(57)【要約】【課題】金属から構成され、アスペクト比が大きいナノワイヤーを有する配線構造および配線方法を提供する。【解決手段】対をなす金属電極の間にナノワイヤーが形成された配線構造であって、ナノワイヤーは、金属または金属化合物の三次元結晶からなり、ナノワイヤーのアスペクト比が５以上であることを特徴とする。第１の金属電極の表面を第２の金属電極の表面に接触させた後、第１の金属電極を第２の金属電極から引き離すことにより、第１の金属電極と第２の金属電極との間にナノワイヤーを形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対をなす金属電極の間にナノワイヤーが形成された配線構造であって、
前記ナノワイヤーは、金属または金属化合物の三次元結晶からなり、前記ナノワイヤーのアスペクト比が５以上であることを特徴とする配線構造。
【請求項２】
前記ナノワイヤーは、亜鉛（Ｚｎ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、錫（Ｓｎ）から選択される１種もしくは２種以上の金属、またはその化合物からなることを特徴とする請求項１に記載の配線構造。
【請求項３】
前記ナノワイヤーは、前記対をなす金属電極を構成する金属の一方または両方からなることを特徴とする請求項１または２に記載の配線構造。
【請求項４】
前記金属電極に配線が接続され、前記配線を介して前記ナノワイヤーに電気を通じることが可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の配線構造。
【請求項５】
前記ナノワイヤーが、空中配線もしくは基板上配線であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の配線構造。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の配線構造を作製する配線方法であって、
第１の金属電極の表面を第２の金属電極の表面に接触させた後、前記第１の金属電極を前記第２の金属電極から引き離すことにより、前記第１の金属電極と前記第２の金属電極との間にナノワイヤーを形成することを特徴とする配線方法。
【請求項７】
前記ナノワイヤーを形成する際に、前記第１の金属電極と前記第２の金属電極との間に電界を印加することを特徴とする請求項６に記載の配線方法。
【請求項８】
前記ナノワイヤーを形成する際に、温度を上げることを特徴とする請求項６または７に記載の配線方法。
【請求項９】
前記第１の金属電極と前記第２の金属電極との間に形成されたナノワイヤーを化学的に反応させることにより、金属化合物からなるナノワイヤーを形成することを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の配線方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細なナノワイヤーを有する配線構造および配線方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体回路の高密度化に伴い、フォトリソグラフィーにより作製される金属配線の幅の微細化が進んでいる。しかしながら、現状で得られる配線幅は、基板上のエッチングによる場合でも数十〜数百ｎｍ程度である。ワイヤーボンディングのような空中配線の場合は、数百ｎｍ程度が限界である。
【０００３】
近年、ナノメートル（ｎｍ）オーダーの寸法を有する構造物に関する研究開発が広く行われている。例えば、非特許文献１には、金（Ａｕ）による柱状の点接触構造（金属ナノ接点）が報告されている。また、非特許文献２には、シリコン（Ｓｉ）によるナノワイヤーの成長について報告されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｔｏｋｕｓｈｉ  Ｋｉｚｕｋａ，“Ａｔｏｍｉｃ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  ｏｆ  Ｐｏｉｎｔ  Ｃｏｎｔａｃｔ  ｉｎ  Ｇｏｌｄ  Ｓｔｕｄｉｅｄ  ｂｙ  Ｔｉｍｅ−Ｒｅｓｏｌｖｅｄ  Ｈｉｇｈ−Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ”，Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌｕｍｅ  ８１，Ｎｕｍｂｅｒ  ２０，  ｐｐ．４４４８−４４５１
