JP2003158093A - 素子間配線形成法 - Google Patents
素子間配線形成法Info
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Landscapes
- Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Catalysts (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】極微細素子の集積回路の配線形成法において、
カーボンナノチューブにより微細構造を自己組織化的に
接続する新規な配線形成法を提供する。 【解決手段】基板上に形成された２個以上複数の微細素
子の間を電気的に結合する素子間配線形成法であって、
微細素子（１）上に、カーボンナノチューブ（３）を選
択的に成長させる触媒微粒子（２）を堆積し、炭化水素
ガスの触媒分解による化学気相成長法によって、触媒微
粒子（２）間にカーボンナノチューブ（３）を自己組織
化的に成長させることにより微細素子（１）間に配線を
形成する方法とする。
カーボンナノチューブにより微細構造を自己組織化的に
接続する新規な配線形成法を提供する。 【解決手段】基板上に形成された２個以上複数の微細素
子の間を電気的に結合する素子間配線形成法であって、
微細素子（１）上に、カーボンナノチューブ（３）を選
択的に成長させる触媒微粒子（２）を堆積し、炭化水素
ガスの触媒分解による化学気相成長法によって、触媒微
粒子（２）間にカーボンナノチューブ（３）を自己組織
化的に成長させることにより微細素子（１）間に配線を
形成する方法とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子の集積
回路における素子間の配線方法に係り、特に極微細素子
の集積回路の配線形成法に関する。
回路における素子間の配線方法に係り、特に極微細素子
の集積回路の配線形成法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の半導体集積回路は、可視光や紫外
光、あるいはＸ線、あるいは電子ビームを用いたリソグ
ラフィにより微細なパターンを成形して製造されてい
る。しかし、リソグラフィを用いた素子の高集積化・微
細化は、パターン幅が物理的に作製可能な限界に近づき
つつあるばかりでなく、新技術の研究開発や製造設備に
投じる費用が巨額化するため、近い将来、現在の延長上
での高集積化は破綻すると予想されている。このため、
量子効果を利用する微細な素子の研究開発においては、
リソグラフィに頼らずにナノスケール構造（量子ドッ
ト）を自己組織化的に形成する技術が検討されている。
光、あるいはＸ線、あるいは電子ビームを用いたリソグ
ラフィにより微細なパターンを成形して製造されてい
る。しかし、リソグラフィを用いた素子の高集積化・微
細化は、パターン幅が物理的に作製可能な限界に近づき
つつあるばかりでなく、新技術の研究開発や製造設備に
投じる費用が巨額化するため、近い将来、現在の延長上
での高集積化は破綻すると予想されている。このため、
量子効果を利用する微細な素子の研究開発においては、
リソグラフィに頼らずにナノスケール構造（量子ドッ
ト）を自己組織化的に形成する技術が検討されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上述した自己組織化量
子構造の形成は、量子ドットレーザーなどの光学素子
や、磁性半導体量子ドットなど磁場の近接効果を利用す
る素子において、既に有用性が実証されている。しか
し、量子ドットを電子素子として使用する場合には、量
子ドット間の電子の輸送を可能にする配線が必要であ
る。ところが、従来の自己組織化量子ドット形成技術
は、ドット間配線に対する解決策を全く持ち合わせてい
ない。このため、新たな配線形成技術の開発が望まれて
いた。
子構造の形成は、量子ドットレーザーなどの光学素子
や、磁性半導体量子ドットなど磁場の近接効果を利用す
る素子において、既に有用性が実証されている。しか
し、量子ドットを電子素子として使用する場合には、量
子ドット間の電子の輸送を可能にする配線が必要であ
る。ところが、従来の自己組織化量子ドット形成技術
は、ドット間配線に対する解決策を全く持ち合わせてい
ない。このため、新たな配線形成技術の開発が望まれて
いた。
【０００４】本発明の目的は、上記従来技術における集
積回路の配線の問題点を解決し、微細構造を自己組織化
的に接続する配線の形成法を提供することにある。
積回路の配線の問題点を解決し、微細構造を自己組織化
的に接続する配線の形成法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は特許請求の範囲に記載のような構成とする
ものである。すなわち、請求項１に記載のように、基板
上に形成された２個以上の凸型の形状を有する微細素子
の間を電気的に結合する素子間配線形成法であって、上
記微細素子上に、カーボンナノチューブを選択的に成長
させる触媒微粒子を堆積し、炭化水素ガスの触媒分解に
