(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜にビアホールを形成する工程と、
前記ビアホール内及び前記絶縁膜上に触媒部を形成する工程と、
前記ビアホール内に前記触媒部を残しつつ、前記絶縁膜上の前記触媒部をイオンミリングによって除去する工程と、
前記除去する工程の後、前記ビアホール内の前記触媒部を起点として前記ビアホール内にカーボンナノチューブを成長させる工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記絶縁膜上の前記触媒部をイオンミリングによって除去する工程は、イオンが前記ビアホール内の前記触媒部を照射しないように、傾斜させた方向から前記イオンを照射することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記触媒部として複数の触媒粒子を形成す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の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大規模集積回路（ＬＳＩ）の配線に、カーボンナノチューブを用いる技術が提案されている。例えば、ビアホール内にカーボンナノチューブを縦方向に成長させ、これをＳＯＤ（spin on dielectric）等で固定した後に、ＣＭＰを行う技術が提案されている。また、イオンの照射によりカーボンナノチューブを切断する技術も提案されている。
【０００３】
しかしながら、これまでの技術では、高密度のカーボンナノチューブを配線に用いることが困難である。例えば、上記のＳＯＤを用いる技術では、高密度のカーボンナノチューブを成長させると、ＳＯＤの均一な塗布が困難になる。また、ＣＭＰに要する費用が大きい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２６８３９号公報
【特許文献２】特開２０００−２２３００５号公報
【特許文献３】特開２００８−４１９５４号公報
【特許文献４】特開２００８−２５８１８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、高密度のカーボンナノチューブを容易に配線に用いることができる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
半導体装置の製造方法の一態様では、基板上に絶縁膜を形成し、前記絶縁膜にビアホールを形成し、前記ビアホール内及び前記絶縁膜上に触媒部を形成する。前記ビアホール内に前記触媒部を残しつつ、前記絶縁膜上の前記触媒部をイオンミリングによって除去し、その後に前記ビアホール内の前記触媒部を起点として前記ビアホール内にカーボンナノチューブを成長させる。
【発明の効果】
【０００７】
上記の半導体装置の製造方法等によれば、カーボンナノチューブを容易にビアホール内に形成することができる。従って、高密度のカーボンナノチューブを容易に配線に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】第１の実施形態に係る半導体装置の製造方向を工程順に示す断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａに引き続き、半導体装置の製造方向を工程順に示す断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｂに引き続き、半導体装置の製造方向を工程順に示す断面図である。
【図１Ｄ】図１Ｃに引き続き、半導体装置の製造方向を工程順に示す断面図である。
【図１Ｅ】図１Ｄに引き続き、半導体装置の製造方向を工程順に示す断面図である。
【図２】第２の実施形態に係る半導体装置の製造方向を工程順に示す断面図である。
【図３Ａ】第３の実施形態に係る半導体装置の製造方向を工程順に示す断面図である。
【図３Ｂ】図３Ａに引き続き、半導体装置の製造方向を工程順に示す断面図である。
【図４】イオンミリング前後のカーボンナノチューブの走査型電子顕微鏡写真を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。
【００１０】
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。図１Ａ乃至図１Ｅは、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方向を工程順に示す断面図である。
【００１１】
