半導体基板、その製造方法、および電子装置
【課題】カーボンナノチューブを用いた特性が良好な半導体基板、その製造方法、および電子装置を提供することにある。
【解決手段】
本発明の一態様による半導体基板は、一主面に下部電極を有する基板と、前記基板上の前記下部電極以外の部分に設けられた層間絶縁膜と、前記下部電極の上に設けられた触媒層と、前記触媒層上に設けられ、前記下部電極の一主面に垂直な方向に延伸する複数のカーボンナノチューブと、前記カーボンナノチューブ上に設けられ、前記下部電極と対向する上部電極と、前記触媒層および前記カーボンナノチューブの前記触媒層側の端部を覆う第１の埋め込み膜と、前記カーボンナノチューブの他端部の間に満たされ、前記第１の埋め込み膜よりも高密度のである第２の埋め込み膜と、を有する。
【解決手段】
本発明の一態様による半導体基板は、一主面に下部電極を有する基板と、前記基板上の前記下部電極以外の部分に設けられた層間絶縁膜と、前記下部電極の上に設けられた触媒層と、前記触媒層上に設けられ、前記下部電極の一主面に垂直な方向に延伸する複数のカーボンナノチューブと、前記カーボンナノチューブ上に設けられ、前記下部電極と対向する上部電極と、前記触媒層および前記カーボンナノチューブの前記触媒層側の端部を覆う第１の埋め込み膜と、前記カーボンナノチューブの他端部の間に満たされ、前記第１の埋め込み膜よりも高密度のである第２の埋め込み膜と、を有する。
【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有する半導体基板、その製造方法、および電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＳＩの微細化に伴い、配線も当然ながら微細化が進んでいる。現在配線材料として使用されているＣｕはその耐電流密度あるいは微細構造形成において限界に近いところまで来ており、新しい配線材料を採用することが期待されている。カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は高電流密度容量を有し、微細領域への成長が容易であることから次世代の配線材料として注目されている材料の一つである。
【０００３】
カーボンナノチューブを用いた配線としては、安定性のためにカーボンナノチューブ間を、固定成分を含む樹脂などの埋め込み材料で満たしたものが知られている。しかしながら、カーボンナノチューブが長かったり埋め込み材料が高密度であったりする場合には、埋め込み材料がカーボンナノチューブ間を満たしきらない場合があった。このような場合には、カーボンナノチューブが成長基板から剥離する虞があった。また、埋め込み材料を低密度にするとカーボンナノチューブ間を満たすが、カーボンナノチューブの安定性が得られにくい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−４１９５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明が解決しようとする課題は、カーボンナノチューブを用いた特性が良好な半導体基板、その製造方法、および電子装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様による半導体基板は、一主面に下部電極を有する基板と、前記基板上の前記下部電極以外の部分に設けられた層間絶縁膜と、前記下部電極の上に設けられた触媒層と、前記触媒層上に設けられ、前記下部電極の一主面に垂直な方向に延伸する複数のカーボンナノチューブと、前記カーボンナノチューブ上に設けられ、前記下部電極と対向する上部電極と、前記触媒層および前記カーボンナノチューブの前記触媒層側の端部を覆う第１の埋め込み膜と、前記カーボンナノチューブの他端部の間に満たされ、前記第１の埋め込み膜よりも高密度のである第２の埋め込み膜と、を有する。
【０００７】
本発明の一態様による半導体基板の製造方法は、一主面に下部電極および前記下部電極を囲む層間絶縁膜が設けられた基板の前記下部電極上に触媒層を形成し、
前記触媒層上に前記層間絶縁膜から突出するように複数のカーボンナノチューブを形成し、
前記カーボンナノチューブの間に第１の材料を浸透させることにより、前記カーボンナノチューブの前記触媒層側の端部および前記触媒層を覆う第１の埋め込み膜を形成し、
前記カーボンナノチューブの間に前記第１の材料よりも密度が高い第２の材料を浸透させることにより、前記カーボンナノチューブの他端部の間を満たす第２の埋め込み膜を形成し、
前記カーボンナノチューブの前記他端部、および前記第２の埋め込み膜の一部を除去し、
前記カーボンナノチューブの上に前記下層電極と対向するように上部電極を設ける。
【０００８】
本発明の一態様による電子装置は、一主面に下部電極を有する基板と、前記基板上の前記下部電極以外の部分に設けられた層間絶縁膜と、前記下部電極の上に設けられた触媒層と、前記触媒層上に設けられ、前記下部電極の一主面に垂直な方向に延伸する複数のカーボンナノチューブと、前記カーボンナノチューブ上に設けられ、前記下部電極と対向する上部電極と、前記触媒層および前記カーボンナノチューブの前記触媒層側の端部を覆う第１の埋め込み膜と、前記カーボンナノチューブの他端部の間に満たされ、前記第１の埋め込み膜よりも高密度のである第２の埋め込み膜と、を有する半導体基板を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態の半導体基板を示す断面図。
【図２】半導体基板の一部を示す拡大図。
【図３】第１の実施形態の半導体基板の製造方法を示す図。
【図４】第１の実施形態の半導体基板の製造方法を示す図。
【図５】比較例の半導体基板を示す断面図。
【図６】比較例の半導体基板の製造方法を示す図。
【図７】第２の実施形態の半導体基板を示す断面図。
【図８】第２の実施形態の半導体基板の製造方法を示す図。
【図９】第３の実施形態の電子装置の断面を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施形態の概略を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図は発明の説明とその理解を促すため模式図である。その形状や寸法比などは実際と異なる場合がある。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができ、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
【００１１】
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【００１２】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について説明する。
【００１３】
図１は第１の実施形態に係る電子装置が有する半導体基板１００を示す断面図である。半導体基板１００は、一主面に下部電極２を有する基板１と、基板１上に設けられ、下部電極２を露出させるビア孔１１を有する層間絶縁膜３と、下部電極２上に設けられたバリアメタル層４と、バリアメタル層４上に設けられた第１の触媒層５と、第１の触媒層５上に、例えば島状などに形成された触媒層６と、触媒層６上に設けられ下部電極２の主面に垂直な方向に延伸する複数のカーボンナノチューブ７と、カーボンナノチューブ７のビア孔１１の底部側の端部と第２の触媒層６を覆う第１の埋め込み膜１０と、ビア孔１１の上部付近でカーボンナノチューブ７の他端部間に充填された第２の埋め込み膜８と、ビア孔１１を覆うように設けられ、下部電極２と対向する上部電極９と、を有する。なお、第１の埋め込み膜１０と第２の埋め込み膜８の間のカーボンナノチューブ７以外の部分は空間１３になっている。