【非特許文献２】Ｔｏｋｕｓｈｉ  Ｋｉｚｕｋａ  ａｎｄ  Ｙａｓｕｈｉｒｏ  Ｔａｋａｔａｎｉ，“Ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｎａｎｏｗｉｒｅｓ  ｂｙ  Ｎａｎｏｍｅｔｅｒ−Ｓｉｚｅｄ  Ｔｉｐ  Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ”，Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌｕｍｅ  ４６，Ｎｕｍｂｅｒ  ９Ａ，ｐｐ．５７０６−５７１０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
配線接続への応用を検討するには、良導体である金属から、アスペクト比（径に対する長さの比）が大きいナノワイヤーを形成することが必要である。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、金属から構成され、アスペクト比が大きいナノワイヤーを有する配線構造および配線方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の配線構造は、対をなす金属電極の間にナノワイヤーが形成された配線構造であって、前記ナノワイヤーは、金属または金属化合物の三次元結晶からなり、前記ナノワイヤーのアスペクト比が５以上であることを特徴とする。
【０００８】
本発明の配線構造において、前記ナノワイヤーは、亜鉛（Ｚｎ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、錫（Ｓｎ）から選択される１種もしくは２種以上の金属、またはその化合物からなることが好ましい。
【０００９】
前記ナノワイヤーは、前記対をなす金属電極を構成する金属の一方または両方からなることが好ましい。
前記金属電極に配線が接続され、前記配線を介して前記ナノワイヤーに電気を通じることが可能であることが好ましい。
前記ナノワイヤーが、空中配線もしくは基板上配線であってもよい。
【００１０】
本発明の配線方法は、本発明の配線構造を作製する配線方法であって、第１の金属電極の表面を第２の金属電極の表面に接触させた後、前記第１の金属電極を前記第２の金属電極から引き離すことにより、前記第１の金属電極と前記第２の金属電極との間にナノワイヤーを形成することを特徴とする。
【００１１】
本発明の配線方法において、前記ナノワイヤーを形成する際に、前記第１の金属電極と前記第２の金属電極との間に電界を印加することも可能である。
本発明の配線方法において、前記ナノワイヤーを形成する際に、温度を上げることも可能である。
【００１２】
本発明の配線方法において、前記第１の金属電極と前記第２の金属電極との間に形成されたナノワイヤーを化学的に反応させることにより、金属化合物からなるナノワイヤーを形成することも可能である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、良導体である金属から、アスペクト比（径に対する長さの比）が大きいナノワイヤーを形成することが可能になる。このナノワイヤーは、空中配線、基板上配線などの配線に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例におけるナノワイヤーの作製手順を説明する写真である。
【図２】ナノワイヤーの製造方法を説明する概略図である。
【図３】ナノワイヤーの第１例を示す概略図である。
【図４】ナノワイヤーの第２例を示す概略図である。
【図５】ナノワイヤーの第３例を示す概略図である。
【図６】ナノワイヤーの第４例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、好適な実施形態に基づいて、本発明を説明する。
【００１６】
