JP2016063097A - カーボンナノチューブ配線構造およびその製造方法 - Google Patents

カーボンナノチューブ配線構造およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】カーボンナノチューブを用いた低抵抗な配線構造およびその製造方法を提供する。【解決手段】カーボンナノチューブ配線構造は、第１の配線層１と、第１の配線層上に第１の層間絶縁膜２と、第１の層間絶縁膜上に第２の層間絶縁膜３と、第１の層間絶縁膜と第２の層間絶縁膜を貫通するコンタクトホール４と、コンタクトホールの下端の第１の配線層上に触媒金属膜と、第２の層間絶縁膜上に第２の配線層と、コンタクトホール内の触媒金属膜上に第１の配線層と第２の配線層を電気的に接続するカーボンナノチューブ６と、カーボンナノチューブ間に埋め込み膜７と、を備える。コンタクトホール長さをＬとし、コンタクトホールの上端の開口面積をＡとし、コンタクトホールの上端の開口直径をａとし、コンタクトホールの下端の開口面積をＢとするとき、Ａ及びＢは、Ｂ／Ａ＞１．５を満たし、Ｌ及びＡは、Ｌ／ａ≧２を満たす。【選択図】図１

Description

実施形態は、カーボンナノチューブ配線構造およびその製造方法に関する。
ＬＳＩや３Ｄメモリの微細化および多層化に伴い、金属配線において配線遅延の増大が大きな問題となっている。配線遅延の低減には、配線抵抗や配線間容量の低減が重要である。配線の低抵抗化には、例えばＣｕなどの低抵抗材料の適用が実用化されている。しかし、Ｃｕ配線においても、ストレスマイグレーションやエレクトロマイグレーションによる信頼性劣化、サイズ効果に起因する電気抵抗率の上昇、微細ビアホールへの埋め込みなどが問題となっており、低抵抗かつ電流密度耐性に優れた配線材料が求められている。
低抵抗・高信頼性が期待できる次世代配線材料として、高い電流密度耐性、電気伝導特性、熱伝導率、機械的強度など優れた物性を有するカーボンナノチューブやグラフェン等の炭素系材料の応用が注目されている。特に、高アスペクト比の縦方向層間配線にカーボンナノチューブを用いる配線構造が検討されている。
特開２００８−１６８４９
実施形態は、高密度なカーボンナノチューブ配線構造およびその製造方法を提供することを目的とする。
実施形態にかかるカーボンナノチューブ配線構造は、第１の配線層と、第１の配線層上に第１の層間絶縁膜と、第１の層間絶縁膜上に第２の層間絶縁膜と、第１の層間絶縁膜と第２の層間絶縁膜を貫通するコンタクトホールと、コンタクトホールの下端の第１の配線層上に触媒金属膜と、第２の層間絶縁膜上に第２の配線層と、コンタクトホール内の触媒金属膜上に第１の配線層と第２の配線層を電気的に接続するカーボンナノチューブと、を備え、コンタクトホール長さをＬとし、コンタクトホールの上端の開口面積をＡとし、コンタクトホールの上端の開口直径をａとし、コンタクトホールの下端の開口面積をＢとするとき、Ａ及びＢは、Ｂ／Ａ＞１．５を満たし、Ｌ及びａは、Ｌ／ａ≧２を満たす。
図１は、実施形態１の配線の構造断面図である。 図２は、実施形態１の配線にかかる第１の層間絶縁膜および第２の層間絶縁膜形成工程図である 図３は、実施形態１の配線にかかる第２の層間絶縁膜のエッチング工程図である。 図４は、実施形態１の配線にかかる第１の層間絶縁膜のエッチング工程図である。 図５は、実施形態１の配線にかかる触媒金属膜を形成する工程図である。 図６は、実施形態１の配線にかかるカーボンナノチューブを成長する工程図である。 図７は、実施形態１の配線にかかる埋め込み膜を形成する工程図である。 図８は、実施形態１の配線にかかる平坦化工程図である。 図９は、実施形態２の配線の構造断面図である。 図１０は、実施形態２の配線にかかる触媒金属膜、第１の層間絶縁膜と第２の層間絶縁膜を形成する工程図である。 図１１は、実施形態２の配線にかかる第１の層間絶縁膜のエッチング工程図である。 図１２は、実施形態２の配線にかかる第２の層間絶縁膜のエッチング工程図である。 図１３は、実施形態２の配線にかかるカーボンナノチューブを成長する工程図である。 図１４は、実施形態２の配線にかかる埋め込み膜を形成する工程図である。 図１５は、実施形態２の配線にかかる平坦化工程図である。 図１６は、実施形態３の配線の構造断面図である。 図１７は、実施形態４の配線の構造断面図である。