よる化学気相成長法によって、上記触媒微粒子間にカー
ボンナノチューブを自己組織化的に成長させることによ
り、上記微細素子間に配線を形成する素子間配線形成法
とするものである。
に、本発明は特許請求の範囲に記載のような構成とする
ものである。すなわち、請求項１に記載のように、基板
上に形成された２個以上の凸型の形状を有する微細素子
の間を電気的に結合する素子間配線形成法であって、上
記微細素子上に、カーボンナノチューブを選択的に成長
させる触媒微粒子を堆積し、炭化水素ガスの触媒分解に
よる化学気相成長法によって、上記触媒微粒子間にカー
ボンナノチューブを自己組織化的に成長させることによ
り、上記微細素子間に配線を形成する素子間配線形成法
とするものである。
【０００６】また、請求項２に記載のように、請求項１
に記載の素子間配線形成法おいて、上記触媒微粒子とし
て、遷移金属であるＦｅ、ＣｏまたはＮｉ、もしくは該
遷移金属の混合物、もしくは該遷移金属の酸化物からな
る触媒微粒子を用いる素子間配線形成法とするものであ
る。
に記載の素子間配線形成法おいて、上記触媒微粒子とし
て、遷移金属であるＦｅ、ＣｏまたはＮｉ、もしくは該
遷移金属の混合物、もしくは該遷移金属の酸化物からな
る触媒微粒子を用いる素子間配線形成法とするものであ
る。
【０００７】また、請求項３に記載のように、請求項１
または請求項２に記載の素子間配線形成法おいて、２個
以上の凸型の形状をした微細素子を有する半導体基板の
全面に、カーボンナノチューブの成長に対して触媒作用
を有する元素を含み、かつ、そのままの状態では触媒作
用を示さない化合物を堆積する工程と、上記基板とは化
学反応することなく、微細素子の上でのみ化学反応が進
行する温度に加熱して、微細素子上に触媒微粒子を形成
させ、かつ上記化学反応が微細素子に影響を与えない温
度で熱処理する工程と、次いで、上記基板とは化学反応
を起こさない温度で、化学気相成長法によって、上記触
媒微粒子間にカーボンナノチューブを自己組織化的に成
長させることにより、上記微細素子間に配線を形成する
工程とを、少なくとも含む素子間配線形成法とするもの
である。
または請求項２に記載の素子間配線形成法おいて、２個
以上の凸型の形状をした微細素子を有する半導体基板の
全面に、カーボンナノチューブの成長に対して触媒作用
を有する元素を含み、かつ、そのままの状態では触媒作
用を示さない化合物を堆積する工程と、上記基板とは化
学反応することなく、微細素子の上でのみ化学反応が進
行する温度に加熱して、微細素子上に触媒微粒子を形成
させ、かつ上記化学反応が微細素子に影響を与えない温
度で熱処理する工程と、次いで、上記基板とは化学反応
を起こさない温度で、化学気相成長法によって、上記触
媒微粒子間にカーボンナノチューブを自己組織化的に成
長させることにより、上記微細素子間に配線を形成する
工程とを、少なくとも含む素子間配線形成法とするもの
である。
【０００８】また、請求項４に記載のように、請求項１
ないし請求項３のいずれか１項に記載の素子間配線形成
法おいて、上記微細素子が島状ゲルマニウムであり、上
記触媒微粒子が酸化鉄微粒子である素子間配線形成法と
するものである。
ないし請求項３のいずれか１項に記載の素子間配線形成
法おいて、上記微細素子が島状ゲルマニウムであり、上
記触媒微粒子が酸化鉄微粒子である素子間配線形成法と
するものである。
【０００９】また、請求項５に記載のように、請求項１
ないし請求項４のいずれか１項に記載の素子間配線形成
法において、カーボンナノチューブの成長時に電場もし
くは磁場を印加することにより、カーボンナノチューブ
の微細素子間の選択的成長を促進する素子間配線形成法
とするものである。
ないし請求項４のいずれか１項に記載の素子間配線形成
法において、カーボンナノチューブの成長時に電場もし
くは磁場を印加することにより、カーボンナノチューブ
の微細素子間の選択的成長を促進する素子間配線形成法
とするものである。
【００１０】また、請求項６に記載のように、請求項１
ないし請求項５のいずれか１項に記載の素子間配線形成
法において、カーボンナノチューブの成長時に、電場も
しくは磁場を印加することにより、カーボンナノチュー
ブの成長方向を所定の方向に選択的に成長させた後、基
板を所定の角度回転して基板に対する電場もしくは磁場
の方向を最初と変えることにより、カーボンナノチュー
ブをネットワーク状に成長する素子間配線形成法とする
ものである。
ないし請求項５のいずれか１項に記載の素子間配線形成
法において、カーボンナノチューブの成長時に、電場も
しくは磁場を印加することにより、カーボンナノチュー
ブの成長方向を所定の方向に選択的に成長させた後、基
板を所定の角度回転して基板に対する電場もしくは磁場
の方向を最初と変えることにより、カーボンナノチュー
ブをネットワーク状に成長する素子間配線形成法とする
ものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】〈実施の形態１〉本発明は、微細
素子上に選択的にカーボンナノチューブを成長させる触
媒微粒子を用いて、カーボンナノチューブを自己組織化
