JP5694272B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
低抵抗・高信頼性が期待できる次世代配線材料として、高い電流密度耐性、電気伝導特性、熱伝導率、機械的強度など優れた物性を有するカーボンナノチューブやグラフェン等の炭素系材料の応用が注目されている。特に、縦方向層間配線にカーボンナノチューブを、横方向配線にグラフェンを用いる構造が検討されている。
しかし、CMPやプロセス中の機械的または熱的応力により、コンタクトホール部の破壊や剥がれなどが生じ、コンタクト配線形成の歩留まり低下が懸念される。
図1は実施例1の半導体装置の層間配線部の断面概念であり、実施形態の半導体装置の層間配線を有する部位の断面図である。実施例1の半導体装置は、例えば、半導体回路が形成された基板1と、基板上にコンタクトホール4が形成された層間絶縁膜3と、コンタクトホールの側壁に触媒金属の膜と、コンタクトホール4の底部に触媒金属の粒子と、触媒金属の膜上にグラフェン9と、触媒金属の粒子上にコンタクトホール4を貫通するカーボンナノチューブ8と、を備える。エッチングストップ膜2を基板1と層間絶縁膜3の間に設けても良い。また、図1のように、コンタクトホール4内には、埋め込み膜10を、コンタクトホール4及びコンタクトホール4内の配線8、9と層間絶縁膜3上には上部基板11又は上部配線11が設けられていてもよい。半導体装置としては、LSIや3Dメモリなどが挙げられる。なお、実施形態としては、図1の構成の内、半導体装置を省略した配線でもよい。
図2は、実施例1にかかる下地配線基板1上にエッチングストップ膜2と層間絶縁膜3が形成された部材に、コンタクトホール4を形成する工程の断面概念図である。半導体集積回路等が形成された下地配線基板上にエッチングストップ膜2が形成され、エッチングストップ膜2上に層間絶縁膜3が形成された部材に、層間絶縁膜3が貫通するようにコンタクトホール4を形成する。下地配線基板1は、例えばLSIや3Dメモリ等の多層基板のうちの1層である。エッチングストップ膜は、下地配線基板1がエッチングされないようにする材料であればよい。層間絶縁膜3は、例えば、SiOCなどの低誘電率な絶縁膜を採用することができ、特に限定されるものではない。コンタクトホール4の形成は、例えばフッ素系ガスを用いたドライエッチングによって行う。コンタクトホール4の径は例えば100nmで、コンタクトホール4の深さは1μmである。
そして、図3に示すように、コンタクトホール4を含む全面に、導電膜5と触媒金属膜6を形成する。金属膜の形成方法は、PVD(物理気相成長:Physical
Vapor Deposition)やCVD(化学気相成長法:Chemical Vapor Deposition)などの成膜方法を一般に採用することができる。しかし、コンタクトホール4のアスペクト比(コンタクトホール高さ/ホール径)が大きくなる場合には、段差被覆性が低いスパッタ等のPVDでは、コンタクトホール底に導電膜5および触媒金属膜6を形成することは難しく、段差被覆性の良いCVDによる成膜が望ましい。導電膜2は、層間配線の導電性を安定させたり向上させたりするため、触媒金属膜6下に用いることが好ましいが、導電膜5は省略した構成でもよい。導電膜5の厚さは、例えば0.5nm以上10nm以下である。また、導電膜5は、ここで、導電膜5は、異なる複数の導電材料が積層された構造を有していてもよい。導電膜2としては金属膜を用いることができ、カーボンナノチューブ8成長又はグラフェン9成長の助触媒となる金属膜が好ましい。導電膜5は、上記の理由から、金属膜の中でもTi、Ta、Mn、Mo、V、RuとCuからなる群から選ばれる1種以上の元素を含む金属膜、合金膜又は窒化金属膜が好ましい。さらに、上記の理由から、導電膜5はTi、Ta、Mn、Mo、V、RuとCuからなる群から選ばれる1種以上の元素と不可避含有元素で構成される金属膜、合金膜又は窒化金属膜がより好ましい。触媒金属膜6は、微粒子化しやすい薄膜であって、カーボンナノチューブ8が成長可能な元素を有する膜が好ましい。上記の理由から、Co、NiとFeからなる群から選ばれる1種以上の元素を含む金属膜または合金膜が好ましい。さらに、上記の理由から、Co、NiとFeからなる群から選ばれる1種以上の元素と不可避含有元素で構成される金属膜又は合金膜が好ましい。触媒金属膜6の厚さは、例えば平均で1nm以上4nm以下が好ましい。触媒金属膜6に厚い領域がカーボンナノチューブ8の成長に不適であることから、コンタクトホール4の底部の触媒金属の膜の全面積の80%が前記範囲を満たし、カーボンナノチューブ8成長用触媒の微粒子化を別途行った場合であっても膜厚の最大値は10nm以下であることが好ましい。コンタクトホール4の側壁に成膜された触媒金属膜6は、次の工程で堆積する触媒金属と一体化する。
