Schéma de principe du LSI utilisant des interconnexions de graphène multicouches.
Les chercheurs de l'AIST ont développé une interconnexion à faible résistivité et très fiable utilisant du graphène multicouche, qui est un matériau nanocarboné bidimensionnel.
En technologie conventionnelle, le graphène est obtenu principalement par exfoliation de cristaux de graphite, alors que cette nouvelle technique synthétise du graphène multicouche sur un substrat par la méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) en utilisant un film épitaxié de cobalt comme catalyseur. Ce graphène multicouche a une structure et des propriétés électriques similaires à celles du graphène obtenu à partir de haute qualité, graphite cristallin. En outre, il est plus tolérant que le cuivre aux fortes densités de courant. Par ailleurs, en intercalant différentes molécules (chlorure de fer) entre les couches du graphène multicouche, les chercheurs ont atteint le même ordre de résistivité (9,1 µ? cm) que celle du cuivre. La résistivité est inférieure d'environ un ordre de grandeur à celle du graphène synthétisé par la méthode CVD conventionnelle. L'interconnexion nouvellement développée devrait être appliquée à l'interconnexion de circuits intégrés à grande échelle (LSI) pour réduire la consommation d'énergie.
Les détails de cette technique seront présentés lors de l'International Interconnect Technology Conference (IITC 2013) qui se tiendra du 13 au 15 juin, 2013, à Kyôto.
Dans les années récentes, avec la vulgarisation des dispositifs d'information mobiles et la fonctionnalisation accrue des équipements informatiques, l'augmentation de la consommation électrique est devenue une préoccupation, et la réduction de cette consommation a été souhaitée. Classiquement, Les LSI ont été conçus pour réduire la consommation d'énergie grâce à la miniaturisation; cependant, la miniaturisation approche de ses limites et divers effets néfastes ont été signalés. Le cuivre est utilisé pour l'interconnexion des LSI de pointe. Au fur et à mesure que l'interconnexion devient plus étroite, la densité de courant électrique augmente, la tolérance à l'électromigration diminue, et donc la fiabilité est réduite. Par ailleurs, la miniaturisation provoque l'augmentation de la résistivité effective due à la diffusion des électrons aux joints des grains cristallins et sur les surfaces et les barrières métalliques qui ne peuvent être amincies au-delà d'un certain point. Il existe donc un besoin pour un nouveau matériau d'interconnexion qui remplace le cuivre.
Figure 1 :(a) Images MET en coupe transversale et (b) Spectre Raman du graphène multicouche.
Le graphène peut supporter une densité de courant électrique de deux ordres de grandeur supérieure à celle du cuivre, et le graphène pourrait avoir une faible résistivité car il montre une conduction balistique. Il est donc prévu qu'il soit utilisé comme matériau de câblage pour les LSI miniaturisés. Cependant, la technologie pour la synthèse à grande échelle de graphène multicouche de haute qualité adapté aux interconnexions n'a pas encore été établie. En outre, des interconnexions multicouches en graphène avec la même résistivité que le cuivre n'ont jamais été réalisées.
GNC a été créé en avril 2010 pour mettre en œuvre un projet sélectionné pour FIRST, qui est géré par le Cabinet Office, Gouvernement du Japon, et la Société japonaise pour la promotion de la science. Les membres du GNC sont des chercheurs de cinq entreprises (Fujitsu Ltd., Toshiba Corporation, Hitachi Ltd., Renesas Electronics Corporation, et ULVAC Inc.) et les chercheurs de l'AIST.
Dans le but de réduire la consommation électrique des LSI à 1/10 à 1/100 de celle des classiques, GNC étudie comment appliquer le graphène et les nanotubes de carbone aux interconnexions et aux transistors depuis 2011. Ce projet de recherche et développement a été soutenu par le projet FIRST « Development of Core Technologies for Green Nanoelectronics » (Chercheur principal :Naoki Yokoyama).