的に成長させることにより、微細素子間をカーボンナノ
チューブで配線する方法である。カーボンナノチューブ
の気相成長は金属触媒（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐ
ｄ、Ｐｔ等の遷移金属が用いられる）を始点もしくは終
点として進行するので、これら金属触媒を所望の電極上
に形成し、金属触媒を繋ぐようにカーボンナノチューブ
を成長させることで極細線による素子間配線を実現する
ことができる。
素子上に選択的にカーボンナノチューブを成長させる触
媒微粒子を用いて、カーボンナノチューブを自己組織化
的に成長させることにより、微細素子間をカーボンナノ
チューブで配線する方法である。カーボンナノチューブ
の気相成長は金属触媒（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐ
ｄ、Ｐｔ等の遷移金属が用いられる）を始点もしくは終
点として進行するので、これら金属触媒を所望の電極上
に形成し、金属触媒を繋ぐようにカーボンナノチューブ
を成長させることで極細線による素子間配線を実現する
ことができる。
【００１２】カーボンナノチューブは、炭化水素ガスの
触媒分解による化学気相成長法（熱分解ＣＶＤ法）を用
いて形成する場合、触媒である遷移金属が微粒子状の融
液になっているため、一箇所の触媒微粒子から発生した
カーボンナノチューブが複数の触媒微粒子を串刺しにす
るように成長することができる。また、カーボンナノチ
ューブの密度が相互に接触するほど高くない場合には、
カーボンナノチューブは基板表面に沿う形で成長する。
特に、基板表面に凹凸がある場合、凸部の上面に成長し
たカーボンナノチューブは凸部同士を電線のように繋ぐ
ような形態を示す。これらの性質を利用すると、触媒微
粒子が載った微細構造を電線のように繋ぐカーボンナノ
チューブを自己組織化的に形成することができる。
触媒分解による化学気相成長法（熱分解ＣＶＤ法）を用
いて形成する場合、触媒である遷移金属が微粒子状の融
液になっているため、一箇所の触媒微粒子から発生した
カーボンナノチューブが複数の触媒微粒子を串刺しにす
るように成長することができる。また、カーボンナノチ
ューブの密度が相互に接触するほど高くない場合には、
カーボンナノチューブは基板表面に沿う形で成長する。
特に、基板表面に凹凸がある場合、凸部の上面に成長し
たカーボンナノチューブは凸部同士を電線のように繋ぐ
ような形態を示す。これらの性質を利用すると、触媒微
粒子が載った微細構造を電線のように繋ぐカーボンナノ
チューブを自己組織化的に形成することができる。
【００１３】ここで、凸型パターン（微細素子のパター
ン）を形成したシリコン基板を例に、凸型パターンを連
結するカーボンナノチューブの自己組織化的に形成する
方法を、図１を用いて具体的に説明する。図１は、本発
明の第１の実施の形態を例示する模式図であって、１は
凸型パターン（凸型のナノ構造体よりなる微細素子のパ
ターン）、２は触媒微粒子、３はカーボンナノチューブ
を示す。ここでの凸型パターンは量子ドットのモデルと
して示すもので、本発明の本質に係わるものではないた
め、作製方法の詳細は省略するが、例えばリソグラフィ
を用いたシリコンのプロセス技術によって形成すること
ができる。また、室温で非晶質ゲルマニウム層を数〜数
十原子層堆積させ、その後、真空中で加熱して、非晶質
ゲルマニウム層を結晶化して、島状ゲルマニウム（凸型
のナノ構造体）よりなる微細素子を自己組織化的に形成
することもできる。さらに、上記島状ゲルマニウムの上
に酸化鉄微粒子を付着（堆積）させ、ゲルマニウムの還
元作用で自己組織化的に金属鉄触媒微粒子を生成するこ
とも可能である。
ン）を形成したシリコン基板を例に、凸型パターンを連
結するカーボンナノチューブの自己組織化的に形成する
方法を、図１を用いて具体的に説明する。図１は、本発
明の第１の実施の形態を例示する模式図であって、１は
凸型パターン（凸型のナノ構造体よりなる微細素子のパ
ターン）、２は触媒微粒子、３はカーボンナノチューブ
を示す。ここでの凸型パターンは量子ドットのモデルと
して示すもので、本発明の本質に係わるものではないた
め、作製方法の詳細は省略するが、例えばリソグラフィ
を用いたシリコンのプロセス技術によって形成すること
ができる。また、室温で非晶質ゲルマニウム層を数〜数
十原子層堆積させ、その後、真空中で加熱して、非晶質
ゲルマニウム層を結晶化して、島状ゲルマニウム（凸型
のナノ構造体）よりなる微細素子を自己組織化的に形成
することもできる。さらに、上記島状ゲルマニウムの上
に酸化鉄微粒子を付着（堆積）させ、ゲルマニウムの還
元作用で自己組織化的に金属鉄触媒微粒子を生成するこ
とも可能である。
【００１４】まず、図１（ａ）に示すように、凸型パタ
ーン１の頂上部に触媒微粒子２となる遷移金属もしくは
遷移金属の酸化物を堆積する。これには、例えばスパッ
タ法を用い、数ｎｍの厚さの遷移金属薄膜もしくは遷移
金属の酸化物として堆積する方法がある。また、遷移金
属やその酸化物の微粒子を分散した溶媒中にパターン付
