JP2014183211A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 実施形態は、カーボンナノチューブを用いた低抵抗な配線に関するものである。
【解決手段】 実施形態にかかる半導体装置は、基板上の下層配線と、下層配線上にコンタクトホールが形成された層間絶縁膜と、コンタクトホールの底部に形成された触媒金属の粒子を有する触媒金属層と、触媒金属層上に形成されたコンタクトホールを貫通する多層カーボンナノチューブと、多層カーボンナノチューブ上に形成された上層配線と、を備え、多層カーボンナノチューブの層間には、原子又は分子が挿入されていることを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】 実施形態にかかる半導体装置は、基板上の下層配線と、下層配線上にコンタクトホールが形成された層間絶縁膜と、コンタクトホールの底部に形成された触媒金属の粒子を有する触媒金属層と、触媒金属層上に形成されたコンタクトホールを貫通する多層カーボンナノチューブと、多層カーボンナノチューブ上に形成された上層配線と、を備え、多層カーボンナノチューブの層間には、原子又は分子が挿入されていることを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
実施形態は、半導体装置及びその製造方法に関する。
ＬＳＩや３Ｄメモリの微細化および多層化に伴い、金属配線において配線遅延の増大が大きな問題となっている。配線遅延の低減には、配線抵抗や配線間容量の低減が重要である。配線の低抵抗化には、例えばＣｕなどの低抵抗材料の適用が実用化されている。しかし、Ｃｕ配線においても、ストレスマイグレーションやエレクトロマイグレーションによる信頼性劣化、サイズ効果に起因する電気抵抗率の上昇、微細ビアホールへの埋め込みなどが問題となっており、低抵抗かつ電流密度耐性に優れた配線材料が求められている。
低抵抗・高信頼性が期待できる次世代配線材料として、高い電流密度耐性、電気伝導特性、熱伝導率、機械的強度など優れた物性を有するカーボンナノチューブやグラフェン等の炭素系材料の応用が注目されている。特に、縦方向層間配線にカーボンナノチューブを用いる配線構造が検討されている。
実施形態は、カーボンナノチューブを用いた低抵抗な配線に関するものである。
実施形態にかかる半導体装置は、基板上の下層配線と、下層配線上にコンタクトホールが形成された層間絶縁膜と、コンタクトホールの底部に形成された触媒金属の粒子を有する触媒金属層と、触媒金属層上に形成されたコンタクトホールを貫通する多層カーボンナノチューブと、多層カーボンナノチューブ上に形成された上層配線と、を備え、多層カーボンナノチューブの層間には、原子又は分子が挿入されていることを特徴とする。
（実施形態１）
実施形態にかかる半導体装置は、半導体集積回路の配線上にコンタクトホールが形成された層間絶縁膜と、コンタクトホールの底部に形成された触媒金属の粒子を有する触媒金属層と、触媒金属層上に形成されたコンタクトホールを貫通する多層カーボンナノチューブと、を備え、多層カーボンナノチューブの層間には、原子又は分子が挿入されているカーボンナノチューブ配線を有することを特徴とする。
実施形態にかかる半導体装置は、半導体集積回路の配線上にコンタクトホールが形成された層間絶縁膜と、コンタクトホールの底部に形成された触媒金属の粒子を有する触媒金属層と、触媒金属層上に形成されたコンタクトホールを貫通する多層カーボンナノチューブと、を備え、多層カーボンナノチューブの層間には、原子又は分子が挿入されているカーボンナノチューブ配線を有することを特徴とする。
多層カーボンナノチューブの層間にアルカリ金属（Ｋ、Ｒｂ、Ｌｉなど）、ハロゲン元素（Ｆ２、Ｂｒ２など）、塩化物（ＦｅＣｌ３、ＺｎＣｌ２、ＣｄＣｌ２、ＹＣｌ３、ＡｌＣｌ３など）などの原子や分子が挿入される。多層カーボンナノチューブの層間に原子や分子を挿入した場合には、層間間隔が広がり、直径が大きくなる。実施形態では、コンタクトホール内に多層カーボンナノチューブを形成後、多層カーボンナノチューブの層間に原子又は分子の挿入を行い、カーボンナノチューブ直径を増大させ、コンタクトホール内でのカーボンナノチューブ空間占有率を増加させる。その後、平坦化工程を行い、上層配線層を形成する。カーボンナノチューブ空間占有率を増加させることで、埋め込み膜形成なしでの配線構造形成が可能となる。
以下、必要に応じて、図面を参照しに実施形態にかかる半導体装置、配線とその製造方法について説明する。
以下、必要に応じて、図面を参照しに実施形態にかかる半導体装置、配線とその製造方法について説明する。
