(57)【要約】【課題】抵抗を低減することが可能な配線を提供する。【解決手段】第１導電膜１２と第１導電膜１２の上層の第２導電膜２６とを電気的に接続する配線２４であって、第１導電膜１２の上の複数の第１金属粒子１６と、複数の第１金属粒子１６のそれぞれを介して第１導電膜１２の表面に一端を接続する複数の導電部材１８と、複数の導電部材１８のそれぞれの他端側の側面上の複数の第２金属粒子２０と、複数の第２金属粒子２０のそれぞれを介して複数の導電部材１８のそれぞれの表面に一端を接続し、第２導電膜２６にそれぞれ接続する複数の導電部材２２とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電膜と前記第１導電膜の上層の第２導電膜とを電気的に接続する配線であって、
前記第１導電膜の上の複数の第１金属粒子と、
前記複数の第１金属粒子のそれぞれを介して前記第１導電膜の表面に一端を接続する複数の第１カーボンナノチューブと、
前記複数の第１カーボンナノチューブのそれぞれの他端側の側面上の複数の第２金属粒子と、
前記複数の第２金属粒子のそれぞれを介して前記複数の第１カーボンナノチューブのそれぞれの表面に一端を接続し、前記第２導電膜にそれぞれ接続する複数の第２カーボンナノチューブ
とを備えることを特徴とする配線。
【請求項２】
前記第２カーボンナノチューブの直径が、前記第１カーボンナノチューブの直径より小さいことを特徴とする請求項１に記載の配線。
【請求項３】
前記第１及び第２金属粒子が、鉄、ニッケル、コバルトのいずれか１つを少なくとも含む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】
前記第１及び第２金属粒子が、異なる金属材料であ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】
離間して配置された第１導電膜及び第２導電膜とを電気的に接続する配線であって、
前記第１及び第２導電膜の互いに対向するそれぞれの表面上の複数の第１金属粒子と、
前記複数の第１金属粒子のそれぞれを介して前記第１及び第２導電膜のそれぞれの表面に一端を接続し、前記第１及び第２導電膜の表面に直交するする方向において少なくとも互いの一部が重なるように互いに逆方向に延在する複数の第１カーボンナノチューブと、
前記第１カーボンナノチューブの側面上の複数の第２金属粒子と、
前記複数の第２金属粒子のそれぞれを介して前記互いに逆方向に延在する第１カーボンナノチューブのそれぞれに一端を接続した複数の第２カーボンナノチューブ
とを備え、前記複数の第２カーボンナノチューブにより、前記互いに逆方向に延在する複数の第１カーボンナノチューブが相互に電気的に接続されることを特徴とする配線。
【請求項６】
基板の上に設けられた第１導電膜からなる配線層と、
前記第１導電膜の上の複数の第１金属粒子、前記複数の第１金属粒子のそれぞれを介して前記第１導電膜の表面に一端を接続する複数の第１カーボンナノチューブ、前記複数の第１カーボンナノチューブのそれぞれの他端側の側面上の複数の第２金属粒子、前記複数の第２金属粒子のそれぞれを介して前記複数の第１カーボンナノチューブのそれぞれの表面に一端を接続する複数の第２カーボンナノチューブを含む配線と、
前記複数の第２カーボンナノチューブのそれぞれに接続され、前記第１導電膜の上層の配線層となる第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た層間絶縁膜を更に備え、前記配線は前記層間絶縁膜中に設けられた貫通孔中に配置され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導電膜表面に複数の第１金属粒子を形成する工程と、
前記複数の第１金属粒子のそれぞれの表面に一端が接続するように複数の第１カーボンナノチューブを堆積する工程と、
前記複数の第１カーボンナノチューブの他端側の側面に複数の第２金属粒子を塗布する工程と、
前記複数の第２金属粒子のそれぞれの表面に一端が接続するように複数の第２カーボンナノチューブを堆積する工程と、
前記複数の第２カーボンナノチューブの少なくとも一部に電気的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】
前記第１及び第２カーボンナノチューブが、炭素を含むガスを用いて堆積される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。
【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）等の半導体装置の配線材料として、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）等の金属材料に代えてカーボンナノチューブが提案され、開発が行われている（例えば、特許文献１参照。）。例えば、層間絶縁膜を用いた多層配線において、ビアに埋めこむ配線（プラグ）としてカーボンナノチューブが用いられる。ビアにカーボンナノチューブを埋めこむ場合、下部配線の導電膜からカーボンナノチューブを、例えばプラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）により、ビアの高さ程度に堆積させる。または、カーボンナノチューブをビアの高さを越えて堆積させた後に、化学機械研磨（ＣＭＰ）により平坦化を行う。