き基板を浸して、触媒微粒子２を基板表面に付着させる
こともできる。これらの方法では触媒微粒子は凸型パタ
ーンの頂上だけでなくパターンの間にも堆積されるが、
以下に示す熱分解ＣＶＤ法では、カーボンナノチューブ
は主として凸型パターンの頂上に形成され易いので、十
分に目的を達成することができる。また、触媒として用
いる遷移金属としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐ
ｄ、Ｐｔあるいはこれらの混合物や酸化物、さらには、
これらにＭｏやＹ、Ｂ等を添加するなど、さまざまな組
み合わせがある。遷移金属の酸化物、例えばＦｅ２Ｏ３
の微粒子を用いた場合、シリコン基板上での加熱により
酸化物は金属に還元されて触媒作用を発現する。この
際、還元されるまでは基板との反応が抑制されると共
に、微粒子同士の凝集も抑制されるという利点がある。
ーン１の頂上部に触媒微粒子２となる遷移金属もしくは
遷移金属の酸化物を堆積する。これには、例えばスパッ
タ法を用い、数ｎｍの厚さの遷移金属薄膜もしくは遷移
金属の酸化物として堆積する方法がある。また、遷移金
属やその酸化物の微粒子を分散した溶媒中にパターン付
き基板を浸して、触媒微粒子２を基板表面に付着させる
こともできる。これらの方法では触媒微粒子は凸型パタ
ーンの頂上だけでなくパターンの間にも堆積されるが、
以下に示す熱分解ＣＶＤ法では、カーボンナノチューブ
は主として凸型パターンの頂上に形成され易いので、十
分に目的を達成することができる。また、触媒として用
いる遷移金属としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐ
ｄ、Ｐｔあるいはこれらの混合物や酸化物、さらには、
これらにＭｏやＹ、Ｂ等を添加するなど、さまざまな組
み合わせがある。遷移金属の酸化物、例えばＦｅ２Ｏ３
の微粒子を用いた場合、シリコン基板上での加熱により
酸化物は金属に還元されて触媒作用を発現する。この
際、還元されるまでは基板との反応が抑制されると共
に、微粒子同士の凝集も抑制されるという利点がある。
【００１５】次いで、熱分解ＣＶＤ法を用いてカーボン
ナノチューブを自己組織化的に成長する。ここでは、メ
タンの熱分解ＣＶＤを用いた例を記述する。触媒を付着
させた凸型パターン基板をＣＶＤ炉にセットし、アルゴ
ンガスを流しながら成長温度である７００℃以上の温度
に昇温する。最適な温度やガスの圧力は、成長させるカ
ーボンナノチューブの種類によって異なる。例えば、グ
ラファイト層一層からなる単層のカーボンナノチューブ
をＦｅ２Ｏ３微粒子触媒を用いて自己組織化的に成長さ
せる場合には、Ｆｅ２Ｏ３微粒子触媒の直径を２０ｎｍ
以下、温度を９００〜１０００℃、ガス圧を１３３ｈＰ
ａ（１００Torr）〜１気圧の範囲とする。また、Ｃｏを
触媒として使用する場合には温度を７５０〜８５０℃、
ガス圧を１３３ｈＰａ（１００Torr）〜１気圧の範囲と
する。
ナノチューブを自己組織化的に成長する。ここでは、メ
タンの熱分解ＣＶＤを用いた例を記述する。触媒を付着
させた凸型パターン基板をＣＶＤ炉にセットし、アルゴ
ンガスを流しながら成長温度である７００℃以上の温度
に昇温する。最適な温度やガスの圧力は、成長させるカ
ーボンナノチューブの種類によって異なる。例えば、グ
ラファイト層一層からなる単層のカーボンナノチューブ
をＦｅ２Ｏ３微粒子触媒を用いて自己組織化的に成長さ
せる場合には、Ｆｅ２Ｏ３微粒子触媒の直径を２０ｎｍ
以下、温度を９００〜１０００℃、ガス圧を１３３ｈＰ
ａ（１００Torr）〜１気圧の範囲とする。また、Ｃｏを
触媒として使用する場合には温度を７５０〜８５０℃、
ガス圧を１３３ｈＰａ（１００Torr）〜１気圧の範囲と
する。
【００１６】温度が安定したらメタンガスあるいはメタ
ンを含んだＡｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、ＫｒまたはＸｅ等の希ガ
スとの混合ガス、またはメタンを含んだＨ２との混合ガ
ス等に切り替え、カーボンナノチューブの成長を行う。
この際、触媒は初期の形態が薄膜か微粒子かにかかわら
ず融解して微粒子状になる。この中には炭化水素ガスが
分解して生じた炭素が取り込まれる結果、カーボンナノ
チューブの成長が起こる。凸型パターン１上の触媒微粒
子２から成長したカーボンナノチューブ３は、基板表面
に平行に、さまざまな方向に伸びる。これらのうち、隣
接する凸型パターン１の方向に伸びたものが、パターン
間を橋渡しする。すなわち、パターン間を自己組織化的
に繋ぐ。これには、隣接する凸型パターン１まで止まる
ものと、次々と他のパターンを橋渡しして成長するもの
とがある。架橋しているカーボンナノチューブ３は他の
凸型パターン１上にある触媒微粒子２を貫いている場合
が多い。近くに凸型パターンがない方向に伸びたカーボ
ンナノチューブの先端は基板表面に落ち、基板表面原子
との引力相互作用のため基板表面に沿って貼り付いた形
となる。所定の時間ナノチューブの成長を行った後、原
料ガスを再び希ガスに切り替え、降温する。
