半導体構造およびその製造方法
【課題】カーボンナノチューブによりビアプラグを構成する半導体装置の製造方法において、製造効率を向上させる製造方法を提供する。
【解決手段】絶縁膜中にビアホールを形成し、ビアホールの底に触媒粒子3cを付着させる。ビアホール中において触媒粒子を起点に、カーボンナノチューブを絶縁膜の表面を超えて成長させ、複数のカーボンナノチューブよりなるカーボンナノチューブの束を形成する。絶縁膜上に前記カーボンナノチューブの束を覆って、誘電体膜の塗布液を塗布し、絶縁膜上における塗布液の厚さを、絶縁膜上における塗布膜の表面の高さが絶縁膜表面におけるカーボンナノチューブの高さ以下になるように減少させる。厚さが低減された塗布膜を硬化させて誘電体膜4Dを形成し、誘電体膜を除去して絶縁膜の表面を露出させ、絶縁膜の表面に、カーボンナノチューブによりビアプラグ4VA,4VBを形成する。
【解決手段】絶縁膜中にビアホールを形成し、ビアホールの底に触媒粒子3cを付着させる。ビアホール中において触媒粒子を起点に、カーボンナノチューブを絶縁膜の表面を超えて成長させ、複数のカーボンナノチューブよりなるカーボンナノチューブの束を形成する。絶縁膜上に前記カーボンナノチューブの束を覆って、誘電体膜の塗布液を塗布し、絶縁膜上における塗布液の厚さを、絶縁膜上における塗布膜の表面の高さが絶縁膜表面におけるカーボンナノチューブの高さ以下になるように減少させる。厚さが低減された塗布膜を硬化させて誘電体膜4Dを形成し、誘電体膜を除去して絶縁膜の表面を露出させ、絶縁膜の表面に、カーボンナノチューブによりビアプラグ4VA,4VBを形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
カーボンナノチューブ(CNT)は、109A/cm2に達する非常に大きな電流密度耐性と、1500W/m・K程度の非常に高い熱伝導度を有している。
【0003】
そこで近年、大規模集積回路(LSI)の配線に、カーボンナノチューブを用いる技術が提案されている。
【0004】
例えば従来、層間絶縁膜中に形成したビアホール内に、カーボンナノチューブを前記ビアホールの底から上方に向かって成長させ、これをSOD(spin on dielectric)膜等で固定した後に、前記SODとCNTの複合膜、約1μmをCMP(化学的機械的研磨)によって平坦化し、前記層間絶縁膜の表面に、前記ビアホール内のカーボンナノチューブの先端部を露出させ、ビアプラグを形成する技術が提案されている。このようなカーボンナノチューブにより構成したビアプラグは、大きな電流密度を支えることができ、また効果的な放熱経路としても作用することが期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2008−41954号公報
【特許文献2】特開2008−258187号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
層間絶縁膜中に形成したビアホール内に、カーボンナノチューブを前記ビアホールの底から上方に向かって成長させ、これをSOD(spin on dielectric)膜等で固定したとき、パターンの疎密に依存して、SODとCNTの複合膜の膜厚が大きく異なる。この複合膜をCMP研磨するとき、厚い膜厚の部分を研磨するのに時間がかかる上に、膜厚の薄い部分が過研磨となってしまう。膜厚分布を回避するために、SODを厚く塗布すると、クラックが発生したり、CMP研磨時間が極端に長くなったりして、製造コストが増大してしまう。また、CNTの密度が高くなるほど、これらの影響が大きくなる。
【0007】
本発明の目的は、高密度のカーボンナノチューブとSODの複合膜を容易に平坦化できる方法を提供し、LSIの配線に用いることができる半導体装置の製造方法および配線構造の形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
一の側面によれば半導体構造は、基板と、前記基板上に形成された第1の配線パタ―ンと、前記基板上に前記第1の配線パタ―ンを覆って形成され、前記第1の配線パタ―ンを底において露出するビアホールを形成された絶縁膜と、前記ビアホールの底から前記絶縁膜の表面を超えて延在する複数のカーボンナノチューブと、前記絶縁膜上に形成され、前記ビアホールにおいて前記複数のカーボンナノチューブと電気的にコンタクトする第2の配線パタ―ンと、を含み、前記複数のカーボンナノチューブは、前記絶縁膜上に存在する部分が、前記絶縁膜の表面に略平行に屈曲された状態で、前記第2の配線パターン中に埋設されている。
【0009】
他の側面によれば半導体構造は、基板と、前記基板上に形成された第1の配線パタ―ンと、前記基板上に前記第1の配線パタ―ンを覆って形成され、前記第1の配線パタ―ンを底において露出するビアホールを形成された絶縁膜と、前記ビアホールの底から前記絶縁膜の表面を超えて延在する複数のカーボンナノチューブと、前記絶縁膜上に形成され、前記ビアホールにおいて前記複数のカーボンナノチューブと電気的にコンタクトする第2の配線パタ―ンと、を含み、前記複数のカーボンナノチューブは、前記絶縁膜上に存在する部分が、前記ビアホールの上方で収斂した状態で、前記第2の配線パターン中に埋設されている。
【0010】
さらに他の側面によれば半導体装置の製造方法は、絶縁膜中にビアホールを形成する工程と、前記ビアホールの底に触媒を形成する工程と、前記ビアホール中において前記触媒を起点に、カーボンナノチューブを、前記絶縁膜の表面を超えて成長させる工程と、前記絶縁膜上に前記カーボンナノチューブを覆って、誘電体膜の塗布液を塗布する工程と、前記絶縁膜上における前記塗布液の厚さを、前記絶縁膜上における前記塗布膜の表面の高さが前記絶縁膜表面に突出しているカーボンナノチューブの高さ以下になるように減少させる工程と、前記厚さが低減された塗布膜を硬化させて前記誘電体膜を形成する工程と、前記誘電体膜を除去して前記絶縁膜の表面を露出させ、前記絶縁膜の表面に、前記カーボンナノチューブによりビアプラグを形成する工程と、を含む。
【発明の効果】
【0011】
一の側面によれば、半導体装置の製造効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1A】第1の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その1)である。
【図1B】第1の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その2)である。
【図1C】第1の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その3)である。
【図1D】第1の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その4)である。
【図1E】第1の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その5)である。
【図1F】第1の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その6)である。
【図1G】第1の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その7)である。
【図1H】第1の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その8)である。
【図2】図1Eの工程で使われるレーザアブレーション装置の概略を示す図である。
【図3】図1Iの工程をより小さな縮尺で示す断面図である。
【図4A】第1の実施形態の一変形例を示す図(その1)である。
【図4B】第1の実施形態の一変形例を示す図(その2)である。
【図4C】第1の実施形態の一変形例を示す図(その3)である。
【図4D】第1の実施形態の一変形例を示す図(その4)である。
【図5A】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その1)である。
【図5B】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その2)である。
【図5C】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その3)である。
【図5D】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その4)である。
【図5E】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その5)である。
【図5F】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その6)である。
【図5G】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その7)である。
【図5H】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その8)である。
【図5I】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その9)である。
【図5J】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その10)である。
【図5K】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その11)である。
【図5L】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その12)である。
【図5M】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その13)である。
【図5N】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その14)である。
【図5O】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その15)である。
【図5P】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その16)である。
【図6】第2の実施形態の一変形例を示す図である。
【図7A】第3の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その1)である。
【図7B】第3の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その2)である。
【図7C】第3の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その3)である。
【図7D】第3の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その4)である。
【図8A】第4の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その1)である。
【図8B】第4の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その2)である。
【図8C】第4の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その3)である。
【図8D】第4の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その4)である。
【図8E】第4の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その5)である。
【図8F】第4の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その6)である。
【図9A】第5の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その1)である。
【図9B】第5の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その2)である。
【図9C】第5の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その3)である。
【図9D】第5の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その4)である。
【図9E】第5の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その5)である。
【図9F】第5の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その6)である。
【図10】他の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。
【0014】
(第1の実施形態)
図1Aを参照するに、シリコン基板1上には素子分離領域2により素子領域1Aが画定されており、前記素子領域1Aにおいてはp型あるいはn型のシリコン基板11上にゲート絶縁膜2Gを介して例えばポリシリコンなどよりなるゲート電極3Gが形成される。
【0015】
前記ゲート電極3Gの相対向する側壁面上には、シリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜などの側壁絶縁膜3W1,3W2が形成されている。また前記シリコン基板11中、前記ゲート電極3Gを挟んで相対向して、前記シリコン基板11の導電型とは逆導電型のソース領域1aおよびドレイン領域1b形成されている。
【0016】
さらに前記図1Aの状態では、前記シリコン基板1A上には例えばシリコン酸化膜よりなる絶縁膜3が、前記ゲート極3Gを覆って、例えばシラン系ガス又はテトラエトキシシラン(TEOS)ガスを使用した化学気相成長(CVD)法により、例えば200nmの厚さに形成されている。
【0017】
次に図1Bに示すように前記絶縁膜3中には、前記ソース領域1aおよびドレイン領域1bを露出するコンタクトホール3A.3Bが、例えばフッ素系ガスをエッチングガスとした反応性イオンエッチング法によりそれぞれ形成され、さらに図1Cに示すように前記絶縁膜3上に、前記コンタクトホール3A,3Bの側壁面および底面を連続して覆って、例えばタンタル(Ta)あるいは窒化タンタル(TaN)よりなる密着膜3aが、例えばスパッタ法により、形成され、
さらに前記密着膜3a上に、例えばチタン(Ti)又は窒化チタン(TiN)よりなるコンタクト膜10が、例えばスパッタ法により形成される。
【0018】
ここで前記密着膜3aは前記コンタクト膜3bを前記コンタクトホール3A,3Bの側壁面に密着させる作用をするのに対し、前記コンタクト膜3bは、後にビアプラグの形成にあたり付着される触媒粒子を担持する触媒担持膜として機能する。
【0019】
