EP2027597A1 - Isolationsschichtmaterial für die mikroelektronik - Google Patents

Isolationsschichtmaterial für die mikroelektronik

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EP2027597A1
EP2027597A1 EP07785816A EP07785816A EP2027597A1 EP 2027597 A1 EP2027597 A1 EP 2027597A1 EP 07785816 A EP07785816 A EP 07785816A EP 07785816 A EP07785816 A EP 07785816A EP 2027597 A1 EP2027597 A1 EP 2027597A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer material
carbon nanotubes
insulation layer
material according
microelectronics
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07785816A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Helmut Hermann
Gotthart Seifert
Christine TÄSCHNER
Ehrenfried Zschech
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Original Assignee
Technische Universitaet Dresden
Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Dresden, Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV filed Critical Technische Universitaet Dresden
Publication of EP2027597A1 publication Critical patent/EP2027597A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P14/00—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars
    • H10P14/60—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars of insulating materials
    • H10P14/66—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars of insulating materials characterised by the type of materials
    • H10P14/665—Porous materials
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P14/00—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars
    • H10P14/60—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars of insulating materials
    • H10P14/68—Organic materials, e.g. photoresists
    • H10P14/683—Organic materials, e.g. photoresists carbon-based polymeric organic materials, e.g. polyimides, poly cyclobutene or PVC
    • H10P14/687—Organic materials, e.g. photoresists carbon-based polymeric organic materials, e.g. polyimides, poly cyclobutene or PVC the materials being fluorocarbon compounds, e.g. (CHxFy) n or polytetrafluoroethylene
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/20—Carbon compounds, e.g. carbon nanotubes or fullerenes
    • H10K85/221—Carbon nanotubes

Definitions

  • the invention relates to the fields of microelectronics and materials science and relates to an insulating layer material for microelectronics, which can be used for example in integrated circuits as a dielectric between copper interconnects.
  • SiO 2 can be applied by plasma-enhanced chemical vapor deposition (PE-CVD).
  • PE-CVD plasma-enhanced chemical vapor deposition
  • the disadvantages of these dielectrics are the very high production costs.
  • the degrees of porosity are very high at 50 to 80% and the pores are unfavorably open and for the most part interconnected.
  • the pore size distribution is not sufficiently well controlled. There may be pores and channels of interconnected pores, which lead to the electrical connection of adjacent interconnects, which should be separated from the dielectric. This can lead to the failure of the chip.
  • PTFE layers can be made from surfactant-stabilized aqueous microemulsions.
  • H atoms H atoms (HSQ) or on the amorphous Si-O networks (MSQ), the CH 3 -
  • the special MSQ material LKD-5109 with dynamic dispensing can be applied to a Si substrate in a TEL ACT 8 spin track.
  • Such materials reach k values of over 2.0 with an average pore size of 2 nm. The pores are probably not connected to each other.
  • DE 102 53 855.7 A1 discloses an insulation layer material for integrated circuits in damascene architecture, which consists of fullerenes separated from one another by molecules or molecular groups. The molecules or molecular groups are connected to the fullerenes via chemical and / or physical interactions over at least two sites.
  • This insulation layer material has k values of ⁇ 4.0 with an adjustable pore size of ⁇ 2.0 nm.
  • carbon nanotubes are used as interconnects in circuits (K. Banerjee, Proc. 22th Advanced Metallization Conf., Colorado Springs, CO, Sept. 27-29, 2005). Also, carbon nanotubes are used as sensors or actuators (US 20060084752 A).
  • fluorinated carbon nanotubes are known in which fluorine atoms are chemically bonded to the carbon atoms on the surface of the carbon nanotube, thereby achieving an electrically insulating state (G. Seifert, et al., Applied Physics Letters Vol. 77, No .9, (2000) 1313-1315).
  • the invention has for its object to provide an insulating layer material for microelectronics, which has a dielectric constant of k ⁇ 2 with good mechanical properties.
  • the microelectronic insulation layer material according to the invention consists of a multitude of fluorinated carbon nanotubes, which are connected by means of an adhesive at least selectively via physical and / or chemical bonds to form a network.
  • the fluorinated carbon nanotubes are constructed with the chemical composition C n F (1, 8 ⁇ n ⁇ 2.2).
  • the fluorine atoms are arranged on the surface of the carbon nanotubes.
  • the network has up to 10% by volume of carbon nanotubes.
