(57)【要約】【課題】カーボンナノチューブの形成方法及びそれを利用した半導体素子の配線形成方法を提供する。【解決手段】（ｉ）複数の突起部を有する基板を準備する段階と、（ｉｉ）前記基板上に、前記突起部を覆い、カーボンナノチューブの成長を促進させる触媒層を形成する段階と、（ｉｉｉ）前記触媒層上にカーボンが含まれるガスを注入して、前記触媒層の表面上に前記カーボンナノチューブを成長させる段階と、を含むカーボンナノチューブの形成方法である。本発明によれば、カーボンナノチューブの成長密度を上昇させて電気的抵抗を低下させうる。その結果、電流密度が上昇し、微細ビアホールにも適用可能で、半導体素子の超高集積化を達成しうる配線形成方法が提供される。【選択図】図５Ｅ
2007180546.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ｉ）複数の突起部を有する基板を準備する段階と、
（ｉｉ）前記基板上に、前記突起部を覆い、カーボンナノチューブの成長を促進させる触媒層を形成する段階と、
（ｉｉｉ）前記触媒層上にカーボンが含まれるガスを注入して、前記触媒層の表面上に前記カーボンナノチューブを成長させる段階と、
を含むカーボンナノチューブの形成方法。
【請求項２】
前記段階（ｉｉ）と前記段階（ｉｉｉ）との間に、前記触媒層を表面処理して触媒粒子を形成する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
【請求項３】
前記触媒粒子は、前記触媒層の表面がＮ２ガス、Ａｒガス、Ｈ２ガス、Ｈｅガス、Ｎｅガス、及びＮＨ３ガスからなる群から選択される一種以上のガスの雰囲気下で熱処理されることによって形成されることを特徴とする、請求項２に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
【請求項４】
前記触媒粒子は、イオン化されたＡｒガス、イオン化されたＮＨ３ガス、またはイオン化されたＮ２ガスを、前記触媒層の表面に衝突させることによって形成されることを特徴とする、請求項２または３に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
【請求項５】
前記突起部は、球状、柱状、及びピラミッド状からなる群から選択される一種以上の形状で形成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
【請求項６】
前記カーボンナノチューブは、熱化学気相蒸着法またはプラズマ化学気相蒸着法によって形成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
【請求項７】
前記触媒層は、前記触媒層の表面が前記突起部と同一または類似した形状を有するように、所定の厚さに形成されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
【請求項８】
前記触媒層は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｗ、Ｙ、Ａｕ、Ｐｄ、及びこれらの金属の合金からなる群から選択される一種以上で形成されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
【請求項９】
前記触媒層は、マグネトロンスパッタリング法または蒸着法によって形成されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
【請求項１０】
前記段階（ｉｉｉ）は、４００〜９００℃の温度で行われることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
【請求項１１】
前記段階（ｉｉｉ）において、前記カーボンが含まれるガスは、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６、ＣＯ、及びＣＯ２からなる群から選択される一種以上のガスであり、前記カーボンが含まれるガスは、Ｈ２ガス、Ｎ２ガス、Ｏ２ガス、水蒸気、及びＡｒガスからなる群から選択される一種以上のガスと共に注入されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
【請求項１２】
（ｉ）基板を準備する段階と、
（ｉｉ）前記基板上に複数の突起部を有する電極を形成する段階と、
（ｉｉｉ）前記突起部を覆い、前記電極上にカーボンナノチューブの成長を促進させる触媒層を形成する段階と、
