JP2010010661A - カーボンナノチューブベースの水平相互接続アーキテクチャ - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、少なくとも二つのボンディングパッド間に水平方向の電気接続を確立することを可能にする装置に関する。
【解決手段】本装置はボンディングパッドの垂直壁を接続する水平なカーボンナノチューブを備え、ボンディングパッドは少なくとも二つの物質を積層させることによって形成されていて、その一つはナノチューブ成長に触媒作用をもたらし、他の一つはナノチューブ成長に触媒作用をもたらす物質の層間のスペーサとして機能する。
【選択図】図２

Description

本発明は、カーボンナノチューブ（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ，ＣＮＴ）の水平方向の成長に基づいた水平相互接続装置に関する。
カーボンナノチューブは、特にビア又は相互接続線を形成することによって、相互接続を実現するための解決策としての可能性を有している。
相互接続線に関する限り、単層カーボンナノチューブ（ｓｉｎｇｌｅ‐ｗａｌｌｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ，ＳＷＣＮＴ）又は少数の層を有するナノチューブ（多層カーボンナノチューブ（ｍｕｌｔｉ‐ｗａｌｌｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ，ＭＷＣＮＴ））のストランドから成る極度に密な物質が、図１の略図に示されるボンディングパッド間の接続を確立することができる。
この種の製品を製造するための実現可能な技術的解決策の一つとして、カーボンナノチューブの触媒成長が挙げられる。実際、数ミリメートルの長さのナノチューブが既に製造されており（非特許文献１）、この長さは想定している応用にとって十分なものである。
しかしながら、このような製品の製造には未だ解決されていない技術的問題点が伴う：
‐ 構造体の側面上におけるナノチューブの局所的成長；
‐ １つのボンディングパッドから近接するパッドへナノチューブを誘導すること；
‐ 超高密度の電気的に接続されたＣＮＴを備えた接続部を生成すること。
最後の問題が特に問題となる。今までのところ、超高密度のナノチューブは、絶縁膜上にしか得られていない（非特許文献２）。
Ｚｈｏｎｇ外、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ（Ｌｅｔｔｅｒｓ）、２００７年、第１１１巻、第８号、ｐ．１９０７−１９１０ Ｚｈｏｎｇ外、Ｃａｒｂｏｎ、２００６年、第４４巻、ｐ．２００９−２０１４
従って、本発明の課題は、これらの問題点を解決し、また、特に、垂直壁上のナノチューブ成長を開始させるために触媒層を堆積させることの問題点を克服することを可能にする技術的解決策を提案することである。
本発明は、ボンディングパッド間の水平接続を得るために、カーボンナノチューブを用いることができる方法を初めて開示する。
従って、第一側面によると、本発明は、少なくとも二つのボンディングパッド間の水平電気接続を確立することを可能にする装置に関する。本装置は、ボンディングパッドの垂直壁を接続する水平なカーボンナノチューブに基づく。
特に以下で説明する製造方法に関連して、本発明による装置は、少なくとも二つの物質（その一つは、ナノチューブ成長に触媒作用をもたらし、他の一つは成長を促進する層間のスペーサとして機能する）の積層体によって形成されたボンディングパッドを含む。
この積層体又は多層構造は、有利には、二種類の物質の交互の層を備えて、カーボンナノチューブの水平方向の成長及び温度に対して安定なナノメートルスケールでの触媒の分配の両方を確実なものにする。
触媒多層構造は、一方向におけるナノメートルスケールのピッチを備えた構造を形成することに役立ち、温度に対して安定な金属層のフラグメント化を確実なものにする。この多層構造は堆積が容易であり、これによって、構造の垂直側面上に成長触媒を堆積させることの問題点が回避される。
この積層体の他の機能は、電気伝導を確実なものにすることである。従って、少なくとも一つの物質又は両方の物質は導電性である。
本発明の有利な特徴の一つによると、各積層体の触媒は、連続的な層の形状又はクラスターから成る層の形状であり得る。
複数の構成を想定することができる：
第一実施形態においては、導電性の触媒物質である。この物質は有利には金属であり、特に鉄（Ｆｅ）又は金属合金である。
この導電性の触媒物質に関しては、二つの選択肢が考えられる：