【００１４】
電子装置は、このような半導体基板１００の上にトランジスタやキャパシタなどを有する。
【００１５】
第１の埋め込み膜１０および第２の埋め込み膜８は、例えば樹脂である。第１の埋め込み膜１０の密度は、第２の埋め込み膜８の密度よりも低い。第１の埋め込み膜１０は、カーボンナノチューブ６を下部電極２に固定する。また、第２の埋め込み膜８は、上部電極９が設けられる前に平坦化処理される際に、カーボンナノチューブ７を固定する。
【００１６】
第２の埋め込み膜８は、カーボンナノチューブ７を固定できる強度を有する程度の密度とする。後述するように、第２の埋め込み膜８には液体の材料を用い、ビア孔１１の上側からカーボンナノチューブ７の間に浸透させた後硬化させることにより第２の埋め込み膜８を形成する。第２の埋め込み膜８を形成する材料の密度やカーボンナノチューブ７のビア孔１１内での密度によっては、ビア孔１１の底部にまで浸透しない虞がある。このような場合には、カーボンナノチューブ７が下部電極２から剥離する場合がある。しかしながら、第１の埋め込み膜１０として第２の埋め込み膜の材料よりも密度の低い液体の材料を用いると、ビア孔１１の底部まで浸透させやすく、この材料を硬化することでカーボンナノチューブ７を下部電極２に固定することができる。
【００１７】
例えば第１の埋め込み膜１０および第２の埋め込み膜８を形成する材料を、樹脂を含む有機溶媒とする場合、第１の埋め込み膜１０の材料よりも第２の埋め込み膜８の材料の樹脂濃度を低くする。
【００１８】
例えば固定成分としてはポリシロキ酸、有機溶媒としてはイソプロピルアルコールを用いることができる。第１の埋め込み膜１０の固定成分の密度は、５％以上１０％以下とすることができる。また、第２の埋め込み膜８の固定成分の密度は、１０％以上２０％以下とすることができる。第１の埋め込み膜１０、第２の埋め込み膜８としては、樹脂以外にも金属や酸化物を用いることができる。金属としては、例えばアルミニウムや銅などを用いることができる。酸化物としては、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ2）などを用いることができる。金属や酸化物を用いる場合にも、第２の埋め込み膜８は、第１の埋め込み膜１０よりも密度が高いものとする。
【００１９】
カーボンナノチューブ７としては複数層のグラフェンシートからなるマルチウォールカーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ（Multiwalled carbon nanotube））を用いることができる。
【００２０】
カーボンナノチューブ７としてＭＷＣＮＴを用いる場合には、成長後、先端部を平坦化する処理を行うことで電気伝導度を高めることができる。成長後のカーボンナノチューブ７の上部電極９側は、閉端している。図２（a）はカーボンナノチューブ７に平坦化処理を行っていない場合（閉端状態）の半導体基板１００の一部を拡大して示す図であり、図２（b）は平坦化処理を行った場合（開端状態）の半導体基板１００の一部を拡大して示す図である。いずれの図においても、矢印で電流１２の流れるところを表している。
【００２１】
閉端したカーボンナノチューブ７に直接上部電極９を形成した場合は、図２（ａ）に示すように、一番外側のカーボンナノチューブ層しか伝導に寄与できないため、ビア配線としての機能を十分に発揮できない。そこで、上部電極９を形成する前にカーボンナノチューブ７の先端部に化学機械研磨（ＣＭＰ）を行い、上面を平坦化すると同時にカーボンナノチューブ７の開端処理を行う。すなわち、ＣＭＰ処理によりカーボンナノチューブ７の先端部をカットする。このカーボンナノチューブ７上に上部電極９を形成することにより、図３（ｂ）に示すように、内側のカーボンナノチューブ層も上部電極９と下部電極２を電気的につなぐため、高い電流容量を得ることができる
図１に示すような半導体基板１００の製造方法を説明する。図３および図４は、半導体基板１００の製造方法を示す断面図である。
【００２２】
ビア孔１１を開口する工程までは従来のＬＳＩ配線工程を用いている。すなわち、図３（a）に示すように、基板１に下部電極２を形成した後に層間絶縁膜３を形成する。層間絶縁膜３には、例えば炭素を含むシリコン酸化膜（ＳｉＯＣ膜）を用いる。このＳｉＯＣ膜は誘電率を下げる目的でポア（微小空孔）を含んだ膜であっても良い。層間絶縁膜３としてＳｉＯ２を使用する場合にはテトラエトキシン（ＴＥＯＳ）ガスなどを用いてプラズマＣＶＤ法により作製しても良い。次に層間絶縁膜３であるＳｉＯＣ膜上にＣａｐ層（図示せず）と呼ばれる保護膜を形成する。これは、例えばエッチング工程或いはＣＭＰ行程などの後行程でのダメージを抑制するためのものである。Ｃａｐ層には、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）などを用いる。層間絶縁膜３にPoreを含まないＳｉＯＣ膜を用いた場合には特にＣａｐ層を形成しなくてもよい。
【００２３】
次に、層間絶縁膜３にビア孔１１を形成する。形成方法は例えばプラズマ法を用いた反応性イオンエッチング（ＲＥＡＣＴＩＶＥ ＩＯＮ ＥＴＣＨＩＮＧ）法と呼ばれるドライエッチング法、或いは薬液を用いたウエットエッチング法などによりビア孔１１を形成する。層間絶縁膜３中にビア孔１１が形成された後に、下層配線２とコンタクトさせるために導電材料として、例えばタングステン（Ｗ）や銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）の単体金属からなるコンタクト層（図示せず）を下部電極２上に設ける。また導電材料であるコンタクト層の金属の拡散を防止する目的で、本実施形態では、バリアメタル層４を挿入する。本実施形態では、バリアメタル層４であるＴａＮ層をスパッタ法により形成している。バリアメタル層４に用いる材料は、他に例えば、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、あるいはこれらの窒化物を用いることができる。ビア孔１１の底には下部電極２が設けられており、層間絶縁膜３は下部電極２を囲む。
【００２４】
次にビア孔１１内にビア配線材料としてカーボンナノチューブ７を成長させる。成長のために重要な役割を担う第１の触媒層５及び第２の触媒層６をバリアメタル層４上に順次形成する。第１の触媒層５及び第２の触媒層６としては、例えば、それぞれ窒化チタン（ＴｉＮ）、コバルト（Ｃｏ）が挙げられる。カーボンナノチューブの成長において触媒層としては第２の触媒層６のみでも可能であるが、ＴｉＮのような助触媒を第１の触媒層５として、Ｃｏからなる第１の触媒層６の下に入れることにより、カーボンナノチューブ７の成長がより促進される。
【００２５】
触媒層は第１の触媒層５と第２の触媒層６／からなる積層構造に限ったものではないが、例えばＣｏ／Ｔｉ、Ｃｏ／Ｔａ、Ｎｉ／ＴｉＮ、Ｎｉ／Ｔａなどの積層構造であっても良い。或いはＣｏ層、Ｎｉ層などの単層であっても良い。製法はスパッタ法に限らず、触媒層機能を損なわない製法であれば他の製法、例えば真空蒸着法であっても良い。ここでは形成した時点で島状構造になっているが、第２の触媒層６は膜厚が薄いため、第２の触媒層６が連続膜となっている場合は、第２の触媒層６をプラズマに曝す、または第２の触媒層６の温度を短時間上昇させることにより、第２の触媒層６を島状構造にしてもよい。カーボンナノチューブ７の直径は、第１金属粒子１６の直径で制御される。したがって、第２の触媒層６の平均粒径は、約２ｎｍ〜約１０ｎｍ、望ましくは約４ｎｍ〜約６ｎｍの範囲とすることができる。