前記密着膜3a及びコンタクト膜3bの形成方法はスパッタ法に限定されないが、スパッタ法を使う場合には、ターゲットと試料との間の距離をターゲットの直径以上に設定して構成元素粒子を供給する異方性ロングスロースパッタリング法を使うことが可能である。また、コリメータスパッタリング法又はイオン化金属プラズマ(IMP)スパッタリング法等を採用してもよい。
【0020】
さらに図1Cに示すように前記コンタクト膜3bの上に複数の触媒粒子3cを分散させながら堆積させる。触媒粒子3cの材料は特に限定されないが、コバルト(Co)、鉄(Fe)及びニッケル(Ni)が挙げられる。また、これらの2種又は3種を含む合金を用いてもよい。このような合金としては、TiCo等の金属間化合物が挙げられる。触媒粒子11の形成方法としては、例えばレーザアブレーション法、スパッタリング法、及び蒸着法等が挙げられる。
【0021】
図2は、前記図1Cの工程で触媒粒子3cを堆積するのに使われるレーザアブレーション装置30の例を示す。
【0022】
図2を参照するに、前記レーザアブレーション装置30は、ヘリウム(He)などの不活性ガスを供給されターゲット31Aを保持するアブレーションチャンバ31と、前記ターゲットにレーザ光を照射する、例えばNd−YAGレーザなどの高出力レーザ32と、自動走査されるインパクションプレート32Aを備え前記アブレーションチャンバ31中において前記ターゲット31Aのレーザ照射により発生した微粒子を、ノズル31Bを介して供給され、分級などの粒度調整を行うインパクタ33と、それぞれ真空ポンプ(図示せず)により排気され、高真空環境を実現する真空チャンバ34A〜34Cよりなり、前記インパクタ33で分級された粒子を、ノズル33Bを介して供給される処理容器34より構成され、前記堆処理容器34中には、例えばコバルト(Co)などの触媒金属よりなる被処理基板Wを保持する基板保持台34aが設けられている。
【0023】
例えば前記触媒粒子11をこのようなレーザアブレーションにより形成する場合には、前記処理容器34の内部を、前記アブレーションチャンバ31中の圧力よりも低い、例えば1kPa以下の高真空状態に排気し、前記レーザビーム34を例えば2W程度のエネルギで照射する。
【0024】
そこで前記ターゲット31Aにおいて蒸発して生じたCo粒子は前記ノズル31Bを通ってインパクタ33に導入され、分級される。さらにこのようにして所定の粒度範囲に分級されたCo粒子がノズル33Bを通って高真空状態にある処理容器34に導入され、被処理基板Wの表面に堆積する。
【0025】
また前記触媒粒子3cをスパッタ法により堆積する場合では、例えばコリメーテッドスパッタ法により、基板に対して斜めに入射する粒子の割合を低減させることにより、前記コンタクトホール3A,3Bの側壁面上への触媒粒子3cの付着を抑制することが可能である。
【0026】
次に図1Dに示すように、前記触媒粒子3cを起点に多数のカーボンナノチューブ4Cを上方に互いに略平行に、前記コンタクトホール3A,3Bの上端を超えるように成長させる。
【0027】
カーボンナノチューブ4Cを成長させる方法は特に限定されない。例えば、熱CVD法、熱フィラメントCVD法、及びプラズマCVD法等のCVD法が挙げられる。熱CVD法を採用する場合には、例えば反応ガスとしてアセチレン及びアルゴンの混合ガスを成長雰囲気である真空チャンバ内に導入する。アセチレンは例えば10流量%のアルゴンで希釈して真空チャンバ内に導入する。また、アセチン含有ガス及びアルゴンガスの流量は、例えば、それぞれ0.5sccm、1000sccmとする。また、例えば、真空チャンバ内の圧力を1kPaに設定し、基板温度を400℃〜450℃に設定する。このような条件下では、カーボンナノチューブ4Cは、例えば1μm/時間程度の速度で成長する。また、熱フィラメントCVD法を採用する場合には、例えばガスを解離させるための熱フィラメントの温度を例えば900℃〜1800℃に設定する。前記カーボンナノチューブ13の長さは、成長時間を制御することにより、ビアプラグ以上の長さであれば、任意に制御できる。
【0028】
このようにして形成されたカーボンナノチューブ4Cは単層あるいは多層のカーボンナノチューブ構造を有しており、炭素原子の六員環により構成された周知のグラフェンシートが同軸状に、あるいはスパイラル状に巻かれた中空の形状を有している。また成長直後の状態では、個々のカーボンナノチューブ4Cの先端部には、炭素原子の五員環を有するキャップ構造略半球状のキャップ構造が形成されている。
【0029】
本実施形態では次に図1Eに示すように、前記絶縁膜3の表面に、スピンオングラス(SOG)膜やSiOCH膜を初めとするlow−K誘電体膜などの塗布型誘電体膜(SOD膜)の前駆体となる塗布液を、前記カーボンナノチューブ4Cを覆うように塗布し、液体状態において厚さtの塗布膜4DLを形成する。ここで前記厚さtは、前記絶縁膜3の表面から測った前記カーボンナノチューブ4Cの延出量t0よりも十分に大きく、前記層間絶縁膜7の表面からカーボンナノチューブ13が突出していても十分な流動性が確保でき、前記塗布膜4DLを略均一な厚さに形成することが可能となる。
【0030】
前記塗布膜4DLは、前記絶縁膜3の表面からカーボンナノチューブ4Cが突出していても前記絶縁膜3の表面において十分な流動性が確保されるように、粘度1mm2/s以下となるように溶媒により希釈しておくのが好ましい。このような塗布膜としては、例えば日立化成株式会社より市販の商品面HSG−R7などをアルコールなどの溶媒で薄めて使うこともできる。
【0031】
続いて図1Eの塗布膜4DLが形成された基板1を、ウェハのままスピンコーティング装置に装着し、前記基板1を例えば毎分1000回転以上で高速回転させることにより、前記液体状の塗布膜4DLを遠心力によりとばし、前記塗布膜4DLの厚さtを図1F中に矢印で示すように減少させる。これにより前記塗布膜4DLの前記絶縁膜3上における表面の高さが、図3に示すように、前記塗布膜4DLのうち、基板1の表面上における高さΔtが、前記カーボンナノチューブ13の突出高さt0よりも低下する。ただし図3は前記図1Fの状態の基板1を、より小さな縮尺で示した断面図である。
【0032】
その際、前記多数のカーボンナノチューブ4Cは液面の低下と共に、表面張力により束ねられ、前記絶縁膜7の表面から上方に延在しながらも、全体として先端部が集合した、特徴的な形状の束を形成する。その際、前記基板1の表面に略一様に形成されたカーボンナノチューブ4Cは、束ごとに島状に集合し、前記基板1の表面にはカーボンナノチューブ4Cにより多数の島状構造4ISが形成される。
【0033】
図1Fは、前記図1Eの状態から、前記塗布膜4DLの厚さtをこのように低減させて得られた構造を示す。
【0034】
図1Fを参照するに、前記絶縁膜3のうち、前記ゲート電極を覆う部分に形成された島状構造4ISの他に、前記コンタクトホール3A,3Bに対して、同様なカーボンナノチューブによる島状構造4ISA,4ISBが形成されているのがわかる。
【0035】
次に図1Gに示すように前記塗布膜4DLは硬化され、その結果、前記塗布膜4DLに対応して誘電体膜4Dが形成される。前記誘電体膜4Dは、前記コンタクトホール3A,3B中において、それぞれの島状構造4ISA,4ISBを構成するカーボンナノチューブ4Cの間を充填し、その結果、前記カーボンナノチューブ4Cは前記コンタクトホール3A,3B中において前記誘電体膜4Dにより機械的に安定に支持される。前記絶縁膜3上に形成された島状構造4ISにおいても同様である。なお前記図3は、図1Gの状態にも対応している。
【0036】
なお前記塗布膜4DLの固形分がわずかで、塗布膜4DLが多量の溶媒を含む場合には、図1Eの塗布膜4DLの膜厚を減少させる工程を、溶媒の気化により行うことも可能である。
【0037】
続いて図1Hに示すように、前記誘電体膜4Dを、前記絶縁膜3上に形成されているカーボンナノチューブ4Cの島状構造4IS共々、化学機械研磨(CMP)により除去し、前記層間絶縁膜7の表面を露出する。このような化学機械研磨の結果、前記コンタクトホール3A,3B中に誘電体膜4Dにより保持されているカーボンナノチューブ4Cも、前記絶縁膜3から突出する部分が研磨され、先端部が前記絶縁膜3の表面と略同一面において露出される。
【0038】
一般にカーボンナノチューブは、成長直後の状態では先端部に、炭素原子の五員環を有する半球状のキャップ構造が形成されているが、このような誘電体膜4Dに保持された状態での化学機械研磨によりこのようなキャップ構造は除去され、前記コンタクトホール3A,3Bの表面には、カーボンナノチューブ4Cの開端した先端部が露出される。
【0039】
そこでこのような絶縁膜3上に配線パタ―ンを形成した場合、前記カーボンナノチューブ4Cの先端部は前記配線パタ―ンの下部に、その全周にわたってコンタクトし、低い接触抵抗および低い熱抵抗を実現することができる。
【0040】
また本実施形態では実効的なビア径が縮小されるため、配線パタ―ンにある程度の位置ずれが生じても、安定してコンタクトをとることが可能となる。
【0041】
なお図1Hの工程において、前記化学機械研磨の後に、カーボンナノチューブ4Cに吸着している酸素の除去等を目的とした処理を行ってもよい。この処理としては、例えば不活性ガス中での熱処理を行ってもよく、また、真空中での脱ガス処理を行ってもよい。
【0042】
次いで、前記図1Hの構造上に、必要に応じて多層配線構造を形成することにより、所望の半導体装置を製造することができる。ここで前記コンタクトホール3A,3Bにおいて、カーボンナノチューブ4Cの島状構造4ISA,4ISBは、それぞれ前記ソース領域1aに電気的にコンタクトするビアプラグ4VAおよび前記ドレイン領域1bに電気的にコンタクトするビアプラグ4VBを形成する。多層配線構造の形成については、次の実施形態において説明する。
【0043】
図4A〜図4Dは、本実施形態の一変形例を示す。ただし図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【0044】
図4Aを参照するに、本変形例では前記図1Cの工程の後、前記コンタクトホール3A,3Bの底に堆積した触媒粒子3cを残し、前記絶縁膜3の上面に堆積した触媒粒子3cの不活化を行う。
【0045】
より具体的には、図4Aに示すように、基板1及び絶縁膜3の表面に垂直な方向に対して傾斜した方向からイオンを照射し、前記絶縁膜3の上面に堆積した触媒粒子3cをイオンミリングにより除去する。3bおよび3a共々除去して、前記絶縁膜3の表面を露出させてもよい。イオンを照射する方向は、イオンがコンタクトホール3A,3Bの底面上の触媒粒子3cに照射されない限りで特に限定されないが、例えば基板1及び絶縁膜3の表面に垂直な方向から85°傾斜した方向から照射することができる。なお、イオンを照射する方向を固定していてもよいが、基板1が載置されたステージの回転等により、基板1の表面に平行な面内の全方位から均一に照射するのが好ましい。
【0046】
この処理の結果、図4Bに示すように、前記絶縁膜3の上面において触媒粒子3cが除去され、コンタクトホール3A,3B内のみに触媒粒子3cが残存する。なお図4Aの工程において、前記絶縁膜3上の触媒粒子3cの除去は、化学機械研磨(CMP)法により行ってもよい。
【0047】
この場合にはカーボンナノチューブ4Cの成長は、コンタクトホール3A,3Bにおいてのみ生じ、図4Cに示す構造が得られる。
【0048】
さらに図1E以降の工程を行うことにより、図4Dに示す構造となり、図1Gよりも容易に化学機械研磨が可能となる。本変形例においても図1Hと同じ構造の半導体装置を得ることができる。
【0049】
本実施形態では発明を、図1Hに示すMOSトランジスタTrを有する半導体装置を例に説明したが、本発明はMOSトランジスタに限定されるものではなく、他のビアコンタクトを使うあらゆる半導体装置に適用可能であることは明らかである。
【0050】
(第2の実施形態)
次に、先の実施形態における図1Hの工程に引き続いて実行される多層配線構造の形成方法について、図5A〜図5Pを参照しながら説明する。
【0051】
図5Aは、前記図1HのトランジスタTrの素子領域1Aおよびその外側の素子分離領域2を含む領域を、より小さな縮尺で示す断面図である。
【0052】
図5Aを参照するに、前記トランジスタTr等を覆う前記絶縁膜3上に、例えばシリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜が、例えばシラン系ガス又はテトラエトキシシラン(TEOS)ガスを使用した化学気相成長(CVD)法により、例えば200nmの膜厚に形成され、さらに前記層間絶縁膜5中に、前記カーボンナノチューブ4Cの島状構造4ISA,4ISBよりなる導電プラグ4VA,4VBをそれぞれ露出する配線溝5A,5Bが形成される。
【0053】
次に図5Bに示すように前記配線溝5A,5Bをタンタル(Ta)やチタン(Ti)などのバリアメタル膜6で覆った後、前記配線溝5A,5Bを銅(Cu)層により充填し、さらに前記層間絶縁膜5上の余分な銅層を、前記層間絶縁膜5の上面が露出するまで化学機械研磨(CMP)法により除去するダマシン法を実行する。その結果前記配線溝5A,5B中に、前記バリアメタル膜6を介して銅配線パタ―ン6A,6Bがそれぞれ形成されたダマシン構造の配線構造が得られる。
【0054】
その後、図5Cに示すように、前記層間絶縁膜5上に次の層間絶縁膜7が、前記配線パタ―ン6Bを覆って形成される。ただし図5Cおよび図5C以降で説明する図は、図5Bのうち、ビアプラグ4VBの上部および配線パタ―ン6Bを含む部分のみが示されていることに注意すべきである。
【0055】
前記層間絶縁膜7としては、例えばTEOSガスを使用してプラズマCVD法により形成したシリコン酸化膜を使うことができる。前記層間絶縁膜7の厚さは、例えば200nm程度とする。次いで、層間絶縁膜7上に、層間絶縁膜7のビアホールを形成する予定の領域を露出するレジスト開口部8Aを備えたレジストパターン8を形成する。
【0056】
その後、図5Dに示すように前記レジストパターン8をマスクとして用いて層間絶縁膜7をエッチングし、前記層間絶縁膜7中に前記レジスト開口部8Aに対応してビアホールとなる開口部7Aを形成する。このエッチングの方法としては、フッ素系ガスを使用した反応性イオンエッチング法、及びプラズマエッチング法等のドライエッチングが挙げられる。また、フッ酸を使用したウェットエッチングを行ってもよい。
【0057】
続いて、図5Eに示すように前記レジストパターン8を除し、次いで前記層間絶縁膜7上に、前記開口部7Aを含んでバリアメタル膜9を、例えばスパッタリングなどにより形成する。前記バリアメタル膜9としては、例えばタンタル(Ta)膜又は窒化タンタル(TaN)膜を形成する。
【0058】
次に図5Eに示すように前記バリアメタル膜9上に、前記コンタクト膜3bと同様なコンタクト膜10を形成する。
【0059】
ここで前記バリアメタル膜9は、前記配線パタ―ン5中のCuの拡散に対する導電性バリアとして機能するのに対し、前記コンタクト膜10は、後に形成するビアプラグとバリアメタル膜9との間の良好な電気的及び機械的な接続を確保するために設けられる。また前記コンタクト膜10は、後にビアプラグの形成にあたり付着される触媒粒子を担持する触媒担持膜として機能する。