  • the adhesive has reached the carbon nanotubes by means of deposition from the gas phase (vapor phase deposition).
  • the adhesive is arranged as a coating on the carbon nanotubes.
  • the adhesive is present in an amount of up to 20 vol .-%. It is also advantageous if the insulating layer material is used in integrated circuits.
  • a plurality of carbon nanotubes which have been connected to a network by fluorination and subsequent vapor deposition using an adhesive, are used as the insulating layer material for microelectronics.
  • fluorinated carbon nanotubes with the chemical composition C n F (1, 8 ⁇ n ⁇ 2.2) are used.
  • carbon nanotubes having chemically bonded fluorine atoms on their surface are used.
  • parylene-C parylene-D, parylene-F or parylene-N.
  • the insulating layer material is used in microelectronics in integrated circuits.
  • an insulation layer material for microelectronics which, on the one hand, has a comparatively very low dielectric constant and at the same time the good mechanical properties of the carbon nanotubes due to the high porosity.
  • the insulation layer material according to the invention can achieve dielectric constants of k ⁇ 2, while maintaining the strength of carbon nanotubes, which is necessary and sufficient in particular for the production of the integrated circuits under thermal stress.
  • the insulation layer material according to the invention is variably adjustable in terms of its properties and adjustable to the other conditions for circuit production and also during the use of the circuits. This variability is achievable by varying network parameters, such as the average length of the carbon nanotubes per unit volume, or by the type and / or amount of adhesive in the network.
  • fluorinated carbon nanotubes which have an electrically insulating effect, the insulating character of the network is enhanced.
  • the electrically insulating effect of the fluorinated carbon nanotubes is also detectable on the basis of the electronic state densities in the environment of Fermi energy. The determined state densities showed the position of the Fermi energy in the energy gap and a much wider range of the energy gap, both of which are characteristic of insulating materials.
  • One possibility of producing the insulation layer material according to the invention consists in the following method steps.
  • networks of unfluorinated carbon nanotubes are made. This can be done for example by deposition from the gas phase (CVD). Subsequently, the carbon nanotubes are fluorinated in a CF 4 plasma.
  • This network of fluorinated carbon nanotubes is still not very resilient and is slightly variable in its structure. Accordingly, then, for example, by deposition from the gas phase, the surface of the carbon nanotubes coated with an adhesive. The coating can be done partially or completely, depending on the type and amount of adhesive which is applied.
  • the adhesive leads to a stronger positive and non-positive connection between the network components and is now in its structure little changed and thus also mechanically much stronger load capacity.
  • this network according to the invention is significantly more resilient to tensile and compressive stresses occurring during its processing in, for example, integrated circuits and also during the life of the circuits, than conventional insulation layer materials for such applications.
  • Parylene-C Parylene-D
  • Parylene-F Parylene-N
  • Parylene is known to be an inert, hydrophobic, optically transparent, biocompatible, polymeric coating material with a wide range of industrial applications.
  • the coating is applied to the substrate in a vacuum by condensation from the gas phase as a pore-free and transparent polymer film.
  • virtually any substrate material such as.
  • metal, glass, paper, paint, plastic, ceramic, ferrite and silicones with Parylene coatable.
  • Due to the gaseous deposition coatings can be achieved with parylene in areas or structures that are not coatable with liquid-based processes, such as. Sharp edges and peaks or narrow and deep gaps. The latter is particularly advantageous for coating networks of carbon nanotubes.
  • parylenes which is a chain structure consisting of a sequence of (CH 2 - benzene ring - CH 2 -).
  • parylene-C a sequence of (CH 2 - benzene ring - CH 2 -).
  • parylene-D chlorine atoms
  • 10 g of commercially available single-walled carbon nanotubes, which are known to have been prepared, are known to be fluorinated with a CF 4 plasma.
  • This fluorination creates chemical bonds between the fluorine and the carbon atoms, with the fluorine atoms preferably bonding to the surface of the carbon nanotubes.
  • This treatment produces a mixture of metallically conductive, semiconducting and insulating carbon nanotubes.
  • a known method for the separation of semiconducting and metallically conductive carbon nanotubes is used to first strongly heat and oxidize the metallically conductive carbon nanotubes by an electric current in the known manner.
  • the resulting mixture of semiconducting and insulating fluorinated carbon nanotubes is also separated in a second step by an electric current, wherein the temperature of the mixture and the applied voltage are higher than in the first step.