次に、図4に示すように、触媒金属膜6で挙げた元素と同一の元素から構成される触媒金属膜7をコンタクトホール底以外に形成する。ここで、コンタクトホール4のアスペクト比(深さ/径)が大きい場合には、段差被覆性が低いスパッタ等のPVDを用いることで、コンタクトホール4底以外に触媒金属膜7を形成することができる。なお、コンタクトホール4の側壁とは、層間絶縁膜4に形成されたコンタクトホール4の基板1側である底部の図4中のAの領域を除く、コンタクトホール4の壁面の図4中のBの領域である。一方、コンタクトホール4のアスペクト比が2より小さい場合などは、スパッタによって、コンタクトホール4の底部にまで触媒金属が堆積してしまう。コンタクトホールのアスペクト比が2以上であると、本工程においてコンタクトホール4の側壁の触媒金属と底部の触媒金属の膜厚が異なったものを作る条件として適している。コンタクトホール4のアスペクト比が大きすぎる場合は、コンタクトホール4の側壁の下部にはグラフェン成長に適した膜厚にまで触媒金属が堆積されないこともある。CVDは、段差被覆性が優れることで、コンタクトホール底部にまで触媒金属を堆積してしまうため、本工程には適さない。コンタクトホール側壁の触媒金属膜7の厚さは、コンタクトホール底のカーボンナノチューブ8成長向け触媒金属膜6の膜厚よりも厚い。膜厚が厚くなると触媒金属膜7の微粒化が起き難いため、触媒金属膜7は、本工程においてグラフェン9が成長しやすい触媒となる。微細コンタクトホール4を形成する観点から、グラフェン9成長向け触媒金属膜7の膜厚は、例えば平均で5nm以上20nm程度が好ましい。良質なグラフェン9を成長させるためには、膜厚は比較的均一であることが好ましく、触媒金属膜7の全面積の80%が、前記範囲を満たすことが好ましい。コンタクトホール4の径が500nm以上の大口径のコンタクトホール4の場合は、これより厚い膜厚となってもよい。また、グラフェン成長向け触媒金属膜7は、大面積のグラフェン成長のため、連続膜であることが望ましい。連続膜とは、途切れのない膜を意味する。
次いで、カーボンナノチューブ8および埋め込み膜10上部と、側壁に形成した導電膜5および触媒金属膜7およびグラフェン9端部に、上層配線11を形成することにより、図1に示すグラフェン9とカーボンナノチューブ8を用いた配線構造を有する半導体装置が得られる。このとき、上層配線11は、カーボンナノチューブ8やグラフェン9と良好なコンタクト形成できる例えばTiなど材料からなることが望ましい。
本実施例の半導体装置の製造方法は、例えば、半導体回路が形成された基板1と、基板上に層間絶縁膜3を備えた部材の層間絶縁膜3を貫通するコンタクトホール4を形成する工程と、コンタクトホール4に導電性膜5を形成する工程と、導電性膜5上に触媒金属の膜を化学気相成長法で成膜する工程と、コンタクトホール4の底部の触媒金属の膜を薄膜化する工程と、コンタクトホール4の底部からカーボンナノチューブ8を、コンタクトホール4の側壁からグラフェン9を成長させる工程と、を有する。
Ion Etching)によって、コンタクトホール底の触媒金属膜7をカーボンナノチューブ8の成長に適した膜厚まで薄膜化する。このとき、コンタクトホール底の触媒金属膜7の膜厚が1nm以上4nm以下になるようにエッチングを行う。並進性の高いエッチングを行なっていることから、コンタクトホール4の側壁はエッチングされにくく、コンタクトホールの底部と層間絶縁膜の上面側の触媒金属膜が選択的にエッチングされる。エッチングは、予め成膜時間等から見積もった触媒金属膜6の厚さから、エッチング時間等を調整すればよい。従って、本工程のエッチングによって、後のカーボン成長工程では、触媒金属膜の厚さの違いによってグラフェン9とカーボンナノチューブ8を意図した場所に作り分けることができる。触媒金属膜6を微粒子化することがカーボンナノチューブ8の成長に好ましく、触媒金属膜6の微粒子化の観点から、触媒金属膜6の厚さは、例えば1nm以上4nm以下が好ましい。触媒金属膜7のような極薄の膜は、熱やプラズマによるエネルギーで凝集して微粒子化する。触媒金属膜6の微粒子化は、下記工程のCVDあるいはプラズマ処理によって行われる。コンタクトホール側壁に形成された触媒金属膜7の膜厚はグラフェン成長が起きやすい膜厚になる又は好適な膜厚を維持するように並進性の高いエッチングを本工程では採用する。
Vapor Deposition)法、プラズマCVD法がある。プラズマCVD法を用いる場合、反応炉内で基板を例えば500℃に昇温し、原料ガスとしてメタンガスなどの炭化水素系ガスを、キャリアガスとして水素を導入して、例えばマイクロ波によってメタンガスを励起・放電させて、原料ガスをプラズマ化させ、触媒金属膜と反応させて、カーボンナノチューブ8およびグラフェン9を成長させる。また、カーボンナノチューブ8成長を行う際、プラズマ表面処理により触媒金属膜6の微粒子化を行ってもよい。プラズマの原料ガスは、例えば水素またはアルゴンなどの希ガスが好ましいが、どちらかまたは両方を含んだ混合ガスでもよい。このとき、基板の加熱を行ってもよい。
そして、CMPによる平坦化を行い、カーボンナノチューブ8および埋め込み膜10上部と、側壁に形成した導電膜5および触媒金属膜7およびグラフェン9端部に、上層配線11を形成することにより、図1に示すグラフェン9とカーボンナノチューブ8を用いた配線構造を有する半導体装置が得られる。このとき、上層配線11は、カーボンナノチューブ8やグラフェン9と良好なコンタクト形成できる例えばTiなどの材料からなることが望ましい。
