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(ULSI) causes an increase of the resistance of the wiring system by increased scattering of electrons at side walls and grain boundaries in the state of the art Cu technology, which increases the RC delay of the interconnect system and thus degrades the performance of the device. The outstanding properties of carbon nanotubes (CNT) such as a large mean free path, a high thermal conductance and a large resistance against electromigration make them an ideal candidate to replace Cu in future feature nodes. The present thesis contributes to the preparation and properties of CNT based vertical interconnections (vias). In addition, all processes applied during the fabrication are compatible to ULSI and an interface between CNT based vias and a Cu metallization is studied. The methodology for the evaluation of CNT based vias is improved; it is highlighted that by measuring the resistance of one multiwall CNT and taking into account the CNT density, the performance of the CNT based vias can be predicted accurately. This provides the means for a systematic evaluation of different integration procedures and materials. The lowest contact resistance is obtained for carbide forming metals, as long as oxidation during the integration is avoided. Even though metal-nitrides exhibit an enhanced contact resistance, they are recommended to be used at the bottom metallization in order to minimize the oxidation of the metal-CNT contact during subsequent processing steps. Overall a ranking for the materials from the lowest to the highest contact resistance is obtained: Ta < Ti < TaN < TiN « TiO2 « Ta2O5 Furthermore the impact of post CNT growth procedures as chemical mechanical planarization, HF treatment and annealing procedures after the CNT based via fabrication are evaluated. The conductance of the incorporated CNTs and the applicable electrical transport regime relative to the CNT quality and the CNT length is discussed. In addition, a strong correlation between the temperature coefficient of resistance and the initial resistance of the CNT based vias at room temperature has been observed. / Die kontinuierliche Miniaturisierung der charakteristischen Abmessungen in hochintegrierten Schaltungen (ULSI) verursacht einen Anstieg des Widerstandes im Zuleitungssystem aufgrund der erhöhten Streuung von Elektronen an Seitenwänden und Korngrenzen in der Cu-Technologie, wodurch die Verzögerungszeit des Zuleitungssystems ansteigt. Die herausragenden Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren (CNT), wie eine große mittlere freie Weglänge, hohe thermische Leitfähigkeit und eine starke Resistenz gegenüber Elektromigration machen diese zu einem idealen Kandidaten, um Cu in zukünftigen Technologiegenerationen zu ersetzen. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Herstellung und daraus resultierenden Eigenschaften von Zwischenebenenkontakten (Vias) basierend auf CNTs. Alle verwendeten Prozessierungsschritte sind kompatibel mit der Herstellung von hochintegrierten Schaltkreisen und eine Schnittstelle zwischen den CNT Vias und einer Cu-Metallisierung ist vorhanden. Insbesondere das Verfahren zur Evaluierung von CNT Vias wurde durch den Einsatz verschiedener Methoden verbessert. Insbesondere soll hervorgehoben werden, dass durch die Messung des Widerstandes eines einzelnen CNTs, bei bekannter CNT Dichte, der Via Widerstand sehr genau vorausgesagt werden kann. Dies ermöglicht eine systematische Untersuchung des Einflusses der verschiedenen Prozessschritte und der darin verwendeten Materialien auf den Via Widerstand. Der niedrigste Kontaktwiderstand wird für Karbidformierende Metalle erreicht, solange Oxidationsprozesse ausgeschlossen werden können. Obwohl Metallnitride einen höheren Kontaktwiderstand aufweisen, sind diese für die Unterseitenmetallisierung zu empfehlen, da dadurch die Oxidation der leitfähigen Schicht minimiert wird. Insgesamt kann eine Reihenfolge beginnend mit dem niedrigsten zum höchsten Kontaktwiderstand aufgestellt werden: Ta < Ti < TaN < TiN « TiO2 « Ta2O5 Desweiteren wurde der Einfluss von Verfahren nach dem CNTWachstum wie die chemischmechanische Planarisierung, eine HF Behandlung und einer Temperaturbehandlung evaluiert, sowie deren Einfluss auf die elektrischen Parameter des Vias untersucht. Die Leitfähigkeit der integrierten CNTs und die daraus resultierenden elektrischen Transporteigenschaften in Abhängigkeit der CNT Qualität und Länge werden besprochen. Ebenso wird die starke Korrelation zwischen dem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes und des Ausgangswiderstandes der CNT basierten Vias bei Raumtemperatur diskutiert.