ンを含んだＡｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、ＫｒまたはＸｅ等の希ガ
スとの混合ガス、またはメタンを含んだＨ２との混合ガ
ス等に切り替え、カーボンナノチューブの成長を行う。
この際、触媒は初期の形態が薄膜か微粒子かにかかわら
ず融解して微粒子状になる。この中には炭化水素ガスが
分解して生じた炭素が取り込まれる結果、カーボンナノ
チューブの成長が起こる。凸型パターン１上の触媒微粒
子２から成長したカーボンナノチューブ３は、基板表面
に平行に、さまざまな方向に伸びる。これらのうち、隣
接する凸型パターン１の方向に伸びたものが、パターン
間を橋渡しする。すなわち、パターン間を自己組織化的
に繋ぐ。これには、隣接する凸型パターン１まで止まる
ものと、次々と他のパターンを橋渡しして成長するもの
とがある。架橋しているカーボンナノチューブ３は他の
凸型パターン１上にある触媒微粒子２を貫いている場合
が多い。近くに凸型パターンがない方向に伸びたカーボ
ンナノチューブの先端は基板表面に落ち、基板表面原子
との引力相互作用のため基板表面に沿って貼り付いた形
となる。所定の時間ナノチューブの成長を行った後、原
料ガスを再び希ガスに切り替え、降温する。
【００１７】本実施の形態１により、実際にカーボンナ
ノチューブを自己組織化的に成長させた凸型パターンを
走査電子顕微鏡（×１５０００〜１０００００）で観察
したところ、直径１０ｎｍ以下のＦｅ２Ｏ３微粒子触媒
と５３３ｈＰａのメタンガスを用いて９５０℃でＣＶＤ
成長を行った場合、直径１μｍの凸型パターンから成長
したカーボンナノチューブは凸型パターン間（間隔：１
〜４μｍ）を直線的に繋ぐ架橋成長を示し、複数のパタ
ーンがネットワーク状に接続されていた。成長した力一
ボンナノチューブはほとんどが単層のナノチューブであ
った。この場合、基板表面の触媒微粒子からもカーボン
ナノチューブの成長が生じ、これらは基板表面に沿って
曲がりくねって伸びていた。また、厚さ５ｎｍのＣｏ蒸
着膜を用い６６５ｈＰａのメタンガスを用いて、直径
０.１μｍ、高さ０.３μｍの凸型パターンに８００℃で
ＣＶＤ成長を行った場合には、パターン間（間隔：０.
４〜１μｍ）をネットワーク状に架橋成長した単層のカ
ーボンナノチューブが多数観察された。Ｃｏ蒸着膜の場
合には大部分のナノチューブが凸型パターン上部から自
己組織化的に成長しており、基板表面からの成長はほと
んどみられなかった。これは、シリコン基板表面では８
００℃においてＣｏ薄膜のシリサイド化が起こり易いの
に対し、微細な凸型パターン上ではシリサイド化が起こ
りにくいためと考えられる。
ノチューブを自己組織化的に成長させた凸型パターンを
走査電子顕微鏡（×１５０００〜１０００００）で観察
したところ、直径１０ｎｍ以下のＦｅ２Ｏ３微粒子触媒
と５３３ｈＰａのメタンガスを用いて９５０℃でＣＶＤ
成長を行った場合、直径１μｍの凸型パターンから成長
したカーボンナノチューブは凸型パターン間（間隔：１
〜４μｍ）を直線的に繋ぐ架橋成長を示し、複数のパタ
ーンがネットワーク状に接続されていた。成長した力一
ボンナノチューブはほとんどが単層のナノチューブであ
った。この場合、基板表面の触媒微粒子からもカーボン
ナノチューブの成長が生じ、これらは基板表面に沿って
曲がりくねって伸びていた。また、厚さ５ｎｍのＣｏ蒸
着膜を用い６６５ｈＰａのメタンガスを用いて、直径
０.１μｍ、高さ０.３μｍの凸型パターンに８００℃で
ＣＶＤ成長を行った場合には、パターン間（間隔：０.
４〜１μｍ）をネットワーク状に架橋成長した単層のカ
ーボンナノチューブが多数観察された。Ｃｏ蒸着膜の場
合には大部分のナノチューブが凸型パターン上部から自
己組織化的に成長しており、基板表面からの成長はほと
んどみられなかった。これは、シリコン基板表面では８
００℃においてＣｏ薄膜のシリサイド化が起こり易いの
に対し、微細な凸型パターン上ではシリサイド化が起こ
りにくいためと考えられる。
【００１８】このように、凸型パターンにカーボンナノ
チューブを成長させると、カーボンナノチューブは自己
組織化的に凸型パターン間を電線のように架橋する成長
を示すので、カーボンナノチューブを凸型の形状を有す
る微細素子の自己組織化配線として利用することができ
る。上記Ｆｅ２Ｏ３微粒子触媒の実施形態で述べたよう
に、凸型パターン上部から成長して基板表面に落ちるカ
ーボンナノチューブや、基板表面から成長を開始するカ
ーボンナノチューブもあるが、これらが凸型パターン同
士を結ぶ可能性が低いことに加え、凸型パターンの上部
だけを導電性にするなどの素子構造の工夫により、凸型
パターン上部を架橋するカーボンナノチューブだけを配
線として作用させることができる。また、厚さ５ｎｍ程
度の薄いＣｏ蒸着膜を用いた場合には、シリコン基板表
面上に比べ凸型パターン上部から生成するナノチューブ
の割合が高いので、配線への応用に適している。
チューブを成長させると、カーボンナノチューブは自己
組織化的に凸型パターン間を電線のように架橋する成長
を示すので、カーボンナノチューブを凸型の形状を有す
る微細素子の自己組織化配線として利用することができ