カーボンナノチューブ配線の電気抵抗は、コンタクトホール内に形成したカーボンナノチューブの本数で決まる。しかしながら、コンタクトホールのアスペクト比が２以上になると、プラズマ処理等による触媒金属膜を高密度に微粒化することが困難になり、十分な密度のカーボンナノチューブが得られず、電気抵抗を十分に低減できない懸念がある。コンタクトホールのアスペクト比が大きく、上層側の配線幅を狭くするという制約がある際に、カーボンナノチューブの低密度化の問題が起こりやすい。そのため、アスペクト比が大きなコンタクトホール内において、触媒金属膜が高密度に微粒子化せずとも、高密度なカーボンナノチューブを得ることが好ましい。
以下、実施形態の配線を例にカーボンナノチューブ配線構造について図面を用いて説明する。
（実施形態１）
実施形態１のカーボンナノチューブ配線構造は、第１の配線層と、第１の配線層上に第１の層間絶縁膜と、第１の層間絶縁膜上に第２の層間絶縁膜と、第１の層間絶縁膜と第２の層間絶縁膜を貫通するコンタクトホールと、コンタクトホールの下端の第１の配線層上に触媒金属膜と、第２の層間絶縁膜上に第２の配線層と、コンタクトホール内の触媒金属膜上に第１の配線層と第２の配線層を電気的に接続するカーボンナノチューブと、カーボンナノチューブ間に埋め込み膜又は空隙を有する。
図１に、実施形態１のカーボンナノチューブ配線構造の構造断面図を示す。図１に示すカーボンナノチューブ配線構造は、例えば、半導体装置等の層間配線にかかる構造である。半導体装置としては、マイコン、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ−Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）や３次元ＮＡＮＤフラッシュメモリ等、特に限定されるものではない。実施形態１のカーボンナノチューブ配線のより具体的な利用例としては、アスペクト比（配線長／開口直径）が大きなＢｉＣＳメモリ構造のブロック間を接続するコンタクトプラグが挙げられる。
図１に示すカーボンナノチューブ配線構造は、第１の配線層１、第１の層間絶縁膜２、第２の層間絶縁膜３、触媒金属膜５（５Ａ、５Ｂ）、カーボンナノチューブ６（コンタクトホール４中），埋め込み膜７（コンタクトホール４中）、第２の配線層８とを有する。
第１の配線層１は、Ｃｕなどの導電材料で形成されたいわゆる下部配線層である。第１の配線層１は、半導体装置等の内部の配線層である。配線層中には、半導体回路を有していてもよい。第１の配線層１は、触媒金属膜５を介して、カーボンナノチューブ６と電気的に接続している。
第１の層間絶縁膜２は、第１の配線層１と第２の層間絶縁膜３との間に存在する絶縁膜である。第１の層間絶縁膜２は、カーボンナノチューブ６と埋め込み膜７が存在するコンタクトホール４と触媒金属膜５Ｂを挟む様に存在する。第１の配線層２の厚さ（コンタクトホール４の貫通方向の厚さ）をｄ１とする。第１の層間絶縁膜２の開口面積（第１の層間絶縁膜２の第１の配線層１側の開口部の開口面積）は、第２の層間絶縁膜３の開口面積（第２の層間絶縁膜３の第２の配線層８側の開口部の開口面積）よりも大きいことが好ましい。開口面積に違いを設けるために、第１の層間絶縁膜２と第２の層間絶縁膜は異なるエッチングレートを有する材料からなる絶縁膜であることが好ましい。例えば、第１の層間絶縁膜２の誘電率は、第２の層間絶縁膜３の誘電率よりも高いことが好ましい。そこで、第１の層間絶縁膜２は、シリコン窒化膜が好ましく、例えば、ＳｉＮやＳｉＣＮなどの誘電率が４より大きい高誘電率絶縁膜である。第１の層間絶縁膜２は、単層でもよいし、材料の異なる複数の層で構成されていてもよい。なお、第２の層間絶縁膜３の誘電率が第１の層間絶縁膜の誘電率よりも高いという上記と逆の構成でもよい。
第２の層間絶縁膜３は、第１の層間絶縁膜２と第２の配線層８との間に存在する絶縁膜である。第２の層間絶縁膜３は、カーボンナノチューブ６と埋め込み膜７が存在するコンタクトホール４と触媒金属膜５Ｂを挟む様に存在する。第２の配線層３の厚さ（コンタクトホール４の貫通方向の厚さ）をｄ２とする。第１の層間絶縁膜２の説明で記載した理由により、第２の層間絶縁膜３は、第１の層間絶縁膜２で用いられる絶縁膜材料よりも低誘電率のシリコン酸化膜が好ましく、例えば、ＳｉＯ２やＳｉＯＣなどの低誘電率絶縁膜である。第２の層間絶縁膜３は、単層でもよいし、材料の異なる複数の層で構成されていてもよい。
