(57)【要約】【課題】性能劣化を抑制することが可能な高信頼性の配線を提供する。【解決手段】第１導電膜に一端を接続し、第１導電膜と離間した第２導電膜に他端を接続する束状のカーボンナノチューブからなる複数の導電部材２０と、導電部材２０の間に分散されたダイヤモンド結晶構造を有する炭素粒子２２とを備える。【選択図】図２
2008258433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電膜に一端を接続し、前記第１導電膜と離間した第２導電膜に他端を接続する束状のカーボンナノチューブからなる複数の導電部材と、
前記導電部材の間に分散されたダイヤモンド結晶構造を有する炭素粒子
とを備えることを特徴とする配線。
【請求項２】
前記導電部材と前記炭素粒子が、炭素又は炭素を含む結合部により化学的に結合されていることを特徴とする請求項１に記載の配線。
【請求項３】
前記導電部材と前記炭素粒子が、電気的に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の配線。
【請求項４】
前記炭素粒子が、前記ダイヤモンド結晶構造を核として該核の表面に導電性炭素膜を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の配線。
【請求項５】
前記炭素粒子が、前記導電部材の平均直径以下の平均粒径を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の配線。
【請求項６】
基板の上に設けられた第１導電膜と、
前記第１導電膜に一端を接続する束状のカーボンナノチューブからなる複数の導電部材、及び前記導電部材の間に分散されたダイヤモンド結晶構造を有する炭素粒子とを含む配線と、
前記複数の導電部材の他端に接続され、前記第１導電膜と離間した第２導電膜
とを備えることを特徴とする電子装置。
【請求項７】
前記第１及び第２導電膜の間に形成され、前記配線が配置された貫通孔を有する層間絶縁膜を更に備えることを特徴とする請求項６に記載の電子装置。
【請求項８】
基板の上に第１導電膜を形成する工程と、
前記第１導電膜に一端が接続するように束状のカーボンナノチューブからなる複数の導電部材を堆積する工程と、
ダイヤモンド結晶構造を有する炭素粒子を分散させたコロイドを前記導電部材に含浸させる工程と、
前記コロイドを乾燥させて、前記導電部材の間に前記炭素粒子を分散させる工程と、
前記導電部材の他端に接続するように第２導電膜を形成する工程
とを含むことを特徴とする電子装置の製造方法。
【請求項９】
前記コロイドを乾燥する前に、前記炭素粒子の表面に炭素を含む修飾基を修飾する工程を更に含むことを特徴とする請求項８に記載の電子装置の製造方法。
【請求項１０】
前記コロイドの乾燥後、少なくとも光、電子ビーム、及び熱のうちの一つを印加する工程を更に含むことを特徴とする請求項８又は９に記載の電子装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノチューブを用いる配線、電子装置及び電子装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大規模集積回路（ＬＳＩ）等の半導体装置は、ムーアの法則や半導体ロードマップが示すように、年々、高集積化・微細化が進んでおり、それに伴って半導体装置の配線にも微細寸法化が求められている。アルミニウム(Ａｌ)に始まった配線材料は、微細化に伴う電流密度の増大要求から、銅（Ｃｕ）に置き換えられている。現在は、Ｃｕをベースにしたさまざまな技術革新によって、微細化に対応している。
【０００３】
しかし、ハーフピッチ（ｈｐ）３２ｎｍ技術ノードでは、Ｃｕのもつ材料限界を超える高電流密度が要求されている。そのため、Ｃｕに代わる新しい配線材料・技術が求められている。これに答える配線技術候補として、カーボンナノチューブ束を用いた配線構造が提案され、開発が行われている。
【０００４】
カーボンナノチューブは、通常の金属配線材料と比べて低抵抗で、高い熱伝導率を有する。したがって、カーボンナノチューブは、同じ断面積あたりでＣｕ等の低抵抗金属の１０００倍というきわめて高い電流密度耐性を持つと報告されている。また、カーボンナノチューブの構造強度から、原子のマイグレーションによる性能劣化が生じにくいとの予測がなされている。このため、カーボンナノチューブを束状に形成して、カーボンナノチューブ束を配線とすることで、高い電流密度が期待できる。
【０００５】
しかし、一方で、カーボンナノチューブ束をｈｐ３２ｎｍ技術ノードに要求される微細な寸法で高密度に成長させることは困難を伴う。そのため、触媒金属の分散やサイズ制御との兼ね合いから、カーボンナノチューブ束は、最密充填には至らない低密度で成長される。このような低密度のカーボンナノチューブ束の構造では、配線層間のプラグとしての機械的強度を減じてしまう可能性がある。また、配線抵抗が増大する。
