JP2009164341A - 集積回路の配線形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体集積回路等の微細な集積回路の修正等を行う際、配線を低抵抗で形成することができる集積回路の配線形成方法を提供する。
【解決手段】 集積回路２上の配線を必要とする部分２ｃｘを集束イオンビーム１０ａにより掘出す工程と、掘出し工程によって掘出された部分に対し、銀４０をコートした走査トンネル顕微鏡探針２１に電圧パルスを印加して該探針から銀原子を移動させる走査トンネル顕微鏡法により、銀配線４ｃを形成する工程とを有する集積回路の配線形成方法であって、配線を必要とする部分の線幅が１μｍ以下である場合は走査トンネル顕微鏡法を用い、線幅が１μｍを超える場合は、集積回路上の配線を必要とする部分に対し、非サーマル方式のインクジェット装置から銀粒子を含むインクを噴射した後に、レーザー又は加熱した走査プローブ顕微鏡の探針でインクを乾燥させるインクジェット法により銀配線を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体集積回路等の微細な集積回路の配線形成方法に関する。

微細化が進む半導体集積回路においては、近年、配線遅延を低減するためにアルミニウム(Al)配線から抵抗の低い銅(Cu)配線へ置き換えられ、層間絶縁膜もSiO₂からLow-K膜（低誘電率材料）に置き換えられている。又、配線の抵抗をさらに低減するため、カーボンナノチューブ配線や銀(Ag)配線への関心が高まっている。

ところで、従来から、半導体集積回路を集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いて修正することが行われてきた。これにより、集積回路の生産に必要なマスクの改版を行う前に、集積回路を簡単に修正して動作確認することができる。

ＦＩＢによる回路修正法としては、修正対象となる配線をＦＩＢのエッチング機能によって掘り出し又は切断した後、ＦＩＢによる誘起化学気相成長によって適当な原料ガスを供給して配線をデポジションさせ、さらに必要に応じてＦＩＢによる誘起化学気相成長により、配線上に絶縁膜をデポジションさせて埋め直しを行うことが提案されている（特許文献１、２参照）。

集束イオンビーム誘起化学気相成長によって形成できる膜（配線）の種類としては、タングステン(W)含有膜や白金(Pt)含有膜が用いられている。しかし、WやPt配線はCuより抵抗が高いため、低抵抗の配線を形成することが求められている。

そこで、集束イオンビーム誘起化学気相成長において、Cuを原料ガスに用いることが提案されている（非特許文献１参照）。又、Cuを原料に用いたＣＶＤ法（化学気相成長法）によりCu膜を形成することが提案されている（非特許文献２参照）。
特開平07-211716号公報 特開2005-166726号公報 T. J. Gannon, G. Gu, J. D. Casey, C. Huynh, N. Bassom, and N. Antoniou, J. Vac. Sci.Tecnol., B22 3000-3003 (2004) Y. Ochiai, G. Gu, J. Fujita, S. Matsui, J. Vac. Sci. Tecnol., B14 3887-3891 (1996)

しかしながら、非特許文献１記載の技術の場合、形成された被膜中のCu含有率は40〜51質量%程度であり、非特許文献１記載の技術の場合、被膜中のCu含有率は8〜11質量%程度である。そのため、これらの技術を用いても低抵抗な配線を形成することは困難である。

すなわち、本発明は、半導体集積回路等の微細な集積回路の修正等を行う際、配線を低抵抗で形成することができる集積回路の配線形成方法の提供を目的とする。

本発明者らは、ＦＩＢによる誘起化学気相成長を用いずに、他の方法でAgを成膜することで、低抵抗な配線を集積回路に形成できることを見出した。

本発明の集積回路の配線形成方法は、集積回路上の配線を必要とする部分を集束イオンビームにより掘出す工程と、前記掘出し工程によって掘出された部分に対し、銀をコートした走査トンネル顕微鏡の探針に電圧パルスを印加して該探針から銀原子を移動させる走査トンネル顕微鏡法により、銀配線を形成する工程とを有する。

このような構成とすると、集積回路の配線が必要な部分に、純度の高いAgを配線することができるので、配線抵抗が低く、配線遅延の少ない回路を形成することができる。

又、本発明の集積回路の配線形成方法は、集積回路上の配線を必要とする部分に対し、非サーマル方式のインクジェット装置から銀粒子を含むインクを噴射した後に、レーザー又は加熱した走査プローブ顕微鏡の探針で前記インクを乾燥させるインクジェット法により、銀配線を形成する工程を有する。

このような構成とすると、純度の高いAgを比較的大面積に、かつ短時間で配線することができる。

前記配線を必要とする部分の線幅が１μｍ以下である場合は前記走査トンネル顕微鏡法を用い、前記線幅が１μｍを超える場合は、前記集積回路上の配線を必要とする部分に対し、非サーマル方式のインクジェット装置から銀粒子を含むインクを噴射した後に、レーザー又は加熱した走査プローブ顕微鏡の探針で前記インクを乾燥させるインクジェット法により銀配線を形成することが好ましい。