【0060】
前記バリアメタル膜9及びコンタクト膜10の形成方法は特に限定されないが、前記密着膜3aおよびコンタクト膜3bの場合と同様に、ターゲットと試料との間の距離をターゲットの直径以上に設定して構成元素粒子を供給する異方性ロングスロースパッタリング法が挙げられる。また、コリメータスパッタリング法又はイオン化金属プラズマ(IMP)スパッタリング法等を採用してもよい。
【0061】
続いて、図5Eに示すように、コンタクト膜10の上面上に複数の触媒粒子11を、前記触媒粒子3cと同様にして堆積させ、次いで図5Fに示すように、前記開口部7Aの底に堆積した触媒粒子12を残し、前記層間絶縁膜7の上面に堆積した触媒粒子11の不活化を、前記図4Aの場合と同様にして実行する。すなわち図5Fに示すように、層間絶縁膜7の表面に垂直な方向に対して傾斜した方向から傾いた角度でイオンを照射するイオンミリングを行うことにより、前記層間絶縁膜7の上面に堆積した触媒粒子11を除去する。イオンを照射する方向は、イオンがビアホール7Aの底面上の触媒粒子11に照射しなければ特に限定されないが、例えば層間絶縁膜7の表面に垂直な方向から85°傾斜した方向から照射する。なお、イオンを照射する方向を固定していてもよいが、均一な照射を行うため、基板1が載置されたステージの回転等により、基板1の表面に平行な面内の全方位から照射することが好ましい。
【0062】
この処理の結果、図5Gに示すように、層間絶縁膜7の上面においてバリアメタル膜9、コンタクト膜10及び触媒粒子11が除去され、ビアホールとなる開口部7A内のみにバリアメタル膜9、コンタクト膜10及び触媒粒子11が残される。なお図5Fの工程において、前記層間絶縁膜7上の触媒粒子11の除去、およびその下のコンタクト膜10およびバリアメタル膜9の除去は、化学機械研磨(CMP)法により行ってもよい。この場合にも、図5Gと同じ構造が得られる。
【0063】
その後、図5Hに示すように、前記触媒粒子11を起点に多数のカーボンナノチューブ13を上方に互いに略平行に、開口部7Aの上端を超えるように、先の図1Dの工程と同様にして成長させる。
【0064】
さらに図5Iに示すように、前記層間絶縁膜7の表面に、スピンオングラス(SOG)膜やSiOCH膜を初めとするlow−K誘電体膜などの塗布型誘電体膜(SOD膜)の前駆体となる塗布液を、先の図1Eの工程と同様に、前記カーボンナノチューブ13を覆うよう、かつ十分な流動性が確保できるような厚さに形成する。
【0065】
続いて前記図5Iの塗布膜14が形成された基板3を、ウェハのままスピンコーティング装置に装着し、先に図1Fにおいて説明したように前記基板3を例えば毎分1000回転以上で高速回転させることにより、前記液体状の塗布膜14を遠心力によりとばし、前記塗布膜14の厚さを図5J中に矢印で示すように減少させる。これにより前記塗布膜14の前記層間絶縁膜7上における表面の高さが、前記層間絶縁膜7の表面における前記カーボンナノチューブ13の突出高さよりも減少する。
【0066】
図5Jに示す塗布膜14の膜厚の減少工程の際、前記開口部7Aの径が160nmで前記突出量t0が800nm以下の場合、前記多数のカーボンナノチューブ13は液面の低下と共に表面張力により束ねられ、前記絶縁膜7の表面から上方に延在しながらも、全体として先端部が集合した、先の実施形態で説明したのと同様な形状のカーボンナノチューブ束を形成することが多い。これに対し前記突出量t0が800nmを超える場合には、後の実施形態で説明するように前記カーボンナノチューブ13は前記絶縁膜7の表面に略平行に屈曲されることが多い。
【0067】
前記塗布膜14は、図5Jに示すように厚さを減じた後、硬化されて誘電体膜140を形成する。前記誘電体膜140は、前記開口部7A中において前記カーボンナノチューブ13の間を充填し、その結果、前記カーボンナノチューブ13は前記開口部7A、すなわちビアホール中において前記誘電体膜140により機械的に安定に支持される。
【0068】
なお前記塗布膜14の固形分がわずかで多量の溶媒を含む場合には、図5Jの塗布膜14の膜厚を減少させる工程を、溶媒の気化により行うことも可能である。
【0069】
続いて図5Kに示すように、前記誘電体膜140を化学機械研磨(CMP)により除去し、先の図1Hの工程の場合と同様に、前記層間絶縁膜7の表面を露出する。このような化学機械研磨の結果、前記ビアホール7A中に誘電体膜140により保持されているカーボンナノチューブ13も、前記層間絶縁膜7から突出する部分が研磨され、先端部が前記層間絶縁膜7の表面と略同一面において露出される。なお図5Kの工程においても、前記化学機械研磨の後に、カーボンナノチューブ13に吸着している酸素の除去等を目的とした処理を行ってもよい。この処理としては、例えば不活性ガス中での熱処理を行ってもよく、また、真空中での脱ガス処理を行ってもよい。
【0070】
次いで、図5Lに示すように、層間絶縁膜7上に前記開口部7Aを覆って次の層間絶縁膜15を、例えば前記層間絶縁膜7と同様にして形成する。
【0071】
さらに図5Mに示すように前記層間絶縁膜15中に前記開口部7Aを露出する配線溝15Aを形成し、図5Nに示すように前記層間絶縁膜15の表面に前記配線溝15Aを覆ってバリアメタル膜16を、前記バリアメタル膜9と同様にして形成する。
【0072】
さらに図5Oに示すように前記層間絶縁膜15上に銅層17を、前記配線溝15Aも含めて前記バリアメタル膜16を介して覆うように、例えば無電解メッキ法および電解メッキ法により形成し、さらに図5Pに示すように、このようにして形成された銅層17を、前記層間絶縁膜15の表面が露出するまで化学機械研磨(CMP)により除去することにより、前記配線溝15Aを充填して銅配線パタ―ン17Aが形成された配線構造が得られる。例えば前記銅配線パタ―ン17Aは数μm以下、例えば100nm程度の幅を有し、前記ビアホールとなる開口部7Aにおいて、前記カーボンナノチューブ13よりなるビアプラグに電気的および機械的にコンタクトする。
【0073】
本実施形態では図5Jの工程において、前記層間絶縁膜7上に形成された誘電体膜140の前駆体となる塗布膜14の膜厚を低減させているため、図5Kに示す化学機械研磨工程の際に、研磨しなければならない誘電体膜140の膜厚がわずかであり、半導体装置の製造効率を向上させることができる。
【0074】
また本実施形態では図5Fに示すように、余計な部分から触媒粒子11を除去しておくことにより、図5Hに示すようにビアホール7Aにおいてカーボンナノチューブ13を成長させる際、例えば層間絶縁膜7の表面に堆積した触媒粒子11から不要なカーボンナノチューブの成長が生じることがなく、図5Iに示す塗布膜14を形成する際、塗布液が拡がり易く、塗布膜14の膜厚を一様に形成することが容易になる。
【0075】
図5Pの配線構造では、前記カーボンナノチューブ13は、図5Kの化学機械研磨の結果、炭素の五員環を含む半球状先端部が除去されており、前記配線パタ―ン17Aを覆うバリアメタル膜16に、低い接触抵抗および低い熱抵抗でコンタクトする。
【0076】
なお本実施形態において、前記図5Eの工程において触媒粒子11に代えて連続的な触媒膜を形成しても、図5Hの工程において、ビアホール7Aの底から上方に略平行に延在する複数のカーボンナノチューブ13を形成することができる。
【0077】
本実施形態において、前記図5Kの工程において図6に示すようにイオンミリングを行い、前記誘電体膜140および前記層間絶縁膜7上におけるバリアメタル膜9,コンタクト膜10、さらにカーボンナノチューブ13を除去し、図5Kに示す構造を得ることも可能である。このようなイオンミリングを使った本実施形態の変形例において、イオンを照射する方向は特に限定されないが、例えば基板1及び層間絶縁膜7の表面に垂直な方向から85°傾斜した方向から照射することができる。なお、イオンを照射する方向を固定していてもよいが、基板1が載置されたステージの回転等により、基板1の表面に平行な面内の全方位から均一に照射することが好ましい。
【0078】
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態について、図7A〜図7Dを参照しながら説明する。ただし図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【0079】
図7Aは先の第2の実施形態の図5Hの工程に対応しており、前記開口部7Aにおいてカーボンナノチューブ13を、前記触媒粒子11を起点に上方に、互いに略平行に成長させている。
【0080】
その際本実施形態では、前記カーボンナノチューブ13を、前記層間絶縁膜7の表面から上方への突出量(厳密にはコンタクト膜10からの突出量)t1が、先の実施形態における突出量t0よりも大きい(t1>t0)、例えば800nm以上となるように成長させる。前記開口部7Aの径が先の実施形態と同じで160nmである場合、このようにカーボンナノチューブ13を長く成長させ、その後で図7Bに示すように塗布膜14で覆い、さらに図7Cに示すように前記塗布膜14の膜厚を、例えば基板をウェハ毎高速回転させるなどして低減させた場合、液面の低下と共に前記カーボンナノチューブ13は表面張力の効果で変形を生じるが、このようにビアホール7Aの径に対して突出するカーボンナノチューブ13の長さt1が大きい場合、前記カーボンナノチューブ13は先の実施形態の場合のように層間絶縁膜7の面に対して上方に延在しつつも先端部が集合する代わりに、図7Cに示すように前記層間絶縁膜7の主面に略平行に屈曲され、前記ビアホール7Aから外方に開くような形状の屈曲構造13Qを形成する。前記屈曲構造13Qでは、カーボンナノチューブ13の間が前記塗布膜14で充填され、前記塗布膜14の硬化後には、前記カーボンナノチューブ13Cの間が、前記塗布膜14に起因する誘電体膜140により充填される。
【0081】
しかし本実施形態においても、図7Dに示すように前記誘電体膜140を化学機械研磨により除去することにより、先の図5Kの場合と同様な構造が得られる。ただし本実施形態では、前記ビアプラグ4VBを構成するカーボンナノチューブ4Cは、先端部が束ねられる代わりに、前記図7Cの工程におけるカーボンナノチューブ4Cの変形に伴い、前記開口部7A中においてやや外方に開いた形状に変形される。
【0082】
さらに前記図7Dの構造に対して、先の実施形態における図5L〜図5Pのプロセスを実行することにより、先の実施形態の図5Pで説明した配線構造を得ることができる。
【0083】
このようにビアホール中において先端が外方に開いた形状のカーボンナノチューブの束をビアプラグに使うことにより、かかる配線構造では電流の集中を回避することができ、配線の寿命および信頼性を向上させることができる。
【0084】
なお本実施形態においても、一変形例において前記誘電体膜140を図3で説明したのと同様なイオン照射により除去することも可能である。
【0085】
図5Jあるいは図7Cに対応した前記塗布膜14の膜厚を低減させる工程で、カーボンナノチューブ13が、図5Jに示すように先端が集束するように変形するか図7Cに示すように先端が開くように変形するかは、本願発明者が得た知見では、ビアホール7Aの径および前記ビアホール7Aから突出するカーボンナノチューブ13の突出長(t0あるいはt1)の組み合わせに依存しており、前記径が大きくて突出長が短い場合には図5Jのように先端が集合する形状が頻繁に現れ、逆に径が小さくて突出長が長い場合には、図7Cに示すようにカーボンナノチューブ13の先端が開いた形状が頻繁に現れる傾向が見られる。前記突出長とビアホール7Aの径の比A(A=突出長/ビア径)をとってみると、前記比Aが5以下であれば、図5Jに示す形状が主として現れ、前記比Aが前記値5を超えた場合には、図7Cに示す形状が主として現れる傾向が見られる。
【0086】
(第4の実施形態)
次に第4の実施形態について図8A〜図8Dを参照しながら説明する。ただし図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付している。図8Aの工程は、先に説明した第2の実施形態の図5A〜図5Jまでの工程に引き続いて実行されるものである。
【0087】
本実施形態では、前記図5Jの工程の後、図8Aに示すように前記誘電体膜140を前記層間絶縁膜7の表面からドライエッチングあるいはウェットエッチングにより除去し、前記カーボンナノチューブ13を前記層間絶縁膜7上に突出構造13Pを形成した状態で残す。このようなエッチングは、前記図5Jの状態において前記層間絶縁膜7の表面上に残留している誘電体膜140の厚さがわずかであるため、短時間で済み、前記誘電体膜140は前記開口部7A中に残留し、また前記突出構造13Pを構成する前記カーボンナノチューブ13の間にも、ほとんどエッチングされずに残留している。
【0088】
次に図8Bに示すように前記図8Aにおける層間絶縁膜7上に層間絶縁膜15を例えばCVD法により形成し、前記突出したカーボンナノチューブ13を埋め込む。
【0089】
さらに図8Cに示すように前記層間絶縁膜15中に前記開口部、すなわちビアホール7Aを露出する配線溝15Aを形成する。図8Cに示すように前記カーボンナノチューブ13が形成する突出構造13Pは、このようにして形成した配線溝15A中に突出する。
【0090】
さらに図8Dに示すように前記層間絶縁膜15上に前記配線溝15Aを含んでバリアメタル膜16を例えばスパッタにより堆積する。この場合、バリアメタル膜16は前記カーボンナノチューブ13の間を充填している誘電体膜140上に堆積し、前記突出構造13Pの表面に露出したカーボンナノチューブ13を覆う。
【0091】
さらに図8Eに示すように前記バリアメタル膜16上に銅シード層17sを無電解メッキ法あるいはスパッタ法により形成し、さらに前記銅シード層17Aに通電して電解メッキを行うことにより、前記配線溝15Aを銅層17により充填する。
【0092】
さらに図8Fに示すように前記層間絶縁膜15上の銅層17を、前記層間絶縁膜15の上面が露出するまで化学機械研磨により除去することにより、前記配線溝15Aをタング銅配線パタ―ン17Aが充填した配線構造が得られる。なお前記銅シード層17sと銅層17の界面は、図8Fの構造を熱処理することにより消滅する。
【0093】
図8Fの配線構造では、前記カーボンナノチューブ13がタングステン配線パタ―ン17A中にまで侵入するため、カーボンナノチューブ13よりなるビアプラグとタングステン配線パタ―ン17Aとの間に優れた機械的および電気的、さらに熱的な結合が生じる。
【0094】
なお本実施形態では、前記図8Aの工程に先立ち、図5Hの工程の際に、前記カーボンナノチューブ13を酸素プラズマで短時間処理することにより開端処理を行っておくのが好ましい。
【0095】
(第5の実施形態)
次に第5の実施形態について図9A〜図9Fを参照しながら説明する。ただし図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付している。第5の実施形態において図9Aの工程は、先に説明した第3の実施形態の図7A〜図7Cまでの工程に引き続いて実行されるものである。