【００２６】
これによりチューブ状のカーボンナノチューブ７をビア孔１１内において基板１の主面に垂直な方向に成長させることができる。
【００２７】
次に、図３（ｂ）に示すように、カーボンナノチューブ７をビア孔１１のみに製造するため、ビア孔１１の底部以外の領域（ここではフィールド領域と呼ぶ）の第１の触媒層５および第２の触媒層６を除去する。そのため手段として、本実施例ではＡｒイオンミリング法を用いる。Ａｒイオンを基板１に対して斜め入射させ、また適宜基板１を回転させることによって、フィールド領域とビア孔１１の基板１に対して垂直な側面にイオンが照射されるよう角度を設定する。フィールド領域の触媒層の除去は上記方法に限らず、ビア孔１１の底部のみに第１の触媒層５および第２の触媒層６が残る方法であればその方法の如何を問わない。
【００２８】
図３（ｃ）は、ＣＮＴ７のビア孔内の成長が終了した状態を模式的に示す図である。図３（ｃ）に示すように、カーボンナノチューブ７をプラズマＣＶＤ法によりビア孔１１内に成長させる。カーボンナノチューブ７は、層間絶縁膜３の厚さよりも長くし、ビア孔１１から先端部を突出させる。ビア孔１１内の底部には、予め島状の第２の触媒層６が付与されており、各島状の第２の触媒層６上にカーボンナノチューブ７が成長する。その面密度は、例えば、およそ１０１２本／ｃｍ２である。カーボンナノチューブ７の形成にはプラズマＣＶＤ法を用いる。
【００２９】
原料ガスにはメタン（ＣＨ4）ガス、希釈ガスとしては水素ガス（Ｈ2）を用いる。原料ガス、希釈ガスは上記のガスに限られず、原料ガスにエチレンガス（Ｃ2Ｈ4）、アセチレンガス（Ｃ2Ｈ2）等の炭化水素ガスを用いても良い。希釈ガスにはヘリウムガス（Ｈｅ）、窒素ガス（Ｎ2）、アルゴンガス（Ａｒ）などの不活性ガスを使用してもよい。或いは原料ガスのみでも差支えない。基板温度は４００℃〜６００℃の範囲、反応圧力は５Ｔｏｒｒとすることができるが、この範囲を超えてもカーボンナノチューブ７を成長させることは可能である。
【００３０】
また、図３（ｃ）に示すように、フィールド領域およびビア孔１１の側壁の第１の触媒層５、第２の触媒層６が除かれているためにビア孔１１底部からしかカーボンナノチューブ７は成長しない。しかも、ビア孔１１底部の第２の触媒層６が島状になっているため、これに対応して、多数のチューブ状のカーボンナノチューブ７が成長する。各カーボンナノチューブ７は基板１内の下部電極２と上部配線９とを電気的に接続し、ＣＮＴ７の集合体である「ＣＮＴの束」がビア配線層としての機能を担う。一例として、ビア孔の深さを１２０ｎｍ程度とした場合、カーボンナノチューブ７が基板表面から５０ｎｍほど突出するようにカーボンナノチューブ７の成長時間を調整する。
【００３１】
次の工程は図３（ｄ）に示すように、ビア孔１１内に第１の埋め込み膜１０を形成しカーボンナノチューブ７と下部電極２を基板１に固定する工程である。この第１の埋め込み膜１０の材料（第１の材料）としては、前述したように、例えば液状のＳＯＧ（ＳＰＩＮ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）などのＳｉＯ2系膜を用いる。
【００３２】
しかしながら通常のＳＯＧを用いると、前述したようにビア孔１１の底まで第１の埋め込み膜１０の材料が浸透しない。第1の埋め込み膜１０の材料としては通常ＳＯＧ膜より密度を小さくし、浸透度を上げたものを用いる。第１の埋め込み膜１０として固定成分を有機溶媒で溶かしたものを用いる場合には、有機溶媒濃度を高いものを用いる。固定成分を低濃度にすることによりビア孔１１の底まで第１の埋め込み膜１０の材料が浸透し、下層配線２とカーボンナノチューブ７との密着強度を高めることが出来る。
【００３３】
次に、図４（e）に示すように、第２の埋め込み膜８の材料（第２の材料）とするＳＯＧを設ける。第２の埋め込み材料８のＳＯＧは、通常の濃度のものを用いる。第１の埋め込み膜１０及び第２の埋め込み膜８は、基板１表面にＳＯＧを滴下し、スピンコータを用いてスピンコーティング法により塗布を行った後に加熱により硬化させて形成することができる。
【００３４】
第１の埋め込み膜８の材料および第２の埋め込み膜１０の材料を塗布した後、これを硬化するには、例えば加熱や紫外線照射などが挙げられる。硬化手順は第１の埋め込み膜１０の材料を塗布して硬化した後に、第２の埋め込み膜８を塗布して硬化する。第１の埋め込み膜１０を塗布し連続して第２の埋め込み膜１０を塗布した後にこれらを一度に硬化させても良いが、上述した順序で硬化することが望ましい。
【００３５】
この後、ビア孔１１から突出したカーボンナノチューブ７の上部およびこの突出したカーボンナノチューブ７の間の第２の埋め込み膜を除くため、ビア孔１１上面および層間絶縁膜３上面にＣＭＰ（化学機械研磨）処理を行う。第２の埋め込み膜８は固定成分の密度が高いので、ＣＭＰ処理される面の強度を高める。
【００３６】
図４（ｆ）は、ＣＭＰ処理後の様子を示す模式図である。図４（ｆ）に示すように、第１の埋め込み膜１０により下部電極２とカーボンナノチューブ７は密着性が高い。また、フィールド部の第２の埋め込み膜８はＣＭＰにより均一に研磨され、また同時にビア孔より突出していたカーボンナノチューブ７もＳｉＯ２からなる埋め込み膜８とともに研磨される。これにより基板１表面全体は平坦化され、カーボンナノチューブ７は、図２（ｂ）に示すような開端状態となる。
【００３７】
最後に、図４（ｇ）に示す様に、ＣＭＰにより平坦化したビア孔１１上に上部電極９を形成する。上部電極９の材料としてはチタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）の積層構造あるいはＴｉ、Ａｌのみ、あるいは他の電極用金属材料を用い、スパッタ法、または真空蒸着法等の手法により形成する。このようにして半導体基板１００を完成させる。
【００３８】
以上説明したように、第１の実施形態によれば、第１の埋め込み膜１０を形成した後に第２の埋め込み膜８を形成することにより、平坦化処理としてＣＭＰ工程を行っても下部電極２からカーボンナノチューブ７が剥離しない。その結果、カーボンナノチューブ７をビア配線として機能させることができ、結果として半導体基板１００の歩留まり低下も抑制できる。
【００３９】
（比較例）
図５は、比較例の電子装置が有する半導体基板２００を示す断面図である。比較例においては、埋め込み膜２０８を１種類とし、固定成分の密度はカーボンナノチューブ７を安定化させられる程度とする。１種類の埋め込み膜１４を用いる場合、カーボンナノチューブ７のビア孔１１側の端部を基板１に固定しつつカーボンナノチューブ７を安定化するために、カーボンナノチューブ７の間をこの１種類の埋め込み膜２０８で満たす必要がある。
【００４０】
しかしながら、埋め込み膜２０８に含まれる固定成分の密度やカーボンナノチューブ７の密度によっては、埋め込み膜２０８の材料がビア孔１１の底部まで浸透しない場合があり、図５に示すように、その後の製造工程でカーボンナノチューブ７のビア孔１１の底側の端部が基板１から剥離する虞がある。
【００４１】
このような問題が生じる場合について、説明する。図６は、比較例の半導体基板２００の製造方法を示す図である。ビア孔１１にカーボンナノチューブ７を形成するまでは第１の実施形態と同様である（図６（a））。
【００４２】