このような構成とすると、配線の線幅や面積が小さい場合にも対応でき、又、配線の線幅や面積の大きい場合も短時間で純度の高い低抵抗の銀配線を形成することができる。

前記銀配線の表面に、真空内で集束イオンビーム誘起化学気相成長で絶縁性の保護膜を形成する工程をさらに有することが好ましい。

このような構成とすると、形成した銀配線を真空中から大気下に取出した場合、銀が酸化して配線抵抗が上昇することを防止できる。

前記銀配線を形成する前に、前記銀配線を形成する部分の下地に、集束イオンビーム誘起化学気相成長により銀原子拡散防止層を形成する工程をさらに有することが好ましい。

Agは拡散しやすいため、銀配線からAgが集積回路に拡散し、デバイス特性の劣化をもたらすおそれがあるが、銀原子拡散防止層を形成することでこのような不具合を回避できる。

この発明によれば、半導体集積回路等の微細な集積回路の修正等を行う際、配線を低抵抗で形成することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る集積回路の配線形成方法を示す工程図である。集積回路２は、デバイス層２ａの表面に微細な回路配線２ｃが形成され、デバイス層２ａ及び回路配線２ｃ上を配線保護膜２ｂが覆っている。この実施形態では、回路配線２ｃは予め回路パターンに応じて集積回路製造工程で形成されたものである。ここで、集積回路２の回路配線２ｃの一部に断線２ｃｘが生じ、この断線に配線を形成して回路を修正する場合を考える。

まず、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）と集束イオンビーム（ＦＩＢ）装置を複合した真空装置に集積回路２を配置し、テスターによる診断で回路修正が必要な部分（断線２ｃｘ）を見つける。次に、ＦＩＢ装置１０から断線２ｃｘにＦＩＢ１０ａを照射し、配線を必要とする部分を配線保護膜２ｂから掘り出す（図１（ａ））。

次に、ＳＴＭ２０の探針２１の先端を断線２ｃｘ近傍に移動する。探針２１はタングステン製であり、その表面にはAg被覆層４０が形成され、探針２１とデバイス層２ａとはパルス電源２２で電気的に接続されている。そして、パルス電源２２により探針２１とデバイス層２ａの間にパルス電圧を印加し、探針２１表面のAg被覆層４０からAg原子４をデバイス層２ａ側の断線２ｃｘに移動、堆積させて銀配線４ｃを形成する（図１（ｂ））。なお、Ag原子４が堆積される毎に、探針２１を上方に移動させながら、所望の厚さになるまでAgの堆積を繰り返していく。

このように、集積回路の配線が必要な部分に、純度の高いAgを配線することができるので、配線抵抗が低く、配線遅延の少ない回路を形成することができる。

真空下でＳＴＭを用い、Agを被覆した探針に電圧パルスをかけることで探針直下のSi表面にAg原子を移動させる技術は既に報告されている(藤田大介、鷺坂恵介、大西桂子、大木泰造、真空 49 653-658(2006))。本発明の第１の実施形態に係る集積回路の配線形成方法は、この技術を集積回路の修正等で配線が新たに必要になった部分に適用し、走査トンネル顕微鏡と集束イオンビーム装置を複合した真空装置を用いることで、純度の高いAgを配線するものである。

なお、本発明の第１の実施形態に係る集積回路の配線形成方法は、微細加工によく用いられるＳＴＭを利用しているため、配線の幅や面積が大きい場合には適さない。一方、後述する第１の実施形態に係る集積回路の配線形成方法は、インクジェット法であり、最小線幅はサブミクロン程度であるので、第１の実施形態と第２の実施形態を線幅で使い分け、インクジェット法で適用が困難である配線の線幅１μｍ以下である場合に本発明の第１の実施形態を適用することが好ましい。
＜第２の実施形態＞
上記したように、配線の幅や面積が大きくなると第１の実施形態を適用することが難しくなる。そこで、配線の幅や面積が大きい場合には本発明の第２の実施形態に係る集積回路の配線形成方法を適用する。

図２は、本発明の第２の実施形態に係る集積回路の配線形成方法を示す工程図である。まず、静電型のインクジェット装置５０と、集束イオンビーム（ＦＩＢ）装置と、走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）７０とを複合した真空装置に集積回路２を配置し、配線が必要な部分２ｃｙに、第１の実施形態の場合と同様にＦＩＢ装置（図示せず）からＦＩＢを照射し、断線２ｃｘを配線保護膜２ｂから掘り出す。

