JPH07238000A - グラファイト層間化合物及びその製造方法及び電気配線及び半導体装置 - Google Patents

グラファイト層間化合物及びその製造方法及び電気配線及び半導体装置

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JPH07238000A
JPH07238000A JP6025801A JP2580194A JPH07238000A JP H07238000 A JPH07238000 A JP H07238000A JP 6025801 A JP6025801 A JP 6025801A JP 2580194 A JP2580194 A JP 2580194A JP H07238000 A JPH07238000 A JP H07238000A
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Abstract

(57)【要約】 【構成】本発明は基板上にグラファイトの単原子層を形
成する工程と;このグラファイトの単原子層上に遷移金
属の単原子層を積層する工程とを繰り返すことにより得
られる、グラファイトの単原子層が遷移金属の単原子層
を介して積層されたことを特徴とするグラファイト層間
化合物である。 【効果】室温,大気中で安定であり、高い電気伝導度を
示す。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はグラファイト層間化合物
及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】グラファイトの層間に異種の原子または
分子を挿入した(インターカレート)グラファイト層間
化合物は古くから研究されており、例えばLiなどのアル
カリ金属,Baなどのアルカリ土類金属,AsF5 などのフッ
化物,Br2 等ハロゲン分子などをインターカレートした
報告がある(M.S.Dresselhaus and G.Dresselhaus,Adva
nces in Physics, vol.30,p139-p326(1981))。
【0003】この様なグラファイト層間化合物を製造す
るにはグラファイトとインターカレートさせる物質とを
混合してあるいはその蒸気中で加熱することにより行わ
れるが、この製造方法でインターカレートできる物質は
前述の如くの物質,すなわち強いドナー性若しくはアク
セプター性を示すものに限られていた。
【0004】しかも得られるグラファイト層間化合物は
大気中若しくは高温(室温程度)で極めて不安定であ
り、到底実用に供されるものではなく、あくまで研究の
みの対象として扱われていた。
【0005】しかしながらグラファイト層間化合物は極
めて高い電気伝導度を示す、超伝導特性を示すなど興味
深い特性が予想され、大気中及び高温での安定性が改善
できれば極めて有望な材料と言える。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は以上の点を考
慮してなされたものであり、大気中若しくは高温での安
定性に優れたグラファイト層間化合物の提供を目的とす
る。
【0007】
【課題を解決するための手段及び作用】本発明者らはア
ルカリ金属など従来加熱によりインターカレートさせて
いた原子・分子以外の原子・分子のインターカレートが
できないかについて鋭意研究を進めた。
【0008】その結果,従来の加熱によるインターカレ
ートではなく、気相による単原子層成膜法を用いること
で遷移金属の単原子層を介してグラファイト単原子層を
積層できることを見出した。
【0009】本発明はこの知見を基になされたもので、
基板上に例えば単原子層制御CVD法によりグラファイ
トの単原子層を形成する工程と;このグラファイトの単
原子層上に例えば単原子層制御蒸着法により遷移金属の
単原子層を積層する工程と;この遷移金属の単原子層上
に例えば単原子層制御CVD法によりグラファイトの単
原子層を形成する工程とを具備したことを特徴とするグ
ラファイト層間化合物の製造方法である。
【0010】この方法により、図1に示す様な、基板
(1) 上にグラファイトの単原子層(2)及び遷移金属の単
原子層(3) が積層された構造を有するグラファイト層間
化合物を得ることができる。
【0011】すなわち従来の如くグラファイトに加熱に
より他原子をインターカレートさせるのではなく、単原
子層成膜を用いることでインターカレートしたグラファ
イト構造を実現できるのである。
【0012】本発明に係るグラファイト層間化合物は大
気中でも安定であり、室温でも分解せず、安定性におい
て従来に比べ格段の改善がある。また得られるグラファ
イト層間化合物におけるグラファイト層と遷移金属層と
の間の電子的な相互作用は弱く、電荷移動は生ずるもの
の互いの電子構造は保たれている。従ってグラファイト
自体の高い電子移動度を維持しつつ、インターカレート
された遷移金属からグラファイト層にキャリアが供給さ
れるため、高電子移動度かつ高キャリア濃度となり、極
めて高い電気伝導性が実現できる。
【0013】従って配線材料,特に半導体装置のような
微細配線が要求される用途に適している。またグラファ
イト層自体は基板との相互作用が弱いため、いわゆるフ
ァンデルワースエピタキシーが可能であり、基板との格
子整合を考えることなく成膜が可能である。また遷移金
属層との間も同様である。
【0014】なおグラファイト層と遷移金属層とはそれ
ぞれ単原子層であることが、グラファイトに及ぼす遷移
金属の効果が十分に発揮できるため好ましいが、グラフ
ァイト複数層毎に遷移金属層が存在しても良い。
【0015】
【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。 (実施例1)主面が(111) 面である単結晶Ni基板を3
×10-10 torr程度の超高真空槽内に配置し、10-7torrの
酸素を導入して900 ℃の加熱処理を施した後にArイオ
ンによるスパッタリングを行う工程を繰り返すことによ
り、基板表面のクリーニングを行った。
【0016】続いて基板を500 ℃に加熱した後に10-6
10-7torrのエチレンを5分間導入してグラファイト単原
子層を形成した。LEED(低エネルギー電子線回折)
パターン観測により、最近接原子間距離が2.46オングス
トロームであるNi(111) 面上に1×1構造のグラファ
