配線形成方法、及び配線形成装置
【課題】絶縁層が積層された導電層に該絶縁層を貫通するカーボンナノチューブが接続される配線構造にて電気的特性を向上することのできる配線形成方法、及び該方法を用いる配線形成装置を提供する。
【解決手段】
下部配線層３２に積層された絶縁層３４を貫通するホール３５に、その内表面の全体が含まれるように触媒層３６，３７を形成した後、ホール３５の内部にシースＳｈが形成され、且つホール３５の内壁面３５ａに対するシースの厚さがホール３５の底壁面３５ｂに対するシースＳｈの厚さよりも小さくなるようにプラズマを生成する。そして、ホール３５の内壁面３５ａに形成された触媒層３６，３７をプラズマ中のスパッタ粒子Ｓｐによって除去した後、ホール３５の底壁面３５ｂに残された触媒層３６，３７を用いて該底壁面３５ｂからカーボンナノチューブ３８を形成する。
【解決手段】
下部配線層３２に積層された絶縁層３４を貫通するホール３５に、その内表面の全体が含まれるように触媒層３６，３７を形成した後、ホール３５の内部にシースＳｈが形成され、且つホール３５の内壁面３５ａに対するシースの厚さがホール３５の底壁面３５ｂに対するシースＳｈの厚さよりも小さくなるようにプラズマを生成する。そして、ホール３５の内壁面３５ａに形成された触媒層３６，３７をプラズマ中のスパッタ粒子Ｓｐによって除去した後、ホール３５の底壁面３５ｂに残された触媒層３６，３７を用いて該底壁面３５ｂからカーボンナノチューブ３８を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、絶縁層が積層された導電層に該絶縁層を貫通するカーボンナノチューブを接続する配線形成方法、及び該配線形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば特許文献１に記載のように、半導体装置の配線構造には、下層配線と該半導体装置の上層配線とを接続する配線としてカーボンナノチューブを用いる技術が検討されている。
【０００３】
上記カーボンナノチューブの形成時には、まず、下層配線上の層間絶縁層に下層配線に接続するホールが形成されて、該ホールの内表面に例えばスパッタ法によって触媒層が形成される。次いで、炭化水素ガスを用いた熱ＣＶＤ法によって、触媒層上にカーボンナノチューブが形成される。このとき、ホールの内表面の全体が触媒層に覆われているため、こうした触媒層から成長するカーボンナノチューブは、自ずと触媒層に倣うようにホールの内表面の全体に形成される。その結果、ホールの内部には、ホールの底壁面に形成されることで電極間の接続に寄与するカーボンナノチューブと、ホールの内壁面に形成されて電極間の接続に寄与しないカーボンナノチューブとが混在することになる。
【０００４】
近年では、半導体装置の微細化にともなって、上記ホールの微細化が進行していることから、ホール内に形成可能なカーボンナノチューブの密度の上限値も小さくなりつつある。そのため、上述のような電極間の接続に寄与しないカーボンナノチューブが、配線構造の電気的な特性、例えば電気伝導性や許容電流密度等に与える影響も無視し難くなりつつある。そこで、カーボンナノチューブを形成する前に、ホールの内壁面に形成された触媒層をイオンミリングによって除去することで、ホールの底壁面にのみカーボンナノチューブを形成する試みがなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２９８６４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、上記イオンミリングによって触媒層の一部を除去する態様を図６に模式的に示す。図６に示されるように、支持基板４１上に形成された下部配線層４２は、絶縁層４３に形成されたホール４４の底壁面４４ｂとして露出している。この際、ホール４４の内表面に形成された触媒層４５のうち、ホール４４の内壁面４４ａに形成された触媒層４５のみを選択的に除去するためには、ホール４４の内壁面４４ａにのみミリング粒子Ｐが衝突するように、ミリング粒子Ｐの軌道を設定する必要がある。
【０００７】
しかしながら、ホール４４の内壁面４４ａの全体にミリング粒子Ｐが衝突し、且つホール４４の底壁面４４ｂにはミリング粒子Ｐが衝突しないようにイオンミリングを進めるためには、ミリング粒子Ｐの射出源に対する支持基板４１の配置やミリング粒子Ｐの指向性が非常に限られたものとなる。また、ホール４４の内壁面４４ａのみに選択的にミリング粒子Ｐを入射させることができたとしても、該内壁面４４ａで反跳したミリング粒子Ｐが底壁面４４ｂに衝突してしまうことも少なくない。さらに、ミリング粒子Ｐが衝突することによって触媒層４５から弾き出された金属粒子４５ａが、ホール４４の底壁面４４ｂに付着してしまうことも少なくない。その結果、上記イオンミリングによる触媒層４５の除
去では、底壁面４４ｂに形成される触媒層４５の厚さや触媒層４５の密度を制御することが困難となる。結局のところ、ホールの微細化が進行する近年では、ホール４４の内壁面４４ａからのカーボンナノチューブの成長を抑えることが困難であるため、ホール４４の底壁面４４ｂから選択的にカーボンナノチューブを形成することで、該配線構造の電気的な特性を向上することのできる方法の開発が望まれている。
【０００８】
なお、こうした問題は、半導体基板上にて絶縁層の上下に形成された配線層を接続するカーボンナノチューブを有した配線構造に限らず、絶縁層が積層された導電層に該絶縁層を貫通するカーボンナノチューブが接続される配線構造であれば、概ね共通するものである。
【０００９】
この発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、絶縁層が積層された導電層に該絶縁層を貫通するカーボンナノチューブが接続される配線構造にて電気的特性を向上することのできる配線形成方法、及び該方法を用いる配線形成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
【００１１】
請求項１に記載の発明は、導電層にカーボンナノチューブが接続された配線形成方法であって、前記導電層に積層された絶縁層にその積層方向に貫通する凹部を形成する工程と、前記凹部の内表面の全体を覆うように前記絶縁層上に触媒層を形成する工程と、前記凹部の内部にシースが形成され、且つ前記凹部の内壁面に対するシースの厚さが前記凹部の底壁面に対するシースの厚さよりも小さくなるようにプラズマを生成し、前記内壁面に形成された前記触媒層を前記プラズマ中のイオンによって除去する工程と、前記凹部の底壁面に残された前記触媒層を用いて該底壁面からカーボンナノチューブを形成する工程とを有することを要旨とする。
【００１２】
請求項１に記載の発明では、触媒層を凹部の内壁の全体に形成した後、凹部内にシースが形成されるプラズマを生成して、凹部の内壁面に形成された触媒層にプラズマ中のイオンを衝突させるようにしている。このとき、凹部の内壁面に対するシースの厚さが凹部の底壁面に対するシースの厚さよりも小さくなるようにプラズマが生成される。そのため、シースで加速されるイオンの衝突が凹部の内壁面に対して優先的に進行するようになる。その結果、凹部の底壁面にのみ選択的に触媒層を残すこと、ひいてはカーボンナノチューブの支配的な成長方向を積層方向にすることが容易なものとなる。そして、カーボンナノチューブの成長方向を揃えることができることから、配線構造の電気的特性を向上することが可能になる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の配線形成方法において、前記カーボンナノチューブを形成した後に前記絶縁層上にプラズマを生成し、前記凹部の開口から突出した前記カーボンナノチューブに該プラズマ中のイオンを衝突させて前記カーボンナノチューブの先端側を除去する工程を有することを要旨とする。
【００１４】
請求項２に記載の発明では、プラズマ中のイオンの衝突によってカーボンナノチューブの先端を除去するようにしている。そのため、カーボンナノチューブのうち、凹部の開口から突出した部位にチャージが優先的に蓄積することから、カーボンナノチューブの先端側から順に除去される。それゆえに、上記開口から突出したカーボンナノチューブのみを選択的に除去することが容易になる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の配線形成方法において、前記カーボンナノ
チューブの先端を除去する工程の後に前記カーボンナノチューブに接続される導電層を前記絶縁層上に積層する工程をさらに有し、前記カーボンナノチューブの先端を除去する工程と前記絶縁層上に導電層を積層する工程とが共通する真空系で行われることを要旨とする。
【００１６】
請求項３に記載の発明では、カーボンナノチューブの先端の除去工程によってキャップ構造が開放されたとしても、カーボンナノチューブ内に空気が入り込むことを回避することで、空気によってカーボンナノチューブの電気的特性が低下することを回避できる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の配線形成方法において、前記触媒層は、下部触媒層と上部触媒層とから形成され、前記下部触媒層は、チタン、タンタル、バナジウム、ニオブ、これら遷移金属の窒化物、及び該遷移金属の酸化物の少なくとも一つによって形成され、前記上部触媒層は、コバルト、ニッケル、及び鉄のいずれかによって形成されていることを要旨とする。
【００１８】
本願発明者らは、触媒層をチタン、タンタル、バナジウム、ニオブ、これら遷移金属の窒化物、及び該遷移金属の酸化物の少なくとも一つによって形成された下部触媒層と、コバルト、ニッケル、及び鉄のいずれかによって形成された上部触媒層とから形成することにより、カーボンナノチューブを形成するときの基板の温度を低下できることを見出した。
【００１９】
上記請求項４に記載の発明によれば、上述した金属層を組み合わせて触媒層を形成していることから、カーボンナノチューブを形成するときの基板の温度を低下させることができる。それゆえに、同発明によれば、上記配線構造を形成するときの熱履歴を低減することができる。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の配線形成方法において、前記触媒層をスパッタ法によって形成することを要旨とする。
請求項５に記載の発明では、スパッタ法によって触媒層を形成することから、他の成膜方法、例えば、電子ビーム蒸着法等によって触媒層を形成するよりも、大面積の基板に対して触媒層の形成が可能であるとともに、一度に複数の基板に対して触媒層を形成することも可能である。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の配線形成方法において、前記触媒層を電子ビーム蒸着法によって形成することを要旨とする。
請求項６に記載の発明では、電子ビーム蒸着法によって触媒層を形成することから、他の成膜方法、例えばスパッタ法や各種ＣＶＤ法等によって触媒層を形成するよりも、該触媒層を選択的に形成することができる。そのため、触媒層の形成時から、凹部の底壁面に対して選択的に触媒層を形成しやすくなることから、上記触媒層を除去する工程を経ることにより、凹部の内壁面に形成された触媒層がより確実に除去されるようになる。
