2019 Fiscal Year Research-status Report
電流印加による多層グラフェン固相析出プロセスの低温化と低抵抗化
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18K04289
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| Research Institution | Shibaura Institute of Technology |
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Principal Investigator |
上野 和良 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (10433765)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 多層グラフェン / 固相析出 / 電流の作用 / 電極・配線 / 電子デバイス / エレクトロマイグレーション / ナノプロセス / 結晶性向上 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
多層グラフェン（MLG : Multilayer Graphene)は、低抵抗で高電流密度耐性といった特徴から、現在、集積回路用微細配線に用いられている銅の性能限界をブレークスルーする新材料として期待されている。一方で、結晶性の良いMLG薄膜をデバイス製造に適した低温で堆積する技術の開発が課題である。従来、結晶性の良いMLG膜を、400℃以下の配線プロセス温度で形成することは困難で、低温で結晶性の良いMLGを形成するために、本研究では熱（温度）以外に、結晶成長を促進する手段として電流を加えることを提案している。本研究の前に行った科研費による研究で、化学的気相成長（CVD : chemical vapor deposition)において、電流の作用で結晶性が向上できることを明らかにした。CVD法では、金属触媒上にMLGを形成するため、デバイスに応用するには、金属触媒を除去し、MLG膜をデバイス上に転写する工程の追加が必要になり、転写による膜質劣化が懸念される。そこで本研究では、MLG膜を直接デバイス上に形成できる固相析出法に電流を印加して結晶性の改善が得られるかどうかを調べた。
その結果、同じプロセス温度において電流の印加によって、ラマン分光法によって評価したMLGの結晶子（グレイン）サイズが、2～4倍に大きくなり、固相析出法においても電流の作用でMLGの結晶化を促進できることがわかった。また、400℃においても結晶化が見られ、電流印加による低温化の可能性が示された。
本年度は、前年度の実験で得られた、最適な電流と温度の条件を用いて、ニッケル（Ni）触媒と炭素（C）の膜厚を変化させ、触媒中のC濃度が結晶性にどのように影響するかを調べた。その結果、Ni触媒の膜厚に最適値があり、C膜厚が厚いほど結晶性が向上する結果が得られ、膜厚の最適化により結晶性が向上することがわかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、C/Ni積層膜をアニールしてMLGを固相析出するプロセスにおいて、電流印加のMLG結晶性改善への効果を検証し、電流・温度・炭素濃度といったプロセス条件の影響を調べるため、以下の項目の実験計画を立てた。
①電流依存性（加熱温度固定）、②温度依存性（電流固定）、③炭素濃度依存性、④ ①から③の実験結果を踏まえた最適プロセス条件の検討、⑤低抵抗化のためのドーピングと電気的特性評価
前年度までに①、②により電流あるいは温度の上昇とともに結晶性が改善することがわかった。今年度は③、④を実施する計画で進め、前年に得た最適な電流・温度条件を用いて、触媒Niと炭素源Cの膜厚をそれぞれ変化させて、MLG結晶性への影響を調べた。その結果、C膜厚を一定にしてNi膜厚を変化させた場合には、Ni膜厚の増加に伴って一旦、結晶性が向上するが、さらにNi膜厚を増やすと、逆に劣化する結果となった。またNi膜厚を一定にしてC膜厚を増加するとMLGの結晶性が向上した。C/Ni膜厚の最適化により、前年度よりも高い結晶性が得られ、デバイス適用可能なレベルの結晶性を実現できる可能性が得られた。一方で、析出したMLGは均一な膜にならず、デバイス適用に向けて均一析出の実現が課題である。
以上のように、電流印加固相析出法において、MLG結晶性改善の観点からの電流、温度、濃度（膜厚）の最適条件が得られ、おおむね順調に進展しているが、今後、均一な膜形成の課題が残されている。低抵抗化に関しては、インターカレーションドーピングプロセスの検討を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
上記の課題解決のためには、固相析出におけるMLG核形成と粒成長の制御が必要と考えられる。電流印加固相析出によるMLGの結晶性がC/Ni膜厚により変化した実験結果から、MLG核形成と粒成長について、以下のような推測している。Ni膜厚の変化に伴って、アニール中のNi中の炭素濃度勾配が変化すると考えられ、Niが薄い場合には、濃度勾配が大きく、析出の初期にMLG結晶核が高密度で形成されて、結果的に粒径が小さくなると考えられる。Ni膜厚の増加とともに濃度勾配が減少して、核発生密度が低下する。C膜厚が厚く、C供給がある間は、発生した核からの粒成長によりMLG結晶粒が大きくなる。Ni膜厚が厚すぎると、濃度勾配の低下により核発生密度が低下するとともに、粒成長に必要なCが不足して、結晶粒が小さいままとなったと推測される。一方、C膜厚とともに結晶性が改善したことから、粒径拡大のためには、適切なNi膜厚による濃度勾配のもとでMLG成長に必要なC濃度勾配が維持されることが重要と考えられる。
以上の推測から、今後、結晶性を改善した均一な膜を形成するために、適切な厚さのNiで核形成した後、均一な膜になるまでC濃度勾配を持続することが必要と推測され。今後Cをさらに厚くすることが良いと考えられる。また、Ni触媒の凝集が不均一な膜の要因とも考えられ、凝集を抑える方法の検討も必要と考えている。
さらに、上述の固相析出メカニズムの推測を検証し、固相析出におけるMLG核形成と成長の制御と電流の作用の解明を行うために、今後、核形成密度や粒成長速度をより直接的に観察できるような実験を行う必要がある。また低抵抗化に関しては、固相析出MLGへのインターカレーションドーピング等の検討を行う。
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| Causes of Carryover |
均一性を改善するための装置改善を検討したが、さらに時間をかけてサンプルホルダー等の構造検討を行ったほうが良いと判断した。またTEMによる微細構造の分析依頼を予定していたが、予定していたサンプルで均一な膜にならなかったため、均一な膜のサンプルを作製してからTEM分析を行ったほうが有益なデータが取得できると判断した。次年度に、サンプルホルダーなどの装置改善や、均一な膜サンプルの微細構造評価のためにTEM依頼分析を行う。また低抵抗化のために、インターカレーションドーピングを検討するための資材や薬品購入に使用する予定である。
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| Remarks |
芝浦工業大学工学部電子工学科ナノエレクトロニクス研究室 ホームページ
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Research Products
(7 results)
