JP2006344906A

JP2006344906A - 多層配線基板の製造方法、半導体装置の製造方法、及び電子デバイス

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Publication number: JP2006344906A
Application number: JP2005171380A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Yudasaka; 一夫湯田坂
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2005-06-10
Filing date: 2005-06-10
Publication date: 2006-12-21

Abstract

【課題】カーボンナノチューブを用いた配線を高価なエッチング装置などを用いることなく、簡易な方法で実現することができる配線技術を提供する。
【解決手段】基板１１の表面にＡｌなどからなる下層配線１２を形成した後（図２（ａ）参照）、下層配線１２のうちカーボンナノチューブ１６を配置すべき箇所に触媒金属含有層１４を形成する。次に、熱ＣＶＤ法などにより触媒金属含有層１４の上にカーボンナノチューブ１６を形成し、触媒金属含有層１４からカーボンナノチューブ１６を垂直方向に選択的に成長させる（図２（ｂ）参照）。さらに、カーボンナノチューブ１６を選択成長させた基板１１の上に塗布法を用いて層間絶縁膜１３を形成した後（図２（ｃ）参照）、スパッタ法などによりカーボンナノチューブ１６の上端部及び層間絶縁膜１３を覆う上層配線層１５を形成する（図２（ｄ）参照）。
【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基板や半導体装置の製造方法などに関する。

カーボンナノチューブは、炭素が六角形にならんだシート（グラフェンシート）を直径ｎｍの円筒形に丸めたものであり、シート１枚から成るものを単層ナノチューブ、２枚以上からなるものを多層ナノチューブと呼び、その直径は最小０．４ｎｍから単層で約４ｎｍ、多層で数十ｎｍに及ぶ。長さは数１０μｍまで容易に形成でき、条件により自由に選択できる。したがって、カーボンナノチューブのアスペクト比（長さ／直径）は１０００以上となり、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。ＬＳＩの配線金属には、従来銅（Ｃｕ）が用いられているが、４５ｎｍ以降の世代では、配線に流れる電流の密度が銅の許容限界を上回ってしまう問題が生じる。また、ＬＳＩの発熱についても、ＬＳＩの高速性能と素子の発熱抑制という二つの相反する要求を満たさなければならない。

この点、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１０億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、このような配線手法が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図５は、カーボンナノチューブを用いてＬＳＩの配線層間を接続する場合の説明図である。
図５（ａ）に示すように、下地層１１の上に設けた下層配線層１２の上に、形成すべきビアの形状に対応したパターンの開口１７を備えた絶縁層１３を形成する。ここで、１３ｂは開口１７を形成するためのレジストパターンを示す。続いて、図５（ｂ）に示すように、開口１７の底に露出した下層配線層１２の上面に、触媒含有金属層１４を形成する。触媒含有金属層１４は、スパッタリングあるいは蒸着等の手法により、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ等の金属材料を露出した下層配線層１２の上面に付着させ、その後レジストパターン１３ｂをリフトオフすることにより形成することができる。次に、熱ＣＶＤなどにより、触媒含有金属層１４を利用して開口１７内にカーボンナノチューブ１６を垂直方向に成長させる（図５（ｃ）参照）。次いで、成長させたカーボンナノチューブ１６を介して下層配線層１２につながる上層配線層１５を形成することにより、ＬＳＩの配線層間を接続する（図５（ｄ）参照）。

特開２００２−３２９７２３号公報

しかしながら、狭小化されたビアを形成するためには、高価なエッチング装置が必要であり、また、エッチングにより下層配線層にダメージを与えてしまうなどの問題が生じる。
さらに、狭小化されたビアの底に、スパッタ法や蒸着法により触媒含有金属層を形成しようとしても、ビアの底のみならず側壁にも触媒金属が付着し、側壁に付着した触媒金属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１２と上層配線層１５が電気的に接続されない等の問題も生じる。