先ず、図１Ａ（ａ）に示すように、半導体基板等の基板１の表面に素子分離絶縁膜２を形成し、この素子分離絶縁膜２により画定された素子活性領域内にトランジスタＴｒ等の半導体素子を形成する。次いで、トランジスタＴｒ等を覆う層間絶縁膜３を基板１上に形成する。層間絶縁膜３としては、例えばシラン系ガス又はテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）ガスを使用してシリコン酸化膜を化学気相成長（ＣＶＤ）法により形成する。その後、層間絶縁膜３にトランジスタＴｒのソース／ドレインまで達する開口部を形成し、その中に導電プラグ４を形成する。続いて、層間絶縁膜３上に導電プラグ４に接する導電膜５ａを形成する。導電膜５ａの形成に当たっては、例えば、タンタル（Ｔａ）膜及び銅（Ｃｕ）膜をスパッタリング法によりこの順で形成する。
【００１２】
次いで、図１Ａ（ｂ）に示すように、例えばフォトリソグラフィ法によって導電膜５ａのパターニングを行い、導電プラグ４に電気的に接続された配線５を形成する。配線５の線幅は、例えば数μｍ以下、例えば１００ｎｍ程度とする。
【００１３】
その後、図１Ａ（ｃ）に示すように、配線５を覆う拡散防止膜６を層間絶縁膜３上に形成する。拡散防止膜６としては、例えば厚さが５０ｎｍ〜１００ｎｍの窒化シリコン膜を形成する。続いて、拡散防止膜６上に層間絶縁膜７を形成する。層間絶縁膜７としては、例えばＴＥＯＳガスを使用してシリコン酸化膜をプラズマＣＶＤ法により形成する。層間絶縁膜７の厚さは、例えば２００ｎｍ程度とする。次いで、層間絶縁膜７上に、層間絶縁膜７のビアホールを形成する予定の領域を露出する開口部８ａを備えたレジストパターン８を形成する。
【００１４】
その後、図１Ｂ（ｄ）に示すように、レジストパターン８をマスクとして用いて層間絶縁膜７をエッチングすることにより、層間絶縁膜７に開口部７ａを形成する。このエッチングの方法としては、フッ素系ガスを使用した反応性イオンエッチング法、及びプラズマエッチング法等のドライエッチングが挙げられる。また、フッ酸を使用したウェットエッチングを行ってもよい。
【００１５】
続いて、図１Ｂ（ｅ）に示すように、レジストパターン８を除去する。次いで、層間絶縁膜７をマスクとして用いて拡散防止膜６をエッチングすることにより、拡散防止膜６に開口部６ａを形成する。この結果、開口部６ａ及び７ａを含み、配線５の一部を露出するビアホール９が形成される。このエッチングの方法としては、リン酸等を使用したウェットエッチング法が挙げられる。
【００１６】
次いで、図１Ｂ（ｆ）に示すように、層間絶縁膜７の上面上及びビアホール９の底面上にバリア膜１０を形成する。バリア膜１０としては、例えばタンタル（Ｔａ）膜又は窒化タンタル（ＴａＮ）膜を形成する。その後、バリア膜１０上にコンタクト膜１１を形成する。コンタクト膜１１としては、例えばチタン（Ｔｉ）又は窒化チタン（ＴｉＮ）を形成する。バリア膜１０は、配線５中のＣｕの拡散に対するバリアとして機能する。コンタクト膜１１は、後に形成するビアとバリア膜１０との間の良好な電気的及び機械的な接続を確保する。また、バリア膜１０及びコンタクト膜１１は、後に形成する触媒粒子を担持する触媒担持膜としても機能する。バリア膜１０及びコンタクト膜１１の形成方法は特に限定されないが、例えば、基板１の表面に垂直な方向への成長異方性が高い方法によって形成することが好ましい。これは、バリア膜１０及びコンタクト膜１１がビアホール９の側面にも形成されてもよいが、この部分に形成されたバリア膜１０及びコンタクト膜１１は上記のような作用を奏しないからである。このような方法としては、ターゲットと試料との間の距離をターゲットの直径以上に設定して構成元素粒子を供給する異方性ロングスロースパッタリング法が挙げられる。また、コリメータスパッタリング法又はイオン化金属プラズマ（ＩＭＰ）スパッタリング法等を採用してもよい。
【００１７】
続いて、図１Ｃ（ｇ）に示すように、コンタクト膜１１の上面上に複数の触媒粒子１２を分散させながら形成する。触媒粒子１２の材料は特に限定されないが、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）及びニッケル（Ｎｉ）が挙げられる。また、これらの２種又は３種を含む合金を用いてもよい。このような合金としては、ＴｉＣｏ等の金属間化合物が挙げられる。触媒粒子１２の形成方法としては、例えばレーザアブレーション法、スパッタリング法、及び蒸着法等が挙げられる。また、真空チャンバにて差動排気機構を用いることにより、できるだけビアホール９の側面には触媒粒子１２が形成されないようにすることが好ましい。
【００１８】