この後、カーボンナノチューブ７および層間絶縁膜３の上に埋め込み膜２０８を設け、ビア孔１１に浸透させる。ビア孔１１内の底部分までは浸透しない場合には（図６（b））、下部電極１と第２の触媒層６およびカーボンナノチューブ７の密着性はさほど強くないため、ＣＭＰ工程において上部への引っ張り力によりカーボンナノチューブ７が下部電極２から剥離する現象が起こる（図５（c））。このような状態で上部電極９を形成して（図５（ｄ））得た半導体基板２００について電気特性を測定する。ビア孔内に成長したカーボンナノチューブ７の半数が下部電極２から剥離した場合には、配線抵抗が倍となり、所望の特性を得ることが出来ない。ＣＭＰ工程は上述したように平坦化処理とカーボンナノチューブ７の開端処理を目的としているため、埋め込み層２０８の材料は強固な材料にならざるをえない。このため埋め込み層２０８には固定成分が高濃度の塗布材料を使用する。ビア孔１１内に成長したカーボンナノチューブ７の密度が増加するに従い、埋め込み層２０８の材料の浸透度合いは低くなり、ビア底１１まで到達しない現象が起こる。仮に埋め込み層２０８に固定成分の濃度の薄い埋め込み材料を使用すると、ビア孔１１の底まで埋め込み材料は浸透するが、強度が弱くなるためにＣＭＰ工程を行うとカーボンナノチューブは研磨されずビア底から剥離してしまう。
【００４３】
第１の埋め込み膜１０と第２の埋め込み膜８として金属や金属酸化物を用いるときには、形成するときにこれらを高温にしてビア孔１１内に浸透させたのち凝固させる。
【００４４】
本実施形態に置いては触媒層を２層としたが、１層とする場合にも第１の埋め込み膜１０は触媒層とカーボンナノチューブ７の端部を覆う。
【００４５】
以上のように、従来例の半導体基板２００は、カーボンナノチューブ７が下部電極２から剥離する虞があり、半導体基板２００の歩留まりの低下を招く。
【００４６】
（第２の実施形態）
図７は第２の実施形態に係る電子装置が有する半導体基板３００を示す断面図である。 第２の実施形態においては、第１の埋め込み膜１０と第２の埋め込み膜８が接して形成されていることが第１の実施形態と異なる点である。
【００４７】
このような半導体基板３００の製造方法を、図８を使って説明する。第１の埋め込み膜１０を形成する工程までは第１の実施形態と同じであるので、省略する。図８（a）は、第１の埋め込み膜１０を設けた後の状態を示す。
【００４８】
続いて図８（b）に示すように、第１の埋め込み膜１０上のカーボンナノチューブ７の間を満たすように第２の埋め込み膜８を設ける。このとき第１の埋め込み膜１０と第２の埋め込み膜８とは接するようにする。
【００４９】
続いて図８（c）に示すように層間絶縁膜３の上の第１の埋め込み膜１０、第２の埋め込み膜８、およびビア孔１１から突出したカーボンナノチューブ７をＣＭＰ処理して平坦化する。
【００５０】
さらに、図８（d）に示すようにビア孔１１を覆うように上部電極９を設けて、半導体基板３００を得る。
【００５１】
このような構成においては、第１の埋め込み膜１０を形成した後に連続して第２の埋め込み膜８を形成し、第１の埋め込み膜１０と第２の埋め込み膜８を一度に加熱し硬化することが可能となる。本実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５２】
（第３の実施形態）
上述のような半導体基板をトランジスタやキャパシタなどの接続配線として用い、電子装置を形成することができる。
【００５３】
図９は、電子装置の一例を示す断面図である。ここでは第１の実施形態における半導体基板１００を用いて説明する。電子装置は、第１の基板１を有する半導体基板１００と、上部電極９の上に設けられた第２の基板１４とを有する。
【００５４】
第１の基板１および第２の基板１４には、トランジスタやキャパシタなどの素子が設けられている。このような構成により、第１の基板１と第２の基板１４とを電気的に接続することができる。電子装置としては、例えばマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置が挙げられる。
【符号の説明】
【００５５】
１： 基板
２： 下部電極
３： 層間絶縁膜
４： バリアメタル層
５： 第１の触媒層
６： 第２の触媒層
７： カーボンナノチューブ
８： 第２の埋め込み膜
９： 上部電極
１０：第１の埋め込み膜
１１：ビア孔
１２：電流
１３：空間
１４：第２の基板
２０８：埋め込み膜
１００：第１の実施形態の半導体基板
２００：比較例の半導体基板
３００：第２の実施形態の半導体基板
【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有する半導体基板、その製造方法、および電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＳＩの微細化に伴い、配線も当然ながら微細化が進んでいる。現在配線材料として使用されているＣｕはその耐電流密度あるいは微細構造形成において限界に近いところまで来ており、新しい配線材料を採用することが期待されている。カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は高電流密度容量を有し、微細領域への成長が容易であることから次世代の配線材料として注目されている材料の一つである。
【０００３】
カーボンナノチューブを用いた配線としては、安定性のためにカーボンナノチューブ間を、固定成分を含む樹脂などの埋め込み材料で満たしたものが知られている。しかしながら、カーボンナノチューブが長かったり埋め込み材料が高密度であったりする場合には、埋め込み材料がカーボンナノチューブ間を満たしきらない場合があった。このような場合には、カーボンナノチューブが成長基板から剥離する虞があった。また、埋め込み材料を低密度にするとカーボンナノチューブ間を満たすが、カーボンナノチューブの安定性が得られにくい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−４１９５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明が解決しようとする課題は、カーボンナノチューブを用いた特性が良好な半導体基板、その製造方法、および電子装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様による半導体基板は、一主面に下部電極を有する基板と、前記基板上の前記下部電極以外の部分に設けられた層間絶縁膜と、前記下部電極の上に設けられた触媒層と、前記触媒層上に設けられ、前記下部電極の一主面に垂直な方向に延伸する複数のカーボンナノチューブと、前記カーボンナノチューブ上に設けられ、前記下部電極と対向する上部電極と、前記触媒層および前記カーボンナノチューブの前記触媒層側の端部を覆う第１の埋め込み膜と、前記カーボンナノチューブの他端部の間に満たされ、前記第１の埋め込み膜よりも高密度のである第２の埋め込み膜と、を有する。
【０００７】
本発明の一態様による半導体基板の製造方法は、一主面に下部電極および前記下部電極を囲む層間絶縁膜が設けられた基板の前記下部電極上に触媒層を形成し、
前記触媒層上に前記層間絶縁膜から突出するように複数のカーボンナノチューブを形成し、
前記カーボンナノチューブの間に第１の材料を浸透させることにより、前記カーボンナノチューブの前記触媒層側の端部および前記触媒層を覆う第１の埋め込み膜を形成し、
前記カーボンナノチューブの間に前記第１の材料よりも密度が高い第２の材料を浸透させることにより、前記カーボンナノチューブの他端部の間を満たす第２の埋め込み膜を形成し、
