JP2008258184A - 電子デバイス及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】接続ブロックを用いたＣＮＴによる横配線を有する電子デバイスであって、接続ブロックとカーボンナノチューブの接続を良好にすること。
【解決手段】側面に第１の面を有する導電性の第１の接続ブロック１３ａと、第１の面に対向する第２の面を有する第２の接続ブロックと、第１の面上に形成される触媒金属微粒子１７ａ、触媒薄膜のいずれかを有する触媒領域１７と、第２の接続ブロックの第２の面上に形成される炭素吸収金属１８ａ、１８ｂを有する炭素元素円筒型構造体吸収領域兼成長阻止領域１８と、触媒領域１７から炭素元素円筒型構造体吸収領域兼成長阻止領域１８に伸びて第１の接続ブロック１３ａと第２の接続ブロック１３ｂを電気的に接続する炭素元素円筒型構造体１９ｂとを有する。
【選択図】図１Ｉ
【解決手段】側面に第１の面を有する導電性の第１の接続ブロック１３ａと、第１の面に対向する第２の面を有する第２の接続ブロックと、第１の面上に形成される触媒金属微粒子１７ａ、触媒薄膜のいずれかを有する触媒領域１７と、第２の接続ブロックの第２の面上に形成される炭素吸収金属１８ａ、１８ｂを有する炭素元素円筒型構造体吸収領域兼成長阻止領域１８と、触媒領域１７から炭素元素円筒型構造体吸収領域兼成長阻止領域１８に伸びて第１の接続ブロック１３ａと第２の接続ブロック１３ｂを電気的に接続する炭素元素円筒型構造体１９ｂとを有する。
【選択図】図１Ｉ
Description
本発明は、電子デバイス及びその製造方法に関し、特に、炭素元素円筒型構造体を用いた配線構造を備える電子デバイスとその製造方法に関する。
ＬＳＩは、一般に多層の配線層を持っている。そして、異なる層や面に存在する上下の配線間を電気的に接続するため、層間絶縁膜や基板等にビアホールを形成し、そこに導電性材料を形成したビア構造が広く採用されている。
最先端デバイスの配線材料には主に銅（Ｃｕ）が用いられており、そのようなＣｕ配線に通じるよう所定位置に形成したビアホール内にＣｕ等の導電性金属材料を充填等することにより、ビアを形成するのが一般的である。
このようなビアに、Ｃｕのような金属材料のほか、いわゆるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ)や筒状になったカーボンファイバ等に代表されるような炭素の筒状構造体（「炭素元素円筒型構造体」という。）を含んだ炭素材料を用いる検討がされている。
特にＣＮＴは、化学的安定性に優れ、また、特異な物理的・電気的性質を有する等、様々な特性を有しており、半導体デバイスの形成材料として注目され、例えば、その太さや長さの制御のほか、形成位置制御やカイラリティ制御等、現在も様々な検討が続けられている。
そのようなＣＮＴを利用した配線ビア構造は、例えば特許文献１、非特許文献１に開示されていて、例えば図７Ａ〜図７Ｃに示す工程により形成される。
まず、図７Ａに示すように、Ｃｕ拡散防止用のバリア膜１０１ｂ、例えばタンタル（Ｔａ）膜に覆われたＣｕ配線１０１ａ上に絶縁膜１０２を形成し、さらにフォトリソグラフィー法により絶縁膜１０２にビアホール１０２ａを形成する。続いて、ビアホール１０２ａの底部においてバリア膜１０１ｂ上に、ＣＮＴの成長を促進する触媒担持層１０３、例えば窒化チタン（ＴｉＮ）膜を形成した後に、その上にコバルト（Ｃｏ）等の触媒金属微粒子１０４を堆積する。
さらに、図７Ｂに示すように、炭化水素系ガス（ＣＨ4、Ｃ2Ｈ2等）を用いた熱ＣＶＤ法等により、ＣＮＴ１０５を触媒金属微粒子１０４から成長させる。その後、図７Ｃに示すように、Ｔｉ膜１０６とＣｕ膜１０７からなる上部配線１０８を絶縁膜１０２上に形成するとともに、上部配線１０８をＣＮＴ１０５に接続する。
このようなＣＮＴ１０５を膜厚方向、即ち縦方向に形成する構造の他、横方向にＣＮＴを形成する横配線層の形成方法が特許文献２に記載されている。
その場合、図８Ａに示すように、２つの接続ブロック１０９ａ、１０９ｂのうち互いに対向する両側面に触媒を担持して横方向にＣＮＴ１１０ａ，１１０ｂを成長し、最終的に図８Ｂに示すように、接続ブロック１０９ａ、１０９ｂの中間点でそれらを接合している。
しかしながら、特許文献２に記載の方法によれば、２つの接続ブロック両側から成長したＣＮＴの先端同士を接合する確率をさらに高める必要がある。これに対して、図９Ａに示すように、一方の接続ブロック１０９ａのみからＣＮＴ１１０を成長して、図９Ｂに示すように他方の接続ブロック１０９ｂに接合する方法も考えられる。
しかし、ＣＮＴ１１０と他方の接続ブロック１０９ｂの電気的コンタクトをどのように得るかという課題がある。
本発明の目的は、接続ブロックを用いた接続良好なカーボンナノチューブによる横配線を有する電子デバイスとその製造方法を提供することである。
本発明の一観点に係る電子デバイスの製造方法に従えば、絶縁膜の上に導電材料よりなる第１の接続ブロックと第２の接続ブロックを互いに間隔をおいて形成する工程と、第１の接続ブロックのうち第２の接続ブロックに対向する第１の面に触媒金属微粒子又は触媒薄膜からなる触媒領域を形成する工程と、第２の接続ブロックのうち第１の接続ブロックに対向する第２の面に炭素元素円筒型構造体の成長を阻止する炭素吸収金属からなる触媒領域を形成する工程と、触媒領域から炭素元素円筒型構造体を成長して第２の面に到達する工程とを有する。
