Udvikling af teknologi til fremstilling af interconnect i mikroskala fra flerlagsgrafen

Forskere fra AIST har udviklet en lav-resistivitet og meget pålidelig sammenkobling ved hjælp af flerlags grafen, som er et todimensionelt nanocarbonmateriale.

I konventionel teknologi, grafen opnås hovedsageligt gennem eksfoliering af grafitkrystaller, der henviser til, at denne nye teknik syntetiserer flerlagsgrafen på et substrat ved den kemiske dampaflejringsmetode (CVD) ved hjælp af en epitaksial koboltfilm som katalysator. Denne flerlagsgrafen har en struktur og elektriske egenskaber, der ligner dem for grafen opnået fra høj kvalitet, krystallinsk grafit. Ud over, det er mere tolerant end kobber over for høje strømtætheder. Desuden, ved at interkalere forskellige molekyler (jernchlorid) mellem lagene af flerlagsgrafen, forskerne opnåede samme størrelsesorden af ​​resistivitet (9,1 µ? cm) som kobber. Resistiviteten er omkring en størrelsesorden mindre end den for grafen syntetiseret ved hjælp af den konventionelle CVD-metode. Den nyudviklede sammenkobling forventes at blive anvendt til sammenkobling af store integrerede kredsløb (LSI'er) for at reducere energiforbruget.

Detaljerne i denne teknik vil blive præsenteret på International Interconnect Technology Conference (IITC 2013), der afholdes fra 13. til 15. juni, 2013, i Kyoto.

I de seneste år, med populariseringen af ​​mobile informationsenheder og den øgede funktionalisering af it-udstyr, øget elforbrug er blevet en bekymring, og reduktion af dette forbrug har været ønsket. Konventionelt, LSI'er er designet til at reducere strømforbruget gennem miniaturisering; imidlertid, miniaturiseringen nærmer sig sine grænser, og der er blevet påpeget forskellige negative virkninger. Kobber bruges til sammenkobling af førende LSI'er. Efterhånden som sammenkoblingen bliver smallere, den elektriske strømtæthed stiger, tolerancen over for elektromigrering falder, og dermed reduceres pålideligheden. Desuden, miniaturisering forårsager stigningen i den effektive resistivitet på grund af spredning af elektroner ved krystalkorngrænser og på overflader og barrieremetallerne, der ikke kan fortyndes ud over et vist punkt. Der er derfor behov for et nyt sammenkoblingsmateriale, der erstatter kobber.

Grafen kan opretholde en elektrisk strømtæthed, der er to størrelsesordener højere end kobbers, og grafen kunne have lav resistivitet, fordi det viser ballistisk ledning. Det forventes derfor at blive brugt som ledningsmateriale til miniaturiserede LSI'er. Imidlertid, Teknologi til storarealsyntese af flerlagsgrafen af ​​høj kvalitet, der er egnet til sammenkoblinger, er endnu ikke blevet etableret. Ud over, flerlags grafen forbinder med samme resistivitet som kobber er aldrig blevet realiseret.

GNC blev etableret i april 2010 for at gennemføre et projekt udvalgt til FIRST, som administreres af kabinetskontoret, Japans regering, og Japan Society for the Promotion of Science. Medlemmerne af GNC er forskere fra fem virksomheder (Fujitsu Ltd., Toshiba Corporation, Hitachi Ltd., Renesas Electronics Corporation, og ULVAC Inc.) og AIST-forskere.

Med det mål at reducere strømforbruget for LSI'er til 1/10 til 1/100 af konventionelle, GNC har siden 2011 undersøgt, hvordan man anvender grafen og kulstof nanorør til sammenkoblinger og transistorer. Dette forsknings- og udviklingsprojekt blev støttet af det FØRSTE projekt "Development of Core Technologies for Green Nanoelectronics" (Lead Researcher:Naoki Yokoyama).

Forskerne har udviklet en teknologi til at syntetisere højkvalitets flerlagsgrafen. På samme tid, ved at interkalere forskellige molekyler er det lykkedes dem at bruge grafen til at lave en sammenkobling med en lav resistivitet af samme størrelsesorden som kobberforbindelserne. Den nye teknologi er beskrevet nedenfor.

Den udviklede teknologi syntetiserer højkvalitets flerlagsgrafen på et safirsubstrat ved den termiske CVD-metode under en optimeret tilstand. Kildegassen er metan fortyndet med argon og brint, og katalysatoren er en tynd film af kobolt dannet ved hjælp af sputtermetoden på safirsubstratet, som opvarmes til omkring 500 ?. Grafensyntesetemperaturen er omkring 1000 ?. Figur 1 viser transmissionselektronmikroskop (TEM) billeder af tværsnittet af den syntetiserede flerlagsgrafen, og dets Raman-spektrum. TEM-billederne indikerer, at flerlagsgrafen har omkring 10 lag. Fordi formen på G'(2D)-båndet i Raman-spektret ligner den af ​​høj kvalitet, krystallinsk grafit, det er muligt, at denne flerlagsgrafen har en struktur, der ligner grafit.

Den nyudviklede flerlagsgrafen blev overført til et siliciumsubstrat med en oxidfilm, og en sammenkobling blev lavet ved hjælp af typiske halvlederprocesser. Figur 2 viser et optisk mikroskopbillede og strøm-spændingskarakteristika for grafenforbindelsen. Minimumsresistiviteten var 56 µ? cm, som var sammenlignelig med høj kvalitet, krystallinsk grafit (resistivitet ca. 40 µ? cm). En strøm på 10 ⁷ A/cm ² densitet blev anvendt på grafenforbindelsen ved 250 µ. Forbindelsen var stadig ikke brudt efter 150 timer, og den havde bedre tolerance over for høj strømtæthed end kobberledninger (fig. 3).

På trods af den fremragende pålidelighed af den udviklede flerlags grafenforbindelse, dens modstand var mere end en størrelsesorden højere end kobbers. Forskerne forsøgte derfor at sænke resistiviteten ved at interkalere jernchlorid. Indskydningen blev udført ved at placere en flerlags grafenforbindelse dannet på et substrat og jernchloridpulver i et kvartsrør under vakuum og opvarme det til 310 °C. Figur 4 viser Raman-spektrene før og efter interkalationen og hastigheden for ændring i resistivitet. G-båndet i Raman-spektrene skiftede til det højere bølgetalsområde, hvilket tyder på, at ladninger overføres til flerlagsgrafen som følge af interkalationen. En sådan ladningsoverførsel bør sænke modstanden, og faktisk faldt resistiviteten af ​​flerlagsgrafen med en median på 15% efter interkalationen. Den opnåede mindste resistivitetsværdi var 9,1 µ? cm. For første gang, samme rækkefølge af resistivitet som kobber blev opnået i flerlags grafenforbindelser.

Den udviklede multi-lags grafen sammenkobling med lav resistivitet og høj pålidelighed forventes at blive brugt som LSI sammenkoblinger. Forskerne sigter mod at realisere en flerlags grafenforbindelse, der har lavere resistivitet end kobber. På samme tid, de vil forsøge at udvikle tredimensionelle ledninger ved hjælp af flerlags grafen og kulstof nanorør til anvendelse på LSI'er.