Microsoft PowerPoint - 分科会資料6-3-1.ppt

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みそらみょうだに
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1 第 1 回ナノカーボン応用製品創製プロジェクト ( 事後評価 ) 分科会資料 6-3 公開プロジェクトの詳細説明資料 (3) 電気的機能制御技術事業原簿 p.19~20 28~30 1/27 電気的機能制御グループのテーマ 1) 超精密成長制御技術の開発 [NEC 分室 ] 2) デバイス応用基礎技術の開発 [NEC 分室, 産総研 ] 3) カーボンナノチューブの配線ビア応用の研究 [ 富士通分室 ] 協力 NEC 分室 : CNTトランジスタ協力産総研 :1) ビア配線用 MWNTの機械強度破壊挙動評価 2) SWNT-FETのナノレベルでの電子特性評価 3) SWNTの光電子機能開発グループ間連携 : 構造制御 G:JFCC(SiC からの合成 ) 産総研 ( スーハークロース ) 2/27

2 実効低効率抵抗率 (μωcm) LSI 配線技術開発の背景 :Cu 配線の限界 1. 配線およびビアにおける比抵抗上昇微細化によりバリア層の相対厚膜化が進行散乱が増えて抵抗率がハルク値以上に上昇従来の金属材料 ( 銀など ) では低抵抗化が限界 2. エレクトロマイグレーションによる信頼性低下電流密度が上昇しエレクトロマイグレーション現象の顕在化により信頼性に限界が出る 3.LSI 歩留りを決めるビアプロセスの困難さ Cu ビアの場合ビアホール内側のバリア層やメッキシード層の薄膜化微細領域への Cu 埋め込み制御が限界十分な歩留りを得ることに限界 Al λ MFP =14 nm Al Cu Al バルク Cu バルク Cu λ MFP =45 nm Size Effect Model クレイン ~ ハルク x 2.5 Cu 配線幅 (nm) CuとAl 配線の抵抗率の配線幅依存性ハリア層 Maximum 最大電流密度 current density (A/cm 2 ) hp130 hp90 hp65 hp45 45 hp 32 hp 22 ITRS2003 Al wire Cu wire CNT 解の候補が見当たらない Solutions are NOT known Year of Production ULSI 配線に必要とされる電流密度耐性 Technology Node 2020 量産年 3/27 カーボンナノチューブ配線ビア MWNT 束の CNT ビア特長高電流密度 (Cuの1000 倍 ) 課題高速電子輸送 ( ハリスティック輸送 ) 1. 配線およびビアにおける比抵抗上昇の抑制高熱伝導度 (Cuの10 倍 ) CNTでのバリスティック伝導を活用バリア高機械強度 ( 鋼鉄の100 倍 ) 層を不要とする高アスペクト比 ( 容易に>1000) 2. エレクトロマイグレーションによる信頼性低下の抑制 CNT 固有の高強度特性 ( 機械的電流密度 ) を活用 3.LSI 歩留りを決めるビアプロセスの困難さの抑制 CNT 材料の生成メカニズムにおける高アスペクト比を活用 4/27

3 プロジェクト目標 (CNT 配線ビア ) 1 ナノチューブ低温成長技術 : 達成成長温度 400 (LSIへの整合性より) 2 高信頼ナノチューブビア : 達成許容電流密度 2.5x10 6 A/cm 2 以上 ( 半導体ロードマップより ) 3 低抵抗ナノチューブビア : 達成ビア抵抗として銅あるいはタングステン相当の実証 ( 配線遅延より ) 4 高熱伝導高強度ナノチューブビア : 達成銅以上の熱伝導度あるいは機械的強度の実証 ( 半導体ロードマップより ) 5/27 CNT 熱フィラメント CVD 成長装置 μ 波 2.45GHz 熱フィラメントチャンハー DC μ 波制御盤 H 2 CH 4 C 2 H 2 真空ホンフ基板温度制御基板ホルターチャンハー基板サイズ: 8 インチ φ 電界印加可能 4 CVD モード : 高周波プラズマ CVD 直流プラズマ CVD 熱 CVD 熱フィラメント CVD CNTs 基板触媒金属 (Ni, Co) 6/27