静電型のインクジェット装置５０は、インクジェットノズル５１と、インクジェットノズル５１内に収容されるニードルと、インクジェットノズル５１内の空間に収容されるインク４１と、インクジェットノズル５１内の上部空間を閉塞する導電性振動板５２と、導電性振動板５２とデバイス層２ａとに電気的に接続されるパルス電源２２とを有する。パルス電源２２に電圧を印加すると導電性振動板５２が静電気力で撓み、インクジェットノズル５１内の空間を狭めてインク４１をニードルの間のノズルから吐出させる。このようにして、断線２ｃｘに対し、インクジェットノズル５１から銀粒子を含むインク４１を噴射する（図２（ａ））。

銀粒子を含むインク４１は、例えば、公知の金属コロイド含有インクジェット用インクを用いることができる。金属コロイド含有インクジェット用インクは、例えば特開2004-059805号公報、特開2005-247905号公報に記載したものを用いることができる。

金属コロイドは数ｎｍ〜数１００ｎｍの粒径を持ち、この金属コロイドを水、水と水溶性有機溶媒との混合溶媒、水溶性有機溶媒、有機溶媒などと分散させ、さらに必要に応じてｐＨ調整剤、表面張力調整剤（界面活性剤）等の添加剤を含有させてインクが得られる。

水溶性有機溶媒としては、アルコール、ケトン、グリコールエーテル等を例示できる。

有機溶媒としては、トルエン、キシレン、ヘキサン、テトラデカンなどの疎水性溶媒を例示できる。

次に、インク４１噴射部分に、レーザー光６０ａを照射し、インク中の溶媒を蒸発又は焼成させるとインクが乾燥して銀粒子が残り、銀配線４ｃ２を形成することができる（図２（ｂ））。

レーザー光６０ａの代わりに、ＳＰＭ７０の探針７０ａを加熱してインク４１噴射部分に接触させることによりインクを乾燥させてもよい。探針７０ａの加熱は例えば探針７０ａの抵抗体を通電加熱して行うことができる。

このようにして、純度の高いAgを比較的大面積に、かつ短時間で配線することができる。

なお、液体に可溶化したカーボンナノチューブ(CNT)を静電型インクジェットノズルからサブミクロンの大きさで塗布する方法は既に知られている(重松悟史、石田雄二、中嶋直敏、浅野種正、第68回応用物理学会学術講演会予稿集 6p-W-11 p.766(2007))。本発明の第２の実施形態は、銀粒子を含むインクに利用し、面積の大きい銀配線を形成する。

なお、第２の実施形態において、非サーマル方式のインクジェット装置であれば静電型のインクジェット装置に限定されず、例えば、ピエゾ方式，バブルジェット方式等を適用してもよい。

ところで、上記したように、本発明の第２の実施形態に係る集積回路の配線形成方法は、配線の幅や面積が比較的大きい場合に適用することができ、線幅がサブミクロンレベルになるとインクジェットにより配線することは難しい。そこで、配線の線幅が１μｍ以下である場合は第１の実施形態に係る集積回路の配線形成方法を適用し、配線の線幅が１μｍを超える場合は第２の実施形態に係る集積回路の配線形成方法を適用することにより、配線の線幅や面積が小さい場合にも対応でき、又、配線の線幅や面積の大きい場合も短時間で純度の高い低抵抗の銀配線を形成することができる。

この場合、上記したＳＴＭ２０と、ＦＩＢ１０と、インクジェット装置５０と、レーザ装置又はＳＰＭ７０とを複合した真空装置を用いると、１つの真空装置であらゆる配線の線幅や面積に対応して銀配線を形成することができる。
＜保護膜＞
ところで、上記のようにして形成した銀配線を真空中から大気下に取出した場合、銀が酸化して配線抵抗が上昇する場合がある。そこで、大気下に取出す前に、真空中で銀配線の表面に絶縁性の保護膜を被覆することが好ましい。絶縁性の保護膜は、集束イオンビーム誘起化学気相成長で形成する。

図３は、絶縁性の保護膜の形成方法を示す工程図である。まず、真空内でガス源１１０から保護膜の原料ガスを供給しながら銀配線４ｃの周辺にＦＩＢ１０ｂを照射する（図３（ａ））。ここで、原料ガスとしてはテトラエトキシシラン(TEOS)を例示することができる。

このようにして、ＦＩＢ１０ｂの照射部分に絶縁性の保護膜１１を堆積し、銀配線４ｃを配線するため最初に掘り出した部分を埋め戻す（図３（ｂ））。

なお、ＦＩＢ１０ｂのイオン源として液体金属ガリウムを用いると、注入されたGaが集積回路（デバイス）の特性を劣化させる恐れがある。従って、デバイスの特性を劣化させないイオン源として、金-シリコン(Au-Si)液体金属イオン源から引き出されたイオンビームをEXBマスフィルター等で質量分離してSiイオンだけを取り出したものをイオン光学系で集束したSiイオンビームや、ICP(Inductivity Coupled Plasma)イオン源、GFIS(Gas Field Ion Source)から引き出された希ガス集束イオンビームを使用することが好ましい。