本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、カーボンナノチューブを用いた配線を高価なエッチング装置などを用いることなく、簡易な方法で実現することができる配線技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る多層配線基板の製造方法は、上層配線と下層配線をカーボンナノチューブで接続した多層配線基板の製造方法であって、前記下層配線を形成する工程と、前記下層配線の一部上に触媒層を形成する工程と、前記触媒層から前記カーボンナノチューブを成長させる工程と、前記下層配線を覆う層間絶縁膜を形成した後に、前記上層配線を形成する工程とを含むことを特徴とする。

かかる製造方法によれば、層間絶縁膜にビアを設けることなく、カーボンナノチューブにより下層配線層と上層配線層とを電気的に接続することができる。よって、高価なエッチング装置などは不要となり、簡易な方法でカーボンナノチューブを用いた配線を実現することができる。

ここで、上記製造方法にあっては、前記層間絶縁膜は、液体材料を用いて形成されるのが好ましい。また、前記下層配線は、不純物が高濃度にドープされたシリコンによって形成されていても良い。さらに、前記層間絶縁膜の表面から前記カーボンナノチューブの上端部が出るように、該層間絶縁膜の膜厚を制御するのが好ましい。
また、上記製造方法において、前記触媒層を形成する工程は、溶媒に触媒金属が分散した分散液を液滴吐出装置から吐出する工程を含むこともできる。これによれば、触媒層を形成する際、フォトリソグラフィ等のパターニング工程が不要となり、製造工程がさらに簡略化できる。

また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、ソース・ドレイン領域と外部回路とを電気的に接続するための引き出し電極をカーボンナノチューブで構成した半導体装置の製造方法であって、前記ソース・ドレイン領域の所定箇所に触媒層を形成する工程と、前記触媒層から前記カーボンナノチューブを選択成長させる工程と、前記下層配線を覆う層間絶縁膜を形成する工程とを含むことを特徴とする。

かかる製造方法によれば、ソース・ドレイン領域と外部回路とを電気的に接続するための引き出し電極をカーボンナノチューブで構成するため、ソース・ドレイン領域の微細化を図ることができる。さらに、カーボンナノチューブ自身の高伝導性により、従来から用いられる高抵抗なＷ電極による配線への接続と比較して電極の低抵抗化を図ることができる。

なお、上記製造方法によって製造された多層配線基板を各種電子デバイスに適用しても良い。ここで、電子デバイスとは、本発明に係る半導体装置を備えた一定の機能を奏する機器一般をいい、例えば電気光学装置やメモリを備えて構成される。その構成に特に限定は無いが、例えばＩＣカード、携帯電話、ビデオカメラ、パーソナルコンピュータ、ヘッドマウントディスプレイ、リア型またはフロント型のプロジェクター、さらに表示機能付きファックス装置、デジタルカメラのファインダ、携帯型ＴＶ、ＤＳＰ装置、ＰＤＡ、電子手帳、電光掲示板、宣伝広告用ディスプレイ等が含まれる。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら説明する。

Ａ．第１実施形態
図１は第１実施形態に係る多層配線基板の構成を示す図であり、図１（ａ）は多層配線基板の上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す多層配線基板のＸ−Ｘ’線視断面図である。
多層配線基板１０は、基板１１の上に下層配線１２、層間絶縁膜１３、触媒金属含有層１４、上層配線１５が積層され、下層配線１２と上層配線１５は、触媒金属含有層１４から垂直方向に延在する多数のカーボンナノチューブ１６によって間接的あるいは直接的に電気的に接続されている。なお、本実施形態は、図５に示すようなビアを形成・利用することなく、下層配線１２と上層配線１５とをカーボンナノチューブ１６を用いて電気的に接続する点に特徴がある（詳細は後述）。

カーボンナノチューブ１６は、熱ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法、熱フィラメントＣＶＤ法などにより形成される。これらＣＶＤ法では、カーボンナノチューブ１６は下層配線１２の上に形成された触媒金属含有層１４を構成する遷移金属（例えばＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏなど）を含む合金の微粒子を核として成長する。触媒金属含有層１４は、ＣＶＤ法やスパッタ法などによって１００ｎｍ以下の膜厚の触媒金属膜を形成した後、ＲＴＡ(Rapid Thermal Annealing)やレーザアニールなどの高温短時間の熱処理を加えて触媒金属膜を微粒子化するのが望ましい。また、微粒子は平均粒径（直径）が０．４ｎｍ〜２０ｎｍ（好ましくは０．４ｎｍ〜５ｎｍ）に設定するのが好ましい。また、カーボンナノチューブ１６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。

