(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に形成された素子領域と、
前記素子領域に形成された半導体素子と、
前記半導体基板上に形成され、前記半導体素子を覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜に埋め込まれ、前記素子領域上に直接形成され、又は、前記素子領域上に触媒層を介して形成された熱伝導体とを有し、
前記熱伝導体は、カーボンナノチューブより成り、
前記熱伝導体の上部に直接接続され、凹凸を表面に有する放熱板を更に有する
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体基板に形成された素子領域と、
前記素子領域に形成された半導体素子と、
前記半導体基板上に形成され、前記半導体素子を覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜に埋め込まれ、前記素子領域上に直接形成され、又は、前記素子領域上に触媒層を介して形成された熱伝導体と、
前記熱伝導体に熱的に接続され、凹凸を表面に有する放熱板とを有し、
前記熱伝導体は、カーボンナノチューブより成り、
前記熱伝導体に熱的に接続された他の熱伝導体を更に有し、
前記他の熱伝導体は、カーボンナノチューブより成り、
前記熱伝導体と前記他の熱伝導体とを熱的に接続する中継熱伝導体を更に有し、
少なくとも、前記熱伝導体と前記中継熱伝導体との間、又は、前記他の熱伝導体と前記中継熱伝導体との間に形成された絶縁膜を更に有し、
前記中継熱伝導体は、電気配線を兼ね、
前記熱伝導体と前記中継熱伝導体とは一部において互いに近接しており、
前記他の熱伝導体と前記中継熱伝導体とは一部において互いに近接しており、
前記絶縁膜は、前記熱伝導体と前記中継熱伝導体とが互いに近接している箇所における前記熱伝導体と前記中継熱伝導体との間、及び、前記他の熱伝導体と前記中継熱伝導体とが互いに近接している箇所における前記他の熱伝導体と前記中継熱伝導体との間に、それぞれ設けられている
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の半導体装置において、
前記熱伝導体に接続された熱電冷却素子を更に有する
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
半導体基板に素子領域を形成する工程と、
前記素子領域に半導体素子を形成する工程と、
前記半導体基板上に前記半導体素子を覆う絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に前記素子領域に達する開口部を形成する工程と、
前記開口部内に、カーボンナノチューブより成る熱伝導体を成長する工程と、
前記熱伝導体の上部に直接接続され、凹凸を表面に有する放熱板を形成する工程と
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５】
請求項１記載の半導体装置において、
前記絶縁膜に埋め込まれ、前記素子領域を画定する素子分離領域上に形成され、前記放熱板に熱的に接続された第２の熱導電体を更に有する
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項４記載の半導体装置の製造方法において、
前記熱伝導体を成長する工程は、前記開口部内に触媒層を形成する工程と；プラズマＣＶＤ法によりカーボンナノチューブを成長させる工程と；前記カーボンナノチューブ上の前記触媒層を除去する工程とを含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に係り、特に良好な放熱特性を有する半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩ等の半導体集積回路の集積度はムーアの法則に従って年々増加し続け、また、単位体積当たりの発熱量も演算速度の高速化の要求によりますます増加している。このため、半導体集積回路の発熱対策が、重要な課題となっている。
【０００３】
半導体集積回路における発熱は、基板としてＳＯＩ基板を用いると、一層深刻な問題となる。ＳＯＩ基板では、基板と半導体層との間に絶縁膜が形成されているため、半導体層上に形成された半導体素子から発生する熱を、基板側から放熱するのが困難となるためである。
【０００４】
また、携帯電話の基地局等に用いられる単体の高出力トランジスタ等においても、発熱対策は重要な課題である。発熱に伴って、性能が劣化し、信頼性が低下するためである。
【０００５】
従来より、発熱量の大きい半導体集積回路や高出力トランジスタに対しては、放熱板を付加したり、フィン型の空冷や水冷等の強制冷却機構が付加することにより、放熱を行ってきた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半導体集積回路においては、半導体基板上に多数積層された熱伝導率の低い層間絶縁膜により放熱が阻害される。また、化合物半導体を用いた高出力トランジスタにおいては、熱伝導性の低い保護膜により放熱が阻害される。このため、放熱板や強制冷却機構を付加したとしても、十分な放熱効率を実現することは困難であった。
【０００７】
なお、半導体基板の裏面側に大きな開口部を設け、開口部を介して放熱方法する技術も提案されているが、半導体基板の裏面側に大きな開口部を設けるのは必ずしも容易ではなく、製造工程の増加を招き、コストアップの要因となってしまう。
【０００８】
本発明の目的は、大幅なコストアップを招くことなく、良好な放熱特性を実現し得る半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、半導体基板に形成された素子領域と、前記素子領域に形成された半導体素子と、前記半導体基板上に形成され、前記半導体素子を覆う絶縁膜と、前記絶縁膜に埋め込まれ、前記素子領域上に直接形成され、又は、前記素子領域上に触媒層を介して形成された熱伝導体とを有し、前記熱伝導体は、カーボンナノチューブより成り、前記熱伝導体の上部に直接接続され、凹凸を表面に有する放熱板を更に有することを特徴とする半導体装置により達成される。