4 300mm Si 基板全面に成長した CNT CVD 法 : 半導体プロセスとしてクリーンで構造制御が可能な方法 7/27 CVD 法による CNT ビアの形成ビアホール 2 μm φ SiN 層間 Dielectric 絶縁膜 500 nm 触媒金属 100 nm 金属配線 Cu wire SiN 層間絶縁膜 dielectric Si Si substrate 基板 8/27

低温 CVD 法で作製した CNT ビアアレー 510 C 420 Co ナノ微粒子

Awano, INCS 2004 未発表側壁に若干の欠陥が見られ品質改善の余地あり

電極とのオーミック接合の同時形成に成功 CNT ビア低抵抗オーミック簡易実験 :

基板 Ni Ti Ni M. Nihei et al., Jpn. J. Appl.

5 低温 CVD 法で作製した CNT ビアアレー 510 C 420 Co ナノ微粒子 450 C 400 C! 450 C 縦配向した高密度多層ナノチューブ束 Nihei, et al., IEEE/IITC nm Y. Awano, INCS 2004 未発表側壁に若干の欠陥が見られ品質改善の余地あり 9/27 低抵抗オーミック接合技術 CNT 合成とビア底の Ti 電極とのオーミック接合の同時形成に成功 CNT ビア低抵抗オーミック簡易実験 : 架橋 MWNT MWNT SiN SiN Si 基板 5μm MWNT SiN Si 基板 Ni Ti Ni M. Nihei et al., Jpn. J. Appl. Phys. 43, 1856 (2004) 電流 (μa) 本架橋 MWNT R = 54 kω R = 134 kω 2 層電極 R = 15 ~30MΩ 1 本架橋 MWNT 単層電極電圧 (V) : Ni (10 nm)/ti (100 nm) 10/27 : Ni (100 nm)

$147 CNTs 2θ Incident X-ray CNTs θ Bulk sensitive(4nm) Photoelectrons Surface sensitive(~1nm) Grazing incidence X-ray diffraction θ=75 Co or Ni Ti nano-particle C-C, Ti$ x O y TiC Ti MWNT θ=10 高輝度光科学研究センター (JASRI, Spring-8) を利用 CVD 成長中に TiC 層が形成されることが初めて分かった 11/27 1000 ビアチェーンの試作 Cu 配線上の CNT ビアプロセス (1) Co 触媒 (2) TiC オーミック接合 ( ビア底 ) (3)

x O y TiC Ti MWNT θ=10 高輝度光科学研究センター (JASRI, Spring-8) を利用 CVD 成長中に TiC 層が形成されることが初めて分かった 11/27 1000 ビアチェーンの試作 Cu 配線上の CNT ビアプロセス (1) Co 触媒 (2) TiC オーミック接合 ( ビア底 ) (3)

6 低抵抗オーミック接合のモデル微小角入射 X 線回折法コアレベル光電子分光法 X-ray CNTs 2θ Incident X-ray CNTs θ Bulk sensitive(4nm) Photoelectrons Surface sensitive(~1nm) Grazing incidence X-ray diffraction θ=75 Co or Ni Ti nano-particle C-C, Ti x O y TiC Ti MWNT θ=10 高輝度光科学研究センター (JASRI, Spring-8) を利用 CVD 成長中に TiC 層が形成されることが初めて分かった 11/ ビアチェーンの試作 Cu 配線上の CNT ビアプロセス (1) Co 触媒 (2) TiC オーミック接合 ( ビア底 ) (3) Ta バリア層 (4) 450 C 成長 (5) Ti オミック接合 ( ビア先端 ) Cu 下層配線 CNT ビア Co (2.5 nm) / Ti (2.5 nm) Cu (300nm) Ti (25nm) CNT CNT Ta (5 nm) Cu (100 nm) TEOS-SiO 2 Si Sub. Ta Cu ビア直径 2 μm SiO 2 (350nm) 1000 CNT ビア - チェーンの試作サンプル M. Nihei, M. Horibe, A. Kawabata and Y. Awano, IEEE / IITC 2004, pp /27

抵抗 (Ω/ ビア ) 10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 10-1 10-2 CNT ビアの電気的特性 W プラグ Cu ビア CNT 密度 (/cm 2 ) 10 10 10 11 10 12 10 13 ビア径 : 2 μmφ 5Ω 0.

