JP2006239790A - 金属ナノワイヤ作製法および金属ナノワイヤ - Google Patents
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Abstract
【目的】 本発明は駆動力を与えることでドリフトさせた原子または分子を集約、成長させることによりナノワイヤを形成し金属ナノワイヤを作製する方法および金属ナノワイヤを提供する。
【解決手段】 駆動力を与えることによりドリフトさせた金属原子を物理的な拘束を用いることで集約、成長させる金属ナノワイヤの作製法で、金属薄膜配線が陰極部上面と同一平面レベルに成すように形成され、かつ陰極部と一体化している金属薄膜配線に電子流が陽極側へ平行移動することで、少なくともドリフトが生じるスリット部分に電子流を集約させ、金属薄膜配線の上層にＳｉＯ２などの保護膜にある孔より金属薄膜配線と同じ成分を有する金属ナノワイヤを形成することを特徴とする。
【選択図】 図２
【解決手段】 駆動力を与えることによりドリフトさせた金属原子を物理的な拘束を用いることで集約、成長させる金属ナノワイヤの作製法で、金属薄膜配線が陰極部上面と同一平面レベルに成すように形成され、かつ陰極部と一体化している金属薄膜配線に電子流が陽極側へ平行移動することで、少なくともドリフトが生じるスリット部分に電子流を集約させ、金属薄膜配線の上層にＳｉＯ２などの保護膜にある孔より金属薄膜配線と同じ成分を有する金属ナノワイヤを形成することを特徴とする。
【選択図】 図２
Description
本発明は安定した状態の原子または分子に駆動力を与えることでドリフトさせ、これを拘束する役割を果たすスリットを用いることで、拡散した原子または分子を集約させることにより金属ナノワイヤを作製する方法および本方法により作製される金属ナノワイヤに関する。
近年、高性能化が進んでいる半導体集積回路において、金属薄膜配線の微細化のためにプロセス技術を向上させ更なる技術開発が進められている。半導体プロセス技術におけるミクロ加工で微細な配線構造を作るフォトリソグラフィーに代表されるトップダウン方式の技術が確立しているが、このトップダウン方式では露光光源の短い波長を用いる技術やフォトリソ材料のトレードオフによるエッチング精度向上などを用いてプロセス工程の改善を行っているが微細化には限界がある。
こうしたことから、近年では原子や分子を操作して微細な材料を構築するボトムアップ方式の研究が盛んに行われている。この方式を用いることで上述した技術よりも高精度化が図られるが、プロセス技術等が確立されていない。そこでボトムアップ方式の中でも自然が持っている秩序状態を作り上げる力を利用した自己組織化による材料組立技術に注目が集まっている。
一方、トップダウン方式で構成された金属微細配線には電流密度の上昇とジュール発熱に起因するエレクトロマイグレーション(ＥＭ：Electro
Migration)と呼ばれる金属原子の拡散現象が発生することが知られている。エレクトロマイグレーションが発生すると微細配線を構成する金属原子は電子の流れと同一の方向に拡散していき、結果的には局所的な原子が欠損(ボイド)と呼ばれる空孔、或いは原子が集まれば蓄積(以下、ヒロックと記す)と呼ばれる拡散した原子の塊が生成し、どちらも金属微細配線に損傷を与える有害な現象として知られている。
Migration)と呼ばれる金属原子の拡散現象が発生することが知られている。エレクトロマイグレーションが発生すると微細配線を構成する金属原子は電子の流れと同一の方向に拡散していき、結果的には局所的な原子が欠損(ボイド)と呼ばれる空孔、或いは原子が集まれば蓄積(以下、ヒロックと記す)と呼ばれる拡散した原子の塊が生成し、どちらも金属微細配線に損傷を与える有害な現象として知られている。