【０００３】
その後、プラグ上に導電膜を堆積して下部配線と電気的に接続する上部配線を形成する。この場合、上部配線の導電膜とカーボンナノチューブとの接触は上部端面に限られる。カーボンナノチューブは中空構造である。そのため、接触面積が小さくなり、カーボンナノチューブと上部配線との接触抵抗は大きく、良好なコンタクトを得ることは困難である。
【特許文献１】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】
【０００４】
本発明の目的は、抵抗を低減することが可能な配線、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】
【０００５】
本発明の第１の態様によれば、（イ）第１導電膜と第１導電膜の上層の第２導電膜とを電気的に接続する配線であって、（ロ）第１導電膜の上の複数の第１金属粒子と、（ハ）複数の第１金属粒子のそれぞれを介して第１導電膜の表面に一端を接続する複数の第１カーボンナノチューブと、（ニ）複数の第１カーボンナノチューブのそれぞれの他端側の側面上の複数の第２金属粒子と、（ホ）複数の第２金属粒子のそれぞれを介して複数の第１カーボンナノチューブのそれぞれの表面に一端を接続し、第２導電膜にそれぞれ接続する複数の第２カーボンナノチューブとを備える配線が提供される。
【０００６】
本発明の第２の態様によれば、（イ）離間して配置された第１導電膜及び第２導電膜とを電気的に接続する配線であって、（ロ）第１及び第２導電膜の互いに対向するそれぞれの表面上の複数の第１金属粒子と、（ハ）複数の第１金属粒子のそれぞれを介して第１及び第２導電膜のそれぞれの表面に一端を接続し、第１及び第２導電膜の表面に直交する方向において少なくとも互いの一部が重なるように互いに逆方向に延在する複数の第１カーボンナノチューブと、（ニ）第１カーボンナノチューブの側面上の複数の第２金属粒子と、（ホ）複数の第２金属粒子のそれぞれを介して互いに逆方向に延在する第１カーボンナノチューブのそれぞれに一端を接続した複数の第２カーボンナノチューブとを備え、（ヘ）複数の第２カーボンナノチューブにより、互いに逆方向に延在する複数の第１カーボンナノチューブが相互に電気的に接続される配線が提供される。
【０００７】
本発明の第３の態様によれば、（イ）基板の上に設けられた第１導電膜からなる配線層と、（ロ）第１導電膜の上の複数の第１金属粒子、複数の第１金属粒子のそれぞれを介して第１導電膜の表面に一端を接続する複数の第１カーボンナノチューブ、複数の第１カーボンナノチューブのそれぞれの他端側の側面上の複数の第２金属粒子、複数の第２金属粒子のそれぞれを介して複数の第１カーボンナノチューブのそれぞれの表面に一端を接続する複数の第２カーボンナノチューブを含む配線と、（ハ）複数の第２カーボンナノチューブのそれぞれに接続され、第１導電膜の上層の配線層となる第２導電膜とを備える電子装置が提供される。
【０００８】
本発明の第４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導電膜表面に第１金属粒子を形成する工程と、（ハ）複数の第１金属粒子のそれぞれの表面に一端が接続するように複数の第１カーボンナノチューブを堆積する工程と、（ニ）複数の第１カーボンナノチューブの他端側の側面に複数の第２金属粒子を塗布する工程と、（ホ）複数の第２金属粒子のそれぞれの表面に一端が接続するように複数の第２カーボンナノチューブを堆積する工程と、（ヘ）複数の第２カーボンナノチューブの少なくとも一部に電気的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】
【０００９】
本発明によれば、抵抗を低減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】
【００１０】
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。
【００１１】
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（下部配線層）１２、層間絶縁膜１４、配線（プラグ）２４、及び第２導電膜（上部配線層）２６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第１導電膜１２と層間絶縁膜１４上に設けられた配線層である第２導電膜２６とが、プラグ２４により電気的に接続される。層間絶縁膜１４は、プラグ２４が配置された貫通孔（ビア）１５を有する。
【００１２】
