Published April 24, 2023 | Version v1
Publication Open

Monolithic three‐dimensional integration of aligned carbon nanotube transistors for high‐performance integrated circuits

Description

Abstract Carbon nanotube field‐effect transistors (CNT FETs) have been demonstrated to exhibit high performance only through low‐temperature fabrication process and require a low thermal budget to construct monolithic three‐dimensional (M3D) integrated circuits (ICs), which have been considered a promising technology to meet the demands of high‐bandwidth computing and fully functional integration. However, the lack of high‐quality CNT materials at the upper layer and a low‐parasitic interlayer dielectric (ILD) makes the reported M3D CNT FETs and ICs unable to provide the predicted high performance. In this work, we demonstrate a multilayer stackable process for M3D integration of high‐performance aligned carbon nanotube (A‐CNT) transistors and ICs. A low‐κ (~3) interlayer SiO 2 layer is prepared from spin‐on‐glass (SOG) through processes with a highest temperature of 220°C, presenting low parasitic capacitance between two transistor layers and excellent planarization to offer an ideal surface for the A‐CNT and device fabrication process. A high‐quality A‐CNT film with a carrier mobility of 650 cm 2 V –1 s –1 is prepared on the ILD layer through a clean transfer process, enabling the upper CNT FETs fabricated with a low‐temperature process to exhibit high on‐state current (1 mA μm –1 ) and peak transconductance (0.98 mS μm –1 ). The bottom A‐CNT FETs maintain pristine high performance after undergoing the ILD growth and upper FET fabrication. As a result, 5‐stage ring oscillators utilizing the M3D architecture show a gate propagation delay of 17 ps and an active region of approximately 100 μm 2 , representing the fastest and the most compact M3D ICs to date. image

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

أثبتت الترانزستورات التجريدية ذاتالتأثير على مجال الأنابيب النانوية الكربونية (CNT FETs) أنها تظهر أداءً عاليًا فقط من خلال عملية التصنيع منخفضةدرجة الحرارة وتتطلب ميزانية حرارية منخفضة لبناء دوائر متكاملة متجانسة ثلاثيةالأبعاد (M3D)، والتي اعتبرت تقنية واعدة لتلبية متطلبات الحوسبة عالية النطاق الترددي والتكامل الوظيفي الكامل. ومع ذلك، فإن نقص مواد الكونفدرالية عاليةالجودة في الطبقة العليا والعازل البيني الطفيلي المنخفض (ILD) يجعل M3D CNT FETs و ICs المبلغ عنها غير قادرة على توفير الأداء العالي المتوقع. في هذا العمل، نعرض عملية تكديس متعددة الطبقات لتكامل M3D للترانزستورات والأنابيب النانوية الكربونية (A-CNT) عالية الأداء. يتم تحضير طبقة SIO 2 ذات الطبقة البينية المنخفضة (~3) من الزجاج الدوار (SOG) من خلال عمليات ذات أعلى درجة حرارة تبلغ 220 درجة مئوية، مما يوفر سعة طفيلية منخفضة بين طبقتين من الترانزستور واستواء ممتاز لتوفير سطح مثالي لعملية تصنيع A-CNT والجهاز. يتم تحضير فيلم A-CNT عاليالجودة مع حركة حاملة تبلغ 650 سم 2 فولت –1 ثانية –1 على طبقة ILD من خلال عملية نقل نظيفة، مما يتيح لـ CNT FETs العلوي المصنوع بعملية درجة حرارة منخفضة إظهار تيار عالي على الحالة (1 مللي أمبير ميكرومتر –1 ) وذروة التوصيل (0.98 مللي ثانية ميكرومتر –1 ). يحافظ الجزء السفلي من A-CNT FETs على الأداء العالي البكر بعد خضوعه لنمو ILD وتصنيع FET العلوي. نتيجة لذلك، تظهر المذبذبات الحلقية المكونة من 5 مراحل والتي تستخدم بنية M3D تأخيرًا في انتشار البوابة يبلغ 17 جزء في الثانية ومنطقة نشطة تبلغ حوالي 100 ميكرومتر 2 ، مما يمثل أسرع وأصغر وحدات IC M3D حتى الآن. صورة

Translated Description (French)