（ｉｖ）前記触媒層を覆う絶縁層を形成した後、前記絶縁層に前記触媒層の表面の一部を露出させるビアホールを形成する段階と、
（ｖ）前記ビアホールを通じて前記触媒層の表面にカーボンが含まれるガスを注入して、前記触媒層の表面上にカーボンナノチューブを成長させて配線を形成する段階と、
を含むことを特徴とする、半導体素子の配線形成方法。
【請求項１３】
前記段階（ｉｉｉ）と前記段階（ｉｖ）との間には、前記触媒層を表面処理して触媒粒子を形成する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項１２に記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項１４】
前記触媒粒子は、前記触媒層の表面がＮ２ガス、Ａｒガス、Ｈ２ガス、Ｈｅガス、Ｎｅガス、及びＮＨ３ガスからなる群から選択される一種以上のガスの雰囲気下で熱処理されることによって形成されることを特徴とする、請求項１３に記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項１５】
前記触媒粒子は、イオン化されたＡｒガス、イオン化されたＮＨ３ガス、またはイオン化されたＮ２ガスを、前記触媒層の表面に衝突させることによって形成されることを特徴とする、請求項１３または１４に記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項１６】
前記突起部は、球状、柱状、及びピラミッド状から選択される一種以上の形状で形成されることを特徴とする、請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項１７】
前記カーボンナノチューブは、熱化学気相蒸着法またはプラズマ化学気相蒸着法によって形成されることを特徴とする、請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項１８】
前記触媒層は、前記触媒層の表面が前記突起部と同一または類似した形状を有するように、所定の厚さに形成されることを特徴とする、請求項１２〜１７のいずれか１項に記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項１９】
前記触媒層は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｗ、Ｙ、Ａｕ、Ｐｄ、及びこれらの金属の合金からなる群から選択される一種以上で形成されることを特徴とする請求項１２〜１８のいずれか１項に記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項２０】
前記触媒層は、マグネトロンスパッタリング法または蒸着法によって形成されることを特徴とする、請求項１２〜１９のいずれか１項に記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項２１】
前記段階（ｉｖ）において、前記絶縁層は、酸化物からなることを特徴とする、請求項１２〜２０のいずれか１項に記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項２２】
前記段階（ｖ）は、４００〜９００℃の温度で行われることを特徴とする、請求項１２〜２１のいずれか１項に記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項２３】
前記段階（ｖ）において、前記カーボンが含まれるガスは、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６、ＣＯ、及びＣＯ２からなる群から選択される一種以上のガスであり、前記カーボンが含まれるガスは、Ｈ２ガス、Ｎ２ガス、Ｏ２ガス、水蒸気、及びＡｒガスからなる群から選択される一種以上のガスと共に注入されることを特徴とする、請求項１２〜２２のいずれか１項に記載の半導体素子の配線形成方法。