  • the electric current now strongly heats the semiconducting carbon nanotubes and oxidizes them with the addition of oxygen. In this way, a heap of insulating fluorinated single-walled carbon nanotubes is generated.
  • the amount of insulating fluorinated single-walled carbon nanotubes produced from the 10 g starting material is 20 g.
  • the fluorinated carbon nanotubes of mass M CNT (20 g) are coated with parylene-C of mass M P , The coating is carried out in vacuo by condensation from the gas phase.
  • the mass ratio M CNT / M P By the mass ratio M CNT / M P , the relation of dielectric and mechanical and other properties is set. Increasing the mass ratio leads to the improvement of the dielectric constant while reducing the elastic constants. At the mass ratio of 1, a dielectric constant of 2.0 is achieved at a compression modulus of 6 GPa. As a result, a network has now been formed from the fluorinated carbon nanotubes, wherein the individual fluorinated carbon nanotubes are non-positively connected to one another at the contact surfaces by the parylene C adhesive.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Mikroelektronik und der Materialwissenschaften und betrifft ein Isolationsschichtmaterial für die Mikroelektronik, welches beispielsweise in integrierten Schaltkreisen als Dielektrikum zwischen Kupferleitbahnen zur Anwendung kommen kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Isolationsschichtmaterial für die Mikroelektronik anzugeben, welches eine Dielektrizitätskonstante von k < 2 bei gleichzeitig guten mechanischen Eigenschaften aufweist. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Isolationsschichtmaterial für die Mikroelektronik, welches aus einer Vielzahl an fluorierten Kohlenstoffnanoröhren besteht, die mittels eines Haftmittels mindestens punktuell über physikalische und/oder chemische Bindungen zu einem Netzwerk verbunden sind.

Description

Isolationsschichtmaterial für die Mikroelektronik
Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Mikroelektronik und der Materialwissenschaften und betrifft ein Isolationsschichtmaterial für die Mikroelektronik, welches beispielsweise in integrierten Schaltkreisen als Dielektrikum zwischen Kupferleitbahnen zur Anwendung kommen kann.
Die Entwicklung und Optimierung von Isolationsmaterialien mit sehr guten dielektrischen Eigenschaften (Dielektrizitätskonstante k möglichst < 3) ist eine der dringendsten aktuellen Aufgaben der Mikroelektronik. Dies liegt vor allem darin, dass auf diesem Gebiet ein Rückstand von mehreren Jahren im Vergleich zur „roadmap" der internationalen Halbleiterindustrie besteht (M. Eizenberg, Interlayer Dielectrics for Semiconductor Technologies, Elsevier Acadamie Press, Amsterdam 2003, p.5; R. D. Miller, Science 286 (1999) 421-422).
Bekannt ist der Einsatz von homogenem Siθ2 als Dielektrikum in der Mikroelektronik (Miller, R.D., Science 286 (1999) 421-422). Unter anderem kann das SiO2 durch plasmagestützte chemische Dampfabscheidung (PE-CVD) aufgebracht werden. Derartige Dielektrika erreichen Werte für die Dielektrizitätskonstante von k = 3,9 bis 4,2. Mit zunehmender Integrationsdichte und steigender Leistung pro Chip kann das Dielektrikum SiO2 aufgrund des hohen k-Wertes zukünftig nicht mehr eingesetzt werden.
Weiterhin sind als Dielektrika poröse SiO2-Materialien bekannt (Zhang, J. -Y. u.a., Mater. Sei. in Semiconductor Processing 3 (2000) 345-349; Murray, C. u.a., Microelectronic Engng. 60 (2002)133-141), wobei sich diese Materialien gegenwärtig noch in der Testphase für den Einsatz befinden. Aufgebracht werden können diese Materialien unter anderem durch katalytische Sol-Gel-Polymerisation von Qrthosilicat-Estern. Das Solvent wird aus der Gelschicht durch überkritische Extraktion entfernt (Aerogele) oder durch Solventaustausch und Trocknung (Xerogele) beseitigt. Derartige Dielektrika erreichen Werte für die Dielektrizitätskonstante von k = 1 ,7 bis 3,6.
Die Nachteile dieser Dielektrika sind der sehr hohe Herstellungsaufwand. Die Porositätsgrade liegen mit 50 bis 80 % sehr hoch und die Poren sind ungünstigerweise offen und zum großen Teil miteinander verbunden. Weiterhin ist die Porengrößenverteilung nicht ausreichend gut beherrschbar. Es können Poren und Kanäle miteinander verbundener Poren entstehen, die zur elektrischen Verbindung benachbarter Leitbahnen führen, die von dem Dielektrikum getrennt werden sollten. Dies kann zum Ausfall des Chips führen.
