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発表・掲載日:2013/12/12

カーボンナノチューブのインプラントによる新たな配線作製技術

-LSI配線やシリコン貫通電極への応用に期待-

ポイント

  • 高温合成による高品質なカーボンナノチューブを用いて配線を作製
  • 新規カーボンナノチューブ配線の抵抗は、従来のカーボンナノチューブ配線より1桁以上改善
  • 最先端研究開発支援プログラム(FIRST)のプロジェクト「グリーン・ナノエレクトロニクスのコア技術開発」(中心研究者:横山 直樹)の成果

概要

 独立行政法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】(以下「産総研」という)ナノエレクトロニクス研究部門【研究部門長 金丸 正剛】連携研究体グリーン・ナノエレクトロニクスセンター(以下「GNC」という)【連携研究体長 横山 直樹】佐藤 元伸 特定集中研究専門員、佐藤 信太郎 特定集中研究専門員らは、1次元ナノカーボン材料であるカーボンナノチューブ(CNT)を利用した新たな配線作製技術を開発した。

 従来のCNT配線技術では、大規模集積回路(LSI)の縦配線であるプラグ、あるいはビア配線を作製するために、基板に開けた配線用の微細な穴の底に堆積した触媒金属から、400 ℃程度の低温でCNTの束を合成して配線としていた。しかし低温合成であるため、一般的にCNTの品質は悪く、配線の抵抗も高かった。今回、別の基板上に合成したCNTを配線用の微細穴(直径:100~300 nm)に転写・挿入(インプラント)して、CNT配線を作製する技術を開発した。CNTの合成には配線用基板とは別の基板を用いるので高温合成が可能となり、高品質なCNTを用いた配線を作製できる。この技術により、低温での直接合成法により作製したCNTプラグより約1桁低い抵抗のCNTプラグを実現できた。今回開発した技術は、低消費電力化のためのLSIの微細配線への応用や、3次元実装のためのシリコン貫通電極(Through Silicon Via; TSVへの応用が期待される。

 この技術の詳細は、2013年12月9~11日(現地時間)に米国ワシントンD.C.で開催される国際会議2013 IEEE International Electron Device Meeting (IEDM 2013)で発表される。

CNTプラグ模式図
CNTプラグの模式図

開発の社会的背景

 携帯情報端末の普及やIT機器の高機能化に伴って消費電力が増大しており、電子情報機器の消費電力低減が求められている。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、さまざま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ため、銅に代わる微細配線の材料が求められている。

 一方、CNTは銅より2桁以上高い電流密度耐性を持つとともに、バリスティック伝導を示すことから低抵抗化も期待でき、微細化が進むLSIの配線材料として期待されている。しかし、これまで配線に適した高品質CNTを用いた配線は作製できておらず、抵抗も高かった。

研究の経緯

 GNCは、内閣府と独立行政法人 日本学術振興会によって運営される最先端研究開発支援プログラム(FIRST)に採択されたプロジェクトを実施するために2010年4月に設立された。企業5社(富士通株式会社、株式会社 東芝、株式会社 日立製作所、ルネサスエレクトロニクス株式会社、株式会社 アルバック)からの出向研究者と産総研研究者によって構成されている。

 GNCでは平成23年度より、従来のLSIの消費電力を10分の1~100分の1に低減することを目標に、グラフェン、CNT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。この研究開発は、最先端研究開発支援プログラム(FIRST)のプロジェクト「グリーン・ナノエレクトロニクスのコア技術開発」(中心研究者:横山 直樹)の助成により行われた。

研究の内容

 図1に、今回開発したCNT配線作製技術の流れを示す。まず、熱酸化膜(SiO2)付きシリコン(Si)基板上に化学気相合成(CVD)法によって多層CNTを合成する(図1a)。触媒として、チタン(1 nm)とコバルト(2 nm)の積層膜を真空蒸着法により基板上に形成した。原料はアセチレンをアルゴンで希釈したガスであり、基板温度は850 ℃である。次に、合成したCNT束の先端部に金属膜(今回は金)を堆積してCNT束の支持膜とする(図1b)。その後、CNT下層のSiO2膜をバッファードフッ酸により除去して、支持膜付きCNT束を合成用の基板から分離する(図1c)。分離した支持膜付きCNT束をプラグ用の穴を開けた基板に転写する(図1d)。その際、アセトンなどの揮発性の液体を基板とCNT束の界面に塗布しておくと、その蒸発の際の毛細管力により支持膜付きCNTが基板に密着し、さらに、CNTがプラグ用穴に挿入(インプラント)される(図1e)。次に、CNT束を転写した基板にスピン・オン・グラス(SOG)を塗布し(図1f)、化学機械研磨(CMP)により金属膜とCNTの穴からはみ出した部分をSOGと共に除去し平坦化して、インプラントCNTプラグを作製した(図1g)。

CNT配線作製の流れの図
図1 CNT配線作製の流れ

 図2(a)は基板上に合成したCNTの走査電子顕微鏡(SEM)像である。約800 nmの長さのCNTが垂直方向に配列して基板上に形成されており、その本数密度は3 x 1011 cm-2であった。図2(b)は支持膜付きCNT束が挿入されたプラグ穴付き基板の断面SEM像である。金支持膜を付けたため、挿入可能なCNTの長さは約500 nmとなり、穴の深さが500 nm以下であればプラグ底まで挿入できることがわかる。用いたプラグ穴は、上部が徐々に広がる構造になっているため、穴と穴の間にあるCNTも穴に集めることができる。この例では、穴のピッチP((穴の直径+穴の間のスペース)/穴の直径)は2であり、最大P2倍程度まで(今回は1.2x1012 cm-2程度まで)、プラグ穴の中のCNTの密度を高めることができる。