スペーサとして機能する物質は誘電体であり得る。この物質は有利には、アルミナ（酸化アルミニウム）、シリカ（酸化シリコン）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の酸化物である。
代わりに、スペーサとして機能する物質は導電性でもあり得る。この物質は有利には、シリコン（Ｓｉ）等の半導体、又は、ＩＴＯ（錫をドープした酸化インジウム）若しくは酸化ルテニウム（ＲｕＯ）等の導電性酸化物である。
これら全ての物質は、ナノチューブの成長にとって有利なものである。更に、ナノチューブのストランド間の電気的連続性が、埋め込み型の触媒層によって確実なものにされる。
他の実施形態によると、触媒物質は誘電体であり、有利には絶縁性の酸化鉄であり、スペーサとして機能する物質は導電性であり、有利には鉄（Ｆｅ）、パラジウム（Ｐｄ）、チタン（Ｔｉ）等の金属、又は、ＩＴＯ（錫をドープした酸化インジウム）又は酸化ルテニウム（ＲｕＯ）等の導電性酸化物である。
有利には、ボンディングパッドは菱形の断面を有する。この場合、チャネルの幅に関わりなく、或る一のナノチューブ密度を得ることが可能になる。実際、接続部の幅は、菱形の先端に対するチャネルの側面の位置のみに依存するものであって、ボンディングパッドのサイズには依存しない。このため、チャネルがエッチングされた際に、チャネルの端部の先端を適切な距離に配置することのみによって、標準的なボンディングパッドのアレイを形成して、或る一の接続部の厚さを得ることが可能になる。
また、ボンディングパッドの中心部が、有利には金属（銅等）製の導電性垂直フィードスルーを含むことが好ましい。
本発明の他の側面は、このようなカーボンナノチューブに基づいた水平相互接続装置を製造することを可能にする方法に関する。
本方法は、以下の本質的な段階を含む：
・ 基板上に上述の少なくとも二つの物質の積層体を堆積させる；
・ この積層体に基づいてボンディングパッドを画定する；
・ ボンディングパッドを誘電体マトリクス中に埋め込む；
・ ボンディングパッド間に相互接続線を画定するためにまたボンディングパッド間のナノチューブ成長を誘導させるために、誘電体マトリクス中にチャネルを形成する；
・ チャネル内にカーボンナノチューブを成長させて、ボンディングパッド間に水平接続部を形成する。
本発明による方法に含まれる本質的な段階は、図２（断面図）及び図３（上面図）に概略的に示されている。
触媒機能を果たし電気伝導を確実なものにするこの積層体は、実施される技術が水平な層を堆積させることしか含まないので、実施される技術を顕著に簡略化する。
ボンディングパッドは乾式又は湿式エッチングによって画定可能であるが、リソグラフィーによってボンディングパッドを形成するために、樹脂を予め積層体上に堆積させる必要がある。
接触金属の形成を容易にするため、樹脂を堆積させる前に、犠牲層を、積層体の下又はその上面に堆積させることができる。
ボンディングパッドが埋め込まれる絶縁（誘電体）マトリクスは有利には、低誘電率の物質、窒化物又は酸化物から成る。このマトリクスは例えばアルミナであり得る。
二点を接続するために絶縁体内にチャネルを開いて、接続部を成長させるために触媒多層構造を露出し、触媒多層構造が機能できる状態となる。その後、開かれた領域にナノチューブを成長させて、ナノチューブを誘導する。
好ましい実施形態の一つによると、ナノチューブ成長を抑制しまた電気接触を促進する接触物質層（例えばパラジウム）を、ナノチューブを成長させる前に、ボンディングパッドの垂直面の少なくとも一つの上に堆積させる。
有利には、そのような面は、成長面に対向するボンディングパッドの面である。従って、ナノチューブが成長すると、ナノチューブは対向する表面に接続して、成長パッドに対向するボンディングパッド上に自己接触を確立する。
結果として、最終的な構成において、接続されるべき二つのボンディングパッドの少なくとも一方が、カーボンナノチューブと接触する領域において、この物質で覆われる。
ナノチューブとボンディングパッドとの間の接触を改善するためのこの物質（有利には金属）の堆積は、図４及び図６に示されている。