請求項７に記載の発明は、請求項３〜６のいずれか一項に記載の配線形成方法において、前記絶縁層上の導電層をスパッタ法によって形成することを要旨とする。
請求項８に記載の発明は、請求項３〜６のいずれか一項に記載の配線形成方法において、前記絶縁層上の導電層を電子ビーム蒸着法によって形成することを要旨とする。
上記請求項７，８に記載の方法によるように、配線構造の有する導電層は、スパッタ法や電子ビーム蒸着法によって形成することができる。
【００２２】
請求項９に記載の発明は、絶縁層が積層された導電層に該絶縁層を貫通する凹部を介してカーボンナノチューブが接続された配線構造を形成する配線形成装置であって、前記凹部の内表面の全体が含まれるように前記絶縁層上に触媒層を形成するチャンバと、前記凹
部の内部にシースが形成され、且つ前記凹部の内壁面に対するシースの厚さが前記凹部の底壁面に対するシースの厚さよりも小さくなるようにプラズマを生成し、前記内壁面に形成された前記触媒層を前記プラズマ中のイオンによって除去するチャンバと、前記凹部の底壁面に残された前記触媒層を用いて該底壁面からカーボンナノチューブを形成するチャンバとを備えることを要旨とする。
【００２３】
請求項９に記載の発明では、凹部内にシースが形成されるプラズマを生成して、凹部の内壁面に形成された触媒層にプラズマ中のイオンを衝突させるチャンバを備えるようにしている。該チャンバは、凹部の内壁面に対するシースの厚さが凹部の底壁面に対するシースの厚さよりも小さくなるようにプラズマを生成する。そのため、シースで加速されるイオンの衝突が凹部の内壁面に対して優先的に進行するようになる。その結果、凹部の底壁面にのみ選択的に触媒層を残すこと、ひいてはカーボンナノチューブの支配的な成長方向を積層方向にすることが容易なものとなる。そして、カーボンナノチューブの成長方向を揃えることができることから、配線構造の電気的特性を向上することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明における配線形成装置を具現化した一実施形態の配線形成装置が搭載されるクラスター装置の概略構成を示す図。
【図２】配線形成装置を構成する逆スパッタチャンバの概略構成を示す構成図。
【図３】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）配線構造の形成工程を順に示す工程図。
【図４】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）配線構造の形成工程を順に示す工程図。
【図５】（ａ）（ｂ）配線構造の形成工程を順に示す工程図。
【図６】従来の触媒層の選択的な除去方法を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の配線形成方法、及び配線形成装置を具体化した一実施形態について図１〜図５を参照して説明する。まず、図１を参照して配線形成装置が搭載されたクラスター装置について説明する。
【００２６】
クラスター装置１０の搬送チャンバ１２には、搬出入チャンバ１１、触媒層形成チャンバ１３、逆スパッタチャンバ１４、熱ＣＶＤチャンバ１５、及び導電層形成チャンバ１６が連結されている。上記チャンバ１１〜１６のそれぞれには、各チャンバ１１〜１６を共通する所定の圧力に減圧する真空ポンプや圧力調整バルブから構成された排気部が接続されている。そして、これらチャンバ１１〜１６は、共通する真空系を形成する。なお、処理対象である基板Ｓが、上記搬出入チャンバ１１を介して搬出入される際には、搬出入チャンバ１１と搬送チャンバ１２との間に設けられたゲートバルブにより、搬出入チャンバ１１が、その他のチャンバ１２〜１６から隔絶されるようになっている。そのため、チャンバ１２〜１６については、所定の真空状態に維持されることになる。
【００２７】
搬出入チャンバ１１は、外部から搬送される基板Ｓをクラスター装置１０内に搬入したり、クラスター装置１０内にて処理が施された基板Ｓを外部へ搬出したりする。搬出入チャンバ１１から搬入れされる基板Ｓとは、シリコン基板上に導電層を構成する銅配線、拡散防止機能を有して導電層を構成する窒化タンタル層、及び低誘電率材料からなる絶縁層が順に積層され、且つ該絶縁層を積層方向に貫通する凹部としてのホールが形成されたものである。ホールは、絶縁層に複数形成されているとともに、各ホールの直径は、例えば１６０ｎｍ、深さは、例えば２００ｎｍである。
【００２８】
搬送チャンバ１２には、該搬送チャンバ１２を介して基板Ｓを上記各チャンバ１３〜１６に搬送するとともに、各チャンバ１３〜１６にて処理の施された基板Ｓを搬出入チャンバ１１に搬送する搬送ロボット１２ａが搭載されている。
【００２９】
触媒層形成チャンバ１３には、窒化チタンからなるターゲット、コバルトからなるターゲットが搭載されるとともに、スパッタガスを供給するガス供給部が連結され、またスパッタガスのプラズマを生成するための電源が連結されている。触媒層形成チャンバ１３では、触媒層としての窒化チタン層及びコバルト層が、基板Ｓに形成されたホールの内表面の全体、及び絶縁層の表面の全体に形成される。
【００３０】
逆スパッタチャンバ１４には、基板Ｓを載置する基板ステージが内蔵され、また、逆スパッタチャンバ１４内にスパッタガスを供給するガス供給部等が連結されている。そして、逆スパッタチャンバ１４では、スパッタガスのプラズマが形成されて、基板Ｓに形成された触媒層の一部が逆スパッタされる。なお、本実施形態においては、基板Ｓ上に一旦形成された触媒層等の構造体の一部をスパッタ粒子によって除去することを逆スパッタという。
【００３１】
熱ＣＶＤチャンバ１５には、基板Ｓを所定温度に加熱しながら保持する基板ステージが内蔵され、また、基板Ｓに対して炭化水素ガスを供給するガス供給部等が連結されている。そして、熱ＣＶＤチャンバ１５では、基板Ｓが所定温度に加熱された状態で、炭化水素ガスが供給され、これにより、基板Ｓのホール内にカーボンナノチューブが形成される。
【００３２】
導電層形成チャンバ１６には、その内部にスパッタガスや反応ガスを供給するガス供給部が接続され、また、スパッタガスのプラズマを生成する電源の接続されたタンタルからなるターゲットが搭載されている。そして、導電層形成チャンバ１６では、上記カーボンナノチューブの形成された基板Ｓに対して、該カーボンナノチューブに接続される導電層としての窒化タンタルが反応性スパッタ法により形成される。
【００３３】
次に、上述した逆スパッタチャンバ１４の詳細な構成について、図２を参照して説明する。逆スパッタチャンバ１４を構成する真空槽２１の内部には、搬入された基板Ｓを保持する基板ステージ２２が配置されている。基板ステージ２２内のステージ電極２３には、例えば１３．５６ＭＨｚの周波数である高周波電力を出力する高周波電源２５が整合器２４を介して接続されている。整合器２４は、ステージ電極２３に負のバイアス電圧を印加するためのブロッキングコンデンサーを有するとともに、高周波電源２５の入力インピーダンスとその負荷の出力インピーダンスとを整合させる。また、真空槽２１の上部には、上記基板ステージ２２と対向するようにシャワープレート２６が設置されている。シャワープレート２６には、真空槽２１に貫通形成されたガス供給口２１ａを介して、スパッタガス、例えばアルゴンガスを供給するスパッタガス供給部２７が接続されている。
【００３４】
また、真空槽２１には、該真空槽２１に貫通形成された排気口２１ｂを介して真空槽２１内の流体を排気する排気部２８が接続されている。排気部２８は、各種真空ポンプや圧力調節バルブによって構成され、所定の排気流量にて真空槽２１内の流体を真空槽２１外に排気する。
【００３５】
そして、逆スパッタチャンバ１４にて逆スパッタが行われるときには、排気部２８の排気流量と、上記スパッタガス供給部２７から供給されるガスの流量とにより、真空槽２１内が所定のプロセス圧力とされる。次いで、高周波電源２５がステージ電極２３に高周波電力を出力することにより、基板ステージ２２とシャワープレート２６との間に、アルゴンガスのプラズマが生成される。この際、ステージ電極２３には、プラズマの生成に伴って負のバイアス電圧が印加され、そして、アルゴンガスのプラズマに含まれる正イオンが、こうしたバイアス電圧によって基板Ｓの表面に引き込まれる。これによって、基板Ｓの表面や上記ホールの内表面に形成された触媒層の一部が逆スパッタされる。
【００３６】
次に、上述のようなクラスター装置１０にて行われる配線形成方法について図３〜図５を参照して説明する。なお、図３〜図５においては、上記基板Ｓを上記積層方向と平行な方向に沿って切断した面を用いて説明する。
【００３７】
２つの導電層がカーボンナノチューブで接続された配線構造を形成するためには、まず、図３（ａ）に示されるような基板Ｓが準備される。つまり、基板Ｓにおいては、まず、シリコンで形成された支持基板３１上に、導電層を構成する銅からなる下部配線層３２と、同じく導電層を構成する拡散防止用の窒化タンタルからなるバリア層３３と、低誘電率の絶縁性材料からなる絶縁層３４とが順に積層される。次いで、絶縁層３４には、該絶縁層３４をその表面３４ａから積層方向に貫通することで、バリア層３３の表面を露出させる凹部としてホール３５が複数形成される。なお、上記基板Ｓは、直径が例えば８インチである。また、基板Ｓに形成された各ホール３５の直径は、１６０ｎｍであるとともに、深さは、２００ｎｍである。
【００３８】
こうした基板Ｓが上記搬出入チャンバ１１からクラスター装置１０内に搬入されると、該基板Ｓは、搬送ロボット１２ａによって搬送チャンバ１２を介して触媒層形成チャンバ１３に搬入される。基板Ｓが触媒層形成チャンバ１３に搬入されると、図３（ｂ）に示されるように、上記絶縁層３４に形成されたホール３５の内表面の全体、つまり内壁面３５ａと底壁面３５ｂとを含むように、絶縁層３４の表面３４ａ全体に窒化タンタルからなる下部触媒層３６が形成される。下部触媒層３６は、例えば５ｎｍの厚さに形成される。
【００３９】
下部触媒層３６が形成されると、基板Ｓは、上記搬送ロボット１２ａによって触媒層形成チャンバ１３から逆スパッタチャンバ１４に搬送される。基板Ｓが逆スパッタチャンバ１４に搬入されると、図３（ｃ）に示されるように、上記真空槽２１内に形成されたアルゴンのプラズマ中に含まれるスパッタ粒子Ｓｐ、具体的にはアルゴンイオンによって下部触媒層３６が逆スパッタされる。
【００４０】
このとき、逆スパッタチャンバ１４にて行われる逆スパッタのプロセス条件のうち、チャンバ内の圧力と高周波電力とは、下記（ａ）（ｂ）が満たされるように設定されている。
（ａ）ホール３５の内部にシースＳｈが形成される。
（ｂ）ホール３５の内壁面３５ａに対するシースＳｈの厚さＷａが、ホール３５の底壁面３５ｂに対するシースＳｈの厚さＷｂよりも小さい（Ｗａ＜Ｗｂ）。
【００４１】