【０００６】
配線材料として金属とカーボンナノチューブの混合体を用いる配線構造が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。提案された配線構造により、配線抵抗を低減し、金属のマイグレーションを抑制することができる。しかし、配線構造に含まれる金属のマイグレーションを完全に抑制することは困難である。即ち、微細化が進み電流密度が更に増大すれば、金属のマイグレーションによる配線構造の性能劣化が無視できなくなる。
【０００７】
また、カーボンナノチューブの間に金属内包フラーレンのように全体として金属的性質を示す構造体を配置する配線構造が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。三次元的な構造のフラーレンは、カーボンナノチューブに比べ熱伝導率が小さい。そのため、局所的な温度上昇により配線構造の部分破断が発生しやすく、配線抵抗の増加を招いてしまう。
【特許文献１】国際公開第２００４／０５１７２６号パンフレット
【特許文献２】特開２００２−３２９７２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、性能劣化を抑制することが可能な高信頼性の配線、電子装置及び電子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】
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、（イ）第１導電膜に一端を接続し、第１導電膜と離間した第２導電膜に他端を接続する束状のカーボンナノチューブからなる複数の導電部材と、（ロ）導電部材の間に分散されたダイヤモンド結晶構造を有する炭素粒子とを備える配線が提供される。
【００１０】
本発明の第２の態様によれば、（イ）基板の上に設けられた第１導電膜と、（ロ）第１導電膜に一端を接続する束状のカーボンナノチューブからなる複数の導電部材、及び導電部材の間に分散されたダイヤモンド結晶構造を有する炭素粒子とを含む配線と、（ハ）複数の導電部材の他端に接続され、第１導電膜と離間した第２導電膜とを備える電子装置が提供される。
【００１１】
本発明の第３の態様によれば、（イ）基板の上に第１導電膜を形成する工程と、（ロ）第１導電膜に一端が接続するように束状のカーボンナノチューブからなる複数の導電部材を堆積する工程と、（ハ）ダイヤモンド結晶構造を有する炭素粒子を分散させたコロイドを導電部材に含浸させる工程と、（ニ）コロイドを乾燥させて、導電部材の間に炭素粒子を分散させる工程と、（ホ）導電部材の他端に接続するように第２導電膜を形成する工程とを含む電子装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、性能劣化を抑制することが可能な高信頼性の配線、電子装置及び電子装置の製造方法を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下図面を参照して、本発明の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１４】
本発明の実施の形態に係る半導体装置等の電子装置は、図１及び図２に示すように、下地絶縁膜１０上に、第１導電膜（下部導電膜）１２、層間絶縁膜１４、配線（プラグ）１６、第２導電膜（上部導電膜）１８等を備える。また、電子装置は、下地絶縁膜１０の下方に、トランジスタ等が形成された基板（図示省略）を備える。下地絶縁膜１０上に設けられた配線層である下部導電膜１２と層間絶縁膜１４上に設けられた配線層である上部導電膜１８とが、プラグ１６により電気的に接続される。層間絶縁膜１４は、プラグ１６が配置された貫通孔１５を有する。
【００１５】
プラグ１６は、束状の複数の導電部材２０と、導電部材２０の間に分散された炭素粒子２２を含む。導電部材２０の一端が、層間絶縁膜１４の下に設けられた下部導電膜１２に電気的に接続される。導電部材２０の他端が、層間絶縁膜１４の上に設けられた上部導電膜１８に電気的に接続される。導電部材２０は、下部導電膜１２表面の触媒金属層２４上に設けられる。
【００１６】
例えば、導電部材２０として、カーボンナノチューブ等の炭素細線が用いられる。図３に示すように、平均直径Ｄｔの導電部材２０が、ピッチＰで配列される。導電部材２０の平均直径Ｄｔは約２ｎｍ〜約１０ｎｍ、望ましくは約４ｎｍ〜約６ｎｍの範囲、ピッチＰは約４ｎｍ〜約２０ｎｍ、望ましくは約８ｎｍ〜約１２ｎｍである。低抵抗化のため、導電部材２０は、約８×１０１１ｃｍ−２〜約１．２×１０１２ｃｍ−２の範囲の面密度が望ましい。
【００１７】