本発明は、向かい合った接続ブロックの一方から炭素元素円筒型構造体を成長し、もう一方のブロック側面に炭素元素円筒型構造体の先端が到達したと同時に自己組織的に接合構造を形成することにより、すぐれた炭素元素円筒型構造体配線を提供するものである。
例えば２つの接続ブロックの向き合う一方の面にカーボンナノチューブが成長可能な触媒金属を形成し、もう一方の面にはカーボンナノチューブは成長しないが炭素原子を取り込んでカーボンナノチューブを吸収する能力のある金属を形成する。
これにより、気相成長法により一方の面から成長したカーボンナノチューブは、先端が対向した面に到達したときに、自己組織的に接合構造を形成する。これにより、良好な電気的コンタクトを持つ接続ブロック間にカーボンナノチューブ配線を形成する。また、このカーボンナノチューブに金属を複合化させることにより、さらに配線抵抗を下げることが可能になる。
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１Ａ〜図１Ｉは、本発明の第１実施形態に係る電子デバイスの形成工程を示す断面図である。
図１Ａ〜図１Ｉは、本発明の第１実施形態に係る電子デバイスの形成工程を示す断面図である。
まず、図１Ａに示す構造を形成するまでの工程について説明する。
シリコン（半導体）基板１上に、第１層間絶縁膜２として例えばシリコン酸化膜を気相成長（ＣＶＤ）法により形成する。シリコン基板１には図示しないトランジスタが形成され、そのトランジスタは第１層間絶縁膜２により覆われる。
続いて、第１層間絶縁膜２上に、窒化シリコンよりなる下地絶縁膜３と、シリコン酸化膜又は低誘電率膜よりなる第２層間絶縁膜４を形成する。低誘電率膜としては、例えば有機シリコーン化合物、或いはポーラスシリカ等が用いられる。
その後に、第２層間絶縁膜４をフォトリソグラフィー法によりパターニングすることにより、幅が数百ｎｍ程度の配線溝４ａを形成する。配線溝４ａの形成のために第２層間絶縁膜４はフッ素系ガスを用いてエッチングされ、その下の下地絶縁膜３はエッチングストッパとなる。
続いて、配線溝４ａから露出する下地絶縁膜３を選択的にエッチングして配線溝４ａをさらに深くする。これにより、配線溝４ａの深さは精度よく制御される。さらに、第２層間絶縁膜４の表面のエッチング残渣をウェット処理により除去し、さらにその表面を洗浄する。
次に、Ｃｕ拡散防止膜５ａとしてＴａ膜又はＴａＮ膜を配線溝４ａの内面と第２層間絶縁膜４上にスパッタにより形成する。その後に、Ｃｕ拡散防止膜５ａ上にＣｕ膜５ｂを電解メッキにより形成して配線溝４ａ内に埋め込む。その後に、第２層間絶縁膜４上のＣｕ拡散防止膜５ａとＣｕ膜５ｂをＣＭＰ法により除去し、これにより配線溝４ａ内に残したＣｕ膜５ｂとＣｕ拡散防止膜５ａをダマシン構造の配線５とする。
続いて、配線５及び第２層間絶縁膜４の上に窒化シリコン膜６をＣＶＤ法により形成する。窒化シリコン膜６は、配線５の酸化を防止するとともに銅の拡散を防止する。
さらに、窒化シリコン膜６上に、第３層間絶縁膜７を例えば数百ｎｍの厚さに形成する。第３層間絶縁膜７は、第２層間絶縁膜４と同じ材料から構成される。
その後に、第３層間絶縁膜７上にフォトレジスト８を塗布し、これを露光、現像することにより、配線５の一部の上方に開口部８ａを形成する。その後に、開口部８ａを通して第３層間絶縁膜７をエッチングして配線５の一部を露出する複数のビアホール７ａを形成する。
その後に、ビアホール７ａ底面とフォトレジスト８上に、バリア膜９ａとしてＴａ又はＲｕ膜を形成し、さらにその上に触媒担持膜９ｂとしてＴｉＮ膜を形成し、その後に、触媒担持膜９ｂ上に触媒微粒子１０を形成する。なお、触媒微粒子１０の材料としてはコバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、プラチナ（Ｐｔ）及びそれらのいずれかを含む合金のいずれかを用いる。触媒微粒子１０の代わりに同様な材料により例えば厚さ１ｎｍ程度の触媒薄膜を形成してもよい。なお、触媒微粒子１０又は触媒薄膜（不図示）は、例えば、レーザアブレーション法、スパッタ法、蒸着法等により形成される。
続いて、フォトレジスト８を除去することにより、バリア膜９ａ、触媒担持膜９ｂ及び触媒微粒子１０をビアホール７ａの底部に選択的に残す。
この後に、図１Ｂに示すように、触媒微粒子１０を有するビアホール７ａの底面にカーボンナノチューブ１１の束をＣＶＤ法により成長する。ＣＶＤ法として、例えば、熱ＣＶＤ法、熱フィラメントＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法がある。カーボンナノチューブ１２ａは、触媒金属微粒子１０から基板垂直方向に配向成長し、ビアホール７ａ内に成長したカーボンナノチューブ１１はビア１２として使用される。なおカーボンナノチューブ１１の束は、化学機械研磨法（ＣＭＰ法）により絶縁膜と共に平坦化され、先端が揃えられる。
なお、ビア１２の形成については、カーボンナノチューブ１１の成長の他に、銅、タングステン（Ｗ）をビアホール７ａに埋め込む方法を採用してもよい。
次に、図１Ｃに示すように、ビア１２及び第３層間絶縁膜７の上に、接続ブロック膜１３として、例えばスパッタ法又は蒸着法によりＴｉＮ膜を１００ｎｍの厚さに形成する。続いて、接続ブロック膜１３上にフォトレジストを塗布し、これを露光、現像することにより、ビア１２の上とその周辺の上の領域にレジストパターン１４ａ，１４ｂを形成する。間隔をおいて隣り合うレジストパターン１４ａ、１４ｂは互いに対向する面を有している。