また、上記目的は、半導体基板に形成された素子領域と、前記素子領域に形成された半導体素子と、前記半導体基板上に形成され、前記半導体素子を覆う絶縁膜と、前記絶縁膜に埋め込まれ、前記素子領域上に直接形成され、又は、前記素子領域上に触媒層を介して形成された熱伝導体と、前記熱伝導体に熱的に接続され、凹凸を表面に有する放熱板とを有し、前記熱伝導体は、カーボンナノチューブより成り、前記熱伝導体に熱的に接続された他の熱伝導体を更に有し、前記他の熱伝導体は、カーボンナノチューブより成り、前記熱伝導体と前記他の熱伝導体とを熱的に接続する中継熱伝導体を更に有し、少なくとも、前記熱伝導体と前記中継熱伝導体との間、又は、前記他の熱伝導体と前記中継熱伝導体との間に形成された絶縁膜を更に有し、前記中継熱伝導体は、電気配線を兼ね、前記熱伝導体と前記中継熱伝導体とは一部において互いに近接しており、前記他の熱伝導体と前記中継熱伝導体とは一部において互いに近接しており、前記絶縁膜は、前記熱伝導体と前記中継熱伝導体とが互いに近接している箇所における前記熱伝導体と前記中継熱伝導体との間、及び、前記他の熱伝導体と前記中継熱伝導体とが互いに近接している箇所における前記他の熱伝導体と前記中継熱伝導体との間に、それぞれ設けられていることを特徴とする半導体装置により達成される。
【００１１】
また、上記目的は、前記素子領域に半導体素子を形成する工程と、前記半導体基板上に前記半導体素子を覆う絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に前記素子領域に達する開口部を形成する工程と、前記開口部内に、カーボンナノチューブより成る熱伝導体を成長する工程と、前記熱伝導体の上部に直接接続され、凹凸を表面に有する放熱板を形成す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により達成される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による半導体装置及びその製造方法を図１乃至図７を用いて説明する。図１は、本実施形態による半導体装置を示す断面図である。
【００１４】
（半導体装置）
まず、本実施形態による半導体装置について図１を用いて説明する。
【００１５】
図１に示すように、例えばシリコンより成る半導体基板１０の表面には、素子領域１２を画定する素子分離領域１４が形成されている。
【００１６】
素子分離領域１４により画定された素子領域１２には、ｎ形ウェル１６ａ及びｐ形ウェル１ｂが形成されている。
【００１７】
ｎ形ウェル１６ａには、ゲート電極２０ａとソース／ドレイン拡散層２２ａとを有するｐチャネルのトランジスタ２４ａが形成されている。また、ｎ形ウェル１６ａには、ｐ形のドーパント不純物が高濃度に導入されたコンタクト層２６ａが形成されている。
【００１８】
ｐ形ウェル１６ｂには、ゲート電極２０ｂとソース／ドレイン拡散層２２ｂとを有するｎチャネルのトランジスタ２４ｂが形成されている。また、ｐ形ウェル１６ｂには、ｎ形のドーパント不純物が高濃度に導入されたコンタクト層２６ｂが形成されている。
【００１９】
また、素子分離領域１４上には、電極２８が形成されている。電極２８は、例えば発熱量の大きい半導体素子（図示せず）に接続されている。
【００２０】
トランジスタ２４ａ、２４ｂ等が形成された半導体基板１０上には、例えばＳｉＯ2より成る層間絶縁膜３０ａ〜３０ｆが順次積層されている。
【００２１】
それぞれの層間絶縁膜３０ａ〜３０ｆ上には、例えばＣｕよりなる配線３２が適宜形成されている。
【００２２】
配線３２は、層間絶縁膜３０ａ〜３０ｆに埋め込まれたビア３４を介して、他の配線３２、ソース／ドレイン拡散層２２ａ、２２ｂ、コンタクト層２６ａ、２６ｂ等に、適宜接続されている。
【００２３】
層間絶縁膜３０ｆ上には、例えばＳｉＯ2より成る保護膜３６が形成されている。
【００２４】
保護膜３６及び層間絶縁膜３０ａ〜３０ｆには、開口部３８ａ、３８ｂが形成されている。開口部３８ａは、例えば電極２８に達するように形成されている。また、開口部３８ｂは、トランジスタ２４ａの近傍における半導体基板１０の表面に達するように形成されている。開口部３８ａ、３８ｂの径は、例えば０．１μｍとなっている。
【００２５】
開口部３８ａ、３８ｂには、カーボンナノチューブの束より成る柱状の熱伝導体４２が埋め込まれている。
【００２６】
図１（ｂ）は、開口部３８ａ、３８ｂに埋め込まれた熱伝導体４２を示す斜視図である。
【００２７】
図１（ｂ）に示すように、熱伝導体４２は、複数のカーボンナノチューブ４０の束により構成されている。カーボンナノチューブ４０の直径は、例えば１ｎｍ程度となっている。熱伝導体４２は、数百から数千本のカーボンナノチューブ４０が束になって構成されている。
【００２８】
ここで、カーボンナノチューブについて説明する。
【００２９】
カーボンナノチューブは、自己組織的に形成されたナノ構造体であって、炭素元素から構成される線状構造体である。カーボンナノチューブは、円筒状になっている。カーボンナノチューブは、ユニークな物性を有していることから注目を浴びている新しい炭素系材料である。カーボンナノチューブは、炭素原子同士が最も結合力の強いｓｐ２ボンドで６員環状に組み上げられたグラフェンシートを筒状にした構造を有している。カーボンナノチューブの直径は最小で０．４ｎｍ程度であり、カーボンナノチューブの長さは数１００μｍ程度のものが知られている。寸法のばらつきが極めて小さいこともカーボンナノチューブの特徴として挙げられる。また、カーボンナノチューブは、カイラリティの違いによって、電気伝導が半導体的なものから金属的なものまで幅広く変化する。
【００３０】
カーボンナノチューブの熱伝導率は、３０Ｗ／（ｃｍ・Ｋ）以上と極めて高い。