次いで、層間絶縁膜７の上面よりも上方に位置する触媒粒子１２の不活化を行う。本実施形態では、図１Ｃ（ｈ）に示すように、基板１及び層間絶縁膜７の表面に垂直な方向から傾斜した方向からイオンを照射するイオンミリングを行うことにより、層間絶縁膜７の上面よりも上方に位置する触媒粒子１２を除去する。イオンを照射する方向は、イオンがビアホール９の底面上の触媒粒子１２に照射しなければ特に限定されないが、例えば基板１及び層間絶縁膜７の表面に垂直な方向から８５°傾斜した方向から照射する。なお、イオンを照射する方向を固定していてもよいが、基板１が載置されたステージの回転等により、基板１の表面に平行な面内の全方位から照射することが好ましい。均一な照射を行うためである。
【００１９】
この処理の結果、図１Ｃ（ｉ）に示すように、層間絶縁膜７の上面上のバリア膜１０、コンタクト膜１１及び触媒粒子１２が除去され、ビアホール９内のみにバリア膜１０、コンタクト膜１１及び触媒粒子１２が残存する。
【００２０】
その後、図１Ｄ（ｊ）に示すように、触媒粒子１２からカーボンナノチューブ１３をビアホール９の上端よりも上方まで成長させる。カーボンナノチューブ１３を成長させる方法は特に限定されない。例えば、熱ＣＶＤ法、熱フィラメントＣＶＤ法、及びプラズマＣＶＤ法等のＣＶＤ法が挙げられる。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及び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。アセチレンは例えば１０流量％のアルゴンで希釈して真空チャンバ内に導入する。また、アセチン含有ガス及びアルゴンガスの流量は、例えば、それぞれ０．５ｓｃｃｍ、１０００ｓｃｃｍとする。また、例えば、真空チャンバ内の圧力を１ｋＰａに設定し、基板温度を４００℃〜４５０℃に設定する。このような条件下では、カーボンナノチューブ１３は、例えば１μｍ／時間程度の速度で成長する。また、熱フィラメントＣＶＤ法を採用する場合には、例えばガスを解離させるための熱フィラメントの温度を例えば９００℃〜１８００℃に設定する。
【００２１】
続いて、図１Ｄ（ｋ）に示すように、基板１及び層間絶縁膜７の表面に垂直な方向から傾斜した方向からイオンを照射するイオンミリングを行うことにより、カーボンナノチューブ１３のビアホール９の上端よりも上方に飛び出している部分を除去する。イオンを照射する方向は特に限定されないが、例えば基板１及び層間絶縁膜７の表面に垂直な方向から８５°傾斜した方向から照射する。なお、イオンを照射する方向を固定していてもよいが、基板１が載置されたステージの回転等により、基板１の表面に平行な面内の全方位から照射することが好ましい。均一な照射を行うためである。
【００２２】
この処理の結果、図１Ｄ（ｌ）に示すように、カーボンナノチューブ１３の上端が層間絶縁膜７の上面と揃う。なお、イオンミリングの後に、カーボンナノチューブ１３に吸着している酸素の除去等を目的とした処理を行ってもよい。この処理としては、例えば不活性ガス中での熱処理を行ってもよく、また、真空中での脱ガス処理を行ってもよい。
【００２３】
次いで、図１Ｅ（ｍ）に示すように、層間絶縁膜７上にカーボンナノチューブ１３に接する導電膜１４ａを形成する。導電膜１４ａの形成に当たっては、例えば、タンタル（Ｔａ）膜及び銅（Ｃｕ）膜をスパッタリング法によりこの順で形成する。
【００２４】
その後、図１Ｅ（ｎ）に示すように、例えばフォトリソグラフィ法によって導電膜１４ａのパターニングを行い、カーボンナノチューブ１３に電気的に接続された配線１４を形成する。配線１４の線幅は、例えば数μｍ以下、例えば１００ｎｍ程度とする。
【００２５】
その後、必要に応じて同様の層間絶縁膜の形成、カーボンナノチューブの形成及び配線の形成等を繰り返して半導体装置を完成させる。この半導体装置では、カーボンナノチューブ１３がビアとして機能する。
【００２６】
このような第１の実施形態によれば、カーボンナノチューブ１３の成長前に、カーボンナノチューブ１３の成長が不要な部分に存在する触媒粒子１２を不活化しているため、後にこれらの触媒粒子１２から成長したカーボンナノチューブ１３の除去が不要である。また、カーボンナノチューブ１３のビアホール９の上端よりも上方に飛び出している部分の除去をＣＭＰではなくイオンミリングにより行っているので、ＳＯＤによる固定等が不要となる。従って、カーボンナノチューブ１３の高密度化及びＳＯＤによる固定の組み合わせに伴う問題を解消することができる。更に、ＣＭＰと比較してコストを低減することができる。
【００２７】
なお、触媒粒子１２に代えて触媒膜等を触媒部として形成してもよい。
【００２８】
また、上述のように、イオンを照射する方向は特に限定されず、例えばビアホール９の直径及び深さ等に応じてイオンがビアホール９の底部に位置する触媒粒子１２に衝突しないように決定すればよい。
【００２９】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図２は、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方向を工程順に示す断面図である。