る。上記Ｆｅ２Ｏ３微粒子触媒の実施形態で述べたよう
に、凸型パターン上部から成長して基板表面に落ちるカ
ーボンナノチューブや、基板表面から成長を開始するカ
ーボンナノチューブもあるが、これらが凸型パターン同
士を結ぶ可能性が低いことに加え、凸型パターンの上部
だけを導電性にするなどの素子構造の工夫により、凸型
パターン上部を架橋するカーボンナノチューブだけを配
線として作用させることができる。また、厚さ５ｎｍ程
度の薄いＣｏ蒸着膜を用いた場合には、シリコン基板表
面上に比べ凸型パターン上部から生成するナノチューブ
の割合が高いので、配線への応用に適している。
【００１９】次に、図２（ａ）、（ｂ）に示すごとく、
基板の処理方法や成長の条件は本実施の形態１と同様で
あるが、ＣＶＤによるカーボンナノチューブ３の成長中
に正電極４および負電極５を用いて電場を印加した場合
のカーボンナノチューブの成長について述べる。このよ
うに成長中に電場を印加すると、カーボンナノチューブ
３の成長方向が電場方向に揃うので、凸型パターン１を
繋ぐ確率を高くすることができる。図２（ａ）に示すよ
うに一方向に選択的にカーボンナノチューブ３を成長し
た後、基板を回転して基板に対する電場の方向を最初と
変えることにより、カーボンナノチューブ３を図２
（ｂ）に示すように、ネットワーク状に成長させること
ができる。ここでは電場の場合を例に説明したが、ＣＶ
Ｄによるカーボンナノチューブの成長中に磁場を印加し
た場合においても、カーボンナノチューブ３の成長方向
を揃える効果が期待できる。
基板の処理方法や成長の条件は本実施の形態１と同様で
あるが、ＣＶＤによるカーボンナノチューブ３の成長中
に正電極４および負電極５を用いて電場を印加した場合
のカーボンナノチューブの成長について述べる。このよ
うに成長中に電場を印加すると、カーボンナノチューブ
３の成長方向が電場方向に揃うので、凸型パターン１を
繋ぐ確率を高くすることができる。図２（ａ）に示すよ
うに一方向に選択的にカーボンナノチューブ３を成長し
た後、基板を回転して基板に対する電場の方向を最初と
変えることにより、カーボンナノチューブ３を図２
（ｂ）に示すように、ネットワーク状に成長させること
ができる。ここでは電場の場合を例に説明したが、ＣＶ
Ｄによるカーボンナノチューブの成長中に磁場を印加し
た場合においても、カーボンナノチューブ３の成長方向
を揃える効果が期待できる。
【００２０】〈実施の形態２〉図３は本発明の第２の実
施の形態の一例であるカーボンナノチューブの配線形成
方法を示す工程図である。ここでは、凸型パターンがゲ
ルマニウムの島である場合を示し、該島状ゲルマニウム
の上部に自己組織化的に金属鉄触媒微粒子を生成する方
法について述べる。以下、図３の工程を順を追って説明
する。 （ａ）半導体基板６としては、シリコン、またはＧａＡ
ｓ、ＩｎＰ等の化合物半導体よりなる基板を用いる。 （ｂ）その半導体基板６の表面に、分子線エピタキシ
（ＭＢＥ）やＣＶＤ法等の気相成長法により、室温で非
晶質ゲルマニウム（Ｇｅ）層７を数〜数十原子層（約２
〜１０ｎｍ）堆積させる。 （ｃ）その後、真空中あるいは希ガス中あるいはＨ２ガ
ス中で４００〜７００℃に加熱すると、非晶質ゲルマニ
ウム層７が結晶化し、島状ゲルマニウム（ナノ構造粒
子：０.０３〜０.１μｍ径）８が自己組織化的に形成さ
れる。あるいは（ｂ）の工程において、半導体基板６を
４００〜７００℃に加熱して、ゲルマニウムを堆積させ
れば、ゲルマニウムの堆積と同時に島状ゲルマニウムを
自己組織化的に形成することもできる。 （ｄ）この後、上記島状ゲルマニウム８が形成された半
導体基板６を、直径が１０〜２０ｎｍの酸化鉄（Ｆｅ２
Ｏ３）微粒子９を含浸させたアルコール溶液に浸漬し、
半導体基板６表面にＦｅ２Ｏ３微粒子９をほぼ均一に付
着させる。 （ｅ）その後、高真空中で半導体基板６を４００〜５０
０℃に加熱し、Ｆｅ２Ｏ ３微粒子は島状ゲルマニウム８
と下記の還元反応により１０〜２０ｎｍ程度の大きさの
金属鉄（Ｆｅ）微粒子が島状ゲルマニウム８上に形成さ
れる。この島状ゲルマニウム８上の金属鉄微粒子１０
は、次の工程では触媒として機能する。島状ゲルマニウ
ム８以外の半導体基板６の表面に堆積したままのＦｅ２
Ｏ３微粒子９は、反応することなく、そのまま固着・維
持される。 Ｆｅ２Ｏ３＋Ｇｅ＝２Ｆｅ＋３ＧｅＯ↑ （ｆ）最終工程では、炭化水素ガス中での熱分解ＣＶＤ
またはプラズマＣＶＤ法などにより、半導体基板６を４
００〜６００℃で加熱しつつ、島状ナノ微粒子ゲルマニ
ウム８の表面に形成された金属鉄触媒の作用により、カ
ーボンナノチューブ３を自己組織化的に成長させ、それ
ぞれの島状ナノ微粒子ゲルマニウム８の間を結合するよ
う配線する。ＣＶＤの具体的条件は、温度を除けば上記
本発明の第１の実施の形態で述べたものと同じである。
７００℃以上の温度ではシリコン基板上でもＦｅ２Ｏ３
微粒子９の還元が起きるので、金属鉄触媒の選択形成は
できない。
施の形態の一例であるカーボンナノチューブの配線形成
方法を示す工程図である。ここでは、凸型パターンがゲ
ルマニウムの島である場合を示し、該島状ゲルマニウム