以下、実施形態について図面を用いて説明する。実施形態は例示であり、発明の範囲はそれらに限定されない。図面は例示である。なお、図面は左右対称であり、同一の符号は省略する。また、図中の形状、大きさ、数などの構成は、実際の半導体装置やカーボンナノチューブ配線を有するものと一致するとは限らない。
図１は、実施形態の半導体装置の層間配線を有する部位の断面図である。図１は実施形態の断面構造であり、基本的な実施形態を示したものである。図１では、半導体集積回路等が形成された下地基板の図示を省略している。実施形態の半導体装置は、半導体集積回路等が形成された下地基板と、下地基板に形成された下層配線１と、下層配線１上にエッチングストップ膜２と、エッチングストップ膜２上に層間絶縁膜３と、層間絶縁膜３上にエッチングストップ膜４と、エッチングストップ膜２，４と層間絶縁膜３を貫通するコンタクトホール５と、コンタクトホール５の底部及び側壁部上に拡散防止膜６と、拡散防止膜６上に導電膜７と、導電膜７上に触媒膜金属８と、触媒金属層８のコンタクトホール５底部から成長したカーボンナノチューブ１０と、カーボンナノチューブ１０上に上層配線１１とを備える。
半導体集積回路等が形成された下地基板は、下層配線１および上層配線１１は、例えば、半導体集積回路の配線である。
エッチングストップ膜２、４は、層間絶縁膜３を形成する際のエッチングストッパとして機能する膜である。エッチングストッパ膜２、４は、層間絶縁膜３と高いエッチング選択比を有する化合物が用いられ、例えば、ＳｉＣＮ等の絶縁膜である。なお、エッチングストップ膜２、４は、製造方法によっては不要な場合が有り、必要に応じて用いればよい。
層間絶縁膜３は、層間配線のコンタクトホール５を形成する絶縁膜である。例えば、ＳｉＯＣ等の低誘電率絶縁膜が好ましい。
拡散防止膜６は、導電膜７や触媒金属層８の金属が層間絶縁膜３へ拡散するのを抑制するために用いられる。拡散防止膜は、例えば、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｒｕなどからなる群から選ばれる１種以上の元素を含む金属または窒化物で構成される。拡散防止膜６の厚さは、例えば、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。拡散防止膜６は、必要に応じて用いることができる。
導電膜７は、層間配線の導電性を安定させたり向上させたりするため、触媒金属層下に用いることが好ましい。導電膜７の厚さは、例えば０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。また、導電膜７は、多層カーボンナノチューブ成長の助触媒となる金属が好ましい。ここで、導電膜７は、異なる複数の導電材料が積層された構造を有していてもよい。導電膜７は、上記の理由から、金属膜の中でもＴｉ、Ｔａ、Ｍｎ、ＭｏとＶからなる群から選ばれる１種以上の元素を含む金属または合金を含む膜が好ましい。導電膜７中には、不可避元素が含まれる場合がある。導電膜７は必要に応じて用いることができる。
触媒金属層８は、多層カーボンナノチューブが成長可能な元素を有する層である。多層カーボンナノチューブを成長させる観点から、触媒金属層８は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、ＲｕとＣｕからなる群から選ばれる１種以上の元素を含む金属または合金を含む触媒金属の膜又は触媒金属の粒子を含むことが好ましい。カーボンナノチューブ配線は、コンタクトホール５の底部（下層配線１）から上層配線１１にむかう配線であることから、カーボンナノチューブの成長に好適な触媒金属の粒子は、コンタクトホール５に底部に少なくとも有することが好ましい。触媒金属層８の厚さは、例えば１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。触媒金属層８の微粒子化の観点から、触媒金属層８の厚さは、例えば１ｎｍ以上４ｎｍ以下が好ましい。