図２は、第１実施形態に係る多層配線基板１０の製造工程を示す図である。
まず、ガラスなど、またはその上に下地絶縁層やスイッチング素子などが形成された基板１１の表面にスパッタ法、蒸着法、メッキ法などにより、Ａｌ、Ｃｕなどからなる下層配線１２を形成する（図２（ａ）参照）。なお、金属配線を形成する代わりに不純物が高濃度にドープされたシリコンによって配線を形成しても良い。この点は、上層配線１５も同様である。次に、下層配線１２のうちカーボンナノチューブ１６を配置すべき箇所（所定箇所）に触媒金属含有層１４を形成する。この触媒金属含有層１４の形成方法については、上記において詳細を明らかにしたため説明を割愛する。次に、熱ＣＶＤ法により、触媒金属含有層１４の上にカーボンナノチューブ１６を垂直方向に選択成長させる。具体的には、炭化水素系ガス（アセチレン、メタン等）の原料ガス、水素ガスをキャリアガスとし、加熱温度を４００℃〜９００℃（好ましくは４００℃〜６００℃）、圧力を１ｋＰａに設定して熱ＣＶＤ法を行い、かつ、基板１１に−４００Ｖ程度のバイアスにより層厚方向（垂直方向）に電界を印加する。これにより、触媒金属含有層１４からカーボンナノチューブ１６を垂直方向に選択的に成長させることが可能となる。なお、上述の熱ＣＶＤ法は一例に過ぎず、カーボンナノチューブ１６の成長方法はどのようなものであってもよい。例えばプラズマＣＶＤ法などを用いる場合、カーボンナノチューブ１６は基板１１と触媒金属含有層１４との間に成長する。これについて図示はしないが、触媒金属含有層１４が上層配線１５のカーボンナノチューブ１６先端に付着していてもよい。

次に、カーボンナノチューブ１６を選択成長させた基板１１の上に、塗布法を用いて層間絶縁膜１３を形成する。具体的には、基板１１の上にポリシラザンなどの液体材料（以下、「絶縁性材料」と総称）を液滴吐出法などを利用して塗布し、ベーク・アニール処理（１００℃で５分程度、さらに３５０℃で６０分程度）等を施すことにより層間絶縁膜１３を形成する。かかる層間絶縁膜１３を形成する際には、層間絶縁膜１３の表面から選択成長させたカーボンナノチューブ１６の上端部が出るように、カーボンナノチューブまたは該層間絶縁膜１３の膜厚を制御する。

次いで、スパッタ法などによりカーボンナノチューブ１６の上端部及び層間絶縁膜１３を覆う上層配線層１５を形成し、これにより、下層配線層１２と上層配線層１５がカーボンナノチューブ１６により電気的に接続された多層配線基板１０が形成される。

以上説明したように、本実施形態によれば、層間絶縁膜にビアを設けることなく、カーボンナノチューブにより下層配線層と上層配線層とを電気的に接続することができる。よって、高価なエッチング装置などは不要となり、簡易な方法でカーボンナノチューブを用いた配線を実現することができる。

なお、上述した第１実施形態では、ＣＶＤ法やスパッタ法などによって触媒金属含有層１４を形成したが、カーボンナノチューブ１６の成長核となる遷移金属の微粒子を含む液体材料を塗布することによって触媒金属含有層１４を形成しても良い。液体材料としては、例えばポリシリカ膜を形成する液体材料（ペルヒドロポリシラザンを含有する溶液やトルエン、キシレン等の炭化水素系有機溶媒など）に、上記遷移金属の微粒子を硝酸塩などの形で分散したものを使用すれば良い。塗布方法としては、インクジェット法などの液滴吐出法を用いることが好ましい。また、上述した第１実施形態では、層間絶縁膜１３を形成する塗布法の一例として、液滴吐出法（インクジェット法など）を用いて絶縁性材料を塗布したが、例えばスピンコート法などを用いて絶縁性材料を塗布しても良い。なお、塗布法のみならず、ＣＶＤ法やスパッタ法などによって層間絶縁膜１３を形成しても良い。