炭素粒子２２として、ダイヤモンド、グラファイト等の結晶構造を有する粒子が用いられる。特に、ダイヤモンド結晶構造を有する粒子は、フラーレンに比べ強度が高く、熱伝導性に優れている。炭素粒子２２の平均粒径Ｄｐは、導電部材２０の平均直径以下が望ましい。例えば、炭素粒子２２の平均粒径Ｄｐは、約２ｎｍ〜約１０ｎｍの範囲、望ましくは約３ｎｍ〜約５ｎｍの範囲である。
【００１８】
触媒金属層２４として、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）等の金属、あるいはＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ等を主成分とする合金等の金属粒子が用いられる。導電部材２０であるカーボンナノチューブの直径は、触媒金属層２４の金属粒子の直径で制御される。したがって、触媒金属層２４に用いられる金属粒子の平均粒径は、約２ｎｍ〜約１０ｎｍ、望ましくは約４ｎｍ〜約６ｎｍの範囲とされる。
【００１９】
また、下部導電膜１２、上部導電膜１８として、Ｃｕ、Ａｌ、タングステン（Ｗ）等の金属が用いられる。下地絶縁膜１０、及び層間絶縁膜１４として、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）膜、低誘電率（ｌｏｗ−ｋ）絶縁膜等が用いられる。ｌｏｗ-ｋ絶縁膜の材料として、炭素添加酸化シリコン（ＳｉＯＣ）、無機スピンオングラス（ＳＯＧ）等の無機材料、あるいは有機ＳＯＧ等の有機材料が使用できる。また、ｌｏｗ-ｋ絶縁膜として、無機材料膜及び有機材料膜等の積層膜を用いてもよい。
【００２０】
図１に示した配線構造では、電流密度がより高くなるプラグ１６にカーボンナノチューブ等のような導電部材２０が用いられる。カーボンナノチューブは、許容電流密度がＣｕ等の配線材に比べて約１００〜約１０００倍大きい。即ち、カーボンナノチューブでは、炭素（Ｃ）原子が互いに強く結合しているため、断線等の性能劣化を招くマイグレーションが発生しない。また、カーボンナノチューブはほぼ一次元的な構造を有し、電子が散乱されずバリスティック伝導するため、Ｃｕ等の金属材料に比べて低抵抗化が可能となる。
【００２１】
また、導電部材２０としてカーボンナノチューブを用いる場合、カーボンナノチューブ間に炭素粒子２２が分散されることにより、安定な機械的保持構造が形成される。また、プラグ１６の構造をカーボンナノチューブ及び炭素粒子２２で形成することで、熱的・化学的性質を主構造であるカーボンナノチューブと揃えることができ、製造工程等でのプラグ１６の耐性を向上させることが可能となる。また、炭素粒子２２としてダイヤモンド結晶構造を有する粒子を用いることで、プラグ１６の構造の強度をより高くし、カーボンナノチューブ間の熱伝導を向上させることができる。その結果、プラグ１６の熱的な安定性及び耐久性の向上を実現することが可能となる。
【００２２】
図３に示すように、カーボンナノチューブ等の導電部材２０の間に分散された炭素粒子２２が、Ｃ又はＣを含む結合部２６により導電部材２０と化学的に結合されることが望ましい。例えば、結合部２６は、炭素結合や架橋結合である。炭素粒子２２及び導電部材２０を結合部２６により結合することにより、プラグ１６の機械的強度が増加する。その結果、プラグ１６の断線が抑制され、信頼性を向上させることができる。
【００２３】
また、炭素粒子２２としてダイヤモンド粒子を用いる場合、図４に示すように、ダイヤモンド結晶核の表面にグラフェンやグラファイト等のｓｐ２結合を持つ導電性炭素膜２８を有することが望ましい。炭素粒子２２表面の炭素膜２８の導電性により、炭素粒子２２を介した導電部材２０間の電気伝導パスを付加することができる。これにより、特定の導電部材２０で局所的に過大電流が生じても、導電性の炭素膜２８を介して電流を分散することが可能となる。また、仮に導電部材２０が切断されても、導電部材２０間の炭素粒子２２を介して、電流パスが確保される。その結果、導電部材２０の電気伝導パスの低減を防止することができ、プラグ１６の低抵抗を保持できる。更に、炭素膜２８と導電部材２０をＣ不飽和結合を含む結合部２６により結合することにより、良好な電気伝導を確保することが可能となる。
【００２４】
このように、本発明の実施の形態では、配線構造の劣化を抑制することができ、高信頼性の半導体装置を実現することが可能となる。
【００２５】
次に、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を、図５〜図８に示す工程断面図を用いて説明する。
【００２６】
（イ）まず、半導体等の基板にトランジスタ等の回路パターンが形成される。形成された回路パターンの上に、化学気相成長（ＣＶＤ）等により、下地絶縁膜１０が堆積される。
【００２７】
（ロ）図５に示すように、蒸着、フォトリソグラフィ、及びドライエッチング等により、下地絶縁膜１０上に下部配線層である下部導電膜１２を形成する。下部導電膜１２上に絶縁膜（層間絶縁膜）１４を堆積する。
