JP2005103723A

JP2005103723A - 金属ナノワイヤーの単結晶化方法及び装置

Info

Publication number: JP2005103723A
Application number: JP2003342768A
Authority: JP
Inventors: Satoru Fujisawa; 悟藤澤; Noriyuki Kitsuka; 徳志木塚; Kimimaro Yoshikawa; 公麿吉川
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-10-01
Filing date: 2003-10-01
Publication date: 2005-04-21

Abstract

【課題】金属ナノワイヤーを単結晶化するに際して、周囲の部材に対して影響を与えるような加熱を行うことなく、容易に、且つ確実に単結晶化する。
【解決手段】電極２と３に挟まれた金属ナノワイヤー４に、電流源５からエレクトロマイグレーションを生じる電流を所定時間供給すると、金属ナノワイヤーは単結晶化する。図中の金属ナノワイヤー単結晶化装置１においては、供給電流設定部９に予め金属ナノワイヤー４がエレクトロマイグレーションを生じる電流密度を求めたデータを入力しておき、更に実際に電流を供給する金属ナノワイヤー４の断面積等のデータを入力して、供給電流量を求めておく。供給電流量制御装置８は供給電流設定部８で設定された電流となるように電流調節部６を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、微細な配線の作成等に用いる金属ナノワイヤーの単結晶化技術に関するものである。

近年はナノ電子部品やナノ磁性材料として、集積回路の配線として、また電子・情報・エレクトロニクス分野などの各種工業分野において金属ナノワイヤーが要求されるようになっており、その研究開発が広く行われている。金属ナノワイヤー及びその製造方法については、例えば特開２００２−６７０００号等に開示されている。

このような金属ナノワイヤーにおいては、内部の金属イオンの流れの均一性、特性の安定性等の要求により単結晶であることが望まれることが多く、金属ナノワイヤーの単結晶化の開発が望まれている。それに対して、現在は金属のマイクロワイヤーの単結晶化の研究は広く行われており、例えばマイクロスケールでの配線の単結晶化に際して、ワイヤーを加熱して溶かすことにより単結晶化する技術が開発されている。しかしながら、ナノワイヤーの単結晶化については未だその研究成果が少ないのが実情である。
特開２００２−６７０００号公報

従来のマイクロスケールでの配線の単結晶化においては、上記のように加熱により配線を溶かして単結晶化させていたが、このような単結晶化技術を半導体素子の配線等に用いる場合には、加熱により半導体素子の配線以外の部分も加熱され、それらの部分に配置されている各種電子部品が熱ダメージを受けてしまう可能性が大きく、実用的ではないという問題があった。このことはナノスケールの配線であるナノワイヤーの単結晶化においても同様であり、ナノワイヤーを加熱溶融して単結晶化することは好ましくない。

したがって本発明が解決しようとする課題は、ナノワイヤーを単結晶化するに際して、周囲の部材に対して影響を与えるような加熱を行うことなく、容易に、且つ確実に単結晶化する方法、及びその方法を実施する装置を提供する点である。

本発明は上記課題を解決するため、金属ナノワイヤーにエレクトロマイグレーションが発生する密度の電流を流すことにより、非加熱条件で金属原子を流動化させて、ナノワイヤーを単結晶化するものである。

そもそもマイグレーション現象は、電子部品の故障の原因究明から明らかになった現象であり、電子部品を長時間使用していると絶縁不良による故障があって、この絶縁不良を起こした原因を追究していくと、配線や電極として使用した金属が絶縁物の上を移動し、電極間の絶縁抵抗値が低下した為に生じた故障であることが明らかとなった。ここからマイグレーション現象が認識されるようになり、主として上記のような絶縁不良対策として多くの研究がなされている。

前記のようなマイグレーションにも、電界の影響で金属成分が電子運動によって非金属媒体の上や中を横切って移動するエレクトロマイグレーション（electromigration）現象と、電解現象によって生じるイオンマイグレーション（ionic migration）現象とが知られている。前者は低電流密度で、比較的低温で起こるのに対して、後者は高電流密度、比較的高温で生じる。また、前記エレクトロマイグレーションは電流密度と温度等の条件によって生じる程度が異なることが知られており、高温程生じやすいほか、特に電流密度の二乗に比例して増大する傾向がある。

このようなエレクトロマイグレーションについて、多結晶構造体である銅やアルミ配線では、その結晶粒界部のアルミ分子移動によって経年変化による断線が生じることが知られている。一方では近年の研究において、本件出願人を含めた共同研究グループによって、銅のナノワイヤーに引っ張り応力をかけて内部に微細な亀裂が発生した状態、即ち多結晶の粒界が微細に剥がれる状態から、この部分に電界をかけてエレクトロマイグレーションを発生させると、金属原子がこの結晶粒界の間の部分に集まって、前記亀裂を次第に修復することも知られている（日経先端技術 No.27 2002.12.09)。