【００３１】
図２は、鉄、銀、ダイヤモンドの熱伝導率を示すグラフである。
【００３２】
図２から分かるように、純粋なダイヤモンドである12Ｃの熱伝導率は、約３０Ｗ／（ｃｍ・Ｋ）である。カーボンナノチューブは、純粋なダイヤモンドである12Ｃに匹敵する極めて高い熱伝導率を有している。
【００３３】
図３は、カーボンナノチューブの直径と熱伝導率との関係を示すグラフである。図３の横軸はカーボンナノチューブの直径を示しており、図３の縦軸はカーボンナノチューブの熱伝導率を示している。
【００３４】
なお、図３は、Thermal Conductivity of Carbon Nanotubes, Jianwei Che, Tahir Cagin, and William A. Goddard III, http://www.foresight.org/Conferences/MNT7/Papers/Che/index.htmlから引用したものである。
【００３５】
このように熱伝導率の極めて高い材料であるカーボンナノチューブを熱伝導体４２の材料として用いることにより、トランジスタ２４ａ、２４ｂ等の半導体素子等において発生する熱を効果的に放熱することが可能となる。
【００３６】
なお、ここでは、図１（ａ）における紙面左側の熱伝導体４２を電極２８に接続し、図１（ａ）における紙面右側の熱伝導体４２をトランジスタ２４ａの近傍における半導体基板１０の表面に接続したが、熱伝導体４２を接続する箇所はこれらに限定されるものではない。所望の放熱を実現し得るよう、適切な箇所に熱伝導体４２を接続すればよい。
【００３７】
保護膜３６上及び熱伝導体４２上には、例えばアルミニウムより成る放熱板４４が形成されている。放熱板４４には、大きな表面積を確保すべく凹凸４５が形成されている。
【００３８】
放熱板４４は、空気や水等の熱浴４６に接するようになっている。
【００３９】
本実施形態による半導体装置は、カーボンナノチューブ４０の束より成る熱伝導体４２が層間絶縁膜３０ａ〜３０ｆに埋め込まれていることに主な特徴がある。
【００４０】
従来の半導体装置では、トランジスタ等の半導体素子等において発生する熱を必ずしも効果的に放熱することはできなかった。
【００４１】
これに対し、本実施形態によれば、極めて熱伝導率が高い材料であるカーボンナノチューブ４０の束より成る熱伝導体４２が層間絶縁膜３０ａ〜３０ｆに埋め込まれているため、トランジスタ２４ａ、２４ｂ等の半導体素子等において発生する熱を効果的に放熱することができる。従って、本実施形態によれば、放熱特性の良好な半導体装置を提供することができる。
【００４２】
（半導体装置の製造方法）
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法を図４乃至図７を用いて説明する。図４乃至図７は、本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【００４３】
まず、図４（ａ）に示すように、例えばシリコンより成る半導体基板１０の表面に、素子領域１２を画定する素子分離領域１４を形成する。
【００４４】
次に、素子分離領域１４により画定された素子領域１２に、ｎ形ウェル１６ａ及びｐ形ウェル１６ｂを形成する。
【００４５】
次に、ｎ形ウェル１６ａに、ゲート電極２０ａとソース／ドレイン拡散層２２ａとを有するｐチャネルのトランジスタ２４ａを形成する。また、ｎ形ウェル１６ａに、ｐ形のドーパント不純物が高濃度に導入されたコンタクト層２６ａを形成する。
【００４６】
また、ｐ形ウェル１６ｂに、ゲート電極２０ｂとソース／ドレイン拡散層２２ｂとを有するｎチャネルのトランジスタ２４ｂを形成する。また、ｐ形ウェル１６ｂに、ｎ形のドーパント不純物が高濃度に導入されたコンタクト層２６ｂを形成する。
【００４７】
また、電極２８等を適宜形成する。これにより、例えば発熱量の大きい半導体素子（図示せず）に接続された電極２８が、例えば素子分離領域１４上に形成される。
【００４８】
次に、トランジスタ２４ａ、２４ｂ等が形成された半導体基板１０上に、例えばＳｉＯ2より成る層間絶縁膜３０ａ〜３０ｆや、例えばＣｕより成る配線３２等を適宜形成する。配線３２を、層間絶縁膜３０ａ〜３０ｆに埋め込まれたビア３４を介して、他の配線３２、ソース／ドレイン拡散層２２ａ、２２ｂ、コンタクト層２６ａ、２６ｂ等に、適宜接続する。
【００４９】
次に、全面に、例えばＣＶＤ法により、ＳｉＯ2より成る保護膜３６を形成する。
【００５０】
次に、図４（ｂ）に示すように、全面に、例えばスピンコート法により、フォトレジスト膜４８を形成する。この後、フォトリソグラフィ技術を用い、フォトレジスト膜４８をパターニングする。これにより、フォトレジスト膜４８に、保護膜に達する開口部５０が形成される。なお、開口部５０は、カーボンナノチューブ４０より成る熱伝導体４２を埋め込むための開口部３８ａ、３８ｂを保護膜３６及び層間絶縁膜３０ａ〜３０ｆに形成するためのものである。
【００５１】
次に、図５（ａ）に示すように、フォトレジスト膜４８をマスクとし、例えばプラズマエッチング法により、保護膜３６及び層間絶縁膜３０ａ〜３０ｆをエッチングする。これにより、例えば電極２８に達する開口部３８ａと、例えばトランジスタ２４ａの近傍における半導体基板１０の表面に達する開口部３８ｂとが形成される。なお、エッチングガスとしては、例えばＳＦ6を用いることができる。
【００５２】
次に、全面に、例えば蒸着法により、触媒層５２を形成する。触媒層５２は、カーボンナノチューブを成長するためのものである。なお、触媒層５２の材料としては、例えばＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏ等の遷移金属又はこれらの化合物合金を適宜用いることができる。触媒層５２の厚さは、例えば数原子層分とすればよい。
【００５３】
次に、フォトレジスト膜４８をリフトオフすることにより、不要な触媒層５２を除去する。こうして、触媒層５２が、開口部３８ａ、３８ｂの底面のみに形成される。
