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

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作者
Chenwei Fan,Xiaohan Cheng,Lin Xu,Maguang Zhu,Sujuan Ding,Chuanhong Jin,Yunong Xie,Lian‐Mao Peng,Zhiyong Zhang
出处
期刊:InfoMat [Wiley]
卷期号:5 (7) 被引量:29
标识
DOI:10.1002/inf2.12420
摘要

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
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