その後、図１Ｄに示すように、レジストパターン１４ａ、１４ｂをマスクにして接続ブロック膜１３をエッチング又はイオンミリングすることにより、互いに対向する面を持つ 第１、第２の接続ブロック１３ａ、１３ｂを形成する。
レジストパターン１４ａ，１４ｂを除去した後に、図１Ｅに示すように、第３層間絶縁膜７及び接続ブロック１３ａ，１３ｂの上に、酸化シリコン又は低誘電率（low-k）材よりなる第４層間絶縁膜１５を例えば２００ｎｍの厚さに形成する。酸化シリコンの形成は、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）ガス又はシラン系ガスを用いてＣＶＤ法による。また、低誘電率材として、例えば有機シリコーン含有材料があり、スピンコーティング法等を用いて形成される。
次に、第４層間絶縁膜１５上にフォトレジスト１６を塗布し、これを露光、現像して、隣り合う接続ブロック１３ａ，１３ｂの間の配線領域に開口部１６ａを形成する。
続いて、図１Ｆに示すように、フォトレジスト１６の開口部１６ａを通して第４層間絶縁膜１５をエッチングすることにより、隣り合う接続ブロック１３ａ，１３ｂの間で第３層間絶縁膜７に達する深さの配線溝１５ａを形成する。これにより、配線溝１５ａ内で接続ブロック１３ａ，１３ｂが相互に対向する面が露出する。その後に、フォトレジスト１６を除去して第４層間絶縁膜１５を露出させる。
次に、図１Ｇに示すように、第１の接続ブロック１３ａのうち配線溝１５ａ内で露出している側面を触媒担持体面として使用し、その面上に４ｎｍ程度の粒径の触媒金属微粒子１７ａ又は厚さ１ｎｍ程度の触媒薄膜（不図示）からなる触媒領域１７を選択的に形成する。
触媒金属微粒子１７ａ又は触媒薄膜（不図示）の形成方法として、例えば、触媒金属パーティルをシリコン基板１の主面に対して斜め方向であって露出している第１の接続ブロック１３ａの側面に向けて直進させる方法を採用する。その方法として、例えば、レーザアブレーション等により発生させた触媒金属パーティクルをインパクタによりサイズを揃え、真空室内でビーム化されてシリコン基板１の主面に斜めに向けて照射する方法を採用する。
触媒微粒子又は触媒薄膜の材料としてはコバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、プラチナ（Ｐｔ）及びいずれかを含む二元系金属及び合金のうちいずれかを用いる。
次に、図１Ｈに示すように、第２の接続ブロック１３ｂのうち配線溝１５ａから露出している側面を炭素吸収体担持面として使用し、その面上に２〜３ｎｍ程度の炭素吸収媒介用の金属微粒子又は薄膜１８ａを形成し、さらに炭素吸収金属微粒子又は薄膜１８ｂを形成する。炭素吸収媒介用の金属微粒子又は薄膜１８ａと炭素吸収金属微粒子又は薄膜１８ｂにより炭素元素円筒型構造体吸収領域兼成長阻止領域１８が構成される。
炭素吸収媒介用の金属微粒子又は薄膜１８ａの形成方法として、例えば、炭素吸収金属パーティルをシリコン基板１の主面に対して斜め方向であって露出している第２の接続ブロック１３ｂの側面に指向性スパッタを用いて形成する方法を採用する。
例えば、レーザアブレーション等により発生させた炭素吸収媒介用金属パーティクル、例えばＭｏパーティクルを電気炉によりアニールした後に、荷電器により荷電し、微分式移動度測定器によりサイズを揃え、真空室内で静電レンズによりビーム化されてシリコン基板１の主面に斜めに向けて照射する方法を採用する。
炭素吸収媒介用の金属微粒子又は薄膜１８ａの後には、炭素吸収金属微粒子又は薄膜１８ｂを形成する。レーザアブレーション等により発生させた炭素吸収用金属パーティクル、例えばＣｏ微粒子をインパクタによりサイズを揃え、真空室内でビーム化してシリコン基板１の主面に斜めに向けて照射する方法を採用する。
炭素吸収媒介用材料として、モリブデン（Ｍｏ）、Ｔａ、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）のいずれかがある。そのような材料は、炭素吸収金属に対して炭素吸収を助長させるとともに成長条件によってカーボンナノチューブの成長を阻害する性質を有している。
また、炭素吸収金属として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ又はそれらのいずれか含有する二元系金属及び合金のいずれかを含む材料を用いる。そのような材料は、炭素吸収媒介用材料の媒介によって炭素吸収が促され且つカーボンナノチューブの成長が阻止される性質を有している。
なお、炭素吸収媒介用の金属微粒子又は薄膜１８ａと炭素吸収金属微粒子又は薄膜１８ｂを形成する順序は上記と逆にしてもよい。
次に、図１Ｉに示すように、配線溝１５ａのうち第１の接続ブロック１３ａの触媒領域１７からカーボンナノチューブ１９の束を横配線としてＣＶＤ法により成長する。ＣＶＤ法として、例えば、熱ＣＶＤ法、熱フィラメントＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法がある。
