einem Verfahren zur Benetzung der Kohlenstoff-Nanoröhren zu einer verbesserten und vollständigeren Metallablagerung.
  • Es wird geglaubt, daß die verbesserte Wechselwirkung zwischen der Kohlenstoff Nanoröhrenoberfläche und dem Metall den tensidähnlichen Eigenschaften des scCO2 und den hydrophilen Gruppen, die vorhanden sind, wenn das Benetzungsverhalten der Kohlenstoff-Nanoröhren verändert wurde, zugeschrieben werden kann. Das scCO2 und die hydrophilen Gruppen können außerdem die Lösungsmittel-, Schlamm- oder Mediumeffekte verbessern, was zu einer verbesserten Wechselwirkung führt. Es wird weiter geglaubt, daß die verbesserte Wechselwirkung zwischen der Kohlenstoff-Nanoröhrenoberfläche und dem Metall infolge einer vorübergehenden oder dauerhaften Abnahme der Oberflächenenergie zu einer verbesserten Adhäsion zwischen der Kohlenstoff Nanoröhrenoberfläche und dem Metall führen kann. Diese Abnahme der Oberflächenenergie führt zum Aussetzen eines größeren Anteils der Kohlenstoff-Nanoröhrenoberfläche an die Lösung für die stromlose Plattierung und verhindert, daß sich die Kohlenstoff-Nanoröhren zusammenballen und ihre Oberflächenenergie im Kontakt mit dem Metall minimieren.
  • Die verbesserte Wechselwirkung zwischen der Kohlenstoff Nanoröhrenoberfläche und dem Metall kann außerdem der erhöhten Kapillarwirkung zugeschrieben werden, die aus der Veränderung des Benetzungsverhaltens der Kohlenstoff-Nanoröhren resultiert. Die Lösung für die stromlose Plattierung und insbesondere die Metallionen werden tendenziell durch Kapillarwirkung in die Kohlenstoff-Nanoröhren gesaugt. Daher erhöht die Erhöhung der Hydrophilie der Kohlenstoff-Nanoröhren die Penetration der Lösung für die stromlose Plattierung und der Metallionen in den Nanoröhren.
  • In Ausführungen der Erfindung kam das Benetzungsverhalten der Oberfläche der Kohlenstoff-Nanoröhren durch chemische Veränderung geschwächt werden. Beispielsweise kann die Einführung von wasserstoffbindenden Funktionalitäten die Hydrophilie der Kohlenstoff-Nanoröhren erhöhen, was zu verbesserter Mischbarkeit mit Wasser führt. Funktionalitäten, die diese hydrophilen Wechselwirkungen bevorzugen, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Amine, Amide, Hydroxyle, Carbonsäuren, Aldehyde und Fluoride.
  • Es gibt viele bekannte Verfahren, mittels derer Kohlenstoff-Nanoröhren funktionalisiert werden können. Einige dieser Verfahren umfassen, sind aber nicht beschränkt auf: (1) Carbonsäurefunktionalisierung durch Salpetersäureoxidation; (2) Carboxyl-Reduktion zu Alkoholen oder Aldehyden (z. B. NaBH4); (3) Alkoholoxidation zu Aldehyden oder Carbonsäuren (Z. B. Pyridinium-Chlorochromat, Swern-Oxidation, usw.); (4) Aminisierung von Alkoholen oder Carbonsäuren (z. B. NaN3, SOCl2/NH3, usw.); (5) Alkylation durch die Erzeugung von Alkylradikalen mit Alkyliodiden/Benzoyl-Peroxid; (6) 1,3-dipolare Cycloadditionen zum aromatischen Kohlenstoff-Nanoröhren-Gerüst; (7) Arylation von Kohlenstoff-Nanoröhren mit 4-Chlorobenzendiazonium-Tetrafluoroborat, was eine hängende Arylchlorid-Funktionalität ergibt; (8) Wassersolubilisation von Kohlenstoff-Nanoröhren durch reaktive Beschichtung mit Polymeren, wie beispielsweise Polyarlenethynlen; (9) Anlagerung metallischer Gruppen an Seitenwänden durch [2 + 1]-Cycloadditions-Anlagerung von Goldkolloiden; (10) Anlagerung von Biomolekülen an Kohlenstoff-Nanoröhren (z. B. Aminosäuren, Proteine, DNA, usw.).
  • Die Arylchloride neigen zu weiterer Funktionalisierung, einschließlich Heck-Kopplungsreaktionen zwischen Kohlenstoff-Nanoröhren, um kovalent vernetzte Nanoröhren und Umwandlungen von Aryliodiden zu Aminen, Alkoholen oder Fluoriden zu ergeben. Von dieser Funktionalisierung würde erwartet, daß sie die Hydrophilie der Kohlenstoff-Nanaröhren erhöht, was zu Mischbarkeit mit Wasser führt. Die hierin vorgestellten Verfahren können für die Erzeugung von Grundlagenfilmen oder die Benetzung der Kohlenstoff-Nanoröhren angewandt werden. Es wird geglaubt, daß diese Verfahren zum Benetzen von Kohlenstoff-Nanoröhren für jedes Übergangsmetall angewandt werden können, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Palladium, Platin, Rhodium, Ruthenium, Gold, Osmium, Silber und Iridium.