2…エッチングストップ膜
3…層間絶縁膜
4…コンタクトホール
5…導電性膜
6…(微粒化)触媒金属膜
7…触媒金属膜
8…カーボンナノチューブ
9…グラフェン
100…半導体装置
A…コンタクトホール底部領域
B…コンタクトホール側壁領域
Claims (14)
- 半導体回路が形成された基板と、
前記基板上にコンタクトホールが形成された層間絶縁膜と、
前記コンタクトホールの側壁に触媒金属の膜と、
前記コンタクトホールの底部に触媒金属の粒子と、
前記触媒金属の膜上に多層グラフェンと、
前記触媒金属の粒子上にコンタクトホールを貫通するカーボンナノチューブと、を備えることを特徴とする半導体装置。 - 前記コンタクトホールのアスペクト比(深さ/径)は2以上であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記触媒金属は、Co、NiとFeからなる群から選ばれる1種以上の元素を含む金属又は合金であることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
- 前記触媒金属の膜の平均厚さは、5nm以上20nm以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記触媒金属の膜と前記層間絶縁膜の間には、Ti、Ta、Mn、Mo、V、RuとCuからなる群から選ばれる1種以上の元素を含む金属膜、合金膜又は窒化金属膜があることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記コンタクトホールには、埋め込み膜が形成されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 半導体回路が形成された基板と、前記基板上に層間絶縁膜を備えた部材の前記層間絶縁膜を貫通するコンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホールに導電性膜を形成する工程と、
前記導電性膜上に平均厚さ1nm以上4nm以下の触媒金属の膜を化学気相成長法で成膜する工程と、
前記触媒金属の膜のコンタクトホールの側壁に触媒金属を物理気相成長法で堆積する工程と、
前記コンタクトホールの側壁から多層グラフェンを、前記コンタクトホールの底部からカーボンナノチューブを熱CVD法又はプラズマCVD法によって成長させる工程と、を有し、
前記コンタクトホール底部の触媒金属の膜の厚さは、前記コンタクトホール側壁の触媒金属の膜の厚さよりも薄いことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体回路が形成された基板と、前記基板上に層間絶縁膜を備えた部材の前記層間絶縁膜を貫通するコンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホールに導電性膜を形成する工程と、
前記導電性膜上に触媒金属の膜を化学気相成長法で成膜する工程と、
前記コンタクトホールの底部の前記触媒金属の膜を平均厚さ1nm以上4nm以下に薄膜化する工程と、
前記コンタクトホールの側壁から多層グラフェンを、前記コンタクトホールの底部からカーボンナノチューブを熱CVD法又はプラズマCVD法によって成長させる工程と、を有し、
前記コンタクトホール底部の触媒金属の膜の厚さは、前記コンタクトホール側壁の触媒金属の膜の厚さよりも薄いことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記コンタクトホール側壁の触媒金属の膜の平均厚さは、5nm以上10nm以下であることを特徴とする請求項7又は8に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記コンタクトホールのアスペクト比(深さ/径)は2以上であることを特徴とする請求項7乃至9のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記物理気相成長法は、スパッタ法であることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記カーボンナノチューブは、前記コンタクトホール底部の触媒金属の膜が粒子化して、粒子化した触媒から成長したことを特徴とする請求項7乃至11のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記多層グラフェンは、前記コンタクトホール側壁の触媒金属の膜が粒子化せず、前記粒子化しなかった触媒から成長したことを特徴とする請求項7乃至12のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記触媒金属の膜の粒子化は、熱又はプラズマのエネルギーによって、触媒金属の膜が凝集してなされることを特徴とする請求項7乃至13のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法の製造方法。
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