Afin de produire des champs magnétiques intenses (100 T), les fils conducteurs utilisés dans les bobines pulsées doivent présenter une contrainte à la rupture élevée et une très faible résistivité électrique. Le LNCMI et l'équipe NNC du CIRIMAT explorent des solutions originales basées sur l'élaboration de fils de cuivre nanostructuré et de fils nanocomposites nanotube de carbone - cuivre (NTC-Cu) par la combinaison originale du spark plasma sintering (SPS) et de l'étirage à température ambiante. Des barreaux de cuivre ont été élaborés par SPS à partir de poudres commerciales micrométriques. La croissance cristalline est très faible et la taille des grains de cuivre est 10 fois plus petite que celle des précurseurs de fils classiques. Les barreaux ont été étirés, sans rupture, sous forme de fils de diamètre décroissant (jusqu'à 0,198 mm) et de plusieurs mètres de long. Les grains ultrafins de Cu sont fortement allongés dans la direction de l'étirage. Aucune macle n'a été observée. Tous nos fils de cuivre présentent une résistance à la rupture en traction (à 293K et 77K) supérieure à celle des fils préparés à partir d'un précurseur de cuivre OFHC classique, ce qui pourrait résulter de la combinaison de l'écrouissage et des mécanismes d'Orowan. La résistivité électrique des fils est environ 12% plus élevée que celle des fils de cuivre OFHC. Pour les composites NTC-Cu, une adaptation de la méthode de mélange (fonctionnalisation des NTC biparois et à huit parois, mélange, cryogénisation, lyophilisation, réduction sous H2) a permis de produire des lots de poudre de 14 g en ayant une dispersion homogène des NTC. Du fait de la très faible teneur en carbone (= 1%), la préparation des barreaux puis des fils par les méthodes employées pour le cuivre pur est possible sans modification. La contrainte maximale à la rupture des fils NTC-Cu est supérieure (10-25%) à celle des fils de cuivre correspondants. Les NTC ont peu d'influence sur la microstructure du cuivre et leur probable alignement permet de bénéficier de leur grande résistance en traction. La résistivité est légèrement supérieure à celle des fils de cuivre correspondants (environ 12% à 77K). Le dernier chapitre est consacré à la préparation d'éprouvettes " os-de-chien " (Cu et NTC-Cu) directement par SPS " near-net-shape ". Nous avons mis en évidence l'influence de la nature du matériau dans lequel est usinée la matrice (graphite ou WC-Co) sur la microstructure, la microdureté et la contrainte à la rupture, pour un même cycle de frittage. / In order to produce high magnetic fields (100 T), the conducting wires used in pulsed coils must show both a high tensile strength and very low electrical resistivity. The LNCMI and NNC team of CIRIMAT explore creative solutions based on the development of nanostructured copper wires and carbon nanotube - copper (CNT-Cu) nanocomposite wires by the original combination of spark plasma sintering (SPS) and room-temperature wire-drawing (WD). Copper cylinders were prepared by SPS of micrometric commercial powders. Crystal growth is very low and the copper grains size is 10 times lower than for conventional wire precursors. The cylinders were wire-drawn, without breaking, into wires of decreasing diameter (down to 0.198 mm) and several meters long. The ultrafine Cu grains are highly elongated in the WD direction. No twinning was observed. Our copper wires show an ultimate tensile strength (UTS) at 293K and 77K higher than those for wires prepared from conventional OFHC copper, which could result from the combination of strain hardening and Orowan mechanisms. The electrical resistivity is about 12% higher than those for the OFHC wires. For the CNT-Cu nanocomposites, an adaptation of preparation route (functionalization of double-walled and eight-walled CNTs, mixing, freeze-drying, H2 reduction) resulted in the production of 14 g powder batches with a homogeneous dispersion of the CNTs. Due to the very low carbon content (= 1%), the preparation of the cylinders and wires by the methods used for pure copper is possible without modification. The UTS of the CNT-Cu wirers is 10-25% higher than for the corresponding copper wires. The CNTs have little influence on the Cu microstructure and their probable alignment allows one to benefit from their high tensile strength. The electrical resistivity is only moderately higher than for the corresponding copper wires (about 12% at 77K). The last chapter was devoted to the preparation of "dog-bone" Cu and CNT-Cu test samples by "near-net-shape" SPS. We have brought to the fore the influence of the nature of the die (graphite or WC-Co) on the microstructure, microhardness and tensile strength, for the same sintering cycle.