【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の形成方法、及びそれを利用した半導体素子の配線形成方法に係り、さらに詳細には、カーボンナノチューブの成長密度を上昇させうるカーボンナノチューブの形成方法、及びそれを利用して電気的抵抗を低下させ、かつ電流密度を大きくしうる半導体素子の配線形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子、特に、半導体メモリ素子には、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ  ＲＡＭ）、ＰＲＡＭ（Ｐｈａｓｅ−ｃｈａｎｇｅ  ＲＡＭ）及びＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  ＲＡＭ）などの多様な種類がある。このようなメモリ素子には、スイッチング素子として、一般的にＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタが使われている。そして、メモリ素子には、コンタクト及びインターコネクトのような電子移動通路である配線が設けられる。
【０００３】
最近、半導体メモリ素子の高集積化によって配線の線幅は狭くなり、単位面積当たりの電流量、すなわち、電流密度は大きくなりつつある。これにより、半導体素子の配線の電流密度は、大概２０１０年頃に１０６Ａ／ｃｍ２に至ると予想される。
【０００４】
しかし、従来の半導体素子には、主にアルミニウムまたは銅などの金属配線が使われているが、このような金属配線には、線幅を狭めて電流密度を上昇させることについて一定の限界がある。
【０００５】
半導体素子の高集積化のためには、配線の線幅を狭め、電流密度を大きくすることが必須的であるが、前記のような理由によって金属配線を使用する半導体素子は、近い将来、その高集積化が限界に達すると予想される。
【０００６】
したがって、最近は、半導体素子の高集積化のために、金属配線に比べて狭い線幅でも高い電流密度を有しうるカーボンナノチューブの配線へと、金属配線から代替しようとする努力がなされている。しかし、カーボンナノチューブを半導体素子の配線として利用しても、半導体素子の高集積化は日増しに深刻化することが明らかであるので、カーボンナノチューブの高密度化が重要な問題となっている。
【０００７】
図１Ａないし図１Ｅは、従来のカーボンナノチューブの形成方法を段階的に示す垂直断面図である。
【０００８】
図１Ａを参照すれば、触媒層１２が形成された基板１０を約６００℃の温度でＮＨ３エッチング処理すると触媒層１２の上部に触媒粒子１２ａが形成される。もし、触媒層１２上に触媒粒子１２ａが形成されず、その表面が均一な状態に維持されれば、触媒層１２の表面にカーボンナノチューブが形成されず、カーボン薄膜のみが形成される。
【０００９】
その後、約５００℃〜９００℃の温度でＣＯなどのカーボン含有ガス及びＨ２、Ｎ２またはＡｒなどのガスを反応器（図示せず）に共に注入することによって触媒層１２の表面にカーボンナノチューブを形成する。
【００１０】
図１Ｂを参照すれば、カーボン含有ガスのうちカーボンは、触媒粒子１２ａの下方に溶解する。触媒粒子１２ａの下方に溶解したカーボン（Ｃ）は、図１Ｃに示すように、結局飽和に達して触媒粒子１２ａの下部表面でグラファイト状に析出する。ガスの注入を続けると、図１Ｄに示すように、グラファイトが触媒粒子１２ａの下部表面で成長し続けてカーボンナノチューブ１４が形成される。最終的に、触媒層１２上に形成されたカーボンナノチューブ１４の形態を図１Ｅに示す。
【００１１】
図１Ｅで、触媒層１２の表面積のうちカーボンナノチューブ１４が占める表面積は、フィルファクターと定義されるが、これは、結局カーボンナノチューブ１４の成長密度を意味する。フィルファクターを高めるためには、触媒粒子１２ａの相互間の間隔を狭めねばならず、このために従来より、触媒層を厚くすることによって凝集される触媒粒子のサイズを大きくして前記間隔を狭める方法が利用されている。しかし、大きい触媒粒子からは結晶の質の悪いナノチューブが得られるため、このような方法のみではカーボンナノチューブの成長密度を向上させて、半導体素子の高集積化を達成することに対して限界がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、カーボンナノチューブの成長密度を上昇させうるカーボンナノチューブの形成方法を提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、電気的抵抗を低下させ、電流密度を上昇させうる半導体素子の配線形成方法を提供することである。
【００１４】