エレクトロマイグレーションの通電試験後、ヒロック上にウィスカーと呼ばれるひげ状結晶が偶発的に発生することが知られている。このウィスカーは自ら秩序状態を作り出す自己組織化と呼ばれる現象によるものだと考えられている。
前述のように、従来のトップダウン方式のように装置や材料加工の影響を受けず、かつ製造効率が比較的良い自己組織化を利用したボトムアップ法による材料作製方法の開発が求められている。
本方法では先に特許出願された、「原子の拡散を制御することによる金属ナノワイヤの製造方法およびこの方法により製造する金属ナノワイヤ」の周辺特許として原子または分子に駆動力を与えてドリフトさせたものを集約し再配列させることで材料固有の自己組織化を利用し、金属ナノワイヤを製造する方法を確立すべく、鋭意研究した。
その結果、金属配線にエレクトロマイグレーションを発生させることで原子をドリフトさせ、ドリフトした原子を配線のアノード端にスリットを入れることで多量に集約させることができ、さらに配線に保護膜を被覆させ、意図的に加工を施すことにより金属ナノワイヤを作製させられるとの技術的知見を得た。本発明者は、これらの技術的知見に基づき、高密度電子流において原子のドリフトが起きる金属からナノワイヤを作製させる方法を実
現したものである。
特願２００４−２６４９６０号
その結果、金属配線にエレクトロマイグレーションを発生させることで原子をドリフトさせ、ドリフトした原子を配線のアノード端にスリットを入れることで多量に集約させることができ、さらに配線に保護膜を被覆させ、意図的に加工を施すことにより金属ナノワイヤを作製させられるとの技術的知見を得た。本発明者は、これらの技術的知見に基づき、高密度電子流において原子のドリフトが起きる金属からナノワイヤを作製させる方法を実
現したものである。
特許を受けようとする第１発明は、駆動力を与えることによりドリフトさせた金属原子を物理的な拘束を用いることで集約、成長させる金属ナノワイヤとして形成させることができる。
当該第２発明は、金属ナノワイヤが金属薄膜配線成分である点にある。
当該第３発明は、物理的な拘束としてアノード端にスリットを入れた金属薄膜配線である点にある。
当該第４発明は、駆動力として電子流を用いてエレクトロマイグレーションを発生させることによりドリフトさせた金属原子を、物理的な拘束を用いて集約させることができる。
特許を受けようとする第５発明は、金属薄膜配線が陰極部と同一平面レベルに成すように形成され、かつ陰極部と一体化している金属薄膜配線に電子流が陽極側へ平行移動し、少なくともドリフトが生じるスリット部分に電子流を集約させることができるものである。
当該第６発明は、金属薄膜配線が陰極部と同一平面レベルに成すように形成され、かつ陰極部と一体化している金属薄膜配線の下層には、該金属薄膜配線よりも電気抵抗値が高い金属薄膜とすることでスリット部分に電子流を集約させることができる。
当該第７発明は、金属薄膜配線はＡｌなどであり、金属薄膜配線の下層にはＴｉＮなどを用いることで電気抵抗率値を少なくとも２０倍以上とする金属薄膜層と成すことを特徴とする。
当該第８発明は、金属薄膜配線が陰極部と同一平面レベルに成すように形成され、かつ陰極部と一体化している金属薄膜配線の上層にはＳｉＯ２などの保護膜で被覆したことを特徴する。
当該第９発明は、金属薄膜配線が陰極部と同一平面レベルに成すように形成され、かつ陰極部と一体化している金属薄膜配線に電子流が陽極側へ平行移動することで、少なくともドリフトが生じるスリット部分に電子流を集約させ金属薄膜配線と同じ成分を有する金属ナノワイヤを形成することができる。
