JP2005072171A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 寸法の制御性が良好なカーボンナノチューブを備え、高アスペクト比のビアやコンタクトなどの垂直配線部の抵抗を低減し、また、垂直配線部や能動素子の特性のバラツキを低減した信頼性の高い半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 半導体装置１０は、下層配線層１１と、下層配線層１１上に、エッチングストッパ層１２、第１層間絶縁膜１３、エッチングストッパ層１４、第２層間絶縁膜１５が順次堆積され、第２層間絶縁膜１５に形成された上層配線層１８と、第１層間絶縁層１３及びエッチングストッパ層１２，１４を貫通して下層配線層１１と上層配線層１８を電気的に接続するビア部１９などから構成されている。ビア部１９は、下層配線層１１表面に形成された微粒子よりなる微粒子状触媒層２０が形成され、微粒子状触媒層２０から成長して形成された複数のカーボンナノチューブ２１から構成され、カーボンナノチューブ２１は下層配線層１１と上層配線層１８を間接的あるいは直接的に電気的に接続する。
【選択図】 図２
【解決手段】 半導体装置１０は、下層配線層１１と、下層配線層１１上に、エッチングストッパ層１２、第１層間絶縁膜１３、エッチングストッパ層１４、第２層間絶縁膜１５が順次堆積され、第２層間絶縁膜１５に形成された上層配線層１８と、第１層間絶縁層１３及びエッチングストッパ層１２，１４を貫通して下層配線層１１と上層配線層１８を電気的に接続するビア部１９などから構成されている。ビア部１９は、下層配線層１１表面に形成された微粒子よりなる微粒子状触媒層２０が形成され、微粒子状触媒層２０から成長して形成された複数のカーボンナノチューブ２１から構成され、カーボンナノチューブ２１は下層配線層１１と上層配線層１８を間接的あるいは直接的に電気的に接続する。
【選択図】 図２
Description
本発明は、カーボンナノチューブを用いた配線またはチャネルを有する半導体装置およびその製造方法に係り、特に寸法の制御性が良好なカーボンナノチューブを有する半導体装置およびその製造方法に関する。
カーボンナノチューブは、グラファイトの１枚面（グラフェンシート）を巻いて筒状にした形状を有しており、その直径はおおよそ数ｎｍから十ｎｍの範囲であり、長さは数μｍに及ぶ。したがって、アスペクト比（長さ／直径）が１０００程度となり、かかる形状異方性に起因する一次元的電子的性質が注目されている。
カーボンナノチューブのエレクトロニクス応用の一例として、大規模集積回路（ＬＳＩ）の配線への適用が挙げられる。カーボンナノチューブは、断線することなく流すことができる最大電流密度が１平方センチあたり１００万アンペアと銅配線より１００倍以上大きいという特徴を有している。また熱伝導についても伝導率で銅の１０倍高い。電気抵抗の観点からは、カーボンナノチューブ内を流れる電子は、不純物や格子振動（フォノン）との散乱現象のない、いわゆる弾道電子輸送が実現することが報告されており、その場合、カーボンナノチューブ１本当たりの抵抗は約６．４５ｋΩになることが知られている。またカーボンナノチューブの直径は０．４ｎｍ〜１００ｎｍ程度まで広範囲で、その直径は自己組織的に形成されることから1本の長さ方向で揺らぎが極めて少ないという特徴を有する。これらの特徴から、カーボンナノチューブをＬＳＩの配線として適用した場合に高電流密度に起因する故障モードであるマイグレーション現象が少なく、高信頼でかつ極めて微細な金属配線を実現できることが期待されている。
また、カーボンナノチューブのエレクトロニクス応用の他の例として、トランジスタのチャネルへの適用が挙げられる。カーボンナノチューブは上述した弾道電子輸送と極めて大きな最大電流密度により、電流駆動能力の飛躍的な向上が期待できる。
カーボンナノチューブの成長法として、アーク放電法、レーザーアブレーション（レーザー蒸発）法、化学的気相成長法(ＣＶＤ法)、ＳｉＣ昇華法などが知られている。これらの方法では、カーボンナノチューブ形成の際、遷移金属類を触媒金属として利用することが知られている。ＣＶＤ法やＳｉＣ昇華法では、これら遷移金属を半導体ＬＳＩなどで用いられているリソグラフィおよび真空蒸着法などを用いて、事前に場所決めして形成しておくことによって、位置制御してカーボンナノチューブを選択的に成長することができる。
特開２００２−１４１６３３号公報
特開２００２−３２９７２３号公報
例えば、多層配線構造を有するＬＳＩの配線層間をカーボンナノチューブを用いて接続する配線手法が提案されている。図１（Ａ）に示すように、下層配線層１０１と、その上方に層間絶縁層１０２を介して上層配線層１０３が設けられた多層配線構造において、ビアホール１０４にカーボンナノチューブ１０５を形成して下層配線層１０１及び上層配線層１０３との電気的接続を行う。このような構造では、ビアホール１０４の下層配線層１０１の表面に触媒金属層１０６を形成し、触媒金属層１０６を核として、熱ＣＶＤ法などによりカーボンナノチューブが形成される。
しかしながら、ＬＳＩはスケーリング則にのっとってますます高集積化が進められており、ビアホールの開口幅がますます狭小化され、ビアホールのアスペクト比が増大することが予想される。かかる狭小化されたビアホール１０４の底に、スパッタ法や蒸着法により触媒金属層１０６を形成しようとしても、図１（Ｂ）に示すように、ビアホール１０４の底のみならず側壁にも付着し、側壁に付着した触媒金属層１０６Ａからカーボンナノチューブが成長してしまい、下層配線層１０１と上層配線層１０２が電気的に接続されない問題が生じてしまう。また、電気めっき法により触媒金属層を形成する手法もあるが、図１（Ｃ）に示すように、ビアホール１０４の開口部が狭小になってくると印加された電圧により生じた電流密度の分布による膜厚分布が顕著になり、ビアホール１０４の底中央部１０４Ａの膜厚が薄くなると共に周辺部１０４Ｂが厚く形成されてしまう。かかる触媒金属層１０６Ｂでは、周辺部１０４Ｂに触媒金属が厚く付くことで、ビア抵抗が増加する原因となる。