上記（ａ）（ｂ）が満たされる逆スパッタによれば、シースＳｈで加速されるスパッタ粒子Ｓｐの衝突が、ホール３５の底壁面３５ｂよりも、ホール３５の内壁面３５ａ及び絶縁層３４の表面３４ａに対して優先的に進行するようになる。その結果、図３（ｄ）に示されるように、ホール３５の底壁面３５ｂにのみ選択的に下部触媒層３６を残すことができる。また、この際、ホール３５の開口近傍では、シースＳｈで加速されるスパッタ粒子Ｓｐの殆どが、内壁面３５ａの法線方向に沿って該内壁面３５ａに引き込まれる。そのため、ホール３５の開口近傍では、上述したイオンミリング法と比較して、スパッタ粒子Ｓｐが反跳した粒子やスパッタ粒子Ｓｐによりスパッタされた粒子、これらが底壁面３５ｂに向けて進行することを抑えることができる。
【００４２】
なお、ホール３５内に形成されるシースＳｈの厚さの分布は、ホール３５の形状によっても異なるものである。ただし、こうしたシースＳｈの厚さの分布は、逆スパッタ時のプラズマ密度、ひいては逆スパッタ時の真空槽２１内の圧力と、高周波電源２５の出力する高周波電力の大きさによって概ね調整することが可能である。そして、こうしたシースＳｈの厚さの分布が得られるプラズマ条件は、逆スパッタ後の触媒層の形状、さらには逆スパッタ後のカーボンナノチューブの成長方向によって最適化することが可能であり、また
数値計算によっても得ることが可能である。
例えば、上述したサイズのホール３５に対して底壁面３５ｂ上の下部触媒層３６のみを残す場合には、以下のようなプロセス条件が挙げられる。
・アルゴン流量：１ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍ
・プロセス圧力：０．１Ｐａ〜１０Ｐａ
・高周波電力：１０Ｗ〜１０００Ｗ
【００４３】
基板Ｓに形成された下部触媒層３６の逆スパッタが終了すると、基板Ｓは、搬送ロボット１２ａによって搬送チャンバ１２を介して触媒層形成チャンバ１３に再び搬入される。基板Ｓが触媒層形成チャンバ１３に搬入されると、図４（ａ）に示されるように、絶縁層３４に形成されたホール３５の内表面の全体、つまり内壁面３５ａと、下部触媒層３６の形成された底壁面３５ｂとを含むように、絶縁層３４の表面３４ａ全体にコバルトの上部触媒層３７が形成される。上部触媒層３７は、例えば１〜１．５ｎｍの厚さに形成される。
【００４４】
なお、本実施形態では、下部触媒層３６と上部触媒層３７とから構成される触媒層を形成している。このような二層構造の触媒層によれば、カーボンナノチューブを形成するときの基板Ｓの温度を低下させることができる。それゆえに、上記配線構造を形成するときの熱履歴を低減することができる。
【００４５】
上部触媒層３７が形成されると、基板Ｓは、上記搬送ロボット１２ａによって搬送チャンバ１２を介して逆スパッタチャンバ１４に再び搬入される。基板Ｓが逆スパッタチャンバ１４に搬入されると、図４（ｂ）に示されるように、上記真空槽２１内に形成されたアルゴンのプラズマ中に含まれるスパッタ粒子Ｓｐによって上部触媒層３７が逆スパッタされる。なお、上部触媒層３７が逆スパッタされるときにも、上記下部触媒層３６が逆スパッタされたときと同じ態様で、絶縁層３４の表面３４ａ及びホール３５の内部にシースＳｈが形成される。そのため、シースＳｈで加速されるスパッタ粒子Ｓｐの衝突が、ホール３５の底壁面３５ｂよりもホール３５の内壁面３５ａ及び絶縁層３４の表面３４ａに対して優先的に進行するようになる。その結果、図４（ｃ）に示されるように、ホール３５の底壁面３５ｂに形成された下部触媒層３６上にのみ選択的に上部触媒層３７を残すことができる。
【００４６】
上部触媒層３７の逆スパッタが終了すると、基板Ｓは、搬送ロボット１２ａによって搬送チャンバ１２を介して上記熱ＣＶＤチャンバ１５に搬送される。基板Ｓが熱ＣＶＤチャンバ１５に搬入されると、基板Ｓが所定温度に加熱されるとともに、該基板Ｓに対して感化水素ガスが供給される。これにより、図４（ｄ）に示されるように、ホール３５の底壁面３５ｂに形成された下部触媒層３６と上部触媒層３７とから、上記積層方向と平行、且つこれら触媒層３６，３７から離れる方向に延びるカーボンナノチューブ３８が形成される。このとき、カーボンナノチューブ３８は、上記絶縁層３４の表面３４ａに形成されたホール３５の開口から上端部３８ａが突出する長さに形成される。
【００４７】
カーボンナノチューブ３８の形成が終了すると、基板Ｓは、搬送ロボット１２ａによって、搬送チャンバ１２を介して逆スパッタチャンバ１４に再び搬入される。基板Ｓが逆スパッタチャンバ１４に搬入されると、図４（ｅ）に示されるように、アルゴンガスのプラズマが真空槽２１内に生成されることで、絶縁層３４の表面３４ａ及びカーボンナノチューブ３８の上端部３８ａを覆うようにシースＳｈが形成される。
【００４８】
このとき、カーボンナノチューブ３８の上端部３８ａでは、該カーボンナノチューブ３８の先端であるキャップ３８ｂに近い程、チャージが優先的に蓄積することになる。そのため、キャップ３８ｂに向かってスパッタ粒子Ｓｐが引き込まれやすくなることから、該
キャップ３８ｂ側から順に上端部３８ａが除去される。それゆえに、絶縁層３４の表面３４ａから突出したカーボンナノチューブ３８のみを選択的に除去することが容易になる。
【００４９】
なお、逆スパッタによってスパッタされるカーボンナノチューブのスパッタ速度が予め実験等によって定められ、カーボンナノチューブ３８の上端部３８ａを除去するための逆スパッタは、上記上端部３８ａの除去に必要な時間だけ継続される。これにより、図５（ａ）に示されるように、カーボンナノチューブ３８の上端部３８ａが除去される。なお、こうして上端部３８ａが除去されることによって、カーボンナノチューブ３８のキャップ３８ｂが取り除かれるため、つまり、カーボンナノチューブ３８が開端されるため、カーボンナノチューブ３８とこれに接続される上部配線層３９との接続部位にて導電性が向上する。
【００５０】
カーボンナノチューブ３８の上端部３８ａが除去されると、基板Ｓは、搬送ロボット１２ａによって搬送チャンバ１２を介して上記導電層形成チャンバ１６に搬送される。基板Ｓが導電層形成チャンバ１６に搬入されると、該導電層形成チャンバ１６内に配設されたターゲットのスパッタにより、図５（ｂ）に示されるように、絶縁層３４の表面３４ａとカーボンナノチューブ３８の先端とに、窒化タンタルからなる上部配線層３９が形成される。本実施形態では、カーボンナノチューブ３８の開端と、その上部を覆うように形成される上部配線層３９の形成とが、共通する真空系にて行われることになる。そのため、開端されたカーボンナノチューブ３８の内部に空気が入り込むことを回避できる。それゆえに、カーボンナノチューブ３８の電気的特性が空気によって低下することを回避できる。
【００５１】
上述した工程を経ることによって、カーボンナノチューブ３８と、該カーボンナノチューブ３８によって接続される導電層である下部配線層３２と上部配線層３９とを有する配線構造が形成される。
【００５２】
以上説明したように、上記実施形態によれば、以下に列挙する効果が得られるようになる。
（１）下部触媒層３６及び上部触媒層３７がホール３５の内表面の全体に形成された後、ホール３５内にシースＳｈの形成されるプラズマが生成され、これにより、ホール３５の内壁面３５ａに形成された各触媒層３６，３７にプラズマ中のスパッタ粒子Ｓｐが衝突する。このとき、ホール３５の内壁面３５ａに対するシースＳｈの厚さＷａが、ホール３５の底壁面３５ｂに対するシースＳｈの厚さＷｂよりも小さくなる。そのため、シースＳｈで加速されるイオンの衝突が、ホール３５の底壁面３５ｂよりもホール３５の内壁面３５ａに対して優先的に進行するようになる。その結果、ホール３５の底壁面３５ｂにのみ選択的に各触媒層３６，３７を残すこと、ひいてはカーボンナノチューブ３８の支配的な成長方向を積層方向にすることが容易なものとなる。そして、カーボンナノチューブ３８の成長方向を揃えることができることから、配線構造の電気的特性を向上することが可能になる。
【００５３】
（２）上部配線層３９が形成される前に、プラズマ中のスパッタ粒子Ｓｐの衝突によってカーボンナノチューブ３８の上端部３８ａが除去される。そのため、カーボンナノチューブ３８のうち、ホール３５の開口から突出した部位にチャージが優先的に蓄積することから、カーボンナノチューブ３８の先端側から順にカーボンナノチューブ３８が除去される。それゆえに、上記開口から突出したカーボンナノチューブ３８のみを選択的に除去することが容易になる。
【００５４】
（３）カーボンナノチューブ３８の上端部３８ａの除去と、上部配線層３９の形成とが共通する真空系にて行われる。これにより、カーボンナノチューブ３８の上端部３８ａの除去によってキャップ３８ｂが開端されたとしても、カーボンナノチューブ３８内に空気
が入り込むことを抑えることで、空気によってカーボンナノチューブ３８の電気的特性が低下することを抑制できる。
【００５５】
（４）カーボンナノチューブ３８が形成される前に、窒化チタンの下部触媒層３６とコバルトの上部触媒層３７とからなる二層構造の触媒層が形成される。これにより、熱ＣＶＤによってカーボンナノチューブ３８が形成されるときに、基板Ｓの温度を低下させることができる。それゆえに、上記配線構造を形成するときの熱履歴を低減することができる。
【００５６】
（５）スパッタ法によって下部触媒層３６と上部触媒層３７とを形成するようにした。そのため、他の成膜方法、例えば、電子ビーム蒸着法等によってこれら触媒層３６，３７を形成するよりも、大面積の基板Ｓに対して各触媒層３６，３７の形成が可能であるとともに、一度に複数の基板Ｓに対して各触媒層３６，３７を形成することも可能である。
【００５７】
なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することができる。
・上記支持基板３１は、シリコン以外の半導体からなる基板の他、石英やサファイア等の絶縁体からなる基板であってもよい。要は、絶縁層が積層された導電層に該絶縁層を貫通する凹部が形成された基板であればよい。
【００５８】
・上記下部配線層３２及び上部配線層３９は、導電性を有する配線層であればよく、銅や窒化タンタル以外で形成された層、例えばアルミニウムからなる層であってもよい。要は、下部配線層は、カーボンナノチューブ用の触媒層を積層することの可能な導電層であればよく、上部配線層は、カーボンナノチューブと接続することの可能な導電層であればよい。
【００５９】
・上記バリア層３３は窒化タンタルに限らず、下部配線層３２を形成する金属元素の拡散を抑えることのできる材料、且つ導電性を有する材料によって形成されていればよい。
【００６０】
・上記ホール３５の直径が１６０ｎｍであるとともに、該ホール３５の深さが２００ｎｍであるが、ホール３５の直径やホール３５の深さは、これに限定されるものではない。また、ホール３５の形状は、円形孔状に限られず、矩形孔状であってもよく、また、多段孔状であってもよい。要は、絶縁層に形成される凹部とは、絶縁層を貫通して該絶縁層の下層である導電層に接続されるものであればよい。
【００６１】
・下部触媒層３６は、窒化タンタルのターゲットをアルゴンによってスパッタすることによって形成するようにした。これに限らず、下部触媒層３６は、タンタルのターゲットを窒素含有ガスでスパッタすることによって形成するようにしてもよい。