カーボンナノチューブ１０は、多層カーボンナノチューブである。カーボンナノチューブ構造は、筒状の同心円構造もしくは中心から外側へスクロール状にカーボン層が巻かれた構造が好ましい。カーボンナノチューブ１０は、多層カーボンナノチューブ９に原子又は分子が挿入されたものである。カーボンナノチューブ層間に挿入されるものとしては、例えばアルカリ金属（Ｋ、Ｒｂ、Ｌｉなど）、ハロゲン元素（Ｆ２、Ｂｒ２など）、塩化物（ＦｅＣｌ３、ＺｎＣｌ２、ＣｄＣｌ２、ＹＣｌ３、ＡｌＣｌ３など）などの分子からなる群から選ばれる１種以上の原子又は分子が好ましい。原子又は分子の挿入によって、多層カーボンナノチューブの直径は増大する。挿入量によって異なるが、例えば、実施形態の多層カーボンナノチューブは、原子又は分子が未挿入のものに比べて、その直径が１．５倍以上である。カーボンナノチューブ１０の直径が増大することで、コンタクトホール４内のカーボンナノチューブ１０占有率が増加する。多層カーボンナノチューブ１０の層間だけでなく、多層カーボンナノチューブ１０間にも原子又は分子が挿入される場合がある。多層カーボンナノチューブ１０間に原子又は分子が挿入されると、層間に挿入した場合と同様に、カーボンナノチューブの伝導度を制御することができるという利点を有する。
コンタクトホール４内には、通常、埋め込み膜を用いて、カーボンナノチューブ１０間の空隙を埋める必要が有るが、実施形態では、全体的にカーボンナノチューブ１０が太く、カーボンナノチューブ１０のコンタクトホール５内占有率が高いため、埋め込み膜が不要となる。また、埋め込み膜を用いる場合、条件によっては、埋め込み膜の酸化物と、上層配線の金属とが反応し、酸化物を形成し、層間配線の抵抗が増加する恐れがあるが、実施形態では、埋め込み膜を用いていないため、かかる抵抗の増加を防ぐことができる。また、カーボンナノチューブ１０のキャリアが増加するため、上層配線１１とのコンタクト抵抗を低減することも期待される。
ＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）やＴＥＭ−ＥＤＸ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）で、断面を解析することにより、原子又は分子が多層カーボンナノチューブ１０の層間に挿入されていることを確認することができる。
次に、実施形態のカーボンナノチューブ配線を半導体装置に製造する方法について説明する。
実施形態のカーボンナノチューブ配線を有する半導体装置の製造方法は、例えば、基板上に層間絶縁膜形成する工程と、層間絶縁膜を貫通するコンタクトホールを形成する工程と、コンタクトホールに触媒金属層を形成する工程と、触媒金属層から多層カーボンナノチューブを成長させる工程と、多層カーボンナノチューブの層間に原子又は分子を挿入する工程とを有する。
実施形態のカーボンナノチューブ配線を有する半導体装置の製造方法は、例えば、基板上に層間絶縁膜形成する工程と、層間絶縁膜を貫通するコンタクトホールを形成する工程と、コンタクトホールに触媒金属層を形成する工程と、触媒金属層から多層カーボンナノチューブを成長させる工程と、多層カーボンナノチューブの層間に原子又は分子を挿入する工程とを有する。
図２は、実施形態の半導体集積回路が形成された下地基板に下層配線１と、エッチングストッパ膜２、４と層間絶縁膜３が形成された部材にコンタクトホール５を形成する工程を示す断面概念図である。最初に、半導体集積回路等が形成された下地基板に形成された下層配線１上にエッチングストップ膜２および層間絶縁膜３を形成する。このとき層間絶縁膜３上に第２のエッチングストップ膜４を形成してもよい。次に、例えばフッ素系ガスを用いたドライエッチングにより第２のエッチングストップ膜４および層間絶縁膜３およびエッチングストップ膜２を下層配線１にまで貫通させ、コンタクトホール５を形成する。
そして、図３は、図２の概念図に示す部材に、拡散防止膜６、導電膜７と触媒金属層８の形成工程を示す断面概念図である。図３に示すよう、コンタクトホール５を含む全面に、拡散防止膜６と導電膜７と触媒金属層８を形成する。拡散防止膜６と導電膜７と触媒金属層８の形成方法は、ＰＶＤ（物理気相成長：Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やＣＶＤ（化学気相成長：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの成膜方法を採用することができる。しかし、コンタクトホールのアスペクト比（コンタクトホール高さ/ホール径）が大きくなる場合には、段差被覆性が低いスパッタ等のＰＶＤでは、ビア底に拡散防止膜６と導電膜７と触媒金属層８を形成することは難しく、段差被覆性の良いＣＶＤによる成膜が望ましい。拡散防止膜６と導電膜７は省略した構成でもよい。拡散防止膜６は、層間絶縁膜３中への導電膜７と触媒金属層８の拡散を抑制するために用いることが好ましい。
