[論文レビュー] Enhanced Electron Transport in Thin Copper Films via Atomic-Layer Materials Capping

David Guzman, Alejandro Strachan|arXiv (Cornell University)|May 3, 2018

Surface and Thin Film Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、第一原理的DFTおよび非平衡グリーン関数を用いて、グラフェンまたはMoS₂でカプセル化された薄いCu(111)膜では、原子的に粗い表面における表面散乱が抑制されることで、単位長あたりの抵抗がそれぞれ20%および13%低減されることを示した。一方、スタンエンおよびh-BNでカプセル化された膜では抵抗が増加するが、表面酸化は電導度を10倍低下させる。

ABSTRACT

Using first-principles calculations based on density functional theory and non-equilibrium Green's functions, we characterized the effect of surface termination on the electronic transport properties of nanoscale Cu slabs. With ideal, clean (111) surfaces and oxidized ones as baselines we explore the effect of capping the slabs with graphene, hexagonal boron nitrate, molybdenum disulfide and stanene. Surface oxide suppresses balistic conductance by a factor of 10 compared to the ideal surface. Capping the ideal copper surface with graphene slightly increase conductance but MoS$_2$ and stanene have the opposite effect due to stronger interactions at the interface. Interestingly, we find that capping atomistically roughed copper surfaces with graphene or MoS$_2$ decreases the resistance per unit length by 20 and 13%, respectively, due to reduced scattering. The results presented in this work suggest that two-dimensional materials can be used as an ultra-thin liner in metallic interconnect technology without increasing the interconnect line resistivity significantly.

研究の動機と目的

• 2次元カプセル材料がナノスケール銅膜内の電子輸送に与える影響を調査すること。
• 2次元材料がCuインターコネクトにおける抵抗を増加させることなく、超薄膜で効果的な拡散バリアとして機能できるかどうかを特定すること。
• 表面粗さおよび酸化がCuベースのハイブリッド系における電子散乱および電導度に与える影響を定量化すること。
• 界面相互作用およびフェルミ準位の整合性が輸送特性をどのように制御するかを評価すること。

提案手法

• グラフェン、h-BN、MoS₂、スタンエンでカプセル化されたCu(111)スラブの電子構造をモデル化するために、第一原理的密度汎関数理論（DFT）計算が用いられた。
• 非平衡グリーン関数（NEGF）を用いて、抵抗および長さ関数としての電導度などの電子輸送特性が計算された。
• 界面における散乱メカニズムを特定するために、伝達スペクトルおよび局所結合電流解析を用いて電導度が分析された。
• 抵抗と長さのデータの線形フィットから、1次元抵抗率（ρ₁D）および有効平均自由行程（λₛ𝒹）が抽出された。
• 現実的で原子的に粗い銅表面を模倣するために、25%のバニティ濃度を用いて表面欠陥をモデル化した。
• カプセル化効果を比較する基準として、酸化表面および理想（111）Cu表面が用いられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェン、h-BN、MoS₂、またはスタンエンで清浄なCu(111)表面をカプセル化すると、その電子的電導度にどのような影響を与えるか？
• RQ2 理想的な表面と比較して、表面酸化は薄いCu膜内の電子輸送にどの程度悪影響を及えるか？
• RQ3 界面相互作用が2次元材料でカプセル化されたCu系における電子散乱および抵抗率にどのように影響を与えるか？
• RQ4 欠陥（粗い）Cu膜において、グラフェンまたはMoS₂のカプセル化が、バニティ膜と比較して単位長あたりの抵抗を低減できるか？
• RQ5 バニティを伴う表面欠陥に起因する有効電子平均自由行程は、バニティを伴わないCuおよびハイブリッドCu系でそれぞれどのように変化するか？

主な発見

• 表面酸化は、理想的で清浄なCu(111)表面と比較して電導度を10倍低下させる。
• グラフェンでカプセル化された理想的なCu(111)表面では、グラフェンのディラック点に対して0.75 eV上昇したフェルミ準位のおかげで、電導度がわずかに向上する。
• MoS₂およびスタンエンでカプセル化された表面では、強い界面相互作用が表面散乱を増加させるため、電導度が約30%低下する。
• 25%のバニティを有する欠陥を有するCu表面では、グラフェンカプセル化により、バニティを有さないCuと比較して単位長あたりの抵抗が20%低減される。
• MoS₂カプセル化では、欠陥を有するCu表面において単位長あたりの抵抗が13%低減されるが、スタンエンカプセル化では約35%増加する。
• バニティを伴う表面欠陥に起因する有効電子平均自由行程は、バニティを伴わないCuで10 nmであったのに対し、Cu/GrおよびCu/MoS₂ハイブリッド系ではより高い値に上昇し、散乱が低減していることが示された。