産総研など、多層グラフェンを用いた微細配線作製技術を開発

産業技術総合研究所(産総研)は6月10日、2次元ナノカーボン材料である多層グラフェンを利用した低抵抗で高信頼性の配線を開発したと発表した。

同成果は、同所 ナノエレクトロニクス研究部門 連携研究体グリーン・ナノエレクトロニクスセンター(GNC) 横山直樹連携研究体長、佐藤信太郎特定集中研究専門員、近藤大雄特定集中研究専門員らによるもの。詳細は、京都市で開催された「国際会議2013 IEEE International Interconnect Technology Conference(IITC 2013)」で発表された。

図1 多層グラフェンを配線として利用したLSIの模式図

半導体はプロセス技術の微細化により、消費電力の低減を実現してきたが、近年、その限界が見えてきたほか、さまざまな弊害が指摘されるようになってきた。先端LSIの微細配線には銅が使用されているが、配線の微細化に伴い電流密度が高くなるとともにエレクトロマイグレーション耐性も低くなるため、信頼性の低下が指摘されているほか、微細化に伴い、結晶粒境界や表面での電子の散乱や、薄膜化に限界があるバリアメタルにより、銅配線の実効抵抗率が上昇しつつあるため、銅に代わる微細配線の材料が求められている。

一方、グラフェンは銅より2桁以上高い電流密度耐性を持つとともに、バリスティック伝導を示すことから低抵抗化も期待でき、微細化が進むLSIの配線材料として期待されている。しかし、配線に適した高品質多層グラフェンの大面積合成技術は確立されていない。また、銅と同程度の抵抗を示す多層グラフェン配線は、いまだ実現できていない。

今回、研究グループは、高品質多層グラフェンの合成技術を開発するとともに、それを配線化し、異種分子をインターカレーションすることにより、銅と同程度の低抵抗を示すグラフェン配線の作製に成功した。

まず、条件を最適化したCVD法を用いて高品質多層グラフェンをサファイア基板上に合成した。原料はメタンをアルゴンと水素で希釈したガスで、500℃程度の温度のサファイア基板上にスパッタ法を用いて作製したコバルト薄膜を触媒とした。グラフェンの合成温度は約1000℃。図2は、合成された多層グラフェンの透過電子顕微鏡(TEM)による断面図、およびラマン分光スペクトル。TEM像から、10層程度の多層グラフェンであることがわかる。また、ラマンスペクトルのG'(2D)バンドの形状は高品質結晶グラファイトと類似していることから、この多層グラフェンがグラファイトと同様の構造を持つ可能性が考えられる。

図2 (a)多層グラフェンのTEMによる断面図と(b)ラマンスペクトル

次に、多層グラフェンを酸化膜付シリコン基板に転写し、通常の半導体プロセスを用いて配線化した。図3はグラフェン配線の光学顕微鏡像と電流-電圧特性。抵抗率は最小56µΩcmで、高品質結晶グラファイト(抵抗率:40μΩcm程度)に匹敵するものだった。このグラフェン配線に250℃で107A/cm2の密度の電流を流したところ、150時間を経過しても断線せず、銅配線より優れた電流密度耐性を示した(図4)。

図3 (a)多層グラフェン配線の光学顕微鏡写真と(b)電流-電圧特性

図4 250℃環境での電流密度耐性の評価試験。青丸は銅が断線した条件。多層グラフェンは107A/cm2の電流を150時間印加しても断線しなかった

今回の多層グラフェン配線は優れた信頼性を示したが、抵抗率は銅よりも約1桁高いため、塩化鉄のインターカレーションによる低抵抗化を試みた。多層グラフェン配線が形成された基板と塩化鉄粉末を真空石英管内に入れ、310℃に加熱して、インターカレーションを行った。図5は、インターカレーション前後のラマンスペクトルと抵抗の変化率。ラマンスペクトルのGバンドは高波数側に移動し、インターカレーションにより多層グラフェンへ電荷移動が起こったことを示唆している。電荷移動が起これば抵抗は低下するはずだが、実際に抵抗率はインターカレーション後に中央値で約15%に低下した。得られた抵抗率の最小値は9.1μΩcmであり、銅と同オーダーの抵抗率を、多層グラフェンを用いた配線ではじめて得られた。

図5 (a)インターカレーション前後のラマンスペクトルの変化。Gバンドが高波数側に移動している。(b)インターカレーション後の抵抗変化率の累積確率分布。中央値は0.15

今回の研究で得られた低抵抗・高信頼性多層グラフェン配線は、LSIの配線への適用が期待される。今後、銅以下の低抵抗の多層グラフェン配線を実現するとともに、多層グラフェン、カーボンナノチューブを利用した3次元配線を開発し、LSIへの適用を目指すとコメントしている。



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