また、スパッタ法や真空蒸着法、電気めっき法により形成された触媒金属層は、表面粗さの小さな連続膜である。このような触媒金属層から成長するカーボンナノチューブの束は内径、外径のばらつきが大きいものとなる。かかるカーボンナノチューブの束の電気的性質は、ビアホールが狭小化されると共に電気伝導に寄与するカーボンナノチューブの本数が減少にするにつれて、ビア抵抗のバラツキが大きくなり、ビア抵抗の大なるビアでは配線遅延等の問題が生じる。さらに、カーボンナノチューブをチャネルとして用いるトランジスタを多数設けたＬＳＩでは、カーボンナノチューブの内外径のバラツキに起因して、トランジスタ間で電流駆動能力にバラツキが生じ、ＬＳＩ全体の装置能力を低下させてしまうという問題が生じる。
そこで、本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、高アスペクト比のビアやコンタクトなどの垂直配線部の抵抗を低減すると共に抵抗のバラツキを低減した信頼性の高い半導体装置及びその製造方法を提供することである。本発明の他の目的は、小型化が可能で特性のバラツキを低減した信頼性の高い、高速動作が可能な半導体装置及びその製造方法を提供することである。
本発明の一観点によれば、第１の導電部と、前記第１の導電部を覆う層間絶縁層と、前記層間絶縁層上に形成された第２の導電部と、前記層間絶縁層を貫通し第１の導電部を露出させる溝部の第１の導電部の表面に形成された触媒層と、前記触媒層上に形成され、第１の導電部と第２の導電部を電気的に接続するカーボンナノチューブとを有し、前記触媒層は微粒子よりなる半導体装置が提供される。
本発明によれば、第１の導電部と第２の導電部を接続する溝部にカーボンナノチューブが設けられる。カーボンナノチューブは第１の導電部の表面に形成された微粒子からなる触媒層から成長し形成されるので、微粒子の形状や分布に対応してカーボンナノチューブの内径・外径や横方向の分布の密度を制御することができる。従来の連続膜よりなる触媒層と比較して、本発明はカーボンナノチューブの成長の核となる微粒子を設けることによりカーボンナノチューブの寸法や分布の制御性を向上することができる。したがって、ビアやコンタクトなどの垂直配線部の抵抗を低減し信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
本発明の他の観点によれば、基板と、前記基板の主面上に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に互いに離隔されて形成された２つの触媒層と、前記触媒層間に形成されたカーボンナノチューブと、前記触媒層を覆う第１及び第２の導電部と、前記基板の裏面上に形成された第３の導電部とよりなり、前記第３の導電部に印加する電圧または電流により前記カーボンナノチューブを流れる電流を制御する半導体装置であって、前記触媒層は微粒子よりなる半導体装置が提供される。
本発明によれば、第１及び第２の導電部を接続するカーボンナノチューブに対して、絶縁層を介して第３の導電部から印加された電界に対応してカーボンナノチューブの電気伝導度が変化する。すなわちトランジスタとして機能する。カーボンナノチューブが微粒子からなる触媒層から成長して形成されているので、微粒子の形状や分布に対応してカーボンナノチューブの直径や横方向の分布の密度を制御することができる。したがって、トランジスタの特性のばらつきを低減することができ、ＬＳＩ等の多数のトランジスタを備えた信頼性の高い、高性能な半導体装置を実現することができる。
本発明のその他の観点によれば、互いに離隔された第１及び第２の導電部を有する半導体装置の製造方法であって、第１及び第２の導電部の少なくとも一方に微粒子からなる触媒層を形成する工程と、前記微粒子を触媒として用いて、第１の導電部と第２の導電部を電気的に接続するカーボンナノチューブを形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
本発明によれば、第１の導電部と第２の導電部を接続する配線にカーボンナノチューブが設けられている。第１の導電部と第２の導電部には予め微粒子からなる触媒層が形成され、微粒子を核としてカーボンナノチューブが形成される。したがって、微粒子の形状や分布に対応してカーボンナノチューブの内径・外径や分布の密度が制御される。その結果、垂直配線部や能動素子の特性のバラツキを低減した信頼性の高い半導体装置の製造方法を提供することができる。
前記触媒層形成工程において前記触媒層を無電解めっき処理により形成する。無電解めっき法では、触媒層を絶縁層の表面やビアホールの底に選択的に形成することができ、触媒層を微粒子の集合体により形成することができる。
本発明によれば、寸法の制御性に優れ、均一に配置されたカーボンナノチューブを備えているので、高アスペクト比のビアやコンタクトなどの垂直配線部の抵抗値及び抵抗値のバラツキを低減することができる。また、能動素子の特性のバラツキを低減した信頼性の高い半導体装置及びその製造方法を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
（第１の実施の形態）