本発明のさらに他の目的は、微細ビアホールにも適用可能であり、半導体素子の超高集積化を達成できる半導体素子の配線形成方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記目的を達成するために、本発明は、（ｉ）複数の突起部を有する基板を準備する段階と、（ｉｉ）前記基板上に、前記突起部を覆い、カーボンナノチューブの成長を促進させる触媒層を形成する段階と、（ｉｉｉ）前記触媒層上にカーボンが含まれるガスを注入して、前記触媒層の表面上に前記カーボンナノチューブを成長させる段階と、を含むカーボンナノチューブの形成方法を提供する。
【００１６】
また、本発明は、（ｉ）基板を準備する段階と、（ｉｉ）前記基板上に複数の突起部を有する電極を形成する段階と、（ｉｉｉ）前記突起部を覆い、前記電極上にカーボンナノチューブの成長を促進させる触媒層を形成する段階と、（ｉｖ）前記触媒層を覆う絶縁層を形成した後、前記絶縁層に前記触媒層の表面の一部を露出させるビアホールを形成する段階と、（ｖ）前記ビアホールを通じて前記触媒層の表面にカーボンが含まれるガスを注入して、前記触媒層の表面上にカーボンナノチューブを成長させて配線を形成する段階と、を含むことを特徴とする、半導体素子の配線形成方法を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、カーボンナノチューブの成長密度を上昇させうるカーボンナノチューブの形成方法が提供される。
【００１８】
また、本発明によれば、電気的抵抗を低下させ、電流密度を上昇させうる半導体素子の配線形成方法が提供される。
【００１９】
また、本発明によれば、微細ビアホールにも適用可能であって、半導体素子の超高集積化を達成できる半導体素子の配線形成方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付された図面を参照して本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。以下の図面で同じ参照符号は同じ構成要素を表す。
【００２１】
本発明の一実施形態によれば、（ｉ）複数の突起部を有する基板を準備する段階と、（ｉｉ）前記基板上に、前記突起部を覆い、カーボンナノチューブの成長を促進させる触媒層を形成する段階と、（ｉｉｉ）前記触媒層上にカーボンが含まれるガスを注入して、前記触媒層の表面上に前記カーボンナノチューブを成長させる段階と、を含むカーボンナノチューブの形成方法が提供される。
【００２２】
図２Ａは、本発明の前記実施形態によるカーボンナノチューブの形成方法を段階的に示す垂直断面図であり、図２Ｂは、図２Ａの段階（ｅ）で得られたカーボンナノチューブと比較するためのものであって、従来のカーボンナノチューブの形成方法によって触媒層の表面から成長させたカーボンナノチューブを示す垂直断面図である。
【００２３】
前記（ｉ）の段階に対応する図２Ａの段階（ａ）では、複数の突起部１１０ａを有する基板１１０が準備される。基板１１０としては、以下に限定されることはないが、例えばシリコンウェーハまたはガラスなどが利用されうる。基板１１０に形成される突起部１１０ａは、例えば球状、柱状、及びピラミッド状から選択される一種以上の形状で形成されうる。また、前記のような形状を組み合わせて形成されても良い。しかし、本発明は、これらに限定されるものではなく、前記突起部１１０ａは、基板１１０の表面積を広げうる限り他の多様な構造も可能である。また、前記突起部１１０ａは、基板１１０と一体に形成されることが可能であり、一方で、基板１１０とは別個の部材として形成されることも可能である。前記突起部１１０ａが基板１１０とは別個の部材として形成される場合、突起部１１０ａを形成するための材料としては、以下に限定されることはないが、基板の形態のみを変化させ、他の層（例えば、後述の触媒層及び電極など）とは熱処理工程中に反応を起こさない物質が好ましい。また、前記突起部の形態を成形する上で便利な物質がより好ましい。例えば、反応性の低い金属または酸化物がありうる。より具体的には、前記金属の例として、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）または金（Ａｕ）などがあり、前記酸化物の例として、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）または酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などがありうる。また、配線の形成を目的とする場合には、電気抵抗が小さい物質、すなわち金属（例えばＰｄ、ＰｔまたはＡｕなど）がさらに好ましい。なお、本実施形態において、前記突起部１１０ａは、ガラス基板１１０上に金（Ａｕ）が塗布されることによって形成されたものである。