図１は、ナノワイヤーの作製手順を説明する写真である。図２は、ナノワイヤーの製造方法を説明する概略図である。図３は、ナノワイヤーの第１例を示す概略図である。なお、図３では第１の金属電極の図示を省略しているが、第１の金属電極はナノワイヤーの左側に位置する。
【００１７】
本実施形態のナノワイヤーは、対をなす金属電極の間に形成される。本実施形態の配線構造は、ナノワイヤーと、その両端にそれぞれ接合された金属電極（第１の金属電極および第２の金属電極）とを含む。配線構造の作製に当たっては、まず、２つの金属ナノチップを、対向して配置する。図１の左に挙げる写真および図２に示すように、第１の金属電極１１の表面を第２の金属電極１０の表面に接触させた後、第１の金属電極１１を第２の金属電極１０から引き離す。これにより、図１の右に挙げる写真および図３に示すように、第１の金属電極１１が引き伸ばされて、第２の金属電極１０との間にナノワイヤー１２が形成される。
【００１８】
本実施形態により得られるナノワイヤーは、例えば、径（配線としては幅）が１０ｎｍ程度で、長さが１００ｎｍ級のナノワイヤーである。ナノワイヤーの径および長さは、例えば電子顕微鏡で撮影した画像上における幅および長さに基づいて、測定することが可能である。径が長さ方向に沿って変化するときは、例えば最小の径または平均的な径を採用することができる。
【００１９】
ナノワイヤーの径は、例えば１〜１００ｎｍの範囲内である。径の例示として、２ｎｍ以上、３ｎｍ以上、１０ｎｍ以下、２０ｎｍ以下、３０ｎｍ以下、５０ｎｍ以下等が挙げられる。
ナノワイヤーの長さは、例えば５ｎｍ以上である。長さの例示として、１０ｎｍ以上、２０ｎｍ以上、３０ｎｍ以上、５０ｎｍ以上、１００ｎｍ以上等が挙げられる。
【００２０】
２つの金属電極を接触させる工程に先立って、少なくとも１つの金属電極は、微細な針状の先端部を有するように加工されている。先端部の寸法は、数ｎｍから数十ｎｍ程度（例えば１〜１００ｎｍ）が好ましい。図２の場合、第１の金属電極１１が針状の先端部を有する。
【００２１】
ナノワイヤー１２を引き伸ばす方法は、第２の金属電極１０に対して第１の金属電極１１を移動させる方法に限定されない。第１の金属電極１１に対して第２の金属電極１２を移動させる方法でもよい。第１の金属電極１１および第２の金属電極１０を互いに移動させる方法でもよい。金属電極の移動には、ピエゾ素子等の微動可能な機構を用いることができる。２つの金属電極の対向する向き（角度）の調整は、例えばゴニオメータにより実施可能である。
【００２２】
本実施形態のナノワイヤーは、良導体の金属から構成されることが好ましい。ナノワイヤーを構成する金属は特に限定されないが、例えば、亜鉛（Ｚｎ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、錫（Ｓｎ）等から選択される１種もしくは２種以上の金属が挙げられる。
【００２３】
第１の金属電極を構成する金属は、第２金属電極を構成する金属と異なってもよい。ナノワイヤーを構成する金属は、第１の金属電極を構成する金属のみでもよく、第２の金属電極を構成する金属のみでもよい。ナノワイヤーが、第１の金属電極を構成する金属および第２の金属電極を構成する金属の両方を含むことも可能である。
【００２４】
金属電極を構成する金属の結晶構造は特に限定されないが、例えば、面心立方構造（ｆｃｃ）、六方最密構造（ｈｃｐ）、体心立方構造（ｂｃｃ）等が挙げられる。
【００２５】
金属電極の接触および引き伸ばしを１工程で行うことにより、粒界のない単結晶のナノワイヤーを得ることが可能である。
金属電極の接触および引き伸ばしを２回以上繰り返すことにより、多結晶のナノワイヤーを得ることが可能である。
【００２６】
引き伸ばしによるナノワイヤーの形成工程において、ナノワイヤーの成長部分は融解していないことから、金属の融点以下の温度、例えば室温でも実施可能である。ナノワイヤーの形成は、ナノワイヤーを構成する金属の延性が寄与すると考えられる。このため、ナノワイヤーを作製する際の温度は、ナノワイヤーの延性脆性遷移温度以上であることが好ましい。
【００２７】
ナノワイヤーの形成時に、２つの金属電極および周囲雰囲気の少なくとも１つを加熱することも可能である。ナノワイヤーを金属配線として応用する場合には、素子の熱損傷を抑制するため、非加熱（室温）等の低温で実施することも可能である。