Ｂ．第２実施形態
上述した第１実施形態では、下層配線と上層配線とを電気的に接続する配線としてカーボンナノチューブを利用したが、トランジスタのソース・ドレイン領域と外部回路（図示略）とを接続する引き出し電極としてカーボンナノチューブを利用しても良い。

図３は、第２実施形態に係るＭＯＳトランジスタ（半導体装置）２０の製造工程を示す図である。
まず、図３（ａ）に示すように、ソース領域２２Ｓとドレイン領域２２Ｄを設けたシリコン基板２１の上に、絶縁膜側壁２３ａを有するゲート電極２３を形成する。次に、スパッタ法などを用いてシリコン基板２１の全面にＮｉ膜２４を堆積する。その後、ＲＴＡやレーザアニールなどによって熱処理（例えば５００℃で３０秒の熱処理）を施し、ソース領域２２Ｓとドレイン領域２２Ｄの表面部分にＮｉシリサイド層（触媒金属含有層）２５を形成する。

次に、図３（ｂ）に示すように、硝酸水溶液などを用いてウェットエッチング（またはドライエッチング）により未反応のＮｉ膜２４を選択的に除去する。続いて、図３（ｃ）に示すように、シリコン基板２１のＮｉシリサイド層２５の上にカーボンナノチューブ２６を形成し、このカーボンナノチューブ２６を垂直方向に選択成長させる。カーボンナノチューブ２６の成長方法などについては第１実施形態において詳細を明らかにしたため、説明を割愛する。

次いで、図３（ｄ）に示すように、カーボンナノチューブ１６を選択成長させたシリコン基板２１の上に、第１実施形態と同様、塗布法を用いて層間絶縁膜２７を形成する。その後、カーボンナノチューブ１６に接続する外部回路の銅配線パターン（図示略）を形成することでＭＯＳトランジスタ２０の製造を終了する。

以上説明したように、本実施形態によれば、トランジスタのソース・ドレイン領域を接続する電極としてカーボンナノチューブを利用することで、ソース・ドレイン領域の微細化を図ることができる。さらに、カーボンナノチューブ自身の高伝導性により、従来から用いられる高抵抗なＷ電極による配線への接続と比較して電極の低抵抗化を図ることができる。なお、第２実施形態では、回路素子の一例としてＭＯＳトランジスタを例示したが、他の回路素子に適用しても良いのはもちろんである。

Ｃ．第３実施形態
図４は、第３実施形態に係る電子デバイスを例示した図である。
図４（ａ）は、本発明の製造方法によって製造される携帯電話であり、当該携帯電話３３０は、電気光学装置（表示パネル）１０、アンテナ部３３１、音声出力部３３２、音声入力部３３３及び操作部３３４を備えている。本発明は、例えば表示パネル１０に搭載される多層配線基板の製造に適用される。図４（ｂ）は、本発明の製造方法によって製造されるビデオカメラであり、当該ビデオカメラ３４０は、電気光学装置（表示パネル）１０、受像部３４１、操作部３４２及び音声入力部３４３を備えている。本発明は、例えば表示パネル１０に搭載される多層配線基板の製造に適用される。

図４（ｃ）は、本発明の製造方法によって製造される携帯型パーソナルコンピュータの例であり、当該コンピュータ２５０は、電気光学装置（表示パネル）１０、カメラ部３５１及び操作部３５２を備えている。本発明は、例えば表示パネル１０に搭載される多層配線基板の製造に適用される。

