Diagramma schematico di LSI che utilizza interconnessioni di grafene multistrato.
I ricercatori dell'AIST hanno sviluppato un'interconnessione a bassa resistività e altamente affidabile utilizzando grafene multistrato, che è un materiale nanocarbonico bidimensionale.
Nella tecnologia convenzionale, il grafene si ottiene principalmente attraverso l'esfoliazione dei cristalli di grafite, considerando che questa nuova tecnica sintetizza grafene multistrato su un substrato mediante il metodo di deposizione chimica da vapore (CVD) utilizzando un film epitassiale di cobalto come catalizzatore. Questo grafene multistrato ha una struttura e proprietà elettriche simili a quelle del grafene ottenuto da materiali di alta qualità, grafite cristallina. Inoltre, è più tollerante del rame a densità di corrente elevate. Per di più, intercalando diverse molecole (cloruro di ferro) tra gli strati del grafene multistrato, i ricercatori hanno raggiunto lo stesso ordine di resistività (9,1 µ? cm) di quello del rame. La resistività è di circa un ordine di grandezza inferiore a quella del grafene sintetizzato utilizzando il metodo CVD convenzionale. L'interconnessione di nuova concezione dovrebbe essere applicata all'interconnessione di circuiti integrati (LSI) su larga scala per ridurre il consumo di energia.
I dettagli di questa tecnica saranno presentati alla International Interconnect Technology Conference (IITC 2013) che si terrà dal 13 al 15 giugno, 2013, a Kyoto.
Negli ultimi anni, con la diffusione dei dispositivi di informazione mobile e la maggiore funzionalizzazione delle apparecchiature informatiche, l'aumento del consumo di energia elettrica è diventato un problema, e la riduzione di questo consumo è stata voluta. Convenzionalmente, Gli LSI sono stati progettati per ridurre il consumo energetico attraverso la miniaturizzazione; però, la miniaturizzazione si avvicina ai suoi limiti e sono stati segnalati vari effetti negativi. Il rame è utilizzato per l'interconnessione di LSI all'avanguardia. Man mano che l'interconnessione si restringe, la densità di corrente elettrica aumenta, la tolleranza all'elettromigrazione diminuisce, e quindi l'affidabilità è ridotta. Per di più, la miniaturizzazione provoca l'aumento della resistività effettiva dovuta alla diffusione degli elettroni ai bordi dei grani cristallini e sulle superfici e dei metalli barriera che non possono essere assottigliati oltre un certo punto. C'è quindi la necessità di un nuovo materiale di interconnessione che sostituisca il rame.
Figura 1:(a) immagini TEM in sezione trasversale e (b) spettro Raman del grafene multistrato.
Il grafene può sostenere una densità di corrente elettrica di due ordini di grandezza superiore a quella del rame, e il grafene potrebbe avere una bassa resistività perché mostra una conduzione balistica. Si prevede quindi di essere utilizzato come materiale di cablaggio per LSI miniaturizzati. Però, non è stata ancora stabilita la tecnologia per la sintesi su vasta area di grafene multistrato di alta qualità adatto per le interconnessioni. Inoltre, interconnessioni multistrato in grafene con la stessa resistività del rame non sono mai state realizzate.
GNC è stata costituita nell'aprile 2010 per realizzare un progetto selezionato per FIRST, che è gestito dall'Ufficio di Gabinetto, governo del Giappone, e la Società giapponese per la promozione della scienza. I membri di GNC sono ricercatori di cinque società (Fujitsu Ltd., Toshiba Corporation, Hitachi Ltd., Renesas Electronics Corporation, e ULVAC Inc.) e ricercatori dell'AIST.
Con l'obiettivo di ridurre il consumo energetico degli LSI da 1/10 a 1/100 di quello di quelli convenzionali, GNC studia come applicare grafene e nanotubi di carbonio a interconnessioni e transistor dal 2011. Questo progetto di ricerca e sviluppo è stato supportato dal progetto FIRST "Development of Core Technologies for Green Nanoelectronics" (Lead Researcher:Naoki Yokoyama).