【００２４】
次いで、前記（ｉｉ）の段階に対応する図２Ａの段階（ｂ）では、前記基板１１０上に、前記突起部１１０ａを覆い、カーボンナノチューブの成長を促進させる触媒層１２２が形成される。この際、触媒層１２２は、前記触媒層１２２の表面が前記突起部１１０ａと同一または類似した形状を有するように、所定の厚さに形成されることが好ましい。前記厚さの範囲は、以下に限定されることはないが、１〜２００ｎｍがより好ましい。もし、触媒層１２２の厚さが前記の範囲より厚くなれば、前記触媒層１２２が前記突起部１１０ａだけでなく、前記突起部１１０ａの間の空間をも完全に覆う可能性がある。これにより、触媒層１２２の表面が平坦な形状になるので、触媒層１２２の表面積を広げようとする本来の目的を達成できなくなる。
【００２５】
また、触媒層１２２は、以下に限定されることはないが例えば、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｗ、Ｙ、Ａｕ、Ｐｄ、及びこれらの金属の合金からなる群から選択される一種以上からなることが好ましい。また、前記触媒層１２２は、マグネトロンスパッタリング法または蒸着法によって形成されることが好ましいが、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、粉末状態の遷移金属触媒が基板１１０上に塗布されることによっても形成されうる。
【００２６】
その後、図２Ａの段階（ｃ）では、触媒層１２２の表面がＮ２ガス、Ａｒガス、Ｈ２ガス、Ｈｅガス、Ｎｅガス、及びＮＨ３ガスからなる群から選択される一種以上のガスの雰囲気下で熱処理されうる。これにより、触媒層１２２の表面には、複数の触媒粒子１２２ａが形成され、触媒層１２２の表面は、前述したようにカーボンナノチューブ１４０が成長できる条件を備えうる。しかし、本発明は、これに限定されるものではなく、前記触媒層１２２の前記触媒粒子１２２ａは、イオン化されたＡｒガス、イオン化されたＮＨ３ガス、またはイオン化されたＮ２ガスを、前記触媒層１２２の表面に衝突させることによっても形成されうる。
【００２７】
図２Ａの段階（ｄ）では、基板１１０の突起部１１０ａ上に、触媒層１２２が前述の方法によって触媒粒子１２２ａを有するように再構成されうる。すなわち、前述のように複数の突起部１１０ａが形成された基板１１０上に触媒層１２２が形成され、前記触媒層１２２が表面処理され、その表面に触媒粒子１２２ａが形成されることにより、前記触媒粒子１２２ａが、前記突起部１１０ａの表面に沿って配列されうる。したがって、触媒粒子１２２ａの間の実際の間隔は、従来の平面基板の場合と類似しているが、基板１１０を上から下に垂直方向に見下ろすと、触媒粒子１２２ａの間の水平方向の間隔は、従来の平面基板の場合より稠密になりうる。したがって、後述するように、このような触媒粒子１２２ａの表面からカーボンナノチューブ１４０が垂直方向に成長すれば、これらのカーボンナノチューブ１４０の間の前記水平方向の間隔も従来の平面基板の場合より稠密になりうる。これにより、基板１１０上でカーボンナノチューブ１４０の成長密度が上昇してフィルファクターが大幅に増加しうる。
【００２８】
触媒粒子１２２ａが形成された後には、前記（ｉｉｉ）の段階に対応する図２Ａの段階（ｅ）に示すように、基板１１０上に配置された触媒層１２２上に、具体的には、触媒粒子１２２ａの表面を含む触媒層１２２の表面上にカーボンナノチューブ１４０を成長させる。ここで、カーボンナノチューブ１４０を成長させる方法としては、熱化学気相蒸着（ｔｈｅｒｍａｌ  ＣＶＤ）法またはプラズマ化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ）法が利用されることが好ましく、熱化学気相蒸着（ｔｈｅｒｍａｌ  ＣＶＤ）法が利用されることがより好ましい。しかし、本発明は、これに限定されるものではなく、触媒層１２２の表面にカーボンナノチューブ１４０を成長させうる限り、他の様々な方法が利用されうる。
【００２９】