熱ＣＶＤ法を採用する場合には、例えば反応ガスとしてアセチレンとアルゴンの混合ガスを成長雰囲気である真空チャンバ内に導入する。アセチレンはアルゴンにより１０００倍程度に希釈して真空チャンバ内に導入される。この場合、真空チャンバ内の圧力を１ｋＰａに設定し、基板温度を例えば４００℃〜４５０℃に設定する。
これにより、配線溝１５ａ内において、第１の接続ブロック１３ａ側面の触媒領域１７からこれに対向する第２の接続ブロック１３ｂの側面に向けてカーボンナノチューブ１９が成長し、ついには、第２の接続ブロック１３ｂの炭素元素円筒型構造体吸収領域兼成長阻止領域１８に到達する。
炭素元素円筒型構造体吸収領域兼成長阻止領域１８では、Ｃｏ等の炭素吸収金属微粒子又は薄膜１８ｂは炭素を吸収する状態にあり、成長しているカーボンナノチューブ１９は炭素元素円筒型構造体吸収領域兼成長阻止領域１８のＣｏ微粒子に接触した際に接合状態を作り、これによりカーボンナノチューブ１９は第２の接続ブロック１３ｂに電気及び機械的に接合する。
次に、図１Ｊに示すように、第４層間絶縁膜１５の上面上の触媒金属微粒子１７ａ（又は触媒薄膜）と、炭素吸収金属微粒子又は薄膜１８ｂと炭素吸収媒介用の金属微粒子又は薄膜１８ａをＣＭＰによって除去し、これに続いて第４層間絶縁膜１５の上面をＣＭＰにより研磨して接続ブロック１３ａ、１３ｂの上面を露出させて平坦化する。
以上のように本実施形態によれば、間隔をおいて配置される第１、第２の接続ブロック１３ａ，１３ｂの対向面のうち一方の面に炭素元素円筒型構造体成長用の触媒領域１７を形成し、他方の面に炭素元素円筒型構造体吸収領域兼成長阻止領域１８を形成している。
これにより、第１の接続ブロック１３ａの触媒領域１７から成長したカーボンナノチューブ１９の束は、炭素元素円筒型構造体吸収領域兼成長阻止領域１８に到達した状態で第２の接続ブロック１３ｂに自己組成的に接合し、第１、第２の接続ブロック１３ａ、１３ｂの双方に繋ぎ目無く低コンタクト抵抗で電気的に接続することが可能になる。
ところで、炭素吸収媒介用の金属薄膜である例えばＭｏ膜は、これに接して形成されるＣｏ微粒子によるカーボンナノチューブの成長を阻止するために用いられるが、それらの炭素吸収領域兼炭素成長阻止領域１８は必ずしも２工程で形成されなくてもよい。
例えば、ＦｅＭｏのようにＭｏのような炭素元素円筒型構造体成長阻止媒介元素を含む材料だけでなく、ＣｏＰｄのように単独で炭素元素円筒型構造体成長の触媒金属となる元素であって合金により炭素元素円筒型構造体成長阻止作用を有するようになる金属であってもよい。
また、炭素吸収媒介用の金属微粒子又は薄膜１８ａと炭素吸収金属微粒子又は薄膜１８ｂのサイズは、同じであってもよいし、異なってもよい。これは、カーボンナノチューブ１９の密度、成長速度、或いは、成長したカーボンナノチューブ１９と第２の接続ブロック１３ｂの接続状態等により適宜選択される。
炭素吸収媒介用の金属微粒子又は薄膜１８ａと炭素吸収金属微粒子又は薄膜１８ｂを２ステップで形成する場合に、先に炭素吸収媒介用の金属微粒子又は薄膜１８ａを上記したように成長異方性の高い微粒子堆積方法で第２の接続ブロック１３ｂの側面に堆積した後に、図２に示すように、炭素吸収金属微粒子又は薄膜１８ｂを成長異方性の少ない微粒子堆積法により第１、第２の接続ブロック１３ａ，１３ｂの両側面に同時に成長するようにしてもよい。これにより、触媒金属微粒子１７ａを独立した工程で形成しなくてもよくなる。
このような方法は、炭素吸収金属微粒子又は薄膜１８ｂと触媒金属微粒子１７ａのサイズを同じに堆積する場合に採用することが好ましい。
ところで、上記した第４層間絶縁膜１５をＣＭＰにより研磨する前に、図３に示すように、配線溝７ａの中にＣｕ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｃ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、ＴｉＣ、Ｗ等のような電気伝導性材料層２０を例えば無電解メッキにより形成して複合構造にしてもよい。なお、第４層間絶縁膜２０上に形成された電気伝導性材料は、第４層間絶縁膜１５の上面を研磨する際に除去される。
（第２の実施の形態）
図４Ａ〜図４Ｄは、本発明の第２実施形態に係る電子デバイスの形成工程を示す断面図である。なお、
まず、図１Ａ〜図１Ｄに示したと同様な工程により、シリコン基板１上に第１層間絶縁膜２、下地絶縁膜３、第２層間絶縁膜４、配線５、第３層間絶縁膜７、ビア１２、第１及び第２の接続ブロック１３ａ，１３ｂ及び第４層間絶縁膜１５を形成し、さらに図１Ｅ、図１Ｆに示した工程により第４層間絶縁膜１５に配線溝１５ａを形成する。
図４Ａ〜図４Ｄは、本発明の第２実施形態に係る電子デバイスの形成工程を示す断面図である。なお、
まず、図１Ａ〜図１Ｄに示したと同様な工程により、シリコン基板１上に第１層間絶縁膜２、下地絶縁膜３、第２層間絶縁膜４、配線５、第３層間絶縁膜７、ビア１２、第１及び第２の接続ブロック１３ａ，１３ｂ及び第４層間絶縁膜１５を形成し、さらに図１Ｅ、図１Ｆに示した工程により第４層間絶縁膜１５に配線溝１５ａを形成する。
次に、図４Ａに示すように、第４層間絶縁膜１５の配線溝１５ａから露出する第１の接続ブロック１３Ａの側面に触媒金属微粒子１７ａ又は触媒薄膜（不図示）を形成して触媒領域１７とする。触媒金属微粒子１７ａ又は触媒薄膜（不図示）を形成するための金属微粒子は、第１実施形態と同様に、基板面に対して斜めから照射される。