【0096】
本実施形態では、前記図7Cの工程の後、図9Aに示すように前記誘電体膜140を前記層間絶縁膜7の表面からドライエッチングあるいはウェットエッチングにより除去し、前記カーボンナノチューブ13を前記層間絶縁膜7上に、前記屈曲構造13Qを形成した状態で残す。このようなエッチングは、前記図7Cの状態において前記層間絶縁膜7の表面上に残留している誘電体膜140の厚さがわずかであるため、短時間で済み、前記誘電体膜140は前記開口部7A中に残留し、また前記屈曲構造13Qを構成する前記カーボンナノチューブ13の間にも、ほとんどエッチングされずに残留している。
【0097】
次に図9Bに示すように前記層間絶縁膜7上のバリアメタル膜9およびコンタクト膜10を例えばウェットエッチングにより除去し、さらにこのようにして得られた構造上に層間絶縁膜15を、例えばCVD法により形成し、前記カーボンナノチューブ13の屈曲構造13Qを埋め込む。
【0098】
さらに図9Cに示すように前記層間絶縁膜15中に前記開口部、すなわちビアホール7Aを露出する配線溝15Aを形成する。図9Cに示すように前記カーボンナノチューブ13の屈曲構造13Cはこのようにして形成した配線溝15A中に露出される。
【0099】
さらに図9Dに示すように前記層間絶縁膜15上に前記配線溝15Aを含んでバリアメタル膜16をスパッタ法により堆積する。
【0100】
さらに図9Eに示すように前記バリアメタル膜16上にタングステン層17をCVD法あるいはALD法など、ステップカバレッジに優れた成膜方法により、前記層間絶縁膜15の上面を超えて形成し、図9Fに示すように前記層間絶縁膜15上の銅層17を、前記層間絶縁膜15の上面が露出するまで化学機械研磨により除去することにより、前記配線溝15Aを銅配線パタ―ン17Aが充填した配線構造が得られる。
【0101】
図9Fの配線構造では、前記カーボンナノチューブ13の屈曲構造13Qが銅配線パタ―ン17A中にまで侵入するため、カーボンナノチューブ13よりなるビアプラグと銅配線パタ―ン17Aとの間に優れた機械的および電気的、さらに熱的な結合が生じる。その際、本実施形態では前記カーボンナノチューブ13が前記配線パタ―ン17中において開いた状態で埋設されているため、カーボンナノチューブ13よりなるビアプラグと配線パタ―ン17Aとの間の電気的および熱的な結合を、先の実施形態の場合に比べてさらに向上させることができる。
【0102】
なお本実施形態でも、前記図9Aの工程に先立ち、図7Aの工程の際に、前記カーボンナノチューブ13を酸素プラズマで短時間処理することにより開端処理を行っておくのが好ましい。
【0103】
本実施形態では、前記ビアプラグ4VBとして、先端が集合するような形状のカーボンナノチューブ束を使っているが、もちろん図7Dで説明したような、先端が開いた形状のカーボンナノチューブ束を使って電流を分散させることも可能である。
【0104】
なお前記第2の実施形態では、図5Gの工程において、前記層間絶縁膜7の上面上、より正確には前記層間絶縁膜7の上面を覆うコンタクト膜10上に堆積した触媒粒子11をイオンミリングにより除去し、不活性化しているが、この不活性化処理は必須のものではなく、省略することも可能である。
【0105】
この場合には図10に示すように、図5Hの工程でカ―ボンナノチューブ13を成長させる際、ビアホール7Aのみならず、層間絶縁膜7の上面にもカーボンナノチューブ13の成長が生じるが、図5Iに示すように塗布膜14を形成し、さらにその塗布膜14の厚さtを図5Jに示すように低減させた場合、前記層間絶縁膜7上に図10に示すような、先端が集合したカーボンナノチューブ13の突出構造13Pがいくつも島状に形成される。
【0106】
しかし、このように前記層間絶縁膜7の上面にカーボンナノチューブ13の群が多数形成されても、これらは図5Kの化学機械研磨工程あるいは図6のイオンミリング工程により除去することができる。本発明は、このような場合をも含むものである。
【0107】
また以上の説明は半導体装置に集積化される多層配線構造について行っているが、本発明は多層回路基板についても同様に有効である。
【0108】
以上、好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
(付記1)
基板と、
前記基板に形成された、導電領域を含む活性素子と、
前記基板上に形成され、前記活性素子を覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜中に形成され、前記導電領域にコンタクトするビアプラグを有する半導体装置において、
前記ビアプラグは、前記導電領域から延在するカーボンナノチューブの束により構成され、
前記カーボンナノチューブは前記ビアプラグ中において誘電体材料により保持されており、
前記ビアプラグにおいて前記カーボンナノチューブは、先端が互いに集合する形状を有することを特徴とする半導体装置。
(付記2)
基板と、
前記基板に形成された、導電領域を含む活性素子と、
前記基板上に形成され、前記活性素子を覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜中に形成され、前記導電領域にコンタクトするビアプラグを有する半導体装置において、
前記ビアプラグは、前記導電領域から延在するカーボンナノチューブの束により構成され、
前記カーボンナノチューブは前記ビアプラグ中において誘電体材料により保持されており、
前記ビアプラグにおいて前記カーボンナノチューブは、先端が前記ビアプラグから外方に開いた形状を有することを特徴とする半導体装置。
(付記3)
前記カーボンナノチューブの先端は、前記絶縁膜の表面を超えて延在し、前記絶縁膜上に形成される配線パタ―ン中に侵入することを特徴とする付記1または2記載の半導体装置。
(付記4)
第1の配線パタ―ンを形成された第1の層間絶縁膜と、
前記第1の層間絶縁膜上に前記第1の配線パタ―ンを覆って形成された第2の層間絶縁膜と、
前記第2の層間絶縁膜を覆って形成され、第2の配線パタ―ンを形成された第3の層間絶縁膜と、
前記第2の層間絶縁膜中に形成され、前記第1の配線パタ―ンと前記第2の配線パタ―ンとを接続するビアプラグとを含み、
前記ビアプラグは、前記導電領域から延在するカーボンナノチューブの束により構成され、
前記カーボンナノチューブは前記ビアプラグ中において誘電体材料により保持されており、
前記ビアプラグにおいて前記カーボンナノチューブは、先端が互いに集合する形状を有することを特徴とする配線構造。
(付記5)
第1の配線パタ―ンを形成された第1の層間絶縁膜と、
前記第1の層間絶縁膜上に前記第1の配線パタ―ンを覆って形成された第2の層間絶縁膜と、
前記第2の層間絶縁膜を覆って形成され、第2の配線パタ―ンを形成された第3の層間絶縁膜と、
前記第2の層間絶縁膜中に形成され、前記第1の配線パタ―ンと前記第2の配線パタ―ンとを接続するビアプラグとを含み、
前記ビアプラグは、前記導電領域から延在するカーボンナノチューブの束により構成され、
前記カーボンナノチューブは前記ビアプラグ中において誘電体材料により保持されており、
前記ビアプラグにおいて前記カーボンナノチューブは、先端が前記ビアプラグから外方に開いた形状を有することを特徴とする配線構造。
(付記6)
前記カーボンナノチューブの先端は、前記第2の層間絶縁膜の表面を超えて延在し、前記第2の配線パタ―ン中に侵入することを特徴とする付記4または5記載の半導体装置。
(付記7)
絶縁膜中にビアホールを形成する工程と、
前記ビアホールの底に触媒粒子を付着させる工程と、
前記ビアホール中において前記触媒粒子を起点に、カーボンナノチューブを前記絶縁膜の表面を超えて成長させ、複数のカーボンナノチューブよりなるカーボンナノチューブの束を形成する工程と、
前記絶縁膜上に前記カーボンナノチューブの束を覆って、誘電体膜の塗布液を塗布する工程と、
前記絶縁膜上における前記塗布液の厚さを、前記絶縁膜上における前記塗布膜の表面の高さが前記絶縁膜表面におけるカーボンナノチューブの高さ以下になるように減少させる工程と、
前記厚さが低減された塗布膜を硬化させて前記誘電体膜を形成する工程と、
前記誘電体膜を除去して前記絶縁膜の表面を露出させ、前記絶縁膜の表面に、前記カーボンナノチューブによりビアプラグを形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記8)
前記塗布液は、塗布される前に溶媒に希釈されていることを特徴とする付記7記載の半導体装置の製造方法。
(付記9)
前記塗布液の厚さを減少させる工程は、前記絶縁膜を、前記絶縁膜を担持する基板ごと回転させることにより実行されることを特徴とする付記7または8記載の半導体装置の製造方法。
(付記10)
前記塗布液の厚さを減少させる工程は、前記塗布液から溶媒を気化させることにより実行されることを特徴とする付記7または8記載の半導体装置の製造方法。
(付記11)
前記誘電体膜を除去する工程は、化学機械研磨、イオンミリングおよびエッチングのいずれかにより実行されることを特徴とする付記7〜10のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
(付記12)
さらに前記絶縁膜上に導電部材を、前記カーボンナノチューブが前記ビアホール上において前記導電部材中に埋設されるように形成する工程を有することを特徴とする付記7〜11のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
(付記13)
前記カーボンナノチューブは先端が集合したカーボンナノチューブの束を形成し、前記カーボンナノチューブを成長させる工程は、前記ビアホールの径に対する前記カーボンナノチューブが前記絶縁膜の表面から突出する長さの比が5以下となるように実行されることを特徴とする付記7記載の半導体装置の製造方法。
(付記14)
前記カーボンナノチューブの束において各々のカーボンナノチューブは、先端が前記ビアホールの外方に屈曲した形状を有し、前記カーボンナノチューブを成長させる工程は、前記ビアホールの径に対する前記カーボンナノチューブが前記絶縁膜の表面から突出する長さの比が5を超えるように実行されることを特徴とする付記7記載の半導体装置の製造方法。
【符号の説明】
【0109】
1 半導体基板
1a,1b ソース/ドレイン領域
2 素子分離絶縁膜
2G ゲート絶縁膜
3,5,7,15 層間絶縁膜
3G ゲート電極
4 ビアプラグ
5A,15A 配線溝
6A,9,16 バリアメタル膜
6B 銅配線パタ―ン
7A 開口部(ビアホール)
8 レジストパターン
8A レジスト開口部
10 コンタクト膜
11 触媒粒子
13 カーボンナノチューブ
14 塗布膜
140 誘電体膜
17 銅層
17A 銅配線パタ―ン
170 タングステン層
170A タングステン配線パタ―ン
【技術分野】
【0001】
本発明は半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
カーボンナノチューブ(CNT)は、109A/cm2に達する非常に大きな電流密度耐性と、1500W/m・K程度の非常に高い熱伝導度を有している。
【0003】
そこで近年、大規模集積回路(LSI)の配線に、カーボンナノチューブを用いる技術が提案されている。
【0004】
例えば従来、層間絶縁膜中に形成したビアホール内に、カーボンナノチューブを前記ビアホールの底から上方に向かって成長させ、これをSOD(spin on dielectric)膜等で固定した後に、前記SODとCNTの複合膜、約1μmをCMP(化学的機械的研磨)によって平坦化し、前記層間絶縁膜の表面に、前記ビアホール内のカーボンナノチューブの先端部を露出させ、ビアプラグを形成する技術が提案されている。このようなカーボンナノチューブにより構成したビアプラグは、大きな電流密度を支えることができ、また効果的な放熱経路としても作用することが期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2008−41954号公報
【特許文献2】特開2008−258187号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
層間絶縁膜中に形成したビアホール内に、カーボンナノチューブを前記ビアホールの底から上方に向かって成長させ、これをSOD(spin on dielectric)膜等で固定したとき、パターンの疎密に依存して、SODとCNTの複合膜の膜厚が大きく異なる。この複合膜をCMP研磨するとき、厚い膜厚の部分を研磨するのに時間がかかる上に、膜厚の薄い部分が過研磨となってしまう。膜厚分布を回避するために、SODを厚く塗布すると、クラックが発生したり、CMP研磨時間が極端に長くなったりして、製造コストが増大してしまう。また、CNTの密度が高くなるほど、これらの影響が大きくなる。
【0007】
本発明の目的は、高密度のカーボンナノチューブとSODの複合膜を容易に平坦化できる方法を提供し、LSIの配線に用いることができる半導体装置の製造方法および配線構造の形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
一の側面によれば半導体構造は、基板と、前記基板上に形成された第1の配線パタ―ンと、前記基板上に前記第1の配線パタ―ンを覆って形成され、前記第1の配線パタ―ンを底において露出するビアホールを形成された絶縁膜と、前記ビアホールの底から前記絶縁膜の表面を超えて延在する複数のカーボンナノチューブと、前記絶縁膜上に形成され、前記ビアホールにおいて前記複数のカーボンナノチューブと電気的にコンタクトする第2の配線パタ―ンと、を含み、前記複数のカーボンナノチューブは、前記絶縁膜上に存在する部分が、前記絶縁膜の表面に略平行に屈曲された状態で、前記第2の配線パターン中に埋設されている。
【0009】
他の側面によれば半導体構造は、基板と、前記基板上に形成された第1の配線パタ―ンと、前記基板上に前記第1の配線パタ―ンを覆って形成され、前記第1の配線パタ―ンを底において露出するビアホールを形成された絶縁膜と、前記ビアホールの底から前記絶縁膜の表面を超えて延在する複数のカーボンナノチューブと、前記絶縁膜上に形成され、前記ビアホールにおいて前記複数のカーボンナノチューブと電気的にコンタクトする第2の配線パタ―ンと、を含み、前記複数のカーボンナノチューブは、前記絶縁膜上に存在する部分が、前記ビアホールの上方で収斂した状態で、前記第2の配線パターン中に埋設されている。
【0010】
さらに他の側面によれば半導体装置の製造方法は、絶縁膜中にビアホールを形成する工程と、前記ビアホールの底に触媒を形成する工程と、前記ビアホール中において前記触媒を起点に、カーボンナノチューブを、前記絶縁膜の表面を超えて成長させる工程と、前記絶縁膜上に前記カーボンナノチューブを覆って、誘電体膜の塗布液を塗布する工程と、前記絶縁膜上における前記塗布液の厚さを、前記絶縁膜上における前記塗布膜の表面の高さが前記絶縁膜表面に突出しているカーボンナノチューブの高さ以下になるように減少させる工程と、前記厚さが低減された塗布膜を硬化させて前記誘電体膜を形成する工程と、前記誘電体膜を除去して前記絶縁膜の表面を露出させ、前記絶縁膜の表面に、前記カーボンナノチューブによりビアプラグを形成する工程と、を含む。