一例として、熱化学気相蒸着法を利用する場合、カーボンナノチューブ１４０の成長段階は、４００℃〜９００℃の温度を維持する反応器内で、所定の体積組成比のＣＯ及びＨ２が混合された混合気体の雰囲気下で行われることが好ましい。しかし、本発明はこれに限定されず、前記カーボンナノチューブ１４０は、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６、ＣＯ、及びＣＯ２からなる群から選択される一種以上のカーボンが含まれるガスと、Ｈ２、Ｎ２、Ｏ２、水蒸気、及びＡｒからなる群から選択される一種以上のガスとが、反応器（図示せず）へ共に注入されることによって形成されうる。また、前記温度が４００℃未満の場合、カーボンナノチューブの結晶性が劣るため、電気伝導度が低下し、動作寿命が低下しうる。一方、９００℃を超える場合、カーボンナノチューブの合成機構よりも、ガスによるエッチング機構の方がはるかに働くため、結果的にカーボンナノチューブが合成されない虞がある。
【００３０】
図２Ａの段階（ｅ）から分かるように、本実施形態により、基板１１０上に形成されたカーボンナノチューブ１４０の相互間の間隔は、図２Ｂに示される従来の平面基板１０上の触媒層１２で成長したカーボンナノチューブ１４の相互間の間隔に比べて、非常に狭くなる。そして、それぞれの場合にカーボンナノチューブ１４０及び１４の密度、並びにフィルファクターを測定した結果、本実施形態の図２Ａの段階（ｅ）では、前記密度は、９×１０１０個／ｃｍ２であり、前記フィルファクターは２５.５％である一方、従来技術の図２Ｂでは、前記密度は、３×１０１０個／ｃｍ２であり、前記フィルファクターは８.５％であった。したがって、本実施形態の場合、前記従来技術に比べてカーボンナノチューブ１４０の成長密度が約３倍に上昇することが確認された。しかし、本発明は、これに限定されるものではなく、カーボンナノチューブの成長密度及びフィルファクターは、必要に応じて、それぞれ前記した９×１０１０個／ｃｍ２及び２５.５％より大きくすることが可能である。
【００３１】
図３は、図２Ａの方法によって基板上に形成された触媒層を示す原子力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＡＦＭ）画像であり、図４は、図２Ａの方法によって触媒層の表面から成長したカーボンナノチューブを示す走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）画像である。
【００３２】
図３を参照すれば、触媒層１２２は、基板１１０上に前記触媒層１２２の表面が凸凹状に形成されている。また、前記凸凹状の触媒層１２２から成長したカーボンナノチューブ１４０は、図４に示すように、その稠密度、すなわち、その成長密度が非常に高い（大きい）ということが確認できる。
【００３３】
また、本発明の他の実施形態によれば、（ｉ）基板を準備する段階と、（ｉｉ）前記基板上に複数の突起部を有する電極を形成する段階と、（ｉｉｉ）前記突起部を覆い、前記電極上にカーボンナノチューブの成長を促進させる触媒層を形成する段階と、（ｉｖ）前記触媒層を覆う絶縁層を形成した後、前記絶縁層に前記触媒層の表面の一部を露出させるビアホールを形成する段階と、（ｖ）前記ビアホールを通じて前記触媒層の表面にカーボンが含まれるガスを注入して、前記触媒層の表面上にカーボンナノチューブを成長させて配線を形成する段階と、を含む半導体素子の配線形成方法が提供される。
【００３４】
図５Ａないし図５Ｅは、本発明の前記他の実施形態によるカーボンナノチューブの形成方法を利用した半導体素子の配線形成方法を段階的に示す垂直断面図である。
【００３５】
図５Ａは、前記（ｉｉ）の段階を示す。まず、準備された基板１１０上に形成される電極１２０が示されている。前記基板１１０としては、以下に限定されることはないが例えば、シリコンウェーハまたはガラスが使われうる。また、電極１２０は複数の突起部１２０ａを有しており、具体的には、前記電極１２０の上面に複数の突起部１２０ａが形成されている。前記電極１２０に形成される突起部１２０ａは、例えば球状、柱状、及びピラミッド状から選択される一種以上の形状で形成されうる。また、前記のような形状を組み合わせて形成されても良い。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、前記突起部１２０ａは、電極１２０の表面積を広げうる限り他の多様な構造が可能である。また、前記突起部１２０ａは、電極１２０と一体に形成されることが可能であり、一方で、電極１２０とは別個の部材として形成されることもある。前記突起部１２０ａが電極１２０とは別個の部材とより形成される場合、突起部１２０ａを形成するための材料としては、前述と同様である。本実施形態において、前記突起部１２０ａは、電極１２０上に金が塗布されることによって形成されたものである。
【００３６】