前記カーボンナノチューブの前記他端部、および前記第２の埋め込み膜の一部を除去し、
前記カーボンナノチューブの上に前記下層電極と対向するように上部電極を設ける。
【０００８】
本発明の一態様による電子装置は、一主面に下部電極を有する基板と、前記基板上の前記下部電極以外の部分に設けられた層間絶縁膜と、前記下部電極の上に設けられた触媒層と、前記触媒層上に設けられ、前記下部電極の一主面に垂直な方向に延伸する複数のカーボンナノチューブと、前記カーボンナノチューブ上に設けられ、前記下部電極と対向する上部電極と、前記触媒層および前記カーボンナノチューブの前記触媒層側の端部を覆う第１の埋め込み膜と、前記カーボンナノチューブの他端部の間に満たされ、前記第１の埋め込み膜よりも高密度のである第２の埋め込み膜と、を有する半導体基板を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態の半導体基板を示す断面図。
【図２】半導体基板の一部を示す拡大図。
【図３】第１の実施形態の半導体基板の製造方法を示す図。
【図４】第１の実施形態の半導体基板の製造方法を示す図。
【図５】比較例の半導体基板を示す断面図。
【図６】比較例の半導体基板の製造方法を示す図。
【図７】第２の実施形態の半導体基板を示す断面図。
【図８】第２の実施形態の半導体基板の製造方法を示す図。
【図９】第３の実施形態の電子装置の断面を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施形態の概略を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図は発明の説明とその理解を促すため模式図である。その形状や寸法比などは実際と異なる場合がある。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができ、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
【００１１】
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【００１２】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について説明する。
【００１３】
図１は第１の実施形態に係る電子装置が有する半導体基板１００を示す断面図である。半導体基板１００は、一主面に下部電極２を有する基板１と、基板１上に設けられ、下部電極２を露出させるビア孔１１を有する層間絶縁膜３と、下部電極２上に設けられたバリアメタル層４と、バリアメタル層４上に設けられた第１の触媒層５と、第１の触媒層５上に、例えば島状などに形成された触媒層６と、触媒層６上に設けられ下部電極２の主面に垂直な方向に延伸する複数のカーボンナノチューブ７と、カーボンナノチューブ７のビア孔１１の底部側の端部と第２の触媒層６を覆う第１の埋め込み膜１０と、ビア孔１１の上部付近でカーボンナノチューブ７の他端部間に充填された第２の埋め込み膜８と、ビア孔１１を覆うように設けられ、下部電極２と対向する上部電極９と、を有する。なお、第１の埋め込み膜１０と第２の埋め込み膜８の間のカーボンナノチューブ７以外の部分は空間１３になっている。
【００１４】
電子装置は、このような半導体基板１００の上にトランジスタやキャパシタなどを有する。
【００１５】
第１の埋め込み膜１０および第２の埋め込み膜８は、例えば樹脂である。第１の埋め込み膜１０の密度は、第２の埋め込み膜８の密度よりも低い。第１の埋め込み膜１０は、カーボンナノチューブ６を下部電極２に固定する。また、第２の埋め込み膜８は、上部電極９が設けられる前に平坦化処理される際に、カーボンナノチューブ７を固定する。
【００１６】
第２の埋め込み膜８は、カーボンナノチューブ７を固定できる強度を有する程度の密度とする。後述するように、第２の埋め込み膜８には液体の材料を用い、ビア孔１１の上側からカーボンナノチューブ７の間に浸透させた後硬化させることにより第２の埋め込み膜８を形成する。第２の埋め込み膜８を形成する材料の密度やカーボンナノチューブ７のビア孔１１内での密度によっては、ビア孔１１の底部にまで浸透しない虞がある。このような場合には、カーボンナノチューブ７が下部電極２から剥離する場合がある。しかしながら、第１の埋め込み膜１０として第２の埋め込み膜の材料よりも密度の低い液体の材料を用いると、ビア孔１１の底部まで浸透させやすく、この材料を硬化することでカーボンナノチューブ７を下部電極２に固定することができる。
【００１７】
例えば第１の埋め込み膜１０および第２の埋め込み膜８を形成する材料を、樹脂を含む有機溶媒とする場合、第１の埋め込み膜１０の材料よりも第２の埋め込み膜８の材料の樹脂濃度を低くする。
【００１８】
例えば固定成分としてはポリシロキ酸、有機溶媒としてはイソプロピルアルコールを用いることができる。第１の埋め込み膜１０の固定成分の密度は、５％以上１０％以下とすることができる。また、第２の埋め込み膜８の固定成分の密度は、１０％以上２０％以下とすることができる。第１の埋め込み膜１０、第２の埋め込み膜８としては、樹脂以外にも金属や酸化物を用いることができる。金属としては、例えばアルミニウムや銅などを用いることができる。酸化物としては、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ2）などを用いることができる。金属や酸化物を用いる場合にも、第２の埋め込み膜８は、第１の埋め込み膜１０よりも密度が高いものとする。
【００１９】
カーボンナノチューブ７としては複数層のグラフェンシートからなるマルチウォールカーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ（Multiwalled carbon nanotube））を用いることができる。
【００２０】
カーボンナノチューブ７としてＭＷＣＮＴを用いる場合には、成長後、先端部を平坦化する処理を行うことで電気伝導度を高めることができる。成長後のカーボンナノチューブ７の上部電極９側は、閉端している。図２（a）はカーボンナノチューブ７に平坦化処理を行っていない場合（閉端状態）の半導体基板１００の一部を拡大して示す図であり、図２（b）は平坦化処理を行った場合（開端状態）の半導体基板１００の一部を拡大して示す図である。いずれの図においても、矢印で電流１２の流れるところを表している。
【００２１】
閉端したカーボンナノチューブ７に直接上部電極９を形成した場合は、図２（ａ）に示すように、一番外側のカーボンナノチューブ層しか伝導に寄与できないため、ビア配線としての機能を十分に発揮できない。そこで、上部電極９を形成する前にカーボンナノチューブ７の先端部に化学機械研磨（ＣＭＰ）を行い、上面を平坦化すると同時にカーボンナノチューブ７の開端処理を行う。すなわち、ＣＭＰ処理によりカーボンナノチューブ７の先端部をカットする。このカーボンナノチューブ７上に上部電極９を形成することにより、図３（ｂ）に示すように、内側のカーボンナノチューブ層も上部電極９と下部電極２を電気的につなぐため、高い電流容量を得ることができる
図１に示すような半導体基板１００の製造方法を説明する。図３および図４は、半導体基板１００の製造方法を示す断面図である。
【００２２】