希ガス集束イオンビームは、キセノン(Xe)、クリプトン(Kr)、若しくはアルゴン(Ar)を導入したICPイオン源、又はヘリウム(He)若しくはネオン(Ne)を導入したGFISから引き出されたイオンをイオン光学系で集束することで得られる。
＜銀原子拡散防止層＞
又、Agは拡散しやすいため、銀配線からAgがデバイス層２ａに拡散し、デバイス特性の劣化をもたらすおそれがある。そこで、銀配線を形成する前に、銀配線を形成する部分の下地に、集束イオンビーム誘起化学気相成長により銀原子拡散防止層を形成することが好ましい。

図４は、銀原子拡散防止層の形成方法を示す工程図である。まず、真空内でガス源１１１から銀原子拡散防止層の原料ガスを供給しながら、銀配線を形成する部分となる下地４ｘにＦＩＢ１０ｃを照射する（図４（ａ））。ここで、原料ガスとしてはテトラカルボニルニッケル(Ni(CO)₄)を例示することができる。ＦＩＢ１０ｃとしては上記ＦＩＢ１０ｂの場合と同様な理由により、Siイオンビームや、ICPイオン源、又はGFISから引き出された希ガス集束イオンビームを使用することが好ましい。

又、この実施形態では、下地４ｘは、配線保護膜２ｂをデバイス層２ａまで掘り出して露出したデバイス層２ａ表面と、この露出したデバイス層２ａ表面から立ち上がる配線保護膜２ｂの側壁からなる。

このようにして、下地４ｘ部分に銀原子拡散防止層１２を堆積し、さらに、第１の実施形態（又は第２の実施形態）と同様にして、ＳＴＭ２０を用いてAg原子４を銀原子拡散防止層１２上に移動させる（図４（ｂ））。銀原子拡散防止層１２に移動したAg原子４は堆積して銀配線４ｃが形成される（図４（ｃ））。

銀配線４ｃの表面に上記した保護膜を被覆してもよい。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。

本発明の第１の実施形態に係る集積回路の配線形成方法を示す工程図である。 本発明の第１の実施形態に係る集積回路の配線形成方法を示す工程図である。 絶縁性の保護膜の形成方法を示す工程図である。 銀原子拡散防止層の形成方法を示す工程図である。

符号の説明

２ 集積回路
２ａ デバイス層
２ｂ 配線保護膜
２ｃ 回路配線
２ｃｘ、２ｃｙ 配線を必要とする部分（断線）
４ 銀原子
４ｃ、４ｃ２ 銀配線
１０ａ 集束イオンビーム
２１ 走査トンネル顕微鏡の探針
４０ 銀の被覆層
４１ 銀粒子を含むインク
５０ 非サーマル方式の（圧電型）インクジェット装置
６０ａ レーザー光
７０ａ 加熱した走査プローブ顕微鏡の探針

Claims (5)

1. 集積回路上の配線を必要とする部分を集束イオンビームにより掘出す工程と、
   前記掘出し工程によって掘出された部分に対し、銀をコートした走査トンネル顕微鏡の探針に電圧パルスを印加して該探針から銀原子を移動させる走査トンネル顕微鏡法により、銀配線を形成する工程と
   を有する集積回路の配線形成方法。
2. 集積回路上の配線を必要とする部分に対し、非サーマル方式のインクジェット装置から銀粒子を含むインクを噴射した後に、レーザー又は加熱した走査プローブ顕微鏡の探針で前記インクを乾燥させるインクジェット法により、銀配線を形成する工程を有する集積回路の配線形成方法。
3. 前記配線を必要とする部分の線幅が１μｍ以下である場合は前記走査トンネル顕微鏡法を用い、前記線幅が１μｍを超える場合は、前記集積回路上の配線を必要とする部分に対し、非サーマル方式のインクジェット装置から銀粒子を含むインクを噴射した後に、レーザー又は加熱した走査プローブ顕微鏡の探針で前記インクを乾燥させるインクジェット法により銀配線を形成する請求項１記載の集積回路の配線形成方法。
4. 前記銀配線の表面に、真空内で集束イオンビーム誘起化学気相成長で絶縁性の保護膜を形成する工程をさらに有する請求項１〜３のいずれか記載の集積回路の配線形成方法。
5. 前記銀配線を形成する前に、前記銀配線を形成する部分の下地に、集束イオンビーム誘起化学気相成長により銀原子拡散防止層を形成する工程をさらに有する請求項１〜４のいずれか記載の集積回路の配線形成方法。