The Thesis reports charge transport studies on conducting polymers, polymer carbon nanotube composites and organic semiconductor devices. Conducting and semiconducting polymers consisting of π-conjugated chains have attracted considerable attention as they combine the optoelectronic properties of semiconductors with mechanical properties and processing advantages of plastics. The chemical/electrochemical/photodoping of these semiconducting polymers can tune the Fermi levels and conductivity in a controlled way, and hence the properties of devices can be easily tailored to suit in several applications. Carbon nanotube (CNT) is another another novel promising material for electronic/optoelectronic applications. Lately there has been a great interest in developing composites of polymer and CNTs to utilize the advantages of both CNTs and polymers. The inclusion of CNTs in polymers improves the mechanical, electrical and thermal properties since the aspect ratio (ratio of length to diameter) is very large, as well its density is rather low. The Thesis consists of 6 chapters. First chapter is a brief introduction of general and transport properties of conducting polymers and polymer-carbon nanotube composites. In Chapter 2, the sample preparation and experimental techniques used in this work are discussed. The charge transport in poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT-PSS) is presented in Chapter 3. Chapter 4 focuses on the transport measurements in the polymer-CNT composite samples. Chapter 5 elaborates the ac and dc characterization of organic field-effect transistors (OFETs). And chapter 6 presents the conclusion and future directions of the work that has been presented in the Thesis. Chapter 1: In the scientific and technological revolution of the last few years, the study of high performance materials has been steadily increasing including the study of carbon-based materials. Conducting polymers have special properties that are interesting for this new technology. The charge transport in conjugated polymers is important to optimize the performance of devices. The discovery of CNTs with exceptional thermal, mechanical, optical, electrical and structural properties has facilitated the synthesis of new type of nanocomposites with very interesting properties. Nanocomposites represent a guest-host matrix consisting of easily processible functionalized conjugated polymer as host, incorporating CNTs as fillers with versatile electronic and magnetic properties, which provide a wide range of technological applications. To optimize their electrical properties it is essential to understand the charge transport mechanism in detail. Chapter 2: The multi-wall carbon nanotubes (MWNTs) grown by thermal chemical vapor deposition (CVD) are mixed with a 1:1 mixture of 98% H2SO4 and 70% HNO3 to produce sulfonic acid functionalized multi-wall carbon nanotubes (s-MWNTs). The s-MWNTs are dispersed in a solution of Nafion by ultrasonication and then cast on a glass substrate and slowly dried by moderate heating to obtain the composite films. Polyaniline (PANI)-MWNT composites were obtained by carrying out the chemical synthesis of nanofibrilar PANI in the presence of CNTs. This water dispersible PANIMWNT composite contains well segregated MWNTs partially coated by nanofibrilar PANI. The ac and dc charge transport measurements suggest hopping transport in these materials. OFETs are fabricated with pentacene, poly(2,5-bis(3-tetradecylthiophen-2-yl)thieno[3,2-b]thiophene)(PBTTT) and poly(3-hexylthiophene) (P3HT) as active materials. A novel technique is used to characterize the acphotoresponse of these OFETs. Chapter 3: Charge transport studies on PEDOT-PSS have been carried out and found that it correlates with the morphology. The dc conductivity of PEDOT–PSS shows enhanced delocalization of the carriers upon the addition of dimethyl sulfoxide (DMSO) and this is attributed to the extended chain conformation. PEDOT-PSS is known to form a phase-segregated material comprising highly conducting PEDOT grains that are surrounded by a sea of weakly ionic-conducting PSS and a wide variation in the charge transport properties of PEDOT-PSS films is attributed to the degree of phasesegregation of the excess insulating polyanion. The magnetotransport and temperature dependent ac transport parameters across different conducting grades of PEDOT-PSS processed with DMSO were compared. Depending on the subtle alterations in morphology, the transport at low temperatures is shown to vary from the hopping regime (Baytron P) to critical regime of the metal-insulator transition (Baytron PH510) There is a significant positive magnetoresistance (MR) for P–films, but this is considerably less in case of PH510-film. From the low temperature ac conductance it is found that the onset frequency for PH510 is nearly temperature independent, whereas in P type it is strongly temperature dependent, again showing the superior transport in PH510. The presence of ‘shorter network connections’ together with a very weak temperature dependence