【００５４】
次に、図５（ｂ）に示すように、例えば熱ＣＶＤ法により、触媒層５２上に、カーボンナノチューブ４０より成る熱伝導体４２を成長する。熱伝導体４２は、例えば保護膜３６の上面より上方にまで成長する。原料ガスとしては、例えばアセチレンガスを用いることができる。成長温度としては、例えば４００〜６００℃程度とすればよい。こうして、開口部３８ａ、３８ｂに、カーボンナノチューブ４０より成る熱伝導体４２が形成される。触媒層５２は、カーボンナノチューブ４０の根本、即ち開口部３８ａ、３８ｂの底面に残ることとなる。
【００５５】
なお、ここでは、カーボンナノチューブ４０を熱ＣＶＤ法により形成する場合を例に説明したが、カーボンナノチューブ４０は熱ＣＶＤ法のみならず、他の成長方法によっても形成することが可能である。例えば、プラズマＣＶＤ法によりカーボンナノチューブ４０を形成することも可能である。この場合、原料ガスとしては、例えばメタンガスを用いることができる。成長温度は、例えば４００〜６００℃程度とすればよい。プラズマＣＶＤ法によりカーボンナノチューブ４０を形成した場合には、触媒層５２は、カーボンナノチューブ４０の先端、即ち熱伝導体４２の上端に残ることとなる。
【００５６】
次に、図６（ａ）に示すように、アルゴンイオンミリング法により、保護膜３６上に突出している熱伝導体４２を部分的にエッチング除去する。保護膜３６上に突出している熱伝導体４２を部分的にエッチング除去するためには、基板面に対して斜めの方向からＡｒイオンを入射すればよい。
【００５７】
次に、全面に、例えば真空蒸着法により、厚さ１μｍ程度のアルミニウムより成る金属層５４を形成する。
【００５８】
次に、全面に、スピンコート法により、フォトレジスト膜５６を形成する。この後、フォトリソグラフィ技術を用い、フォトレジスト膜５６を例えばストライプ状にパターニングする。
【００５９】
次に、フォトレジスト膜５６をマスクとして、金属層５４を一定の深さまでエッチングする。これにより、金属層５４の表面に凹凸４５が形成され、金属層５４の表面積が大きくなる。
【００６０】
こうして、図７に示すように、金属層５４より成る放熱板４４が形成される。
【００６１】
このようにして、本実施形態による半導体装置が製造される。
【００６２】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による半導体装置及びその製造方法を図８乃至図１２を用いて説明する。図８は、本実施形態による半導体装置を示す断面図である。図９乃至図１２は、本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。図１乃至図７に示す第１実施形態による半導体装置及びその製造方法と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
【００６３】
本実施形態による半導体装置は、複数の熱伝導体４２ａ、４２ｂが、基板に対して水平方向に延在する配線３２ａを介して直列に接続されていることに主な特徴がある。
【００６４】
図８に示すように、層間絶縁膜３０ａには、例えばトランジスタ２４ａの近傍における半導体基板１０の表面に達する開口部３８ｃが形成されている。開口部３８ｃ内には、カーボンナノチューブ４０の束より成る熱伝導体４２ａが埋め込まれている。
【００６５】
層間絶縁膜３０ｅ上には、例えばＣｕより成る配線３２ａが形成されている。配線３２ａは、熱伝導体４２ａに接続されている。
【００６６】
層間絶縁膜３０ｅ、３０ｆ及び保護膜３６には、配線３２ａに達する開口部３８ｄが形成されている。開口部３８ｄ内には、カーボンナノチューブ４０の束より成る熱伝導体４２ｂが埋め込まれている。熱伝導体４２ｂは、配線３２ａを介して、熱伝導体４２ａに直列に接続されている。配線３２ａは、通常の電気配線として機能するとともに、熱伝導体４２ａと熱伝導体４２ｂとを熱的に接続する中継熱伝導体としても機能する。
【００６７】
こうして本実施形態による半導体装置が構成されている。
【００６８】
本実施形態による半導体装置は、上述したように、複数の熱伝導体４２ａ、４２ｂが、配線３２ａを介して直列に接続されていることに主な特徴がある。
【００６９】
第１実施形態による半導体装置では、一本の熱伝導体４２を保護膜３６の表面から半導体基板１０の表面に達するように形成するため、熱伝導体４２を埋め込む領域を確保するのが必ずしも容易ではなかった。殊に配線層数が多くなるほど、熱伝導体４２を埋め込むための領域を確保するのは困難になる傾向がある。
【００７０】
これに対し、本実施形態によれば、基板に対して水平方向に延在する配線３２ａを介して、熱伝導体４２ａと熱伝導体４２ｂとを直列に接続するため、熱伝導体を埋め込む領域を確保するのが容易となる。従って、本実施形態によれば、レイアウトの自由度を向上することができる。
【００７１】
（半導体装置の製造方法）
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法を図９乃至図１２を用いて説明する。
【００７２】
まず、層間絶縁膜３０ｅを形成する工程までは、図４（ａ）を用いて上述した半導体装置の製造方法とほぼ同様であるので、説明を省略する。
【００７３】
次に、図９（ａ）に示すように、全面に、スピンコート法により、フォトレジスト膜５８を形成する。この後、フォトリソグラフィ技術を用い、フォトレジスト膜５８をパターニングする。これにより、フォトレジスト膜に、層間絶縁膜３０ｅに達する開口部６０が形成される。なお、開口部６０は、カーボンナノチューブ４０の束より成る熱伝導体４２ａを埋め込むための開口部３８ｃを層間絶縁膜３０ａ〜３０ｅに形成するためのものである。
【００７４】
次に、フォトレジスト膜５８をマスクとし、例えばプラズマエッチング法により、層間絶縁膜３０ａ〜３０ｅをエッチングする。これにより、例えば半導体基板１０の表面に達する開口部３８ｃが形成される。なお、エッチングガスとしては、上記と同様に、例えばＳＦ6を用いることができる。