図２は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の要部断面図である。図２を参照するに、本実施の形態に係る半導体装置１０は、デュアルダマシン構造を有する多層配線構造を有している。具体的には、半導体装置１０は、下層配線層１１と、下層配線層１１上に、エッチングストッパ層１２、第１層間絶縁膜１３、エッチングストッパ層１４、第２層間絶縁膜１５が順次堆積され、第２層間絶縁膜１５に形成された上層配線層１８と、第１層間絶縁層１３及びエッチングストッパ層１２，１４を貫通して下層配線層１１と上層配線層１８を電気的に接続するビア部１９などから構成されている。ビア部１９は、下層配線層１１表面に形成された微粒子状触媒層２０と、微粒子状触媒層２０上に垂直方向に延在する複数のカーボンナノチューブ２１から構成され、カーボンナノチューブ２１の下端は微粒子状触媒層２０に接触し、上端は上層配線層１８あるいは、上層配線層１８の下側に形成されたバリアメタル膜２２又はメッキシード層（図示せず）に接触している。このような構成から、下層配線層１１と上層配線層１８は複数のカーボンナノチューブ２１により間接的あるいは直接的に電気的に接続されている。
図２は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の要部断面図である。図２を参照するに、本実施の形態に係る半導体装置１０は、デュアルダマシン構造を有する多層配線構造を有している。具体的には、半導体装置１０は、下層配線層１１と、下層配線層１１上に、エッチングストッパ層１２、第１層間絶縁膜１３、エッチングストッパ層１４、第２層間絶縁膜１５が順次堆積され、第２層間絶縁膜１５に形成された上層配線層１８と、第１層間絶縁層１３及びエッチングストッパ層１２，１４を貫通して下層配線層１１と上層配線層１８を電気的に接続するビア部１９などから構成されている。ビア部１９は、下層配線層１１表面に形成された微粒子状触媒層２０と、微粒子状触媒層２０上に垂直方向に延在する複数のカーボンナノチューブ２１から構成され、カーボンナノチューブ２１の下端は微粒子状触媒層２０に接触し、上端は上層配線層１８あるいは、上層配線層１８の下側に形成されたバリアメタル膜２２又はメッキシード層（図示せず）に接触している。このような構成から、下層配線層１１と上層配線層１８は複数のカーボンナノチューブ２１により間接的あるいは直接的に電気的に接続されている。
カーボンナノチューブ２１は、炭素原子がｓｐ2結合した６員環よりなるグラファイトのシート（グラフェンシートと呼ばれる。）を巻いた円筒状の形状をしており、内部には長手方向に沿って空洞が形成される。空洞の直径がカーボンナノチューブ２１の内径であり、内径とグラフェンシートの層数によりカーボンナノチューブ２１の外径が決まる。
本実施の形態の半導体装置に用いられるカーボンナノチューブ２１は、ＣＶＤ法、例えば熱ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法により形成される。ＣＶＤ法では、下層配線層１１上に形成された微粒子状触媒層２０を構成する遷移金属または遷移金属を含む合金の微粒子を核としてカーボンナノチューブ２１が成長する。なお、図２において微粒子状触媒層２０は層状に図示されているが、以下に説明するように微粒子の集合体により構成されている。
図３（Ａ）及び（Ｂ）は、微粒子状触媒層を平面視した模式図である。図３（Ａ）を参照するに、微粒子状触媒層２０は下層配線層１１の表面に、遷移金属合金などからなる多数の微粒子２２が集積されて形成されている。微粒子２２は、平均粒径（直径）が０．４ｎｍ〜２０ｎｍ（好ましくは０．４ｎｍ〜５ｎｍ）に設定される。カーボンナノチューブ２１の直径は微粒子２２の大きさとほぼ同程度の０．４ｎｍ〜２０ｎｍになる。微粒子２２の平均粒径をこの範囲に設定することにより、微粒子２２を核として成長するカーボンナノチューブ２１の直径を制御することができる。
微粒子状触媒層２０の厚さは、微粒子２２が１個のみならず２個以上堆積されて形成されてもよい。微粒子状触媒層２０の最表面に形成されている微粒子２２により、カーボンナノチューブ２１が微粒子２２を核として成長することができる。但し、電気伝導度の観点からは微粒子状触媒層２０は薄い方が良く、カーボンナノチューブ２１の成長を阻害しない限り、微粒子２２が厚さ方向には１個の場合が特に好ましい。
また、図３（Ｂ）を参照するに、微粒子状触媒層２０は、微粒子２２が下層配線層１１の表面に、微粒子２２が互いに離隔して形成されていてもよい。微粒子２２間に間隙を設けることにより、カーボンナノチューブ２１の層厚方向の成長が隣接するカーボンナノチューブ２１との接触により阻害されることを回避でき、ひいては外径の揃ったカーボンナノチューブ２１を充填率良く形成することができる。微粒子２２間の間隙は、形成するカーボンナノチューブ２１の層厚により適宜選択されるが、例えば０．３３５ｎｍ以上に設定される。また、カーボンナノチューブ２１の層厚はＣＶＤ法に用いられる原料ガスの濃度、フロー量、成長時間などにより制御することができる。
微粒子状触媒層２０は、例えばＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｏなどの遷移金属、又はこれらのうちの２種類以上の遷移金属とＰ、Ｎを含む金属間化合物などから構成される。カーボンナノチューブ２１は触媒層が連続膜（ベタ膜）であっても成長するがカーボンナノチューブ２１の直径のバラツキが大きくなってしまう。本実施の形態では、微粒子状触媒層２０は粒径が制御された微粒子から構成されるので、カーボンナノチューブ２１の直径が揃ったカーボンナノチューブ２１の束を形成することがきる。
なお、カーボンナノチューブ２１の下端と下層配線層１１が直接接触してもよい。微粒子状触媒層２０を介して接触するより接触抵抗を低減することができる。例えば、図３（Ｂ）に示したように、互いに離隔した微粒子を形成することによりかかる状態を形成することができる。
以下、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明しながら、その構成を詳述する。
図４（Ａ）〜（Ｃ）及び図５（Ａ）〜（Ｃ）は、本実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す図である。図４（Ａ）の工程では、図示されない基板あるいは層間絶縁膜等の表面にスパッタ法、蒸着法、めっき法等により、Ａｌ、Ｃｕ等からなる下層配線層１１を形成する。なお、下層配線層１１は、層間絶縁層の配線溝に設けられていてもよい。