続いて、図４Ｂに示すように、第２の接続ブロック１３ｂのうち配線溝１５ａから露出している側面を炭素吸収領域兼成長阻止体担持面として使用し、その面上に厚さ１ｎｍのＭｏ膜１８ｃと、厚さ１０ｎｍのＮｉ膜１８ｄを連続して順に形成する。
Ｍｏ膜１８ｃは炭素吸収媒介用の金属薄膜であり、Ｎｉ膜１８ｄは、炭素吸収金属薄膜である。
Ｍｏ膜１８ｃとＮｉ膜１８ｄの形成方法として、例えば、第１実施形態の炭素吸収媒介用の金属微粒子又は薄膜１８ａと炭素吸収金属微粒子又は薄膜１８ｂの形成方法と同様に、金属パーティルをシリコン基板１の主面に対して斜め方向に直進させる方法を採用する。
次に、図４Ｃに示すように、第４層間絶縁膜１５の配線溝１５ａのうち第１の接続ブロック１３ａの触媒領域１７からカーボンナノチューブ１９の束を第１実施形態と同じ方法により成長する。
例えば、カーボンナノチューブ１９の成長方法として熱ＣＶＤ法を採用する場合には、例えば反応ガスとしてアセチレンとアルゴンの混合ガスを成長雰囲気である真空チャンバ内に導入する。アセチレンはアルゴンにより１０００倍程度に希釈して真空チャンバ内に導入される。この場合、真空チャンバ内の圧力を１ｋＰａに設定し、基板温度を例えば４００℃〜４５０℃に設定する。
このような条件によれば、カーボンナノチューブ１９は、ＴｉＮから構成される第１の接続ブロック１３ａの側面に接触している触媒金属微粒子１７ａから選択的にかつ垂直に成長する。これに対し、第２の接続ブロック１３ｂの側面において、Ｍｏ膜１８ｃ上のＮｉ膜１８ｄでは炭素元素円筒型構造体が成長しない。
また、第１の接続ブロック１３ａの側面から成長したカーボンナノチューブ１９は、最終的には第２の接続ブロック１３ｂ上のＮｉ膜１８ｄに到達し、そこでＮｉ膜１８ｄは炭素を取り込める状態にあるので、カーボンナノチューブ１９はＮｉ膜１８ｄと接触した際に電気的且つ機械的に接合した状態となる。
この後に、図４Ｄに示すように、第４層間絶縁膜１５の上面上の触媒金属微粒子１７ａ又は触媒薄膜（不図示）とＭｏ膜１８ｃ、Ｎｉ膜１８ｄをＣＭＰによって除去するとともに、第４層間絶縁膜１５の上面をＣＭＰにより研磨して接続ブロック１３ａ、１３ｂの上面を露出させて平坦化する。
以上のように本実施形態によれば、間隔をおいて配置される第１、第２の接続ブロック１３ａ，１３ｂの対向面のうち一方の面に炭素元素円筒型構造体成長用の触媒領域１７を形成し、他方の面に炭素元素円筒型構造体吸収領域兼成長阻止領域１８となるＭｏ膜１８ｃ、Ｎｉ膜１８ｄを形成している。
これにより、第１の接続ブロック１３ａの触媒領域１７から成長したカーボンナノチューブ１９の束は、Ｎｉ層１８ｄに到達した状態で第２の接続ブロック１３ｂに自己組成的に接合し、第１、第２の接続ブロック１３ａ、１３ｂの双方に繋ぎ目無く低コンタクト抵抗で電気的に接続することが可能になる。
ところで、第２の接続ブロック１３ｂの側面に形成したＭｏ膜１８ｃは、Ｎｉ膜１８ｄからのカーボンナノチューブ１９の成長を阻止するために用いられるが、それらは必ずしも二層構造となる必要はなく、他の層構成であってもよい。例えば、第２の接続ブロック１３ｂの側面にＦｅＭｏ層又はＣｏＭｏ層、その他の炭素吸収領域兼炭素成長阻止合金層であってもよい。
なお、第１実施形態と同様に、配線溝１５ａ内でカーボンナノチューブ１９の束の隙間に電気伝導性材料層２０を埋め込んで被覆してもよい。
（第３の実施の形態）
図５Ａ〜図５Ｈは、本発明の第３実施形態に係る電子デバイスの形成工程を示す断面図である。なお、
まず、図１Ａ、図１Ｂに示したと同様な工程により、シリコン基板１上に第１層間絶縁膜２、下地絶縁膜３、第２層間絶縁膜４、配線５、第３層間絶縁膜７、ビア１２を形成する。
図５Ａ〜図５Ｈは、本発明の第３実施形態に係る電子デバイスの形成工程を示す断面図である。なお、
まず、図１Ａ、図１Ｂに示したと同様な工程により、シリコン基板１上に第１層間絶縁膜２、下地絶縁膜３、第２層間絶縁膜４、配線５、第３層間絶縁膜７、ビア１２を形成する。
次に、図５Ａに示すように、第３層間絶縁膜７とビア１２の上にバリア膜３１としてルテニウム（Ｒｕ）膜をＣＶＤ法、又は、スパッタ法、蒸着法等の物理気相成長（ＰＶＤ）法により５ｎｍの厚さに形成する。続いて、バリア膜３１上に、接続ブロック膜３３としてＣｕ膜をスパッタ法或いは蒸着法により例えば１００ｎｍの厚さに形成する。
続いて、接続ブロック膜３３上にフォトレジストを塗布し、これを露光、現像することにより、ビア１２の上とその周辺の上の領域に間隔をおいて複数のレジストパターン１４ａ，１４ｂを形成する。
その後に、レジストパターン１４ａ、１４ｂをマスクにして接続ブロック膜３３、バリア膜３１をエッチング又はイオンミリングすることにより、互いに対向する面を持つ複数の接続ブロック３３ａ、３３ｂを形成する。
レジストパターン１４ａ，１４ｂを除去した後に、図５Ｂに示すように、第１、第２の接続ブロック３３ａ、３３ｂの表面と第３層間絶縁膜７の上面に、ＣＶＤ法によりＲｕ膜３４を例えば５ｎｍの厚さに形成する。次に、第１、第２の接続ブロック３３ａ、３３ｂ上のＲｕ膜３４をフォトレジスト（不図示）により覆った状態で第３層間絶縁膜７の上面上のＲｕ膜３４をエッチングにより除去する。
Ｒｕ膜３４は、第１、第２の接続ブロック膜３３ａ，３３ｂの上面及び側面全体を多い、それ以外の領域から除去される。
次に、図５Ｃに示すように、第１実施形態と同様な方法によって、第３層間絶縁膜７及びＲｕ膜３４の上に、酸化シリコン又は低誘電率材よりなる第４層間絶縁膜１５を例えば２００ｎｍの厚さに形成する。
