Forskare från AIST har utvecklat en lågresistivitet och mycket pålitlig sammankoppling med flerskiktsgrafen, som är ett tvådimensionellt nanokolmaterial.

I konventionell teknik, grafen erhålls huvudsakligen genom exfoliering av grafitkristaller, medan denna nya teknik syntetiserar flerskiktsgrafen på ett substrat genom den kemiska ångavsättningsmetoden (CVD) med användning av en epitaxiell koboltfilm som katalysator. Denna flerskiktiga grafen har en struktur och elektriska egenskaper som liknar de för grafen som erhålls från högkvalitativa, kristallin grafit. Dessutom, den är mer tolerant än koppar mot höga strömtätheter. Vidare, genom att interkalera olika molekyler (järnklorid) mellan lagren av flerskiktsgrafen, forskarna uppnådde samma resistivitetsordning (9,1 µ? cm) som för koppar. Resistiviteten är ungefär en storleksordning mindre än den för grafen som syntetiserats med den konventionella CVD-metoden. Den nyutvecklade sammankopplingen förväntas tillämpas på sammankopplingen av storskaliga integrerade kretsar (LSI) för att minska energiförbrukningen.

Detaljerna om denna teknik kommer att presenteras på International Interconnect Technology Conference (IITC 2013) som hålls 13-15 juni, 2013, i Kyoto.

På senare år har med populariseringen av mobila informationsenheter och den ökade funktionaliseringen av IT-utrustning, ökad elförbrukning har blivit ett problem, och att minska denna förbrukning har varit önskvärd. Konventionellt, LSI:er har utformats för att minska strömförbrukningen genom miniatyrisering; dock, miniatyriseringen närmar sig sina gränser och olika negativa effekter har påpekats. Koppar används för sammankoppling av ledande LSI:er. När sammankopplingen blir smalare, den elektriska strömtätheten ökar, toleransen mot elektromigrering minskar, och därmed minskar tillförlitligheten. Vidare, miniatyrisering orsakar ökningen av den effektiva resistiviteten på grund av spridningen av elektroner vid kristallkornsgränser och på ytor och barriärmetallerna som inte kan förtunnas bortom en viss punkt. Det finns därför ett behov av ett nytt sammankopplingsmaterial som ersätter koppar.

Grafen kan upprätthålla en elektrisk strömtäthet som är två storleksordningar högre än för koppar, och grafen kan ha låg resistivitet eftersom det visar ballistisk ledning. Det förväntas därför användas som ledningsmaterial för miniatyriserade LSI:er. Dock, Teknik för storareasyntes av högkvalitativ flerskiktsgrafen lämplig för sammankopplingar har ännu inte etablerats. Dessutom, flerlagers grafen sammankopplar med samma resistivitet som koppar har aldrig realiserats.

GNC grundades i april 2010 för att genomföra ett projekt som valts ut för FIRST, som förvaltas av regeringskansliet, Japans regering, och Japan Society for the Promotion of Science. Medlemmarna i GNC är forskare från fem företag (Fujitsu Ltd., Toshiba Corporation, Hitachi Ltd., Renesas Electronics Corporation, och ULVAC Inc.) och AIST-forskare.

Med målet att minska strömförbrukningen för LSI:er till 1/10 till 1/100 av den för konventionella, GNC har studerat hur man applicerar grafen och kolnanorör på sammankopplingar och transistorer sedan 2011. Detta forsknings- och utvecklingsprojekt stöddes av det FÖRSTA projektet "Development of Core Technologies for Green Nanoelectronics" (Lead Researcher:Naoki Yokoyama).

Forskarna har utvecklat en teknik för att syntetisera högkvalitativt flerskiktsgrafen. På samma gång, genom att interkalera olika molekyler har de lyckats använda grafenen för att skapa en sammankoppling med en låg resistivitet av samma storleksordning som den för kopparsammankopplingar. Den nya tekniken beskrivs nedan.

Den utvecklade tekniken syntetiserar högkvalitativ flerskiktsgrafen på ett safirsubstrat genom den termiska CVD-metoden under optimerade förhållanden. Källgasen är metan utspädd med argon och väte, och katalysatorn är en tunn film av kobolt bildad med hjälp av sputtermetoden på safirsubstratet, som värms upp till ca 500 ?. Grafensyntestemperaturen är cirka 1000 ?. Figur 1 visar transmissionselektronmikroskopbilder (TEM) av tvärsnittet av den syntetiserade flerskiktsgrafenen, och dess Raman-spektrum. TEM-bilderna visar att flerskiktsgrafen har cirka 10 lager. Eftersom formen på G'(2D)-bandet i Raman-spektrumet liknar den för hög kvalitet, kristallin grafit, det är möjligt att denna flerskiktiga grafen har en struktur som liknar den för grafit.

Den nyutvecklade flerskiktsgrafenen överfördes till ett kiselsubstrat med en oxidfilm och en sammankoppling gjordes med hjälp av typiska halvledarprocesser. Figur 2 visar en optisk mikroskopbild och ström-spänningsegenskaper för grafenkopplingen. Minsta resistivitet var 56 µ? centimeter, som var jämförbar med den av hög kvalitet, kristallin grafit (resistivitet ca 40 µ? cm). En ström på 10 ⁷ A/cm ² densitet applicerades på grafenkopplingen vid 250 µ. Sammankopplingen var fortfarande inte bruten efter 150 timmar, och den hade bättre tolerans mot hög strömtäthet än kopparledningar (fig. 3).

Trots den utmärkta tillförlitligheten hos den utvecklade flerskiktsgrafenkopplingen, dess resistivitet var mer än en storleksordning högre än för koppar. Forskarna försökte därför sänka resistiviteten genom att interkalera järnklorid. Interkaleringen gjordes genom att placera en flerskiktsgrafenkoppling bildad på ett substrat och järnkloridpulver i ett kvartsrör under vakuum och värma det till 310 µ. Figur 4 visar Raman-spektra före och efter interkalationen och hastigheten för förändring i resistivitet. G-bandet i Raman-spektrat skiftade till det högre vågnummerområdet, vilket tyder på att laddningar överförs till flerskiktsgrafen som ett resultat av interkalationen. Sådan laddningsöverföring bör sänka resistiviteten, och i själva verket minskade resistiviteten för flerskiktsgrafen med en median på 15 % efter interkaleringen. Det minsta resistivitetsvärdet som erhölls var 9,1 µ? centimeter. För första gången, samma resistivitetsordning som koppar uppnåddes i flerskiktsgrafensammankopplingar.

Den utvecklade flerskiktsgrafenkopplingen med låg resistivitet och hög tillförlitlighet förväntas användas som LSI-kopplingar. Forskarna strävar efter att realisera en sammankoppling av grafen i flera lager som har lägre resistivitet än koppar. På samma gång, de kommer att försöka utveckla tredimensionella ledningar med flerskiktsgrafen och kolnanorör för applicering på LSI.