ビア孔１１を開口する工程までは従来のＬＳＩ配線工程を用いている。すなわち、図３（a）に示すように、基板１に下部電極２を形成した後に層間絶縁膜３を形成する。層間絶縁膜３には、例えば炭素を含むシリコン酸化膜（ＳｉＯＣ膜）を用いる。このＳｉＯＣ膜は誘電率を下げる目的でポア（微小空孔）を含んだ膜であっても良い。層間絶縁膜３としてＳｉＯ２を使用する場合にはテトラエトキシン（ＴＥＯＳ）ガスなどを用いてプラズマＣＶＤ法により作製しても良い。次に層間絶縁膜３であるＳｉＯＣ膜上にＣａｐ層（図示せず）と呼ばれる保護膜を形成する。これは、例えばエッチング工程或いはＣＭＰ行程などの後行程でのダメージを抑制するためのものである。Ｃａｐ層には、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）などを用いる。層間絶縁膜３にPoreを含まないＳｉＯＣ膜を用いた場合には特にＣａｐ層を形成しなくてもよい。
【００２３】
次に、層間絶縁膜３にビア孔１１を形成する。形成方法は例えばプラズマ法を用いた反応性イオンエッチング（ＲＥＡＣＴＩＶＥ ＩＯＮ ＥＴＣＨＩＮＧ）法と呼ばれるドライエッチング法、或いは薬液を用いたウエットエッチング法などによりビア孔１１を形成する。層間絶縁膜３中にビア孔１１が形成された後に、下層配線２とコンタクトさせるために導電材料として、例えばタングステン（Ｗ）や銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）の単体金属からなるコンタクト層（図示せず）を下部電極２上に設ける。また導電材料であるコンタクト層の金属の拡散を防止する目的で、本実施形態では、バリアメタル層４を挿入する。本実施形態では、バリアメタル層４であるＴａＮ層をスパッタ法により形成している。バリアメタル層４に用いる材料は、他に例えば、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、あるいはこれらの窒化物を用いることができる。ビア孔１１の底には下部電極２が設けられており、層間絶縁膜３は下部電極２を囲む。
【００２４】
次にビア孔１１内にビア配線材料としてカーボンナノチューブ７を成長させる。成長のために重要な役割を担う第１の触媒層５及び第２の触媒層６をバリアメタル層４上に順次形成する。第１の触媒層５及び第２の触媒層６としては、例えば、それぞれ窒化チタン（ＴｉＮ）、コバルト（Ｃｏ）が挙げられる。カーボンナノチューブの成長において触媒層としては第２の触媒層６のみでも可能であるが、ＴｉＮのような助触媒を第１の触媒層５として、Ｃｏからなる第１の触媒層６の下に入れることにより、カーボンナノチューブ７の成長がより促進される。
【００２５】
触媒層は第１の触媒層５と第２の触媒層６／からなる積層構造に限ったものではないが、例えばＣｏ／Ｔｉ、Ｃｏ／Ｔａ、Ｎｉ／ＴｉＮ、Ｎｉ／Ｔａなどの積層構造であっても良い。或いはＣｏ層、Ｎｉ層などの単層であっても良い。製法はスパッタ法に限らず、触媒層機能を損なわない製法であれば他の製法、例えば真空蒸着法であっても良い。ここでは形成した時点で島状構造になっているが、第２の触媒層６は膜厚が薄いため、第２の触媒層６が連続膜となっている場合は、第２の触媒層６をプラズマに曝す、または第２の触媒層６の温度を短時間上昇させることにより、第２の触媒層６を島状構造にしてもよい。カーボンナノチューブ７の直径は、第１金属粒子１６の直径で制御される。したがって、第２の触媒層６の平均粒径は、約２ｎｍ〜約１０ｎｍ、望ましくは約４ｎｍ〜約６ｎｍの範囲とすることができる。
【００２６】
これによりチューブ状のカーボンナノチューブ７をビア孔１１内において基板１の主面に垂直な方向に成長させることができる。
【００２７】
次に、図３（ｂ）に示すように、カーボンナノチューブ７をビア孔１１のみに製造するため、ビア孔１１の底部以外の領域（ここではフィールド領域と呼ぶ）の第１の触媒層５および第２の触媒層６を除去する。そのため手段として、本実施例ではＡｒイオンミリング法を用いる。Ａｒイオンを基板１に対して斜め入射させ、また適宜基板１を回転させることによって、フィールド領域とビア孔１１の基板１に対して垂直な側面にイオンが照射されるよう角度を設定する。フィールド領域の触媒層の除去は上記方法に限らず、ビア孔１１の底部のみに第１の触媒層５および第２の触媒層６が残る方法であればその方法の如何を問わない。
【００２８】
図３（ｃ）は、ＣＮＴ７のビア孔内の成長が終了した状態を模式的に示す図である。図３（ｃ）に示すように、カーボンナノチューブ７をプラズマＣＶＤ法によりビア孔１１内に成長させる。カーボンナノチューブ７は、層間絶縁膜３の厚さよりも長くし、ビア孔１１から先端部を突出させる。ビア孔１１内の底部には、予め島状の第２の触媒層６が付与されており、各島状の第２の触媒層６上にカーボンナノチューブ７が成長する。その面密度は、例えば、およそ１０１２本／ｃｍ２である。カーボンナノチューブ７の形成にはプラズマＣＶＤ法を用いる。
【００２９】
原料ガスにはメタン（ＣＨ4）ガス、希釈ガスとしては水素ガス（Ｈ2）を用いる。原料ガス、希釈ガスは上記のガスに限られず、原料ガスにエチレンガス（Ｃ2Ｈ4）、アセチレンガス（Ｃ2Ｈ2）等の炭化水素ガスを用いても良い。希釈ガスにはヘリウムガス（Ｈｅ）、窒素ガス（Ｎ2）、アルゴンガス（Ａｒ）などの不活性ガスを使用してもよい。或いは原料ガスのみでも差支えない。基板温度は４００℃〜６００℃の範囲、反応圧力は５Ｔｏｒｒとすることができるが、この範囲を超えてもカーボンナノチューブ７を成長させることは可能である。
【００３０】
また、図３（ｃ）に示すように、フィールド領域およびビア孔１１の側壁の第１の触媒層５、第２の触媒層６が除かれているためにビア孔１１底部からしかカーボンナノチューブ７は成長しない。しかも、ビア孔１１底部の第２の触媒層６が島状になっているため、これに対応して、多数のチューブ状のカーボンナノチューブ７が成長する。各カーボンナノチューブ７は基板１内の下部電極２と上部配線９とを電気的に接続し、ＣＮＴ７の集合体である「ＣＮＴの束」がビア配線層としての機能を担う。一例として、ビア孔の深さを１２０ｎｍ程度とした場合、カーボンナノチューブ７が基板表面から５０ｎｍほど突出するようにカーボンナノチューブ７の成長時間を調整する。
【００３１】
次の工程は図３（ｄ）に示すように、ビア孔１１内に第１の埋め込み膜１０を形成しカーボンナノチューブ７と下部電極２を基板１に固定する工程である。この第１の埋め込み膜１０の材料（第１の材料）としては、前述したように、例えば液状のＳＯＧ（ＳＰＩＮ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）などのＳｉＯ2系膜を用いる。
【００３２】
しかしながら通常のＳＯＧを用いると、前述したようにビア孔１１の底まで第１の埋め込み膜１０の材料が浸透しない。第1の埋め込み膜１０の材料としては通常ＳＯＧ膜より密度を小さくし、浸透度を上げたものを用いる。第１の埋め込み膜１０として固定成分を有機溶媒で溶かしたものを用いる場合には、有機溶媒濃度を高いものを用いる。固定成分を低濃度にすることによりビア孔１１の底まで第１の埋め込み膜１０の材料が浸透し、下層配線２とカーボンナノチューブ７との密着強度を高めることが出来る。
【００３３】
次に、図４（e）に示すように、第２の埋め込み膜８の材料（第２の材料）とするＳＯＧを設ける。第２の埋め込み材料８のＳＯＧは、通常の濃度のものを用いる。第１の埋め込み膜１０及び第２の埋め込み膜８は、基板１表面にＳＯＧを滴下し、スピンコータを用いてスピンコーティング法により塗布を行った後に加熱により硬化させて形成することができる。
【００３４】