【発明の効果】
【0011】
一の側面によれば、半導体装置の製造効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1A】第1の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その1)である。
【図1B】第1の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その2)である。
【図1C】第1の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その3)である。
【図1D】第1の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その4)である。
【図1E】第1の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その5)である。
【図1F】第1の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その6)である。
【図1G】第1の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その7)である。
【図1H】第1の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その8)である。
【図2】図1Eの工程で使われるレーザアブレーション装置の概略を示す図である。
【図3】図1Iの工程をより小さな縮尺で示す断面図である。
【図4A】第1の実施形態の一変形例を示す図(その1)である。
【図4B】第1の実施形態の一変形例を示す図(その2)である。
【図4C】第1の実施形態の一変形例を示す図(その3)である。
【図4D】第1の実施形態の一変形例を示す図(その4)である。
【図5A】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その1)である。
【図5B】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その2)である。
【図5C】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その3)である。
【図5D】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その4)である。
【図5E】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その5)である。
【図5F】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その6)である。
【図5G】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その7)である。
【図5H】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その8)である。
【図5I】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その9)である。
【図5J】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その10)である。
【図5K】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その11)である。
【図5L】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その12)である。
【図5M】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その13)である。
【図5N】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その14)である。
【図5O】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その15)である。
【図5P】第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その16)である。
【図6】第2の実施形態の一変形例を示す図である。
【図7A】第3の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その1)である。
【図7B】第3の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その2)である。
【図7C】第3の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その3)である。
【図7D】第3の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その4)である。
【図8A】第4の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その1)である。
【図8B】第4の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その2)である。
【図8C】第4の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その3)である。
【図8D】第4の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その4)である。
【図8E】第4の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その5)である。
【図8F】第4の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その6)である。
【図9A】第5の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その1)である。
【図9B】第5の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その2)である。
【図9C】第5の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その3)である。
【図9D】第5の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その4)である。
【図9E】第5の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その5)である。
【図9F】第5の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その6)である。
【図10】他の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。
【0014】
(第1の実施形態)
図1Aを参照するに、シリコン基板1上には素子分離領域2により素子領域1Aが画定されており、前記素子領域1Aにおいてはp型あるいはn型のシリコン基板11上にゲート絶縁膜2Gを介して例えばポリシリコンなどよりなるゲート電極3Gが形成される。
【0015】
前記ゲート電極3Gの相対向する側壁面上には、シリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜などの側壁絶縁膜3W1,3W2が形成されている。また前記シリコン基板11中、前記ゲート電極3Gを挟んで相対向して、前記シリコン基板11の導電型とは逆導電型のソース領域1aおよびドレイン領域1b形成されている。
【0016】
さらに前記図1Aの状態では、前記シリコン基板1A上には例えばシリコン酸化膜よりなる絶縁膜3が、前記ゲート極3Gを覆って、例えばシラン系ガス又はテトラエトキシシラン(TEOS)ガスを使用した化学気相成長(CVD)法により、例えば200nmの厚さに形成されている。
【0017】
次に図1Bに示すように前記絶縁膜3中には、前記ソース領域1aおよびドレイン領域1bを露出するコンタクトホール3A.3Bが、例えばフッ素系ガスをエッチングガスとした反応性イオンエッチング法によりそれぞれ形成され、さらに図1Cに示すように前記絶縁膜3上に、前記コンタクトホール3A,3Bの側壁面および底面を連続して覆って、例えばタンタル(Ta)あるいは窒化タンタル(TaN)よりなる密着膜3aが、例えばスパッタ法により、形成され、
さらに前記密着膜3a上に、例えばチタン(Ti)又は窒化チタン(TiN)よりなるコンタクト膜10が、例えばスパッタ法により形成される。
【0018】
ここで前記密着膜3aは前記コンタクト膜3bを前記コンタクトホール3A,3Bの側壁面に密着させる作用をするのに対し、前記コンタクト膜3bは、後にビアプラグの形成にあたり付着される触媒粒子を担持する触媒担持膜として機能する。
【0019】
前記密着膜3a及びコンタクト膜3bの形成方法はスパッタ法に限定されないが、スパッタ法を使う場合には、ターゲットと試料との間の距離をターゲットの直径以上に設定して構成元素粒子を供給する異方性ロングスロースパッタリング法を使うことが可能である。また、コリメータスパッタリング法又はイオン化金属プラズマ(IMP)スパッタリング法等を採用してもよい。
【0020】
さらに図1Cに示すように前記コンタクト膜3bの上に複数の触媒粒子3cを分散させながら堆積させる。触媒粒子3cの材料は特に限定されないが、コバルト(Co)、鉄(Fe)及びニッケル(Ni)が挙げられる。また、これらの2種又は3種を含む合金を用いてもよい。このような合金としては、TiCo等の金属間化合物が挙げられる。触媒粒子11の形成方法としては、例えばレーザアブレーション法、スパッタリング法、及び蒸着法等が挙げられる。
【0021】
図2は、前記図1Cの工程で触媒粒子3cを堆積するのに使われるレーザアブレーション装置30の例を示す。
【0022】
図2を参照するに、前記レーザアブレーション装置30は、ヘリウム(He)などの不活性ガスを供給されターゲット31Aを保持するアブレーションチャンバ31と、前記ターゲットにレーザ光を照射する、例えばNd−YAGレーザなどの高出力レーザ32と、自動走査されるインパクションプレート32Aを備え前記アブレーションチャンバ31中において前記ターゲット31Aのレーザ照射により発生した微粒子を、ノズル31Bを介して供給され、分級などの粒度調整を行うインパクタ33と、それぞれ真空ポンプ(図示せず)により排気され、高真空環境を実現する真空チャンバ34A〜34Cよりなり、前記インパクタ33で分級された粒子を、ノズル33Bを介して供給される処理容器34より構成され、前記堆処理容器34中には、例えばコバルト(Co)などの触媒金属よりなる被処理基板Wを保持する基板保持台34aが設けられている。
【0023】
例えば前記触媒粒子11をこのようなレーザアブレーションにより形成する場合には、前記処理容器34の内部を、前記アブレーションチャンバ31中の圧力よりも低い、例えば1kPa以下の高真空状態に排気し、前記レーザビーム34を例えば2W程度のエネルギで照射する。
【0024】
そこで前記ターゲット31Aにおいて蒸発して生じたCo粒子は前記ノズル31Bを通ってインパクタ33に導入され、分級される。さらにこのようにして所定の粒度範囲に分級されたCo粒子がノズル33Bを通って高真空状態にある処理容器34に導入され、被処理基板Wの表面に堆積する。
【0025】
また前記触媒粒子3cをスパッタ法により堆積する場合では、例えばコリメーテッドスパッタ法により、基板に対して斜めに入射する粒子の割合を低減させることにより、前記コンタクトホール3A,3Bの側壁面上への触媒粒子3cの付着を抑制することが可能である。
【0026】
次に図1Dに示すように、前記触媒粒子3cを起点に多数のカーボンナノチューブ4Cを上方に互いに略平行に、前記コンタクトホール3A,3Bの上端を超えるように成長させる。
【0027】
カーボンナノチューブ4Cを成長させる方法は特に限定されない。例えば、熱CVD法、熱フィラメントCVD法、及びプラズマCVD法等のCVD法が挙げられる。熱CVD法を採用する場合には、例えば反応ガスとしてアセチレン及びアルゴンの混合ガスを成長雰囲気である真空チャンバ内に導入する。アセチレンは例えば10流量%のアルゴンで希釈して真空チャンバ内に導入する。また、アセチン含有ガス及びアルゴンガスの流量は、例えば、それぞれ0.5sccm、1000sccmとする。また、例えば、真空チャンバ内の圧力を1kPaに設定し、基板温度を400℃〜450℃に設定する。このような条件下では、カーボンナノチューブ4Cは、例えば1μm/時間程度の速度で成長する。また、熱フィラメントCVD法を採用する場合には、例えばガスを解離させるための熱フィラメントの温度を例えば900℃〜1800℃に設定する。前記カーボンナノチューブ13の長さは、成長時間を制御することにより、ビアプラグ以上の長さであれば、任意に制御できる。
【0028】
このようにして形成されたカーボンナノチューブ4Cは単層あるいは多層のカーボンナノチューブ構造を有しており、炭素原子の六員環により構成された周知のグラフェンシートが同軸状に、あるいはスパイラル状に巻かれた中空の形状を有している。また成長直後の状態では、個々のカーボンナノチューブ4Cの先端部には、炭素原子の五員環を有するキャップ構造略半球状のキャップ構造が形成されている。
【0029】
本実施形態では次に図1Eに示すように、前記絶縁膜3の表面に、スピンオングラス(SOG)膜やSiOCH膜を初めとするlow−K誘電体膜などの塗布型誘電体膜(SOD膜)の前駆体となる塗布液を、前記カーボンナノチューブ4Cを覆うように塗布し、液体状態において厚さtの塗布膜4DLを形成する。ここで前記厚さtは、前記絶縁膜3の表面から測った前記カーボンナノチューブ4Cの延出量t0よりも十分に大きく、前記層間絶縁膜7の表面からカーボンナノチューブ13が突出していても十分な流動性が確保でき、前記塗布膜4DLを略均一な厚さに形成することが可能となる。
【0030】
前記塗布膜4DLは、前記絶縁膜3の表面からカーボンナノチューブ4Cが突出していても前記絶縁膜3の表面において十分な流動性が確保されるように、粘度1mm2/s以下となるように溶媒により希釈しておくのが好ましい。このような塗布膜としては、例えば日立化成株式会社より市販の商品面HSG−R7などをアルコールなどの溶媒で薄めて使うこともできる。
【0031】
続いて図1Eの塗布膜4DLが形成された基板1を、ウェハのままスピンコーティング装置に装着し、前記基板1を例えば毎分1000回転以上で高速回転させることにより、前記液体状の塗布膜4DLを遠心力によりとばし、前記塗布膜4DLの厚さtを図1F中に矢印で示すように減少させる。これにより前記塗布膜4DLの前記絶縁膜3上における表面の高さが、図3に示すように、前記塗布膜4DLのうち、基板1の表面上における高さΔtが、前記カーボンナノチューブ13の突出高さt0よりも低下する。ただし図3は前記図1Fの状態の基板1を、より小さな縮尺で示した断面図である。
