[신기술 소개] AIST, 폭 20 nm의 고성능 그래핀 미세 배선 개발

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기존의 CNT배선 기술에서는 대규모 집적 회로(LSI)의 세로 배선인 플러그 또는 비아 배선을 제작하기 위해 기판에 뚫린 미세한 배선용 구멍의 바닥에 퇴적한 촉매 금속으로부터 400℃ 정도의 저온에서 CNT 다발을 합성하여 배선했다. 그러나 저온 합성이기 때문에 일반적으로 CNT의 품질이 떨어졌으며 배선의 저항도 높았다. 이번 연구에서는 다른 기판 위에 합성한 CNT를 배선용 미세 구멍(직경 100∼300 nm)에 전사·삽입(임플란트)함으로써 CNT배선을 제작하는 기술을 개발했다. CNT의 합성에는 배선용 기판과는 다른 기판을 이용하기 때문에 고온 합성이 가능하여 고품질 CNT를 이용한 배선을 제작할 수 있다. 이 기 술에 의해 저온에서 직접 합성법에 의해 제작한 CNT플러그보다 약 1자릿수 낮은 저항의 CNT플러그를 실 현할 수 있었다. 개발된 기술은 저소비 전력화를 위한 LSI의 미세 배선이나 3차원 실장을 위한 실리콘 관 통 전극(Through Silicon Via, TSV)으로 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

본 기술의 상세 내용은 2013년 12월 9∼11일 미국 워싱턴 D.C.에서 개최된 ‘2013 IEEE International Electron Device Meeting(IEDM 2013)’에서 발표되었다.

Figure. CNT플러그의 모식도.

출처: 2013.12.12 AIST(http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2013/pr20131212/pr20131212.html#c) 작성: 소 대 섭(한국과학기술정보연구원)

AIST, 폭 20 nm의 고성능 그래핀 미세 배선 개발

일본 산업기술종합연구소(AIST) 나노일렉트로닉스연구부문 제휴 연구단체 그린나노일렉트로닉스센터 (GNC) 콘도 다이유(近藤大雄) 전문위원, 나카노 비쇼(中野美尚) 전문 위원, 사토 신타로(佐藤信太郎) 전문 위원 등은 2차원 나노 카본 재료인 다층 그래핀을 이용한 폭 20 nm의 미세 배선을 제작, 저저항 및 고신뢰 성을 실증했다.

현재 대규모 집적 회로(LSI)에는 구리 배선이 이용되고 있는데 배선을 미세화시키면 실효 저항률이 상승

하거나 신뢰성이 저하되는 것으로 알려져 있다. 그래핀 배선은 낮은 저항률과 높은 신뢰성을 갖고 있어 구

리 배선의 대체로서 주목을 받고 있지만, 그래핀 배선 폭을 수십 나노미터까지 미세화하더라도 저항률 등

의 성질을 유지하는지에 대해서는 지금까지 밝혀지지 않았다. 연구진은 화학기상합성(CVD)법으로 형성한

다층 그래핀의 층간에 염화철을 넣는 프로세스(삽입)의 최적화에 의한 마이크로미터 폭의 그래핀 배선으로

서 4.1 Ωcm의 낮은 저항률을 달성했다. 또 배선 폭을 전자선 리소그래피에 의해 20 nm으로 세선화했다.

KIC News, Volume 17, No. 1, 2014

KIC News, Volume 17, No. 1, 2014

69 이 미세 배선의 저항치는 세선화 전 배선 폭이 수 마이크로미터였을 때와 거의 변함없었으며, 또 진공 중 250℃에서 10

A/cm

의 전류를 100시간 이상 흘려보내도 단선되지 않아 구리보다 높은 신뢰성을 갖는 것 을 알 수 있었다. 향후 저 소비 전력화를 위한 LSI 미세 배선으로의 응용이 기대된다.

이 기술의 상세 내용은 2013년 12월 11~13일 미국 메릴랜드주 베세스다시에서 열린 ‘2013 Inter- national Semiconductor Device Research Symposium (ISDRS 2013)’에서 발표되었다.

Figure. 20 nm폭 그래핀 테스트 배선의 모식도와 주사전자현미경(SEM)상.

출처: 2013.12.11 AIST(http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2013/pr20131211/pr20131211.html) 작성: 소 대 섭(한국과학기술정보연구원)

NIMS, 튼튼한 3차원 구조의 그래핀 구조체 개발에 세계 최초로 성공

일본 물질·재료연구기구(NIMS) 국제나노아키텍토닉스연구거점(MANA) 반도 요시오(板東義雄) 연구위 원, 王学斌(Xuebin Wang) 연구원, Golberg Dmitry 유닛리더 등의 연구그룹은 초박막 그래핀(단층 또는 수 층)을 3차원적인 골격에 덧붙인 구조체를 제작하는 데 세계 최초로 성공했다. 이 합성법은 일본의 전통 음 식(엿)인 ‘Blown candy’의 제조방법으로부터 영감을 얻은 ‘케미컬 풍선법’이라는 독특한 방법이다.

그래핀은 초박형 물질로 탄소이면서 기존에 알려진 흑연이나 다이아몬드, 탄소나노튜브와 달리 특이한 물성을 나타내는 것으로 주목을 받고 있으며, 이것을 발견한 사람은 2010년 노벨 물리학상을 받았다. 특이 한 물성으로 인해 여러 가지 응용이 기대되고 있으나, 얇은 특성 때문에 기능을 발휘시키기 위한 3차원 구 조체를 만들기가 쉽지 않아 많은 연구자가 그래핀의 3차원 구조체화에 도전해 왔지만 특성을 해치지 않고 3차원 구조체를 만드는 데 성공하지는 못했다.

연구진은 지금까지 보고된 예가 없는 참신한 기법, 즉 케미컬 풍선법을 이용하여 3차원 그래핀 구조체의 합성에 세계 최초로 성공했다. 이 구조체는 구조적으로 안정된 얇은 골격에 그래핀을 붙인 구조를 하고 있 다. 포도당(설탕)과 염화암모늄을 섞어 약 250℃로 가열하면 용융된 포도당 폴리머가 생성된다. 이때 발생 한 암모니아 가스가 폴리머를 안쪽으로부터 압력을 가함으로써 부풀려 수십 마이크로미터 크기의 작은 풍 선을 다수 발생시킨다. 동시에 또 구조체를 안정화하기 위한 골격이 형성되어 3차원 구조가 만들어진다.

겉이 박막으로 둘러싸인 후 1,350℃의 고온으로 가열함으로써 외피에 해당하는 부분을 그래핀으로 변화시 킨다. ‘케미컬 풍선법’은 짧은 시간에 간편하고 저렴하게 3차원 구조를 가진 그래핀 구조체를 합성할 수 있 는 획기적인 방법이다.

본 연구에서 합성된 3차원 구조의 그래핀 구조체를 전극으로 이용한 커패시터는 높은 출력 밀도를 나타