Onderzoekers van AIST hebben een lage weerstand en zeer betrouwbare verbinding ontwikkeld met behulp van meerlaags grafeen, wat een tweedimensionaal nanokoolstofmateriaal is.

In conventionele technologie, grafeen wordt voornamelijk verkregen door de afschilfering van grafietkristallen, terwijl deze nieuwe techniek meerlaags grafeen synthetiseert op een substraat door de chemische dampafzetting (CVD) -methode met behulp van een epitaxiale kobaltfilm als katalysator. Dit meerlaagse grafeen heeft een structuur en elektrische eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van grafeen verkregen uit hoogwaardige, kristallijn grafiet. In aanvulling, het is toleranter dan koper voor hoge stroomdichtheden. Verder, door verschillende moleculen (ijzerchloride) tussen de lagen van het meerlagige grafeen te intercaleren, de onderzoekers bereikten dezelfde soort weerstand (9,1 µ? cm) als die van koper. De soortelijke weerstand is ongeveer een orde van grootte kleiner dan die van grafeen dat is gesynthetiseerd met behulp van de conventionele CVD-methode. De nieuw ontwikkelde interconnect zal naar verwachting worden toegepast op de interconnectie van grootschalige geïntegreerde schakelingen (LSI's) om het energieverbruik te verminderen.

De details van deze techniek zullen worden gepresenteerd op de International Interconnect Technology Conference (IITC 2013) die van 13 tot 15 juni wordt gehouden, 2013, in Kioto.

In recente jaren, met de popularisering van mobiele informatieapparatuur en de toegenomen functionalisering van IT-apparatuur, toegenomen elektriciteitsverbruik is een punt van zorg geworden, en het verminderen van dit verbruik is gewenst. conventioneel, LSI's zijn ontworpen om het stroomverbruik te verminderen door middel van miniaturisatie; echter, de miniaturisering nadert haar grenzen en er zijn diverse nadelige effecten gesignaleerd. Koper wordt gebruikt voor de onderlinge verbinding van toonaangevende LSI's. Naarmate de verbinding smaller wordt, de elektrische stroomdichtheid neemt toe, de tolerantie voor elektromigratie neemt af, en dus wordt de betrouwbaarheid verminderd. Verder, miniaturisatie veroorzaakt de toename van de effectieve soortelijke weerstand als gevolg van de verstrooiing van elektronen op kristalkorrelgrenzen en op oppervlakken en de barrièremetalen die niet verder kunnen worden verdund dan een bepaald punt. Er is daarom behoefte aan een nieuw interconnectiemateriaal dat koper vervangt.

Grafeen kan een elektrische stroomdichtheid aan die twee orden van grootte hoger is dan die van koper, en grafeen kan een lage soortelijke weerstand hebben omdat het ballistische geleiding vertoont. Daarom wordt verwacht dat het zal worden gebruikt als bedradingsmateriaal voor geminiaturiseerde LSI's. Echter, technologie voor de grootschalige synthese van hoogwaardig meerlaags grafeen dat geschikt is voor onderlinge verbindingen, is nog niet vastgesteld. In aanvulling, meerlaagse grafeenverbindingen met dezelfde soortelijke weerstand als koper zijn nooit gerealiseerd.

GNC werd in april 2010 opgericht om een ​​project uit te voeren dat geselecteerd was voor FIRST, die wordt beheerd door het kabinet, regering van Japan, en de Japan Society for the Promotion of Science. De leden van GNC zijn onderzoekers van vijf bedrijven (Fujitsu Ltd., Toshiba Corporation, Hitachi Ltd., Renesas Electronics Corporation, en ULVAC Inc.) en AIST-onderzoekers.

Met als doel het stroomverbruik van LSI's te verminderen tot 1/10 tot 1/100 van dat van conventionele, GNC bestudeert sinds 2011 hoe grafeen en koolstofnanobuizen kunnen worden toegepast op interconnects en transistors. Dit onderzoeks- en ontwikkelingsproject werd ondersteund door het FIRST-project "Development of Core Technologies for Green Nanoelectronics" (hoofdonderzoeker:Naoki Yokoyama).