図４（Ａ）の工程ではさらに、下層配線層１１上にスパッタ法等により例えば厚さ１００ｎｍのシリコン窒化膜よりなるエッチングストッパ層１２を形成する。
図４（Ａ）の工程ではさらに、エッチングストッパ層１２上に例えば厚さ１０００ｎｍの第１層間絶縁膜１３を形成する。第１層間絶縁膜１３は、シリコン酸化膜、ＳｉＯＦ膜、ＢＳＧ膜等の無機絶縁膜、ＭＳＱ（メチルシルセスキオキサン）系多孔質膜、ポリイミド膜、バリレン膜等の有機絶縁膜を用いることができ、かかる材料に限定されない。第１層間絶縁膜１３に形成される図４（Ｂ）に示すビアホール１３−１にはカーボンナノチューブ２１が充填されるので、第１層間絶縁膜１３に多孔質膜を用いた場合であっても、ビアホールの側壁に多孔質膜との境界に相互核酸を防止するバリア膜を必要としない。したがって、低誘電率の無機あるいは有機絶縁膜を容易に用いることができる。
図４（Ａ）の工程ではさらに、第１層間絶縁膜１３上にエッチングストッパ層１４を上記エッチングストッパ層１２と同様にして形成し、さらに第２層間絶縁膜１５を第１層間絶縁膜１３と同様の材料により形成する。
次いで図４（Ｂ）の工程では、レジスト及びＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法により、第２層間絶縁膜１５、エッチングストッパ層１４、第１層間絶縁膜１３、エッチングストッパ層１３の順に研削して下線配線層を露出させる。この結果、第２層間絶縁膜１５に配線溝１５−１、第１層間絶縁膜１３にビアホール１３−１が形成される。
次いで図４（Ｃ）の工程では、ビアホールの底の下層配線層１１の表面１１−１に、無電解めっき法により微粒子状触媒層２０を形成する。具体的には、一実施例として、ＣｏＷＰからなる微粒子状触媒層２０を以下の成分からなるめっき浴を用いて、めっき浴温度を約９０℃、めっき時間を１秒〜１５秒に設定して行う。
めっき浴（ｐＨ＝１０）
ＣｏＳＯ4・７Ｈ2Ｏ＝１４ｇ／Ｌ
Ｎａ2ＷＯ4・２Ｈ2Ｏ＝４８ｇ／Ｌ
Ｎａ2Ｃ6Ｈ5Ｏ7・２Ｈ2Ｏ＝８８ｇ／Ｌ
（ＮＨ4）2ＳＯ4＝６６ｇ／Ｌ
ＮａＨ2ＰＯ2・Ｈ2Ｏ＝２１ｇ／Ｌ
微粒子の平均粒径（直径）は、例えばめっき時間を制御することにより制御することができ、上述したように、０．４ｎｍ〜２０ｎｍ、好ましくは０．４ｎｍ〜５ｎｍに設定される。微粒子状触媒層２０は、ビアホールの底の下層配線層１１の表面１１−１に微粒子が生成・付着し、ほぼ均一に形成される。本願発明者は、無電解めっき処理により微粒子状触媒層２０を形成した場合、ビアホールの側壁１３−１Ａや配線溝の底１５−１Ａ、配線溝の側壁１５−１Ｂに微粒子が付着あるいは成長しないことを見出した。これは、第１層間絶縁膜１３や、第２層間絶縁膜１５、エッチングストッパ層と、下層配線層１１の界面動電位（ゼータ電位）の分布が相違することにより、還元剤の電子の供給が下層配線層の表面１１−１付近にのみ行われるため、その表面１１−１にのみ微粒子が生成・付着すると考えられる。
めっき浴（ｐＨ＝１０）
ＣｏＳＯ4・７Ｈ2Ｏ＝１４ｇ／Ｌ
Ｎａ2ＷＯ4・２Ｈ2Ｏ＝４８ｇ／Ｌ
Ｎａ2Ｃ6Ｈ5Ｏ7・２Ｈ2Ｏ＝８８ｇ／Ｌ
（ＮＨ4）2ＳＯ4＝６６ｇ／Ｌ
ＮａＨ2ＰＯ2・Ｈ2Ｏ＝２１ｇ／Ｌ
微粒子の平均粒径（直径）は、例えばめっき時間を制御することにより制御することができ、上述したように、０．４ｎｍ〜２０ｎｍ、好ましくは０．４ｎｍ〜５ｎｍに設定される。微粒子状触媒層２０は、ビアホールの底の下層配線層１１の表面１１−１に微粒子が生成・付着し、ほぼ均一に形成される。本願発明者は、無電解めっき処理により微粒子状触媒層２０を形成した場合、ビアホールの側壁１３−１Ａや配線溝の底１５−１Ａ、配線溝の側壁１５−１Ｂに微粒子が付着あるいは成長しないことを見出した。これは、第１層間絶縁膜１３や、第２層間絶縁膜１５、エッチングストッパ層と、下層配線層１１の界面動電位（ゼータ電位）の分布が相違することにより、還元剤の電子の供給が下層配線層の表面１１−１付近にのみ行われるため、その表面１１−１にのみ微粒子が生成・付着すると考えられる。
次いで図５（Ａ）の工程では、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法などによりカーボンナノチューブ２１を形成する。具体的には、熱ＣＶＤ法を用いて、炭化水素系ガス、例えば、アセチレン、メタン等を原料ガス、水素ガスをキャリアガスとして、加熱温度を４００℃〜９００℃、好ましくは４００℃〜６００℃、圧力を１ｋＰａに設定し、かつ半導体装置が形成されている基板に−４００Ｖのバイアスにより層厚方向に電界Ｅを印加する。これらの条件から、微粒子状触媒層２０からカーボンナノチューブ２１が層厚方向に成長してビアホール１３−１を充填し、ビアホール１３−１の深さよりやや長いカーボンナノチューブ２１を形成する。後述するバリアメタル膜２２又は上層配線層１８との電気的接続を良好とすることができる。
カーボンナノチューブ２１の直径は上述したように微粒子の大きさに依存し、カーボンナノチューブ２１の層数は、原料ガスに含まれる炭素量、原料ガスのフロー量等によって制御可能である。また、原料ガスにフラーレンを昇華させたもの、あるいはアルコール等を用いることができる。
なお、カーボンナノチューブ２１の成長モードには、微粒子をカーボンナノチューブ２１の成長点の頭に有する場合と、カーボンナノチューブ２１の根本に有する場合がある。熱ＣＶＤでは根本に残るモードとなり、プラズマＣＶＤではカーボンナノチューブ２１の頭に有するモードとなることが多い。
図６は、本実施の形態に係る半導体装置に用いられるカーボンナノチューブのＳＥＭ写真、図７は図６に示すＳＥＭ写真の説明図である。図６及び図７を参照するに、垂直方向に成長したカーボンナノチューブ２１の束が密に形成されていることが分かる。