【００６２】
・下部触媒層３６と上部触媒層３７とをスパッタ法により形成するようにした。これに限らず、これら触媒層３６，３７を電子ビーム蒸着法によって形成するようにしてもよい。これによれば、以下のような効果が得られるようになる。
【００６３】
（６）例えば、スパッタ法や各種ＣＶＤ法等の他の成膜方法によって各触媒層３６，３７を形成するよりも、凹部内における触媒層３６，３７の膜厚を底壁面上にて大きくすることが容易となる。そのため、ホール３５の内壁面３５ａに形成される触媒層３６，３７の膜厚をホール３５の底壁面３５ｂに形成される触媒層３６，３７の膜厚よりも予め大きくすることが容易となる。それゆえに、これら触媒層３６，３７を除去する工程を経ることにより、ホール３５の内壁面３５ａに形成された触媒層３６，３７がより確実に除去されるようになる。
【００６４】
・下部触媒層３６を窒化チタンによって形成するとともに、上部触媒層３７をコバルトによって形成するようにした。これに限らず、これら下部触媒層３６と上部触媒層３７とは、以下の金属、及び金属化合物の組み合わせとするようにしてもよい。すなわち、下部触媒層３６は、チタン、タンタル、バナジウム、ニオブ、これら遷移金属の窒化物、及び、該遷移金属の酸化物の少なくとも一つによって形成するようにすればよい。そして、上部触媒層３７は、上記コバルト、ニッケル、及び鉄のいずれかによって形成するようにすればよい。こうした材料によって形成される下部触媒層３６と上部触媒層３７との組み合わせによっても、上記窒化チタンの下部触媒層３６とコバルトの上部触媒層３７との組み合わせによって得られる効果と同等の効果が得られるようになる。
・また、上述のような触媒層の組み合わせにあわせて、上記触媒層形成チャンバ１３に配設されたターゲットの組み合わせを変更してもよい。
【００６５】
・触媒層形成チャンバ１３には、下部触媒層３６を形成するためのターゲットと、上部触媒層３７を形成するための触媒層との両方が配設されるようにした。これに限らず、上記クラスター装置１０には、下部触媒層３６を形成するためのチャンバと、上部触媒層３７を形成するためのチャンバとが各別に設けられるようにしてもよい。
・上記高周波電源２５からステージ電極２３に供給される高周波の周波数は、上記（ａ）（ｂ）の各条件を満たす逆スパッタが可能な周波数であれば任意に設定してよい。
【００６６】
・上部配線層３９を形成する導電層形成チャンバ１６をスパッタチャンバとして具現化するようにしたが、電子ビーム蒸発法によって上部配線層３９を形成するチャンバとして具現化するようにしてもよい。
【００６７】
・上記クラスター装置１０は、単一の逆スパッタチャンバ１４を備えるものとしたが、下部触媒層３６、上部触媒層３７、及びカーボンナノチューブ３８のそれぞれのみを逆スパッタするチャンバを各別に有する構成であってもよい。あるいは、上記クラスター装置１０は、各触媒層３６，３７の両方を逆スパッタするチャンバとカーボンナノチューブ３８を逆スパッタするチャンバとを各別に有する構成であってもよい。
【００６８】
・上記クラスター装置１０は、カーボンナノチューブ３８を逆スパッタするチャンバを上記各触媒層３６，３７の逆スパッタに用いるチャンバとは別に有するとともに、カーボンナノチューブ３８の逆スパッタをチャンバでは、アルゴンガスと酸素ガスとの混合ガスによって逆スパッタが行われる構成であってもよい。このような構成や方法によれば、カーボンナノチューブ３８の上端部３８ａの除去に要する時間を短くすることが可能になる。
【００６９】
・カーボンナノチューブ３８の上端部３８ａは、逆スパッタ法によって除去するようにしたが、他の方法、例えば化学機械研磨法（ＣＭＰ法）やイオンミリング法によって除去するようにしてもよい。このような方法であっても、カーボンナノチューブの成長方向が積層方向に揃えられる以上、配線構造の電気的特性を向上することは可能になる。
【００７０】
・上部配線層３９を形成する導電層形成チャンバ１６は、カーボンナノチューブを形成するための熱ＣＶＤチャンバとは共通の真空系を構成しない装置として具現化することも可能である。また、カーボンナノチューブ３８の上端部３８ａを除去するための逆スパッタチャンバも、カーボンナノチューブを形成するための熱ＣＶＤチャンバとは共通の真空系を構成しない装置として具現化することも可能である。このような構成であっても、カーボンナノチューブの成長方向が積層方向に揃えられる以上、配線構造の電気的特性を向上することは可能になる。なお、このような構成であっても、上端部３８ａを除去するための逆スパッタチャンバと上部配線層３９を形成する導電層形成チャンバ１６とが共通の真空系を構成するのであれば、開端されたカーボンナノチューブ３８に空気が侵入するこ
とを抑えることは可能である。
【００７１】
・ホール３５の内壁面３５ａに対するシースＳｈの厚さＷａが、ホール３５の底壁面３５ｂに対するシースＳｈの厚さＷｂよりも小さい構成であれば、ホール３５の底壁面３５ｂにスパッタ粒子Ｓｐが引き込まれてもよい。このような構成であっても、厚さＷａが厚さＷｂよりも小さい以上、内壁面３５ａ上の触媒層を底壁面３５ｂ上の触媒層よりも優先的に除去することは可能である。
【００７２】
なお、ホール３５の底壁面３５ｂにスパッタ粒子Ｓｐが引き込まれるのであれば、該スパッタ粒子Ｓｐの有するエネルギーが、触媒層のスパッタに必要なエネルギーよりも小さいことが好ましい。すなわち、ホール３５の内壁面３５ａに対するシースＳｈの厚さＷａは、該内壁面３５ａに引き込まれるスパッタ粒子Ｓｐが、触媒層のスパッタに必要なエネルギーを有する厚さである。一方、ホール３５の底壁面３５ｂに対するシースＳｈの厚さＷｂは、該底壁面３５ｂに引き込まれるスパッタ粒子Ｓｐが、触媒層のスパッタに必要なエネルギーを有しない厚さが好ましい。さらには、ホール３５の底壁面３５ｂに対するシースＳｈの厚さＷｂは、プラズマ中のイオンであるスパッタ粒子Ｓｐが、ホール３５内における他の粒子と衝突してホール３５の底壁面３５ｂに到達しない厚さが好ましい。ただし、ホール３５の内壁面３５ａに形成された下部触媒層３６あるいは上部触媒層３７が除去され、且つ、ホール３５の底壁面３５ｂに形成された下部触媒層３６あるいは上部触媒層３７が残るのであれば、ホール３５の底壁面にスパッタ粒子Ｓｐが到達するような方法であってもよい。
【００７３】
・逆スパッタチャンバ１４においては、アルゴンガスを用いて基板Ｓの逆スパッタを行うようにした。これに限らず、プラズマの生成に用いられるガスは、アルゴンガス以外の希ガス、例えばヘリウムガス、ネオンガス、クリプトンガス、及びキセノンガスや、希ガス以外の不活性ガスであってもよい。要は、ホール３５の内壁面３５ａに形成された下部触媒層３６あるいは上部触媒層３７がプラズマ中のスパッタ粒子Ｓｐによって除去され、且つ、プラズマ中のラジカルによって下部触媒層３６あるいは上部触媒層３７がエッチングされないガスであればよい。
【００７４】
・配線構造は、上記シリコン等の半導体で形成された支持基板３１上にて絶縁層３４の上下に形成された下部配線層３２と上部配線層３９とを接続するカーボンナノチューブ３８を有する構造とした。これに限らず、該配線構造は、例えば能動素子と下部配線層３２とがカーボンナノチューブによって接続される構造であってもよく、絶縁層が積層された導電層に該絶縁層を貫通するカーボンナノチューブが接続される構造であればよい。
【符号の説明】
【００７５】
１０…クラスター装置、１１…搬出入チャンバ、１２…搬送チャンバ、１２ａ…搬送ロボット、１３…触媒層形成チャンバ、１４…逆スパッタチャンバ、１５…熱ＣＶＤチャンバ、１６…導電層形成チャンバ、２１…真空槽、２１ａ…ガス供給口、２１ｂ…排気口、２２…基板ステージ、２３…ステージ電極、２４…整合器、２５…高周波電源、２６…シャワープレート、２７…スパッタガス供給部、２８…排気部、３１，４１…支持基板、３２，４２…下部配線層、３３…バリア層、３４，４３…絶縁層、３４ａ，４３ａ…表面、３５，４４…ホール、３５ａ，４４ａ…内壁面、３５ｂ，４４ｂ…底壁面、３６…下部触媒層、３７…上部触媒層、３８…カーボンナノチューブ、３８ａ…上端部、３８ｂ…キャップ、３９…上部配線層、４５…触媒層、４５ａ…金属粒子、Ｐ…ミリング粒子、Ｓ…基板、Ｓｈ…シース、Ｓｐ…スパッタ粒子。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、絶縁層が積層された導電層に該絶縁層を貫通するカーボンナノチューブを接続する配線形成方法、及び該配線形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば特許文献１に記載のように、半導体装置の配線構造には、下層配線と該半導体装置の上層配線とを接続する配線としてカーボンナノチューブを用いる技術が検討されている。
【０００３】
上記カーボンナノチューブの形成時には、まず、下層配線上の層間絶縁層に下層配線に接続するホールが形成されて、該ホールの内表面に例えばスパッタ法によって触媒層が形成される。次いで、炭化水素ガスを用いた熱ＣＶＤ法によって、触媒層上にカーボンナノチューブが形成される。このとき、ホールの内表面の全体が触媒層に覆われているため、こうした触媒層から成長するカーボンナノチューブは、自ずと触媒層に倣うようにホールの内表面の全体に形成される。その結果、ホールの内部には、ホールの底壁面に形成されることで電極間の接続に寄与するカーボンナノチューブと、ホールの内壁面に形成されて電極間の接続に寄与しないカーボンナノチューブとが混在することになる。
【０００４】
近年では、半導体装置の微細化にともなって、上記ホールの微細化が進行していることから、ホール内に形成可能なカーボンナノチューブの密度の上限値も小さくなりつつある。そのため、上述のような電極間の接続に寄与しないカーボンナノチューブが、配線構造の電気的な特性、例えば電気伝導性や許容電流密度等に与える影響も無視し難くなりつつある。そこで、カーボンナノチューブを形成する前に、ホールの内壁面に形成された触媒層をイオンミリングによって除去することで、ホールの底壁面にのみカーボンナノチューブを形成する試みがなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２９８６４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、上記イオンミリングによって触媒層の一部を除去する態様を図６に模式的に示す。図６に示されるように、支持基板４１上に形成された下部配線層４２は、絶縁層４３に形成されたホール４４の底壁面４４ｂとして露出している。この際、ホール４４の内表面に形成された触媒層４５のうち、ホール４４の内壁面４４ａに形成された触媒層４５のみを選択的に除去するためには、ホール４４の内壁面４４ａにのみミリング粒子Ｐが衝突するように、ミリング粒子Ｐの軌道を設定する必要がある。
【０００７】