特許を受けようとする第１０発明は、駆動力を与えることによりドリフトさせた金属原子を物理的な拘束を用いることで集約、成長させる金属ナノワイヤの作製法にて、金属薄膜配線が陰極部と同一平面レベルに成すように形成され、かつ陰極部と一体化している金属薄膜配線に電子流が陽極側へ平行移動することで、少なくともドリフトが生じるスリット部分に電子流を集約させ、金属薄膜配線の上層にＳｉＯ２などの保護膜にある孔より金属薄膜配線と同じ成分を有する金属ナノワイヤを形成することができるものである。
本発明の方法により、アスペクト比(長さ／径)が１００を超えるアルミニウムワイヤを作製することができる。また、金属薄膜配線と同じ成分を有する金属ナノワイヤを想定する位置で容易に作製することができる。
以下、本発明にについて詳細に説明する。本発明者における金属ナノワイヤの作製方法の一実施例について駆動力として高密度電子流を利用するため金属薄膜配線を用いて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
図１は幅１０μｍ、厚さ０．６μｍ、長さ１００μｍのＡｌ(アルミニウム)配線の電界放出型走査電子顕微鏡写真である。この配線のアノード（陽極）端には長さ５μｍのスリット（細い隙間）が入っており、ＴｉＮ(窒化チタン)をバイパスしてアノード側へ電子のみ流れる構造となっている。Ａｌ配線のカソード（陰極）側は幅１００μｍ、長さ２００μｍの電流入出力用パッドに接続されている(特に図示せず)。
このＡｌ配線に正珪酸四エチル(ＴＥＯＳ：Tetraethy Eorthosilicate Tetraethoxysilane)を原料とした二酸化珪素保護膜(ＳｉＯ：Silicon
dioxide)を化学気相合成法(ＲＥ-ＣＶＤ)にて約３．５μｍ堆積させる。金属薄膜配線におけるスリット部分のアノード端の保護膜より原子を通過させるための微細な穴を集束イオンビーム装置(ＦＩＢ：Ｆｏｒｃｕｓｅｄ
Ｉｏｎ Ｂｅａｍ)で作製し、この穴以外からは原子が流出しないようにする。
dioxide)を化学気相合成法(ＲＥ-ＣＶＤ)にて約３．５μｍ堆積させる。金属薄膜配線におけるスリット部分のアノード端の保護膜より原子を通過させるための微細な穴を集束イオンビーム装置(ＦＩＢ：Ｆｏｒｃｕｓｅｄ
Ｉｏｎ Ｂｅａｍ)で作製し、この穴以外からは原子が流出しないようにする。
この形態において電流密度２ＭＡ／ｃｍ２の定電流を３ｈ通電した結果、図２のようにアルミニウムワイヤの形成が確認された。このアルミナノワイヤの直径は約１０００ｎｍ、全長は１５０μｍであったことを確認した。
以上のことから、本発明の作製方法においては、ドリフトさせた原子、或いは分子を集約することでナノワイヤを作製する方法であり、その主要な特徴は、集約させた原子が自己組織化によってワイヤ状に配列される現象を利用することで、原子をドリフトさせるための駆動力を負荷するだけで金属ナノワイヤを作製できる技術思想の確認ができた。
また、本発明の金属ナノワイヤにおいては、高密度電子流を連続負荷することでドリフトした原子を集約させ金属ナノワイヤの形成させることができ、強いては、原子をドリフトさせるための高密度電子流の値や通電時間、拘束に用いる構造物及び加工法を変えることで金属ナノワイヤの作製を制御することができる。
今回、本発明で実現された金属ナノワイヤの作製方法ではアノード端にスリットを入れた金属薄膜配線であり、ドリフトした原子の蓄積を金属薄膜配線のアノード端に限定できる点にある。また、金属ナノワイヤ自体は高密度電子流が流れる金属薄膜配線の成分が単結晶となり形成されるものであり、ヒロックの作用を利用したものである。これに金属薄膜配線に保護膜を被覆、加工することにより、金属ナノワイヤの作製が可能としたことである。ヒロックの位置の保護膜上に微細な穴を開けて高密度電子流を通電することで微細な穴より金属ナノワイヤが放出される。