前記電極１２０は、基板１１０上に直接形成されない場合については、図示されていないが、基板１１０上に所定の物質層、例えば、絶縁層がまず形成された後、前記絶縁層上に形成されることもありうる。前記電極１２０は、導電性の良好な金属やドーピングされたシリコンから形成されうる。例えば、前記電極１２０がＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のソース電極のようにシリコン基板１１０上に形成される場合には、ドーピングされたシリコンからなり、前記電極１２０が絶縁層上に形成される場合には、導電性の良好な金属から形成されうる。
【００３７】
図５Ｂは、前記（ｉｉｉ）の段階を示しており、基板１１０上に形成された電極１２０の表面に触媒層１２２が形成される段階を示す。すなわち、前記突起部１２０ａを覆い、前記電極１２０上にカーボンナノチューブの成長を促進させる触媒層１２２が形成される。電極１２０上に触媒層１２２を形成する方法は、前記触媒層１２２が基板１１０の代わりに電極１２０上に形成されるという点を除いては、図２Ａの場合と同じであるので、ここでは、詳細な説明を省略する。
【００３８】
次いで、図５Ｃに示したように、触媒層１２２は、その表面がＮ２ガス、Ａｒガス、Ｈ２ガス、Ｈｅガス、Ｎｅガス、及びＮＨ３ガスからなる群から選択される一種以上のガスの雰囲気下で熱処理されるか、またはイオン化されたＡｒガス、イオン化されたＮＨ３ガス、もしくはイオン化されたＮ２ガスを、前記触媒層の表面に衝突させることによってエッチングされうる。前記の方法に限定されることはないが、前記のような表面処理により、触媒層１２２の表面には複数の触媒粒子１２２ａが形成され、触媒層１２２の表面は、前述したようにカーボンナノチューブ１４０が成長できる条件を備える。触媒層１２２に触媒粒子１２２ａを形成する方法は、図２Ａと同様である。
【００３９】
図５Ｄは、前記（ｉｖ）の段階を示しており、基板１１０、電極１２０、電極１２０上に形成された触媒層１２２、及び前記触媒層１２２を覆う絶縁層１３０が形成され、その後、前記絶縁層１３０がエッチングされて、前記触媒層１２２の表面の一部を露出させるビアホール１３２が形成された状態を示す。
【００４０】
図５Ｄを参照すれば、まず表面に触媒層１２２が形成された電極１２０上に絶縁層１３０が形成される。この際、前記絶縁層１３０は触媒層１２２だけでなく、基板１１０の上面、及び電極１２０の側面をも覆う。また、絶縁層１３０は、以下に限定されることはないが例えば、酸化物、具体的にはシリコン酸化物（ＳｉＯ２）などから形成されうる。
【００４１】
次いで、前記絶縁層１３０に触媒層１２２の表面の一部を露出させるビアホール１３２が形成される。具体的には、絶縁層１３０上にフォトレジスト（図示せず）を塗布した後、前記フォトレジストを所定のパターンにパターニングする。次いで、パターニングされたフォトレジストをエッチングマスクとして、絶縁層１３０を異方性エッチングすることによって、前記ビアホール１３２が形成される。
【００４２】
図５Ｅは、前記（ｖ）の段階を示しており、ビアホール１３２を通じて触媒層１２２の表面にカーボンが含まれるガスを注入して、前記触媒層１２２の表面上にカーボンナノチューブ１４０を成長させて配線を形成する段階が示されている。
【００４３】
図５Ｅにおいて、カーボンナノチューブ１４０の成長は、以下に限定されることはないが例えば、熱化学気相蒸着（ｔｈｅｒｍａｌ  ＣＶＤ）法またはプラズマ化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ）法によって行われ、また、他の公知の方法によっても行われうる。触媒層１２２からカーボンナノチューブ１４０を成長させる具体的な方法は、図２Ａで説明した通りであるため、ここでは説明を省略する。
【００４４】
一方、この場合にも図２Ａの（ｅ）を参照しつつ説明したように、ビアホール１３２内の触媒層１２２の表面に形成されるカーボンナノチューブ１４０の相互間の間隔が、図２Ｂに示された従来の平面基板１０上の触媒層１２で成長したカーボンナノチューブ１４の相互間の間隔に比べて非常に稠密化し、したがって、従来に比べてその成長密度が非常に大きくなる。
【００４５】
一方、図示されていないが、絶縁層１３０の上部にカーボンナノチューブ１４０と連結される他の電極またはメモリ薄膜を形成すれば、カーボンナノチューブ１４０は、二つの電極、または電極とメモリ薄膜とを連結するコンタクトまたはインターコネクトのような配線を構成する。この場合、ビアホール１３２を通じたカーボンナノチューブ配線は、高い密度のカーボンナノチューブによって電気的抵抗が非常に低下し、したがって、これを通じて電流が流れる際の電流密度が大幅に上昇しうる。