しかしながら、ホール４４の内壁面４４ａの全体にミリング粒子Ｐが衝突し、且つホール４４の底壁面４４ｂにはミリング粒子Ｐが衝突しないようにイオンミリングを進めるためには、ミリング粒子Ｐの射出源に対する支持基板４１の配置やミリング粒子Ｐの指向性が非常に限られたものとなる。また、ホール４４の内壁面４４ａのみに選択的にミリング粒子Ｐを入射させることができたとしても、該内壁面４４ａで反跳したミリング粒子Ｐが底壁面４４ｂに衝突してしまうことも少なくない。さらに、ミリング粒子Ｐが衝突することによって触媒層４５から弾き出された金属粒子４５ａが、ホール４４の底壁面４４ｂに付着してしまうことも少なくない。その結果、上記イオンミリングによる触媒層４５の除
去では、底壁面４４ｂに形成される触媒層４５の厚さや触媒層４５の密度を制御することが困難となる。結局のところ、ホールの微細化が進行する近年では、ホール４４の内壁面４４ａからのカーボンナノチューブの成長を抑えることが困難であるため、ホール４４の底壁面４４ｂから選択的にカーボンナノチューブを形成することで、該配線構造の電気的な特性を向上することのできる方法の開発が望まれている。
【０００８】
なお、こうした問題は、半導体基板上にて絶縁層の上下に形成された配線層を接続するカーボンナノチューブを有した配線構造に限らず、絶縁層が積層された導電層に該絶縁層を貫通するカーボンナノチューブが接続される配線構造であれば、概ね共通するものである。
【０００９】
この発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、絶縁層が積層された導電層に該絶縁層を貫通するカーボンナノチューブが接続される配線構造にて電気的特性を向上することのできる配線形成方法、及び該方法を用いる配線形成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
【００１１】
請求項１に記載の発明は、導電層にカーボンナノチューブが接続された配線形成方法であって、前記導電層に積層された絶縁層にその積層方向に貫通する凹部を形成する工程と、前記凹部の内表面の全体を覆うように前記絶縁層上に触媒層を形成する工程と、前記凹部の内部にシースが形成され、且つ前記凹部の内壁面に対するシースの厚さが前記凹部の底壁面に対するシースの厚さよりも小さくなるようにプラズマを生成し、前記内壁面に形成された前記触媒層を前記プラズマ中のイオンによって除去する工程と、前記凹部の底壁面に残された前記触媒層を用いて該底壁面からカーボンナノチューブを形成する工程とを有することを要旨とする。
【００１２】
請求項１に記載の発明では、触媒層を凹部の内壁の全体に形成した後、凹部内にシースが形成されるプラズマを生成して、凹部の内壁面に形成された触媒層にプラズマ中のイオンを衝突させるようにしている。このとき、凹部の内壁面に対するシースの厚さが凹部の底壁面に対するシースの厚さよりも小さくなるようにプラズマが生成される。そのため、シースで加速されるイオンの衝突が凹部の内壁面に対して優先的に進行するようになる。その結果、凹部の底壁面にのみ選択的に触媒層を残すこと、ひいてはカーボンナノチューブの支配的な成長方向を積層方向にすることが容易なものとなる。そして、カーボンナノチューブの成長方向を揃えることができることから、配線構造の電気的特性を向上することが可能になる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の配線形成方法において、前記カーボンナノチューブを形成した後に前記絶縁層上にプラズマを生成し、前記凹部の開口から突出した前記カーボンナノチューブに該プラズマ中のイオンを衝突させて前記カーボンナノチューブの先端側を除去する工程を有することを要旨とする。
【００１４】
請求項２に記載の発明では、プラズマ中のイオンの衝突によってカーボンナノチューブの先端を除去するようにしている。そのため、カーボンナノチューブのうち、凹部の開口から突出した部位にチャージが優先的に蓄積することから、カーボンナノチューブの先端側から順に除去される。それゆえに、上記開口から突出したカーボンナノチューブのみを選択的に除去することが容易になる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の配線形成方法において、前記カーボンナノ
チューブの先端を除去する工程の後に前記カーボンナノチューブに接続される導電層を前記絶縁層上に積層する工程をさらに有し、前記カーボンナノチューブの先端を除去する工程と前記絶縁層上に導電層を積層する工程とが共通する真空系で行われることを要旨とする。
【００１６】
請求項３に記載の発明では、カーボンナノチューブの先端の除去工程によってキャップ構造が開放されたとしても、カーボンナノチューブ内に空気が入り込むことを回避することで、空気によってカーボンナノチューブの電気的特性が低下することを回避できる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の配線形成方法において、前記触媒層は、下部触媒層と上部触媒層とから形成され、前記下部触媒層は、チタン、タンタル、バナジウム、ニオブ、これら遷移金属の窒化物、及び該遷移金属の酸化物の少なくとも一つによって形成され、前記上部触媒層は、コバルト、ニッケル、及び鉄のいずれかによって形成されていることを要旨とする。
【００１８】
本願発明者らは、触媒層をチタン、タンタル、バナジウム、ニオブ、これら遷移金属の窒化物、及び該遷移金属の酸化物の少なくとも一つによって形成された下部触媒層と、コバルト、ニッケル、及び鉄のいずれかによって形成された上部触媒層とから形成することにより、カーボンナノチューブを形成するときの基板の温度を低下できることを見出した。
【００１９】
上記請求項４に記載の発明によれば、上述した金属層を組み合わせて触媒層を形成していることから、カーボンナノチューブを形成するときの基板の温度を低下させることができる。それゆえに、同発明によれば、上記配線構造を形成するときの熱履歴を低減することができる。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の配線形成方法において、前記触媒層をスパッタ法によって形成することを要旨とする。
請求項５に記載の発明では、スパッタ法によって触媒層を形成することから、他の成膜方法、例えば、電子ビーム蒸着法等によって触媒層を形成するよりも、大面積の基板に対して触媒層の形成が可能であるとともに、一度に複数の基板に対して触媒層を形成することも可能である。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の配線形成方法において、前記触媒層を電子ビーム蒸着法によって形成することを要旨とする。
請求項６に記載の発明では、電子ビーム蒸着法によって触媒層を形成することから、他の成膜方法、例えばスパッタ法や各種ＣＶＤ法等によって触媒層を形成するよりも、該触媒層を選択的に形成することができる。そのため、触媒層の形成時から、凹部の底壁面に対して選択的に触媒層を形成しやすくなることから、上記触媒層を除去する工程を経ることにより、凹部の内壁面に形成された触媒層がより確実に除去されるようになる。
請求項７に記載の発明は、請求項３〜６のいずれか一項に記載の配線形成方法において、前記絶縁層上の導電層をスパッタ法によって形成することを要旨とする。
請求項８に記載の発明は、請求項３〜６のいずれか一項に記載の配線形成方法において、前記絶縁層上の導電層を電子ビーム蒸着法によって形成することを要旨とする。
上記請求項７，８に記載の方法によるように、配線構造の有する導電層は、スパッタ法や電子ビーム蒸着法によって形成することができる。
【００２２】
請求項９に記載の発明は、絶縁層が積層された導電層に該絶縁層を貫通する凹部を介してカーボンナノチューブが接続された配線構造を形成する配線形成装置であって、前記凹部の内表面の全体が含まれるように前記絶縁層上に触媒層を形成するチャンバと、前記凹
部の内部にシースが形成され、且つ前記凹部の内壁面に対するシースの厚さが前記凹部の底壁面に対するシースの厚さよりも小さくなるようにプラズマを生成し、前記内壁面に形成された前記触媒層を前記プラズマ中のイオンによって除去するチャンバと、前記凹部の底壁面に残された前記触媒層を用いて該底壁面からカーボンナノチューブを形成するチャンバとを備えることを要旨とする。
【００２３】
請求項９に記載の発明では、凹部内にシースが形成されるプラズマを生成して、凹部の内壁面に形成された触媒層にプラズマ中のイオンを衝突させるチャンバを備えるようにしている。該チャンバは、凹部の内壁面に対するシースの厚さが凹部の底壁面に対するシースの厚さよりも小さくなるようにプラズマを生成する。そのため、シースで加速されるイオンの衝突が凹部の内壁面に対して優先的に進行するようになる。その結果、凹部の底壁面にのみ選択的に触媒層を残すこと、ひいてはカーボンナノチューブの支配的な成長方向を積層方向にすることが容易なものとなる。そして、カーボンナノチューブの成長方向を揃えることができることから、配線構造の電気的特性を向上することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明における配線形成装置を具現化した一実施形態の配線形成装置が搭載されるクラスター装置の概略構成を示す図。
【図２】配線形成装置を構成する逆スパッタチャンバの概略構成を示す構成図。
【図３】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）配線構造の形成工程を順に示す工程図。
【図４】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）配線構造の形成工程を順に示す工程図。
【図５】（ａ）（ｂ）配線構造の形成工程を順に示す工程図。
【図６】従来の触媒層の選択的な除去方法を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の配線形成方法、及び配線形成装置を具体化した一実施形態について図１〜図５を参照して説明する。まず、図１を参照して配線形成装置が搭載されたクラスター装置について説明する。
【００２６】
クラスター装置１０の搬送チャンバ１２には、搬出入チャンバ１１、触媒層形成チャンバ１３、逆スパッタチャンバ１４、熱ＣＶＤチャンバ１５、及び導電層形成チャンバ１６が連結されている。上記チャンバ１１〜１６のそれぞれには、各チャンバ１１〜１６を共通する所定の圧力に減圧する真空ポンプや圧力調整バルブから構成された排気部が接続されている。そして、これらチャンバ１１〜１６は、共通する真空系を形成する。なお、処理対象である基板Ｓが、上記搬出入チャンバ１１を介して搬出入される際には、搬出入チャンバ１１と搬送チャンバ１２との間に設けられたゲートバルブにより、搬出入チャンバ１１が、その他のチャンバ１２〜１６から隔絶されるようになっている。そのため、チャンバ１２〜１６については、所定の真空状態に維持されることになる。
【００２７】