down to ~ 5 K, suggest that the limitation on transport in PH510 arises from the connectivity within the PEDOT-rich grain rather than transport via the PSS barriers. Chapter 4: DC and AC charge transport properties of Nafion s-MWNT and PANI-MWNT composites are studied. Such a detailed investigation is required to optimize the correlation among morphology and transport properties in these composites towards applications in field-effect transistors, antistatic coating, electromagnetic shielding, etc. The conductivity in Nafion s-MWNT shows a percolative transport with percolation threshold pc = 0.42 whereas such a sharp percolation is absent in PANI-MWNT composite since the conduction via PANI matrix smears out the onset of rapid increase in conductivity. Three-dimensional variable range hopping (VRH) transport is observed in Nafion s-MWNT composites. The positive and negative MR data on 10 wt. % sample are analyzed by taking into account forward interference mechanism (negative MR) and wave-function shrinkage (positive MR), and the carrier scattering is observed to be in the weak limit. The electric-field dependence, measured to high fields, follows the predictions of hopping transport in high electric-field regime. The ac conductivity in 1 wt. % sample follows a power law: ( )  A s , and s decreases with increasing temperature as expected in the correlated barrier hopping (CBH) model. In general, Mott’s VRH transport is observed in PANI-MWNT samples. It is found that the MWNTs are sparingly adhered with PANI coatings, and this facilitates inter-tube hopping at low temperatures. The negative MR of MWNT-PANI composites suggest that the electronic transport at low temperatures is dominated by MWNT network. AC impedance measurements at low temperatures with different MWNT loading show that ac conductivity become temperature independent as the MWNT content increases. The onset frequency for the increase in conductivity is observed to be strongly dependent on the MWNT weight percentage, and the ac conductivity can be scaled onto a master curve given by  ( )  0[1 k( 0 )s ]. Chapter 5: Organic field-effect transistors (OFETs) based on small molecules and polymers have attracted considerable attention due to their unique advantages, such as low cost of fabrication, ease of processing and mechanical flexibility. Impedance characterization of these devices can identify the circuit elements present in addition to the source-drain (SD) channel, and the bottlenecks in charge transport can be identified. The charge carrier trapping at various interfaces and in the semiconductor can be estimated from the dc and ac impedance measurements under illumination. The equivalent circuit parameters for a pentacene OFET are determined from low frequency impedance measurements in the dark as well as under light illumination. The charge accumulation at organic semiconductor–metal interface and dielectric semiconductor interface is monitored from the response to light as an additional parameter to find out the contributions arising from photovoltaic and photoconductive effects. The shift in threshold voltage is due to the accumulation of photogenerated carriers under SD electrodes and at dielectric–semiconductor interface, and also this dominates the carrier transport. Similar charge trapping is observed in an OFET with PBTTT as the active material. This novel method can be used to differentiate the photophysical phenomena occurring in the bulk from that at the metal-semiconductor interface for the polymer. Chapter 6: The conclusions from the various works presented in the thesis are coherently summarized in this chapter. Thoughts for future directions are also summed up.

Kohlenstoffnanoröhrchen (engl. carbon nanotube, CNT) sind vielversprechende Kandidaten für den Ersatz von Kupferleitbahnen die bei weiterer Strukturverkleinerung von integrierten Schaltkreisen notwendig wird. In dieser Arbeit wird mit Hilfe von ab-initio Simulationen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie die elektronische Struktur von halbleitenden CNTs beispielhaft anhand des (8,4)-CNTs untersucht. Nach Besetzung des CNT mit Metallatomen, hier Kobalt, zeigen sich massive Änderungen der Bandstruktur. Es reichen bereits überraschend kleine Mengen des Metalls aus, um einen starken Effekt zu erreichen. Die Änderungen der elektronischen Struktur sind stark abhängig von der genauen Position der Metallatome relativ zum Kohlenstoffgerüst der CNTs, der Einfluss der mechanischen Verformung des CNTs als Reaktion auf die Anlagerung ist hingegen sehr gering. Die relevanten Bänder der Kobaltatome liegen leicht unterhalt der Fermi-Energie und sorgen bei der Integration in die Bandstruktur des CNTs für die Schließung der Bandlücke und somit für die Transformation eines vorher halbleitenden CNTs in ein leitendes. Diese Transformation konnte auch mit Simulationsrechnungen zum Elektronentransport bestätigt werden. Ferner wurden bei weiteren Rechnungen eine ausgeprägte Spinabhängigkeit der Bandstruktur ermittelt, welche noch weiterer Untersuchung bedarf.