【００２８】
（ハ）図６に示すように、フォトリソグラフィ、ドライエッチング等により、層間絶縁膜１４に貫通孔１５を形成する。下部導電膜１２を下地層として、貫通孔１５内に露出した下部導電膜１２表面にＣｏ等の金属粒子を堆積して触媒金属層２４を形成する。金属粒子の平均直径は、例えば約５ｎｍ、堆積面密度は約１×１０１２ｃｍ−２である。化学気相成長（ＣＶＤ）等により、カーボンナノチューブ等の導電部材２０を層間絶縁膜１４表面のレベルを越すように貫通孔１５内の触媒金属層２４表面上に形成する。導電部材２０の平均直径は、金属粒子の平均直径に対応して約５ｎｍである。
【００２９】
（ニ）図７に示すように、炭素粒子２２を分散させたコロイド状の含浸液を貫通孔１５に滴下して真空引きしながら導電部材２０の間に含浸させる。含浸液を乾燥固化した後、化学機械研磨（ＣＭＰ）等により貫通孔１５からはみ出している導電部材２０を除去する。このようにして、導電部材２０の間に炭素粒子２２を分散させたプラグ１６が形成される。
【００３０】
（ホ）図８に示すように、蒸着、フォトリソグラフィ、及びドライエッチング等により、層間絶縁膜１４及びプラグ１６の表面上に上部配線層である上部導電膜１８を形成する。更に、必要とされる配線層が上部導電膜１８の上に形成され、半導体装置が製造される。
【００３１】
ここで、導電部材２０として堆積されるカーボンナノチューブは、下地の触媒金属層２４により直径及び堆積表面密度が制御される。例えば、アブレーション等により、平均粒径が約５ｎｍのＣｏ等の金属粒子を所望の面密度で堆積させて触媒金属層２４を形成する。あるいは、堆積したＣｏ等の金属薄膜を、所定の温度で加熱して凝集させることにより触媒金属層２４を形成してもよい。堆積した金属粒子上に選択的に平均直径が約５ｎｍのカーボンナノチューブを所望の面密度で束状に成長させることができる。
【００３２】
また、炭素粒子２２を分散させたコロイド状の含浸液は以下のようにして作製される。例えば、炭素粒子２２として、爆発法で形成されたダイヤモンド粒子を用いることができる。爆発法で得られるダイヤモンド粒子は凝集している。そのため、得られたダイヤモンド粒子を平均粒径が約４ｎｍの一次粒子に分解する。なお、爆発法によるダイヤモンド粒子の表面にはアモルファス炭素層が形成されている。例えば、約７００℃〜約１０００℃の加熱処理により、図４に示したように、炭素粒子２２としてのダイヤモンド粒子の表面に、導電性を示すグラフェンやグラファイト結晶構造の炭素膜２８を形成することができる。水を主成分とする分散媒にダイヤモンド粒子を分散させ、コロイド状の含浸液を作製する。
【００３３】
含浸液を貫通孔１５に含浸させる場合、カーボンナノチューブ及びダイヤモンド粒子表面を修飾基で修飾して、含浸液が含浸しやすいように親和性を揃えることが望ましい。通常、成長後のカーボンナノチューブは疎水性であることから、ダイヤモンド粒子の表面を疎水性にすることが望ましい。この場合、ダイヤモンド粒子を水素終端処理することで安定な疎水性表面が得られる。
【００３４】
また、ダイヤモンド粒子及びカーボンナノチューブそれぞれの表面にあらかじめ架橋用修飾基を導入しておき、紫外線や電子ビーム等の照射で修飾基を励起することにより、架橋結合構造を導入することができる。このような修飾基の励起方法は、すでに大規模集積回路（ＬＳＩ）等の半導体装置の製造工程に導入されており、レジスト硬化や低誘電率絶縁層の硬化に用いられている。
【００３５】
架橋の形成の一例としては、シラン処理によるアミノ基同士の結合を利用することができる。具体的には、ダイヤモンド粒子及びカーボンナノチューブそれぞれの表面をいったん酸処理などにより親水化する。これらの表面に、ガンマアミノプロピルトリエトキシシラン（γ−ＡＰＴＥＳ）を作用させてγ−ＡＰＴＥＳのエトキシ基を結合させる。これにより、アミノ基が末端の残基とする修飾基が表面に形成される。修飾基のアミノ基同士をグルタルアルデヒドを介して結合させることで架橋することができる。その後、紫外線や電子ビーム等の照射により、架橋結合構造を炭化し導電性の不飽和結合を含むＣ結合が形成される。
【００３６】
また、ダイヤモンド粒子及びカーボンナノチューブそれぞれの表面に炭化水素基、カルボニル基、シアノ基等の修飾基を結合させてもよい。紫外線や電子ビーム等の照射により、修飾基の結合を切り、相互に架橋、あるいは炭素結合させることができる。
【００３７】
本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法によれば、導電部材２０の間に炭素粒子２２を配置することにより、安定な機械的保持構造が形成される。炭素粒子２２は、導電部材２０としてのカーボンナノチューブと熱的化学的性質が近く、製造工程等への耐性を揃えることができる。また、炭素粒子２２をダイヤモンド粒子とすることで、配線構造の強度をより高くすることができる。また、導電部材２０間の熱伝導の向上ができ、熱的な安定性及び耐久性の向上が実現できる。
