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カーボンナノチューブを使った集積回路の配線が新開発 1ケタ以上低い抵抗

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カーボンナノチューブを使った集積回路の配線が新開発 1ケタ以上低い抵抗

産業技術総合研究所は、高温合成による高品質なカーボンナノチューブ(CNT)を用いて配線を作製する技術を開発したと発表した。また、本技術を用いた新規CNT配線は、従来のカーボンナノチューブ配線より1桁以上低い抵抗を実現した。大規模集積回路(LSI)の配線やシリコン貫通電極への応用が期待される。

今回、産総研が開発したのは、1次元ナノカーボン材料であるカーボンナノチューブ(CNT)を利用した新たな配線作製技術。CNTは、直径がおよそ1~100nm(10億分の1メートル)、長さがおよそ1~数10µmで、炭素原子が平面上で蜂の巣格子状に並んだ構造を持つグラフェン(炭素原子のシート)が丸まって筒になった構造をしている。丸まった時のグラフェンの方位や直径により、金属や半導体となる。

CNTは銅より2桁以上高い電流密度耐性を持つとともに、バリスティック伝導(電子が不純物や格子振動などで散乱されずに物質内を通り過ぎる現象)を示すことから低抵抗化も期待でき、微細化が進むLSIの配線材料として期待されている。しかし、これまで配線に適した高品質CNTを用いた配線は作製できておらず、抵抗も高かった。

従来のCNT配線技術では、LSIの縦配線であるプラグ、あるいはビア配線を作製するために、基板に開けた配線用の微細な穴の底に堆積した触媒金属から、400度程度の低温でCNTの束を合成して配線としていた。しかし低温合成であるため、一般的にCNTの品質は悪く、配線の抵抗も高かった。今回、別の基板上に合成したCNTを配線用の微細穴(直径:100~300nm)に転写・挿入(インプラント)して、CNT配線を作製する技術を開発した。

CNTの合成には配線用基板とは別の基板を用いるので高温合成が可能となり、高品質なCNTを用いた配線を作製できる。この技術により、低温での直接合成法により作製したCNTプラグより約1桁低い抵抗のCNTプラグを実現できた。今回開発した技術は、低消費電力化のためのLSIの微細配線への応用や、3次元実装のためのシリコン貫通電極(Through Silicon Via:TSV)への応用が期待される。

携帯情報端末の普及やIT機器の高機能化に伴って消費電力が増大しており、電子情報機器の消費電力低減が求められている。LSIはこれまで微細化により低消費電力化を図ってきたが、微細化の限界が近づくとともに、さまざまな弊害が指摘されている。

最先端LSIの微細配線には銅が使用されているが、配線の微細化に伴い電流密度が高くなるとともにエレクトロマイグレーション耐性も低くなるため、信頼性の低下が指摘されている。さらに、微細化に伴い、結晶粒境界や表面での電子の散乱や、薄膜化に限界があるバリアメタルにより、銅配線の実効抵抗率が上昇しつつあるため、銅に代わる微細配線の材料が求められており、CNTにも期待が寄せられている。

今回の研究開発を手がけた、産総研ナノエレクトロニクス研究部門連携研究体グリーン・ナノエレクトロニクスセンター(GNC)は、内閣府と日本学術振興会によって運営される最先端研究開発支援プログラム(FIRST)に採択されたプロジェクトを実施するために2010年4月に設立された。企業5社(富士通、東芝日立製作所、ルネサスエレクトロニクス、アルバック)からの出向研究者と産総研研究者によって構成されている。

GNCでは平成23年度より、従来のLSIの消費電力を10分の1~100分の1に低減することを目標に、グラフェン、CNTを配線やトランジスタへ応用するための研究に取り組んできた。この研究開発は、最先端研究開発支援プログラム(FIRST)のプロジェクト「グリーン・ナノエレクトロニクスのコア技術開発」(中心研究者:横山 直樹)の助成により行われた。

【参考】
環境省 - カーボンナノチューブのインプラントによる新たな配線作製技術

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