Les chercheurs ont développé une technologie pour synthétiser du graphène multicouche de haute qualité. À la fois, en intercalant différentes molécules, ils ont réussi à utiliser le graphène pour réaliser une interconnexion avec une faible résistivité du même ordre que celle des interconnexions en cuivre. La nouvelle technologie est décrite ci-dessous.
La technologie développée synthétise du graphène multicouche de haute qualité sur un substrat de saphir par la méthode CVD thermique dans des conditions optimisées. Le gaz source est du méthane dilué avec de l'argon et de l'hydrogène, et le catalyseur est un film mince de cobalt formé en utilisant le procédé de pulvérisation cathodique sur le substrat de saphir, qui est chauffé à environ 500 ?. La température de synthèse du graphène est d'environ 1000 ?. La figure 1 montre des images au microscope électronique à transmission (MET) de la section transversale du graphène multicouche synthétisé, et son spectre Raman. Les images MET indiquent que le graphène multicouche a environ 10 couches. Parce que la forme de la bande G'(2D) dans le spectre Raman est similaire à celle de la haute qualité, graphite cristallin, il est possible que ce graphène multicouche ait une structure similaire à celle du graphite.
Figure 2 :(a) Image au microscope optique et (b) caractéristiques courant-tension du graphène multicouche.
Le graphène multicouche nouvellement développé a été transféré sur un substrat de silicium avec un film d'oxyde et une interconnexion a été réalisée à l'aide de processus semi-conducteurs typiques. La figure 2 montre une image au microscope optique et les caractéristiques courant-tension de l'interconnexion de graphène. La résistivité minimale était de 56 µ? cm, qui était comparable à celui de haute qualité, graphite cristallin (résistivité d'environ 40 µ? cm). Un courant de 10 7 A/cm 2 densité a été appliquée à l'interconnexion de graphène à 250 ?. L'interconnexion n'était toujours pas rompue après 150 h, et il avait une meilleure tolérance à une densité de courant élevée que le câblage en cuivre (Fig. 3).
Figure 3 :Evaluation de la tolérance de densité de courant à 250 ℃. Les points bleus indiquent les conditions dans lesquelles les interconnexions en cuivre se sont rompues. L'interconnexion en graphène multicouche ne s'est pas rompue, même après l'application de 107 A/cm 2 courant pendant 150 h.
Malgré l'excellente fiabilité de l'interconnexion en graphène multicouche développée, sa résistivité était de plus d'un ordre de grandeur supérieure à celle du cuivre. Les chercheurs ont donc tenté d'abaisser la résistivité en intercalant du chlorure de fer. L'intercalation a été effectuée en plaçant une interconnexion de graphène multicouche formée sur un substrat et de la poudre de chlorure de fer dans un tube de quartz sous vide et en le chauffant à 310 ?. La figure 4 montre les spectres Raman avant et après l'intercalation et le taux de changement de résistivité. La bande G dans les spectres Raman s'est déplacée vers la région du nombre d'onde le plus élevé, suggérant que des charges sont transférées au graphène multicouche à la suite de l'intercalation. Un tel transfert de charge devrait abaisser la résistivité, et en fait la résistivité du graphène multicouche a diminué d'une médiane de 15 % après l'intercalation. La valeur de résistivité minimale obtenue était de 9,1 µ? cm. Pour la première fois, le même ordre de résistivité que celui du cuivre a été obtenu dans des interconnexions multicouches en graphène.
Figure 4 :(a) Spectres Raman avant et après intercalation. La bande G s'est déplacée vers la région du nombre d'ondes le plus élevé. (b) Distribution de probabilité cumulative du taux de variation de la résistivité après intercalation. Le taux médian était de 15 %.
L'interconnexion en graphène multicouche développée avec une faible résistivité et une fiabilité élevée devrait être utilisée comme interconnexions LSI. Les chercheurs visent à réaliser une interconnexion en graphène multicouche qui a une résistivité inférieure à celle du cuivre. À la fois, ils tenteront de développer un câblage tridimensionnel à l'aide de graphène multicouche et de nanotubes de carbone pour une application aux LSI.