次に、図４は、図３の概念図に示す部材に、多層カーボンナノチューブ９を触媒金属層８から成長させる工程を示す断面概念図である。カーボンナノチューブ９の成長には、例えば熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法がある。プラズマＣＶＤ法を用いる場合、反応炉内で基板を例えば５００℃に昇温し、原料ガスとしてメタンガスなどの炭化水素系ガスを、キャリアガスとして水素を導入して、例えばマイクロ波によってメタンガスを励起・放電させて、原料ガスをプラズマ化させ、触媒金属層８と反応させて、カーボンナノチューブ９を成長させる。また、カーボンナノチューブ９の成長を行う際、プラズマ表面処理により触媒金属層８の微粒子化を行ってもよい。触媒金属層８の微粒子化は、カーボンナノチューブ９の成長処理によっても行うことができる。プラズマの原料ガスは、例えば水素またはアルゴンなどの希ガスが好ましいが、どちらかまたは両方を含んだ混合ガスでもよい。このとき、基板の加熱を行ってもよい。成長させるカーボンナノチューブ９は多層構造を有し、筒状の同心円構造もしくは中心から外側へスクロール状にカーボン層が巻かれた構造である。また、カーボンナノチューブ９の成長後、酸素プラズマ処理や酸素雰囲気中でのアニール処理などにより多層カーボンナノチューブ先端を開端する処理を行うことが望ましい。
図５は、図４の概念図に示す部材の多層カーボンナノチューブ９に、原子又は分子を挿入する工程を示す。多層カーボンナノチューブ９は、その層間に原子又は分子が挿入されることによって、層間に原子又は分子を有する多層カーボンナノチューブ１０となる。カーボンナノチューブ層間に挿入されるものとしては、例えばアルカリ金属（Ｋ、Ｒｂ、Ｌｉなど）、ハロゲン元素（Ｆ２、Ｂｒ２など）、塩化物（ＦｅＣｌ３、ＺｎＣｌ２、ＣｄＣｌ２、ＹＣｌ３、ＡｌＣｌ３など）などの分子からなる群から選ばれる１種以上の原子又は分子が好ましい。これらの原子又は分子のガス雰囲気下で、図４の概念図に示す部材を処理することが好ましい。処理条件は、挿入量によって適宜調整すればよく、例えば、Ｂｒでは室温、飽和蒸気圧で９０分間の処理条件を挙げることができる。このとき、挿入種によっては基板の加熱を行ってもよい。
多層カーボンナノチューブ９の層間に原子又は分子を挿入することで、カーボンナノチューブ直径を増大させ、ビア内でのカーボンナノチューブ空間占有率を増加させる。例えば、カーボンナノチューブ直径が１０ｎｍの場合、最密充填構造で１．１×１０１２ｃｍ−２のカーボンナノチューブ密度となるが、インターカレーションによりカーボンナノチューブ直径を２０ｎｍにすることができれば、３．０×１０１１ｃｍ−２のカーボンナノチューブ密度でも最密充填とすることができる。
次に、図６に示すように、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｏｓｈｉｎｇ）により平坦化を行い、コンタクトホールに原子又は分子が挿入されたカーボンナノチューブ１０を形成した配線構造が得られる。
次いで、多層カーボンナノチューブ１０上部に、上層配線１１を形成することにより、図１に示すカーボンナノチューブを用いた配線構造を有する半導体装置が得られる。
（実施形態２）
実施形態２のカーボンナノチューブ配線を有する半導体装置は、半導体集積回路の配線上にコンタクトホールが形成された層間絶縁膜と、コンタクトホールの底部に形成された触媒金属の粒子を有する触媒金属層と、触媒金属層上に形成されたコンタクトホールを貫通する多層カーボンナノチューブと、多層カーボンナノチューブ上に形成された上層配線と、コンタクトホールに第１の埋め込みと膜を備え、第１の埋め込み膜と上層配線との間には空隙を有するカーボンナノチューブ配線を有する。実施形態２以降では、カーボンナノチューブと上層配線の界面近傍において、カーボンナノチューブ９と上層配線１１が良好なコンタクトを形成する構成である点で共通する。
実施形態２のカーボンナノチューブ配線を有する半導体装置は、半導体集積回路の配線上にコンタクトホールが形成された層間絶縁膜と、コンタクトホールの底部に形成された触媒金属の粒子を有する触媒金属層と、触媒金属層上に形成されたコンタクトホールを貫通する多層カーボンナノチューブと、多層カーボンナノチューブ上に形成された上層配線と、コンタクトホールに第１の埋め込みと膜を備え、第１の埋め込み膜と上層配線との間には空隙を有するカーボンナノチューブ配線を有する。実施形態２以降では、カーボンナノチューブと上層配線の界面近傍において、カーボンナノチューブ９と上層配線１１が良好なコンタクトを形成する構成である点で共通する。