7 抵抗 (Ω/ ビア ) CNT ビアの電気的特性 W プラグ Cu ビア CNT 密度 (/cm 2 ) ビア径 : 2 μmφ 5Ω 0.6Ω 既発表 : Ni/Ti, 600 C Co/Ti/Ta/Cu 450 C 1) 510 C ビア内の CNT 本数 ) M. Nihei, et al., IEEE / IITC 2004, pp.251 2) S. Sato, et al., CPL 382 (2003) ) M. Nihei, et al., IEEE / IITC 2005, June 6-8 3) 電流 (ma) Cu Ti 1 本の CNT 電流密度換算 A/cm 2 ビアに流した電流密度 2~ A/cm 2 SiO 2 ビア径 :2 μm 室温時間 13/27 新しい CNT の直径および密度制御法 < 従来の触媒 CVD 法 > CNT 触媒金属薄膜触媒金属微粒子 < ナノ微粒子触媒 CVD 法 > サイズを制御した触媒金属ナノ微粒子従来の高温 CVD 過程触媒微粒子からの CNT 成長の分子動力学シミュレーション ( 富士通 ) 低温成長 HF-CVD 微粒子は基板上で 2 次粒子化 ( サイズ拡大 ) しない 14/27

He 微粒子生成分級デポジションシステムレーザーアブレーション法と減圧微分型静電分級機

5kPa Nd:YAG レーザー (532nm, 4W, 20Hz) 触媒金属ターゲット

Kawabata, M. Nihei, Y. Awano, CPL 382 (2003) 361.

CNTs 0 S. Sato, A. 5 10 S. Sato, A. Kawabata, D.

8 He 微粒子生成分級デポジションシステムレーザーアブレーション法と減圧微分型静電分級機 (DMA: differential mobility analyzer) で構成圧力 : 1.5kPa Nd:YAG レーザー (532nm, 4W, 20Hz) 触媒金属ターゲットチューブ加熱器基板ステーシ DMA 基板シースカス (He, Qs slpm) He に乗った微粒子 (Qa slpm) 余分なカス (Qs slpm) 真空ホンフサイズ分級された微粒子 (Qa slpm) Qs : Qa = 5 : 1 S. Sato, A. Kawabata, M. Nihei, Y. Awano, CPL 382 (2003) /27 多層 CNT の直径制御サイズ分級した Ni ナノ微粒子 5nm Ni ナノ微粒子 Φ=5.1 nm σ=1.12 CNTs Φ= 5.0 nm σ= 1.3 熱フィラメント TiCo ナノ微粒子サイズ分級した TiCo ナノ微粒子 CNTs 0 S. Sato, A. Kawabata, M. Nihei, Y. Awano, CPL 382 (2003) S. Sato, A. Kawabata, D. Kondo, M. Nihei, Y. Awano, CPL 402 (2005) /27

9 微細ビアからの CNT 成長 ( 最新 ) 微細ビアでも CNT 密度は維持されている微細ビアでの金属埋め込み歩留まり向上に期待 <50nm Co 微粒子触媒層間膜 :SiO 2 空間占有率 ( 世界トップ ) S. Sato, et al. : 6 月 IEEE/IITC2006( 米国 ) にて発表 17/27 CNT ビアの研磨技術 ( 長さ制御 ) レジスト研磨 ( タイヤモント研磨剤 ) アセトン Si 基板 SiO 2 エタノール洗浄多層 CNT の先端除去内層コンタクトにも有効研磨圧力 : 18 kpa < CNT の基板への密着力 : 5.5 MPa M. Horibe, M. Nihei, D. Kondo, A. Kawabata and Y. Awano, JJAP, Vol. 43, 2004, pp /27

触媒に隣接するパターンを設置 19/27 技術項目プロセス触媒 / 接合材料 CNT 成長温度. CNT 密度 ( チューフ /cm 2 ) 上部接合 ( 処理温度 ) 抵抗 (Ω/2μ ヒア ) 電流密度 (A/cm 2 ) 目安 <400 C 0.2(W), 0.