ＣＮＴベースの水平相互接続原理を概略的に示す。 ＣＮＴベースの水平相互接続を形成することを可能にする本発明による方法に含まれる様々な段階の断面図を示す： Ａ．多層ボンディングパッド及び誘電体を備えた積層体； Ｂ．接続部を画定するために誘電体にチャネルを開ける； Ｃ．任意で、ナノチューブ及び構造体の接続を改善するために、一物質を堆積させる； Ｄ．ボンディングパッド間にナノチューブを成長させる。 ＣＮＴベースの水平相互接続を形成することを可能にする本発明による方法に含まれる様々な段階の上面図を示す： Ａ．長方形のアレイに配置され、誘電体内に埋め込まれたボンディングパッド； Ｂ．将来的な接続部の位置において誘電体にチャネルを開ける； Ｃ．任意で、接続を改善するために、一物質を堆積させる； Ｄ．ボンディングパッド間にナノチューブを成長させる。 ボンディングパッドの少なくとも一つの面を、ナノチューブ／ボンディングパッド接続を確実にする金属で覆う段階を含む本発明による方法に含まれる様々な段階の側面図を示す： Ａ．チャネルを画定するために、樹脂を堆積させる前の犠牲層を備えた積層体； Ｂ．チャネルを開くが、下方の犠牲層で停止； Ｃ．或る角度で接触金属を堆積させて、樹脂を除去した後にチャネルのボンディングパッドの一つのみを覆う； Ｄ．犠牲層を除去することによって接触金属層をリフトオフする； Ｅ．金属層上に自己接触ナノチューブを成長させる。 積層体を備えたボンディングパッドを製造するために実施される様々な段階を示す： Ａ．金属／誘電体多層構造を堆積させる； Ｂ．リソグラフィーによってボンディングパッドを画定する； Ｃ．第二の誘電体を堆積させる； Ｄ．構造を平坦化する。 犠牲副層を用いない本発明による方法の代替実施形態を概略的に示す。この場合、制御されたエッチングによって、図４の犠牲層と同じ機能を果たす誘電体層を除去することが可能になる： Ａ．チャネルを画定するために樹脂を堆積させる； Ｂ．チャネル及びボンディングパッドパターンをエッチングするが、薄い誘電体層を残す； Ｃ．チャネルに平行な或る角度で接触金属を堆積させる； Ｄ．樹脂上に堆積した接触金属をリフトオフする； Ｅ．誘電体層上に堆積した接触金属をリフトオフする； Ｆ．金属層上に自己接触ナノチューブを成長させる。 溝の方向に応じた、堆積方向を示す上面図である。 その中心部が金属で充填されていることによって垂直接続が確実なものにされているボンディングパッドの断面図（Ａ）及び上面図（Ｂ）である。
本発明を実現する方法及びその結果としての利点は、添付図面を参照する単に例示目的で示される実施形態の記載によって、更に明らかになるものである。
本実施例において、ボンディングパッドのスペーサ物質を構成する誘電体と、ボンディングパッドが埋め込まれる物質とは同一である。
〈１ 誘電体内に埋め込まれた触媒ボンディングパッドの形成（図５）〉
‐ 接続されるべき電子部品となり得る基板１上の２０層のアルミナ（誘電体＝スペーサ４）／鉄（金属＝導電性触媒５）層の多層構造を堆積させるためにイオンビームスパッタリング（ｉｏｎ ｂｅａｍ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ，ＩＢＳ）を用いる（図５Ａ）。これらの層の厚さは０．２５から２ナノメートルの範囲である。
‐ これによって構成された積層体上に樹脂１０を堆積させて、そして、乾式エッチング又は湿式エッチング（例えば、鉄及びアルミナをアタックするＨ３ＰＯ４溶液を用いる）によって触媒ボンディングパッド２を形成するためにリソグラフィーを用いる（図５Ｂ）。
‐ 積層体の一番目の絶縁層、その最後の層、又はその両方の層は、触媒システムの絶縁層よりも厚くなり得る。
‐ エッチングが完了したら、サンプル全体にわたるスパッタリングによってアルミナ（第二の誘電体６）を堆積させて、ボンディングパッドを埋める（図５Ｃ）。
‐ 化学機械研磨（ｃｈｅｍｏ‐ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ，ＣＭＰ）によって堆積物質を平坦化する（図５Ｄ）。
〈２ チャネル７の形成（図６）〉
‐ サンプル全体にわたって第二の樹脂１１を広げて、所望の接続パターンを形成する（図６Ａ）。
‐ これによって画定されたパターンを開口させるためにＨ３ＰＯ４溶液又はプラズマエッチングを用いるが、厚さ略２０ナノメートルのチャネルの底面にアルミナ層６を残す（図６Ｂ）。
‐ 厚さ２から５ナノメートルのパラジウム層８を堆積させるためにグレージング入射角で電子銃スパッタリングを用いる（図６Ｃ）。サンプルは回転しない。入射平面（入射フラックス方向及びサンプルに対する垂線を含む）は、溝の方向の一つにおいて、サンプル平面と交差する（下記の図７を参照）。
‐ サンプルを９０°回転させた後に、二番目の同じ層を堆積させる。
‐ 樹脂１１をリフトオフする（図６Ｄ）。
‐ 第二の誘電体層６をリフトオフする（図６Ｅ）。
‐ ５０％水素／５０％ヘリウムの混合物中に希釈させたアセチレンを用いて、４００から６５０℃の温度でナノチューブ３を成長させる。ナノチューブ３はパラジウム８を伴う対面に接続する（図６Ｆ）。
