常温接合による銅ナノメートル配線の形成と電気伝導特性の原子直視その場解析

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14040212
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 木塚 徳志 筑波大学, 物質工学系, 助教授 (10234303)
• キーワード: 電子顕微鏡 / 量子コンダクタンス / バリスティック伝導 / 走査トンネル顕微鏡 / 原子間力顕微鏡 / ナノテクノロジー / 微細接触 / 接点

研究概要

原子直視的接合解析法を用いて、次期配線材料として注目されているナノメートルサイズの銅の接点やワイヤー等の配線を常温接合で作製し、接合界面の限界歪み量、ヤング率等の弾性率、強度等の力学特性と電気伝導特性を実験的に明らかにした.この結果から、ナノメートル常温接合法を用いた超機能デバイス作製法を開発した。特に、これまでの手法では、接合操作を手動で行ってきたが、本年度は、応力を自動制御するシステムを設計製作し、最適化された常温接合法の条件を見いだすことを新たに試みた。
観察像を解析し、記録画像を1/60秒毎に解析し、構造変化と応力-歪み関係、酸化物層の厚さと絶縁特性等の分析結果を対応させた。これにより、一連の接合過程において、界面歪み緩和機構、不安定界面の構造安定化などの動的変化、接合時の界面化学反応、および接合前の表面と接合中の酸化物層の変化と絶縁特性や伝導特性の変化の対応を原子レベルで明らかにした。
これまで得られた結果を総合して、ナノメートルスケールの銅の接点とワイヤーの接合・変形における構造変化、化学反応を原子レベルで明らかにし、その結果を基に、接合界面の強度、靱性、伝導度もしくは絶縁性改善をおこなった。こうした結果から、超機能化デバイス作製に有効な常温接合法の条件を見いだし、その常温接合安定化の機構を考察した。エレクトロマイグレーションは、通常サイズの配線では、組織破壊の原因として扱われてきたが、本研究のようなナノサイズの配線では、逆に、破壊初期の自己修復機能として働くことが、発見された.

研究成果

• [文献書誌] Satoru Fujisawa, Tokushi Kizuka: "Direct observation of electron migration and induced stress in Cu nanowires"Jpn.J.Appl.Phys.. 42. L1433-L1435 (2003)
• [文献書誌] Satoru Fujisawa, Tokushi Kizuka: "Effect of lateral displacement of atomic force microscope tip caused by contact scanning by in-situ transmission electron microscopy"Jpn.J.Appl.Phys.. 42. L1182-L1184 (2003)
• [文献書誌] Satoru Fujisawa, Tokushi Kizuka: "Lateral displacement of an AFM tip observed by in-situ TEM/AFM combined microscopy : The effect of the friction in AFM"Tribology Lett.. 15. 163-168 (2003)
• [文献書誌] Tokushi Kizuka et al.: "Preparation of self-standing silicon nanowires by nanometer tip contact"Proc.1st International Symposium on Active Nano-Characterization and Technology. 105 (2003)
• [文献書誌] Tokushi Kizuka et al.: "Mechanical Properties of Nanometer-sized Cu Contacts"Proc.Int.Conf.Solid State Devices and Materials. 600-601 (2003)
• [文献書誌] 木塚徳志: "ピエゾ駆動による粒界すべりの電子顕微鏡観察"超音波. 15. 66-68 (2003)