次に、図５Ｄに示すように、第１実施形態と同様な方法により、第４層間絶縁膜１５をパターニングすることにより、隣り合う第１、第２の接続ブロック３３ａ，３３ｂの間において第３層間絶縁膜７に達する深さの配線溝１５ａを形成する。これにより、配線溝１５ａ内で第１、第２の接続ブロック３３ａ，３３ｂが相互に対向する面が露出する。
次に、図５Ｅに示すように、第１の接続ブロック３３ａのうち配線溝１５ａ内で露出している側面上のＲｕ膜３４を触媒担持体面として使用し、その面上に４ｎｍ程度の粒径の触媒金属微粒子１７ａ又は厚さ１ｎｍ程度の触媒薄膜（不図示）からなる触媒領域１７を選択的に形成する。触媒金属微粒子１７ａ又は触媒薄膜の形成方法としては第１実施形態と同様な方法を採用する。
触媒微粒子又は触媒薄膜の材料としてはコバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、プラチナ（Ｐｔ）及びそれらを含む二元形金属や合金を用いてもよい。
次に、図５Ｆに示すように、第２の接続ブロック３３ｂのうち配線溝１５ａから露出している側面を炭素吸収体担持面として使用し、その面上に２〜３ｎｍ程度の炭素吸収媒介用の金属微粒子又は薄膜１８ａを形成し、さらに炭素吸収金属微粒子又は薄膜１８ｂを形成する。炭素吸収媒介用の金属微粒子又は薄膜１８ａと炭素吸収金属微粒子又は薄膜１８ｂにより炭素元素円筒型構造体吸収領域兼成長阻止領域１８が構成される。
炭素吸収媒介用の金属微粒子又は薄膜１８ａの形成方法として、第１実施形態と同様な方法を採用し、それらの構成材料も、第１実施形態と同様に、炭素を吸収する性質があるとともに、炭素円筒型構造体であるカーボンナノチューブの成長を阻止する性質もある金属を採用する。
次に、図５Ｇに示すように、第４層間絶縁膜１５の配線溝１５ａのうち第１の接続ブロック３３ａの触媒領域１７からカーボンナノチューブ１９の束をＣＶＤ法により成長する。ＣＶＤ法として、例えば、熱ＣＶＤ法、熱フィラメントＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法がある。熱ＣＶＤ法を採用する場合には、第１実施形態で示したと同様な条件を採用する。
第１の接続ブロック３３ａの表面のＲｕ膜３４は、触媒領域に形成された触媒金属微粒子又は触媒薄膜のカーボンナノチューブ１９の成長促進作用があり、カーボンナノチューブ１９の成長は促進される。
これにより、配線溝１５ａ内において、第１の接続ブロック３３ａ側面の触媒領域からこれに対向する第２の接続ブロック３３ｂの側面に向けてカーボンナノチューブ１９が成長し、ついには、第２の接続ブロック３３ｂの炭素元素円筒型構造体吸収領域兼成長阻止領域１８に到達する。
炭素元素円筒型構造体吸収領域兼成長阻止領域１８ではＣｏ等の炭素吸収金属微粒子又は薄膜１８ｂにより炭素を吸収する状態にあり、カーボンナノチューブ１９は炭素吸収面のＣｏ微粒子に接触した際に接合状態を作り、これによりカーボンナノチューブ１９は第２の接続ブロック３３ｂに電気及び機械的に接合する。
次に、図５Ｈに示すように、第４層間絶縁膜１５の上面上の触媒金属微粒子１７ａ又は触媒薄膜（不図示）と、炭素吸収媒介用の金属微粒子又は薄膜１８ａ、炭素吸収金属微粒子又は薄膜１８ｂとをＣＭＰによって除去するとともに、第４層間絶縁膜１５の上面を研磨して接続ブロック１３ａ、１３ｂの上面を露出させて平坦化する。
なお、第２の接続ブロック３３ｂの表面には、第２実施形態と同様に、Ｍｏ層とＮｉ層を順に形成してもよい。
以上のように本実施形態によれば、第１、第２の接続ブロック３３ａ，３３ｂを銅膜から構成し、その表面をＲｕ膜３４で覆ったので、銅の拡散が防止されるだけでなく、第１の接続ブロック３３ａからのカーボンナノチューブ１９の成長が促進される。
なお、接続ブロック膜３３としてＣｕ膜を形成したが、タングステン、アルミニウムから構成しても良く、この場合にも表面に導電性バリア層で被覆してもよい。また、第１実施形態と同様に、配線溝１５ａ内でカーボンナノチューブ１９の束の隙間に電気伝導性材料層２０を埋め込んで被覆してもよい。
ところで、上記の第１〜第３実施形態において、２つの接続ブロック１３ａ、１３ｂ（３３ａ、３３ｂ）を例に挙げて説明したが、３つ以上の接続ブロックを第３層間絶縁膜上に形成することにより、互いの接続ブロック間を上記の方法によりカーボンナノチューブからなる配線により接続しても良い。
また、上記した第１〜第３の実施形態に係る接続ブロックの形成位置は、ビアの上に限られるものではない。例えば、図６に示すように、絶縁膜３５上に２つの接続ブロック３６ａ、３６ｂを形成し、それらの対向面の一方に例えばＣｏからなる金属微粒子又は薄膜３７を形成するとともに、対向面の他方にＣｏのような第１の金属微粒子とＭｏのような第２の金属微粒子の混合物又は合金、又は、例えばＭｏとＣｏのような金属の二層構造、又は例えばＭｏＣｏのような合金からなる炭素吸収合金膜のいずれかからなる炭素吸収領域３８を形成する。これにより、金属微粒子又は金属薄膜３７から炭素吸収領域３８に向けてカーボンナノチューブからなる配線３９を形成すると、２つの導電性の接続ブロック３６ａ、３６ｂは互いに高電流密度で電流を流すことが可能な配線３９により電気的に接続されることになる。なお、カーボンナノチューブ３９は一本でもよいし複数の束でもよい。
