産業技術総合研究所(産総研)は12月11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20nm幅の微細配線を作製し、低抵抗、高信頼性を実証したと発表した。

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)の近藤大雄特定集中研究専門員、中野美尚特定集中研究専門員、佐藤信太郎特定集中研究専門員らによるもの。詳細は、12月11～13日に米国メリーランド州ベセズダ市で開催される「2013 International Semiconductor Device Research Symposium(ISDRS 2013)」にて発表される。

20nm幅グラフェンテスト配線の模式図とその走査電子顕微鏡(SEM)像

LSIはこれまで、微細化により低消費電力化を図ってきたが、微細化の限界が近づくとともに、様々な弊害が指摘されている。最先端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。さらに、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。そのため、銅に代わる微細配線の材料が求められている。グラフェンは、マイクロメートルサイズ幅の配線では低抵抗や高信頼性を示すため、LSIの配線材料として期待されている。

GNCでは、従来のLSIの消費電力を1/10～1/100に低減することを目標に、グラフェン、カーボンナノチューブを配線やトランジスタへ応用するための研究に取り組んできた。その中で、多層グラフェンを用いた微細配線作成技術についても開発を進めてきた。

今回、サファイア基板上にエピタキシャルコバルト薄膜を形成し、その上に、CVD法で合成した7～15層の多層グラフェンを高品質に形成した。原料はメタンをアルゴンと水素で希釈したガスで、合成温度は約1000℃。この多層グラフェンを別の基板に転写し、幅が4～20μm、厚さが2～5nm程度のテスト配線を作製した。さらに、塩化鉄を層間に入れるインターカレーション技術の条件を最適化したところ、4.1μΩcmの低抵抗率を達成した。これは銅配線の抵抗率に近いという。

(a)多層グラフェンのテスト配線のSEM像、(b)配線の抵抗率の分布

次に、この配線を電子線リソグラフィ装置で細線化した。配線長が長いと1桁程度抵抗が大きくなったが、配線長が4μmの場合、抵抗はほとんど変化しなかった。

(a)20nm幅グラフェン配線の模式図、(b)20nm幅グラフェン配線のSEM像

多層グラフェンを20nm幅に加工する前後の抵抗変化の配線長依存性

続いて、真空中250℃で107A/cm2の電流を流して、20nm幅のグラフェン配線の信頼性を評価した。グラフェン配線は110時間電流を流しても断線せず、160nm幅の銅配線よりも高い信頼性を示した。また、信頼性評価中に抵抗はほとんど変化せず、インターカレーションされている塩化鉄がこのような環境下でも脱離しないことが分かった。

温度250℃における20nm幅グラフェン配線の信頼性試験の結果。青丸は銅が断線した条件。多層グラフェン配線は107A/cm2の電流を110時間流しても断線しなかった。

今回の研究で得られた微細幅の多層グラフェン配線は、LSI配線への適用が期待される。今後、10nm以下の幅の多層グラフェン配線についても低抵抗・高信頼性を実証するとともに、多層グラフェンやカーボンナノチューブを利用した3次元配線を開発し、配線幅が10nm程度まで微細化される2020年頃をめどにLSIへの適用を目指すとコメントしている。