(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.

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.

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.

(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.

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.