の上部に自己組織化的に金属鉄触媒微粒子を生成する方
法について述べる。以下、図３の工程を順を追って説明
する。 （ａ）半導体基板６としては、シリコン、またはＧａＡ
ｓ、ＩｎＰ等の化合物半導体よりなる基板を用いる。 （ｂ）その半導体基板６の表面に、分子線エピタキシ
（ＭＢＥ）やＣＶＤ法等の気相成長法により、室温で非
晶質ゲルマニウム（Ｇｅ）層７を数〜数十原子層（約２
〜１０ｎｍ）堆積させる。 （ｃ）その後、真空中あるいは希ガス中あるいはＨ２ガ
ス中で４００〜７００℃に加熱すると、非晶質ゲルマニ
ウム層７が結晶化し、島状ゲルマニウム（ナノ構造粒
子：０.０３〜０.１μｍ径）８が自己組織化的に形成さ
れる。あるいは（ｂ）の工程において、半導体基板６を
４００〜７００℃に加熱して、ゲルマニウムを堆積させ
れば、ゲルマニウムの堆積と同時に島状ゲルマニウムを
自己組織化的に形成することもできる。 （ｄ）この後、上記島状ゲルマニウム８が形成された半
導体基板６を、直径が１０〜２０ｎｍの酸化鉄（Ｆｅ２
Ｏ３）微粒子９を含浸させたアルコール溶液に浸漬し、
半導体基板６表面にＦｅ２Ｏ３微粒子９をほぼ均一に付
着させる。 （ｅ）その後、高真空中で半導体基板６を４００〜５０
０℃に加熱し、Ｆｅ２Ｏ ３微粒子は島状ゲルマニウム８
と下記の還元反応により１０〜２０ｎｍ程度の大きさの
金属鉄（Ｆｅ）微粒子が島状ゲルマニウム８上に形成さ
れる。この島状ゲルマニウム８上の金属鉄微粒子１０
は、次の工程では触媒として機能する。島状ゲルマニウ
ム８以外の半導体基板６の表面に堆積したままのＦｅ２
Ｏ３微粒子９は、反応することなく、そのまま固着・維
持される。 Ｆｅ２Ｏ３＋Ｇｅ＝２Ｆｅ＋３ＧｅＯ↑ （ｆ）最終工程では、炭化水素ガス中での熱分解ＣＶＤ
またはプラズマＣＶＤ法などにより、半導体基板６を４
００〜６００℃で加熱しつつ、島状ナノ微粒子ゲルマニ
ウム８の表面に形成された金属鉄触媒の作用により、カ
ーボンナノチューブ３を自己組織化的に成長させ、それ
ぞれの島状ナノ微粒子ゲルマニウム８の間を結合するよ
う配線する。ＣＶＤの具体的条件は、温度を除けば上記
本発明の第１の実施の形態で述べたものと同じである。
７００℃以上の温度ではシリコン基板上でもＦｅ２Ｏ３
微粒子９の還元が起きるので、金属鉄触媒の選択形成は
できない。
【００２１】以上の工程により、半導体基板６上に、島
状ゲルマニウム８を自己組織化的に形成し、しかも、そ
の島状ナノ構造ゲルマニウム８の表面に触媒となる金属
鉄を自己組織化的に形成したのち、さらに金属鉄微粒子
１０の触媒作用により自己組織化的にカーボンナノチュ
ーブ３を成長し、配線を実現することができた。ここで
は、島状ゲルマニウム８上でＦｅ２Ｏ３微粒子１０が比
較的低温で還元されるという性質を利用した自己組織化
的触媒形成法を説明した。同様な手法は、他の触媒化合
物においても、還元反応や他種類の化学反応が、基板に
比べて微細素子材料上で低い温度で生じ、かつ、カーボ
ンナノチューブ３の成長温度を基板上での反応が起こる
温度よりも低くできる場合に適用できる。
状ゲルマニウム８を自己組織化的に形成し、しかも、そ
の島状ナノ構造ゲルマニウム８の表面に触媒となる金属
鉄を自己組織化的に形成したのち、さらに金属鉄微粒子
１０の触媒作用により自己組織化的にカーボンナノチュ
ーブ３を成長し、配線を実現することができた。ここで
は、島状ゲルマニウム８上でＦｅ２Ｏ３微粒子１０が比
較的低温で還元されるという性質を利用した自己組織化
的触媒形成法を説明した。同様な手法は、他の触媒化合
物においても、還元反応や他種類の化学反応が、基板に
比べて微細素子材料上で低い温度で生じ、かつ、カーボ
ンナノチューブ３の成長温度を基板上での反応が起こる
温度よりも低くできる場合に適用できる。
【００２２】
【発明の効果】以上説明したごとく、微細構造上に選択
的に形成した触媒微粒子によりカーボンナノチューブを
自己組織化的に成長させることにより、微細構造を電気
的に結合する配線を形成することができる。したがっ
て、量子ドットのような微細素子を電気的に相互接続す
ることができ、量子ドットを利用した集積回路の実現に
大きく寄与することができる。
的に形成した触媒微粒子によりカーボンナノチューブを
自己組織化的に成長させることにより、微細構造を電気
的に結合する配線を形成することができる。したがっ
て、量子ドットのような微細素子を電気的に相互接続す
ることができ、量子ドットを利用した集積回路の実現に
大きく寄与することができる。
【図１】図１（ａ）、（ｂ）は本発明の第１の実施の形
態で例示したカーボンナノチューブによる配線模様を示
す模式図。
態で例示したカーボンナノチューブによる配線模様を示
す模式図。
【図２】図２（ａ）、（ｂ）は本発明の第１の実施の形
態で例示した他のカーボンナノチューブによる配線模様
を示す模式図。
態で例示した他のカーボンナノチューブによる配線模様
を示す模式図。
【図３】図３は本発明の第２の実施の形態で例示したカ
ーボンナノチューブによる配線形成手順を示す工程図。
ーボンナノチューブによる配線形成手順を示す工程図。
１…凸型パターン（微細素子のパターン）