搬出入チャンバ１１は、外部から搬送される基板Ｓをクラスター装置１０内に搬入したり、クラスター装置１０内にて処理が施された基板Ｓを外部へ搬出したりする。搬出入チャンバ１１から搬入れされる基板Ｓとは、シリコン基板上に導電層を構成する銅配線、拡散防止機能を有して導電層を構成する窒化タンタル層、及び低誘電率材料からなる絶縁層が順に積層され、且つ該絶縁層を積層方向に貫通する凹部としてのホールが形成されたものである。ホールは、絶縁層に複数形成されているとともに、各ホールの直径は、例えば１６０ｎｍ、深さは、例えば２００ｎｍである。
【００２８】
搬送チャンバ１２には、該搬送チャンバ１２を介して基板Ｓを上記各チャンバ１３〜１６に搬送するとともに、各チャンバ１３〜１６にて処理の施された基板Ｓを搬出入チャンバ１１に搬送する搬送ロボット１２ａが搭載されている。
【００２９】
触媒層形成チャンバ１３には、窒化チタンからなるターゲット、コバルトからなるターゲットが搭載されるとともに、スパッタガスを供給するガス供給部が連結され、またスパッタガスのプラズマを生成するための電源が連結されている。触媒層形成チャンバ１３では、触媒層としての窒化チタン層及びコバルト層が、基板Ｓに形成されたホールの内表面の全体、及び絶縁層の表面の全体に形成される。
【００３０】
逆スパッタチャンバ１４には、基板Ｓを載置する基板ステージが内蔵され、また、逆スパッタチャンバ１４内にスパッタガスを供給するガス供給部等が連結されている。そして、逆スパッタチャンバ１４では、スパッタガスのプラズマが形成されて、基板Ｓに形成された触媒層の一部が逆スパッタされる。なお、本実施形態においては、基板Ｓ上に一旦形成された触媒層等の構造体の一部をスパッタ粒子によって除去することを逆スパッタという。
【００３１】
熱ＣＶＤチャンバ１５には、基板Ｓを所定温度に加熱しながら保持する基板ステージが内蔵され、また、基板Ｓに対して炭化水素ガスを供給するガス供給部等が連結されている。そして、熱ＣＶＤチャンバ１５では、基板Ｓが所定温度に加熱された状態で、炭化水素ガスが供給され、これにより、基板Ｓのホール内にカーボンナノチューブが形成される。
【００３２】
導電層形成チャンバ１６には、その内部にスパッタガスや反応ガスを供給するガス供給部が接続され、また、スパッタガスのプラズマを生成する電源の接続されたタンタルからなるターゲットが搭載されている。そして、導電層形成チャンバ１６では、上記カーボンナノチューブの形成された基板Ｓに対して、該カーボンナノチューブに接続される導電層としての窒化タンタルが反応性スパッタ法により形成される。
【００３３】
次に、上述した逆スパッタチャンバ１４の詳細な構成について、図２を参照して説明する。逆スパッタチャンバ１４を構成する真空槽２１の内部には、搬入された基板Ｓを保持する基板ステージ２２が配置されている。基板ステージ２２内のステージ電極２３には、例えば１３．５６ＭＨｚの周波数である高周波電力を出力する高周波電源２５が整合器２４を介して接続されている。整合器２４は、ステージ電極２３に負のバイアス電圧を印加するためのブロッキングコンデンサーを有するとともに、高周波電源２５の入力インピーダンスとその負荷の出力インピーダンスとを整合させる。また、真空槽２１の上部には、上記基板ステージ２２と対向するようにシャワープレート２６が設置されている。シャワープレート２６には、真空槽２１に貫通形成されたガス供給口２１ａを介して、スパッタガス、例えばアルゴンガスを供給するスパッタガス供給部２７が接続されている。
【００３４】
また、真空槽２１には、該真空槽２１に貫通形成された排気口２１ｂを介して真空槽２１内の流体を排気する排気部２８が接続されている。排気部２８は、各種真空ポンプや圧力調節バルブによって構成され、所定の排気流量にて真空槽２１内の流体を真空槽２１外に排気する。
【００３５】
そして、逆スパッタチャンバ１４にて逆スパッタが行われるときには、排気部２８の排気流量と、上記スパッタガス供給部２７から供給されるガスの流量とにより、真空槽２１内が所定のプロセス圧力とされる。次いで、高周波電源２５がステージ電極２３に高周波電力を出力することにより、基板ステージ２２とシャワープレート２６との間に、アルゴンガスのプラズマが生成される。この際、ステージ電極２３には、プラズマの生成に伴って負のバイアス電圧が印加され、そして、アルゴンガスのプラズマに含まれる正イオンが、こうしたバイアス電圧によって基板Ｓの表面に引き込まれる。これによって、基板Ｓの表面や上記ホールの内表面に形成された触媒層の一部が逆スパッタされる。
【００３６】
次に、上述のようなクラスター装置１０にて行われる配線形成方法について図３〜図５を参照して説明する。なお、図３〜図５においては、上記基板Ｓを上記積層方向と平行な方向に沿って切断した面を用いて説明する。
【００３７】
２つの導電層がカーボンナノチューブで接続された配線構造を形成するためには、まず、図３（ａ）に示されるような基板Ｓが準備される。つまり、基板Ｓにおいては、まず、シリコンで形成された支持基板３１上に、導電層を構成する銅からなる下部配線層３２と、同じく導電層を構成する拡散防止用の窒化タンタルからなるバリア層３３と、低誘電率の絶縁性材料からなる絶縁層３４とが順に積層される。次いで、絶縁層３４には、該絶縁層３４をその表面３４ａから積層方向に貫通することで、バリア層３３の表面を露出させる凹部としてホール３５が複数形成される。なお、上記基板Ｓは、直径が例えば８インチである。また、基板Ｓに形成された各ホール３５の直径は、１６０ｎｍであるとともに、深さは、２００ｎｍである。
【００３８】
こうした基板Ｓが上記搬出入チャンバ１１からクラスター装置１０内に搬入されると、該基板Ｓは、搬送ロボット１２ａによって搬送チャンバ１２を介して触媒層形成チャンバ１３に搬入される。基板Ｓが触媒層形成チャンバ１３に搬入されると、図３（ｂ）に示されるように、上記絶縁層３４に形成されたホール３５の内表面の全体、つまり内壁面３５ａと底壁面３５ｂとを含むように、絶縁層３４の表面３４ａ全体に窒化タンタルからなる下部触媒層３６が形成される。下部触媒層３６は、例えば５ｎｍの厚さに形成される。
【００３９】
下部触媒層３６が形成されると、基板Ｓは、上記搬送ロボット１２ａによって触媒層形成チャンバ１３から逆スパッタチャンバ１４に搬送される。基板Ｓが逆スパッタチャンバ１４に搬入されると、図３（ｃ）に示されるように、上記真空槽２１内に形成されたアルゴンのプラズマ中に含まれるスパッタ粒子Ｓｐ、具体的にはアルゴンイオンによって下部触媒層３６が逆スパッタされる。
【００４０】
このとき、逆スパッタチャンバ１４にて行われる逆スパッタのプロセス条件のうち、チャンバ内の圧力と高周波電力とは、下記（ａ）（ｂ）が満たされるように設定されている。
（ａ）ホール３５の内部にシースＳｈが形成される。
（ｂ）ホール３５の内壁面３５ａに対するシースＳｈの厚さＷａが、ホール３５の底壁面３５ｂに対するシースＳｈの厚さＷｂよりも小さい（Ｗａ＜Ｗｂ）。
【００４１】
上記（ａ）（ｂ）が満たされる逆スパッタによれば、シースＳｈで加速されるスパッタ粒子Ｓｐの衝突が、ホール３５の底壁面３５ｂよりも、ホール３５の内壁面３５ａ及び絶縁層３４の表面３４ａに対して優先的に進行するようになる。その結果、図３（ｄ）に示されるように、ホール３５の底壁面３５ｂにのみ選択的に下部触媒層３６を残すことができる。また、この際、ホール３５の開口近傍では、シースＳｈで加速されるスパッタ粒子Ｓｐの殆どが、内壁面３５ａの法線方向に沿って該内壁面３５ａに引き込まれる。そのため、ホール３５の開口近傍では、上述したイオンミリング法と比較して、スパッタ粒子Ｓｐが反跳した粒子やスパッタ粒子Ｓｐによりスパッタされた粒子、これらが底壁面３５ｂに向けて進行することを抑えることができる。
【００４２】
なお、ホール３５内に形成されるシースＳｈの厚さの分布は、ホール３５の形状によっても異なるものである。ただし、こうしたシースＳｈの厚さの分布は、逆スパッタ時のプラズマ密度、ひいては逆スパッタ時の真空槽２１内の圧力と、高周波電源２５の出力する高周波電力の大きさによって概ね調整することが可能である。そして、こうしたシースＳｈの厚さの分布が得られるプラズマ条件は、逆スパッタ後の触媒層の形状、さらには逆スパッタ後のカーボンナノチューブの成長方向によって最適化することが可能であり、また
数値計算によっても得ることが可能である。
例えば、上述したサイズのホール３５に対して底壁面３５ｂ上の下部触媒層３６のみを残す場合には、以下のようなプロセス条件が挙げられる。
・アルゴン流量：１ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍ
・プロセス圧力：０．１Ｐａ〜１０Ｐａ
・高周波電力：１０Ｗ〜１０００Ｗ
【００４３】
基板Ｓに形成された下部触媒層３６の逆スパッタが終了すると、基板Ｓは、搬送ロボット１２ａによって搬送チャンバ１２を介して触媒層形成チャンバ１３に再び搬入される。基板Ｓが触媒層形成チャンバ１３に搬入されると、図４（ａ）に示されるように、絶縁層３４に形成されたホール３５の内表面の全体、つまり内壁面３５ａと、下部触媒層３６の形成された底壁面３５ｂとを含むように、絶縁層３４の表面３４ａ全体にコバルトの上部触媒層３７が形成される。上部触媒層３７は、例えば１〜１．５ｎｍの厚さに形成される。
【００４４】
なお、本実施形態では、下部触媒層３６と上部触媒層３７とから構成される触媒層を形成している。このような二層構造の触媒層によれば、カーボンナノチューブを形成するときの基板Ｓの温度を低下させることができる。それゆえに、上記配線構造を形成するときの熱履歴を低減することができる。
【００４５】
上部触媒層３７が形成されると、基板Ｓは、上記搬送ロボット１２ａによって搬送チャンバ１２を介して逆スパッタチャンバ１４に再び搬入される。基板Ｓが逆スパッタチャンバ１４に搬入されると、図４（ｂ）に示されるように、上記真空槽２１内に形成されたアルゴンのプラズマ中に含まれるスパッタ粒子Ｓｐによって上部触媒層３７が逆スパッタされる。なお、上部触媒層３７が逆スパッタされるときにも、上記下部触媒層３６が逆スパッタされたときと同じ態様で、絶縁層３４の表面３４ａ及びホール３５の内部にシースＳｈが形成される。そのため、シースＳｈで加速されるスパッタ粒子Ｓｐの衝突が、ホール３５の底壁面３５ｂよりもホール３５の内壁面３５ａ及び絶縁層３４の表面３４ａに対して優先的に進行するようになる。その結果、図４（ｃ）に示されるように、ホール３５の底壁面３５ｂに形成された下部触媒層３６上にのみ選択的に上部触媒層３７を残すことができる。
【００４６】
上部触媒層３７の逆スパッタが終了すると、基板Ｓは、搬送ロボット１２ａによって搬送チャンバ１２を介して上記熱ＣＶＤチャンバ１５に搬送される。基板Ｓが熱ＣＶＤチャンバ１５に搬入されると、基板Ｓが所定温度に加熱されるとともに、該基板Ｓに対して感化水素ガスが供給される。これにより、図４（ｄ）に示されるように、ホール３５の底壁面３５ｂに形成された下部触媒層３６と上部触媒層３７とから、上記積層方向と平行、且つこれら触媒層３６，３７から離れる方向に延びるカーボンナノチューブ３８が形成される。このとき、カーボンナノチューブ３８は、上記絶縁層３４の表面３４ａに形成されたホール３５の開口から上端部３８ａが突出する長さに形成される。
【００４７】