図７は、実施形態の半導体装置の層間配線を有する部位の断面図である。図７は実施形態の断面構造であり、基本的な実施形態を示したものである。図７では、半導体集積回路等が形成された下地基板の図示を省略している。実施形態の半導体装置は、半導体集積回路等が形成された下地基板と、下地基板に形成された下層配線１と、下地配線１上にエッチングストップ膜２と、エッチングストップ膜２上に層間絶縁膜３と、層間絶縁膜３上にエッチングストップ膜４と、エッチングストップ膜２，４と層間絶縁膜３を貫通するコンタクトホール５と、コンタクトホール５の底部及び側壁部上に拡散防止膜６と、拡散防止膜６上に導電膜７と、導電膜７上に触媒膜金属８と、触媒金属層８のコンタクトホール５底部から成長したカーボンナノチューブ９と、カーボンナノチューブ１０上に上層配線１１と、コンタクトホール５に第１の埋め込み膜１２と、第１の埋め込み膜１２と上層配線１１との間に空隙１３を備える。
実施形態２のカーボンナノチューブ配線を有する半導体装置と、実施形態１のカーボンナノチューブ配線を有する半導体装置は、第１の埋め込み膜１２と空隙１３以外の構成は共通する。共通する構成に関しては、その説明を省略する。
第１の埋め込み膜１２は、カーボンナノチューブ９を固定するために形成される。第１の埋め込み膜１２は、絶縁性材料又は導電性材料のいずれでも良い。第１の埋め込み膜１２と上層配線１１との間には、空隙１３が設けられている。空隙１３は、第１の埋め込み膜１２と上層配線１１を隔離するために用いられる。空隙１３の深さは、例えば、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。空隙１３が無い場合は、上層配線１１と第１の埋め込み膜１３が接する。空隙１３が浅すぎると、上層配線１１と接しやすいことが好ましくない。また、空隙１３が深すぎると、コンタクトホール５内の強度が低下するため好ましくない。第１の埋め込み膜１２に上層配線１１と反応性のある材料を用いた場合、上層配線１１が酸化して、カーボンナノチューブ９と上層配線１１の接合部位の抵抗値が上昇する恐れがある。そこで、実施形態では、第１の埋め込み膜１２と上層配線１１との間に空隙１３を設け、上層配線１１の変質を防ぐという利点を有する。従って、実施形態では、カーボンナノチューブ配線の低抵抗なコンタクトを形成することができる。
なお、実施形態２では、カーボンナノチューブ９の層間に原子又は分子を挿入した形態を例示したものではないが、実施形態１と同様に、原子又は分子がカーボンナノチューブ９の層間に挿入された形態でも良い。実施形態２では、第１の埋め込み膜１２が形成されており、第１の埋め込み膜１２が形成された部位では、カーボンナノチューブ９が固定されているため、その層間に、原子又は分子が挿入されにくい構成である。実施形態２において、原子又は分子が、第１の埋め込み膜１２が周りに形成されていない領域であるカーボンナノチューブ９の先端部分に挿入されると、体積増加は一部ではあるが、原子又は分子が挿入された領域のカーボンナノチューブ９において、キャリアが増加することで、上層配線１１と低抵抗なコンタクトが形成される利点がある。また、カーボンナノチューブ９の体積増加に伴い、カーボンナノチューブ９と上層配線１１との接触面積増加の利点もある。
次に、実施形態２のカーボンナノチューブ配線を有する半導体装置の製造方法について説明する。なお、第１の埋め込み膜１２形成前までの工程は、実施形態１の製造方法と共通する。そこで、第１の埋め込み膜１２形成工程以降について、以下説明する。
図８は、図４の触媒金属層８からカーボンナノチューブ９が形成された部材に、第１の埋め込み膜１２を形成する工程を示す断面概念図である。第１の埋め込み膜１２は、例えば塗布型絶縁膜であるＳＯＤ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ）をスピンコートにより形成する方法が挙げられる。スピンコート後は、例えば、４００℃で熱処理して、塗布材料を硬化させる。
図９は、図８の第１の埋め込み膜１２が形成された部材に、ＣＭＰによる平坦化を行う工程を示す断面概念図である。平坦化を行うと、コンタクトホール外のカーボンナノチューブや不要な第１の埋め込み膜１２が除去される。
図１０は、図９の平坦化された部材に、第１の埋め込み膜１２の一部を除去する工程を示す断面概念図である。第１の埋め込み膜１２の上層配線１１が形成される側を一部除去する。第１の埋め込み膜１２が除去された領域は、空隙１３となる。第１の埋め込み膜１２がＳＯＤの場合は、例えば、フッ化水素酸を含む溶液で、ウエットエッチングを行う。ウエットエッチングでは、カーボンナノチューブ９は除去されず、第１の埋め込み膜１２の一部のみが除去される溶液を用いる。除去する第１の埋め込み膜１２の深さは、例えば、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とする。本工程によって、第１の埋め込み膜１２の除去深さ（空隙１３領域体積）を調整することができる。