Auch bekannt ist der Einsatz von homogenen Polymeren als Dielektrika. Allerdings erreichen nur die hochfluorierten Alkan-Derivate k-Werte von < 2,2, wie beispielsweise PTFE mit k-Werten von 1 ,9 bis 2,1 (Wang, J. u.a., Scripta mater. 42 (2000) 687-694). PTFE-Schichten können aus Surfactant-stabilisierten wässrigen Mikroemulsionen hergestellt werden.
Nachteilig beim Einsatz derartiger Isolationsschichten sind deren ungenügenden mechanischen Eigenschaften und Unsicherheiten bezüglich der Stabilität bei Temperaturen oberhalb 400 0C. Des Weiteren gibt es Bedenken bezüglich der Wirkung fluorierter Dielektrika auf das Metall der Leiterbahnen bei erhöhten Temperaturen.
Eine weitere Möglichkeit zur Bildung von Dielektrika in der Mikroelektronik ist durch
Wasserstoff- und Methyl-Silsesquioxane (HSQ und MSQ) gegeben. Die Wirkung dieser Materialien beruht auf der strukturell käfigartigen Anordnung von Si-, O- und
H-Atomen (HSQ) oder auf den amorphen Si-O-Netzwerken (MSQ), die CH3-
Bindungen enthalten und die strukturell bei Temperaturen bis zu 500 0C modifiziert werden (Das, A, u.a. Microelectronic Engng. 64 (2002) 11-24).
Beispielsweise kann das spezielle MSQ-Material LKD-5109 mit dynamischer Dispens in einem TEL ACT 8 spin Track auf ein Si-Substrat aufgebracht werden.
Anschließend findet ein Temperschritt über 3 min bei 200 0C statt. Nach Säuberung mit PGMEA folgt eine Wärmebehandlung über 1 h bei 420 0C.
Derartige Materialien erreichen k-Werte von über 2,0 bei einer mittleren Porengröße von 2 nm. Die Poren sind dabei vermutlich nicht miteinander verbunden.
Die Nachteile auch dieser Materialien liegen in der nicht erreichten vollen Integration in den Herstellungsprozess der Mikroelektronik und in den Unsicherheiten, die unter anderem die Abschätzung der Lebensdauer mit den zurzeit bekannten Methoden betreffen.
Weiterhin bekannt ist nach der DE 102 53 855.7 A1 ein Isolationsschichtmaterial für integrierte Schaltkreise in Damascene-Architektur, die aus durch Moleküle oder Molekülgruppen voneinander getrennt angeordnet Fullerenen bestehen. Dabei sind die Moleküle oder Molekülgruppen über mindestens zwei Stellen mit den Fullerenen über chemische und/oder physikalische Wechselwirkungen verbunden. Dieses Isolationsschichtmaterial weist k-Werte von < 4,0 bei einer einstellbaren Porengröße von < 2,0 nm auf.
Ebenfalls bekannt ist der Einsatz von Kohlenstoffnanoröhren als Konstruktionselemente für Transistoren (Wong Bong Choi, u.a., Advanced Funktional Materials 13(2003)80).
Ebenso ist der Einsatz von Kohlenstoffnanoröhren als Interconnects in Schaltkreisen bekannt (K. Banerjee, Proc. 22th Advanced Metallization Conf., Colorado Springs, CO, Sept. 27-29 2005). Auch werden Kohlenstoffnanoröhren als Sensoren oder Aktuatoren eingesetzt (US 20060084752 A).
Die Erweiterung der Einsatzgebiete für Kohlenstoffnanoröhren ist einmal in der Verbesserung des Herstellungsprozesses zu sehen. So können beispielsweise Komposite mit Kohlenstoffnanoröhren (P. Poetschke, u.a., Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures 13(2005)Nr. Suppl. 1 , S. 211-224) oder auch massive Komposite mit Kohlenstoffnanoröhren (M.Cadek, u.a., Applied Physics Letters 81 (2002)5123-5125) hergestellt werden.