また、カーボンナノチューブ２１の半径方向は単層カーボンナノチューブあるいは多層カーボンナノチューブのいずれでもよいが、多層カーボンナノチューブの場合は、内径が小さくかつ層数が大きい方が好ましい。カーボンナノチューブの電気抵抗を低抵抗化が図れると共に、層数が大きい割には外径が小さいため、狭い開口部であっても多数のカーボンナノチューブを充填することができ、ビア抵抗を低減することができる。例えば内径が０．４ｎｍ〜２ｎｍ、層数が２層〜２０層であることが特に好ましい。
次いで図５（Ｂ）の工程では、図５（Ａ）に示す構造体の表面を覆うようにスパッタ法などによりＴａＮ、ＴｉＮなどの材料を用いて例えば厚さ１０ｎｍのバリアメタル膜２２を形成する。バリアメタル膜２２は上層配線層１８のＣｕのマイグレーションを防止すると共に、カーボンナノチューブとの電気的接続を確保する。
次いで図５（Ｃ）の工程では、図５（Ｂ）に示す構造体の表面を覆うようにスパッタ法などによりＣｕよりなるめっきシード層（図示せず）を形成し、さらに電気めっき法により厚さ１５００ｎｍのＣｕめっき膜を形成する。
図５（Ｃ）の工程ではさらに、ＣＭＰ法によりバリアメタル膜２２あるいは第２層間絶縁膜１５を研磨ストッパーとして、上記Ｃｕめっき膜を平坦化することにより上層配線層１８を形成する。なお、上層配線層１８がカーボンナノチューブ２１と直接接続されてもよい。以上により、下層配線層１１と上層配線層１８がカーボンナノチューブ２１により電気的に接続された半導体装置が形成される。
本実施の形態によれば、カーボンナノチューブ２１が成長するための微粒子状触媒層２０は、無電解めっき法により高アスペクト比のビアホールの底すなわち下層配線層１１の表面１１−１にのみ形成することができ、かつその膜厚が均一である。したがって、微粒子状触媒層２０から疎密が少なく均一なカーボンナノチューブ２１を成長させることができ、下層配線層１１との電気的接続が良好となる。また、大きさが均一な微粒子が形成されるので、内径・外径の揃った、すなわち電気的性質が均一なカーボンナノチューブ２１を形成することができる。
なお、本実施の形態では、デュアルダマシン構造を例にして説明したが、シングルダマシン構造であっても同様に適用することができる。また、下層配線層１１の替わりに半導体基板に形成された拡散領域でもよく、拡散領域と微粒子状触媒層２０との間にオーミックコンタクトを形成するＣｏＳｉ2、ＴｉＳｉ2、ＴａＳｉ2、ＰｔＳｉ2、ＮｉＳｉ2などのシリサイド化合物よりなるコンタクト層を設けてもよい。拡散領域と微粒子状触媒層２０との間のコンタクト抵抗を低減することができる。
（第２の実施の形態）
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の要部斜視図である。図８を参照するに、本実施の形態の半導体装置３０は、低比抵抗の半導体基板３１と、半導体基板３１上に形成されたシリコン酸化膜３２と、シリコン酸化膜３２上に離隔して形成された２つの微粒子状触媒層２０と、微粒子状触媒層２０間に形成されたカーボンナノチューブ３３と、微粒子状触媒層上に形成されたソース電極３４Ａ及びドレイン電極３４Ｂと、半導体基板３１のシリコン絶縁膜とは反対側に形成されたゲート電極３５などから構成されている。半導体装置３０は、いわゆるバックゲート型の半導体装置３０であり、ゲート電極３５に印加される電圧に対応してカーボンナノチューブに電界が印加され、カーボンナノチューブがトランジスタのチャネルとして機能し、ソース電極３４Ａとドレイン電極３４Ｂとの間に流れる電流が変化する。本実施の形態の半導体装置３０は、微粒子状触媒層２０を設けたことにより、寸法の制御性が良好なカーボンナノチューブを備えたことに主な特徴がある。寸法特に、内径・外径の揃ったカーボンナノチューブをトランジスタに用いることによりトランジスタ間の特性のバラツキを低減して信頼性の高い半導体装置３０を実現することができる。
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の要部斜視図である。図８を参照するに、本実施の形態の半導体装置３０は、低比抵抗の半導体基板３１と、半導体基板３１上に形成されたシリコン酸化膜３２と、シリコン酸化膜３２上に離隔して形成された２つの微粒子状触媒層２０と、微粒子状触媒層２０間に形成されたカーボンナノチューブ３３と、微粒子状触媒層上に形成されたソース電極３４Ａ及びドレイン電極３４Ｂと、半導体基板３１のシリコン絶縁膜とは反対側に形成されたゲート電極３５などから構成されている。半導体装置３０は、いわゆるバックゲート型の半導体装置３０であり、ゲート電極３５に印加される電圧に対応してカーボンナノチューブに電界が印加され、カーボンナノチューブがトランジスタのチャネルとして機能し、ソース電極３４Ａとドレイン電極３４Ｂとの間に流れる電流が変化する。本実施の形態の半導体装置３０は、微粒子状触媒層２０を設けたことにより、寸法の制御性が良好なカーボンナノチューブを備えたことに主な特徴がある。寸法特に、内径・外径の揃ったカーボンナノチューブをトランジスタに用いることによりトランジスタ間の特性のバラツキを低減して信頼性の高い半導体装置３０を実現することができる。
以下、本実施の形態に係る半導体装置３０の製造方法を説明しながら、その構成を詳述する。図９（Ａ）〜（Ｃ）及び図１０は、第２の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す図である。
図９（Ａ）の工程では、半導体基板３１、例えばドナーやアクセプター不純物イオンが導入された低比抵抗の例えば厚さ５００μｍのシリコン基板を用いて、半導体基板３１の表面に熱酸化によりシリコン酸化膜３２を厚さ１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲に形成する。なお、ＣＶＤ法、スパッタ法などよりシリコン酸化膜３２を形成してもよい。
図９（Ａ）の工程ではさらに、シリコン酸化膜３２の半導体基板３１と反対側に例えばＣｏシリサイド膜を介してＡｌなどの導電材料によりゲート電極３５を形成する。