【００７５】
次に、図９（ｂ）に示すように、全面に、例えば蒸着法により、触媒層６２を形成する。
【００７６】
次に、フォトレジスト膜５８をリフトオフすることにより、不要な触媒層６２を除去する。
【００７７】
次に、図９（ｃ）に示すように、例えばプラズマＣＶＤ法により、開口部３８ｃ内にカーボンナノチューブ４０より成る熱伝導体４２ａを成長する。これにより、開口部３８ｃ内に、カーボンナノチューブ４０の束より成る熱伝導体４２ａが埋め込まれる。なお、図９（ｃ）乃至図１２では触媒層６２は省略されている。
【００７８】
次に、図１０（ａ）に示すように、例えば膜厚５００ｎｍのＳｉＯ2より成る絶縁膜６４を形成する。
【００７９】
次に、全面に、例えばスピンコート法により、フォトレジスト膜６６を形成する。この後、フォトリソグラフィ技術を用い、フォトレジスト膜６６をパターニングする。これにより、フォトレジスト膜６８に開口部６８が形成される。
【００８０】
次に、フォトレジスト膜６６をマスクとして、絶縁膜６４をエッチングする。これにより、絶縁膜６４に、配線３２、３２ａを埋め込むための溝７０が形成される。
【００８１】
次に、図１０（ｂ）に示すように、全面に、例えばスピンコート法により、フォトレジスト膜７２を形成する。この後、フォトリソグラフィ技術を用い、フォトレジスト膜７２をパターニングする。これにより、フォトレジスト膜７２に、層間絶縁膜３０ｅにコンタクトホール７４ａ、７４ｂを形成するための開口部７６が形成される。
【００８２】
次に、フォトレジスト膜７２をマスクとして、層間絶縁膜３０ｅをエッチングする。これにより、層間絶縁膜３０ｅに、配線３２に達するコンタクトホール７４ａと、ビア３４に達するコンタクトホール７４ｂとが形成される。
【００８３】
次に、図１０（ｃ）に示すように、デュアルダマシン法により、溝７０内及びコンタクトホール７４ａ、７４ｂ内に、配線３２、３２ａ及びビア３４を埋め込む。具体的には、まず、全面に、例えばスパッタ法により、例えばＴｉより成るシード層（図示せず）を形成する。この後、めっき法により、例えば厚さ１μｍのＣｕ層を形成する。この後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing、化学的機械的研磨）により、絶縁膜６４の表面が露出するまでＣｕ層を研磨する。こうして、溝７０内及びコンタクトホール７４ａ、７４ｂ内に、配線３２、３２ａ及びビア３４が埋め込まれる。
【００８４】
次に、図１１（ａ）に示すように、層間絶縁膜３０ｆ、配線３２、ビア３４及び保護膜３６を適宜形成する。
【００８５】
次に、全面に、スピンコート法により、フォトレジスト膜７８を形成する。この後、フォトリソグラフィ技術を用い、フォトレジスト膜７８をパターニングする。これにより、フォトレジスト膜７８に、保護膜３６に達する開口部８０が形成される。なお、開口部８０は、カーボンナノチューブ４０より成る熱伝導体４２ｂを埋め込むための開口部３８ｄを、保護膜３６及び層間絶縁膜３０ｅ、３０ｆに形成するためのものである。
【００８６】
次に、フォトレジスト膜７８をマスクとし、例えばプラズマエッチング法により、保護膜３６及び層間絶縁膜３０ｅ、３０ｆをエッチングする。これにより、例えば配線３２ａに達する開口部３８ｄが形成される。なお、エッチングガスとしては、上記と同様に、例えばＳＦ６を用いることができる。
【００８７】
次に、全面に、例えば蒸着法により、触媒層８２を形成する。これにより、開口部３８ｄの底面に触媒層８２が形成される。
【００８８】
次に、フォトレジスト膜７８をリフトオフすることにより、不要な触媒層８２を除去する。
【００８９】
次に、図１１（ｂ）に示すように、例えばプラズマＣＶＤ法により、開口部３８ｄ内に、カーボンナノチューブ４０の束より成る熱伝導体４２ｂを形成する。なお、図１１（ｂ）乃至図１２では、触媒層８２は省略されている。
【００９０】
次に、アルゴンイオンミリング法により、保護膜３６上に突出して熱伝導体４２ｂを除去する。
【００９１】
次に、図６（ｂ）及び図７を用いて上述した半導体装置の製造方法と同様にして、放熱板４４を形成する（図１２参照）。
【００９２】
こうして、本実施形態による半導体装置が製造される。
【００９３】
（変形例（その１））
次に、本実施形態による半導体装置の変形例（その１）を図１３を用いて説明する。図１３は、本変形例による半導体装置を示す断面図である。
【００９４】
本変形例による半導体装置は、中継熱伝導体として機能する配線３２ａと熱伝導体４２ａ、４２ｂとの間に、それぞれ薄い絶縁膜８４ａ、８４ｂが形成されていることに主な特徴がある。
【００９５】
図１３に示すように、熱伝導体４２ａと配線３２ａとの間には、例えばＳｉＯ2より成る膜厚５ｎｍの絶縁膜８４ａが形成されている。なお、図中の矢印は、熱の伝達経路を示している。
【００９６】
また、配線３２ａと熱伝導体４２ｂとの間にも、例えばＳｉＯ2より成る膜厚５ｎｍの絶縁膜８４ｂが形成されている。
【００９７】
このように、本変形例によれば、熱伝導体４２ａ、４２ｂと配線３２ａとの間にそれぞれ絶縁膜８４ａ、８４ｂが形成されているため、熱伝導体４２ａ、４２ｂと配線３２ａとを電気的に絶縁することができる。しかも、絶縁膜８４ａ、絶縁膜８４ｂは薄いため、熱伝導体４２ａと配線３２ａとの間の熱的な接続や配線３２ａと熱伝導体４２ｂとの間の熱的な接続を大きく阻害することはない。従って、本変形例によれば、熱伝導体４２ａ、４２ｂと配線３２ａとの電気的な絶縁性を確保しつつ、熱伝導体４２ａと熱伝導体４２ｂとを熱的に接続することができる。
【００９８】
（変形例（その２））
次に、本実施形態による半導体装置の変形例（その２）を図１４を用いて説明する。図１４は、本変形例による半導体装置を示す断面図である。
【００９９】
本変形例による半導体装置は、カーボンナノチューブの束より成る配線３２ｂを用いて、熱伝導体４２ａと熱伝導体４２ｂとが熱的に接続されていることに主な特徴がある。
【０１００】