De onderzoekers hebben een technologie ontwikkeld om hoogwaardig meerlaags grafeen te synthetiseren. Tegelijkertijd, door verschillende moleculen te intercaleren zijn ze erin geslaagd het grafeen te gebruiken om een ​​verbinding te maken met een lage soortelijke weerstand van dezelfde orde als die van koperen verbindingen. Hieronder wordt de nieuwe technologie beschreven.

De ontwikkelde technologie synthetiseert hoogwaardig meerlaags grafeen op een saffiersubstraat door de thermische CVD-methode onder geoptimaliseerde omstandigheden. Het brongas is methaan verdund met argon en waterstof, en de katalysator is een dunne film van kobalt gevormd met behulp van de sputtermethode op het saffiersubstraat, die wordt verwarmd tot ongeveer 500 ?. De grafeensynthesetemperatuur is ongeveer 1000 ?. Figuur 1 toont transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) beelden van de dwarsdoorsnede van het gesynthetiseerde meerlagige grafeen, en zijn Raman-spectrum. De TEM-afbeeldingen geven aan dat het meerlagige grafeen ongeveer 10 lagen heeft. Omdat de vorm van de G'(2D)-band in het Raman-spectrum vergelijkbaar is met die van hoogwaardige, kristallijn grafiet, het is mogelijk dat dit meerlaagse grafeen een structuur heeft die lijkt op die van grafiet.

Het nieuw ontwikkelde meerlaagse grafeen werd overgebracht op een siliciumsubstraat met een oxidefilm en een interconnect werd gemaakt met behulp van typische halfgeleiderprocessen. Figuur 2 toont een optische microscoopafbeelding en stroom-spanningskarakteristieken van de grafeenverbinding. De minimale soortelijke weerstand was 56 µ? cm, die vergelijkbaar was met die van hoogwaardige, kristallijn grafiet (weerstand ongeveer 40 µ? cm). Een stroom van 10 ⁷ A/cm ² dichtheid werd toegepast op de grafeenverbinding bij 250 ?. De interconnect was na 150 uur nog steeds niet verbroken, en het had een betere tolerantie voor hoge stroomdichtheid dan koperen bedrading (Fig. 3).

Ondanks de uitstekende betrouwbaarheid van de ontwikkelde meerlaagse grafeen-interconnect, zijn soortelijke weerstand was meer dan één orde van grootte hoger dan die van koper. De onderzoekers probeerden daarom de soortelijke weerstand te verlagen door ijzerchloride te intercaleren. De intercalatie werd gedaan door een meerlaagse grafeenverbinding gevormd op een substraat en ijzerchloridepoeder in een kwartsbuis onder vacuüm te plaatsen en deze te verwarmen tot 310 ?. Figuur 4 toont de Raman-spectra voor en na de intercalatie en de snelheid van verandering in soortelijke weerstand. De G-band in de Raman-spectra verschoof naar het hogere golfgetalgebied, wat suggereert dat ladingen worden overgedragen naar het meerlagige grafeen als gevolg van de intercalatie. Een dergelijke ladingsoverdracht zou de soortelijke weerstand moeten verlagen, en in feite nam de soortelijke weerstand van het meerlaagse grafeen af ​​met een mediaan van 15% na de intercalatie. De verkregen minimale weerstandswaarde was 9,1 µ? cm. Voor de eerste keer, dezelfde volgorde van soortelijke weerstand als die van koper werd bereikt in meerlaagse grafeen-interconnecties.

De ontwikkelde meerlaagse grafeen-interconnect met lage weerstand en hoge betrouwbaarheid zal naar verwachting worden gebruikt als LSI-interconnects. De onderzoekers willen een meerlaagse grafeenverbinding realiseren die een lagere soortelijke weerstand heeft dan koper. Tegelijkertijd, ze zullen proberen om driedimensionale bedrading te ontwikkelen met behulp van meerlaags grafeen en koolstofnanobuizen voor toepassing op LSI's.