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IC互连碳纳米管关键技术研究

作　者: 许旺
导　师: 张楷亮
学　校: 天津理工大学
专　业: 微电子与固体电子学
关键词: 集成电路 互连 碳纳米管 催化剂
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


随着集成电路特征尺寸的微细化,多层互连电子散射和晶界散射引起的电阻增大效应日益严重,当芯片特征尺寸缩小到30nm时互连线的电流承载密度将达到107A/cm2,这是目前的铜互连无法承受的。这一致命的缺陷迫使集成电路行业必须寻求新型互连材料。而且据研究表明,多壁碳纳米管（MWCNT）能承受高达1010A/cm2的电流。这一特性加上电子在碳纳米管（CNT）中的弹道传输特性使得碳纳米管引起了集成电路制造领域专家的关注,并且正在成为GLSI互连材料的最佳选择之一。为制备IC互连用高密度定向碳纳米管,首先研究了催化剂处理条件的影响。采用离子束溅射和磁控溅射技术分别制备了Fe、Ni催化剂薄膜,并用PECVD进行等离子体处理。比较了不同沉积方式、加热速率、等离子体功率和催化剂膜厚等因素的影响。并在此基础上利用PECVD进行碳纳米管生长实验,研究了不同压强、不同碳源和不同温度对于碳纳米管生长的影响。利用SEM、AFM、TEM和Raman对催化剂颗粒形貌及CNT结构特性进行了分析表征。关于高密度催化剂和定向碳纳米管的制备研究,所取得的结果如下:首先,采用磁控溅射的方式制备出了具有较高密度的催化剂颗粒,颗粒尺寸约100nm,并在此基础上实现碳纳米管生长。为进一步提高催化剂密度并减小颗粒尺寸,采用离子束方式生长催化剂薄膜,经预处理后,催化剂密度进一步提高,颗粒尺寸在20nm左右。其次,在生长出高密度催化剂颗粒的基础上,采用PECVD的方式生长碳纳米管,研究了碳源、压强、温度等生长参数对于碳纳米管生长的影响,最终实现了碳纳米管的垂直定向生长。另外,采用乙炔作为碳源在550℃下实现了碳纳米管的生长。最后,从互连应用的角度分析了碳纳米管的互连模型、高频特性和热学特性。总之,本文通过系列研究,优化了高密度高定向CNT生长催化剂的处理条件,成功的制备出了高密度纳米催化剂颗粒及定向生长的碳纳米管,为CNT-IC互连打下基础。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-24
  1.1 研究背景  10-12
    1.1.1 集成电路互连现状  10-11
    1.1.2 Cu 互连线的挑战  11-12
  1.2 碳纳米管的特性及其互连应用  12-20
    1.2.1 碳纳米管的结构  13-15
    1.2.2 碳纳米管的电特性  15-17
    1.2.3 碳纳米管的热特性  17-18
    1.2.4 碳纳米管的互连应用  18-20
  1.3 碳纳米管互连的国内外研究现状  20-21
  1.4 碳纳米管互连的挑战  21-22
  1.5 本文主要研究内容  22-24
第二章 实验和测试  24-32
  2.1 高密度催化剂的制备  24-27
  2.2 碳纳米管的生长  27-29
  2.3 表征技术  29-32
    2.3.1 SEM 表征  29-30
    2.3.2 TEM 表征  30-31
    2.3.3 AFM 表征  31
    2.3.4 拉曼光谱表征  31-32
第三章 高密度催化剂制备及碳纳米管生长的研究  32-47
  3.1 磁控溅射制备催化剂颗粒及其对纳米管生长的影响  32-35
    3.1.1 不同膜厚对催化剂形成的影响  33
    3.1.2 不同处理功率对催化剂形成的影响  33-34
    3.1.3 基于磁控溅射制备催化剂的CNT 生长实验  34-35
  3.2 离子束溅射制备催化剂颗粒及其对纳米管生长的影响  35-40
    3.2.1 不同溅射方式对催化剂颗粒的影响  35
    3.2.2 不同种类催化剂对碳纳米管生长的影响  35-37
    3.2.3 不同加热速度对催化剂的影响  37
    3.2.4 不同处理功率对催化剂的影响  37-38
    3.2.5 不同厚度金属薄膜对催化剂及纳米管生长的影响  38-40
  3.3 碳纳米管生长参数的研究  40-47
    3.3.1 压强对碳纳米管生长的影响  40-42
    3.3.2 不同碳源对碳纳米管生长的影响  42-43
    3.3.3 不同温度对碳纳米管生长的影响  43-45
    3.3.4 碳纳米管的生长机制分析  45-47
第四章 碳纳米管互连分析  47-55
  4.1 碳纳米管互连线模型  47-51
    4.1.1 电阻  47-49
    4.1.2 电容  49-50
    4.1.3 电感  50-51
  4.2 碳纳米管互连线高频分析  51-53
  4.3 碳纳米管互连热特性分析  53-55
第五章 结论  55-56
参考文献  56-61
发表论文和科研情况说明  61-62
致谢  62-63

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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