(57)【要約】【課題】水分の侵入を抑制できる、カーボンナノチューブを用いた半導体装置の製造方法を提供すること。【解決手段】配線１１上に絶縁膜１２を形成する。次に、絶縁膜１２に、配線１１に繋がるビアホール１３およびビアホール１３を囲む環状の溝１４を形成する。次に、ビアホール１３内にプラグとしてのカーボンナノチューブ層１７を形成する。次に、環状溝１４内にチップリングとしての金属層１９を形成する。【選択図】図５
2013207069.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に、前記配線に繋がるビアホールおよび前記ビアホールを囲む環状の溝を形成する工程と、
前記ビアホール内にプラグとしてのカーボンナノチューブ層を形成する工程と、
前記環状溝内にチップリングとしての金属層を形成する工程と
を具備してなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記プラグとしての前記カーボンナノチューブ層を形成する工程は、
前記ビアホールの内面および前記環状溝の内面を含む領域上にカーボンナノチューブの成長の触媒層を形成する工程と、
前記環状溝の内面上の前記触媒層の触媒としての機能を不活性化する工程と、
前記ビアホールの内面の前記触媒層からカーボンナノチューブを成長させ、前記カーボンナノチューブ層を形成する工程とを含む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】
前記プラグとしての前記カーボンナノチューブ層を形成する工程は、
前記ビアホールの内面および前記環状溝の内面を含む領域上にカーボンナノチューブの成長の触媒層を形成する工程と、
前記環状溝の内面上の前記触媒層を除去する工程と、
前記ビアホールの内面の前記触媒層からカーボンナノチューブを成長させ、前記カーボンナノチューブ層を形成する工程とを含む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４】
前記チップリングとしての前記金属層を形成する工程において、
前記環状溝および前記カーボンナノチューブ層を含む領域上に、前記金属層を堆積法により形成する工程を含むことを特徴とする請求項２または３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記配線、前記絶縁膜、前記プラグおよび前記チップリングを含む構造は、ウエハに形成された複数のチップ領域のそれぞれに形成され、前記複数のチップ領域間にはダイシング領域が設けられ、前記ダイシング領域に沿って前記ウェハを切断して、前記複数のチップ領域を個片化する工程をさらに具備してなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
多層配線を具備する半導体装置であって、前記多層配線は、ビアホール内に形成されたカーボンナノチューブ層を含むプラグと、前記ビアホールを囲むように形成された環状溝の導電部とを具備し、前記環状の導電部が、助触媒層と金属層との積層体を含み、かつ、前記助触媒層と前記金属層との界面に粒状の触媒金属が設けられていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、カーボンナノチューブを用いた半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、多層配線のビアホール内にプラグとしてカーボンナノチューブ層を形成する方法が提案されている。カーボンナノチューブ層はバリスティック伝導によって電子が流れ、銅に比べてエレクトロマイグレーション耐性に優れている。カーボンナノチューブ層を用いたビア構造は、微細なカーボンナノチューブが並置された構造を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１８６８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、水分の侵入を抑制できる、カーボンナノチューブを用いた半導体装置およびそ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】
実施形態の半導体装置は、多層配線を具備する。前記多層配線は、ビアホール内に形成されたカーボンナノチューブ層を含むプラグと、前記ビアホールを囲むように形成された環状溝の導電部とを具備し、前記環状の導電部が、助触媒層と金属層との積層体を含み、かつ、前記助触媒層と前記金属層との界面に粒状の触媒金属が設けられている。
【０００６】
実施形態の半導体装置の製造方法は、配線上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に、前記配線に繋がるビアホールおよび前記ビアホールを囲む環状の溝を形成する工程とを含む。実施形態の半導体装置の製造方法は、さらに、前記ビアホール内にプラグとしてのカーボンナノチューブ層を形成する工程と、前記環状溝内にチップリングとしての金属層を形成する工程とを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図２】図１に続く第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図３】図２に続く第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図４】図３に続く第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図５】図４に続く第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図６】図５に続く第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図７】図６に続く第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図８】実施形態の半導体装置（チップ）のダイシング後の平面図である。