接続ブロック３６ａ，３６ｂは、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｗ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｓｉ（シリコン）、Ｃ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕのいずれかから構成されている。また、その表面は異種金属、例えばＴａ、ＴａＮ、Ｒｕ、Ｏｓ（オスミウム）又はＲｄ（ラジウム）のいずれかにより被覆されてもよい。
以下に、本発明に係る実施形態の特徴を付記する。
（付記１）側面に第１の面を有する導電性の第１の接続ブロックと、前記第１の面に対向する第２の面を有する第２の接続ブロックと、前記第１の面上に形成される触媒金属微粒子、触媒薄膜のいずれかを有する触媒領域と、前記第２の面上に形成される炭素吸収金属を有する炭素吸収領域と、前記触媒領域から前記炭素吸収領域に伸びて前記第１の接続ブロックと前記第２の接続ブロックを電気的に接続する炭素元素円筒型構造体とを有することを特徴とする電子デバイス。
（付記２）前記炭素吸収金属は、炭素を吸収する第１金属と、前記第１金属に対して炭素吸収を媒介する第２金属からなることを特徴とする付記１に記載の電子デバイス。
（付記３）前記第１金属と前記第２金属はともに微粒子を構成することを特徴とする付記２に記載の電子デバイス。
（付記４）前記第２金属は前記第１金属を担持する担持用膜として形成され、前記第１金属は前記担持用膜の上に微粒子で形成されていることを特徴とする付記２又は付記３に記載の電子デバイス。
（付記５）前記第２金属は前記第１金属の担持用膜として形成され、前記第１金属は前記担持用膜の上に炭素吸収膜として形成されていることを特徴とする付記２又は付記３に記載の電子デバイス。
（付記６）絶縁膜の上に導電材料よりなる第１の接続ブロックと第２の接続ブロックを互いに間隔をおいて形成する工程と、前記第１の接続ブロックのうち前記第２の接続ブロックに対向する第１の面に触媒金属微粒子又は触媒薄膜からなる触媒領域を形成する工程と、 前記第２の接続ブロックのうち前記第１の接続ブロックに対向する第２の面に炭素元素円筒型構造体の成長を阻止する炭素吸収金属からなる触媒領域を形成する工程と、前記触媒領域から前記炭素元素円筒型構造体を成長して前記第２の面に到達する工程とを有することを特徴とする電子デバイスの製造方法。
（付記７）前記触媒金属微粒子又は前記触媒薄膜は、前記絶縁膜に対して斜め方向から金属を直進させて前記第１の面に向けて堆積されることを特徴とする付記６に記載の電子デバイスの製造方法。
（付記８）前記炭素吸収金属は、前記絶縁膜に対して斜め方向から金属を直進させて前記第２の面に向けて堆積されることを特徴とする付記６又は付記７に記載の電子デバイスの製造方法。
（付記９）前記炭素吸収金属の一部は、前記触媒金属微粒子又は前記触媒薄膜を構成する共通の金属であって、前記共通の金属は前記第１の面と前記第２の面に同時に形成されることを特徴とする付記６乃至付記８のいずれかに記載の電子デバイスの製造方法。
（付記１０）前記炭素吸収金属の形成工程は、炭素吸収媒介用金属元素の微粒子又は薄膜のいずれかを形成した後に、炭素吸収金属の微粒子又は薄膜のいずれかを形成する工程を有することを特徴とする付記６乃至付記８のいずれかに記載の電子デバイスの製造方法。
（付記１１）前記炭素吸収媒介用金属元素の微粒子又は薄膜は、モリブデン、タンタル、アルミニウム、銅のいずれかからなり、前記炭素吸収金属の微粒子又は薄膜は、コバルト、鉄、ニッケル、パラジウム、プラチナ及びそれらを含む合金のいずれかであることを特徴とする付記１０に記載の電子デバイスの製造方法。
（付記１２）前記炭素吸収金属は、炭素元素円筒型構造体を成長しない材料から構成されることを特徴とする付記６乃至付記１１のいずれかに記載の電子デバイスの製造方法。
（付記１３）前記第１、第２の接続ブロックを形成した後に、異なる金属からなる被覆層を前記第１、第２の接続ブロックの表面に形成する工程を有することを特徴とする付記６乃至付記１２のいずれかに記載の電子デバイスの製造方法。
（付記１４）前記第１の面と前記第２の面を露出する溝を有する上側絶縁膜により前記第１、第２の接続部ブロックの一部を覆う工程と、前記炭素元素円筒型構造体を形成した後に、前記上側絶縁膜の上面を研磨する工程とを有することを特徴とする付記６乃至付記１３のいずれかに記載の電子デバイスの製造方法。
（付記１）側面に第１の面を有する導電性の第１の接続ブロックと、前記第１の面に対向する第２の面を有する第２の接続ブロックと、前記第１の面上に形成される触媒金属微粒子、触媒薄膜のいずれかを有する触媒領域と、前記第２の面上に形成される炭素吸収金属を有する炭素吸収領域と、前記触媒領域から前記炭素吸収領域に伸びて前記第１の接続ブロックと前記第２の接続ブロックを電気的に接続する炭素元素円筒型構造体とを有することを特徴とする電子デバイス。
（付記２）前記炭素吸収金属は、炭素を吸収する第１金属と、前記第１金属に対して炭素吸収を媒介する第２金属からなることを特徴とする付記１に記載の電子デバイス。
（付記３）前記第１金属と前記第２金属はともに微粒子を構成することを特徴とする付記２に記載の電子デバイス。