【0032】
その際、前記多数のカーボンナノチューブ4Cは液面の低下と共に、表面張力により束ねられ、前記絶縁膜7の表面から上方に延在しながらも、全体として先端部が集合した、特徴的な形状の束を形成する。その際、前記基板1の表面に略一様に形成されたカーボンナノチューブ4Cは、束ごとに島状に集合し、前記基板1の表面にはカーボンナノチューブ4Cにより多数の島状構造4ISが形成される。
【0033】
図1Fは、前記図1Eの状態から、前記塗布膜4DLの厚さtをこのように低減させて得られた構造を示す。
【0034】
図1Fを参照するに、前記絶縁膜3のうち、前記ゲート電極を覆う部分に形成された島状構造4ISの他に、前記コンタクトホール3A,3Bに対して、同様なカーボンナノチューブによる島状構造4ISA,4ISBが形成されているのがわかる。
【0035】
次に図1Gに示すように前記塗布膜4DLは硬化され、その結果、前記塗布膜4DLに対応して誘電体膜4Dが形成される。前記誘電体膜4Dは、前記コンタクトホール3A,3B中において、それぞれの島状構造4ISA,4ISBを構成するカーボンナノチューブ4Cの間を充填し、その結果、前記カーボンナノチューブ4Cは前記コンタクトホール3A,3B中において前記誘電体膜4Dにより機械的に安定に支持される。前記絶縁膜3上に形成された島状構造4ISにおいても同様である。なお前記図3は、図1Gの状態にも対応している。
【0036】
なお前記塗布膜4DLの固形分がわずかで、塗布膜4DLが多量の溶媒を含む場合には、図1Eの塗布膜4DLの膜厚を減少させる工程を、溶媒の気化により行うことも可能である。
【0037】
続いて図1Hに示すように、前記誘電体膜4Dを、前記絶縁膜3上に形成されているカーボンナノチューブ4Cの島状構造4IS共々、化学機械研磨(CMP)により除去し、前記層間絶縁膜7の表面を露出する。このような化学機械研磨の結果、前記コンタクトホール3A,3B中に誘電体膜4Dにより保持されているカーボンナノチューブ4Cも、前記絶縁膜3から突出する部分が研磨され、先端部が前記絶縁膜3の表面と略同一面において露出される。
【0038】
一般にカーボンナノチューブは、成長直後の状態では先端部に、炭素原子の五員環を有する半球状のキャップ構造が形成されているが、このような誘電体膜4Dに保持された状態での化学機械研磨によりこのようなキャップ構造は除去され、前記コンタクトホール3A,3Bの表面には、カーボンナノチューブ4Cの開端した先端部が露出される。
【0039】
そこでこのような絶縁膜3上に配線パタ―ンを形成した場合、前記カーボンナノチューブ4Cの先端部は前記配線パタ―ンの下部に、その全周にわたってコンタクトし、低い接触抵抗および低い熱抵抗を実現することができる。
【0040】
また本実施形態では実効的なビア径が縮小されるため、配線パタ―ンにある程度の位置ずれが生じても、安定してコンタクトをとることが可能となる。
【0041】
なお図1Hの工程において、前記化学機械研磨の後に、カーボンナノチューブ4Cに吸着している酸素の除去等を目的とした処理を行ってもよい。この処理としては、例えば不活性ガス中での熱処理を行ってもよく、また、真空中での脱ガス処理を行ってもよい。
【0042】
次いで、前記図1Hの構造上に、必要に応じて多層配線構造を形成することにより、所望の半導体装置を製造することができる。ここで前記コンタクトホール3A,3Bにおいて、カーボンナノチューブ4Cの島状構造4ISA,4ISBは、それぞれ前記ソース領域1aに電気的にコンタクトするビアプラグ4VAおよび前記ドレイン領域1bに電気的にコンタクトするビアプラグ4VBを形成する。多層配線構造の形成については、次の実施形態において説明する。
【0043】
図4A〜図4Dは、本実施形態の一変形例を示す。ただし図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【0044】
図4Aを参照するに、本変形例では前記図1Cの工程の後、前記コンタクトホール3A,3Bの底に堆積した触媒粒子3cを残し、前記絶縁膜3の上面に堆積した触媒粒子3cの不活化を行う。
【0045】
より具体的には、図4Aに示すように、基板1及び絶縁膜3の表面に垂直な方向に対して傾斜した方向からイオンを照射し、前記絶縁膜3の上面に堆積した触媒粒子3cをイオンミリングにより除去する。3bおよび3a共々除去して、前記絶縁膜3の表面を露出させてもよい。イオンを照射する方向は、イオンがコンタクトホール3A,3Bの底面上の触媒粒子3cに照射されない限りで特に限定されないが、例えば基板1及び絶縁膜3の表面に垂直な方向から85°傾斜した方向から照射することができる。なお、イオンを照射する方向を固定していてもよいが、基板1が載置されたステージの回転等により、基板1の表面に平行な面内の全方位から均一に照射するのが好ましい。
【0046】
この処理の結果、図4Bに示すように、前記絶縁膜3の上面において触媒粒子3cが除去され、コンタクトホール3A,3B内のみに触媒粒子3cが残存する。なお図4Aの工程において、前記絶縁膜3上の触媒粒子3cの除去は、化学機械研磨(CMP)法により行ってもよい。
【0047】
この場合にはカーボンナノチューブ4Cの成長は、コンタクトホール3A,3Bにおいてのみ生じ、図4Cに示す構造が得られる。
【0048】
さらに図1E以降の工程を行うことにより、図4Dに示す構造となり、図1Gよりも容易に化学機械研磨が可能となる。本変形例においても図1Hと同じ構造の半導体装置を得ることができる。
【0049】
本実施形態では発明を、図1Hに示すMOSトランジスタTrを有する半導体装置を例に説明したが、本発明はMOSトランジスタに限定されるものではなく、他のビアコンタクトを使うあらゆる半導体装置に適用可能であることは明らかである。
【0050】
(第2の実施形態)
次に、先の実施形態における図1Hの工程に引き続いて実行される多層配線構造の形成方法について、図5A〜図5Pを参照しながら説明する。
【0051】
図5Aは、前記図1HのトランジスタTrの素子領域1Aおよびその外側の素子分離領域2を含む領域を、より小さな縮尺で示す断面図である。
【0052】
図5Aを参照するに、前記トランジスタTr等を覆う前記絶縁膜3上に、例えばシリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜が、例えばシラン系ガス又はテトラエトキシシラン(TEOS)ガスを使用した化学気相成長(CVD)法により、例えば200nmの膜厚に形成され、さらに前記層間絶縁膜5中に、前記カーボンナノチューブ4Cの島状構造4ISA,4ISBよりなる導電プラグ4VA,4VBをそれぞれ露出する配線溝5A,5Bが形成される。
【0053】
次に図5Bに示すように前記配線溝5A,5Bをタンタル(Ta)やチタン(Ti)などのバリアメタル膜6で覆った後、前記配線溝5A,5Bを銅(Cu)層により充填し、さらに前記層間絶縁膜5上の余分な銅層を、前記層間絶縁膜5の上面が露出するまで化学機械研磨(CMP)法により除去するダマシン法を実行する。その結果前記配線溝5A,5B中に、前記バリアメタル膜6を介して銅配線パタ―ン6A,6Bがそれぞれ形成されたダマシン構造の配線構造が得られる。
【0054】
その後、図5Cに示すように、前記層間絶縁膜5上に次の層間絶縁膜7が、前記配線パタ―ン6Bを覆って形成される。ただし図5Cおよび図5C以降で説明する図は、図5Bのうち、ビアプラグ4VBの上部および配線パタ―ン6Bを含む部分のみが示されていることに注意すべきである。
【0055】
前記層間絶縁膜7としては、例えばTEOSガスを使用してプラズマCVD法により形成したシリコン酸化膜を使うことができる。前記層間絶縁膜7の厚さは、例えば200nm程度とする。次いで、層間絶縁膜7上に、層間絶縁膜7のビアホールを形成する予定の領域を露出するレジスト開口部8Aを備えたレジストパターン8を形成する。
【0056】
その後、図5Dに示すように前記レジストパターン8をマスクとして用いて層間絶縁膜7をエッチングし、前記層間絶縁膜7中に前記レジスト開口部8Aに対応してビアホールとなる開口部7Aを形成する。このエッチングの方法としては、フッ素系ガスを使用した反応性イオンエッチング法、及びプラズマエッチング法等のドライエッチングが挙げられる。また、フッ酸を使用したウェットエッチングを行ってもよい。
【0057】
続いて、図5Eに示すように前記レジストパターン8を除し、次いで前記層間絶縁膜7上に、前記開口部7Aを含んでバリアメタル膜9を、例えばスパッタリングなどにより形成する。前記バリアメタル膜9としては、例えばタンタル(Ta)膜又は窒化タンタル(TaN)膜を形成する。
【0058】
次に図5Eに示すように前記バリアメタル膜9上に、前記コンタクト膜3bと同様なコンタクト膜10を形成する。
【0059】
ここで前記バリアメタル膜9は、前記配線パタ―ン5中のCuの拡散に対する導電性バリアとして機能するのに対し、前記コンタクト膜10は、後に形成するビアプラグとバリアメタル膜9との間の良好な電気的及び機械的な接続を確保するために設けられる。また前記コンタクト膜10は、後にビアプラグの形成にあたり付着される触媒粒子を担持する触媒担持膜として機能する。
【0060】
前記バリアメタル膜9及びコンタクト膜10の形成方法は特に限定されないが、前記密着膜3aおよびコンタクト膜3bの場合と同様に、ターゲットと試料との間の距離をターゲットの直径以上に設定して構成元素粒子を供給する異方性ロングスロースパッタリング法が挙げられる。また、コリメータスパッタリング法又はイオン化金属プラズマ(IMP)スパッタリング法等を採用してもよい。
【0061】
続いて、図5Eに示すように、コンタクト膜10の上面上に複数の触媒粒子11を、前記触媒粒子3cと同様にして堆積させ、次いで図5Fに示すように、前記開口部7Aの底に堆積した触媒粒子12を残し、前記層間絶縁膜7の上面に堆積した触媒粒子11の不活化を、前記図4Aの場合と同様にして実行する。すなわち図5Fに示すように、層間絶縁膜7の表面に垂直な方向に対して傾斜した方向から傾いた角度でイオンを照射するイオンミリングを行うことにより、前記層間絶縁膜7の上面に堆積した触媒粒子11を除去する。イオンを照射する方向は、イオンがビアホール7Aの底面上の触媒粒子11に照射しなければ特に限定されないが、例えば層間絶縁膜7の表面に垂直な方向から85°傾斜した方向から照射する。なお、イオンを照射する方向を固定していてもよいが、均一な照射を行うため、基板1が載置されたステージの回転等により、基板1の表面に平行な面内の全方位から照射することが好ましい。
【0062】
この処理の結果、図5Gに示すように、層間絶縁膜7の上面においてバリアメタル膜9、コンタクト膜10及び触媒粒子11が除去され、ビアホールとなる開口部7A内のみにバリアメタル膜9、コンタクト膜10及び触媒粒子11が残される。なお図5Fの工程において、前記層間絶縁膜7上の触媒粒子11の除去、およびその下のコンタクト膜10およびバリアメタル膜9の除去は、化学機械研磨(CMP)法により行ってもよい。この場合にも、図5Gと同じ構造が得られる。
【0063】
その後、図5Hに示すように、前記触媒粒子11を起点に多数のカーボンナノチューブ13を上方に互いに略平行に、開口部7Aの上端を超えるように、先の図1Dの工程と同様にして成長させる。
【0064】
さらに図5Iに示すように、前記層間絶縁膜7の表面に、スピンオングラス(SOG)膜やSiOCH膜を初めとするlow−K誘電体膜などの塗布型誘電体膜(SOD膜)の前駆体となる塗布液を、先の図1Eの工程と同様に、前記カーボンナノチューブ13を覆うよう、かつ十分な流動性が確保できるような厚さに形成する。
【0065】
続いて前記図5Iの塗布膜14が形成された基板3を、ウェハのままスピンコーティング装置に装着し、先に図1Fにおいて説明したように前記基板3を例えば毎分1000回転以上で高速回転させることにより、前記液体状の塗布膜14を遠心力によりとばし、前記塗布膜14の厚さを図5J中に矢印で示すように減少させる。これにより前記塗布膜14の前記層間絶縁膜7上における表面の高さが、前記層間絶縁膜7の表面における前記カーボンナノチューブ13の突出高さよりも減少する。
【0066】
図5Jに示す塗布膜14の膜厚の減少工程の際、前記開口部7Aの径が160nmで前記突出量t0が800nm以下の場合、前記多数のカーボンナノチューブ13は液面の低下と共に表面張力により束ねられ、前記絶縁膜7の表面から上方に延在しながらも、全体として先端部が集合した、先の実施形態で説明したのと同様な形状のカーボンナノチューブ束を形成することが多い。これに対し前記突出量t0が800nmを超える場合には、後の実施形態で説明するように前記カーボンナノチューブ13は前記絶縁膜7の表面に略平行に屈曲されることが多い。
【0067】
前記塗布膜14は、図5Jに示すように厚さを減じた後、硬化されて誘電体膜140を形成する。前記誘電体膜140は、前記開口部7A中において前記カーボンナノチューブ13の間を充填し、その結果、前記カーボンナノチューブ13は前記開口部7A、すなわちビアホール中において前記誘電体膜140により機械的に安定に支持される。
【0068】
なお前記塗布膜14の固形分がわずかで多量の溶媒を含む場合には、図5Jの塗布膜14の膜厚を減少させる工程を、溶媒の気化により行うことも可能である。
【0069】
続いて図5Kに示すように、前記誘電体膜140を化学機械研磨(CMP)により除去し、先の図1Hの工程の場合と同様に、前記層間絶縁膜7の表面を露出する。このような化学機械研磨の結果、前記ビアホール7A中に誘電体膜140により保持されているカーボンナノチューブ13も、前記層間絶縁膜7から突出する部分が研磨され、先端部が前記層間絶縁膜7の表面と略同一面において露出される。なお図5Kの工程においても、前記化学機械研磨の後に、カーボンナノチューブ13に吸着している酸素の除去等を目的とした処理を行ってもよい。この処理としては、例えば不活性ガス中での熱処理を行ってもよく、また、真空中での脱ガス処理を行ってもよい。
【0070】
次いで、図5Lに示すように、層間絶縁膜7上に前記開口部7Aを覆って次の層間絶縁膜15を、例えば前記層間絶縁膜7と同様にして形成する。
【0071】
さらに図5Mに示すように前記層間絶縁膜15中に前記開口部7Aを露出する配線溝15Aを形成し、図5Nに示すように前記層間絶縁膜15の表面に前記配線溝15Aを覆ってバリアメタル膜16を、前記バリアメタル膜9と同様にして形成する。
【0072】
さらに図5Oに示すように前記層間絶縁膜15上に銅層17を、前記配線溝15Aも含めて前記バリアメタル膜16を介して覆うように、例えば無電解メッキ法および電解メッキ法により形成し、さらに図5Pに示すように、このようにして形成された銅層17を、前記層間絶縁膜15の表面が露出するまで化学機械研磨(CMP)により除去することにより、前記配線溝15Aを充填して銅配線パタ―ン17Aが形成された配線構造が得られる。例えば前記銅配線パタ―ン17Aは数μm以下、例えば100nm程度の幅を有し、前記ビアホールとなる開口部7Aにおいて、前記カーボンナノチューブ13よりなるビアプラグに電気的および機械的にコンタクトする。