図９（Ａ）の工程ではさらに、シリコン絶縁膜上にフォトグラフィ法によりパターン開口されたレジスト膜を形成する。レジスト膜の開口部は、ソース電極３４Ａ及びドレイン電極３４Ｂが形成されるので、例えば５０ｎｍから１００μｍ離隔して形成する。
図９（Ａ）の工程ではさらに、無電解めっき法によって、開口部のシリコン酸化膜３２の表面に微粒子状触媒層２０を形成する。微粒子状触媒層２０は、上述した図４（Ｃ）の工程と同様にして形成する。なお、本工程ではレジスト膜表面にも微粒子状触媒層２０を構成する微粒子が付着する可能性があるが、レジスト膜はカーボンナノチューブを形成する前に除去されるので問題となることはない。
次いで図９（Ｂ）の工程ではレジスト膜を除去後、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法などによりカーボンナノチューブ２１を形成する。具体的には上述した図５（Ａ）の工程と略同様であるが、ここでは電界を基板に平行に印加する。カーボンナノチューブが微粒子状触媒層より成長して、２つの微粒子状触媒層間が一本のカーボンナノチューブにより接続される。なお、カーボンナノチューブを成長させる条件は、図５（Ａ）の工程と略同様である。このようにカーボンナノチューブが触媒金属島間に架橋して成長する場合、通常一本のカーボンナノチューブが成長する。
次いで図９（Ｃ）の工程では、カーボンナノチューブ２１が形成されたシリコン酸化膜３２の表面に、フォトグラフィ法によりパターン開口されたレジスト膜を形成する。レジスト膜の開口部は、微粒子状触媒層２０を含むように形成される。なお、カーボンナノチューブはシリコン酸化膜３２に接した状態となる。ファン・デル・ワールス力等によるものである。
図９（Ｃ）の工程ではさらに、スパッタ法等により微粒子状触媒層２０を覆うように、Ｔｉ膜を介してＡｕやＰｔなどの導電材料よりなるソース電極３４Ａ及びドレイン電極３４Ｂを形成する。
次いで図１０の工程ではレジスト膜３８をリフトオフし、半導体装置３０が形成される。
本実施の形態によれば、微粒子状触媒層２０の微粒子の大きさを制御することにより直径の揃ったカーボンナノチューブを形成することができる。したがって、半導体装置３０間の特性のバラツキを低減し、カーボンナノチューブの小型及び弾道電子輸送性と相まって高速動作が可能で高信頼性の半導体装置を実現することができる。
以上本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
なお、以上の説明に関して更に以下の付記を開示する。
（付記１） 第１の導電部と、
前記第１の導電部を覆う層間絶縁層と、
前記層間絶縁層上に形成された第２の導電部と、
前記層間絶縁層を貫通し第１の導電部を露出させる溝部の第１の導電部の表面に形成された触媒層と、
前記触媒層上に形成され、第１の導電部と第２の導電部を電気的に接続するカーボンナノチューブとを有し、
前記触媒層は微粒子よりなる半導体装置。
（付記２） 前記カーボンナノチューブは、その下端が触媒層に接触する共に、その上端が第２の導電部に接触することを特徴とする付記１記載の半導体装置。
（付記３） 前記溝部が、第１の導電部を露出するビアホールと、前記ビアホール上に形成されると共に連通する配線溝よりなり、
前記配線溝に第２の導電部を形成する導電性材料が充填され、
前記ビアホールにカーボンナノチューブが充填されてなることを特徴とする付記１または２記載の半導体装置。
（付記４） 基板と、
前記基板の主面上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に互いに離隔されて形成された２つの触媒層と
前記２つの触媒層との間に形成されたカーボンナノチューブと、
前記触媒層を覆う第１及び第２の導電部と、
前記基板の裏面上に形成された第３の導電部とよりなり、
前記第３の導電部に印加する電圧または電流により前記カーボンナノチューブを流れる電流を制御する半導体装置であって、
前記触媒層は微粒子よりなることを特徴とする半導体装置。
（付記５） 前記微粒子は、互いに離隔して形成されていることを特徴とする付記１〜４のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
（付記６） 前記微粒子の平均粒径は０．４ｎｍ〜２０ｎｍの範囲に設定されることを特徴とする付記１〜５のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
（付記７） 前記微粒子は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、及びＭｏからなる群のうち少なくとも１つの遷移金属を含むことを特徴とする付記１〜６のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
（付記８） 前記カーボンナノチューブは、平均直径が０．４ｎｍから２０ｎｍの範囲に設定されることを特徴とする付記１〜７のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
（付記９） 互いに離隔された第１及び第２の導電部を有する半導体装置の製造方法であって、
第１及び第２の導電部の少なくとも一方に微粒子からなる触媒層を形成する工程と、
前記微粒子を触媒として用いて、第１の導電部と第２の導電部を電気的に接続するカーボンナノチューブを形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記１０） 第１の導電部と、前記第１の導電部を覆う層間絶縁層と、前記層間絶縁層上に形成された第２の導電部と、前記層間絶縁層を貫通し第１の導電部を露出させる溝部の第１の導電部の表面に形成された触媒層と、前記溝部に第１の導電部と第２の導電部を電気的に接続するように配置されたカーボンナノチューブとを有する半導体装置の製造方法であって、