イト単原子層が形成されていることが確認できた。また
これを越える長時間のエチレン供給によっても単原子層
以上のグラファイトの形成は行われず、セルフストッピ
ング機構が働くことが確められた。
【0017】単原子層グラファイト内のキャリア濃度を
求めるため、角度分解型EELS(電子エネルギー損失
分光)を用いて表面プラズモンのエネルギー分散関係を
測定した。その結果を図2に示す。
【0018】図2(a) はバンド内遷移に対応する2次元
プラズモンの分枝であり、図2(b)はπ電子のバンド間
遷移に対応する2次元プラズモンの分枝である。図2か
ら解析するとキャリア濃度は約1015/cm2 であった。バ
ルクグラファイトの単原子層当たりのキャリア濃度は約
1010/cm2 であり、極めて大きい値である。
【0019】またUPS(紫外光電子分光)を用いて測
定したπバンドの分散関係を図3に示す。図3から単原
子層グラファイトのバンド構造はバルクグラファイトの
バンド構造からほとんど変化していないことが分かる。
【0020】この結果からNi基板上に形成された単原
子グラファイト層の電気伝導度は、バルクグラファイト
に比べキャリア濃度が高い分だけ高くなることが分か
る。 (実施例2)実施例1と同様の方法でNi(111) 基板上
にグラファイト単原子層を形成した後、3×10-10 torr
の超高真空下で加熱蒸着により成長過程をLEEDで観
測することでNi単原子層を作成した。
【0021】図4に成長過程におけるLEEDプロファ
イルを示す。低被覆域(図4(a) )では原子単位で吸着
したNi−Ni原子間の平均距離が被覆率の増大に伴い
単調に減少していく。
【0022】被覆率が臨界値θc に達するとNi−Ni
原子間の平均距離の減少は停止し(図4(b) ,波数 0.9
A-1,平均距離7A(オングストローム))、新たに1×
1構造(波数2.55 A-1,Ni−Ni原子間距離2.46オン
グストローム)が島状に成長をはじめ、全面を覆う。
【0023】さらに蒸着を続けると1×1構造の回折ピ
ークは弱くなりブロードになってくる。これは不規則な
Ni多層膜が成長しはじめたことを示しているので、1
×1回折ピークが極大になったところでNi層の成長を
止める。
【0024】実施例1と同様の測定を行ったところ、ほ
ぼ第2図及び第3図と同様の結果を得ることができた。
またグラファイト単原子層はNi層上にも実施例1と同
様の方法で形成することができる。従って所望の積層数
のNi/グラファイト/Niの積層膜を形成することが
できる。
【0025】積層数を増すとより電気伝導度が高まるこ
とは容易に推測できる。 (実施例3)次にSi基板上にNi/グラファイト積層
膜を形成する例を説明する。
【0026】300 ℃に加熱したSi(100) 基板上に電子
ビーム蒸着法により20nmのNi薄膜を形成した。LEE
D測定,FE−SEM(電界放射型−走査電子顕微
鏡),AFM(原子間力顕微鏡)観測の結果、このNi
薄膜は粒径100 〜300 nmの<111>配向の多結晶体で
あった。
【0027】次に実施例2と同様の方法でグラファイト
/Niの積層を繰り返し、グラファイト/Niを50回繰
り返した超格子膜からなるグラフアィト層間化合物を形
成した。
【0028】この超格子膜を10μmのストライプ状にパ
ターンニングし電気伝導度を測定したところ、室温にお
いて1.5 ×10-6Ω・cm,200 ℃においても 2.5×10-6Ω
・cmと極めて高い値を示した。
【0029】このように高い電気伝導度を示すので、電
気配線,特に微細な線幅で大きい電流を流す電気配線用
として有効である。またSi基板上にも形成可能である
というように下地に対する制限が緩かであるため、Si
層上,SiO2 上など各種材料からなる層上に形成さ
れ、微細な幅で高い電流密度が要求される半導体装置の
配線としての応用などに適している。近年の高密度化・
高集積化に伴うLSI配線材料の低抵抗化への要望は高
く、本発明はその要求にあったものである。
【0030】以上の実施例ではNiについて説明した
が、前述の如くグラファイトはファンデルワースエピタ
キシャルが可能であるため、その他の遷移金属,例えば
IVa 族(Ti,Zr,Hf),Va族(V,Nb,Ta), VIa族(Cr,Mo,W), V
IIa 族(Mn,Tc,Re),VIII族(Fe,Co, Ru,Rh,Ir,Pd,Pt) で
も同様の積層膜を得ることができる。また遷移金属層は
一種類に限らず、各層において複数の金属原子が混合さ
れていても良いし、また層毎に遷移金属種を変えること
も可能である。また上記実施例では電気伝導度のみを示
したが、磁性元素を用いれば磁性材料としての応用(永
久磁石,記録材料など)も期待できる。
【0031】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、安
定性が高く電気伝導度の高いグラファイト層間化合物を
得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係るグラフアィト層間化合物の概略
【図2】 表面プラズモンのエネルギー分散を示す特性
【図3】 πバンドの分散を示す特性図
【図4】 LEEDプロファイルを示す特性図
【符号の説明】
基板…1 グラファイトの単原子層…2 遷移金属の単原子層…3

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】グラファイト層間に遷移金属層が挿入され
    たことを特徴とするグラファイト層間化合物。
  2. 【請求項2】基板上にグラファイト層を形成する工程
    と;このグラファイト層上に遷移金属層を積層する工程
    と;この遷移金属層上にグラファイト層を積層する工程
    とを具備したことを特徴とするグラファイト層間化合物
    の製造方法。
  3. 【請求項3】前記グラファイト層及び遷移金属層がそれ
    ぞれ単原子層であることを特徴とする請求項2記載のグ
    ラファイト層間化合物の製造方法。
  4. 【請求項4】請求項1記載のグラファイト層間化合物で
    構成されることを特徴とする電気配線。
  5. 【請求項5】請求項1記載のグラファイト層間化合物で
    構成された配線を有することを特徴とする半導体装置。
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