（付記４）前記第２金属は前記第１金属を担持する担持用膜として形成され、前記第１金属は前記担持用膜の上に微粒子で形成されていることを特徴とする付記２又は付記３に記載の電子デバイス。
（付記５）前記第２金属は前記第１金属の担持用膜として形成され、前記第１金属は前記担持用膜の上に炭素吸収膜として形成されていることを特徴とする付記２又は付記３に記載の電子デバイス。
（付記６）絶縁膜の上に導電材料よりなる第１の接続ブロックと第２の接続ブロックを互いに間隔をおいて形成する工程と、前記第１の接続ブロックのうち前記第２の接続ブロックに対向する第１の面に触媒金属微粒子又は触媒薄膜からなる触媒領域を形成する工程と、 前記第２の接続ブロックのうち前記第１の接続ブロックに対向する第２の面に炭素元素円筒型構造体の成長を阻止する炭素吸収金属からなる触媒領域を形成する工程と、前記触媒領域から前記炭素元素円筒型構造体を成長して前記第２の面に到達する工程とを有することを特徴とする電子デバイスの製造方法。
（付記７）前記触媒金属微粒子又は前記触媒薄膜は、前記絶縁膜に対して斜め方向から金属を直進させて前記第１の面に向けて堆積されることを特徴とする付記６に記載の電子デバイスの製造方法。
（付記８）前記炭素吸収金属は、前記絶縁膜に対して斜め方向から金属を直進させて前記第２の面に向けて堆積されることを特徴とする付記６又は付記７に記載の電子デバイスの製造方法。
（付記９）前記炭素吸収金属の一部は、前記触媒金属微粒子又は前記触媒薄膜を構成する共通の金属であって、前記共通の金属は前記第１の面と前記第２の面に同時に形成されることを特徴とする付記６乃至付記８のいずれかに記載の電子デバイスの製造方法。
（付記１０）前記炭素吸収金属の形成工程は、炭素吸収媒介用金属元素の微粒子又は薄膜のいずれかを形成した後に、炭素吸収金属の微粒子又は薄膜のいずれかを形成する工程を有することを特徴とする付記６乃至付記８のいずれかに記載の電子デバイスの製造方法。
（付記１１）前記炭素吸収媒介用金属元素の微粒子又は薄膜は、モリブデン、タンタル、アルミニウム、銅のいずれかからなり、前記炭素吸収金属の微粒子又は薄膜は、コバルト、鉄、ニッケル、パラジウム、プラチナ及びそれらを含む合金のいずれかであることを特徴とする付記１０に記載の電子デバイスの製造方法。
（付記１２）前記炭素吸収金属は、炭素元素円筒型構造体を成長しない材料から構成されることを特徴とする付記６乃至付記１１のいずれかに記載の電子デバイスの製造方法。
（付記１３）前記第１、第２の接続ブロックを形成した後に、異なる金属からなる被覆層を前記第１、第２の接続ブロックの表面に形成する工程を有することを特徴とする付記６乃至付記１２のいずれかに記載の電子デバイスの製造方法。
（付記１４）前記第１の面と前記第２の面を露出する溝を有する上側絶縁膜により前記第１、第２の接続部ブロックの一部を覆う工程と、前記炭素元素円筒型構造体を形成した後に、前記上側絶縁膜の上面を研磨する工程とを有することを特徴とする付記６乃至付記１３のいずれかに記載の電子デバイスの製造方法。
１３ａ、１３ｂ 接続ブロック
１７ａ 触媒金属微粒子
１７ 触媒領域
１８ａ 炭素吸収媒介用の金属微粒子又は薄膜
１８ｂ 炭素吸収金属微粒子又は薄膜
１８ｃ Ｍｏ膜
１８ｄ Ｎｉ膜
１８ 炭素元素円筒型構造体吸収領域兼成長阻止領域
１９ カーボンナノチューブ（炭素元素円筒型構造体）
２０ 電気伝導性材料層
１７ａ 触媒金属微粒子
１７ 触媒領域
１８ａ 炭素吸収媒介用の金属微粒子又は薄膜
１８ｂ 炭素吸収金属微粒子又は薄膜
１８ｃ Ｍｏ膜
１８ｄ Ｎｉ膜
１８ 炭素元素円筒型構造体吸収領域兼成長阻止領域
１９ カーボンナノチューブ（炭素元素円筒型構造体）
２０ 電気伝導性材料層
Claims (4)
- 側面に第１の面を有する導電性の第１の接続ブロックと、
前記第１の面に対向する第２の面を有する第２の接続ブロックと、
前記第１の面上に形成される触媒金属微粒子、触媒薄膜のいずれかを有する触媒領域と、
前記第２の面上に形成される炭素吸収金属を有する炭素吸収領域と、
前記触媒領域から前記炭素吸収領域に伸びて前記第１の接続ブロックと前記第２の接続ブロックを電気的に接続する炭素元素円筒型構造体と
を有することを特徴とする電子デバイス。 - 絶縁膜の上に導電材料よりなる第１の接続ブロックと第２の接続ブロックを互いに間隔をおいて形成する工程と、
前記第１の接続ブロックのうち前記第２の接続ブロックに対向する第１の面に触媒金属微粒子又は触媒薄膜からなる触媒領域を形成する工程と、
前記第２の接続ブロックのうち前記第１の接続ブロックに対向する第２の面に炭素元素円筒型構造体の成長を阻止する炭素吸収金属からなる触媒領域を形成する工程と、
前記触媒領域から炭素元素円筒型構造体を成長して前記第２の面に到達する工程と
を有することを特徴とする電子デバイスの製造方法。 - 前記触媒金属微粒子又は前記触媒薄膜は、前記絶縁膜に対して斜め方向から金属を直進させて前記第１の面に向けて堆積されることを特徴とする請求項２に記載の電子デバイスの製造方法。
- 前記炭素吸収金属は、前記絶縁膜に対して斜め方向から金属を直進させて前記第２の面に向けて堆積されることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の電子デバイスの製造方法。
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