Ebenso werden die Analysemethoden laufend verbessert, wobei insbesondere die lokale Analyse der dielektrischen und mechanischen Eigenschaften von Isolationsmaterialien von besonderer Bedeutung ist (E. Zschech, u.a., MRS Spring Meeting 2006, San Francisco, April 17-21 , 2006). Aber auch zur theoretischen Berechenbarkeit elastischer Eigenschaften oder zu physikalischen Grundlagen werden laufend neue Erkenntnisse gewonnen (E. Frey, ChemPhysChem 3(2002) 270-275; J. Wilhelm, u.a., Phys. Rev.Lett. 91(2003) 108103).
Nicht zuletzt sind fluorierte Kohlenstoffnanoröhren (Single wall carbon nanotubes) bekannt, bei denen Fluoratome chemisch an die Kohlenstoffatome auf der Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhre gebunden werden, wodurch ein elektrisch isolierender Zustand erreicht wird (G. Seifert, u.a., Applied Physics Letters Vol. 77, No.9, (2000) 1313-1315).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Isolationsschichtmaterial für die Mikroelektronik anzugeben, welches eine Dielektrizitätskonstante von k < 2 bei gleichzeitig guten mechanischen Eigenschaften aufweist.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Isolationsschichtmaterial für die Mikroelektronik besteht aus einer Vielzahl an fluorierten Kohlenstoffnanoröhren, die mittels eines Haftmittels mindestens punktuell über physikalische und/oder chemische Bindungen zu einem Netzwerk verbunden sind. Vorteilhafterweise sind die fluorierten Kohlenstoffnanoröhren mit der chemischen Zusammensetzung CnF aufgebaut (1 ,8 < n <2,2) aufgebaut.
Von Vorteil ist es, wenn im Falle von Kohlenstoffatomen an der Oberfläche immer an jedem zweiten Kohlenstoffatom ein Fluoratom gebunden vorliegt.
Weiterhin vorteilhafterweise liegt eine chemische Bindung zwischen den Fluoratomen und den Kohlenstoffatomen vor.
Ebenfalls vorteilhafterweise sind die Fluoratome an der Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhren angeordnet.
Von Vorteil ist es auch, wenn das Netzwerk bis 10 Vol.-% Kohlenstoffnanoröhren aufweist.
Weiterhin von Vorteil ist es, wenn ein ungeordnetes Netzwerk vorliegt.
Und auch von Vorteil ist es, wenn das Haftmittel Polyimide, fluorierte Polyimide, Polysilsequioxane, Benzocyclobutene, fluorierte Benzocyclobutene, Polyphenylene, Polyphenylquinoxaline, Copolymere von 2,2-bistrifluormethyl-4,5-difluor-1 ,3-dioxol, Perfluorfluor-alkoxy, Poly(arylenether), Parylene-C, Parylene-D, Parylene-F, Parylene-N, amorphe Polytetrafluorethylene sind.
Vorteilhaft ist auch, wenn das Haftmittel mittels Abscheidung aus der Gasphase (Vapor phase deposition) auf die Kohlenstoffnanoröhren gelangt ist.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn das Haftmittel als Beschichtung auf den Kohlenstoffnanoröhren angeordnet ist.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die Haftung der Kohlenstoffnanoröhren untereinander punktuell erfolgt.
Und vorteilhaft ist es auch, wenn das Haftmittel in einer Menge von bis zu 20 Vol.-% vorhanden ist. Von Vorteil ist es auch, wenn das Isolationsschichtmaterial in integrierten Schaltkreisen zum Einsatz kommt.
Erfindungsgemäß werden einer Vielzahl von Kohlenstoffnanoröhren, die durch Fluorierung und nachfolgende Gasphasenabscheidung unter Verwendung eines Haftmittels zu einem Netzwerk verbunden worden sind, als Isolationsschichtmaterial für die Mikroelektronik verwendet.
Vorteilhafterweise werden fluorierte Kohlenstoffnanoröhren mit der chemischen Zusammensetzung CnF (1 ,8 < n <2,2) verwendet.
Ebenfalls vorteilhafterweise werden Kohlenstoffnanoröhren mit an ihrer Oberfläche chemisch gebunden Fluoratome verwendet.
Weiterhin vorteilhafterweise werden bis 10 Vol.-% Kohlenstoffnanoröhren im Netzwerk verwendet.
Es ist auch vorteilhaft, wenn bis zu 20 Vol.-% Parylene-C, Parylene-D, Parylene-F oder Parylene-N verwendet werden.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn das Isolationsschichtmaterial in der Mikroelektronik in integrierten Schaltkreisen zum Einsatz kommt.
