Mechanically Exfoliated Metallic Delafossite PdCoO2 Nanomembranes: Quantum Transport and Electrical Evaluation Toward Interconnect Applications

技術要約：機械的剥離による金属的デラフォサイト型 $\text{PdCoO}_2$ ナノメンブレン

問題提起
金属的デラフォサイト酸化物、特に $\text{PdCoO}_2$ は、極めて低い電気抵抗率とコヒーレントな電子輸送で知られており、バルク結晶は低温において最大 $20\ \mu\text{m}$ の平均自由行程を示します。しかし、これらの材料におけるメゾスコピックな量子輸送現象の研究は、高品質なナノスケールデバイスの欠如によって阻まれています。既存の薄膜成長技術（分子線エピタキシー、スパッタリングなど）は、バルク結晶の超高純度および残留抵抗比（RRR）を再現することが困難であり、双晶境界などの欠陥により量子輸送領域への到達に失敗することが多くあります。一方、バルク結晶を用いて集束イオンビーム（FIB）加工で作製されたデバイスは、イオン注入による結晶品質の損傷を受けやすく、厚さが約 $5\ \mu\text{m}$ を超えるものに限定されます。したがって、準二次元（2D）輸送を探索し、次世代インターコネクトとしての生存性を評価するために、高品質でより薄い $\text{PdCoO}_2$ ナノメンブレンを製造する手法が切実に求められています。

手法
著者らは、フラックス成長させた $\text{PdCoO}_2$ バルク単結晶を用い、標準的なスコッチテープ法による直接的な機械的剥離を採用しました。この手法は、バルク材料の固有の結晶品質を維持しつつ、ナノスケールまでの厚さを実現するために選択されました。

• 試料作製: 剥離したフレークを $\text{Si/SiO}_2$ 基板上に転写しました。デバイスは、電子ビームリソグラフィと $\text{Cr/Au}$ コンタクトを用いて、6端子のホールバー構造へとパターン形成されました。
• 特性評価: 構造的完全性は、原子間力顕微鏡（AFM）およびラマン分光法によって検証されました。
• 輸送測定:
  • 量子輸送: 輸送測定は、温度範囲 $300\ \text{K}$ から $300\ \text{mK}$ まで行われました。高磁場測定（最大 $31\ \text{T}$）では、垂直磁場下でのシュブニコフ–デハース（SdH）振動、および面内磁場下でのアハロノフ–ボーム（AB）振動を観測しました。
  • インターコネクト評価: 厚さ（$40\text{--}100\ \text{nm}$）の関数として室温抵抗率を測定しました。電流ストレス試験は $10\ \text{MA cm}^{-2}$ で実施され、破断電流密度（$J_{BD}$）は、故障に至るまで電流を増大させることで決定されました。熱的安定性は、アルゴン雰囲気下での $450\ ^\circ\text{C}$ での熱処理によって評価されました。

主な貢献と結果

1. 高品質ナノメンブレン: 本研究は、厚さ $14\ \text{nm}$ から $300\ \text{nm}$ の範囲を持つ単結晶 $\text{PdCoO}_2$ フレークの作製に成功しました。AFMおよびラマン分光により、剥離プロセスがバルク結晶のほぼ原子レベルで平坦な表面と構造的完全性を維持していることが確認されました。特徴的なフォノンモード（$E_g$ および $A_{1g}$）は一貫して保持されています。
2. 量子輸送の観測:
   • SdH振動: 垂直磁場下において、$300\ \text{mK}$ で明瞭なSdH振動が観測されました。高速フーリエ変換（FFT）解析により、周波数 $30.2\ \text{kT}$ が得られ、これは $2.88\ \text{Å}^{-2}$ のフェルミ面面積に対応しており、バルクの値と一致しています。抽出されたサイクロトロン有効質量は約 $1.068\ m_e$ でした。
   • AB振動: 面内磁場下において、周期 $\sim 1.7\ \text{T}$ の顕著なAB振動が観測されました。これらの振動は、隣接する $\text{Pd}$ 層と試料境界によって囲まれた干渉ループに起因するものとされ、$\sim 50\ \text{K}$ まで持続しました。温度依存性の解析により、電子位相コヒーレンス長（$L_\Phi$）の抽出が可能となり、これは低温において試料幅に迫るほど非常に長いことが判明しました。
3. インターコネクトとしての電気的性能:
   • 抵抗率: 室温抵抗率は約 $3.4\ \mu\Omega\cdot\text{cm}$ でした。極めて重要な点として、この値は $40\ \text{nm}$ まで厚さにほとんど依存せず、この領域において表面散乱が輸送を支配していないことを示しています。
   • 電流容量: フレークは最大 $113\ \text{MA cm}^{-2}$ の破断電流密度（$J_{BD}$）を示し、これは従来の $\text{Cu}$（$\sim 20\ \text{MA cm}^{-2}$）、$\text{Al}$（$\sim 20\ \text{MA cm}^{-2}$）、$\text{Co}$（$\sim 70\ \text{MA cm}^{-2}$）のインターコネクトを大幅に上回っています。
   • 安定性: 本材料は優れたエレクトロマイグレーション耐性を示し、$10\ \text{MA cm}^{-2}$ のストレス下で $10^5$ 秒を超えて一定の抵抗を維持しました。さらに、電気的特性は $450\ ^\circ\text{C}$ での熱処理後も安定しており、バックエンド・オブ・ライン（BEOL）プロセスの熱要件を満たしています。

意義
本論文は、機械的に剥離された $\text{PdCoO}_2$ が、バルク結晶の高い結晶性と電子の質を準二次元限界においても維持する多用途なプラットフォームであることを確立しました。これにより、薄膜幾何学ではこれまでアクセス不可能であった方向性弾道的輸送や電子流体力学などのメゾスコピック輸送現象の探索が可能になります。基礎物理学を超えて、これらの結果は $\text{PdCoO}_2$ が、極低抵抗、厚さに依存しないスケーリング、および従来の金属と比較して優れた電流容量を併せ持つ、BEOL適合インターコネクト用途の有望な候補であることを強調しています。著者らは、単結晶フレークは並外れた有望性を示す一方で、実用的な統合を評価するためには、ウェハスケールの多結晶薄膜のさらなる評価が必要であると述べています。