プラグ２４は、第１導電膜１２の上の複数の第１金属粒子１６、複数の第１金属粒子１６のそれぞれを介して第１導電膜１２の表面に一端を接続する複数の導電部材（第１カーボンナノチューブ）１８、複数の導電部材１８のそれぞれの他端側の側面上の複数の第２金属粒子２０、及び複数の第２金属粒子２０のそれぞれを介して複数の導電部材１８のそれぞれの表面に一端を接続する導電部材（第２カーボンナノチューブ）２２を含む。導電部材１８の他端部及び導電部材２２の一部が、層間絶縁膜１４の上に設けられた第２導電膜２６に接触して、互いに離間した第１及び第２導電部材が導電部材１８を介して電気的に接続される。
【００１３】
例えば、導電部材１８、２２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、導電部材２２は、導電部材１８の側面に配置された第２金属粒子２０から、導電部材１８の直径方向に延伸する。導電部材１８の平均直径Ｄａは約２ｎｍ〜約１０ｎｍ、望ましくは約４ｎｍ〜約６ｎｍの範囲である。導電部材２２の平均直径Ｄｂは約１ｎｍ〜約５ｎｍ、望ましくは約２ｎｍ〜約４ｎｍの範囲で、長さＬｂは約１ｎｍ以上である。低抵抗化のため、導電部材１８は、約８×１０１１ｃｍ−２〜約１．２×１０１２ｃｍ−２の範囲の面密度が望ましい。
【００１４】
第１及び第２金属粒子１６、２０は、カーボンナノチューブ成長のための触媒金属として作用する。第１及び第２金属粒子１６、２０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。第１及び第２金属粒子１６、２２には、異なる金属材料を用いることが望ましい。例えば、第１金属粒子１６としてＣｏを、第２金属粒子２０としてＮｉ又はＦｅを用いることが望ましい。
【００１５】
導電部材１８であるカーボンナノチューブの直径は、第１金属粒子１６の直径で制御される。したがって、第１金属粒子１６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。
【００１６】
同様に、導電部材２２であるカーボンナノチューブの直径は、第２金属粒子２０の直径で制御される。したがって、第２金属粒子２０の平均粒径は、約１ｎｍ〜約５ｎｍ、望ましくは約２ｎｍ〜約４ｎｍの範囲とされる。
【００１７】
また、第１導電膜１２、第２導電膜２６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。
【００１８】
図２及び図３に示したように、導電部材１８と共に、第２導電膜２６側の導電部材１８の側面に設けられた多数の導電部材２２を第２導電膜２６と接触させることができる。したがって、プラグ２４と第２導電膜２６の間の接触抵抗が、接触面積の増加により低減する。このように、本発明の実施の形態に係る配線を用いることにより、配線抵抗を低減でき、高性能の半導体装置を実現することが可能となる。
【００１９】
導電部材１８、２２に用いるカーボンナノチューブの成膜には、プラズマＣＶＤ法を用いることが望ましい。図４には、一例として表面波プラズマＣＶＤ装置を示す。マイクロ波導波路６０から導入されたマイクロ波はスリットアンテナ６２及びマイクロ波導入用石英窓６４を介して反応室に導入される。反応室内には炭素を含む原料ガス、例えばメタン（ＣＨ４）ガス、及び水素（Ｈ２）ガスがガス導入口７０より導入される。反応室内はガス流量とガス排気口６８に設置したガス圧力調整器（図示省略）により所定の圧力に維持される。基板２はヒータ内蔵サセプタ６６に設置され所定の温度に維持されている。例えば、カーボンナノチューブ成長条件は、ＣＨ４ガスを約１０ｓｃｃｍ、Ｈ２ガスを約９０ｓｃｃｍ、反応室内圧力を約９００Ｐａ、基板温度を約６００℃、マイクロ波電力は約１ｋＷである。
【００２０】
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９に示す工程断面図を用いて説明する。
【００２１】
（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、ＣＶＤ、及び蒸着等により、下地絶縁膜１０、第１導電膜１２、及び絶縁膜（層間絶縁膜）１４が順次堆積される。図５に示すように、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にビア１５を形成する。ビア１５内に露出した第１導電膜１２表面にＣｏ等の金属粒子を堆積して第１金属粒子１６を形成する。第１金属粒子１６の平均直径は、例えば約５ｎｍ、堆積面密度は約１×１０１２ｃｍ−２である。
【００２２】
（ロ）図６に示すように、表面波プラズマＣＶＤ等により、カーボンナノチューブを層間絶縁膜１４表面のレベル程度まで、ビア１５内の第１金属粒子１６表面上に成長させて導電部材１８を形成する。導電部材１８の平均直径は、第１金属粒子１６の平均直径に対応して約５ｎｍである。
【００２３】
（ハ）図７に示すように、Ｎｉ等の金属粒子を導電部材１８の側面に塗布して第２金属粒子２０を形成する。第２金属粒子２０の平均直径は、例えば約２〜約３ｎｍである。第２金属粒子２０は、塗布の際に複数の導電部材１８の間を通ってビア１５の底部方向に深くは到達できない。そのため、第２金属粒子２０は、ビア１５の底部側に比べ導電部材１８の先端部により高い密度で塗布される。