【0073】
本実施形態では図5Jの工程において、前記層間絶縁膜7上に形成された誘電体膜140の前駆体となる塗布膜14の膜厚を低減させているため、図5Kに示す化学機械研磨工程の際に、研磨しなければならない誘電体膜140の膜厚がわずかであり、半導体装置の製造効率を向上させることができる。
【0074】
また本実施形態では図5Fに示すように、余計な部分から触媒粒子11を除去しておくことにより、図5Hに示すようにビアホール7Aにおいてカーボンナノチューブ13を成長させる際、例えば層間絶縁膜7の表面に堆積した触媒粒子11から不要なカーボンナノチューブの成長が生じることがなく、図5Iに示す塗布膜14を形成する際、塗布液が拡がり易く、塗布膜14の膜厚を一様に形成することが容易になる。
【0075】
図5Pの配線構造では、前記カーボンナノチューブ13は、図5Kの化学機械研磨の結果、炭素の五員環を含む半球状先端部が除去されており、前記配線パタ―ン17Aを覆うバリアメタル膜16に、低い接触抵抗および低い熱抵抗でコンタクトする。
【0076】
なお本実施形態において、前記図5Eの工程において触媒粒子11に代えて連続的な触媒膜を形成しても、図5Hの工程において、ビアホール7Aの底から上方に略平行に延在する複数のカーボンナノチューブ13を形成することができる。
【0077】
本実施形態において、前記図5Kの工程において図6に示すようにイオンミリングを行い、前記誘電体膜140および前記層間絶縁膜7上におけるバリアメタル膜9,コンタクト膜10、さらにカーボンナノチューブ13を除去し、図5Kに示す構造を得ることも可能である。このようなイオンミリングを使った本実施形態の変形例において、イオンを照射する方向は特に限定されないが、例えば基板1及び層間絶縁膜7の表面に垂直な方向から85°傾斜した方向から照射することができる。なお、イオンを照射する方向を固定していてもよいが、基板1が載置されたステージの回転等により、基板1の表面に平行な面内の全方位から均一に照射することが好ましい。
【0078】
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態について、図7A〜図7Dを参照しながら説明する。ただし図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【0079】
図7Aは先の第2の実施形態の図5Hの工程に対応しており、前記開口部7Aにおいてカーボンナノチューブ13を、前記触媒粒子11を起点に上方に、互いに略平行に成長させている。
【0080】
その際本実施形態では、前記カーボンナノチューブ13を、前記層間絶縁膜7の表面から上方への突出量(厳密にはコンタクト膜10からの突出量)t1が、先の実施形態における突出量t0よりも大きい(t1>t0)、例えば800nm以上となるように成長させる。前記開口部7Aの径が先の実施形態と同じで160nmである場合、このようにカーボンナノチューブ13を長く成長させ、その後で図7Bに示すように塗布膜14で覆い、さらに図7Cに示すように前記塗布膜14の膜厚を、例えば基板をウェハ毎高速回転させるなどして低減させた場合、液面の低下と共に前記カーボンナノチューブ13は表面張力の効果で変形を生じるが、このようにビアホール7Aの径に対して突出するカーボンナノチューブ13の長さt1が大きい場合、前記カーボンナノチューブ13は先の実施形態の場合のように層間絶縁膜7の面に対して上方に延在しつつも先端部が集合する代わりに、図7Cに示すように前記層間絶縁膜7の主面に略平行に屈曲され、前記ビアホール7Aから外方に開くような形状の屈曲構造13Qを形成する。前記屈曲構造13Qでは、カーボンナノチューブ13の間が前記塗布膜14で充填され、前記塗布膜14の硬化後には、前記カーボンナノチューブ13Cの間が、前記塗布膜14に起因する誘電体膜140により充填される。
【0081】
しかし本実施形態においても、図7Dに示すように前記誘電体膜140を化学機械研磨により除去することにより、先の図5Kの場合と同様な構造が得られる。ただし本実施形態では、前記ビアプラグ4VBを構成するカーボンナノチューブ4Cは、先端部が束ねられる代わりに、前記図7Cの工程におけるカーボンナノチューブ4Cの変形に伴い、前記開口部7A中においてやや外方に開いた形状に変形される。
【0082】
さらに前記図7Dの構造に対して、先の実施形態における図5L〜図5Pのプロセスを実行することにより、先の実施形態の図5Pで説明した配線構造を得ることができる。
【0083】
このようにビアホール中において先端が外方に開いた形状のカーボンナノチューブの束をビアプラグに使うことにより、かかる配線構造では電流の集中を回避することができ、配線の寿命および信頼性を向上させることができる。
【0084】
なお本実施形態においても、一変形例において前記誘電体膜140を図3で説明したのと同様なイオン照射により除去することも可能である。
【0085】
図5Jあるいは図7Cに対応した前記塗布膜14の膜厚を低減させる工程で、カーボンナノチューブ13が、図5Jに示すように先端が集束するように変形するか図7Cに示すように先端が開くように変形するかは、本願発明者が得た知見では、ビアホール7Aの径および前記ビアホール7Aから突出するカーボンナノチューブ13の突出長(t0あるいはt1)の組み合わせに依存しており、前記径が大きくて突出長が短い場合には図5Jのように先端が集合する形状が頻繁に現れ、逆に径が小さくて突出長が長い場合には、図7Cに示すようにカーボンナノチューブ13の先端が開いた形状が頻繁に現れる傾向が見られる。前記突出長とビアホール7Aの径の比A(A=突出長/ビア径)をとってみると、前記比Aが5以下であれば、図5Jに示す形状が主として現れ、前記比Aが前記値5を超えた場合には、図7Cに示す形状が主として現れる傾向が見られる。
【0086】
(第4の実施形態)
次に第4の実施形態について図8A〜図8Dを参照しながら説明する。ただし図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付している。図8Aの工程は、先に説明した第2の実施形態の図5A〜図5Jまでの工程に引き続いて実行されるものである。
【0087】
本実施形態では、前記図5Jの工程の後、図8Aに示すように前記誘電体膜140を前記層間絶縁膜7の表面からドライエッチングあるいはウェットエッチングにより除去し、前記カーボンナノチューブ13を前記層間絶縁膜7上に突出構造13Pを形成した状態で残す。このようなエッチングは、前記図5Jの状態において前記層間絶縁膜7の表面上に残留している誘電体膜140の厚さがわずかであるため、短時間で済み、前記誘電体膜140は前記開口部7A中に残留し、また前記突出構造13Pを構成する前記カーボンナノチューブ13の間にも、ほとんどエッチングされずに残留している。
【0088】
次に図8Bに示すように前記図8Aにおける層間絶縁膜7上に層間絶縁膜15を例えばCVD法により形成し、前記突出したカーボンナノチューブ13を埋め込む。
【0089】
さらに図8Cに示すように前記層間絶縁膜15中に前記開口部、すなわちビアホール7Aを露出する配線溝15Aを形成する。図8Cに示すように前記カーボンナノチューブ13が形成する突出構造13Pは、このようにして形成した配線溝15A中に突出する。
【0090】
さらに図8Dに示すように前記層間絶縁膜15上に前記配線溝15Aを含んでバリアメタル膜16を例えばスパッタにより堆積する。この場合、バリアメタル膜16は前記カーボンナノチューブ13の間を充填している誘電体膜140上に堆積し、前記突出構造13Pの表面に露出したカーボンナノチューブ13を覆う。
【0091】
さらに図8Eに示すように前記バリアメタル膜16上に銅シード層17sを無電解メッキ法あるいはスパッタ法により形成し、さらに前記銅シード層17Aに通電して電解メッキを行うことにより、前記配線溝15Aを銅層17により充填する。
【0092】
さらに図8Fに示すように前記層間絶縁膜15上の銅層17を、前記層間絶縁膜15の上面が露出するまで化学機械研磨により除去することにより、前記配線溝15Aをタング銅配線パタ―ン17Aが充填した配線構造が得られる。なお前記銅シード層17sと銅層17の界面は、図8Fの構造を熱処理することにより消滅する。
【0093】
図8Fの配線構造では、前記カーボンナノチューブ13がタングステン配線パタ―ン17A中にまで侵入するため、カーボンナノチューブ13よりなるビアプラグとタングステン配線パタ―ン17Aとの間に優れた機械的および電気的、さらに熱的な結合が生じる。
【0094】
なお本実施形態では、前記図8Aの工程に先立ち、図5Hの工程の際に、前記カーボンナノチューブ13を酸素プラズマで短時間処理することにより開端処理を行っておくのが好ましい。
【0095】
(第5の実施形態)
次に第5の実施形態について図9A〜図9Fを参照しながら説明する。ただし図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付している。第5の実施形態において図9Aの工程は、先に説明した第3の実施形態の図7A〜図7Cまでの工程に引き続いて実行されるものである。
【0096】
本実施形態では、前記図7Cの工程の後、図9Aに示すように前記誘電体膜140を前記層間絶縁膜7の表面からドライエッチングあるいはウェットエッチングにより除去し、前記カーボンナノチューブ13を前記層間絶縁膜7上に、前記屈曲構造13Qを形成した状態で残す。このようなエッチングは、前記図7Cの状態において前記層間絶縁膜7の表面上に残留している誘電体膜140の厚さがわずかであるため、短時間で済み、前記誘電体膜140は前記開口部7A中に残留し、また前記屈曲構造13Qを構成する前記カーボンナノチューブ13の間にも、ほとんどエッチングされずに残留している。
【0097】
次に図9Bに示すように前記層間絶縁膜7上のバリアメタル膜9およびコンタクト膜10を例えばウェットエッチングにより除去し、さらにこのようにして得られた構造上に層間絶縁膜15を、例えばCVD法により形成し、前記カーボンナノチューブ13の屈曲構造13Qを埋め込む。
【0098】
さらに図9Cに示すように前記層間絶縁膜15中に前記開口部、すなわちビアホール7Aを露出する配線溝15Aを形成する。図9Cに示すように前記カーボンナノチューブ13の屈曲構造13Cはこのようにして形成した配線溝15A中に露出される。
【0099】
さらに図9Dに示すように前記層間絶縁膜15上に前記配線溝15Aを含んでバリアメタル膜16をスパッタ法により堆積する。
【0100】
さらに図9Eに示すように前記バリアメタル膜16上にタングステン層17をCVD法あるいはALD法など、ステップカバレッジに優れた成膜方法により、前記層間絶縁膜15の上面を超えて形成し、図9Fに示すように前記層間絶縁膜15上の銅層17を、前記層間絶縁膜15の上面が露出するまで化学機械研磨により除去することにより、前記配線溝15Aを銅配線パタ―ン17Aが充填した配線構造が得られる。
【0101】
図9Fの配線構造では、前記カーボンナノチューブ13の屈曲構造13Qが銅配線パタ―ン17A中にまで侵入するため、カーボンナノチューブ13よりなるビアプラグと銅配線パタ―ン17Aとの間に優れた機械的および電気的、さらに熱的な結合が生じる。その際、本実施形態では前記カーボンナノチューブ13が前記配線パタ―ン17中において開いた状態で埋設されているため、カーボンナノチューブ13よりなるビアプラグと配線パタ―ン17Aとの間の電気的および熱的な結合を、先の実施形態の場合に比べてさらに向上させることができる。
【0102】
なお本実施形態でも、前記図9Aの工程に先立ち、図7Aの工程の際に、前記カーボンナノチューブ13を酸素プラズマで短時間処理することにより開端処理を行っておくのが好ましい。
【0103】
本実施形態では、前記ビアプラグ4VBとして、先端が集合するような形状のカーボンナノチューブ束を使っているが、もちろん図7Dで説明したような、先端が開いた形状のカーボンナノチューブ束を使って電流を分散させることも可能である。
【0104】
なお前記第2の実施形態では、図5Gの工程において、前記層間絶縁膜7の上面上、より正確には前記層間絶縁膜7の上面を覆うコンタクト膜10上に堆積した触媒粒子11をイオンミリングにより除去し、不活性化しているが、この不活性化処理は必須のものではなく、省略することも可能である。
【0105】
この場合には図10に示すように、図5Hの工程でカ―ボンナノチューブ13を成長させる際、ビアホール7Aのみならず、層間絶縁膜7の上面にもカーボンナノチューブ13の成長が生じるが、図5Iに示すように塗布膜14を形成し、さらにその塗布膜14の厚さtを図5Jに示すように低減させた場合、前記層間絶縁膜7上に図10に示すような、先端が集合したカーボンナノチューブ13の突出構造13Pがいくつも島状に形成される。
【0106】
しかし、このように前記層間絶縁膜7の上面にカーボンナノチューブ13の群が多数形成されても、これらは図5Kの化学機械研磨工程あるいは図6のイオンミリング工程により除去することができる。本発明は、このような場合をも含むものである。
【0107】
また以上の説明は半導体装置に集積化される多層配線構造について行っているが、本発明は多層回路基板についても同様に有効である。
【0108】
以上、好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
(付記1)
基板と、
前記基板に形成された、導電領域を含む活性素子と、
前記基板上に形成され、前記活性素子を覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜中に形成され、前記導電領域にコンタクトするビアプラグを有する半導体装置において、
前記ビアプラグは、前記導電領域から延在するカーボンナノチューブの束により構成され、
前記カーボンナノチューブは前記ビアプラグ中において誘電体材料により保持されており、
前記ビアプラグにおいて前記カーボンナノチューブは、先端が互いに集合する形状を有することを特徴とする半導体装置。
(付記2)
基板と、
前記基板に形成された、導電領域を含む活性素子と、
前記基板上に形成され、前記活性素子を覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜中に形成され、前記導電領域にコンタクトするビアプラグを有する半導体装置において、
前記ビアプラグは、前記導電領域から延在するカーボンナノチューブの束により構成され、
前記カーボンナノチューブは前記ビアプラグ中において誘電体材料により保持されており、
前記ビアプラグにおいて前記カーボンナノチューブは、先端が前記ビアプラグから外方に開いた形状を有することを特徴とする半導体装置。
(付記3)
前記カーボンナノチューブの先端は、前記絶縁膜の表面を超えて延在し、前記絶縁膜上に形成される配線パタ―ン中に侵入することを特徴とする付記1または2記載の半導体装置。
(付記4)