前記層間絶縁層を選択的に研削して第１の導電部を露出する溝部を形成する工程と、
前記溝部の第１の導電部の表面に微粒子よりなる触媒層を形成する触媒層形成工程と、
前記微粒子を触媒として用いてカーボンナノチューブを形成する工程とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記１１） 基板と、前記基板の主面上に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に互いに離隔されて形成された第１及び第２の導電部と、前記第１及び第２の導電部を電気的に接続するカーボンナノチューブと、前記基板の裏面上に形成された第３の導電部とよりなり、前記第３の導電部に印加する電圧または電流により前記カーボンナノチューブを流れる電流を制御する半導体装置の製造方法であって、
前記絶縁層表面に互いに離隔して、微粒子よりなる２つの触媒層を形成する触媒層形成工程と、
前記微粒子を触媒として用いてカーボンナノチューブを形成する工程と、
前記２つの触媒層を各々覆う第１及び第２の導電部を形成する工程とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記１２） 前記触媒層形成工程において前記触媒層は無電解めっき処理により形成されることを特徴とする付記９〜１１のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
（付記１３） 前記微粒子は無電解めっき処理により形成される初期成長核であることを特徴とする付記９〜１２のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
（付記１） 第１の導電部と、
前記第１の導電部を覆う層間絶縁層と、
前記層間絶縁層上に形成された第２の導電部と、
前記層間絶縁層を貫通し第１の導電部を露出させる溝部の第１の導電部の表面に形成された触媒層と、
前記触媒層上に形成され、第１の導電部と第２の導電部を電気的に接続するカーボンナノチューブとを有し、
前記触媒層は微粒子よりなる半導体装置。
（付記２） 前記カーボンナノチューブは、その下端が触媒層に接触する共に、その上端が第２の導電部に接触することを特徴とする付記１記載の半導体装置。
（付記３） 前記溝部が、第１の導電部を露出するビアホールと、前記ビアホール上に形成されると共に連通する配線溝よりなり、
前記配線溝に第２の導電部を形成する導電性材料が充填され、
前記ビアホールにカーボンナノチューブが充填されてなることを特徴とする付記１または２記載の半導体装置。
（付記４） 基板と、
前記基板の主面上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に互いに離隔されて形成された２つの触媒層と
前記２つの触媒層との間に形成されたカーボンナノチューブと、
前記触媒層を覆う第１及び第２の導電部と、
前記基板の裏面上に形成された第３の導電部とよりなり、
前記第３の導電部に印加する電圧または電流により前記カーボンナノチューブを流れる電流を制御する半導体装置であって、
前記触媒層は微粒子よりなることを特徴とする半導体装置。
（付記５） 前記微粒子は、互いに離隔して形成されていることを特徴とする付記１〜４のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
（付記６） 前記微粒子の平均粒径は０．４ｎｍ〜２０ｎｍの範囲に設定されることを特徴とする付記１〜５のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
（付記７） 前記微粒子は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、及びＭｏからなる群のうち少なくとも１つの遷移金属を含むことを特徴とする付記１〜６のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
（付記８） 前記カーボンナノチューブは、平均直径が０．４ｎｍから２０ｎｍの範囲に設定されることを特徴とする付記１〜７のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
（付記９） 互いに離隔された第１及び第２の導電部を有する半導体装置の製造方法であって、
第１及び第２の導電部の少なくとも一方に微粒子からなる触媒層を形成する工程と、
前記微粒子を触媒として用いて、第１の導電部と第２の導電部を電気的に接続するカーボンナノチューブを形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記１０） 第１の導電部と、前記第１の導電部を覆う層間絶縁層と、前記層間絶縁層上に形成された第２の導電部と、前記層間絶縁層を貫通し第１の導電部を露出させる溝部の第１の導電部の表面に形成された触媒層と、前記溝部に第１の導電部と第２の導電部を電気的に接続するように配置されたカーボンナノチューブとを有する半導体装置の製造方法であって、
前記層間絶縁層を選択的に研削して第１の導電部を露出する溝部を形成する工程と、
前記溝部の第１の導電部の表面に微粒子よりなる触媒層を形成する触媒層形成工程と、
前記微粒子を触媒として用いてカーボンナノチューブを形成する工程とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記１１） 基板と、前記基板の主面上に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に互いに離隔されて形成された第１及び第２の導電部と、前記第１及び第２の導電部を電気的に接続するカーボンナノチューブと、前記基板の裏面上に形成された第３の導電部とよりなり、前記第３の導電部に印加する電圧または電流により前記カーボンナノチューブを流れる電流を制御する半導体装置の製造方法であって、