Carbon nanotubes (CNTs) are a highly promising material for future interconnects. It is expected that the decoration of CNTs with Cu particles or also the filling of the interspaces between the CNTs with Cu instead of the currently used SiO2 can enhance the performance of CNT-based interconnects. Due to the high aspect ratio of CNTs an appropriate deposition technique has to be applied which is able to coat such structures uniformly. The current work is therefore considered with thermal atomic layer deposition (ALD) of CuxO from the liquid Cu (I) β-diketonate precursor [(nBu3P)2Cu(acac)] and wet oxygen at 135°C on variously pretreated multi-walled CNTs. The different in-situ pre-treatments of the CNTs with oxygen, water vapor and wet oxygen in a temperature range from 100 to 300°C at a pressure of 1.33 mbar have been carried out prior to the ALD to enable uniform nucleation on the otherwise chemical inert CNT surface. The reduction of the CuxO as well as the filling of the space between the CNTs is not part of this work. Variations of the oxidation temperature as well as the oxidation agents resulted in different growth modes of the CuxO. An oxidation with wet oxygen at 300°C yielded in a partially layer like growth of the CuxO. It is expected that this growth mode is connected to a partial destruction of the outer CNT shell due to the oxidation. However, the damage introduced to the CNTs was not high enough to be detected by Raman spectroscopy. For all other investigated pretreatments, the formation of nanoparticles (NPs) was observed by electron microscopy. This formation of CuxO NPs can be explained by the metal-tube-interaction. Furthermore, the NPs probably decorate defect sites of the CNTs due to their higher reactivity. Additionally, analysis of energy-dispersive X-ray spectroscopy and spectroscopic ellipsometry measurements suggests that the used precursor [(nBu3P)2Cu(acac)] requires reactive oxygen surface groups for initiating the ALD growth. The observation of layer-like growth of CuxO on CNTs pretreated with wet oxygen at 300°C appears promising for deposition processes of Cu seed layers on CNTs. However, more aggressive pretreatments at higher temperatures or with more aggressive oxidation agents could be required to enable layer like growth on the entire CNTs.

We investigate the electronic transport properties of semiconducting (m, n) carbon nanotubes (CNTs) on the mesoscopic length scale with arbitrarily distributed realistic defects. The study is done by performing quantum transport calculations based on recursive Green's function techniques and an underlying density-functional-based tight-binding model for the description of the electronic structure. Zigzag CNTs as well as chiral CNTs of different diameter are considered. Different defects are exemplarily represented by monovacancies and divacancies. We show the energy-dependent transmission and the temperature-dependent conductance as a function of the number of defects. In the limit of many defetcs, the transport is described by strong localization. Corresponding localization lengths are calculated (energy dependent and temperature dependent) and systematically compared for a large number of CNTs. It is shown, that a distinction by (m − n)mod 3 has to be drawn in order to classify CNTs with different bandgaps. Besides this, the localization length for a given defect probability per unit cell depends linearly on the CNT diameter, but not on the CNT chirality. Finally, elastic mean free paths in the diffusive regime are computed for the limit of few defects, yielding qualitatively same statements.

The continuous migration to smaller feature sizes puts high demands on materials and technologies for future ultra-large-scale integrated circuits. Particularly, the copper-based interconnect system will reach fundamental limits soon. Their outstanding properties make metallic carbon nanotubes (CNTs) an ideal material to partially replace copper in future interconnect architectures. Here, a low contact resistance to existing metal lines is crucial. The present thesis contributes to the theory and numerical description of electronic transport in metallic CNTs with metal contacts. Different theoretical approaches are applied to various contact models and electrode materials (Al, Cu, Pd, Ag, Pt, Au) are compared. Ballistic transport calculations are based on the non-equilibrium Greens function formalism combined with tight-binding (TB), extended Hückel theory (EHT) and density functional theory (DFT). Simplified contact models allow a qualitative investigation of both the influence of geometry and CNT length, and the strength and extent of the contact on the transport properties. In addition, such simple contact models are used to compare the influence of different electronic structure methods on transport. It is found that the semiempirical TB and EHT are inadequate to quantitatively reproduce the DFT-based