Diagrama esquemático de LSI utilizando interconexiones de grafeno multicapa.
Los investigadores de AIST han desarrollado una interconexión de baja resistividad y altamente confiable utilizando grafeno multicapa, que es un material nanocarbonado bidimensional.
En tecnología convencional, El grafeno se obtiene principalmente a través de la exfoliación de cristales de grafito, mientras que esta nueva técnica sintetiza grafeno multicapa sobre un sustrato mediante el método de deposición química de vapor (CVD) utilizando una película epitaxial de cobalto como catalizador. Este grafeno multicapa tiene una estructura y propiedades eléctricas similares a las del grafeno obtenido de alta calidad, grafito cristalino. Además, es más tolerante que el cobre a altas densidades de corriente. Es más, intercalando diferentes moléculas (cloruro de hierro) entre las capas del grafeno multicapa, los investigadores lograron el mismo orden de resistividad (9,1 µ? cm) que el del cobre. La resistividad es aproximadamente un orden de magnitud menor que la del grafeno sintetizado mediante el método CVD convencional. Se espera que la interconexión desarrollada recientemente se aplique a la interconexión de circuitos integrados a gran escala (LSI) para reducir el consumo de energía.
Los detalles de esta técnica serán presentados en la Conferencia Internacional de Tecnología de Interconexión (IITC 2013) que se realizará del 13 al 15 de junio, 2013, en Kioto.
En años recientes, con la popularización de los dispositivos de información móviles y la mayor funcionalización de los equipos de TI, el aumento del consumo de energía eléctrica se ha convertido en una preocupación, y se ha deseado reducir este consumo. Convencionalmente Los LSI se han diseñado para reducir el consumo de energía mediante la miniaturización; sin embargo, la miniaturización se acerca a sus límites y se han señalado varios efectos adversos. El cobre se utiliza para la interconexión de LSI de vanguardia. A medida que la interconexión se vuelve más estrecha, la densidad de la corriente eléctrica aumenta, la tolerancia a la electromigración disminuye, y así se reduce la fiabilidad. Es más, La miniaturización provoca el aumento de la resistividad efectiva debido a la dispersión de electrones en los límites de los granos de cristal y en las superficies y los metales de barrera que no pueden diluirse más allá de cierto punto. Por tanto, existe la necesidad de un nuevo material de interconexión que reemplace al cobre.
Figura 1:(a) Imágenes TEM de sección transversal y (b) espectro Raman de grafeno multicapa.
El grafeno puede sostener una densidad de corriente eléctrica dos órdenes de magnitud más alta que la del cobre, y el grafeno podría tener baja resistividad porque muestra conducción balística. Por lo tanto, se espera que se utilice como material de cableado para LSI miniaturizados. Sin embargo, Aún no se ha establecido la tecnología para la síntesis de gran área de grafeno multicapa de alta calidad adecuado para interconexiones. Además, Las interconexiones de grafeno multicapa con la misma resistividad que el cobre nunca se han realizado.
GNC se estableció en abril de 2010 para implementar un proyecto seleccionado para FIRST, que es administrado por la Oficina del Gabinete, Gobierno de Japón, y la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia. Los miembros de GNC son investigadores de cinco empresas (Fujitsu Ltd., Toshiba Corporation, Hitachi Ltd., Renesas Electronics Corporation, y ULVAC Inc.) e investigadores de AIST.
Con el objetivo de reducir el consumo de energía de los LSI de 1/10 a 1/100 del de los convencionales, GNC ha estado estudiando cómo aplicar grafeno y nanotubos de carbono a interconexiones y transistores desde 2011. Este proyecto de investigación y desarrollo fue apoyado por el proyecto FIRST "Desarrollo de tecnologías centrales para nanoelectrónica verde" (Investigador principal:Naoki Yokoyama).