第１の埋め込み膜８の材料および第２の埋め込み膜１０の材料を塗布した後、これを硬化するには、例えば加熱や紫外線照射などが挙げられる。硬化手順は第１の埋め込み膜１０の材料を塗布して硬化した後に、第２の埋め込み膜８を塗布して硬化する。第１の埋め込み膜１０を塗布し連続して第２の埋め込み膜１０を塗布した後にこれらを一度に硬化させても良いが、上述した順序で硬化することが望ましい。
【００３５】
この後、ビア孔１１から突出したカーボンナノチューブ７の上部およびこの突出したカーボンナノチューブ７の間の第２の埋め込み膜を除くため、ビア孔１１上面および層間絶縁膜３上面にＣＭＰ（化学機械研磨）処理を行う。第２の埋め込み膜８は固定成分の密度が高いので、ＣＭＰ処理される面の強度を高める。
【００３６】
図４（ｆ）は、ＣＭＰ処理後の様子を示す模式図である。図４（ｆ）に示すように、第１の埋め込み膜１０により下部電極２とカーボンナノチューブ７は密着性が高い。また、フィールド部の第２の埋め込み膜８はＣＭＰにより均一に研磨され、また同時にビア孔より突出していたカーボンナノチューブ７もＳｉＯ２からなる埋め込み膜８とともに研磨される。これにより基板１表面全体は平坦化され、カーボンナノチューブ７は、図２（ｂ）に示すような開端状態となる。
【００３７】
最後に、図４（ｇ）に示す様に、ＣＭＰにより平坦化したビア孔１１上に上部電極９を形成する。上部電極９の材料としてはチタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）の積層構造あるいはＴｉ、Ａｌのみ、あるいは他の電極用金属材料を用い、スパッタ法、または真空蒸着法等の手法により形成する。このようにして半導体基板１００を完成させる。
【００３８】
以上説明したように、第１の実施形態によれば、第１の埋め込み膜１０を形成した後に第２の埋め込み膜８を形成することにより、平坦化処理としてＣＭＰ工程を行っても下部電極２からカーボンナノチューブ７が剥離しない。その結果、カーボンナノチューブ７をビア配線として機能させることができ、結果として半導体基板１００の歩留まり低下も抑制できる。
【００３９】
（比較例）
図５は、比較例の電子装置が有する半導体基板２００を示す断面図である。比較例においては、埋め込み膜２０８を１種類とし、固定成分の密度はカーボンナノチューブ７を安定化させられる程度とする。１種類の埋め込み膜１４を用いる場合、カーボンナノチューブ７のビア孔１１側の端部を基板１に固定しつつカーボンナノチューブ７を安定化するために、カーボンナノチューブ７の間をこの１種類の埋め込み膜２０８で満たす必要がある。
【００４０】
しかしながら、埋め込み膜２０８に含まれる固定成分の密度やカーボンナノチューブ７の密度によっては、埋め込み膜２０８の材料がビア孔１１の底部まで浸透しない場合があり、図５に示すように、その後の製造工程でカーボンナノチューブ７のビア孔１１の底側の端部が基板１から剥離する虞がある。
【００４１】
このような問題が生じる場合について、説明する。図６は、比較例の半導体基板２００の製造方法を示す図である。ビア孔１１にカーボンナノチューブ７を形成するまでは第１の実施形態と同様である（図６（a））。
【００４２】
この後、カーボンナノチューブ７および層間絶縁膜３の上に埋め込み膜２０８を設け、ビア孔１１に浸透させる。ビア孔１１内の底部分までは浸透しない場合には（図６（b））、下部電極１と第２の触媒層６およびカーボンナノチューブ７の密着性はさほど強くないため、ＣＭＰ工程において上部への引っ張り力によりカーボンナノチューブ７が下部電極２から剥離する現象が起こる（図５（c））。このような状態で上部電極９を形成して（図５（ｄ））得た半導体基板２００について電気特性を測定する。ビア孔内に成長したカーボンナノチューブ７の半数が下部電極２から剥離した場合には、配線抵抗が倍となり、所望の特性を得ることが出来ない。ＣＭＰ工程は上述したように平坦化処理とカーボンナノチューブ７の開端処理を目的としているため、埋め込み層２０８の材料は強固な材料にならざるをえない。このため埋め込み層２０８には固定成分が高濃度の塗布材料を使用する。ビア孔１１内に成長したカーボンナノチューブ７の密度が増加するに従い、埋め込み層２０８の材料の浸透度合いは低くなり、ビア底１１まで到達しない現象が起こる。仮に埋め込み層２０８に固定成分の濃度の薄い埋め込み材料を使用すると、ビア孔１１の底まで埋め込み材料は浸透するが、強度が弱くなるためにＣＭＰ工程を行うとカーボンナノチューブは研磨されずビア底から剥離してしまう。
【００４３】
第１の埋め込み膜１０と第２の埋め込み膜８として金属や金属酸化物を用いるときには、形成するときにこれらを高温にしてビア孔１１内に浸透させたのち凝固させる。
【００４４】
本実施形態に置いては触媒層を２層としたが、１層とする場合にも第１の埋め込み膜１０は触媒層とカーボンナノチューブ７の端部を覆う。
【００４５】
以上のように、従来例の半導体基板２００は、カーボンナノチューブ７が下部電極２から剥離する虞があり、半導体基板２００の歩留まりの低下を招く。
【００４６】
（第２の実施形態）
図７は第２の実施形態に係る電子装置が有する半導体基板３００を示す断面図である。 第２の実施形態においては、第１の埋め込み膜１０と第２の埋め込み膜８が接して形成されていることが第１の実施形態と異なる点である。
【００４７】
このような半導体基板３００の製造方法を、図８を使って説明する。第１の埋め込み膜１０を形成する工程までは第１の実施形態と同じであるので、省略する。図８（a）は、第１の埋め込み膜１０を設けた後の状態を示す。
【００４８】
続いて図８（b）に示すように、第１の埋め込み膜１０上のカーボンナノチューブ７の間を満たすように第２の埋め込み膜８を設ける。このとき第１の埋め込み膜１０と第２の埋め込み膜８とは接するようにする。
【００４９】
続いて図８（c）に示すように層間絶縁膜３の上の第１の埋め込み膜１０、第２の埋め込み膜８、およびビア孔１１から突出したカーボンナノチューブ７をＣＭＰ処理して平坦化する。
【００５０】
さらに、図８（d）に示すようにビア孔１１を覆うように上部電極９を設けて、半導体基板３００を得る。
【００５１】
このような構成においては、第１の埋め込み膜１０を形成した後に連続して第２の埋め込み膜８を形成し、第１の埋め込み膜１０と第２の埋め込み膜８を一度に加熱し硬化することが可能となる。本実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５２】
（第３の実施形態）
上述のような半導体基板をトランジスタやキャパシタなどの接続配線として用い、電子装置を形成することができる。
【００５３】
図９は、電子装置の一例を示す断面図である。ここでは第１の実施形態における半導体基板１００を用いて説明する。電子装置は、第１の基板１を有する半導体基板１００と、上部電極９の上に設けられた第２の基板１４とを有する。
【００５４】
第１の基板１および第２の基板１４には、トランジスタやキャパシタなどの素子が設けられている。このような構成により、第１の基板１と第２の基板１４とを電気的に接続することができる。電子装置としては、例えばマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置が挙げられる。
【符号の説明】
【００５５】
１： 基板
２： 下部電極
３： 層間絶縁膜
４： バリアメタル層
５： 第１の触媒層
６： 第２の触媒層
７： カーボンナノチューブ
８： 第２の埋め込み膜
９： 上部電極
１０：第１の埋め込み膜
１１：ビア孔
１２：電流
１３：空間
１４：第２の基板
２０８：埋め込み膜
１００：第１の実施形態の半導体基板
２００：比較例の半導体基板