results. Based on this observation, an improved set of Hückel parameters is developed, which remedies this insufficiency. A systematic investigation of different contact materials is carried out using well defined atomistic metal-CNT-metal structures, optimized in a systematic way. Analytical models for the CNT-metal interaction are proposed. Based on that, electronic transport calculations are carried out, which can be extended to large systems by applying the computationally cheap improved EHT. The metal-CNT-metal systems can then be ranked by average conductance: Ag ≤ Au < Cu < Pt ≤ Pd < Al. This corresponds qualitatively with calculated contact distances, binding energies and work functions of CNTs and metals. To gain a deeper understanding of the transport properties, the electronic structure of the metal-CNT-metal systems and their respective parts is analyzed in detail. Here, the energy resolved local density of states is a valuable tool to investigate the CNT-metal interaction and its influences on the transport. / Die kontinuierliche Verkleinerung der Strukturgrößen stellt hohe Anforderungen an Materialen und Technologien zukünftiger hochintegrierter Schaltkreise. Insbesondere die Leistungsfähigkeit kupferbasierte Leitbahnsystem wird bald an fundamentale Grenzen stoßen. Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften könnten metallische Kohlenstoffnanoröhren (engl. Carbon Nanotubes, CNTs) Kupfer in zukünftigen Leitbahnsystemen teilweise ersetzen. Dabei ist ein geringer Kontaktwiderstand mit vorhandenen Leitbahnen von entscheidender Bedeutung. Die vorliegende Arbeit liefert grundlegende Beiträge zur Theorie und zur numerischen Beschreibung elektronischer Transporteigenschaften metallischer CNTs mit Metallkontakten. Dazu werden verschiedene theoretische Ansätze auf diverse Kontaktmodelle angewandt und eine Auswahl von Elektrodenmaterialen (Al, Cu, Pd, Ag, Pt, Au) verglichen. Die Beschreibung ballistischen Elektronentransports erfolgt mittels des Formalismus der Nichtgleichgewichts-Green-Funktionen in Kombination mit Tight-Binding (TB), erweiterter Hückel-Theorie (EHT) und Dichtefunktionaltheorie (DFT). Vereinfachte Kontaktmodelle dienen der qualitativen Untersuchung des Einflusses von Geometrie und Länge der Nanoröhren, sowie von Stärke und Ausdehnung des Kontaktes. Darüber hinaus erlauben solch einfache Modelle mit geringem numerischen Aufwand den Einfluss verschiedener Elektronenstrukturmethoden zu untersuchen. Es zeigt sich, dass die semiempirischen Methoden TB und EHT nicht in der Lage sind die Ergebnisse der DFT quantitativ zu reproduzieren. Ausgehend von diesen Ergebnissen wird ein verbesserter Satz von Hückel-Parametern generiert, der diesen Mangel behebt. Die Untersuchung verschiedener Kontaktmaterialien erfolgt an wohldefinierten atomistischen Metall-CNT-Metall-Strukturen, welche systematisch optimiert werden. Analytische Modelle zur Beschreibung der CNT-Metall-Wechselwirkung werden vorgeschlagen. Darauf aufbauende Berechnungen der elektronischen Transporteigenschaften, können mit Hilfe der verbesserten EHT auf große Systeme ausgedehnt werden. Die Ergebnisse ermöglichen eine Reihung der Metall-CNT-Metall-Systeme hinsichtlich ihrer Leitfähigkeit: Ag ≤ Au < Cu < Pt ≤ Pd < Al. Dies korrespondiert qualitativ mit berechneten Kontaktabständen, Bindungsenergien und Austrittarbeiten der CNTs und Metalle. Zum tieferen Verständnis der Transporteigenschaften erfolgt eine detaillierte Analyse der elektronischen Struktur der Metall-CNT-Metall-Systeme und ihrer Teilsysteme. Dabei erweist sich die energieaufgelöste lokale Zustandsdichte als nützliches Werkzeug zur Visulisierung und zur Charakterisierung der Wechselwirkung zwischen CNT und Metall sowie deren Einfluss auf den Transport.

Since there is a continuous shrinking of feature sizes in ultra-large scale integrated (ULSI) circuits, requirements on materials and technology are going to rise dramatically in the near future. In particular, at the interconnect system this calls for new concepts and materials. Therefore, carbon nanotubes (CNTs) are considered as a promising material to replace partly or entirely metal interconnects in such devices. The present thesis aims to make a contribution to the CNT growth control with the thermal chemical vapor deposition (CVD) method and the integration of CNTs as vertical interconnects (vias) in ULSI circuits. Different support/catalyst systems are examined in processes for catalyst pretreatment and CNT growth. The investigations focus on the catalyst formation and the interactions at the interfaces. Those effects are related to the CNT growth. To get an insight into interactions at interfaces, film structure, composition, and CNT growth characteristics, samples are extensively characterized by techniques like AFM, SEM, TEM, XRD, XPS, and Raman spectroscopy. Screening studies on nanoparticle formation and CNT growth with the well known system SiO2/Ni are