[논문 리뷰] Enhanced Electron Transport in Thin Copper Films via Atomic-Layer Materials Capping

David Guzman, Alejandro Strachan|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 03.

Surface and Thin Film Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 처음으로 원자력 DFT와 비평형 그린 함수를 사용하여 그래핀 또는 MoS₂로 얇은 Cu(111) 필름을 캡핑하면 표면의 원자적 거칠기로 인한 산란이 억제되어 단위 길이당 저항이 각각 20%와 13% 감소함을 보여준다. 반면 스탄엔과 h-BN 캡핑은 저항을 증가시키며, 표면 산화는 도전도를 10배 감소시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 2차원 캡핑 재료가 나노스케일 구리 필름 내 전자 이동성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 2차원 재료가 Cu 인터커넥트의 저항을 증가시키지 않고 초박막이고 효과적인 확산 차단막으로 기능할 수 있는지 확인하는 것.
• 표면 거칠이와 산화가 Cu 기반 하이브리드 시스템 내 전자 산란과 도전도에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 인터페이스 상호작용과 패피 수준의 정렬이 전송 특성을 조절하는 데 수행하는 역할을 평가하는 것.

제안 방법

• 그래핀, h-BN, MoS₂ 및 스탄엔으로 캡핑된 Cu(111) 슬립의 전자 구조를 모델링하기 위해 처음으로 원자력 밀도함수이론(DFT) 계산을 사용하였다.
• 전도도 및 길이에 따른 저항과 같은 전자 이동성 특성을 계산하기 위해 비평형 그린 함수(NEGF)를 활용하였다.
• 전송 스펙트럼과 국소 결합 전류 분석을 통해 인터페이스에서의 산란 메커니즘을 규명하기 위해 도전도를 분석하였다.
• 저항 대 길이 데이터의 선형 피팅을 통해 일차원 저항(ρ₁D)과 효과적 평균 자유경로(λₛ𝒹)를 추출하였다.
• 실제 원자적 거친 구리 표면을 시뮬레이션하기 위해 25%의 점결함 농도를 사용하여 표면 결함을 모델링하였다.
• 캡핑 효과를 비교하기 위해 산화된 표면과 이상적인 (111) Cu 표면을 기준 기준으로 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀, h-BN, MoS₂ 또는 스탄엔으로 깨끗한 Cu(111) 표면을 캡싱하면 전자 도전도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 이상적인 표면에 비해 표면 산화는 얇은 Cu 필름 내 전자 이동성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 인터페이스 상호작용은 2차원 재료 캡싱된 Cu 시스템 내 전자 산란과 저항에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 결함이 있는(거친) Cu 필름에서 그래핀 또는 MoS₂ 캡싱이 순수 필름에 비해 단위 길이당 저항을 줄일 수 있는가?
• RQ5 순수 및 하이브리드 Cu 시스템에서 표면 결함으로 인한 효과적 전자 평균 자유경로는 얼마인가?

주요 결과

• 표면 산화는 이상적이고 깨끗한 Cu(111) 표면에 비해 도전도를 10배 감소시킨다.
• 이상적인 Cu(111) 표면을 그래핀으로 캡싱하면 그래핀의 디랙 점에 비해 0.75 eV 상승한 패피 수준으로 인해 도전도가 약간 증가한다.
• MoS₂ 및 스탄엔 캡싱은 강한 인터페이스 상호작용으로 인해 도전도가 약 30% 감소한다.
• 25%의 점결함이 있는 결함이 있는 Cu 표면에서 그래핀 캡싱은 순수 Cu에 비해 단위 길이당 저항을 20% 감소시킨다.
• MoS₂ 캡싱은 결함이 있는 Cu에서 단위 길이당 저항을 13% 감소시키지만, 스탄엔 캡싱은 약 35% 증가시킨다.
• 표면 결함으로 인한 효과적 전자 평균 자유경로는 순수 Cu에서 10 nm에서 Cu/Gr 및 Cu/MoS₂ 하이브리드 시스템에서 더 높은 값으로 증가하여 산란 감소를 나타낸다.