カーボンナノチューブ３８の形成が終了すると、基板Ｓは、搬送ロボット１２ａによって、搬送チャンバ１２を介して逆スパッタチャンバ１４に再び搬入される。基板Ｓが逆スパッタチャンバ１４に搬入されると、図４（ｅ）に示されるように、アルゴンガスのプラズマが真空槽２１内に生成されることで、絶縁層３４の表面３４ａ及びカーボンナノチューブ３８の上端部３８ａを覆うようにシースＳｈが形成される。
【００４８】
このとき、カーボンナノチューブ３８の上端部３８ａでは、該カーボンナノチューブ３８の先端であるキャップ３８ｂに近い程、チャージが優先的に蓄積することになる。そのため、キャップ３８ｂに向かってスパッタ粒子Ｓｐが引き込まれやすくなることから、該
キャップ３８ｂ側から順に上端部３８ａが除去される。それゆえに、絶縁層３４の表面３４ａから突出したカーボンナノチューブ３８のみを選択的に除去することが容易になる。
【００４９】
なお、逆スパッタによってスパッタされるカーボンナノチューブのスパッタ速度が予め実験等によって定められ、カーボンナノチューブ３８の上端部３８ａを除去するための逆スパッタは、上記上端部３８ａの除去に必要な時間だけ継続される。これにより、図５（ａ）に示されるように、カーボンナノチューブ３８の上端部３８ａが除去される。なお、こうして上端部３８ａが除去されることによって、カーボンナノチューブ３８のキャップ３８ｂが取り除かれるため、つまり、カーボンナノチューブ３８が開端されるため、カーボンナノチューブ３８とこれに接続される上部配線層３９との接続部位にて導電性が向上する。
【００５０】
カーボンナノチューブ３８の上端部３８ａが除去されると、基板Ｓは、搬送ロボット１２ａによって搬送チャンバ１２を介して上記導電層形成チャンバ１６に搬送される。基板Ｓが導電層形成チャンバ１６に搬入されると、該導電層形成チャンバ１６内に配設されたターゲットのスパッタにより、図５（ｂ）に示されるように、絶縁層３４の表面３４ａとカーボンナノチューブ３８の先端とに、窒化タンタルからなる上部配線層３９が形成される。本実施形態では、カーボンナノチューブ３８の開端と、その上部を覆うように形成される上部配線層３９の形成とが、共通する真空系にて行われることになる。そのため、開端されたカーボンナノチューブ３８の内部に空気が入り込むことを回避できる。それゆえに、カーボンナノチューブ３８の電気的特性が空気によって低下することを回避できる。
【００５１】
上述した工程を経ることによって、カーボンナノチューブ３８と、該カーボンナノチューブ３８によって接続される導電層である下部配線層３２と上部配線層３９とを有する配線構造が形成される。
【００５２】
以上説明したように、上記実施形態によれば、以下に列挙する効果が得られるようになる。
（１）下部触媒層３６及び上部触媒層３７がホール３５の内表面の全体に形成された後、ホール３５内にシースＳｈの形成されるプラズマが生成され、これにより、ホール３５の内壁面３５ａに形成された各触媒層３６，３７にプラズマ中のスパッタ粒子Ｓｐが衝突する。このとき、ホール３５の内壁面３５ａに対するシースＳｈの厚さＷａが、ホール３５の底壁面３５ｂに対するシースＳｈの厚さＷｂよりも小さくなる。そのため、シースＳｈで加速されるイオンの衝突が、ホール３５の底壁面３５ｂよりもホール３５の内壁面３５ａに対して優先的に進行するようになる。その結果、ホール３５の底壁面３５ｂにのみ選択的に各触媒層３６，３７を残すこと、ひいてはカーボンナノチューブ３８の支配的な成長方向を積層方向にすることが容易なものとなる。そして、カーボンナノチューブ３８の成長方向を揃えることができることから、配線構造の電気的特性を向上することが可能になる。
【００５３】
（２）上部配線層３９が形成される前に、プラズマ中のスパッタ粒子Ｓｐの衝突によってカーボンナノチューブ３８の上端部３８ａが除去される。そのため、カーボンナノチューブ３８のうち、ホール３５の開口から突出した部位にチャージが優先的に蓄積することから、カーボンナノチューブ３８の先端側から順にカーボンナノチューブ３８が除去される。それゆえに、上記開口から突出したカーボンナノチューブ３８のみを選択的に除去することが容易になる。
【００５４】
（３）カーボンナノチューブ３８の上端部３８ａの除去と、上部配線層３９の形成とが共通する真空系にて行われる。これにより、カーボンナノチューブ３８の上端部３８ａの除去によってキャップ３８ｂが開端されたとしても、カーボンナノチューブ３８内に空気
が入り込むことを抑えることで、空気によってカーボンナノチューブ３８の電気的特性が低下することを抑制できる。
【００５５】
（４）カーボンナノチューブ３８が形成される前に、窒化チタンの下部触媒層３６とコバルトの上部触媒層３７とからなる二層構造の触媒層が形成される。これにより、熱ＣＶＤによってカーボンナノチューブ３８が形成されるときに、基板Ｓの温度を低下させることができる。それゆえに、上記配線構造を形成するときの熱履歴を低減することができる。
【００５６】
（５）スパッタ法によって下部触媒層３６と上部触媒層３７とを形成するようにした。そのため、他の成膜方法、例えば、電子ビーム蒸着法等によってこれら触媒層３６，３７を形成するよりも、大面積の基板Ｓに対して各触媒層３６，３７の形成が可能であるとともに、一度に複数の基板Ｓに対して各触媒層３６，３７を形成することも可能である。
【００５７】
なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することができる。
・上記支持基板３１は、シリコン以外の半導体からなる基板の他、石英やサファイア等の絶縁体からなる基板であってもよい。要は、絶縁層が積層された導電層に該絶縁層を貫通する凹部が形成された基板であればよい。
【００５８】
・上記下部配線層３２及び上部配線層３９は、導電性を有する配線層であればよく、銅や窒化タンタル以外で形成された層、例えばアルミニウムからなる層であってもよい。要は、下部配線層は、カーボンナノチューブ用の触媒層を積層することの可能な導電層であればよく、上部配線層は、カーボンナノチューブと接続することの可能な導電層であればよい。
【００５９】
・上記バリア層３３は窒化タンタルに限らず、下部配線層３２を形成する金属元素の拡散を抑えることのできる材料、且つ導電性を有する材料によって形成されていればよい。
【００６０】
・上記ホール３５の直径が１６０ｎｍであるとともに、該ホール３５の深さが２００ｎｍであるが、ホール３５の直径やホール３５の深さは、これに限定されるものではない。また、ホール３５の形状は、円形孔状に限られず、矩形孔状であってもよく、また、多段孔状であってもよい。要は、絶縁層に形成される凹部とは、絶縁層を貫通して該絶縁層の下層である導電層に接続されるものであればよい。
【００６１】
・下部触媒層３６は、窒化タンタルのターゲットをアルゴンによってスパッタすることによって形成するようにした。これに限らず、下部触媒層３６は、タンタルのターゲットを窒素含有ガスでスパッタすることによって形成するようにしてもよい。
【００６２】
・下部触媒層３６と上部触媒層３７とをスパッタ法により形成するようにした。これに限らず、これら触媒層３６，３７を電子ビーム蒸着法によって形成するようにしてもよい。これによれば、以下のような効果が得られるようになる。
【００６３】
（６）例えば、スパッタ法や各種ＣＶＤ法等の他の成膜方法によって各触媒層３６，３７を形成するよりも、凹部内における触媒層３６，３７の膜厚を底壁面上にて大きくすることが容易となる。そのため、ホール３５の内壁面３５ａに形成される触媒層３６，３７の膜厚をホール３５の底壁面３５ｂに形成される触媒層３６，３７の膜厚よりも予め大きくすることが容易となる。それゆえに、これら触媒層３６，３７を除去する工程を経ることにより、ホール３５の内壁面３５ａに形成された触媒層３６，３７がより確実に除去されるようになる。
【００６４】
・下部触媒層３６を窒化チタンによって形成するとともに、上部触媒層３７をコバルトによって形成するようにした。これに限らず、これら下部触媒層３６と上部触媒層３７とは、以下の金属、及び金属化合物の組み合わせとするようにしてもよい。すなわち、下部触媒層３６は、チタン、タンタル、バナジウム、ニオブ、これら遷移金属の窒化物、及び、該遷移金属の酸化物の少なくとも一つによって形成するようにすればよい。そして、上部触媒層３７は、上記コバルト、ニッケル、及び鉄のいずれかによって形成するようにすればよい。こうした材料によって形成される下部触媒層３６と上部触媒層３７との組み合わせによっても、上記窒化チタンの下部触媒層３６とコバルトの上部触媒層３７との組み合わせによって得られる効果と同等の効果が得られるようになる。
・また、上述のような触媒層の組み合わせにあわせて、上記触媒層形成チャンバ１３に配設されたターゲットの組み合わせを変更してもよい。
【００６５】
・触媒層形成チャンバ１３には、下部触媒層３６を形成するためのターゲットと、上部触媒層３７を形成するための触媒層との両方が配設されるようにした。これに限らず、上記クラスター装置１０には、下部触媒層３６を形成するためのチャンバと、上部触媒層３７を形成するためのチャンバとが各別に設けられるようにしてもよい。
・上記高周波電源２５からステージ電極２３に供給される高周波の周波数は、上記（ａ）（ｂ）の各条件を満たす逆スパッタが可能な周波数であれば任意に設定してよい。
【００６６】
・上部配線層３９を形成する導電層形成チャンバ１６をスパッタチャンバとして具現化するようにしたが、電子ビーム蒸発法によって上部配線層３９を形成するチャンバとして具現化するようにしてもよい。
【００６７】
・上記クラスター装置１０は、単一の逆スパッタチャンバ１４を備えるものとしたが、下部触媒層３６、上部触媒層３７、及びカーボンナノチューブ３８のそれぞれのみを逆スパッタするチャンバを各別に有する構成であってもよい。あるいは、上記クラスター装置１０は、各触媒層３６，３７の両方を逆スパッタするチャンバとカーボンナノチューブ３８を逆スパッタするチャンバとを各別に有する構成であってもよい。
【００６８】
・上記クラスター装置１０は、カーボンナノチューブ３８を逆スパッタするチャンバを上記各触媒層３６，３７の逆スパッタに用いるチャンバとは別に有するとともに、カーボンナノチューブ３８の逆スパッタをチャンバでは、アルゴンガスと酸素ガスとの混合ガスによって逆スパッタが行われる構成であってもよい。このような構成や方法によれば、カーボンナノチューブ３８の上端部３８ａの除去に要する時間を短くすることが可能になる。
【００６９】
・カーボンナノチューブ３８の上端部３８ａは、逆スパッタ法によって除去するようにしたが、他の方法、例えば化学機械研磨法（ＣＭＰ法）やイオンミリング法によって除去するようにしてもよい。このような方法であっても、カーボンナノチューブの成長方向が積層方向に揃えられる以上、配線構造の電気的特性を向上することは可能になる。
【００７０】