図１４に示すように、層間絶縁膜３０ｅ上には、カーボンナノチューブの束より成る配線３２ａが形成されている。配線３２ａを構成するカーボンナノチューブは、基板面に対して水平方向に成長されている。カーボンナノチューブを基板面に対して水平方向に成長するためには、基板面に水平な方向に電界を印加しつつ、例えばプラズマＣＶＤ法又は熱ＣＶＤ法によりカーボンナノチューブを成長すればよい。
【０１０１】
カーボンナノチューブの束より成る配線３２ｂは、絶縁膜８４ａ、８４ｂを介して、それぞれ熱伝導体４２ａ、４２ｂに熱的に接続されている。
【０１０２】
図８又は図１３に示す半導体装置では、例えばＣｕより成る配線３２ａを介して、熱伝導体４２ａと熱伝導体４２ｂとを熱的に接続していた。配線３２ａの材料として用いられている例えばＣｕは、カーボンナノチューブと比較して熱伝導率が低いため、必ずしも良好な熱伝導性が得られない場合もあり得る。
【０１０３】
これに対し、本変形例では、極めて熱伝導率の高い材料であるカーボンナノチューブを配線３２ｂの材料として用いているため、熱伝導体４２ａと熱伝導体４２ｂとを配線３２ｂを介して熱的に接続する場合であっても、良好な熱伝導性を得ることができる。
【０１０４】
従って、本変形例によれば、より良好な放熱特性を有する半導体装置を提供することができる。
【０１０５】
（変形例（その３））
次に、本実施形態による半導体装置の変形例（その３）を図１５を用いて説明する。図１５は、本変形例による半導体装置を示す断面図である。
【０１０６】
本変形例による半導体装置は、熱伝導体４２ａと熱伝導体４２ｂとを熱的に接続する中継熱伝導体４２ｃが、熱伝導体４２ａ、４２ｂと一体に形成されていることに主な特徴がある。
【０１０７】
図１５に示すように、層間絶縁膜３０ｅ上には、基板に対して水平な方向に成長されたカーボンナノチューブの束より成る中継熱伝導体４２ｃが形成されている。中継熱伝導体４２ｃは、熱伝導体４２ａと一体に形成されている。中継熱伝導体４２ｃは、配線３２と別個に形成されている。
【０１０８】
基板に対して水平な方向に、しかも熱伝導体４２ａと一体にカーボンナノチューブを成長するためには、熱伝導体４２ａを形成した後に、基板面に対して水平な方向に電界を印加しつつ、例えばプラズマＣＶＤ法又は熱ＣＶＤ法により、カーボンナノチューブを成長すればよい。このようにしてカーボンナノチューブを成長すれば、熱伝導体４２ａと一体に中継熱伝導体４２ｃが形成される。
【０１０９】
中継熱伝導体４２ｃの端部には、基板に対して垂直な方向に成長された熱伝導体４２ｂが形成されている。熱伝導体４２ｂは、中継熱伝導体４２ｃと一体に形成されている。
【０１１０】
熱伝導体４２ｂを中継熱伝導体４２ｃと一体に形成するためには、熱伝導体４２ｃを形成した後に、基板面に対して垂直な方向に電界を印加しつつ、例えばプラズマＣＶＤ法又は熱ＣＶＤ法により、カーボンナノチューブを成長すればよい。
【０１１１】
このように、熱伝導体４２ａと中継熱伝導体４２ｂと熱伝導体４２ｃとを一体に形成してもよい。
【０１１２】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による半導体装置及びその製造方法を図１６乃至図１９を用いて説明する。図１６は、本実施形態による半導体装置を示す断面図である。図１７乃至図１９は、本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。図１乃至図１５に示す第１又は第２実施形態による半導体装置及びその製造方法と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
【０１１３】
（半導体装置）
まず、本実施形態による半導体装置について図１６を用いて説明する。
【０１１４】
本実施形態による半導体装置は、熱伝導体４２ｄが半導体基板１０に埋め込まれており、半導体基板１０の下面側から放熱し得ることに主な特徴がある。
【０１１５】
図１６に示すように、半導体基板１０に、カーボンナノチューブの束より成る熱伝導体４２ｄが埋め込まれている。
【０１１６】
熱伝導体４２ｄが埋め込まれた半導体基板１０の下面には、放熱板４４ａが形成されている。
【０１１７】
放熱板４４は、空気や水等の熱浴４６に接する。
【０１１８】
こうして本実施形態による半導体装置が構成されている。
【０１１９】
本実施形態では、熱伝導体４２ｄを半導体基板１０に埋め込むため、熱伝導体４２ａを埋め込む箇所の自由度が極めて高い。従って、本実施形態によれば、設計におけるレイアウトの容易化を図ることができる。
【０１２０】
（半導体装置の製造方法）
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法を図１７乃至図１９を用いて説明する。
【０１２１】
まず、図１７（ａ）に示すように、半導体基板１０上に、トランジスタ２４ａ、２４ｂ等を形成する。この後、全面に、層間絶縁膜３０ａを形成する。
【０１２２】
次に、図１７（ｂ）に示すように、半導体基板１０の上下を反転する。
【０１２３】
次に、スピンコート法により、全面に、フォトレジスト膜８６を形成する。
この後、フォトリソグラフィ技術を用い、フォトレジスト膜８６をパターニングする。これにより、フォトレジスト膜８６に、半導体基板１０に達する開口部８８が形成される。なお、開口部８８は、カーボンナノチューブ４２ｄを埋め込むための開口部９０を半導体基板１０に形成するためのものである。
【０１２４】
次に、フォトレジスト膜８６をマスクとし、例えばプラズマエッチング法により、半導体基板１０をエッチングする。これにより、層間絶縁膜３０ａに達する開口部９０ａ、９０ｂと、素子分離領域１４に達する開口部９０ｃ、９０ｄとが形成される。
【０１２５】
次に、図１７（ｃ）に示すように、全面に、例えば蒸着法により、触媒層９２を形成する。
【０１２６】
次に、フォトレジスト膜８６をリフトオフすることにより、不要な触媒層９２を除去する。
【０１２７】