最後に、図１０の第１の埋め込み膜１２の一部が除去された部材に、上層配線１１を形成する工程を示す断面概念図である。本工程は、実施形態１の上層配線１１の形成工程と共通するが、空隙１３を残存させるために、上層配線１１の形成方法は、ＰＶＤが好ましい。
（実施形態３）
実施形態３のカーボンナノチューブ配線を有する半導体装置は、半導体集積回路の配線上にコンタクトホールが形成された層間絶縁膜と、コンタクトホールの底部に形成された触媒金属の粒子を有する触媒金属層と、触媒金属層上に形成されたコンタクトホールを貫通する多層カーボンナノチューブと、多層カーボンナノチューブ上に形成された上層配線と、コンタクトホールに第１の埋め込み膜とを備え、第１の埋め込み膜と上層配線との間には第２の埋め込み膜を有するカーボンナノチューブ配線を有する。
実施形態３のカーボンナノチューブ配線を有する半導体装置は、半導体集積回路の配線上にコンタクトホールが形成された層間絶縁膜と、コンタクトホールの底部に形成された触媒金属の粒子を有する触媒金属層と、触媒金属層上に形成されたコンタクトホールを貫通する多層カーボンナノチューブと、多層カーボンナノチューブ上に形成された上層配線と、コンタクトホールに第１の埋め込み膜とを備え、第１の埋め込み膜と上層配線との間には第２の埋め込み膜を有するカーボンナノチューブ配線を有する。
図１１は、実施形態の半導体装置の層間配線を有する部位の断面図である。図１１は実施形態の断面構造であり、基本的な実施形態を示したものである。図１１では、半導体集積回路等が形成された下地基板の図示を省略している。実施形態の半導体装置は、半導体集積回路等が形成された下地基板と、下地基板に形成された下層配線１と、下地配線１上にエッチングストップ膜２と、エッチングストップ膜２上に層間絶縁膜３と、層間絶縁膜３上にエッチングストップ膜４と、エッチングストップ膜２，４と層間絶縁膜３を貫通するコンタクトホール５と、コンタクトホール５の底部及び側壁部上に拡散防止膜６と、拡散防止膜６上に導電膜７と、導電膜７上に触媒膜金属８と、触媒金属層８のコンタクトホール５底部から成長したカーボンナノチューブ９と、カーボンナノチューブ１０上に上層配線１１と、コンタクトホールに第１の埋め込み膜１２と、第１の埋め込み膜１２と上層配線１１との間に第２の埋め込み膜１４を備える。
実施形態３のカーボンナノチューブ配線を有する半導体装置と、実施形態２のカーボンナノチューブ配線を有する半導体装置は、第２の埋め込み膜１４以外の構成は共通する。共通する構成に関しては、その説明を省略する。なお、カーボンナノチューブ９の先端部分には、上述した原子又は分子が挿入されていてもよい。
第２の埋め込み膜１４は、実施形態２の空隙１３と同様に、上層配線１１と第１の埋め込み膜１２を隔離する部材である。第２の埋め込み膜１４としては、導電体又は絶縁体を用いることができ、上部配線１１の酸化を抑制する観点から酸化物以外が好ましい。具体的には、例えば、Ｔｉを第２の埋め込み膜１４材料として使用することができる。導電体又は絶縁体１４の深さは、例えば、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。実施形態では、上層配線１１及び第１の埋め込み膜１２は、導電体又は絶縁体１４と接する。第２の埋め込み膜１４に上層配線１１の変質を防ぐ材料を用いることで、カーボンナノチューブ９と上層配線１１が良好なコンタクトを得られる利点を有する。
次に、第２の埋め込み膜１４を有する半導体装置の製造方法について説明する。なお、第１の埋め込み膜１２を一部除去するまでの工程は、実施形態２の製造方法と共通する。そこで、第２の埋め込み膜１４を形成する以降の工程について説明する。
図１２は、図１０の第１の埋め込み膜１２の一部が除去された部材に、第２の埋め込み膜１４材料を堆積する工程を示す断面概念図である。堆積方法としては、ＰＶＤやＣＶＤが挙げられる。
図１３は、図１２の第２の埋め込み膜１４材料が堆積された部材に、平坦化処理を行う工程を示す断面概念図である。平坦化処理は、カーボンナノチューブ９の面が露出するように行う。平坦化は、ＣＭＰ又はＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）などが挙げられる。そして、実施形態１と同様に上層配線１１を形成することで、図１１の概念図に示す実施形態２のカーボンナノチューブ配線を有する半導体装置を得ることができる。
（実施形態４）