【００２４】
（ニ）図８に示すように、表面波プラズマＣＶＤ等により、カーボンナノチューブを第２金属粒子２０表面上に成長させて導電部材２２を形成する。導電部材２２の平均直径は、第２金属粒子２０の平均直径に対応して約２〜約３ｎｍである。導電部材２２の平均長さは、約１０ｎｍである。なお、導電部材１８の先端から更にカーボンナノチューブが成長することを防止するために、導電部材２２のカーボンナノチューブの成長条件を、導電部材１８のカーボンナノチューブ成長条件と異なる条件で行ってもよい。
【００２５】
（ホ）図９に示すように、スパッタリング、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２４の表面上に上部配線層である第２導電膜２６を形成する。更に、必要とされる配線層が第２導電膜２６の上に形成され、半導体装置が製造される。
【００２６】
ここで、導電部材１８として堆積されるカーボンナノチューブは、下地の第１金属粒子１６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第１金属粒子１６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第１金属粒子１６を形成してもよい。
【００２７】
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、第２導電膜２６側の導電部材１８の側面に多数の導電部材２２が形成される。そのため、第２導電膜２６は、導電部材１８だけでなく多数の導電部材２２とも接触する。したがって、プラグ２４と第２導電膜２６の間の接触抵抗は、接触面積の増加により低減する。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り、配線抵抗を低減でき、高性能の半導体装置を実現することが可能となる。
【００２８】
（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。
【００２９】
本発明の実施の形態においては、導電部材１８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２４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、下地絶縁膜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。
【００３０】
例えば、図１０に示すように、下地絶縁膜１０の表面に互いに対向する様に形成した導電膜１２ａ、１２ｂの側面に第１金属粒子１６ａ、１６ｂを堆積する。第１金属粒子１６ａ、１６ｂそれぞれの表面に導電部材１８ａ、１８ｂを下地絶縁膜１０の表面に実質的に平行な方向で少なくとも一部が重なるように成長させる。導電部材１８ａ、１８ｂそれぞれの側面に第２金属粒子２０ａ、２０ｂを塗布する。第２金属粒子２０ａ、２０ｂそれぞれの表面に導電部材２２ａ、２２ｂを成長させる。ここで、導電部材２２ａ、２２ｂを、互いに接触するような長さに成長させることにより、導電膜１２ａ、１２ｂの間の配線抵抗を低減することが可能となる。
【００３１】
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。
【００３２】
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】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態に係る配線の一例を示す平面概略図である。
【図２】図１に示した配線の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に係る配線の導電部材の成長に用いる装置の一例を示す概略図である。
【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。
【図９】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５）である。
【図１０】本発明のその他の実施の形態に係る配線の一例を示す断面概略図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０…下地絶縁膜
１２…第１導電膜
１４…層間絶縁膜
１５…貫通孔（ビア）
１６…第１金属粒子
１８…導電部材（第１カーボンナノチューブ）
２０…第２金属粒子
２２…導電部材（第２カーボンナノチューブ）
２４…配線（プラグ）
２６…第２導電膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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