p Pesquisadores da AIST desenvolveram uma interconexão de baixa resistividade e altamente confiável usando grafeno multicamadas, que é um material de nanocarbono bidimensional. p Na tecnologia convencional, o grafeno é obtido principalmente por meio da esfoliação de cristais de grafite, enquanto esta nova técnica sintetiza grafeno multicamadas em um substrato pelo método de deposição química de vapor (CVD) usando um filme epitaxial de cobalto como catalisador. Este grafeno multicamadas tem uma estrutura e propriedades elétricas semelhantes às do grafeno obtido de alta qualidade, grafite cristalina. Além disso, é mais tolerante do que o cobre a altas densidades de corrente. Além disso, intercalando moléculas diferentes (cloreto de ferro) entre as camadas de grafeno multicamadas, os pesquisadores alcançaram a mesma ordem de resistividade (9,1 µ? cm) que a do cobre. A resistividade é cerca de uma ordem de magnitude menor do que a do grafeno sintetizado usando o método CVD convencional. Espera-se que a interconexão recém-desenvolvida seja aplicada à interconexão de circuitos integrados de grande escala (LSIs) para reduzir o consumo de energia.

p Os detalhes desta técnica serão apresentados na International Interconnect Technology Conference (IITC 2013) que será realizada de 13 a 15 de junho, 2013, em Kyoto.

p Nos últimos anos, com a popularização dos dispositivos móveis de informação e o aumento da funcionalização dos equipamentos de TI, o aumento do consumo de energia elétrica se tornou uma preocupação, e reduzir esse consumo tem sido desejado. Convencionalmente, Os LSIs foram projetados para reduzir o consumo de energia por meio da miniaturização; Contudo, a miniaturização está se aproximando do seu limite e vários efeitos adversos foram apontados. O cobre é usado para a interconexão de LSIs de ponta. À medida que a interconexão se torna mais estreita, a densidade da corrente elétrica aumenta, a tolerância à eletromigração diminui, e, portanto, a confiabilidade é reduzida. Além disso, a miniaturização causa o aumento da resistividade efetiva devido ao espalhamento de elétrons nos contornos dos grãos do cristal e nas superfícies e nos metais de barreira que não podem ser diluídos além de um certo ponto. Há, portanto, a necessidade de um novo material de interconexão que substitua o cobre.

p O grafeno pode sustentar uma densidade de corrente elétrica duas ordens de magnitude maior do que a do cobre, e o grafeno pode ter baixa resistividade porque mostra condução balística. Portanto, espera-se que seja usado como um material de fiação para LSIs miniaturizados. Contudo, a tecnologia para a síntese de grandes áreas de grafeno multicamadas de alta qualidade adequado para interconexões ainda não foi estabelecida. Além disso, nunca foram realizadas interconexões de grafeno multicamadas com a mesma resistividade do cobre.

p GNC foi criada em abril de 2010 para implementar um projeto selecionado para FIRST, que é administrado pelo Gabinete do Governo, Governo do Japão, e a Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência. Os membros do GNC são pesquisadores de cinco empresas (Fujitsu Ltd., Toshiba Corporation, Hitachi Ltd., Renesas Electronics Corporation, e ULVAC Inc.) e pesquisadores AIST.

p Com o objetivo de reduzir o consumo de energia dos LSIs para 1/10 a 1/100 dos convencionais, A GNC tem estudado como aplicar grafeno e nanotubos de carbono em interconexões e transistores desde 2011. Este projeto de pesquisa e desenvolvimento foi apoiado pelo projeto FIRST "Desenvolvimento de tecnologias básicas para nanoeletrônica verde" (Pesquisador Líder:Naoki Yokoyama).

p Os pesquisadores desenvolveram uma tecnologia para sintetizar grafeno multicamadas de alta qualidade. Ao mesmo tempo, intercalando moléculas diferentes, eles conseguiram usar o grafeno para fazer uma interconexão com uma resistividade baixa da mesma ordem das interconexões de cobre. A nova tecnologia é descrita a seguir.

p A tecnologia desenvolvida sintetiza grafeno multicamadas de alta qualidade em um substrato de safira pelo método CVD térmico sob uma condição otimizada. A fonte de gás é o metano diluído com argônio e hidrogênio, e o catalisador é uma película fina de cobalto formada usando o método de pulverização catódica no substrato de safira, que é aquecido a cerca de 500?. A temperatura de síntese do grafeno é de cerca de 1000 ° C. A Figura 1 mostra imagens de microscópio eletrônico de transmissão (TEM) da seção transversal do grafeno multicamadas sintetizado, e seu espectro Raman. As imagens TEM indicam que o grafeno multicamadas tem cerca de 10 camadas. Como a forma da banda G '(2D) no espectro Raman é semelhante à de alta qualidade, grafite cristalina, é possível que esse grafeno multicamadas tenha uma estrutura semelhante à do grafite.

p O grafeno multicamadas recém-desenvolvido foi transferido para um substrato de silício com um filme de óxido e uma interconexão foi feita usando processos de semicondutores típicos. A Figura 2 mostra uma imagem de microscópio óptico e as características de corrente-tensão da interconexão de grafeno. A resistividade mínima foi de 56 µ? cm, que era comparável ao de alta qualidade, grafite cristalina (resistividade de cerca de 40 µ? cm). Uma corrente de 10 ⁷ A / cm ² densidade foi aplicada à interconexão de grafeno em 250? A interconexão ainda não foi interrompida após 150 h, e tinha melhor tolerância a alta densidade de corrente do que a fiação de cobre (Fig. 3).

p Apesar da excelente confiabilidade da interconexão de grafeno multicamada desenvolvida, sua resistividade era mais de uma ordem de magnitude maior do que a do cobre. Os pesquisadores, portanto, tentaram diminuir a resistividade intercalando cloreto de ferro. A intercalação foi feita colocando uma interconexão de grafeno multicamadas formada sobre um substrato e pó de cloreto de ferro em um tubo de quartzo sob vácuo e aquecendo-o a 310 ?. A Figura 4 mostra os espectros Raman antes e depois da intercalação e a taxa de mudança na resistividade. A banda G no espectro Raman mudou para a região de maior número de onda, sugerindo que as cargas são transferidas para o grafeno multicamadas como resultado da intercalação. Essa transferência de carga deve diminuir a resistividade, e, de fato, a resistividade do grafeno multicamadas diminuiu em uma mediana de 15% após a intercalação. O valor mínimo de resistividade obtido foi de 9,1 µ? cm. Pela primeira vez, a mesma ordem de resistividade do cobre foi alcançada em interconexões de grafeno multicamadas.

p Espera-se que a interconexão de grafeno multicamada desenvolvida com baixa resistividade e alta confiabilidade seja usada como interconexões LSI. Os pesquisadores pretendem realizar uma interconexão de grafeno multicamadas com resistividade menor do que o cobre. Ao mesmo tempo, eles tentarão desenvolver fiação tridimensional usando grafeno multicamadas e nanotubos de carbono para aplicação em LSIs.