電流ストレス印加CVDおよびアニールによるグラフェン配線の低抵抗化

2014 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 26420319
• Research Institution: Shibaura Institute of Technology
• Principal Investigator: 上野 和良 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (10433765)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: グラフェン / 化学的気相成長 / 固相析出 / アニール / 電流ストレス / 配線 / 膜質向上 / エレクトロマイグレーション

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、集積回路等のデバイスに用いるグラフェン配線応用のため、電流ストレス印加という新しい手法で、配線の低抵抗化につながる多層グラフェン膜の膜質向上を図るものである。初年度に当たる今年度は、CVDによるグラフェン成膜において電流ストレスによる膜質向上効果の確認と、CVD温度や印加電流などのプロセス条件依存性実験を行った。また、新たにCVD以外のグラフェン形成法として、アニールによるグラフェンの固相析出への電流ストレス印加効果の検証実験を行った。
電流ストレス印加CVDでは、予備検討で行ったCVD温度と異なる温度でも、電流ストレスの印加によって、グラフェンの膜質が大きく向上する結果が得られた。また、印加電流の増加とともに膜質が向上し、それぞれの電流条件でジュール加熱による温度上昇分を加えた温度（電流ストレスなし）でのCVDと比較すると、電流ストレスがある場合には、大きく膜質が向上した。また、グラフェン膜質にCo触媒の粒径が影響することが知られているため、膜質向上の要因解明の一環として、Co触媒の粒径と膜質との相関を調べた。その結果、電流ストレスの有無によるCo粒径の差は顕著には見られす、同じCo粒径でも、電流ストレスの有無によって、大きく膜質が異なることがわかり、電流ストレスによるCo触媒粒径への作用以外の作用が膜質向上に効いている可能性が示唆される。その電流ストレスの作用について、今後詳細な解析を行う予定である。
電流ストレス印加アニールによるグラフェン固相析出の実験では、電流ストレスによるジュール加熱分を加えた温度でのアニール（電流ストレスなし）と電流ストレスありを比較して、条件によっては電流ストレスによる膜質向上効果が見られたが、CVDの場合に比較すると効果が小さかった。今後、さらに温度や電流条件を変化させ、効果のプロセス条件依存性を調べる予定である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

初年度の26年度は、CVD中の電流ストレス印加による多層グラフェンの膜質向上効果が、350℃から500℃の間で基板温度によらず得られることを確認し、プロセスパラメータ依存性として、基板温度依存性、電流密度依存性を明らかにした。
また。CVD以外の多層グラフェン膜形成法への電流印加の効果検証について、炭素ドープCoからのアニールによる固相析出において、電流印加の効果の有無を調べ、前述のようにCVDほどではないが、電流ストレスの効果が見られた。実験を進める途中で、当初用いていた電気炉が故障する問題や、雰囲気によって触媒表面が酸化する問題が生じたが、それらを解決し、ほぼ順調に進捗している。
なお今年度中は、研究発表に至らなかった。

Strategy for Future Research Activity

今後は新たに導入した電気炉を用いて、電流印加CVDに関しては、CVD時間などの今年度行ったもの以外のプロセス条件（CVD時間など）の依存性を調べるとともに、プロセス条件依存性から電流ストレスによる膜質への作用、メカニズムについて、TEM等の物理分析等を用いて解明を進める予定である。
また、電流印加アニールに関しては、CVDに比較して効果が少ないことから、プロセス条件を変えて、効果が大きくなる条件がないか調べるとともに、TEM分析などを用いた解析により、電流の作用について、CVDと比較しながら考察する。
また成果発表に関して、今までに得られた結果を、応用物理学会やSSDMなどの国際会議に投稿する予定である。さらに最終年度までに、本手法による多層グラフェン膜の抵抗低減への効果を調べる。

Causes of Carryover

電流ストレス印加の作用を解明するためには、透過型電子顕微鏡（TEM）による多層グラフェンの断面観察や、2次イオン質量分析（SIMS）による触媒中の炭素濃度を、外部に依頼分析する必要があるが、それぞれ1サンプルあたり～20万円と高額なため、依頼分析するサンプルを慎重に絞りこむ必要がある。そのため、ラマン分光法やSEMなど学内で評価できる分析手段を使って、プロセス条件依存性から、観察するサンプルを慎重に絞り込み、再現性を確認した上で、必要なサンプルの分析を依頼したいと考えているため。

Expenditure Plan for Carryover Budget

サンプルを絞り込んだのち、予算の範囲内で有効なデータが取得できるように、TEM、SIMSなどの分析依頼に使用する予定である。また、成果を学会発表するために旅費を使用する予定である。