presented. This system is characterized by a weak support/catalyst interaction, which leads to undirected growth of multi-walled CNTs (MWCNTs). By contrast, at the Ta/Ni system a strong interaction causes a wetting of catalyst nanoparticles and vertically aligned MWCNT growth. At the system W/Ni a strong interaction at the interface is found as well, but there it induces Stranski-Krastanov catalyst film reformation upon pretreatment and complete CNT growth inhibition. Studies on the SiO2/Cr/Ni system reveal that Cr and Ni act as a bi-catalyst system, which leads to a novel nanostructure defined as interlayer CNT (ICNT) structure. The ICNT films are characterized by well crystallized vertically aligned MWCNTs, which grow out a Cr/Ni layer lifted off as a continuous and very smooth layer from the substrate with the growth. Besides, this nanostructure offers new possibilities for the integration of CNTs in different electronic applications. Based on the presented possibilities of manipulating CNT growth, an integration technology was derived to fabricate CNT vias. The technology uses a surface mediated site-selective CVD for the growth of MWCNTs in via structures. Developments are demonstrated with the fabrication of via test vehicles and the site-selective growth of MWCNTs in vias on 4 inch wafers. Furthermore, the known resistance problem of CNT vias, caused by too low CNT density, is addressed by a new approach. A CNT/metal heterostructure is considered, where the metal is implemented through atomic layer deposition (ALD). The first results of the coating of CNTs with readily reducible copper oxide nanoparticles are presented and discussed. / Aufgrund der kontinuierlichen Verkleinerung von Strukturen in extrem hoch integrierten (engl. Ultra-Large Scale Integration − ULSI) Schaltkreisen werden die Anforderungen an die Materialien und die Technologie in naher Zukunft dramatisch ansteigen. Besonders im Leitbahnsystem sind neue Materialien und Konzepte gefragt. Kohlenstoffnanoröhren (engl. Carbon Nanotubes − CNT) stellen hierbei ein vielversprechendes Material dar, um teilweise oder sogar vollständig metallische Leitbahnen zu ersetzen. Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zur CNT-Wachstumskontrolle mit der thermischen Gasphasenabscheidung (engl. Chemical Vapor Deposition − CVD) sowie der Integration von CNTs als vertikale Leitungsverbindungen (Via) in ULSI-Schaltkreisen. Verschiedene Untergrund/Katalysator-Systeme werden in Prozessen zur Katalysatorvorbehandlung sowie zum CNT-Wachstum betrachtet. Die Untersuchungen richten sich insbesondere auf die Katalysatorformierung und die Wechselwirkungen an den Grenzflächen. Diese werden mit dem CNT-Wachstum in Verbindung gebracht. Für Untersuchungen von Grenzflächeninteraktionen, Schichtstruktur, Zusammensetzung sowie CNT-Wachstumscharakteristik werden Analysen mit AFM, REM, TEM, XRD, XPS und Raman-Spektroskopie genutzt. Zunächst werden Voruntersuchungen an dem gut bekannten System SiO2/Ni zur Nanopartikelformierung und CNTWachstum vorgestellt. Dieses System ist gekennzeichnet durch eine schwache Wechselwirkung zwischen Untergrund und Katalysator sowie ungerichtetem Wachstum von mehrwandigen CNTs (MWCNTs). Im Gegensatz dazu hat bei dem System Ta/Ni eine starke Interaktion an der Grenzfläche eine Katalysatornanopartikelbenetzung und vertikales MWCNT-Wachstum zur Folge. Für das W/Ni-System gelten ebenfalls starke Interaktionen an der Grenzfläche. Bei diesem System wird allerdings eine Stranski-Krastanov-Schichtformierung des Katalysators und eine vollständige Unterbindung von CNT-Wachstum erreicht. Bei dem System SiO2/Cr/Ni agieren Cr und Ni als Bi- Katalysatorsystem. Dies führt zu einer neuartigen Nanostruktur, die als Zwischenschicht-CNT (engl. Interlayer Carbon Nanotubes − ICNTs) Struktur definiert wird. Die Schichten sind durch eine gute Qualität von gerichteten MWCNTs charakterisiert, die aus einer geschlossenen, sehr glatten und von den CNTs getragenen Cr/Ni-Schicht herauswachsen. Darüber hinaus bietet die Struktur neue Möglichkeiten für die Integration von CNTs in verschiedene elektronische Anwendungen. Auf der Grundlage der vorgestellten Manipulationsmöglichkeiten von CNT-Wachstum wurde eine Integrationstechnologie für CNTs in Vias abgeleitet. Der Ansatz ist eine oberflächeninduzierte selektive CVD von vertikal gerichteten MWCNTs in Via-Strukturen. Diese Technologie wird mit der Herstellung von einem Via-Testvehikel und dem selektiven CNT-Wachstum in Vias auf 4 Zoll Wafern demonstriert. Um das Widerstandsproblem von CNT-Vias, verursacht durch eine zu niedrige CNT-Dichte, zu reduzieren, wird eine Technologieerweiterung vorgeschlagen. Der Ansatz geht von einer CNT/Metall-Heterostruktur aus, bei der das Metall mit Hilfe der Atomlagenabscheidung (engl. Atomic Layer Deposition − ALD) implementiert wird. Es werden erste Ergebnisse zur CNT-Beschichtung mit reduzierbaren Kupferoxidnanopartikeln vorgestellt und diskutiert.