Résumé Il a été démontré que les transistors à effet de champ à nanotubes de carbone (TEC CNT) ne présentent de hautes performances que par le biais d'un processus de fabrication à basse température et nécessitent un faible budget thermique pour construire des circuits intégrés monolithiques tridimensionnels (M3D), qui ont été considérés comme une technologie prometteuse pour répondre aux exigences du calcul à large bande passante et de l'intégration entièrement fonctionnelle. Cependant, le manque de matériaux CNT de hautequalité au niveau de la couche supérieure et d'un diélectrique intercouche (ILD) faiblement parasite rend les FET et les CI CNT M3D rapportés incapables de fournir les hautes performances prédites. Dans ce travail, nous démontrons un processus empilable multicouche pour l'intégration M3D de transistors et de circuits intégrés à nanotubes de carbone alignés (A‐CNT) haute performance. Une couche intermédiaire de SiO 2 à faible‐κ (~3) est préparée à partir de verre centrifuge (SOG) par des procédés à la température la plus élevée de 220 °C, présentant une faible capacité parasite entre deux couches de transistor et une excellente planarisation pour offrir une surface idéale pour le procédé de fabrication du A‐CNT et du dispositif. Un film A‐CNT de haute qualité avec une mobilité des porteurs de 650 cm 2 V –1 s –1 est préparé sur la couche ILD par un processus de transfert propre, permettant aux FET CNT supérieurs fabriqués avec un processus à basse température de présenter un courant à l'état passant élevé (1 mA μm –1 ) et une transconductance de crête (0,98 mS μm –1 ). Les FET A‐CNT inférieurs maintiennent des performances élevées immaculées après avoir subi la croissance ILD et la fabrication du FET supérieur. En conséquence, les oscillateurs en anneau à 5 étages utilisant l'architecture M3D montrent un délai de propagation de la grille de 17 ps et une région active d'environ 100 μm 2 , ce qui représente les circuits intégrés M3D les plus rapides et les plus compacts à ce jour. image

Translated Description (Spanish)

Se ha demostrado que los transistores deefecto de campo de nanotubos de carbono (CNT FET) exhiben un alto rendimiento solo a través del proceso de fabricación a baja temperatura y requieren un bajo presupuesto térmico para construir circuitos integrados (IC) monolíticos tridimensionales (M3D), que se han considerado una tecnología prometedora para satisfacer las demandas de computación de altoancho de banda e integración totalmente funcional. Sin embargo, la falta de materiales de CNT de altacalidad en la capa superior y un dieléctrico de capa intermedia (ILD) de bajo parásito hace que los FET e IC de CNT M3D informados no puedan proporcionar el alto rendimiento previsto. En este trabajo, demostramos un proceso apilable multicapa para la integración M3D de transistores e IC de nanotubos de carbono alineados de alto rendimiento (A-CNT). Se prepara una capa intermedia de SiO 2 de bajaκ (~3) a partir de espín sobre vidrio (SOG) a través de procesos con una temperatura más alta de 220 ° C, que presenta una baja capacitancia parásita entre dos capas de transistores y una excelente planarización para ofrecer una superficie ideal para el proceso de fabricación de A‐CNT y dispositivos. Se prepara una película A-CNT de altacalidad con una movilidad de portador de 650 cm 2 V –1 s –1 en la capa ILD a través de un proceso de transferencia limpio, lo que permite que los FET CNT superiores fabricados con un proceso de bajatemperatura exhiban una alta corriente de estado activo (1 mA μm –1 ) y transconductancia máxima (0.98 mS μm –1 ). Los FET A-CNT inferiores mantienen un alto rendimiento prístino después de someterse al crecimiento de ILD y la fabricación de FET superior. Como resultado, los osciladores de anillo de 5 etapas que utilizan la arquitectura M3D muestran un retardo de propagación de puerta de 17 ps y una región activa de aproximadamente 100 μm 2 , lo que representa los IC M3D más rápidos y compactos hasta la fecha.

Files

inf2.12420.pdf

Files (16.0 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:b895f29345044dc8bc98db95affc618f
16.0 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تكامل ثلاثيالأبعاد متجانس لترانزستورات الأنابيب النانوية الكربونية المحاذية للدوائر المتكاملة عاليةالأداء
Translated title (French)
Intégration tridimensionnelle monolithique de transistors à nanotubes de carbone alignés pour circuits intégrés hauteperformance
Translated title (Spanish)
Integración tridimensional monolítica de transistores de nanotubos de carbono alineados para circuitos integrados de altorendimiento

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4366989502
DOI
10.1002/inf2.12420

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1547805280
  • https://openalex.org/W2034556931
  • https://openalex.org/W2122702527
  • https://openalex.org/W2135522286
  • https://openalex.org/W2142356368
  • https://openalex.org/W2154869256
  • https://openalex.org/W2157964406
  • https://openalex.org/W2278185002
  • https://openalex.org/W2317925515
  • https://openalex.org/W2475022591
  • https://openalex.org/W2574149780
  • https://openalex.org/W2598093572
  • https://openalex.org/W2726153790
  • https://openalex.org/W2731422849
  • https://openalex.org/W2772387620
  • https://openalex.org/W2907909057
  • https://openalex.org/W2952202188
  • https://openalex.org/W2952885217
  • https://openalex.org/W2970187632
  • https://openalex.org/W2980330501
  • https://openalex.org/W3026984972
  • https://openalex.org/W3027019546
  • https://openalex.org/W3036412185
  • https://openalex.org/W3081159380
  • https://openalex.org/W3096349734
  • https://openalex.org/W3175149747