【００４６】
また、このようにカーボンナノチューブが半導体素子の配線として使われる場合、カーボンナノチューブ配線は、その直径が数ｎｍ〜数十ｎｍほどに形成されうるため、数ｎｍ〜数十ｎｍほどの直径を有する微細ビアホールにも適用されうる。したがって、半導体素子の超高集積化がなされうる。
【００４７】
本発明は、図面に示された実施形態を参考として説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、多様な変形及び均等な更に他の実施形態が可能であるということが分かるであろう。したがって、本発明の真の技術的な保護範囲は、特許請求の範囲によって決定されねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、半導体素子関連の技術分野に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１Ａ】従来のカーボンナノチューブの形成方法を段階的に示す垂直断面図である。
【図１Ｂ】従来のカーボンナノチューブの形成方法を段階的に示す垂直断面図である。
【図１Ｃ】従来のカーボンナノチューブの形成方法を段階的に示す垂直断面図である。
【図１Ｄ】従来のカーボンナノチューブの形成方法を段階的に示す垂直断面図である。
【図１Ｅ】従来のカーボンナノチューブの形成方法を段階的に示す垂直断面図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態によるカーボンナノチューブの形成方法を段階的に示す垂直断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａの段階（ｅ）後に得られたカーボンナノチューブに対する比較例であって、従来のカーボンナノチューブの形成方法によって触媒層の表面から成長したカーボンナノチューブを示す垂直断面図である。
【図３】図２Ａの方法によって基板上に形成された触媒層を示す原子力顕微鏡画像である。
【図４】図２Ａの方法によって触媒層の表面から成長したカーボンナノチューブを示すＳＥＭ画像である。
【図５Ａ】本発明の他の実施形態によるカーボンナノチューブの形成方法を利用した半導体素子の配線形成方法を段階的に示す垂直断面図である。
【図５Ｂ】本発明の前記した他の実施形態によるカーボンナノチューブの形成方法を利用した半導体素子の配線形成方法を段階的に示す垂直断面図である。
【図５Ｃ】本発明の前記した他の実施形態によるカーボンナノチューブの形成方法を利用した半導体素子の配線形成方法を段階的に示す垂直断面図である。
【図５Ｄ】本発明の前記した他の実施形態によるカーボンナノチューブの形成方法を利用した半導体素子の配線形成方法を段階的に示す垂直断面図である。
【図５Ｅ】本発明の前記した他の実施形態によるカーボンナノチューブの形成方法を利用した半導体素子の配線形成方法を段階的に示す垂直断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０    基板、
１２    触媒層、
１２ａ    触媒粒子、
１４    カーボンナノチューブ、
１１０    基板、
１１０ａ    突起部、
１２０    電極、
１２０ａ    突起部、
１２２    触媒層、
１２２ａ    触媒粒子、
１３０    絶縁層、
１３２    ビアホール、
１４０    カーボンナノチューブ。
【図１Ａ】
2007180546.tif 000003
【図１Ｂ】
2007180546.tif 000004
【図１Ｃ】
2007180546.tif 000005
【図１Ｄ】
2007180546.tif 000006
【図１Ｅ】
2007180546.tif 000007
【図２Ａ】
2007180546.tif 000008
【図２Ｂ】
2007180546.tif 000009
【図５Ａ】
2007180546.tif 000010
【図５Ｂ】
2007180546.tif 000011
【図５Ｃ】
2007180546.tif 000012
【図５Ｄ】
2007180546.tif 000013
【図５Ｅ】
2007180546.tif 000014
【図３】
2007180546.tif 000015
【図４】
2007180546.tif 000016