I ricercatori hanno sviluppato una tecnologia per sintetizzare grafene multistrato di alta qualità. Allo stesso tempo, intercalando diverse molecole sono riusciti ad utilizzare il grafene per realizzare un'interconnessione a bassa resistività dello stesso ordine di quella delle interconnessioni in rame. La nuova tecnologia è descritta di seguito.
La tecnologia sviluppata sintetizza grafene multistrato di alta qualità su un substrato di zaffiro mediante il metodo termico CVD in condizioni ottimizzate. Il gas sorgente è metano diluito con argon e idrogeno, e il catalizzatore è un sottile film di cobalto formato utilizzando il metodo sputtering sul substrato di zaffiro, che viene riscaldato a circa 500 ?. La temperatura di sintesi del grafene è di circa 1000 ?. La figura 1 mostra immagini al microscopio elettronico a trasmissione (TEM) della sezione trasversale del grafene multistrato sintetizzato, e il suo spettro Raman. Le immagini TEM indicano che il grafene multistrato ha circa 10 strati. Poiché la forma della banda G'(2D) nello spettro Raman è simile a quella dell'alta qualità, grafite cristallina, è possibile che questo grafene multistrato abbia una struttura simile a quella della grafite.
Figura 2:(a) immagine al microscopio ottico e (b) caratteristiche di corrente-tensione del grafene multistrato.
Il grafene multistrato di nuova concezione è stato trasferito su un substrato di silicio con un film di ossido ed è stata realizzata un'interconnessione utilizzando tipici processi a semiconduttore. La Figura 2 mostra un'immagine al microscopio ottico e le caratteristiche di corrente-tensione dell'interconnessione di grafene. La resistività minima era di 56 µ? cm, che era paragonabile a quello di alta qualità, grafite cristallina (resistività circa 40 µ? cm). Una corrente di 10 7 A/cm 2 la densità è stata applicata all'interconnessione di grafene a 250 ?. L'interconnessione non era ancora interrotta dopo 150 h, e aveva una migliore tolleranza all'alta densità di corrente rispetto al cablaggio in rame (Fig. 3).
Figura 3:Valutazione della tolleranza della densità di corrente a 250 . I punti blu indicano le condizioni in cui si sono interrotte le interconnessioni in rame. L'interconnessione multistrato di grafene non si è rotta, anche dopo l'applicazione di 107 A/cm 2 corrente per 150 h.
Nonostante l'eccellente affidabilità dell'interconnessione di grafene multistrato sviluppata, la sua resistività era più di un ordine di grandezza superiore a quella del rame. I ricercatori hanno quindi tentato di abbassare la resistività intercalando il cloruro di ferro. L'intercalazione è stata effettuata ponendo un'interconnessione multistrato di grafene formata su un substrato e polvere di cloruro di ferro in un tubo di quarzo sotto vuoto e riscaldandolo a 310 . La Figura 4 mostra gli spettri Raman prima e dopo l'intercalazione e il tasso di variazione della resistività. La banda G negli spettri Raman si è spostata nella regione del numero d'onda più alto, suggerendo che le cariche vengono trasferite al grafene multistrato come risultato dell'intercalazione. Tale trasferimento di carica dovrebbe abbassare la resistività, ed infatti la resistività del grafene multistrato è diminuita di una mediana del 15% dopo l'intercalazione. Il valore minimo di resistività ottenuto è stato di 9,1 µ? cm. Per la prima volta, lo stesso ordine di resistività di quello del rame è stato raggiunto nelle interconnessioni multistrato di grafene.
Figura 4:(a) Spettri Raman prima e dopo l'intercalazione. La banda G si è spostata nella regione del numero d'onda più alto. (b) Distribuzione di probabilità cumulativa del tasso di variazione della resistività dopo l'intercalazione. Il tasso medio è stato del 15%.
L'interconnessione di grafene multistrato sviluppata con bassa resistività e alta affidabilità dovrebbe essere utilizzata come interconnessioni LSI. I ricercatori mirano a realizzare un'interconnessione di grafene multistrato che abbia una resistività inferiore a quella del rame. Allo stesso tempo, cercheranno di sviluppare cablaggi tridimensionali utilizzando grafene multistrato e nanotubi di carbonio per l'applicazione agli LSI.