Los investigadores han desarrollado una tecnología para sintetizar grafeno multicapa de alta calidad. Al mismo tiempo, intercalando diferentes moléculas han logrado utilizar el grafeno para hacer una interconexión con una resistividad baja del mismo orden que la de las interconexiones de cobre. La nueva tecnología se describe a continuación.
La tecnología desarrollada sintetiza grafeno multicapa de alta calidad sobre un sustrato de zafiro mediante el método CVD térmico en condiciones optimizadas. El gas fuente es metano diluido con argón e hidrógeno, y el catalizador es una película delgada de cobalto formada usando el método de pulverización catódica sobre el sustrato de zafiro, que se calienta a aproximadamente 500 ° C. La temperatura de síntesis de grafeno es de aproximadamente 1000 ° C. La figura 1 muestra imágenes de microscopio electrónico de transmisión (TEM) de la sección transversal del grafeno multicapa sintetizado. y su espectro Raman. Las imágenes TEM indican que el grafeno multicapa tiene alrededor de 10 capas. Debido a que la forma de la banda G '(2D) en el espectro Raman es similar a la de alta calidad, grafito cristalino, Es posible que este grafeno multicapa tenga una estructura similar a la del grafito.
Figura 2:(a) Imagen de microscopio óptico y (b) características de corriente-voltaje del grafeno multicapa.
El grafeno multicapa recientemente desarrollado se transfirió a un sustrato de silicio con una película de óxido y se realizó una interconexión mediante procesos típicos de semiconductores. La Figura 2 muestra una imagen de microscopio óptico y las características de corriente-voltaje de la interconexión de grafeno. La resistividad mínima fue de 56 µ? cm, que era comparable a la de alta calidad, grafito cristalino (resistividad de aproximadamente 40 \ mu? cm). Una corriente de 10 7 A / cm 2 La densidad se aplicó a la interconexión de grafeno a 250 ° C. La interconexión aún no se rompió después de 150 h, y tenía mejor tolerancia a la alta densidad de corriente que el cableado de cobre (Fig. 3).
Figura 3:Evaluación de la tolerancia a la densidad de corriente a 250 ℃. Los puntos azules indican las condiciones bajo las cuales se rompieron las interconexiones de cobre. La interconexión de grafeno multicapa no se rompió, incluso después de la aplicación de 107 A / cm 2 corriente durante 150 h.
A pesar de la excelente fiabilidad de la interconexión de grafeno multicapa desarrollada, su resistividad era más de un orden de magnitud mayor que la del cobre. Por lo tanto, los investigadores intentaron reducir la resistividad intercalando cloruro de hierro. La intercalación se realizó colocando una interconexión de grafeno multicapa formada sobre un sustrato y polvo de cloruro de hierro en un tubo de cuarzo al vacío y calentándolo a 310 ° C. La Figura 4 muestra los espectros Raman antes y después de la intercalación y la tasa de cambio de resistividad. La banda G en los espectros Raman se desplazó a la región de mayor número de onda, sugiriendo que las cargas se transfieren al grafeno multicapa como resultado de la intercalación. Tal transferencia de carga debería reducir la resistividad, y de hecho, la resistividad del grafeno multicapa disminuyó en una mediana del 15% después de la intercalación. El valor de resistividad mínimo obtenido fue de 9,1 µ? cm. Por primera vez, Se logró el mismo orden de resistividad que el del cobre en interconexiones de grafeno multicapa.
Figura 4:(a) Espectros Raman antes y después de la intercalación. La Banda G cambió a la región de mayor número de onda. (b) Distribución de probabilidad acumulada de la tasa de cambio de resistividad después de la intercalación. La tasa media fue del 15%.
Se espera que la interconexión de grafeno multicapa desarrollada con baja resistividad y alta confiabilidad se utilice como interconexiones LSI. Los investigadores tienen como objetivo realizar una interconexión de grafeno multicapa que tenga una resistividad menor que el cobre. Al mismo tiempo, Intentarán desarrollar cableado tridimensional utilizando grafeno multicapa y nanotubos de carbono para su aplicación a LSI.