図７は、垂直な二方向において段階Ｃ中に堆積した物質の上面図を示す。
ボンディングパッド２を埋めるために用いられる第二の誘電体６は、シリカ、又は、低誘電率（“ｌｏｗ‐Ｋ”）若しくは超低誘電率（“超ｌｏｗ‐Ｋ”）を有する物質から成る。
金属触媒層５は金属クラスターの堆積によって形成される。
触媒積層体中のスペーサ４として用いられる層はシリコン層である。
垂直接続“ビア”が、触媒ボンディングパッドの中心部に形成される。この実施例は図８に概略的に示されている。金属１２（銅等）は、ボンディングパッドを貫通し垂直接続を確実なものにする。
１ 基板
２ ボンディングパッド
３ カーボンナノチューブ
８ 接触金属
１０、 １１ 樹脂

Claims (11)

  1. 少なくとも二つのボンディングパッド（２）間の水平方向の電気接続を確立するための装置であって、前記ボンディングパッドの垂直壁を接続する水平なカーボンナノチューブ（３）を備え、前記ボンディングパッドが少なくとも二つの物質の積層体によって形成されていて、前記二つの物質の一つ（５）はナノチューブ成長に触媒作用をもたらし、前記二つの物質の他の一つ（４）は前記ナノチューブ成長に触媒作用をもたらす物質の層間のスペーサとして機能する、装置。
  2. 前記ナノチューブ成長に触媒作用をもたらす物質（５）が連続的な層の形状又はクラスターを備えた層の形状であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 触媒物質（５）が導電性であり、有利には金属、特に鉄又は金属合金であることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
  4. 前記スペーサとして機能する物質（４）が誘電体であり、有利には、アルミナ、シリカ、酸化マグネシウム等の酸化物であることを特徴とする請求項３に記載の装置。
  5. 前記スペーサとして機能する物質（４）が導電性であり、有利には、シリコン等の半導体、又は、錫をドープした酸化インジウムや酸化ルテニウム等の導電性酸化物であることを特徴とする請求項３に記載の装置。
  6. 触媒物質（５）が誘電体であり、有利には、絶縁性の酸化鉄であり、また、前記スペーサとして機能する物質（４）が導電性であり、有利には、鉄やパラジウムやチタン等の物質又は錫をドープした酸化インジウムや酸化ルテニウム等の導電性酸化物であることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
  7. 前記ボンディングパッド（２）が菱側の断面を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
  8. 接続される二つの前記ボンディングパッド（２）の少なくとも一方が、前記カーボンナノチューブ（３）と接触する領域において、有利にはパラジウムである接触物質（８）で覆われている、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の装置。
  9. 前記ボンディングパッド（２）が、有利には銅等の金属製の導電性垂直フィードスルー（１２）を含むことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の装置。
  10. 請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の装置を製造するための方法であって、
    ‐ 少なくとも二つの物質であってその一つ（５）がナノチューブ成長に触媒作用をもたらし他の一つ（４）が前記ナノチューブ成長に触媒作用をもたらす物質の層間のスペーサとして機能するものである少なくとも二つの物質の積層体を基板（１）上に堆積させる段階と、
    ‐ 前記積層体に基づいてボンディングパッド（２）を画定する段階と、
    ‐ 有利には低誘電率の物質又は窒化物又は酸化物から成る誘電体マトリクス（６）中に前記ボンディングパッド（２）を埋め込む段階と、
    ‐ 絶縁マトリクス中にチャネル（７）を形成する段階と、
    ‐ 前記チャネル内にカーボンナノチューブを成長させて、前記ボンディングパッド（２）間に水平方向の接続部（３）を形成する段階とを備えた方法。
  11. パラジウム等の導電性物質（８）の層を、ナノチューブを成長させる前に、前記ボンディングパッド（２）の垂直面の少なくとも一つの上に堆積させることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
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