図４（ｄ）は、本発明の製造方法によって製造されるヘッドマウントディスプレイの例であり、当該ヘッドマウントディスプレイ３６０は、電気光学装置（表示パネル）１０、バンド部３６１及び光学系収納部３６２を備えている。本発明は、例えば表示パネル１０に搭載される多層配線基板の製造に適用される。図４（ｅ）は、本発明の製造方法によって製造されるリア型プロジェクターの例であり、当該プロジェクター３７０は、電気光学装置（光変調器）１０、光源３７２、合成光学系３７３、ミラー３７４、３７５を筐体３７１内に備えている。本発明は、例えば光変調器１０に搭載される多層配線基板の製造に適用される。図４（ｆ）は本発明の製造方法によって製造されるフロント型プロジェクターの例であり、当該プロジェクター３８０は、電気光学装置（画像表示源）１０及び光学系３８１を筐体３８２内に備え、画像をスクリーン３８３に表示可能になっている。本発明は、例えば画像表示源１０に搭載される多層配線基板の製造に適用される。

上記例に限らず本発明は、あらゆる電子デバイスの製造等に適用可能である。例えば、表示機能付きファックス装置、デジタルカメラのファインダ、携帯型ＴＶ、ＤＳＰ装置、ＰＤＡ、電子手帳、電光掲示盤、宣伝公告用ディスプレイ、ＩＣカードなどにも適用することができる。なお、本発明は上述した各実施形態に限定されることなく、本発明の要旨の範囲内で種々に変形、変更実施が可能である。

第１実施形態に係る多層配線基板の構成を示す図である。同実施形態に係る多層配線基板の製造工程を示す図である。第２実施形態に係るＣＭＯＳトランジスタの構成を示す図である。第３実施形態に係る電子デバイスを例示した図である。カーボンナノチューブを用いた配線手法の従来例を示す図である。

符号の説明

１０・・・多層配線基板、１１・・・基板、１２・・・下層配線、１３、２７・・・層間絶縁膜、１４・・・触媒金属含有層、１５・・・上層配線、１６、２６・・・カーボンナノチューブ、２０・・・ＣＭＯＳトランジスタ、２１・・・シリコン基板、２２Ｄ・・・ドレイン領域、２２Ｓ・・・ソース領域、２３・・・ゲート電極、２５・・・Ｎｉシリサイド層。

Claims

上層配線と下層配線をカーボンナノチューブで接続した多層配線基板の製造方法であって、
前記下層配線を形成する工程と、
前記下層配線の一部上に触媒層を形成する工程と、
前記触媒層から前記カーボンナノチューブを成長させる工程と
前記下層配線を覆う層間絶縁膜を形成した後に、前記上層配線を形成する工程と
を含むことを特徴とする多層配線基板の製造方法。
請求項１に記載の多層配線基板の製造方法において、
前記層間絶縁膜は、液体材料を用いて形成されることを特徴とする多層配線基板の製造方法。
請求項１または２に記載の多層配線基板の製造方法において、
前記下層配線は、不純物が高濃度にドープされたシリコンによって形成されていることを特徴とする多層配線基板の製造方法。
請求項１乃至３のいずれかに記載の多層配線基板の製造方法において、
前記層間絶縁膜の表面から前記カーボンナノチューブの上端部が出るように、該層間絶縁膜の膜厚を制御することを特徴とする多層配線基板の製造方法。
請求項１乃至４のいずれかに記載の多層配線基板の製造方法において、
前記触媒層を形成する工程は、溶媒に触媒金属が分散した分散液を液滴吐出装置から吐出する工程を含むことを特徴とする多層配線基板の製造方法。
ソース・ドレイン領域と外部回路とを電気的に接続するための引き出し電極をカーボンナノチューブで構成した半導体装置の製造方法であって、
前記ソース・ドレイン領域の所定箇所に触媒層を形成する工程と、
前記触媒層から前記カーボンナノチューブを選択成長させる工程と、
前記下層配線を覆う層間絶縁膜を形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１乃至５のいずれかに記載の多層配線基板の製造方法により製造された多層配線基板を備えることを特徴とする電子デバイス。