【図９】第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１０】第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１１】図１０に続く第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１２】第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１３】第５の実施形態に係る半導体装置を説明するための平面図である。
【図１４】第６の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための平面図である。
【図１５】図１４に続く第６の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【０００９】
（第１の実施形態）
図１−図７は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。図１−図７は、基板（ウエハ）上のダイシング前の一チップ分を示している。
【００１０】
［図１］
基板（不図示）上に第１の層間絶縁膜１０を形成し、この第１の層間絶縁膜１０の表面に第１の配線１１を形成する。上記基板は、半導体基板（ウエハ）を含む。半導体基板の表面にはトランジスタ等の素子が形成されている。第１の配線１１は、例えば、Ｃｕ配線であり、ダマシンプロセスにより形成する。第１の層間絶縁膜１０および第１の配線１１は、第１の配線層（下層配線層）を構成する。
【００１１】
第１の配線層上に第２の層間絶縁膜１２を形成する。第２の層間絶縁膜１２にビアホール１３およびリング状の溝（リング溝）１４を形成する。ビアホール１３およびリング溝１４は第１の配線１１に繋がる。リング溝１４はビアホール１３を囲むように形成する。
【００１２】
［図２］
ビアホール１３およびリング溝１４の内面（側面および底面）を覆うように、全面にバリア層（不図示）、触媒層１５を順次形成する。バリア層は、例えば、ＴａＮ層（上層）／Ｔａ層（下層）である。触媒層１５は、例えば、Ｃｏ層である。触媒層１５を形成する前に助触媒層を形成しても構わない。
【００１３】
［図３］
リング溝１４内の触媒層１５が選択的に露出するように、レジストパターン１６を形成し、その後、リング溝１４内の露出した触媒層１５に対して不活性化処理を施す。不活性化処理は、例えば、酸素プラズマ処理である。酸素プラズマ処理により触媒層１５を不活性化するためには、触媒層１５の表面の金属（例えばＣｏ）を酸化すればよく、例えば、酸素流量１０００ｓｃｃｍで、１０秒程度の酸化処理を行えばよい。触媒層１５からカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を成長させる性質（触媒としての性質）を抑制すことができる処理であるなら、酸素プラズマ処理以外の不活性化処理でも構わない。例えば、窒素ガスにより触媒層１５の表面の金属を窒化することにより、触媒層１５を不活性化する。
【００１４】
［図４］
レジストパターン１６を除去した後、触媒層１５からＣＮＴを成長させて、ビアホール１３内を埋め込むＣＮＴ層１７を形成する。このとき、リング溝１４内の触媒層１５は不活性化されているので、リング溝１４内の触媒層１５からのＣＮＴの成長は抑制される。
【００１５】
［図５］
リング溝１４の内面（側面および底面）を覆うように全面にバリアメタル膜１８を形成し、その後、リング溝１４内を埋め込むようにバリアメタル膜１８上に金属層１９を形成する。バリアメタル膜１８は、例えば、Ｔａ膜である。金属層１９は、例えば、Ｃｕ層である。
【００１６】
ここで、金属層１９をＣＶＤ法やスパッタ法等の堆積法で形成すると、金属層１９を構成する金属材料１９ａがＣＮＴ層１７を構成するＣＮＴ１７ａ間の隙間に入り込むので、ＣＮＴ層１７の抵抗（ビア抵抗）を小さくできる。
【００１７】
［図６］
ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）プロセスにより、ビアホール１３外のＣＮＴ層１７および触媒層１５を除去し、リング溝１４外の金属層１９およびバリアメタル膜１８を除去する。その結果、ビアホール１３内にＣＮＴ層１７を含むプラグが設けられ、リング溝１４内に金属層１９を含むチップリングが設けられたデバイス構造が得られる。チップリングは、チップ領域をダイシング時のダメージから保護することを目的に設けられる。チップリングはガードリングやビアリングとも呼ばれる。
【００１８】
［図７］
ＣＮＴ層１７（プラグ）および金属層１５（チップリング）を介して、第１の配線１１に接続する第２の配線２０を形成する。第２の配線２０は、例えば、Ａｌ配線であり、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）プロセスを用いて形成する。第２の配線層２０を覆う絶縁膜２１を形成する。
【００１９】
この後は、ダイシング等の周知の工程が行われ、半導体装置が得られる。以下、ダイシングについて説明する。層間絶縁膜１０、配線１１、層間絶縁膜１２、プラグ（ＣＮＴ層）１７、チップリング（金属層）１９等を含む構造は、ウエハ（基板）に形成された複数のチップ領域のそれぞれに形成されている。前記複数のチップ領域間にはダイシング領域が設けられている。ダンシングの際には、前記ダイシング領域に沿って前記ウェハを切断する。これにより、前記複数のチップ領域は個片化する。
【００２０】
図８は、実施形態の半導体装置（チップ）のダイシング後の平面図を示している。図７は、図８のＡ−Ａ’断面図に対応する。図中、黒四角はＣＮＴ層を含むプラグ（コンタクト部）を示している
大気中の水分３１が半導体装置のチップ領域内に侵入しようとしても、金属層１５（緻密な層）からなるチップリングが存在するため、チップリング内側のチップ領域内には水分３１は侵入しない。
【００２１】
しかし、チップリングをＣＮＴ層で形成すると、ＣＮＴ層は隙間を有するのでチップ領域内に水分が侵入し、歩留まりが下がる。
【００２２】
以上述べたように本実施形態によれば、基板上に形成された配線と、前記基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜に形成されたビアホール内に埋め込まれたＣＮＴ層を含むプラグと、前記絶縁膜に形成されたリング溝内に埋め込まれた金属層を含むチップリングとを具備する半導体装置が得られる。
【００２３】