【００３８】
更に、炭素粒子２２としてのダイヤモンド粒子表面にｓｐ２結合をもつ炭素膜２８を形成することで、炭素粒子２２の表面に伝導性が付与される。そのため、炭素粒子２２を介した導電部材２０間の電気伝導パスを付加することができる。その結果、導電部材２０の束の中の特定の導電部材２０で過大電流が生じても、導電性の炭素粒子２２表面を介して電流が分散され局所的な発熱による導電部材２０の切断を防止することができる。仮に導電部材２０が切断しても、導電部材２０の間隙の炭素粒子２２を介して、電流パスが確保され、切断されたで導電部材２０の電気伝導を無駄することなく低抵抗を保持できる。
【００３９】
また、導電部材２０と炭素粒子２２間、及び炭素粒子２２間に架橋構造を設けることで、配線構造の安定性を増すことができる。更に、導電部材２０と炭素粒子２２間、及び炭素粒子２２間に電気伝導が可能なＣ不飽和結合を用いることで、構造の安定性とともに、電気伝導を確保することができる。
【００４０】
このように、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法によれば、カーボンナノチューブ束配線構造において避けがたい間隙の開いたカーボンナノチューブを炭素粒子を介して相互に結合し、配線の機械的強度を上げることができる。また、熱伝導係数の大きなカーボンナノチューブ及び炭素粒子を用いているため、配線の熱伝導及び熱分散を向上させることができる。更に、局所的なカーボンナノチューブの断線等の事態にも炭素粒子を電流パスとするバイパスライン経由での電気伝導パスが確保されるため、配線の高抵抗化を防止することができる。その結果、配線構造の破壊を低減し、半導体装置の信頼性を向上させることが可能となる。
【００４１】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００４２】
本発明の実施の形態においては、導電部材２０としてのカーボンナノチューブを下部及び上部配線層を接続する縦方向配線のプラグ１６に用いている。しかし、カーボンナノチューブは、配線層間接続用の縦方向配線に限定されない。例えば、下地層の表面に平行な横方向配線にも用いることが可能である。下地層表面に形成した垂直面に触媒金属層を堆積してカーボンナノチューブを成長させればよい。
【００４３】
また、本発明の実施の形態においては、半導体装置の製造方法について説明したが、半導体装置に限定されず、液晶装置、磁気記録媒体、光記録媒体、薄膜磁気ヘッド、超伝導素子、音響電気変換素子、等の電子装置の製造方法においても、本発明が適用できることは、上記説明から容易に理解できるであろう。
【００４４】
このように、本発明はここでは記載していないさまざまな実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係わる発明特定事項によってのみ定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態に係る半導体装置の一例を示す平面概略図である。
【図２】図１に示した半導体装置のＡ−Ａ断面を示す概略図である。
【図３】本発明の実施の形態の説明に用いる配線構造の一例を示す概略図である。
【図４】本発明の実施の形態の説明に用いる配線構造の一例を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図（その１）である。
【図６】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図（その２）である。
【図７】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図（その３）である。
【図８】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図（その４）である。
【符号の説明】
【００４６】
１０…下地絶縁膜
１２…下部導電膜（第１導電膜）
１４…層間絶縁膜
１５…貫通孔
１６…プラグ（配線）
１８…上部導電膜（第２導電膜）
２０…導電部材
２２…炭素粒子
２４…触媒金属層
２６…結合部
２８…炭素膜
【図１】
2008258433.tif 000003
【図２】
2008258433.tif 000004
【図３】
2008258433.tif 000005
【図４】
2008258433.tif 000006
【図５】
2008258433.tif 000007
【図６】
2008258433.tif 000008
【図７】
2008258433.tif 000009
【図８】
2008258433.tif 000010