【００２８】
ナノワイヤーの成長に際して、金属原子がすべりにより移動していると仮定すれば、金属電極の表面が単一種の結晶から構成される場合、同一方向のすべりが連続的に起こることにより、成長が促進させる可能性がある。一般に、単結晶金属におけるすべりにおいて、シュミット因子はｃｏｓφ・ｃｏｓθで表される（ここで、φは引っ張り力の方向とすべり面の法線方向とが成す角度、θは引っ張り力の方向とすべり方向とが成す角度を表す）。力に対して平行な方向および垂直な方向ではシュミット因子が最小値０をとるため、塑性変形が起こりにくいと考えられる。そして、力に対して斜め方向にすべりが起こる場合、シュミット因子が大きいことにより塑性変形が起こりやすい。しかし、ナノワイヤーを引き延ばす過程では、引き伸ばす方向に金属原子のすべりが生じる必要がある。このため、ナノワイヤーの成長機構については、従来のすべりとは異なる機構が関与している可能性がある。
【００２９】
引き伸ばしによるナノワイヤーの形成工程において、２つの金属電極の間に電界を印加してもよい。電界を印加すると、エレクトロマイグレーションが生じるため、引き伸ばしで形成されるナノワイヤーの径がより太くなり、長さも増加する傾向がみられる。エレクトロマイグレーションによれば、電極間を接触させて電界を印加すると、負極側から正極側に金属原子が移動する。電極間の電圧は、金属種にもよるが、例えば数ｍＶから数Ｖ程度である。電界の印加に代わりに、または電界の印加と共に、加熱をしてもよい。加熱により原子の拡散が促進されるので、同様な効果を奏する。
【００３０】
微細な針の先端部を設けた金属電極を正極とした場合、負極側から針の先端部に向けて金属原子が移動するので、徐々に正極と負極との間を遠ざけると、ナノワイヤーを引き伸ばすことができる。この場合、ナノワイヤーは、先端部を設けた金属電極に対向する正極と同じ金属から構成される。
【００３１】
微細な針の先端部を設けた金属電極を負極とした場合、針の先端部から正極に向けて金属原子が移動するので、徐々に正極と負極との間を遠ざけると、ナノワイヤーを引き伸ばすことができる。この場合、ナノワイヤーは、先端部を設けた金属電極と同じ金属から構成される。
【００３２】
本実施形態のナノワイヤーは、金属の三次元結晶からなる。すなわち、金属原子が長さ方向だけでなく、長さ方向に対して直交する二方向にも配列する。これにより、一次元結晶と比べて電気的抵抗が小さく、機械的強度が高いと考えられる。ナノワイヤーのアスペクト比は、径に対する長さの比として規定することができる。ナノワイヤーの径をＤ、長さをＬで表すとき、アスペクト比はＬ／Ｄで表される。ナノワイヤーのアスペクト比は、５以上が好ましく、他の具体例として、１０以上、２０以上、３０以上等が挙げられる。ナノワイヤーのボンディング長（電極間接続長）が十分であれば、アスペクト比は小さくてもよい。作製条件、材料等の選択に関しては、アスペクト比の上限が高いほど、ボンディングの自由度が向上するので好ましい。
【００３３】
ナノワイヤーの製造方法において、第１の金属電極と第２の金属電極との間に形成されたナノワイヤーを化学的に反応させることにより、金属化合物からなるナノワイヤーを形成することも可能である。例えば、Ｚｎからなるナノワイヤーを酸化することにより、半導体として利用可能な酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなるナノワイヤーを得ることができる。
【００３４】
本実施形態の配線構造は、金属同士を接触させるだけで相互に接合し、さらに金属同士を引き離すだけで、金属間がワイヤー状に引き伸ばされるという新規な知見に基づいている。通常、金属を常温で接触させても接合せず、引き離してもワイヤー状に引き伸ばされることはない。そこで、通常のワイヤー（径がマイクロメートルオーダーまたはそれ以上のワイヤー）の作製は、金属を引き伸ばすだけでなく、細い孔を有する型に金属を通す等の加工が必要である。また、ワイヤーボンディングの際にワイヤーを電極に接合するには、巻き取り線から送り出したワイヤーの端部に、放電、加熱、超音波等のエネルギーを作用させる必要がある。配線に必要な長さのナノワイヤーを、従来のワイヤーボンディングと同様の手法で用いようとした場合、ナノワイヤーの巻き取り、運搬、電極への接合等に困難を生じる。これに対して、本実施形態では、接合前にナノワイヤーを作製する必要はなく、電極に金属ナノチップを接触させてから引き離すだけで、ナノワイヤーの作製と電極への接合が完結し、ナノワイヤーの両端にそれぞれ金属電極が接合された配線構造が得られる。このため、ナノワイヤーを自在に電極間に形成することができる。このようなナノワイヤーを金属配線に利用した場合、基板上の配線に限らず、層間配線など、三次元的な配線に応用可能である。