実施形態４のカーボンナノチューブ配線を有する半導体装置は、半導体集積回路の配線上にコンタクトホールが形成された層間絶縁膜と、コンタクトホールの底部に形成された触媒金属の粒子を有する触媒金属層と、触媒金属層上に形成されたコンタクトホールを貫通する多層カーボンナノチューブと、多層カーボンナノチューブ上に形成された上層配線と、コンタクトホールに第１の埋め込み膜とを備え、第１の埋め込み膜にカーボンナノチューブの先端部分が挿入されているカーボンナノチューブ配線を有する。
実施形態４のカーボンナノチューブ配線を有する半導体装置は、半導体集積回路の配線上にコンタクトホールが形成された層間絶縁膜と、コンタクトホールの底部に形成された触媒金属の粒子を有する触媒金属層と、触媒金属層上に形成されたコンタクトホールを貫通する多層カーボンナノチューブと、多層カーボンナノチューブ上に形成された上層配線と、コンタクトホールに第１の埋め込み膜とを備え、第１の埋め込み膜にカーボンナノチューブの先端部分が挿入されているカーボンナノチューブ配線を有する。
図１４は、実施形態の半導体装置の層間配線を有する部位の断面図である。図１４は実施形態の断面構造であり、基本的な実施形態を示したものである。図１４では、半導体集積回路等が形成された下地基板の図示を省略している。実施形態の半導体装置は、半導体集積回路等が形成された下地基板と、下地基板に形成された下層配線１と、下地配線１上にエッチングストップ膜２と、エッチングストップ膜２上に層間絶縁膜３と、層間絶縁膜３上にエッチングストップ膜４と、エッチングストップ膜２，４と層間絶縁膜３を貫通するコンタクトホール５と、コンタクトホール５の底部及び側壁部上に拡散防止膜６と、拡散防止膜６上に導電膜７と、導電膜７上に触媒膜金属８と、触媒金属層８のコンタクトホール５底部から成長したカーボンナノチューブ９と、カーボンナノチューブの先端部分が挿入された上層配線１１と、コンタクトホールに第１の埋め込み膜１２とを備える。
実施形態４のカーボンナノチューブ配線を有する半導体装置と、実施形態２のカーボンナノチューブ配線を有する半導体装置は、空隙１３が無く、カーボンナノチューブ９の先端部分が上層配線１１に挿入されたこと以外の構成は共通する。共通する構成に関しては、その説明を省略する。なお、カーボンナノチューブ９の先端部分には、上述した原子又は分子が挿入されていてもよい。
実施形態では、カーボンナノチューブ９の先端部分が上層配線１１に侵入した形態である。従って、上層配線１１と第１の埋め込み膜１２との界面で、上層配線１１が変質しても、カーボンナノチューブ９先端と界面は離れているためカーボンナノチューブ９と上層配線１１は良好なコンタクトを形成することができる。上層配線１１へのカーボンナノチューブ９の挿入深さは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。挿入深さが浅すぎると、第１の埋め込み膜１２と上層配線１１の界面とカーボンナノチューブ９の先端との距離が近すぎることが好ましくない。また、挿入深さが深すぎるとコンタクトホール５内の強度が低下する観点から好ましくない。
次に、カーボンナノチューブ９の先端部分が上層配線１１に挿入された半導体装置の製造方法について説明する。なお、第１の埋め込み膜１２を一部除去するまでの工程は、実施形態２の製造方法と共通する。そこで、上層配線を形成する以降の工程について説明する。
図１０の第１の埋め込み膜１２の一部が除去された部材に、上層配線材料を堆積することで、実施形態４の上層配線１１を形成する。堆積方法としては、ＰＶＤやＣＶＤが挙げられる。堆積によって、カーボンナノチューブ９の先端部分が上層配線１１に埋め込まれた形態のカーボンナノチューブ配線を製造することができる。
カーボンナノチューブ配線を有する実施形態を説明したが、説明した実施形態は、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。
１…下部配線
２…エッチングストップ膜
３…層間絶縁膜
４…エッチングストップ膜
５…コンタクトホール
６…拡散防止膜
７…導電膜
８…（微粒化）触媒金属層
９…カーボンナノチューブ
１０…カーボンナノチューブ
１１…上層配線
１２…第１の埋め込み膜
１３…空隙
１４…第２の埋め込み膜
２…エッチングストップ膜
３…層間絶縁膜
４…エッチングストップ膜
５…コンタクトホール
６…拡散防止膜
７…導電膜
８…（微粒化）触媒金属層
９…カーボンナノチューブ
１０…カーボンナノチューブ
１１…上層配線
１２…第１の埋め込み膜
１３…空隙
１４…第２の埋め込み膜
実施形態にかかる半導体装置は、基板上の下層配線と、下層配線上にコンタクトホールが形成された層間絶縁膜と、コンタクトホールの底部に形成された触媒金属の粒子を有する触媒金属層と、触媒金属層上に形成されたコンタクトホールを貫通する多層カーボンナノチューブと、多層カーボンナノチューブ上に形成された上層配線と、コンタクトホールに第１の埋め込みと膜を備え、第１の埋め込み膜と上層配線との間には空隙を有し、空隙は前記コンタクトホール内に存在することを特徴とする。