Claims (17)

  1. Verfahren, das Folgendes umfaßt: Bereitstellen eines Bündels von Kohlenstoff-Nanoröhren (304) in einem Graben (302); Ätzen eines ersten Endes des Bündels von Kohlenstoff-Nanoröhren, um eine erste Öffnung (602) zu bilden; Ätzen eines zweiten Endes des Bündels von Kohlenstoff-Nanoröhren, um eine zweite Öffnung (602) zu bilden; konformes Aufbringen mehrerer Metallschichten (306) auf jeder der Kohlenstoff-Nanoröhren des Bündels durch die Öffnungen (602); und Bilden metallisierter Kontakte (308) in der ersten und in der zweiten Öffnung (602), die im Wesentlichen an alle der Kohlenstoff-Nanoröhren des Bündels gekoppelt sind, wobei die aufgebrachten mehreren Metallschichten (306) Os, Ir oder eine Legierung eines oder mehrerer dieser Metalle umfaßt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Graben (302) in einem dielektrischen Material gebildet ist, das Siliziumdioxid oder kohlenstoffdotiertes Oxid umfaßt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren des konformen Aufbringen mehrerer Metallschichten Hohlräume (206) in den Kohlenstoff-Nanoröhren (304) und Hohlräume (206) zwischen Kohlenstoff-Nanoröhren (304) des Bündels im Wesentlichen füllt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das konforme Aufbringen mehrerer Metallschichten (306) unter Anwendung eines Atomlageriabscheidungsverfahrens erfolgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren des konformen Aufbringens mehrerer Metallschichten (306) unter Anwendung eines stromlosen Plattierungsverfahrens in einer superkritischen Flüssigkeit von Kohlendioxid erfolgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die metallisierten Kontakte (308) Cu, Al, Au, Pt, Pd, Rh, Ru, Os, Ag, Ir, Ti oder eine Legierung eines oder mehrerer dieser Metalle umfassen.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, das weiter Folgendes umfaßt: Verändern des Benetzungsverhaltens einer Oberfläche der Kohlenstoff-Nanoröhren (304, 400), um ihre Hydrophilie zu erhöhen; und Ausführen eines stromlosen Plattierungsverfahrens an den Kohlenstoff Nanoröhren (304, 400) unter Verwendung eines Bads für die stromlose Plattierung, das eine superkritische Flüssigkeit umfaßt.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ätzen Folgendes umfaßt: Aufbringen einer Fotolackschicht; Bemustern der Fotolackschicht; Entwickeln der Fotolackschicht; Ätzen der Kohlenstoff-Nanoröhren; und Entfernen der entwickelten Fotolackschicht.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Ätzen ein Plasmaätzverfahren umfaßt.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Verändern des Benetzungsverhaltens das Einführen von wasserstoffbindenden Funktionalitäten in die Kohlenstoff-Nanoröhren umfaßt.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die wasserstoffbindenden Funktionalitäten mindestens eines von Aminen, Amiden, Hydroxylen, Carbonsäuren, Aldehyden und Fluoriden umfassen.
  12. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die superkritische Flüssigkeit superkritisches Kohlendioxid umfaßt.
  13. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Bad für die stromlose Plattierung weiter Palladium-Hexafluoroacetylacetonat und Wasserstoff umfaßt.
  14. Verfahren nach Anspruch 7, wobei sich der Graben in einer dielektrischen Schicht auf einem Halbleitersubstrat befindet.
  15. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Kohlenstoff-Nanoröhren in dem Graben gebildet werden.
  16. Vorrichtung, die Folgendes umfaßt: ein in einem Graben (302) montiertes Bündel von Kohlenstoff-Nanoröhren (304); einen ersten an einem Ende des Bündels von Kohlenstoff-Nanoröhren montierten metallisierten Kontakt (308), wobei der metallisierte Kontakt direkt an im Wesentlichen alle der Kohlenstoff-Nanoröhren des Bündels gekoppelt ist; einen zweiten, an einem zweiten Ende des Bündels von Kohlenstoff-Nanoröhren montierten metallisierten Kontakt (308), wobei der zweite metallisierte Kontakt direkt an im Wesentlichen alle der Kohlenstoff-Nanoröhren des Bündels gekoppelt ist; und mindestens eine konform auf einer Oberfläche jeder Kohlenstoff-Nanoröhre abgelagerte Metallschicht (306), wobei jede Metallschicht im Wesentlichen die gesamte Oberfläche jeder Kohlenstoff-Nanoröhre bedeckt, und wobei der erste und zweite metallisierte Kontakt (308) ein gleiches Metall aufweist, wobei die abgelagerte Metallschicht (306) Os, Ir oder eine Legierung eines oder mehrerer dieser Metalle umfaßt.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, weiter umfassend mehrere konform auf der Oberfläche jeder Kohlenstoff-Nanoröhre abgelagerte Metallschichten (306), wobei die mehreren Metallschichten die Hohlräume (206) im Bündel der Kohlenstoff-Nanoröhren im Wesentlichen füllen.
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