【００３５】
以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
【００３６】
電界、加熱等、金属原子の移動を促進する因子を制御することにより、ナノワイヤーの径を段階的または連続的に変化させることも可能である。
【００３７】
図４には、第２の金属電極２０に向けて径が徐々に増加するナノワイヤー１３を例示する。このナノワイヤー１３の作製に際しては、ナノワイヤーの引き伸ばしが進行するにつれて、電界を徐々に増加する等、金属原子の移動を促進する傾向を付与する。
【００３８】
図５には、第２の金属電極２０に向けて径が徐々に減少するナノワイヤー１４を例示する。このナノワイヤー１４の作製に際しては、ナノワイヤーの引き伸ばしが進行するにつれて、電界を徐々に減少する等、金属原子の移動を抑制する傾向を付与する。
【００３９】
図６には、長さ方向に沿って径の減少および減少を有するナノワイヤー１５を例示する。このナノワイヤー１５の作製に際しては、ナノワイヤーの引き伸ばしが進行するにつれて、金属原子の移動を促進する手段と、金属原子の移動を抑制する手段を交互に用いる。例えば、電界の印加を周期的にオンオフする。
【００４０】
本発明のナノワイヤーは、三次元実装などの金属配線への応用が期待される。
金属電極間でナノワイヤーを引き伸ばすだけで、空中配線もしくは基板上配線として利用可能になる。その応用例として、例えば同一基板上の配線に限らず、複数の配線基板における層間配線が挙げられる。
【００４１】
層間配線の一例としては、上側の配線基板の側端部の位置を、下側の配線基板の側端部の位置から基板面に対して水平方向にずらして、階段状に積層された配線基板の上面同士を接続する構成が挙げられる。
層間配線の別の一例としては、上側の配線基板の側端部の位置を、下側の配線基板の側端部の位置に対し上下方向に揃えて、上下の配線基板の側端面同士を接続する構成が挙げられる。
【００４２】
ナノワイヤーの周囲に絶縁物を設けたり、他の配線基板を積層したりする等の後加工により、埋め込み配線、貫通配線、被覆配線などへの応用も考えられる。この場合、ナノワイヤーの表面に絶縁物を密着させてもよく、ナノワイヤーの表面に絶縁物が接触しないようにしてもよい。
【実施例】
【００４３】
以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。
【００４４】
（実施例１）
亜鉛（Ｚｎ）からなる２つの金属チップを用意した。そのうち１つの金属チップは、径が１０ｎｍ程度の先端部を有する微細な針状に形成した。針状の先端部を他方の金属チップに接触させ、ナノワイヤーを成長させることにより、最小径が３．１ｎｍで長さが７０ｎｍ以上のナノワイヤーが得られた（図１参照）。この場合、径方向に積層される金属原子の層数は、３．１ｎｍの径から約１２〜１３層と換算される。
【００４５】
（実施例２）
亜鉛の代わりに金（Ａｕ）からなる２つの金属チップを用意して、ナノワイヤーを成長させた。この場合にも、実施例１と同様に、高アスペクト比のナノワイヤーが得られた。
【００４６】
（実施例３）
金（Ａｕ）からなる金属チップおよび白金（Ｐｔ）からなる金属チップを用意して、主にＡｕからなるナノワイヤーを成長させた。この場合にも、実施例１と同様に、高アスペクト比のナノワイヤーが得られた。
【符号の説明】
【００４７】
１０…第２の金属電極、１１…第１の金属電極、１２〜１５…ナノワイヤー。
【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１】
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