今回、本発明で実現された金属ナノワイヤの作製方法ではアノード端にスリットを入れた金属薄膜配線であり、ドリフトした原子の蓄積を金属薄膜配線のアノード端に限定できる点にある。また、金属ナノワイヤ自体は高密度電子流が流れる金属薄膜配線の成分が単結晶となり形成されるものであり、ヒロックの作用を利用したものである。これに金属薄膜配線に保護膜を被覆、加工することにより、金属ナノワイヤの作製が可能としたことである。ヒロックの位置の保護膜上に微細な穴を開けて高密度電子流を通電することで微細な穴より金属ナノワイヤが放出される。
Ａｌ薄膜配線の他にＥＭによる原子のドリフトが確認されているＣｒやＣｕ薄膜配線を用いても、同様に金属ナノワイヤの作製として例示されることがあげられる。また、金属薄膜配線の下層は金属元素の相性の問題もあるが、ＴｉＮ以外にもＴａ、ＴａＮ、Ｗ等の利用が挙げられ、前記金属を用いても同等の効果が期待できる。
Claims (10)
- 駆動力を与えることによりドリフトさせた金属原子を物理的な拘束を用いることで集約、成長させる金属ナノワイヤとして形成させることができる特徴を有する金属ナノワイヤの作製法。
- 金属ナノワイヤが金属薄膜配線成分であることを特徴とする請求項１に記載の金属ナノワイヤの作製法。
- 物理的な拘束としてアノード端にスリットを入れた金属薄膜配線であることを特徴する請求項１の金属ナノワイヤの作製法。
- 駆動力として電子流を用いてエレクトロマイグレーションを発生させることによりドリフトさせた金属原子を、物理的な拘束を用いて集約させることを特徴とする請求項１の金属ナノワイヤの作製法。
- 駆動力を与えることによりドリフトさせた金属原子を物理的な拘束を用いることで集約、成長させる金属ナノワイヤの作製法において、
金属薄膜配線が陰極部上面と同一平面レベルに成すように形成され、かつ陰極部と一体化している金属薄膜配線に電子流が陽極側へ平行移動し、少なくともドリフトが生じるスリット部分に電子流を集約させることができることを金属ナノワイヤの作製法。 - 金属薄膜配線が陰極部上面と同一平面レベルに成すように形成され、かつ陰極部と一体化している金属薄膜配線の下層には、該金属薄膜配線よりも電気抵抗値が高い金属薄膜とすることでスリット部分に電子流を集約させることができる請求項５記載の金属ナノワイヤの作製法。
- 金属薄膜配線はＡｌなどであり、金属薄膜配線の下層にはＴｉＮなどを用いることで電気抵抗率値を少なくとも２０倍以上とする金属薄膜層と成すことを特徴とする請求項５記載の金属ナノワイヤの作製法。
- 金属薄膜配線が陰極部上面と同一平面レベルに成すように形成され、かつ陰極部と一体化している金属薄膜配線の上層にはＳｉＯ２などの保護膜で被覆したことを特徴する請求項５記載の金属ナノワイヤの作製法。
- 金属薄膜配線が陰極部上面と同一平面レベルに成すように形成され、かつ陰極部と一体化している金属薄膜配線に電子流が陽極側へ平行移動することで、少なくともドリフトが生じるスリット部分に電子流を集約させ金属薄膜配線と同じ成分を有する金属ナノワイヤを形成することを特徴とする請求項５記載の金属ナノワイヤ。
- 駆動力を与えることによりドリフトさせた金属原子を物理的な拘束を用いることで集約、成長させる金属ナノワイヤの作製法において、
金属薄膜配線が陰極部上面と同一平面レベルに成すように形成され、かつ陰極部と一体化している金属薄膜配線に電子流が陽極側へ平行移動することで、少なくともドリフトが生じるスリット部分に電子流を集約させ、金属薄膜配線の上層にＳｉＯ２などの保護膜にある孔より金属薄膜配線と同じ成分を有する金属ナノワイヤを形成することを特徴とする金属ナノワイヤの作製法。
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