Durch die erfindungsgemäße Lösung ist ein Isolationsschichtmaterial für die Mikroelektronik erhältlich, welches einerseits aufgrund der hohen Porosität eine vergleichsweise sehr niedrige Dielektrizitätskonstante und gleichzeitig die guten mechanischen Eigenschaften der Kohlenstoffnanoröhren aufweist. Das erfindungsgemäße Isolationsschichtmaterial kann Dielektrizitätskonstanten von k < 2 erreichen, bei Beibehaltung der Festigkeit von Kohlenstoffnanoröhren, die insbesondere für die Herstellung der integrierten Schaltkreise unter thermischer Beanspruchung notwendig und ausreichend ist. Das erfindungsgemäße Isolationsschichtmaterial ist variabel hinsichtlich seiner Eigenschaften einstellbar und auf die weiteren Bedingungen zur Schaltkreisherstellung und auch während des Einsatzes der Schaltkreise einstellbar. Diese Variabilität ist durch veränderliche Netzwerkparameter erreichbar, wie beispielsweise die mittlere Länge der Kohlenstoffnanoröhren pro Volumeneinheit oder durch die Art und/oder den Anteil an Haftmittel im Netzwerk.
Durch den Einsatz der fluorierten Kohlenstoffnanoröhren, die eine elektrisch isolierende Wirkung haben, wird der isolierende Charakter des Netzwerkes verstärkt. Die elektrisch isolierende Wirkung der fluorierten Kohlenstoffnanoröhren ist auch anhand der elektronischen Zustandsdichten in der Umgebung der Fermi-Energie nachweisbar. Die ermittelten Zustandsdichten zeigten die Lage der Fermi-Energie in der Energielücke und einen deutlich verbreiterten Bereich der Energielücke, was beides charakteristisch für isolierende Materialien ist.
Eine Möglichkeit der Herstellung des erfindungsgemäßen Isolationsschichtmaterials besteht in folgenden Verfahrensschritten.
Zuerst werden Netzwerke aus unfluorierten Kohlenstoffnanoröhren hergestellt. Dies kann beispielsweise durch Abscheidung aus der Gasphase (CVD) erfolgen. Nachfolgend werden die Kohlenstoffnanoröhren in einem CF4-Plasma fluoriert. Dieses Netzwerk aus fluorierten Kohlenstoffnanoröhren ist noch wenig belastbar und ist leicht veränderlich in seinem Aufbau. Dementsprechend wird dann, beispielsweise durch Abscheidung aus der Gasphase die Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhren mit einem Haftmittel beschichtet. Die Beschichtung kann dabei teilweise oder vollständig erfolgen, je nach Art und Menge an Haftmittel, welches aufgebracht wird. Das Haftmittel führt zu einer stärkeren form- und kraftschlüssigen Verbindung zwischen den Netzwerkbestandteilen und ist nun in seinem Aufbau wenig veränderbar und damit auch mechanisch deutlich stärker belastbar. Insbesondere ist dieses nun erfindungsgemäße Netzwerk auf Zug- und Druckbeanspruchungen, die während seiner Verarbeitung in beispielsweise integrierten Schaltkreisen und auch während der Lebensdauer der Schaltkreise auftreten, deutlich stärker belastbar, als herkömmliche Isolationsschichtmaterialien für derartige Anwendungen.
Vorteilhafterweise kann das Haftmittel Parylene-C, Parylene-D, Parylene-F ider Parylene-N eingesetzt werden. Der chemische Aufbau der Parylene-n (n = verschiedene Modifikationen) sowie die Struktur einiger Modifikationen ist in der Abb. beschrieben. Parylene ist bekanntermaßen ein inertes, hydrophobes, optisch transparentes, biokompatibles, polymeres Beschichtungsmaterial mit einem weiten industriellen Anwendungsspektrum. Die Beschichtung wird im Vakuum durch Kondensation aus der Gasphase als porenfreier und transparenter Polymerfilm auf das Substrat aufgetragen. Dabei ist praktisch jedes Substratmaterial, wie z. B. Metall, Glas, Papier, Lack, Kunststoff, Keramik, Ferrit und Silikone mit Parylene beschichtbar. Aufgrund der gasförmigen Abscheidung können Beschichtungen mit Parylene in Bereichen oder von Strukturen erreicht werden, die mit flüssigkeitsbasierten Verfahren nicht beschichtbar sind, wie z. B. scharfe Ränder und Spitzen oder enge und tiefe Spalte. Letzteres ist insbesondere zur Beschichtung von Netzwerken aus Kohlenstoffnanoröhren von Vorteil.