前記絶縁層表面に互いに離隔して、微粒子よりなる２つの触媒層を形成する触媒層形成工程と、
前記微粒子を触媒として用いてカーボンナノチューブを形成する工程と、
前記２つの触媒層を各々覆う第１及び第２の導電部を形成する工程とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記１２） 前記触媒層形成工程において前記触媒層は無電解めっき処理により形成されることを特徴とする付記９〜１１のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
（付記１３） 前記微粒子は無電解めっき処理により形成される初期成長核であることを特徴とする付記９〜１２のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
１０、３０ 半導体装置
１１ 下層配線層
１２、１４ エッチングストッパ層
１３ 第１層間絶縁膜
１５ 第２層間絶縁膜
１８ 上層配線層
２０ 微粒子状触媒層
２１、３３ カーボンナノチューブ
２２ 微粒子
３１ 半導体基板
３２ シリコン酸化膜
３４Ａ ソース電極
３４Ｂ ドレイン電極
３５ ゲート電極
１１ 下層配線層
１２、１４ エッチングストッパ層
１３ 第１層間絶縁膜
１５ 第２層間絶縁膜
１８ 上層配線層
２０ 微粒子状触媒層
２１、３３ カーボンナノチューブ
２２ 微粒子
３１ 半導体基板
３２ シリコン酸化膜
３４Ａ ソース電極
３４Ｂ ドレイン電極
３５ ゲート電極
Claims (10)
- 第１の導電部と、
前記第１の導電部を覆う層間絶縁層と、
前記層間絶縁層上に形成された第２の導電部と、
前記層間絶縁層を貫通し第１の導電部を露出させる溝部の第１の導電部の表面に形成された触媒層と、
前記触媒層上に形成され、第１の導電部と第２の導電部を電気的に接続するカーボンナノチューブとを有し、
前記触媒層は微粒子よりなる半導体装置。 - 前記カーボンナノチューブは、その下端が触媒層に接触する共に、その上端が第２の導電部に接触することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
- 前記溝部が、第１の導電部を露出するビアホールと、前記ビアホール上に形成されると共に連通する配線溝よりなり、
前記配線溝に第２の導電部を形成する導電性材料が充填され、
前記ビアホールにカーボンナノチューブが充填されてなることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。 - 基板と、
前記基板の主面上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に互いに離隔されて形成された２つの触媒層と、
前記触媒層間に形成されたカーボンナノチューブと、
前記触媒層を覆う第１及び第２の導電部と、
前記基板の裏面上に形成された第３の導電部とよりなり、
前記第３の導電部に印加する電圧または電流により前記カーボンナノチューブを流れる電流を制御する半導体装置であって、
前記触媒層は微粒子よりなることを特徴とする半導体装置。 - 前記微粒子は、互いに離隔して形成されていることを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
- 前記微粒子の平均粒径は０．４ｎｍ〜２０ｎｍの範囲に設定されることを特徴とする請求項１〜５のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
- 互いに離隔された第１及び第２の導電部を有する半導体装置の製造方法であって、
前記第１及び第２の導電部の少なくとも一方に微粒子からなる触媒層を形成する工程と、
前記微粒子を触媒として用いて、第１の導電部と第２の導電部を電気的に接続するカーボンナノチューブを形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 第１の導電部と、前記第１の導電部を覆う層間絶縁層と、前記層間絶縁層上に形成された第２の導電部と、前記層間絶縁層を貫通し第１の導電部を露出させる溝部の第１の導電部の表面に形成された触媒層と、前記溝部に第１の導電部と第２の導電部を電気的に接続するカーボンナノチューブとを有する半導体装置の製造方法であって、
前記層間絶縁層を選択的に研削して第１の導電部を露出する溝部を形成する工程と、
前記溝部の第１の導電部の表面に微粒子よりなる触媒層を形成する触媒層形成工程と、
前記微粒子を触媒として用いてカーボンナノチューブを形成する工程とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 基板と、前記基板の主面上に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に互いに離隔されて形成された第１及び第２の導電部と、前記第１及び第２の導電部を電気的に接続するカーボンナノチューブと、前記基板の裏面上に形成された第３の導電部とよりなり、前記第３の導電部に印加する電圧により前記カーボンナノチューブを流れる電流を制御する半導体装置の製造方法であって、
前記絶縁層表面に互いに離隔して、微粒子よりなる２つの触媒層を形成する触媒層形成工程と、
前記微粒子を触媒として用いてカーボンナノチューブを形成する工程と、
前記２つの触媒層を各々覆う第１及び第２の導電部を形成する工程とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記触媒層形成工程において前記触媒層を無電解めっき処理により形成することを特徴とする請求項７〜９のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
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