次に、図１７（ｄ）に示すように、例えばプラズマＣＶＤ法により、開口部９０ａ〜９０ｄに、カーボンナノチューブの束より成る熱伝導体４２ｄを形成する。プラズマＣＶＤ法によりカーボンナノチューブを成長するため、触媒層９２は熱伝導体４２ｄの上端に残る。
【０１２８】
次に、図１８（ａ）に示すように、アルゴンイオンミリング法により、半導体基板１０から突出している熱伝導体４２ｄ及び触媒層９２を除去する。
【０１２９】
次に、図１８（ｂ）に示すように、全面に、例えば真空蒸着法により、厚さ１μｍのアルミニウムより成る金属層を形成する。こうして、金属層より成る放熱板４４ａが形成される。
【０１３０】
この後、半導体基板１０の上下を反転する。
【０１３１】
この後、図４（ａ）を用いて上述した半導体装置の製造方法と同様にして、層間絶縁膜３０ｂ〜３０ｆ、配線３２、ビア３４、保護膜３６等を適宜形成する（図１９参照）。
【０１３２】
こうして、本実施形態による半導体装置が製造される。
【０１３３】
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による半導体装置を図２０を用いて説明する。図２０は、本実施形態による半導体装置を示す断面図である。図１乃至図１９に示す第１乃至第３実施形態による半導体装置及びその製造方法と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
【０１３４】
本実施形態による半導体装置は、熱伝導体４２の上端が熱電冷却素子であるペルチェ素子９４に接続されていることに主な特徴がある。
【０１３５】
ペルチェ素子９４とは、ｐ形及びｎ形半導体を熱的に並列に配置して、電気的に直列に接続して電流を流すと、ペルチェ効果によって、吸熱（冷却）と放熱（加熱）が生じる素子のことである。
【０１３６】
図２０に示すように、層間絶縁膜３０ｆ上には、層間絶縁膜３０ｇが形成されている。
【０１３７】
層間絶縁膜３０ｇには、ペルチェ素子９４が埋め込まれている。ペルチェ素子９４の下面側は低温側であり、ペルチェ素子９４の上面側は高温側である。
【０１３８】
熱伝導体４２の上面は、ペルチェ素子９４の下面、即ち低温側に接続されている。
【０１３９】
層間絶縁膜３０ｇ上及びペルチェ素子９４上には、配線９６ａ、９６ｂが形成されている。配線９６ａ、９６ｂは、ペルチェ素子９４に電源を供給するためのものである。
【０１４０】
配線９６ａ、９６ｂ上には、放熱板４４が形成されている。放熱板４４は、配線９６ａ、９６ｂを介して、ペルチェ素子９４の上面、即ち高温側に熱的に接続されている。
【０１４１】
こうして本実施形態による半導体装置が構成されている。
【０１４２】
本実施形態によれば、放熱板４４と熱伝導体４２との間に熱伝冷却素子であるペルチェ素子９４が設けられているため、熱伝導体４２をより低温にすることができる。このため、本実施形態によれば、トランジスタ２４ａ、２４ｂ等の半導体素子等をより冷却することができる。
【０１４３】
［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【０１４４】
例えば、上記実施形態では、放熱板を設けたが、必ずしも放熱板を設けなくてもよい。例えば、熱伝導体を直接熱浴に接するようにしてもよい。但し、放熱板を設けた場合の方が、より効果的に放熱することができる。
【０１４５】
また、上記実施形態では、カーボンナノチューブの束より成る熱伝導体を形成したが、熱伝導体は必ずしもカーボンナノチューブの束でなくてもよい。一本のカーボンナノチューブにより熱伝導体を構成してもよい。
【０１４６】
また、第３実施形態では、放熱板４４ａの表面に凹凸を形成しなかったが、放熱板４４ａの表面に凹凸を形成してもよい。これにより、放熱特性をより向上することが可能となる。
【０１４７】
（付記１）  半導体基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜に埋め込まれた熱伝導体とを有し、
前記熱伝導体は、炭素元素から構成される線状構造体より成る
ことを特徴とする半導体装置。
【０１４８】
（付記２）  付記１記載の半導体装置において、
前記熱伝導体に熱的に接続された他の熱伝導体を更に有し、
前記他の熱伝導体は、炭素元素から構成される線状構造体より成る
ことを特徴とする半導体装置。
【０１４９】
（付記３）  付記２記載の半導体装置において、
前記熱伝導体と前記他の熱伝導体とを熱的に接続する中継熱伝導体を更に有する
ことを特徴とする半導体装置。
【０１５０】
（付記４）  付記３記載の半導体装置において、
少なくとも、前記熱伝導体と前記中継熱伝導体との間、又は、前記他の熱伝導体と前記中継熱伝導体との間に形成された絶縁膜を更に有する
ことを特徴とする半導体装置。
【０１５１】
（付記５）  付記３又は４記載の半導体装置において、
前記中継熱伝導体は、電気配線を兼ねる
ことを特徴とする半導体装置。
【０１５２】
（付記６）  付記３記載の半導体装置において、
前記中継熱伝導体は、少なくとも前記熱伝導体又は前記他の熱伝導体と一体に形成されている
ことを特徴とする半導体装置。
【０１５３】
（付記７）  付記３乃至６のいずれかに記載の半導体装置において、
前記中継熱伝導体は、炭素元素から構成される線状構造体より成る
ことを特徴とする半導体装置。
【０１５４】
（付記８）  半導体基板に埋め込まれた熱伝導体を有し、
前記熱伝導体は、炭素元素から構成される線状構造体より成る
ことを特徴とする半導体装置。
【０１５５】
（付記９）  付記１乃至８のいずれかに記載の半導体装置において、
前記熱伝導体に熱的に接続された放熱板を更に有する
ことを特徴とする半導体装置。
【０１５６】
（付記１０）  付記９記載の半導体装置において、
前記放熱板は、金属より成る
ことを特徴とする半導体装置。
【０１５７】
（付記１１）  付記１乃至９のいずれかに記載の半導体装置において、
前記熱伝導体に接続された熱電冷却素子を更に有する
ことを特徴とする半導体装置。
【０１５８】