Die Abbildung beschreibt die Struktur von Parylenen, die eine Kettenstruktur ist, die aus einer Folge von (CH2 - Benzolring - CH2 - ) besteht. Durch Addition von einem (Parylene-C) oder zwei Chloratomen (Parylene-D) zum Benzolring oder durch weitere Modifikationen können weitere Parylene-Typen erzeugt werden.
Als Kohlenstoffnanoröhren kommen nur fluorierte Kohlenstoffnanoröhren zum Einsatz, da nur diese die gewünschten isolierenden Eigenschaften zeigen. Besonders vorteilhaft ist dabei die Fluorierung zu C2F, d.h., dass im Falle von zwei nebeneinander liegenden Kohlenstoffatomen immer eins davon an der Oberfläche mit einem Fluoratom verbunden ist.
Aufgrund des Einsatzes von Kohlenstoffnanoröhren, die an sich bereits eine hohe Porosität pro Volumeneinheit aufweisen, und aufgrund der Bildung des erfindungsgemäßen Netzwerkes, was ebenfalls eine hohe Porosität zur Folge hat, können die guten dielektrischen Eigenschaften erreicht werden. Der Einsatz eines Haftmittels verschlechtert dabei diese Eigenschaften nicht, da beispielsweise Parylene-n schon im massiven, homogenen Zustand eine niedrige dielektrische Konstante von 2,6-2,7 aufweist und darüber hinaus auch vergleichsweise geringe Mengen an Haftmitteln zum Einsatz kommen.
Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Beispiel 1
10 g kommerziell erhältliche einwandige Kohlenstoffnanoröhren, die bekanntermaßen hergestellt worden sind, werden mit einem CF4-Plasma bekanntermaßen fluoriert. Durch diese Fluorierung entstehen chemische Bindungen zwischen den Fluor- und den Kohlenstoffatomen, wobei sich die Fluoratome vorzugsweise an der Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhren anbinden. Durch diese Behandlung entsteht ein Gemisch aus metallisch leitfähigen, halbleitenden und isolierenden Kohlenstoffnanoröhren. Ein bekanntes Verfahren zur Trennung von halbleitenden und metallisch leitfähigen Kohlenstoffnanoröhren wird benutzt, um zunächst auf die bekannte Weise die metallisch leitfähigen Kohlenstoffnanoröhren durch einen elektrischen Strom stark zu erhitzen und zu oxidieren. Das entstandene Gemisch aus halbleitenden und isolierenden fluorierten Kohlenstoffnanoröhren wird in einem zweiten Schritt ebenfalls durch einen elektrischen Strom getrennt, wobei die Temperatur des Gemisches und die angelegte elektrische Spannung höher sind, als im ersten Schritt. Durch den elektrischen Strom werden nun die halbleitenden Kohlenstoffnanoröhren stark erhitzt und unter Zugabe von Sauerstoff oxidiert. Auf diese Weise wird ein Haufwerk von isolierenden fluorierten einwandigen Kohlenstoffnanoröhren erzeugt. Die aus den 10 g Ausgangsmaterial erzeugte Menge an isolierenden fluorierten einwandigen Kohlenstoffnanoröhren beträgt 20 g.
Nachfolgend werden die fluorierten Kohlenstoffnanoröhren der Masse MCNT (20 g) mit Parylene-C der Masse MP beschichtet, Die Beschichtung erfolgt im Vakuum durch Kondensation aus der Gasphase.
Durch das Masseverhältnis MCNT/MP wird die Relation von dielektrischen und mechanischen sowie weiteren Eigenschaften eingestellt. Erhöhung des Masseverhältnisses führt zur Verbesserung der dielektrischen Konstante bei Verringerung der elastischen Konstanten. Bei dem Masseverhältnis von 1 wird eine dielektrische Konstante von 2,0 bei einem Kompressionsmodul von 6 GPa erreicht. Dadurch ist nunmehr ein Netzwerk aus den fluorierten Kohlenstoffnanoröhren entstanden, wobei die einzelnen fluorierten Kohlenstoffnanoröhren an den Berührungsflächen untereinander durch das Parylene-C-Haftmittel kraftschlüssig verbunden sind.