【００３０】
先ず、第１の実施形態と同様に、カーボンナノチューブ１３の成長までの処理を行う（図１Ｄ（ｊ）参照）。次に、図２（ａ）に示すように、層間絶縁膜７上にカーボンナノチューブ１３に接する導電膜１４ａを形成する。このとき、導電膜１４ａの厚さは、カーボンナノチューブ１３のビアホール９の上端よりも上方に飛び出している部分の長さよりも大きくする。また、導電膜１４ａはビアホール９内のカーボンナノチューブ１３の隙間にも入り込む。導電膜１４ａの形成に当たっては、例えば、タンタル（Ｔａ）膜及び銅（Ｃｕ）膜をスパッタリング法によりこの順で形成する。
【００３１】
その後、図２（ｂ）に示すように、例えばフォトリソグラフィ法によって導電膜１４ａのパターニングを行い、カーボンナノチューブ１３に電気的に接続された配線１４を形成する。
【００３２】
続いて、必要に応じて同様の層間絶縁膜の形成、カーボンナノチューブの形成及び配線の形成等を繰り返して半導体装置を完成させる。この半導体装置でも、カーボンナノチューブ１３がビアとして機能する。
【００３３】
このような第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、カーボンナノチューブ１３の成長前に、カーボンナノチューブ１３の成長が不要な部分に存在する触媒粒子１２を不活化しているため、後にこれらの触媒粒子１２から成長したカーボンナノチューブ１３の除去が不要である。また、図１Ｄ（ｋ）のように、カーボンナノチューブ１３の先端を切断することも可能であるが、カーボンナノチューブ１３の切断を行わなければ、第１の実施形態よりも短時間、低コストで製造することができる。なお、導電膜１４ａの厚さを考慮してカーボンナノチューブ１３の成長時間を予め調整しておくことが好ましい。その一方で、カーボンナノチューブ１３の上端がビアホール９の上端より下方に位置していてもよい。導電膜１４ａがビアホール９内まで入り込んでくるからである。
【００３４】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。図３Ａ乃至図３Ｂは、第３の実施形態に係る半導体装置の製造方向を工程順に示す断面図である。
【００３５】
先ず、第１の実施形態と同様に、触媒粒子１２の形成までの処理を行う（図１Ｃ（ｇ）参照）。次いで、層間絶縁膜７の上面よりも上方に位置する触媒粒子１２の不活化を行う。本実施形態では、図３Ａ（ａ）に示すように、層間絶縁膜７の上面よりも上方に位置する触媒粒子１２を覆う不活化膜２１を形成する。不活化膜２１は導電膜でも絶縁膜でもよく、例えばＴａ膜又はＴｉ膜を形成する。不活化膜２１の形成前に、ビアホール９内にレジスト膜を形成しておき、不活化膜２１の形成後にこのレジスト膜を除去すれば、ビアホール９の底面上の触媒粒子１２は不活化膜２１に覆われない。また、レジスト膜の形成及び除去を行わずに、基板１の表面に垂直な方向から８５°程度傾斜した方向から不活化膜２１を形成しても、触媒粒子１２の不活化膜２１による被覆を回避することができる。
【００３６】
その後、図３Ａ（ｂ）に示すように、触媒粒子１２からカーボンナノチューブ１３を不活化膜２１の上面よりも上方まで成長させる。
【００３７】
続いて、図３Ｂ（ｃ）に示すように、不活化膜２１上にカーボンナノチューブ１３に接する導電膜１４ａを形成する。このとき、導電膜１４ａの厚さは、カーボンナノチューブ１３の不活化膜２１の上面よりも上方に飛び出している部分の長さよりも大きくする。また、導電膜１４ａはビアホール９内のカーボンナノチューブ１３の隙間にも入り込む。
【００３８】
その後、図３Ｂ（ｄ）に示すように、例えばフォトリソグラフィ法によって導電膜１４ａ、不活化膜２１、触媒粒子１２の層、コンタクト膜１１、及びバリア膜１０のパターニングを行い、カーボンナノチューブ１３に電気的に接続された配線１４を形成する。
【００３９】
続いて、必要に応じて同様の層間絶縁膜の形成、カーボンナノチューブの形成及び配線の形成等を繰り返して半導体装置を完成させる。この半導体装置でも、カーボンナノチューブ１３がビアとして機能する。
【００４０】
このような第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、カーボンナノチューブ１３の成長前に、カーボンナノチューブ１３の成長が不要な部分に存在する触媒粒子１２を不活化しているため、後にこれらの触媒粒子１２から成長したカーボンナノチューブ１３の除去が不要である。また、図１Ｄ（ｋ）のように、カーボンナノチューブ１３の先端を切断することも可能であるが、カーボンナノチューブ１３の切断を行わなければ、第１の実施形態よりも短時間、低コストで製造することができる。なお、導電膜１４ａの厚さを考慮してカーボンナノチューブ１３の成長時間を予め調整しておくことが好ましい。その一方で、カーボンナノチューブ１３の上端が不活化膜２１の上面より下方に位置していてもよい。ビアホール９に整合する不活化膜２１の開口部内まで導電膜１４ａが入り込んでくるからである。