コンタクトホール４は、第１の配線層１と第２の配線層８との間に存在する領域である。コンタクトホール４底部には、触媒金属膜５Ａが存在する。コンタクトホール４中には、多数本のカーボンナノチューブ６とカーボンナノチューブ６の間に埋め込み膜７が存在する。コンタクトホール４の開口した上端部において、カーボンナノチューブ６と第２の配線層が電気的及び物理的に接続している。コンタクトホール４の開口した下端部において、微粒子化した触媒金属膜５Ａを介してカーボンナノチューブ６と第１の配線層１が電気的及び物理的に接続している。
コンタクトホール４の上端（コンタクトホール４と第２の配線層８との界面）の開口面積Ａは、コンタクトホール４の下端（コンタクトホール４）の開口面積Ｂより狭いことが好ましい。つまり、Ｂ／Ａ＞１を少なくとも満たすことが好ましい。コンタクトホール４の形状は、上端が先細りのテーパー形状であることが好ましい。コンタクトホール４の開口面積には、触媒金属膜５の厚さは含まれない。
実施形態の配線構造では、コンタクトホール４の底部の微粒子化した触媒金属膜５Ａからカーボンナノチューブが成長した配線を有する。コンタクトホール４のアスペクト比が大きな配線構造では、アスペクト比が小さな（２未満）配線構造と比べて触媒金属膜５が微粒子化しにくい。触媒金属膜５の微粒子化が生じにくいとカーボンナノチューブ６の密度（本／ｃｍ３）が低くなってしまう。そのため、コンタクトホール４のアスペクト比が大きい場合で、コンタクトホール４の上端と下端の開口面積が同じであると、そのコンタクトホール４内のカーボンナノチューブ６の密度は低くなる。しかし、触媒金属膜５のうち微粒子化した割合が低くても、コンタクトホール４の底部（下端）の面積をコンタクトホール４の上端の開口面積よりも大面積化することで、コンタクトホール４の底部に存在する微粒子化した触媒金属膜５Ａの絶対数を大きくすることができる。そこで、第２の層間絶縁膜３に挟まれた領域のコンタクトホール４中のカーボンナノチューブ６の密度を高める観点から、Ｂ／Ａ＞１．５を満たすことが好ましく、Ｂ／Ａ＞２を満たすことがより好ましい。なお、開口面積は、走査型電子顕微鏡又は透過型電子顕微鏡で撮影した画像から求めることができる。撮影倍率は、コンタクトホールの開口面積に応じて適切な値が選択される。
また、第１の層間絶縁膜２と第２の層間絶縁膜３の境界におけるコンタクトホール４の開口面積Ｃは、Ａ≦Ｃ＜Ｂを満たすことが好ましい。開口面積Ｃが開口面積Ａよりも小さいと、カーボンナノチューブ６が成長する段階で、第１の層間絶縁膜２と第２の層間絶縁膜３の境界におけるコンタクトホール４において、カーボンナノチューブ６が詰まってしまい、カーボンナノチューブ６が成長不十分となって、第２の配線層８まで到達しないものが増加してしまうことが好ましくない。
コンタクトホール４の長さＬは、第１の配線層１から第２の配線層８までの長さである。コンタクトホール４の長さＬは、例えば、１００ｎｍ以上３μｍ以下である。実施形態のコンタクトホール４のアスペクト比は、コンタクトホール４の上端の開口直径を基準に定められる。コンタクトホール４が円形型に開口している場合は、配線構造の断面撮影画像から求められた直径をコンタクトホール４の上端の開口直径ａとする。また、コンタクトホール４の開口形状が円形ではない場合は、コンタクトホール４の開口面積Ａを求め、そして、開口直径ａは、ａ＝（Ａ／π）１／２の式から求められた値とする。開口直径ｂ及び開口直径ｃも同様に、配線構造の断面撮影画像から求められた値、又は、開口面積Ｂ（（Ｂ／π）１／２）及び開口面積Ｃ（（Ｃ／π）１／２）から求められる。なお、開口面積、開口直径、コンタクトホール４長さ、走査型電子顕微鏡又は透過型電子顕微鏡で撮影した画像から求めることができる。撮影倍率は、コンタクトホール４の開口面積又は配線長さ等に応じて適切な値が選択される。