３００：第２の実施形態の半導体基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一主面に下部電極を有する基板と、
前記基板上の前記下部電極以外の部分に設けられた層間絶縁膜と、
前記下部電極の上に設けられた触媒層と、
前記触媒層上に設けられ、前記下部電極の一主面に垂直な方向に延伸するカーボンナノチューブと、
前記カーボンナノチューブ上に設けられ、前記下部電極と対向する上部電極と、
前記触媒層および前記カーボンナノチューブの前記触媒層側の端部を覆う第１の埋め込み膜と、
前記カーボンナノチューブの他端部の間に満たされ、前記第１の埋め込み膜よりも高密度である第２の埋め込み膜と、
を有する半導体基板。
【請求項２】
前記第１の埋め込み膜は樹脂、金属または酸化物であり、前記第２の埋め込み膜は樹脂、金属、または酸化物である請求項１に記載の半導体基板。
【請求項３】
前記第１の埋め込み膜および前記第２の埋め込み膜は、少なくともはポリシロキ酸、アルミニウム、銅、酸化シリコンのうちの少なくとも１つを含む請求項２に記載の半導体基板。
【請求項４】
一主面に下部電極および前記下部電極を囲む層間絶縁膜が設けられた基板の前記下部電極上に触媒層を形成し、
前記触媒層上に前記層間絶縁膜から突出するように複数のカーボンナノチューブを形成し、
前記カーボンナノチューブの間に第１の材料を浸透させることにより、前記カーボンナノチューブの前記触媒層側の端部および前記触媒層を覆う第１の埋め込み膜を形成し、
前記カーボンナノチューブの間に前記第１の材料よりも密度が高い第２の材料を浸透させることにより、前記カーボンナノチューブの他端部の間を満たす第２の埋め込み膜を形成し、
前記カーボンナノチューブの前記他端部、および前記第２の埋め込み膜の一部を除去し、
前記カーボンナノチューブの上に前記下層電極と対向するように上部電極を設ける、半導体基板の製造方法。
【請求項５】
前記カーボンナノチューブの間に第１の材料を浸透させた後、前記第１の材料を加熱することにより前記第１の埋め込み膜を形成する請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記カーボンナノチューブの間に第２の材料を浸透させた後、前記第２の材料を加熱することにより前記第２の埋め込み膜を形成する、請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記カーボンナノチューブの間に第１の材料を浸透させた後、前記第１の材料に紫外線を照射することにより前記第１の埋め込み膜を形成する請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記カーボンナノチューブの間に第２の材料を浸透させた後、前記第２の材料に紫外線を照射することにより前記第２の埋め込み膜を形成する請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
一主面に下部電極を有する基板と、前記基板上の前記下部電極以外の部分に設けられた層間絶縁膜と、前記下部電極の上に設けられた触媒層と、前記触媒層上に設けられ、前記下部電極の一主面に垂直な方向に延伸する複数のカーボンナノチューブと、前記カーボンナノチューブ上に設けられ、前記下部電極と対向する上部電極と、前記触媒層および前記カーボンナノチューブの前記触媒層側の端部を覆う第１の埋め込み膜と、前記カーボンナノチューブの他端部の間に満たされ、前記第１の埋め込み膜よりも高密度のである第２の埋め込み膜と、を有する半導体基板を備えた電子装置。
【請求項１】
一主面に下部電極を有する基板と、
前記基板上の前記下部電極以外の部分に設けられた層間絶縁膜と、
前記下部電極の上に設けられた触媒層と、
前記触媒層上に設けられ、前記下部電極の一主面に垂直な方向に延伸するカーボンナノチューブと、
前記カーボンナノチューブ上に設けられ、前記下部電極と対向する上部電極と、
前記触媒層および前記カーボンナノチューブの前記触媒層側の端部を覆う第１の埋め込み膜と、
前記カーボンナノチューブの他端部の間に満たされ、前記第１の埋め込み膜よりも高密度である第２の埋め込み膜と、
を有する半導体基板。
【請求項２】
前記第１の埋め込み膜は樹脂、金属または酸化物であり、前記第２の埋め込み膜は樹脂、金属、または酸化物である請求項１に記載の半導体基板。
【請求項３】
前記第１の埋め込み膜および前記第２の埋め込み膜は、少なくともはポリシロキ酸、アルミニウム、銅、酸化シリコンのうちの少なくとも１つを含む請求項２に記載の半導体基板。
【請求項４】
一主面に下部電極および前記下部電極を囲む層間絶縁膜が設けられた基板の前記下部電極上に触媒層を形成し、
前記触媒層上に前記層間絶縁膜から突出するように複数のカーボンナノチューブを形成し、
前記カーボンナノチューブの間に第１の材料を浸透させることにより、前記カーボンナノチューブの前記触媒層側の端部および前記触媒層を覆う第１の埋め込み膜を形成し、
前記カーボンナノチューブの間に前記第１の材料よりも密度が高い第２の材料を浸透させることにより、前記カーボンナノチューブの他端部の間を満たす第２の埋め込み膜を形成し、
前記カーボンナノチューブの前記他端部、および前記第２の埋め込み膜の一部を除去し、
前記カーボンナノチューブの上に前記下層電極と対向するように上部電極を設ける、半導体基板の製造方法。
【請求項５】
前記カーボンナノチューブの間に第１の材料を浸透させた後、前記第１の材料を加熱することにより前記第１の埋め込み膜を形成する請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記カーボンナノチューブの間に第２の材料を浸透させた後、前記第２の材料を加熱することにより前記第２の埋め込み膜を形成する、請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記カーボンナノチューブの間に第１の材料を浸透させた後、前記第１の材料に紫外線を照射することにより前記第１の埋め込み膜を形成する請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記カーボンナノチューブの間に第２の材料を浸透させた後、前記第２の材料に紫外線を照射することにより前記第２の埋め込み膜を形成する請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
一主面に下部電極を有する基板と、前記基板上の前記下部電極以外の部分に設けられた層間絶縁膜と、前記下部電極の上に設けられた触媒層と、前記触媒層上に設けられ、前記下部電極の一主面に垂直な方向に延伸する複数のカーボンナノチューブと、前記カーボンナノチューブ上に設けられ、前記下部電極と対向する上部電極と、前記触媒層および前記カーボンナノチューブの前記触媒層側の端部を覆う第１の埋め込み膜と、前記カーボンナノチューブの他端部の間に満たされ、前記第１の埋め込み膜よりも高密度のである第２の埋め込み膜と、を有する半導体基板を備えた電子装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２０４４２５（Ｐ２０１２−２０４４２５Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６５２６６（Ｐ２０１１−６５２６６）
【出願日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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