２…触媒微粒子
３…カーボンナノチューブ
４…正電極
５…負電極
６…半導体基板
７…非晶質ゲルマニウム層
８…島状ゲルマニウム（島状ナノ構造ゲルマニウム）
９…酸化鉄微粒子
１０…金属鉄微粒子
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｈ０１Ｌ 21/205 Ｈ０１Ｌ 21/88 Ｂ ５Ｆ０４５
21/3205 Ｂ０１Ｊ 23/74 ３０１Ｍ
(72)発明者 荻野 俊郎
東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日
本電信電話株式会社内
(72)発明者 小林 慶裕
東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日
本電信電話株式会社内
Ｆターム(参考） 4G046 CA02 CB03 CB09 CC06 CC08
4G069 AA03 AA08 BB02B BC29A
BC66A BC66B BC67A BC67B
BC68A CB35 CD10 DA06
EA08 FA01 FA04 FB02 FB15
FB29 FB43
4K030 AA09 BA27 CA04 CA12 FA17
JA14 JA15 LA15
4M104 AA01 AA04 AA05 BB04 BB36
DD21 DD24 DD43 DD45 DD46
DD78 DD79 FF40
5F033 GG01 GG02 HH00 HH03 HH15
HH36 PP02 PP06 PP08 QQ73
RR30
5F045 AA03 AB07 AC01 AC07 CB10
Claims (6)
- 【請求項１】基板上に形成された２個以上の凸型の形状
を有する微細素子の間を電気的に結合する素子間配線形
成法であって、上記微細素子上に、カーボンナノチュー
ブを選択的に成長させる触媒微粒子を堆積し、炭化水素
ガスの触媒分解による化学気相成長法によって、上記触
媒微粒子間にカーボンナノチューブを自己組織化的に成
長させることにより、上記微細素子間に配線を形成する
ことを特徴とする素子間配線形成法。 - 【請求項２】請求項１に記載の素子間配線形成法おい
て、上記触媒微粒子として、遷移金属であるＦｅ、Ｃｏ
またはＮｉ、もしくは該遷移金属の混合物、もしくは該
遷移金属の酸化物からなる触媒微粒子を用いることを特
徴とする素子間配線形成法。 - 【請求項３】請求項１または請求項２に記載の素子間配
線形成法おいて、 ２個以上の凸型の形状をした微細素子を有する半導体基
板の全面に、カーボンナノチューブの成長に対して触媒
作用を有する元素を含み、かつ、そのままの状態では触
媒作用を示さない化合物を堆積する工程と、 上記基板とは化学反応することなく、微細素子の上での
み化学反応が進行する温度に加熱して、微細素子上に触
媒微粒子を形成させ、かつ上記化学反応が微細素子に影
響を与えない温度で熱処理する工程と、 次いで、上記基板とは化学反応を起こさない温度で、化
学気相成長法によって、上記触媒微粒子間にカーボンナ
ノチューブを自己組織化的に成長させることにより、上
記微細素子間に配線を形成する工程とを、少なくとも含
むことを特徴とする素子間配線形成法。 - 【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれか１項に
記載の素子間配線形成法おいて、上記微細素子が島状ゲ
ルマニウムであり、上記触媒微粒子が酸化鉄微粒子であ
ることを特徴とする素子間配線形成法。 - 【請求項５】請求項１ないし請求項４のいずれか１項に
記載の素子間配線形成法において、カーボンナノチュー
ブの成長時に電場もしくは磁場を印加することにより、
カーボンナノチューブの微細素子間の選択的成長を促進
することを特徴とする素子間配線形成法。 - 【請求項６】請求項１ないし請求項５のいずれか１項に
記載の素子間配線形成法において、カーボンナノチュー
ブの成長時に、電場もしくは磁場を印加することによ
り、カーボンナノチューブの成長方向を所定の方向に選
択的に成長させた後、基板を所定の角度回転して基板に
対する電場もしくは磁場の方向を最初と変えることによ
り、カーボンナノチューブをネットワーク状に成長する
ことを特徴とする素子間配線形成法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002019742A JP4234348B2 (ja) | 2001-09-06 | 2002-01-29 | パターン間配線形成法 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001269838 | 2001-09-06 | ||
| JP2001-269838 | 2001-09-06 | ||
| JP2002019742A JP4234348B2 (ja) | 2001-09-06 | 2002-01-29 | パターン間配線形成法 |
Publications (2)
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