10 成長制御技術 : 横方向成長 CNT 間 CNT-ハターン間のファンデルワールス力 (van der Waals force) を利用したCNT 束方向制御に成功 ( 世界初 ) Contact block Vertical via M.Nihei et al.: IEEE/IITC 2005 Horizontal wire CNTs フロック上面側面に触媒を設置 2 μm A. Kawabata et al.: NT05 ハターン直径 : 1.5μm 厚さ 350 nm Van der waals force catalyst Si sub. 触媒に隣接するパターンを設置 19/27 技術項目プロセス触媒 / 接合材料 CNT 成長温度. CNT 密度 ( チューフ /cm 2 ) 上部接合 ( 処理温度 ) 抵抗 (Ω/2μ ヒア ) 電流密度 (A/cm 2 ) 目安 <400 C 0.2(W), 0.02(Cu) >10 7 ビアとしてベンチマークテスト富士通シングルダマシン Co/Ti/Ta/Cu 熱フィラメントCVD 400~450 C CMP, MP Ti/Cu( 室温 ) 0.6 (510 ) CNT 当り Infineon シングルダマシン Fe/Ta 熱 CVD 550 C CMP W(850 C)or Pd CNT 当り NASA CNT 先付層間膜後付 Ni/Cr プラズマCVD 800 C <まとめ>>10 12 ~ 成長温度電気的特性他で世界に先行している Si LSIにすでに導入済みの材料で構成されている CMP Ti/Pt 10 ~ CNT 当り 20/27

移動体通信 CNT の放熱応用への期待基地局高周波高出力アンフ実装の課題放熱と低接地インタクタンスの両立 CNT をフリッフチッフのハンフに適用フリッフチッフで低接地インタクタンス CNT ハンフで高放熱高出力トランジスタチップ出力高出力トランシスタチッフ

に適用高放熱性と高周波性能を同時に実現 ( 世界初 ) GaN-HEMT SiC 基板 CNT 放熱ハンフ AlN 基板ヒートシンク CNT 放熱ハンフの SEM 観察像 ( 上 ) 高周波での HPA 小信号特性 ( 右 ) 最大有能電力利得 (db) 30 CNT の熱伝導率

11 移動体通信 CNT の放熱応用への期待基地局高周波高出力アンフ実装の課題放熱と低接地インタクタンスの両立 CNT をフリッフチッフのハンフに適用フリッフチッフで低接地インタクタンス CNT ハンフで高放熱高出力トランジスタチップ出力高出力トランシスタチッフ ( 裏面 ) 高出力トランシスタチッフグランド入力熱 CNT バンプ入力出力従来の実装 ( フェースアッフ ) パッケージ CNT を用いた新しいフリッフチッフ実装 21/27 CNT ビア ( バンプ ) の高周波特性高熱伝導高アスペクト比の性質を活かし放熱ハンフに適用高放熱性と高周波性能を同時に実現 ( 世界初 ) GaN-HEMT SiC 基板 CNT 放熱ハンフ AlN 基板ヒートシンク CNT 放熱ハンフの SEM 観察像 ( 上 ) 高周波での HPA 小信号特性 ( 右 ) 最大有能電力利得 (db) 30 CNT の熱伝導率 :1400 W/(m-K) フリッフチッフ 25 5GHz 以上の高周波でフェイスアッフ増幅率は 2dB 以上の向上 CNT の熱伝導率 :1400 W/(m-K) T. Iwai, et al., IEEE/IEDM 周波数 (GHz) 22/27