・上部配線層３９を形成する導電層形成チャンバ１６は、カーボンナノチューブを形成するための熱ＣＶＤチャンバとは共通の真空系を構成しない装置として具現化することも可能である。また、カーボンナノチューブ３８の上端部３８ａを除去するための逆スパッタチャンバも、カーボンナノチューブを形成するための熱ＣＶＤチャンバとは共通の真空系を構成しない装置として具現化することも可能である。このような構成であっても、カーボンナノチューブの成長方向が積層方向に揃えられる以上、配線構造の電気的特性を向上することは可能になる。なお、このような構成であっても、上端部３８ａを除去するための逆スパッタチャンバと上部配線層３９を形成する導電層形成チャンバ１６とが共通の真空系を構成するのであれば、開端されたカーボンナノチューブ３８に空気が侵入するこ
とを抑えることは可能である。
【００７１】
・ホール３５の内壁面３５ａに対するシースＳｈの厚さＷａが、ホール３５の底壁面３５ｂに対するシースＳｈの厚さＷｂよりも小さい構成であれば、ホール３５の底壁面３５ｂにスパッタ粒子Ｓｐが引き込まれてもよい。このような構成であっても、厚さＷａが厚さＷｂよりも小さい以上、内壁面３５ａ上の触媒層を底壁面３５ｂ上の触媒層よりも優先的に除去することは可能である。
【００７２】
なお、ホール３５の底壁面３５ｂにスパッタ粒子Ｓｐが引き込まれるのであれば、該スパッタ粒子Ｓｐの有するエネルギーが、触媒層のスパッタに必要なエネルギーよりも小さいことが好ましい。すなわち、ホール３５の内壁面３５ａに対するシースＳｈの厚さＷａは、該内壁面３５ａに引き込まれるスパッタ粒子Ｓｐが、触媒層のスパッタに必要なエネルギーを有する厚さである。一方、ホール３５の底壁面３５ｂに対するシースＳｈの厚さＷｂは、該底壁面３５ｂに引き込まれるスパッタ粒子Ｓｐが、触媒層のスパッタに必要なエネルギーを有しない厚さが好ましい。さらには、ホール３５の底壁面３５ｂに対するシースＳｈの厚さＷｂは、プラズマ中のイオンであるスパッタ粒子Ｓｐが、ホール３５内における他の粒子と衝突してホール３５の底壁面３５ｂに到達しない厚さが好ましい。ただし、ホール３５の内壁面３５ａに形成された下部触媒層３６あるいは上部触媒層３７が除去され、且つ、ホール３５の底壁面３５ｂに形成された下部触媒層３６あるいは上部触媒層３７が残るのであれば、ホール３５の底壁面にスパッタ粒子Ｓｐが到達するような方法であってもよい。
【００７３】
・逆スパッタチャンバ１４においては、アルゴンガスを用いて基板Ｓの逆スパッタを行うようにした。これに限らず、プラズマの生成に用いられるガスは、アルゴンガス以外の希ガス、例えばヘリウムガス、ネオンガス、クリプトンガス、及びキセノンガスや、希ガス以外の不活性ガスであってもよい。要は、ホール３５の内壁面３５ａに形成された下部触媒層３６あるいは上部触媒層３７がプラズマ中のスパッタ粒子Ｓｐによって除去され、且つ、プラズマ中のラジカルによって下部触媒層３６あるいは上部触媒層３７がエッチングされないガスであればよい。
【００７４】
・配線構造は、上記シリコン等の半導体で形成された支持基板３１上にて絶縁層３４の上下に形成された下部配線層３２と上部配線層３９とを接続するカーボンナノチューブ３８を有する構造とした。これに限らず、該配線構造は、例えば能動素子と下部配線層３２とがカーボンナノチューブによって接続される構造であってもよく、絶縁層が積層された導電層に該絶縁層を貫通するカーボンナノチューブが接続される構造であればよい。
【符号の説明】
【００７５】
１０…クラスター装置、１１…搬出入チャンバ、１２…搬送チャンバ、１２ａ…搬送ロボット、１３…触媒層形成チャンバ、１４…逆スパッタチャンバ、１５…熱ＣＶＤチャンバ、１６…導電層形成チャンバ、２１…真空槽、２１ａ…ガス供給口、２１ｂ…排気口、２２…基板ステージ、２３…ステージ電極、２４…整合器、２５…高周波電源、２６…シャワープレート、２７…スパッタガス供給部、２８…排気部、３１，４１…支持基板、３２，４２…下部配線層、３３…バリア層、３４，４３…絶縁層、３４ａ，４３ａ…表面、３５，４４…ホール、３５ａ，４４ａ…内壁面、３５ｂ，４４ｂ…底壁面、３６…下部触媒層、３７…上部触媒層、３８…カーボンナノチューブ、３８ａ…上端部、３８ｂ…キャップ、３９…上部配線層、４５…触媒層、４５ａ…金属粒子、Ｐ…ミリング粒子、Ｓ…基板、Ｓｈ…シース、Ｓｐ…スパッタ粒子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電層にカーボンナノチューブが接続された配線形成方法であって、
前記導電層に積層された絶縁層にその積層方向に貫通する凹部を形成する工程と、
前記凹部の内表面の全体を覆うように前記絶縁層上に触媒層を形成する工程と、
前記凹部の内部にシースが形成され、且つ前記凹部の内壁面に対するシースの厚さが前記凹部の底壁面に対するシースの厚さよりも小さくなるようにプラズマを生成し、前記内壁面に形成された前記触媒層を前記プラズマ中のイオンによって除去する工程と、
前記凹部の底壁面に残された前記触媒層を用いて該底壁面からカーボンナノチューブを形成する工程と
を有することを特徴とする配線形成方法。
【請求項２】
前記カーボンナノチューブを形成した後に前記絶縁層上にプラズマを生成し、前記凹部の開口から突出した前記カーボンナノチューブに該プラズマ中のイオンを衝突させて前記カーボンナノチューブの先端側を除去する工程を有する
請求項１に記載の配線形成方法。
【請求項３】
前記カーボンナノチューブの先端を除去する工程の後に前記カーボンナノチューブに接続される導電層を前記絶縁層上に積層する工程をさらに有し、
前記カーボンナノチューブの先端を除去する工程と前記絶縁層上に導電層を積層する工程とが共通する真空系で行われる
請求項２に記載の配線形成方法。
【請求項４】
前記触媒層は、下部触媒層と上部触媒層とから形成され、
前記下部触媒層は、チタン、タンタル、バナジウム、ニオブ、これら遷移金属の窒化物及び該遷移金属の酸化物の少なくとも一つによって形成され、
前記上部触媒層は、コバルト、ニッケル、及び鉄のいずれかによって形成されている
請求項１〜３のいずれか一項に記載の配線形成方法。
【請求項５】
前記触媒層をスパッタ法によって形成する
請求項１〜４のいずれか一項に記載の配線形成方法。
【請求項６】
前記触媒層を電子ビーム蒸着法によって形成する
請求項１〜４のいずれか一項に記載の配線形成方法。
【請求項７】
前記絶縁層上の導電層をスパッタ法によって形成する
請求項３〜６のいずれか一項に記載の配線形成方法。
【請求項８】
前記絶縁層上の導電層を電子ビーム蒸着法によって形成する
請求項３〜６のいずれか一項に記載の配線形成方法。
【請求項９】
絶縁層が積層された導電層に該絶縁層を貫通する凹部を介してカーボンナノチューブが接続された配線構造を形成する配線形成装置であって、
前記凹部の内表面の全体が含まれるように前記絶縁層上に触媒層を形成するチャンバと、
前記凹部の内部にシースが形成され、且つ前記凹部の内壁面に対するシースの厚さが前記凹部の底壁面に対するシースの厚さよりも小さくなるようにプラズマを生成し、前記内壁面に形成された前記触媒層を前記プラズマ中のイオンによって除去するチャンバと、
前記凹部の底壁面に残された前記触媒層を用いて該底壁面からカーボンナノチューブを形成するチャンバと
を備えることを特徴とする配線形成装置。
【請求項１】
導電層にカーボンナノチューブが接続された配線形成方法であって、
前記導電層に積層された絶縁層にその積層方向に貫通する凹部を形成する工程と、
前記凹部の内表面の全体を覆うように前記絶縁層上に触媒層を形成する工程と、
前記凹部の内部にシースが形成され、且つ前記凹部の内壁面に対するシースの厚さが前記凹部の底壁面に対するシースの厚さよりも小さくなるようにプラズマを生成し、前記内壁面に形成された前記触媒層を前記プラズマ中のイオンによって除去する工程と、
前記凹部の底壁面に残された前記触媒層を用いて該底壁面からカーボンナノチューブを形成する工程と
を有することを特徴とする配線形成方法。
【請求項２】
前記カーボンナノチューブを形成した後に前記絶縁層上にプラズマを生成し、前記凹部の開口から突出した前記カーボンナノチューブに該プラズマ中のイオンを衝突させて前記カーボンナノチューブの先端側を除去する工程を有する
請求項１に記載の配線形成方法。
【請求項３】
前記カーボンナノチューブの先端を除去する工程の後に前記カーボンナノチューブに接続される導電層を前記絶縁層上に積層する工程をさらに有し、
前記カーボンナノチューブの先端を除去する工程と前記絶縁層上に導電層を積層する工程とが共通する真空系で行われる
請求項２に記載の配線形成方法。
【請求項４】
前記触媒層は、下部触媒層と上部触媒層とから形成され、
前記下部触媒層は、チタン、タンタル、バナジウム、ニオブ、これら遷移金属の窒化物及び該遷移金属の酸化物の少なくとも一つによって形成され、
前記上部触媒層は、コバルト、ニッケル、及び鉄のいずれかによって形成されている
請求項１〜３のいずれか一項に記載の配線形成方法。
【請求項５】
前記触媒層をスパッタ法によって形成する
請求項１〜４のいずれか一項に記載の配線形成方法。
【請求項６】
前記触媒層を電子ビーム蒸着法によって形成する
請求項１〜４のいずれか一項に記載の配線形成方法。
【請求項７】
前記絶縁層上の導電層をスパッタ法によって形成する
請求項３〜６のいずれか一項に記載の配線形成方法。
【請求項８】
前記絶縁層上の導電層を電子ビーム蒸着法によって形成する
請求項３〜６のいずれか一項に記載の配線形成方法。
【請求項９】
絶縁層が積層された導電層に該絶縁層を貫通する凹部を介してカーボンナノチューブが接続された配線構造を形成する配線形成装置であって、
前記凹部の内表面の全体が含まれるように前記絶縁層上に触媒層を形成するチャンバと、
前記凹部の内部にシースが形成され、且つ前記凹部の内壁面に対するシースの厚さが前記凹部の底壁面に対するシースの厚さよりも小さくなるようにプラズマを生成し、前記内壁面に形成された前記触媒層を前記プラズマ中のイオンによって除去するチャンバと、
前記凹部の底壁面に残された前記触媒層を用いて該底壁面からカーボンナノチューブを形成するチャンバと
を備えることを特徴とする配線形成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１８６２０８（Ｐ２０１２−１８６２０８Ａ）
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４６４９９（Ｐ２０１１−４６４９９）
【出願日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【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２０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】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【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２０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】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
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