基板上に合成されたCNTのSEM像と金属支持膜付きCNT束が挿入されたプラグ穴付き基板の断面SEM像
図2 (a)基板上に合成されたCNTのSEM像
(b)金属支持膜付きCNT束が挿入されたプラグ穴付き基板の断面SEM像
プラグ穴深さは左からそれぞれ300 nm、500 nm、700 nm

 図3にCMP後のプラグ穴に埋め込まれたCNT束を上から観察したSEM像を示す。転写に用いた支持膜などが除去され、平坦化されている。このようなCNTプラグの上部に電極として、チタン(5 nm)/金(200 nm)電極を堆積した。また、プラグ穴の底には窒化チタンの下部電極が堆積されている。これらの上下電極を用いて、CNTプラグの接触抵抗込みの抵抗を測定した。その結果を、450 ℃で直接プラグ穴に合成したCNTプラグの抵抗や、LSIで通常使用されているタングステン(W)プラグの抵抗と共に図4に示す。今回開発したCNTプラグでは、直接合成のCNTプラグよりも1桁以上抵抗が改善していた。タングステンプラグの抵抗より高いが、CNTプラグの抵抗は用いたCNTの抵抗に依存するため、CNTの品質や密度の向上により、今後改善可能である。図5に、今回のCNTプラグ抵抗とCNTプラグ/ビア配線抵抗の報告値を比較した。今回の結果は、他の研究機関の結果と比較しても優れていることがわかる。

CMPにより平坦化されたCNTプラグの平面SEM像写真
図3 CMPにより平坦化されたCNTプラグの平面SEM像

今回開発したインプラントCNTプラグと、従来手法によるCNTプラグ、タングステンプラグの抵抗の図
図4 今回開発したインプラントCNTプラグと、従来手法によるCNTプラグ、タングステンプラグの抵抗

今回開発したインプラントCNTプラグの抵抗とCNTプラグ/ビア配線抵抗の報告値との比較の図
図5 今回開発したインプラントCNTプラグの抵抗とCNTプラグ/ビア配線抵抗の報告値との比較
他研究機関の結果はCNT直接合成によるもの。

今後の予定

 今回開発したCNTの転写・挿入による配線作製技術の、LSIの微細配線や3次元LSIのTSVへの応用を目指す。特に配線への応用については、CNTに加えて多層グラフェンを利用した3次元配線を開発し、LSIへの適用を目指す。


用語の説明

◆カーボンナノチューブ(CNT)
炭素原子が平面上で蜂の巣格子状に並んだ構造を持つグラフェンが丸まって筒になった構造のもの。丸まった時のグラフェンの方位や直径により、金属や半導体となる。一層からなるものを単層カーボンナノチューブ、複数層からなるものを多層カーボンナノチューブと呼ぶ。[参照元へ戻る]
◆大規模集積回路(LSI)
多数のトランジスタなどを、半導体表面に集積して構成される大規模な回路。現在、ほぼ全てがシリコン結晶の表面に形成されている。現代のエレクトロニクスの基幹をなす。[参照元へ戻る]
◆プラグ
LSIにおいて、トランジスタの電極と金属配線をつなぐ縦配線のこと。[参照元へ戻る]
◆ビア配線
LSIにおいて、複数層からなる金属配線間をつなぐ縦配線のこと。[参照元へ戻る]
◆シリコン貫通電極(Through Silicon Via; TSV)
シリコンチップを貫通する縦配線のこと。3次元LSIの積層されたLSIチップ間を電気的に接続するために用いられる。[参照元へ戻る]
◆エレクトロマイグレーション
金属配線中に電流を流した際、電子と金属原子の間で運動量が移動し、原子が空孔などを介して徐々に移動することで、配線に欠損が生じる現象。[参照元へ戻る]
◆結晶粒
金属を構成する多数の微小な結晶の一つ。研磨、調製された試料では顕微鏡によって観察できる。[参照元へ戻る]
◆バリアメタル
金属材料の拡散防止や相互反応防止のために用いられる金属膜の総称であり、母材と密着性が良く、反応しない材料が用いられる。銅配線では、通常、タンタル(Ta)や窒化タンタル(TaN) が使われている。[参照元へ戻る]
◆バリスティック伝導
電子が不純物や格子振動などで散乱されずに物質内を通り過ぎる現象。[参照元へ戻る]
◆化学気相合成(CVD)法
反応容器内で原料ガスを熱などにより分解して基板上に薄膜や構造体を合成する方法。CNTの場合は、一般的にメタンやアセチレンなどの炭化水素系ガスを原料とし、遷移金属の触媒膜上に合成する。[参照元へ戻る]
◆真空蒸着法
薄膜作製法の一種。真空中で材料を加熱して蒸発させ、それを基板上に付着・堆積させることによって薄膜を作製する。[参照元へ戻る]
◆バッファードフッ酸
フッ化水素酸とフッ化アンモニウム溶液の混合水溶液。SiO2やガラスのエッチングに用いられる。[参照元へ戻る]
◆スピン・オン・グラス(SOG)
ガラス膜を、スピンコート法で作成するための材料。スピンコート法で塗布後、熱処理することによりガラス化する。[参照元へ戻る]
◆化学機械研磨(CMP)
半導体ウエハーの平坦化に用いられる研磨技術。化学研磨剤と研磨パッドを使用し、化学作用と機械的研磨の複合作用によりウエハー表面を平坦化する。[参照元へ戻る]
◆走査電子顕微鏡(SEM)
電子線を絞って電子ビームとして試料に照射した際に、試料から出てくる電子の情報を基に、試料の形状や組成の違いによるコントラストを得る手法。通常は2次電子像が用いられる。[参照元へ戻る]


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