（付記１２）  半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に開口部を形成する工程と、
前記開口部内に、炭素元素から構成される線状構造体より成る熱伝導体を成長する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０１５９】
（付記１３）  半導体基板に開口部を形成する工程と、
前記開口部内に、炭素元素から構成される線状構造体より成る熱伝導体を成長する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０１６０】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、極めて熱伝導率が高い材料であるカーボンナノチューブより成る熱伝導体を用いて放熱するため、トランジスタ等の半導体素子等において発生する熱を効果的に放熱することができる。従って、本発明によれば、放熱特性の良好な半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による半導体装置を示す断面図である。
【図２】鉄、銀、ダイヤモンドの熱伝導率を示すグラフである。
【図３】カーボンナノチューブの直径と熱伝導率との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の第１実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図５】本発明の第１実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図６】本発明の第１実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その３）である。
【図７】本発明の第１実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その４）である。
【図８】本発明の第２実施形態による半導体装置を示す断面図である。
【図９】本発明の第２実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図１０】本発明の第２実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図１１】本発明の第２実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その３）である。
【図１２】本発明の第２実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その４）である。
【図１３】本発明の第２実施形態の変形例（その１）による半導体装置を示す断面図である。
【図１４】本発明の第２実施形態の変形例（その２）による半導体装置を示す断面図である。
【図１５】本発明の第２実施形態の変形例（その３）による半導体装置を示す断面図である。
【図１６】本発明の第３実施形態による半導体装置を示す断面図である。
【図１７】本発明の第３実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図１８】本発明の第３実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図１９】本発明の第３実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その３）である。
【図２０】本発明の第４実施形態による半導体装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１０…半導体基板
１２…素子領域
１４…素子分離領域
１６ａ…ｎ形ウェル
１６ｂ…ｐ形ウェル
２０ａ、２０ｂ…ゲート電極
２２ａ、２２ｂ…ソース／ドレイン拡散層
２４ａ、２４ｂ…トランジスタ
２６ａ、２６ｂ…コンタクト層
２８…電極
３０ａ〜３０ｇ…層間絶縁膜
３２、３２ａ…配線
３４…ビア
３６…保護膜
３８ａ〜３８ｃ…開口部
４０…カーボンナノチューブ
４２、４２ａ、４２ｂ、４２ｄ…熱伝導体
４２ｃ…中継熱伝導体
４４、４４ａ…放熱板
４５…凹凸
４６…熱浴
４８…フォトレジスト膜
５０…開口部
５２…触媒層
５４…金属層
５６…フォトレジスト膜
５８…フォトレジスト膜
６０…開口部
６２…触媒層
６４…絶縁膜
６６…フォトレジスト膜
６８…開口部
７０…溝
７２…フォトレジスト膜
７４ａ、７４ｂ…コンタクトホール
７６…開口部
７８…フォトレジスト膜
８０…開口部
８２…触媒層
８４ａ、８４ｂ…絶縁膜
８６…フォトレジスト膜
８８…開口部
９０ａ〜９０ｄ…開口部
９２…触媒層
９４…ペルチェ素子
９６ａ、９６ｂ…配線
【図１】
0004416376.tif 000002
【図２】
0004416376.tif 000003
【図３】
0004416376.tif 000004
【図４】
0004416376.tif 000005
【図５】
0004416376.tif 000006
【図６】
0004416376.tif 000007
【図７】
0004416376.tif 000008
【図８】
0004416376.tif 000009
【図９】
0004416376.tif 000010
【図１０】
0004416376.tif 000011
【図１１】
0004416376.tif 000012
【図１２】
0004416376.tif 000013
【図１３】
0004416376.tif 000014
【図１４】
0004416376.tif 000015
【図１５】
0004416376.tif 000016
【図１６】
0004416376.tif 000017
【図１７】
0004416376.tif 000018
【図１８】
0004416376.tif 000019
【図１９】
0004416376.tif 000020
【図２０】
0004416376.tif 000021