【００４１】
図４に、第１の実施形態に関し、カーボンナノチューブのイオンミリングの前後の状態を示す。図４（ａ）は、イオンミリング前のカーボンナノチューブの一部がビアホールから飛び出している状態を示し、図４（ｂ）は、イオンミリング後の状態を示す。図４に示す走査型電子顕微鏡写真の試料でも、第１の実施形態と同様に、層間絶縁膜の上面より上方に位置する触媒粒子等に対するイオンミリングを行った。このため、図４（ａ）に示すように、ビアホールの周囲にはカーボンナノチューブが存在しない。また、その後のカーボンナノチューブに対するイオンミリングにより、図４（ｂ）に示すように、カーボンナノチューブのビアホールから飛び出していた部分が切断され、適切に除去されている。
【００４２】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００４３】
（付記１）
絶縁膜にビアホールを形成する工程と、
前記ビアホール内及び前記絶縁膜上に触媒部を形成する工程と、
前記絶縁膜上の前記触媒部を不活化する工程と、
前記ビアホール内の前記触媒部を起点として前記ビアホール内にカーボンナノチューブを成長させる工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【００４４】
（付記２）
前記触媒部を不活化する工程は、前記絶縁膜上の前記触媒部を除去する工程を有することを特徴とする付記１に記載の半導体装置の製造方法。
【００４５】
（付記３）
前記触媒部の除去をイオンミリングにより行うことを特徴とする付記２に記載の半導体装置の製造方法。
【００４６】
（付記４）
前記触媒部のイオンミリングにおいて、前記絶縁膜の表面に垂直な方向から傾斜した方向からイオンを前記絶縁膜上の前記触媒部に衝突させることを特徴とする付記３に記載の半導体装置の製造方法。
【００４７】
（付記５）
前記触媒部を不活化する工程は、前記絶縁膜上の前記触媒部を覆う不活化膜を形成する工程を有することを特徴とする付記１に記載の半導体装置の製造方法。
【００４８】
（付記６）
前記触媒部として複数の触媒粒子を形成することを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【００４９】
（付記７）
前記カーボンナノチューブの前記ビアホールの上端から飛び出している部分をイオンミリングにより除去する工程と、
前記絶縁膜上に前記カーボンナノチューブに接続される配線を形成する工程と、
を有することを特徴とする付記１乃至６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【００５０】
（付記８）
前記カーボンナノチューブのイオンミリングにおいて、前記絶縁膜の表面に垂直な方向から傾斜した方向からイオンを前記カーボンナノチューブに衝突させることを特徴とする付記７に記載の半導体装置の製造方法。
【００５１】
（付記９）
前記カーボンナノチューブの前記ビアホールの上端から飛び出している部分を覆い、前記カーボンナノチューブに接続される配線を前記絶縁膜上に形成する工程を有することを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【００５２】
（付記１０）
前記ビアホールを形成する工程の前に、
導電膜を形成する工程と、
前記導電膜上に前記絶縁膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする付記１乃至９のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【符号の説明】
【００５３】
５：配線
６：拡散防止膜
７：層間絶縁膜
８：レジストパターン
９：ビアホール
１２：触媒粒子
１３：カーボンナノチューブ
１４：配線
２１：不活化膜
【図１Ａ】
0005577665.tif 000002
【図１Ｂ】
0005577665.tif 000003
【図１Ｃ】
0005577665.tif 000004
【図１Ｄ】
0005577665.tif 000005
【図１Ｅ】
0005577665.tif 000006
【図２】
0005577665.tif 000007
【図３Ａ】
0005577665.tif 000008
【図３Ｂ】
0005577665.tif 000009
【図４】
0005577665.tif 000010