このような構成であれば、プラグはＣＮＴ層で構成されているのでプラグの微細化は容易になるとともに、チップリングは金属層で構成されているので、ダイシング後に大気中の水分がチップの素子領域内に侵入することを抑制でき、デバイス特性の劣化や歩留まりの低下を抑制できるようになる。
【００２４】
（第２の実施形態）
図９は、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。なお、以下の図において、既出の図と対応する部分には既出の図と同一符号を付してあり、詳細な説明は省略する。
【００２５】
本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、リング溝１４内でのＣＮＴの成長を抑制するために、図９に示すように、リング溝１４内の触媒層を選択的に除去することにある。
【００２６】
これを実現するには、例えば、図３の工程時に、不活性化処理を行う代わりに、レジストパターン１６をマスクにしてリング溝１４内の触媒層をエッチングにより除去する。このエッチングは、例えば、Ａｒによる物理的エッチング、または、硫酸と過酸化水素水との混合液によるウエットエッチングである。この後は、第１の実施形態と同様に図４以降の工程を行う。
【００２７】
（第３の実施形態）
図１０および図１１は、第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【００２８】
本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、リング溝１４内でのＣＮＴの成長を抑制するために、リング溝１４内の触媒層１５をカーボンの触媒とならない膜（非触媒膜）４０により選択的に覆うことにある。非触媒膜４０は、例えば、シリコン膜、コバルトシリサイド膜またはニッケルシリサイド膜であり、場合によっては、シリコン窒化膜などの絶縁膜でも構わない。
【００２９】
これを実現するには、例えば、図３の工程時に、不活性化処理を行う代わりに、図１０に示すように、リング溝１４内の触媒層１５を覆うように全面に非触媒膜４０を形成し、次に、レジストパターン１６を炭化し、レジストパターン１６およびリング溝１４外の非触媒膜４０を除去することにより、図１１に示すように、リング溝１４内の触媒層１５が非触媒膜４０で選択的に覆われた構造が得られる。この後は、第１の実施形態と同様に図４以降の工程を行う。
【００３０】
（第４の実施形態）
図１２は、第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【００３１】
本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、リング溝１４内でのＣＮＴの成長を抑制するために、図１２に示すように、斜めイオン注入によりリング溝１４内の触媒層１５にイオン５０を照射し、リング溝１４内の触媒層１５を選択的に不活性化することにある。本実施形態の場合、レジストパターン１６を形成する工程（リソグラフィプロセス）を不要とすることが可能である。イオン５０は、例えば、イオン注入プロセスで用いられるＧｅ、ＢもしくはＰのイオン、または、イオンミリングで用いられるＡｒイオンである。
【００３２】
（第５の実施形態）
図１３は、第５の実施形態に係る半導体装置を説明するための平面図である。
【００３３】
第１−第４の実施形態では、チップリング１９の数は一つであったが、その数は図１３に示すように複数でも構わない。全てのチップリング１９が金属で形成されている必要はなく、ＣＮＴ層で形成されたチップリングが混在していても構わない。
【００３４】
（第６の実施形態）
図１４および図１５は、第５の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための平面図である。
【００３５】
本実施形態では、補助触媒層および触媒層を用いる製造方法について説明する。
【００３６】
図１の工程の後、図１４に示すように、ビアホール１３およびリング溝１４の内面（側面および底面）を覆うように、全面にバリア層（不図示）、助触媒層１５０、粒状の触媒金属１５１を周知の方法により順次形成する。
【００３７】
次に、リング溝１４内の助触媒層１５０および粒状の触媒金属１５１が選択的に露出するように、レジストパターン１６を形成し、その後、リング溝１４内の露出した助触媒層１５０および粒状の触媒金属１５１に対して不活性化処理を施す。
【００３８】
この後は、第１の実施形態の図４−図７と同様の工程が続く。図１５に、このような工程を経て得られた図１４の破線で囲まれた領域の断面図を示す。リング溝は、助触媒層１５０、触媒金属１５１、バリアメタル膜１８および金属層１９で埋め込まれる。ビアホールは、第１の実施形態と同様に、金属層１９ではなくてＣＮＴ層で埋め込まれる。
【００３９】
本実施形態によれば、ビアホール内に形成されたカーボンナノチューブ層を含むプラグと、前記ビアホールを囲むように形成された環状溝の導電部とを含む多層配線において、前記環状の導電部が、助触媒層１５０と金属層１９との積層体を含み、かつ助触媒層１５０と金属層１９との界面に粒状の触媒金属１５１が設けられた半導体装置が得られる。
【００４０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４１】
１０…第１の層間絶縁膜、１１…第１の配線、１２…第２の層間絶縁膜、１３…ビアホール、１４…リング溝、１５…触媒層、１６…レジストパターン、１７…ＣＮＴ層、１７ａ…ＣＮＴ、１８…バリアメタル膜、１９…金属層（チップリング）、１９ａ…金属材料、２０…第２の配線、３１…水分、４０…非触媒層、５０…イオン、１５０…助触媒層、１５１…粒状の触媒金属。
【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】
2013207069.tif 000009
【図８】
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【図９】
2013207069.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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