Claims (12)
- 基板上の下層配線と、
前記下層配線上にコンタクトホールが形成された層間絶縁膜と、
前記コンタクトホールの底部に形成された触媒金属の粒子を有する触媒金属層と、
前記触媒金属層上に形成されたコンタクトホールを貫通する多層カーボンナノチューブと、
前記多層カーボンナノチューブ上に形成された上層配線と、を備え、
前記多層カーボンナノチューブの層間には、原子又は分子が挿入されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記原子又は分子は、Ｋ、Ｒｂ、Ｌｉ、Ｆ２、Ｂｒ２、ＦｅＣｌ３、ＺｎＣｌ２、ＣｄＣｌ２、ＹＣｌ３とＡｌＣｌ３の中から選ばれる１種以上の原子又は分子であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
- 前記多層カーボンナノチューブは同心円構造もしくはスクロール状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
- 前記コンタクトホール内に第１の埋め込み膜と、
前記コンタクトホール内の第１の埋め込み膜と前記上層配線間に、空隙又は第２の埋め込み膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。 - 前記コンタクトホール内に第１の埋め込み膜を備え、
前記多層カーボンナノチューブの先端部分は前記上層配線に挿入されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置。 - 基板上に層間絶縁膜形成する工程と、
前記層間絶縁膜を貫通するコンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホールに触媒金属層を形成する工程と、
前記触媒金属層から多層カーボンナノチューブを成長させる工程と、
前記多層カーボンナノチューブの層間に原子又は分子を挿入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。 - 前記原子又は分子は、Ｋ、Ｒｂ、Ｌｉ、Ｆ２、Ｂｒ２、ＦｅＣｌ３、ＺｎＣｌ２、ＣｄＣｌ２、ＹＣｌ３とＡｌＣｌ３の中から選ばれる１種以上の原子又は分子であることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
- 基板上の下層配線と、
前記下層配線上にコンタクトホールが形成された層間絶縁膜と、
前記コンタクトホールの底部に形成された触媒金属の粒子を有する触媒金属層と、
前記触媒金属層上に形成されたコンタクトホールを貫通する多層カーボンナノチューブと、
前記多層カーボンナノチューブ上に形成された上層配線と、
前記コンタクトホールに第１の埋め込みと膜を備え、
前記第１の埋め込み膜と前記上層配線との間には空隙を有することを特徴とする半導体装置。 - 基板上の下層配線と、
前記下層配線上にコンタクトホールが形成された層間絶縁膜と、
前記コンタクトホールの底部に形成された触媒金属の粒子を有する触媒金属層と、
前記触媒金属層上に形成されたコンタクトホールを貫通する多層カーボンナノチューブと、
前記多層カーボンナノチューブ上に形成された上層配線と、
前記コンタクトホールに第１の埋め込みと膜を備え、
前記第１の埋め込み膜と前記上層配線との間には第２の埋め込み膜を有することを特徴とする半導体装置。 - 基板上の下層配線と、
前記下層配線上にコンタクトホールが形成された層間絶縁膜と、
前記コンタクトホールの底部に形成された触媒金属の粒子を有する触媒金属層と、
前記触媒金属層上に形成されたコンタクトホールを貫通する多層カーボンナノチューブと、
前記多層カーボンナノチューブ上に形成された上層配線と、
前記コンタクトホールに第１の埋め込みと膜を備え、
前記多層カーボンナノチューブの先端部分は前記上層配線に埋め込まれたことを有することを特徴とする半導体装置。 - 前記空隙の深さ、前記第２の埋め込み膜の深さと前記先端部分の深さは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項８乃至１０に記載の半導体装置。
- 前記第２の埋め込み膜は、導電体又は絶縁体であることを特徴とする請求項９又は１１に記載の半導体装置。
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