12 背景プロジェクト目標 NEC 分室 : 背景とプロジェクト目標 CNT: 将来のナノエレクトロニクスのキー材料 ( 従来半導体にない構造電気的特長 ) CNTトランジスタ : 従来のシリコンデバイスでは困難な機能性デバイスとして期待 CNT トランジスタを実現するために必要な成長制御技術素子作製技術を開発する超精密成長制御技術の開発水平成長制御 (7 (±15 度 ) 位置制御度 ) 位置制御 (10nm) (50nm) 直径制御 (30%) (±20%) 長さ制御(~10%) (±10%) 低抵抗オーム性接合絶縁膜 / 保護膜デバイス応用基礎技術の開発高誘電率ゲート絶縁膜保護膜技術 (TiO 2 ) 保護膜技術(SiO 2 ) 低抵抗オーム性接合 (10kΩ:AuPd) (10kΩ) ドーピング技術 (~30%) (±50%) 半導体金属制御 (>90%) 高周波動作半導体金属制御 4GHz( (80%) 世界最高速高周波動作の確認 ) ドーピング技術精密成長技術 23/27 高精度に制御した触媒微粒子を用いた CNT 直径位置同時制御成長粒径制御性と位置制御性を合せ持つ新しい触媒微粒子の作製方法を提案 LANS (Lithographically-Anchored Nanoparticle-Synthesis) CNT 鉄含有レジストパタンを形成酸化によりレジストを除去加熱により鉄微粒子を凝集カーボンナノチューブ鉄微粒子から CNT を成長触媒 Fe cat. 1.7(0.6) nm CNT 1.3(0.4) nm Raman Raman 相互コンダクタンス比較 CNT 位置直径制御成長プロセス LANS 触媒から成長した CNT 触媒粒径 CNT 直径分布マルチチャネル CNTFET 高周波特性評価 TiO 2 絶縁膜トップゲート CNTFET 相互コンダクタンス 5800µS/µm(Si の 5~10 倍 ) 複数 CNT チャネルによる出力電流向上 SiO 2 保護膜による素子安定化 CNTトランジスタにおいて最も高い周波数動作を達成遮断周波数 f T =4GHz 最大発振周波数 f max =23GHz CNTFET (p type) 5800 µs/µm 1000~1200 µs/µm Si MOSFET (n type) Si MOSFET (p type) 500~700 µs/µm intrinsic µs/µm Transconductance (µs/µm) 素子上面構造 24/27

13 カーボンナノチューブデバイス応用基礎技術の開発産総研ナノテク部門電子デバイスに用いられる CNT の基礎的な電子特性力学特性微視的電子状態等を評価しデバイス設計や特性向上にとって有用な情報を Feedback するサブテーマビア配線用 MWNT の機械強度破壊挙動評価 ( 富士通との共同研究 ) 目的配線ビアに使う MWNT の機械的強度の解明そのための手法開発成長基板起立して成長した MWNT ( 富士通御提供 ) 手法基板との接合強度も含めた MW NT の機械強度測定破断部分観察過電流による破断機械強度電気特性改善に寄与 A B C 自己検知カンチレバー D SWNT-FET のナノレベルでの電子特性評価 (NEC との共同研究 ) SWNT の光電子機能開発 FET 素子のナノスケールでの電位プロフィール解明欠陥の影響解明光電変換機能電界発光機能を有する素子の開発高分解能導電 AFM による電子状態測定手法を新たに開発し FET 評価に適用 SWNT が共役高分子中に均質に孤立分散した薄膜を利用して素子を構築 25/27 電気的機能制御グループ目標達成状況達成達成達成達成達成達成達成達成達成 26/27

14 まとめ 1.CVD 法による成長技術やビア配線を想定したプロセス技術といった配線応用に向けたシーズ技術を開発 2μm とサイズは大きいながらプロトタイプにより CNT の配線ビア材料としてのポテンシャルの高さを示した ( 富士通分室 ) 本プロジェクト期間中の世の中の動き :Samsung や NASA などが後追いで研究開始現状の技術レベルは当方が成長技術電気的特性ともに先行将来のローカル配線技術候補として国内半導体メーカー各社の関心も高まりを見せている NEDO 次世代半導体材料プロセス基盤 (MIRAI) プロジェクトの新探究配線技術開発として取り上げられ半導体コンソーシアとして採択された 2.CNT トランジスタに必要な成長技術要素素子技術を開発 CNT トランジスタとして世界最高性能を示した (NEC 分室 ) ビアや FET の評価で貢献 SWNT 薄膜素子として初めて近赤外光電変換や近赤外電界発光を実現 ( 産総研 ) 27/27

QOBU1011_40.pdf

QOBU1011_40.pdf 印字データ名ＱＯＢＵ1 0 1 1 (1165) コメント研究紹介片山作成日時 07.10.04 19:33 図 2 (a )センサー素子の外観 (b )センサー基板色の濃い部分が Pt 形電極幅 50μm, 間隔 50μm (c ),(d )単層ナノチューブ薄膜の SEM 像 (c )Al O 基板上, (d )Pt 電極との境界熱 CVD 条件触媒金属 Fe(0.5nm)/Al(5nm)