第1の配線パタ―ンを形成された第1の層間絶縁膜と、
前記第1の層間絶縁膜上に前記第1の配線パタ―ンを覆って形成された第2の層間絶縁膜と、
前記第2の層間絶縁膜を覆って形成され、第2の配線パタ―ンを形成された第3の層間絶縁膜と、
前記第2の層間絶縁膜中に形成され、前記第1の配線パタ―ンと前記第2の配線パタ―ンとを接続するビアプラグとを含み、
前記ビアプラグは、前記導電領域から延在するカーボンナノチューブの束により構成され、
前記カーボンナノチューブは前記ビアプラグ中において誘電体材料により保持されており、
前記ビアプラグにおいて前記カーボンナノチューブは、先端が互いに集合する形状を有することを特徴とする配線構造。
(付記5)
第1の配線パタ―ンを形成された第1の層間絶縁膜と、
前記第1の層間絶縁膜上に前記第1の配線パタ―ンを覆って形成された第2の層間絶縁膜と、
前記第2の層間絶縁膜を覆って形成され、第2の配線パタ―ンを形成された第3の層間絶縁膜と、
前記第2の層間絶縁膜中に形成され、前記第1の配線パタ―ンと前記第2の配線パタ―ンとを接続するビアプラグとを含み、
前記ビアプラグは、前記導電領域から延在するカーボンナノチューブの束により構成され、
前記カーボンナノチューブは前記ビアプラグ中において誘電体材料により保持されており、
前記ビアプラグにおいて前記カーボンナノチューブは、先端が前記ビアプラグから外方に開いた形状を有することを特徴とする配線構造。
(付記6)
前記カーボンナノチューブの先端は、前記第2の層間絶縁膜の表面を超えて延在し、前記第2の配線パタ―ン中に侵入することを特徴とする付記4または5記載の半導体装置。
(付記7)
絶縁膜中にビアホールを形成する工程と、
前記ビアホールの底に触媒粒子を付着させる工程と、
前記ビアホール中において前記触媒粒子を起点に、カーボンナノチューブを前記絶縁膜の表面を超えて成長させ、複数のカーボンナノチューブよりなるカーボンナノチューブの束を形成する工程と、
前記絶縁膜上に前記カーボンナノチューブの束を覆って、誘電体膜の塗布液を塗布する工程と、
前記絶縁膜上における前記塗布液の厚さを、前記絶縁膜上における前記塗布膜の表面の高さが前記絶縁膜表面におけるカーボンナノチューブの高さ以下になるように減少させる工程と、
前記厚さが低減された塗布膜を硬化させて前記誘電体膜を形成する工程と、
前記誘電体膜を除去して前記絶縁膜の表面を露出させ、前記絶縁膜の表面に、前記カーボンナノチューブによりビアプラグを形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記8)
前記塗布液は、塗布される前に溶媒に希釈されていることを特徴とする付記7記載の半導体装置の製造方法。
(付記9)
前記塗布液の厚さを減少させる工程は、前記絶縁膜を、前記絶縁膜を担持する基板ごと回転させることにより実行されることを特徴とする付記7または8記載の半導体装置の製造方法。
(付記10)
前記塗布液の厚さを減少させる工程は、前記塗布液から溶媒を気化させることにより実行されることを特徴とする付記7または8記載の半導体装置の製造方法。
(付記11)
前記誘電体膜を除去する工程は、化学機械研磨、イオンミリングおよびエッチングのいずれかにより実行されることを特徴とする付記7〜10のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
(付記12)
さらに前記絶縁膜上に導電部材を、前記カーボンナノチューブが前記ビアホール上において前記導電部材中に埋設されるように形成する工程を有することを特徴とする付記7〜11のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
(付記13)
前記カーボンナノチューブは先端が集合したカーボンナノチューブの束を形成し、前記カーボンナノチューブを成長させる工程は、前記ビアホールの径に対する前記カーボンナノチューブが前記絶縁膜の表面から突出する長さの比が5以下となるように実行されることを特徴とする付記7記載の半導体装置の製造方法。
(付記14)
前記カーボンナノチューブの束において各々のカーボンナノチューブは、先端が前記ビアホールの外方に屈曲した形状を有し、前記カーボンナノチューブを成長させる工程は、前記ビアホールの径に対する前記カーボンナノチューブが前記絶縁膜の表面から突出する長さの比が5を超えるように実行されることを特徴とする付記7記載の半導体装置の製造方法。
【符号の説明】
【0109】
1 半導体基板
1a,1b ソース/ドレイン領域
2 素子分離絶縁膜
2G ゲート絶縁膜
3,5,7,15 層間絶縁膜
3G ゲート電極
4 ビアプラグ
5A,15A 配線溝
6A,9,16 バリアメタル膜
6B 銅配線パタ―ン
7A 開口部(ビアホール)
8 レジストパターン
8A レジスト開口部
10 コンタクト膜
11 触媒粒子
13 カーボンナノチューブ
14 塗布膜
140 誘電体膜
17 銅層
17A 銅配線パタ―ン
170 タングステン層
170A タングステン配線パタ―ン
【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板と、
前記基板に形成された、導電領域を含む活性素子と、
前記基板上に形成され、前記活性素子を覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜中に形成され、前記導電領域にコンタクトするビアプラグを有する半導体装置において、
前記ビアプラグは、前記導電領域から延在するカーボンナノチューブの束により構成され、
前記カーボンナノチューブは前記ビアプラグ中において誘電体材料により保持されており、
前記ビアプラグにおいて前記カーボンナノチューブは、先端が互いに集合する形状を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項2】
基板と、
前記基板に形成された、導電領域を含む活性素子と、
前記基板上に形成され、前記活性素子を覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜中に形成され、前記導電領域にコンタクトするビアプラグを有する半導体装置において、
前記ビアプラグは、前記導電領域から延在するカーボンナノチューブの束により構成され、
前記カーボンナノチューブは前記ビアプラグ中において誘電体材料により保持されており、
前記ビアプラグにおいて前記カーボンナノチューブは、先端が前記ビアプラグから外方に開いた形状を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項3】
前記カーボンナノチューブの先端は、前記絶縁膜の表面を超えて延在し、前記絶縁膜上に形成される配線パタ―ン中に侵入することを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
【請求項4】
第1の配線パタ―ンを形成された第1の層間絶縁膜と、
前記第1の層間絶縁膜上に前記第1の配線パタ―ンを覆って形成された第2の層間絶縁膜と、
前記第2の層間絶縁膜を覆って形成され、第2の配線パタ―ンを形成された第3の層間絶縁膜と、
前記第2の層間絶縁膜中に形成され、前記第1の配線パタ―ンと前記第2の配線パタ―ンとを接続するビアプラグとを含み、
前記ビアプラグは、前記導電領域から延在するカーボンナノチューブの束により構成され、
前記カーボンナノチューブは前記ビアプラグ中において誘電体材料により保持されており、
前記ビアプラグにおいて前記カーボンナノチューブは、先端が互いに集合する形状を有することを特徴とする配線構造。
【請求項5】
絶縁膜中にビアホールを形成する工程と、
前記ビアホールの底に触媒粒子を付着させる工程と、
前記ビアホール中において前記触媒粒子を起点に、カーボンナノチューブを前記絶縁膜の表面を超えて成長させ、複数のカーボンナノチューブよりなるカーボンナノチューブの束を形成する工程と、
前記絶縁膜上に前記カーボンナノチューブの束を覆って、誘電体膜の塗布液を塗布する工程と、
前記絶縁膜上における前記塗布液の厚さを、前記絶縁膜上における前記塗布膜の表面の高さが前記絶縁膜表面におけるカーボンナノチューブの高さ以下になるように減少させる工程と、
前記厚さが低減された塗布膜を硬化させて前記誘電体膜を形成する工程と、
前記誘電体膜を除去して前記絶縁膜の表面を露出させ、前記絶縁膜の表面に、前記カーボンナノチューブによりビアプラグを形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項1】
基板と、
前記基板に形成された、導電領域を含む活性素子と、
前記基板上に形成され、前記活性素子を覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜中に形成され、前記導電領域にコンタクトするビアプラグを有する半導体装置において、
前記ビアプラグは、前記導電領域から延在するカーボンナノチューブの束により構成され、
前記カーボンナノチューブは前記ビアプラグ中において誘電体材料により保持されており、
前記ビアプラグにおいて前記カーボンナノチューブは、先端が互いに集合する形状を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項2】
基板と、
前記基板に形成された、導電領域を含む活性素子と、
前記基板上に形成され、前記活性素子を覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜中に形成され、前記導電領域にコンタクトするビアプラグを有する半導体装置において、
前記ビアプラグは、前記導電領域から延在するカーボンナノチューブの束により構成され、
前記カーボンナノチューブは前記ビアプラグ中において誘電体材料により保持されており、
前記ビアプラグにおいて前記カーボンナノチューブは、先端が前記ビアプラグから外方に開いた形状を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項3】
前記カーボンナノチューブの先端は、前記絶縁膜の表面を超えて延在し、前記絶縁膜上に形成される配線パタ―ン中に侵入することを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
【請求項4】
第1の配線パタ―ンを形成された第1の層間絶縁膜と、
前記第1の層間絶縁膜上に前記第1の配線パタ―ンを覆って形成された第2の層間絶縁膜と、
前記第2の層間絶縁膜を覆って形成され、第2の配線パタ―ンを形成された第3の層間絶縁膜と、
前記第2の層間絶縁膜中に形成され、前記第1の配線パタ―ンと前記第2の配線パタ―ンとを接続するビアプラグとを含み、
前記ビアプラグは、前記導電領域から延在するカーボンナノチューブの束により構成され、
前記カーボンナノチューブは前記ビアプラグ中において誘電体材料により保持されており、
前記ビアプラグにおいて前記カーボンナノチューブは、先端が互いに集合する形状を有することを特徴とする配線構造。
【請求項5】
絶縁膜中にビアホールを形成する工程と、
前記ビアホールの底に触媒粒子を付着させる工程と、
前記ビアホール中において前記触媒粒子を起点に、カーボンナノチューブを前記絶縁膜の表面を超えて成長させ、複数のカーボンナノチューブよりなるカーボンナノチューブの束を形成する工程と、
前記絶縁膜上に前記カーボンナノチューブの束を覆って、誘電体膜の塗布液を塗布する工程と、
前記絶縁膜上における前記塗布液の厚さを、前記絶縁膜上における前記塗布膜の表面の高さが前記絶縁膜表面におけるカーボンナノチューブの高さ以下になるように減少させる工程と、
前記厚さが低減された塗布膜を硬化させて前記誘電体膜を形成する工程と、
前記誘電体膜を除去して前記絶縁膜の表面を露出させ、前記絶縁膜の表面に、前記カーボンナノチューブによりビアプラグを形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図1D】
【図1E】
【図1F】
【図1G】
【図1H】
【図2】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図5C】
【図5D】
【図5E】
【図5F】
【図5G】
【図5H】
【図5I】
【図5J】
【図5K】
【図5L】
【図5M】
【図5N】
【図5O】
【図5P】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図8E】
【図8F】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図9D】
【図9E】
【図9F】
【図10】
【図3】
【図5A】
【図5B】
【図1B】
【図1C】
【図1D】
【図1E】
【図1F】
【図1G】
【図1H】
【図2】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図5C】
【図5D】
【図5E】
【図5F】
【図5G】
【図5H】
【図5I】
【図5J】
【図5K】
【図5L】
【図5M】
【図5N】
【図5O】
【図5P】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図8E】
【図8F】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図9D】
【図9E】
【図9F】
【図10】
【図3】
【図5A】
【図5B】
【公開番号】特開2012−142442(P2012−142442A)
【公開日】平成24年7月26日(2012.7.26)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−294231(P2010−294231)
【出願日】平成22年12月28日(2010.12.28)
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)平成18年度 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「次世代半導体材料・プロセス基盤(MIRAI)プロジェクト」委託研究、産業技術力強化法第19条の適用を受ける特許出願
【出願人】(308014341)富士通セミコンダクター株式会社 (2,507)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成24年7月26日(2012.7.26)
【国際特許分類】
【出願日】平成22年12月28日(2010.12.28)
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)平成18年度 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「次世代半導体材料・プロセス基盤(MIRAI)プロジェクト」委託研究、産業技術力強化法第19条の適用を受ける特許出願
【出願人】(308014341)富士通セミコンダクター株式会社 (2,507)
【Fターム(参考)】
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