Durch die wesentliche Verringerung der mittleren Dichte im Netzwerk der fluorierten Kohlenstoffnanoröhren wird eine signifikante Reduzierung der dielektrischen Konstante auf einen Wert von k = 1 ,8 erreicht.
Im Vergleich dazu kann mit einem dichtgepackten Bündel isolierender Kohlenstoffnanoröhren oder reiner Fullerenschichten nur ein Wert der dielektrischen Konstante von k = 4 erreicht werden.

Claims

Patentansprüche
1. Isolationsschichtmaterial für die Mikroelektronik, bestehend aus einer Vielzahl an fluorierten Kohlenstoffnanoröhren, die mittels eines Haftmittels mindestens punktuell über physikalische und/oder chemische Bindungen zu einem Netzwerk verbunden sind.
2. Isolationsschichtmaterial nach Anspruch 1 , bei dem die fluorierten Kohlenstoffnanoröhren mit der chemischen Zusammensetzung CnF aufgebaut sind (1 ,8 < n <2,2).
3. Isolationsschichtmaterial nach Anspruch 2, bei dem im Falle von Kohlenstoffatomen an der Oberfläche für n = 2 immer an jedem zweiten Kohlenstoffatom ein Fluoratom gebunden vorliegt.
4. Isolationsschichtmaterial nach Anspruch 1 , bei dem eine chemische Bindung zwischen den Fluoratomen und den Kohlenstoffatomen vorliegt.
5. Isolationsschichtmaterial nach Anspruch 1 , bei dem die Fluoratome an der Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhren angeordnet sind.
6. Isolationsschichtmaterial nach Anspruch 1, bei dem das Netzwerk bis 10 Vol.-% Kohlenstoffnanoröhren aufweist.
7. Isolationsschichtmaterial nach Anspruch 1 , bei dem ein ungeordnetes Netzwerk vorliegt.
8. Isolationsschichtmaterial nach Anspruch 1 , bei dem als Haftmittel Polyimide, fluorierte Polyimide, Polysilsequioxane, Benzocyclobutene, fluorierte Benzocyclobutene, Polyphenylene, Polyphenylquinoxaline, Copolymere von 2,2- bistrifluormethyl-4,5-difluor-1 ,3-dioxol, Perfluorfluor-alkoxy, Poly(arylenether), Parylene-C, Parylene-D, Parylene-F, Parylene-N, amorphe Polytetrafluorethylene vorhanden sind .wird.
9. Isolationsschichtmaterial nach Anspruch 1 , bei dem das Haftmittel mittels Abscheidung aus der Gasphase (Vapor phase deposition) auf die Kohlenstoffnanoröhren gelangt ist.
10. Isolationsschichtmaterial nach Anspruch 1 , bei dem das Haftmittel als Beschichtung auf den Kohlenstoffnanoröhren angeordnet ist.
11. Isolationsschichtmaterial nach Anspruch 1 , bei dem die Haftung der Kohlenstoffnanoröhren untereinander punktuell erfolgt.
12. Isolationsschichtmaterial nach Anspruch 1 , bei dem das Haftmittel in einer Menge von bis zu 20 VoI .-% vorhanden ist.
13. Isolationsschichtmaterial nach Anspruch 1 , bei dem das Isolationsschichtmaterial als Schichtmaterial in integrierten Schaltkreisen zum Einsatz kommt.
14.Verwendung einer Vielzahl von Kohlenstoffnanoröhren, die durch Fluorierung und nachfolgende Gasphasenabscheidung unter Verwendung eines Haftmittels zu einem Netzwerk verbunden worden sind, als Isolationsschichtmaterial für die Mikroelektronik.
15. Verwendung nach Anspruch 14, bei der fluorierte Kohlenstoffnanoröhren mit der chemischen Zusammensetzung CnF (1 ,8 < n <2,2) verwendet werden.
16 Verwendung nach Anspruch 14, bei der Kohlenstoffnanoröhren mit an ihrer Oberfläche chemisch gebunden Fluoratome verwendet werden.
17. Verwendung nach Anspruch 14, bei der bis 10 Vol.-% Kohlenstoffnanoröhren im Netzwerk verwendet werden.
18. Verwendung nach Anspruch 14, bei der bis zu 20 Vol.-% Parylene verwendet werden.
19. Verwendung nach Anspruch 14, bei dem das Isolationsschichtmaterial in der Mikroelektronik in integrierten Schaltkreisen zum Einsatz kommt.
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