The continuous migration to smaller feature sizes puts high demands on materials and technologies for future ultra-large-scale integrated circuits. Particularly, the copper-based interconnect system will reach fundamental limits soon. Their outstanding properties make metallic carbon nanotubes (CNTs) an ideal material to partially replace copper in future interconnect architectures. Here, a low contact resistance to existing metal lines is crucial. The present thesis contributes to the theory and numerical description of electronic transport in metallic CNTs with metal contacts. Different theoretical approaches are applied to various contact models and electrode materials (Al, Cu, Pd, Ag, Pt, Au) are compared. Ballistic transport calculations are based on the non-equilibrium Greens function formalism combined with tight-binding (TB), extended Hückel theory (EHT) and density functional theory (DFT). Simplified contact models allow a qualitative investigation of both the influence of geometry and CNT length, and the strength and extent of the contact on the transport properties. In addition, such simple contact models are used to compare the influence of different electronic structure methods on transport. It is found that the semiempirical TB and EHT are inadequate to quantitatively reproduce the DFT-based results. Based on this observation, an improved set of Hückel parameters is developed, which remedies this insufficiency. A systematic investigation of different contact materials is carried out using well defined atomistic metal-CNT-metal structures, optimized in a systematic way. Analytical models for the CNT-metal interaction are proposed. Based on that, electronic transport calculations are carried out, which can be extended to large systems by applying the computationally cheap improved EHT. The metal-CNT-metal systems can then be ranked by average conductance: Ag ≤ Au < Cu < Pt ≤ Pd < Al. This corresponds qualitatively with calculated contact distances, binding energies and work functions of CNTs and metals. To gain a deeper understanding of the transport properties, the electronic structure of the metal-CNT-metal systems and their respective parts is analyzed in detail. Here, the energy resolved local density of states is a valuable tool to investigate the CNT-metal interaction and its influences on the transport. / Die kontinuierliche Verkleinerung der Strukturgrößen stellt hohe Anforderungen an Materialen und Technologien zukünftiger hochintegrierter Schaltkreise. Insbesondere die Leistungsfähigkeit kupferbasierte Leitbahnsystem wird bald an fundamentale Grenzen stoßen. Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften könnten metallische Kohlenstoffnanoröhren (engl. Carbon Nanotubes, CNTs) Kupfer in zukünftigen Leitbahnsystemen teilweise ersetzen. Dabei ist ein geringer Kontaktwiderstand mit vorhandenen Leitbahnen von entscheidender Bedeutung. Die vorliegende Arbeit liefert grundlegende Beiträge zur Theorie und zur numerischen Beschreibung elektronischer Transporteigenschaften metallischer CNTs mit Metallkontakten. Dazu werden verschiedene theoretische Ansätze auf diverse Kontaktmodelle angewandt und eine Auswahl von Elektrodenmaterialen (Al, Cu, Pd, Ag, Pt, Au) verglichen. Die Beschreibung ballistischen Elektronentransports erfolgt mittels des Formalismus der Nichtgleichgewichts-Green-Funktionen in Kombination mit Tight-Binding (TB), erweiterter Hückel-Theorie (EHT) und Dichtefunktionaltheorie (DFT). Vereinfachte Kontaktmodelle dienen der qualitativen Untersuchung des Einflusses von Geometrie und Länge der Nanoröhren, sowie von Stärke und Ausdehnung des Kontaktes. Darüber hinaus erlauben solch einfache Modelle mit geringem numerischen Aufwand den Einfluss verschiedener Elektronenstrukturmethoden zu untersuchen. Es zeigt sich, dass die semiempirischen Methoden TB und EHT nicht in der Lage sind die Ergebnisse der DFT quantitativ zu reproduzieren. Ausgehend von diesen Ergebnissen wird ein verbesserter Satz von Hückel-Parametern generiert, der diesen Mangel behebt. Die Untersuchung verschiedener Kontaktmaterialien erfolgt an wohldefinierten atomistischen Metall-CNT-Metall-Strukturen, welche systematisch optimiert werden. Analytische Modelle zur Beschreibung der CNT-Metall-Wechselwirkung werden vorgeschlagen. Darauf aufbauende Berechnungen der elektronischen Transporteigenschaften, können mit Hilfe der verbesserten EHT auf große Systeme ausgedehnt werden. Die Ergebnisse ermöglichen eine Reihung der Metall-CNT-Metall-Systeme hinsichtlich ihrer Leitfähigkeit: Ag ≤ Au < Cu < Pt ≤ Pd < Al. Dies korrespondiert qualitativ mit berechneten Kontaktabständen, Bindungsenergien und Austrittarbeiten der CNTs und Metalle. Zum tieferen Verständnis der Transporteigenschaften erfolgt eine detaillierte Analyse der elektronischen Struktur der Metall-CNT-Metall-Systeme und ihrer Teilsysteme. Dabei erweist sich die energieaufgelöste lokale Zustandsdichte als nützliches Werkzeug zur Visulisierung und zur Charakterisierung der Wechselwirkung zwischen CNT und Metall sowie deren Einfluss auf den Transport.