このような知見を元に本発明者は更なる実験を積み重ね、前記のような銅のナノワイヤーに対してエレクトロマイグレーションが生じる程度の電流密度に所定期間以上維持すると、多結晶構造体であった銅のナノワイヤーの結晶粒界に銅原子が集まり、次第に単結晶化することがわかり、本発明に至ったものである。

したがって本発明による金属ナノワイヤーの単結晶化方法は、金属ナノワイヤーにエレクトロマイグレーションが発生する密度の電流を流すことにより、ナノワイヤーを単結晶化することを特徴とする。

また、本発明による金属ナノワイヤーの単結晶化装置は、金属ナノワイヤーに調節した電流を供給する電流調節手段と、電流を供給する金属ナノワイヤーにエレクトロマイグレーションが発生する密度の電流を設定する供給電流設定手段と、前記供給電流設定手段で設定した電流が前記金属ナノワイヤーに供給されるように前記電流調節手段を制御する電流供給量制御手段とを備えたことを特徴とする。

非加熱条件で金属原子を流動化させることができるため、加熱により半導体素子の配線以外の部分が熱ダメージを受けてしまう可能性がなくなるだけでなく、加熱のための装置が不必要になるという利点がある。

ナノワイヤーを単結晶化するに際して、周囲の部材に対して影響を与えるような加熱を行うことなく、容易に、且つ確実に単結晶化する手法として、金属ナノワイヤーにエレクトロマイグレーションが発生する密度の電流を流すことにより、金属原子を流動化させてナノワイヤーを単結晶化する手法を採用する。

本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１には本発明による金属ナノワイヤーの単結晶化装置１の概要を示しており、電極２と３に挟まれた金属ナノワイヤー４にエレクトロマイグレーションが発生する密度の電流を、電流源５から電流調節部６によって供給電流を調節しつつ流す。この電流調節部６は電流供給量制御装置８でその供給電流が制御されるものであり、電流供給量制御装置８は電流調節部６から供給される電流を供給電流検出部７で検出し、供給電流設定部９で予め設定された電流となるように電流調節部６を制御する。

供給電流設定部９では予め金属ナノワイヤー４の材質に応じて、この金属ナノワイヤー４がエレクトロマイグレーションを生じる電流密度を求めたデータを入力しておき、更に実際に電流を供給する金属ナノワイヤー４の断面積、また周囲温度等のエレクトロマイグレーション現象発生に関連するデータを入力して、金属ナノワイヤー４に供給すべき電流量を求めている。電流供給量制御装置８においては、前記供給電流検出部７で検出した電流が、供給電流設定部９で設定された電流になるように、電流調節部６の制御を行う。

このように、金属ナノワイヤー４に前記のような所定の電流が供給されると、電子の運動量がナノワイヤー構成原子群に伝えられてその原子がそれぞれ勝手に移動するため、非加熱条件で金属原子を流動化させることになり、ナノワイヤーを単結晶化することができる。

図２は、本発明に基づいて実験を行った結果作成されたナノワイヤーでの銅の単結晶である。ａがエレクトロマイグレーション前で、bがエレクトロマイグレーション後である。この実験は直径１７ｎｍの銅製ナノワイヤに対して１００μＡの電流を供給することにより行われたものである。また、同図ｂの顕微鏡写真においてその中間部分の組織に、右上から左下に向けて平行線が現れているが、この平行線は周知のように単結晶組織における原子の格子周期が現れていることによるものであり、この実験において上記条件の下で同図ａの組成の銅製ナノワイヤーが単結晶化したことを示している。

このように、図２aに示すようなナノワイヤーにエレクトロマイグレーションを発生させることにより、図２bに示すような単結晶ナノワイヤーが得られる。

図２には金属ナノワイヤーの材質として銅を用いて実験を行った例を示したが、金属の材質としては前記銅と同様に貴金属である銀、金、白金およびこれらの合金も同様に可能であり、更にそれ以外の金属および合金でも同様の原理により可能である。

本発明によって得られる単結晶化した金属ナノワイヤーは、集積回路の配線、また電子・情報・エレクトロニクス分野などの各種工業分野に利用可能である。

本発明による金属ナノワイヤーの単結晶化装置の実施例を示す概要図である。ａは単結晶化する前の金属ナノワイヤー、ｂは本発明により単結晶化された金属ナノワイヤーの顕微鏡写真である。

符号の説明

１金属ナノワイヤー単結晶化装置
２、３電極
４金属ナノワイヤー
５電流源
６電流調節部
７供給電流検出部
８電流供給量制御装置
９供給電流設定部

Claims

金属ナノワイヤーにエレクトロマイグレーションが発生する密度の電流を流すことにより、ナノワイヤーを単結晶化することを特徴とする金属ナノワイヤーの単結晶化方法。
金属ナノワイヤーに調節した電流を供給する電流調節手段と、
電流を供給する金属ナノワイヤーにエレクトロマイグレーションが発生する密度の電流を設定する供給電流設定手段と、
前記供給電流設定手段で設定した電流が前記金属ナノワイヤーに供給されるように前記電流調節手段を制御する電流供給量制御手段とを備えたことを特徴とする金属ナノワイヤーの単結晶化装置。