なお、実施形態の開口直径ａは、第２の配線層８の配線幅によって定まり、例えば、５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。また、開口直径ｂは、第１の配線層の配線幅によって定まり、例えば、６０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。例えば、３ＤメモリであるＢｉＣＳメモリにカーボンナノチューブ配線を適用した場合を考えると、コンタクトホール４の上端部で面積の小さい第２の配線層８と接続するために、直径１００ｎｍ以下の微細化が求められるが、コンタクトホール４の底部は面積の大きい第１の配線層１と接続することになり、直径１００ｎｍ以上、例えば直径１５０ｎｍとなるようにすることができる。
第１の層間絶縁膜２の厚さｄ１は、例えば、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。また、第２の層間絶縁膜３の厚さｄ２は、例えば、９５ｎｍ以上２９００ｎｍ以下である。ｄ１とｄ２の比率は、ｄ１が大きすぎると、第１の層間絶縁膜２のエッチング時間が長くなるという理由により好ましくない。そこで、ｄ１／ｄ２＞０．０４の関係を満たすことが好ましい。
第１の層間絶縁膜２に挟まれた領域のコンタクトホール４の角度θ１は、９０°未満である。θ１の角度が小さすぎると、コンタクトホール４の勾配が急となり、カーボンナノチューブ６が成長不十分となる可能性がある。また、θ１が大きいと、カーボンナノチューブ６の高密度化の効果が小さくなる。そこで、θ１は、４５°≦θ１≦８５°を満たすことが好ましい。また、第２の層間絶縁膜３に挟まれた領域のコンタクトホール４の角度θ２は、θ１＜θ２≦９０°を満たす。このθ１とθ２が上記関係を満たすことで、開口面積の違いによるカーボンナノチューブの高密度化し、配線の低抵抗化に寄与する。また、カーボンナノチューブ６の高密度化等の観点から、θ１とθ２の差が大きすぎるのは好ましくなく、θ２／θ１＜２を満たすことが好ましい。なお、θ１とθ２は次の式から求められる。
ｃｏｔθ１＝（ｂ−ｃ）／２ｄ１ （式１）
ｃｏｔθ２＝（ｃ−ａ）／２ｄ１ （式２）
コンタクトホール４のアスペクト比が大きくなればなるほど、触媒金属膜５の微粒子化率は低下するため、実施形態のカーボンナノチューブ６の高密度化の効果が顕著となる。そこで、実施形態のカーボンナノチューブ配線構造のコンタクトホール４のアスペクト比は、１０以上がより好ましく、３０以上がより好ましい。実施形態のカーボンナノチューブ配線構造では、アスペクト比が３０といった非常に大きな値であっても、第２の層間絶縁膜３で挟まれた領域において、例えば、１０１２本／ｃｍ３以上といった高密度なカーボンナノチューブ６によって、配線層を接続することができる。
触媒金属膜５は、コンタクトホール４の側壁及び底部に存在する金属膜である。触媒金属膜５は、カーボンナノチューブ６の成長に適した触媒作用を有する材料であるＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、ＲｕとＰｔ等から選ばれる金属、前記金属を含む合金または前記金属からなる群から選ばれる２種以上の金属を含む合金等が挙げられる触媒金属膜５の厚さは、カーボンナノチューブ６の成長に適した１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。コンタクトホール４の底部の触媒金属膜５Ａと第１の配線層１との間には、図示しない下地金属膜が存在していても良い。下地金属膜は、Ｔｉ、ＴｉＮとＴａＮのいずれかを含む薄膜又はＴｉ、ＴｉＮとＴａＮのいずれかからなる薄膜、またはそれらの積層膜である。下地金属膜は、例えば、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚さである。また、触媒金属膜５Ｂと第１の層間絶縁膜２の間及び触媒金属膜５Ｂと第２の層間絶縁膜３との間には、図示しない触媒金属不活性膜が存在していることが好ましい。触媒不活性膜によって、コンタクトホール４の側壁からのカーボンナノチューブ６の成長が抑制される。触媒金属不活性膜は、例えば、Ｓｉ、ＳｉＯ２とＳｉＮのいずれかを含む薄膜、Ｓｉ、ＳｉＯ２とＳｉＮのいずれかからなる薄膜あるいはＳｉ、ＳｉＯ２とＳｉＮのいずれかの薄膜を組み合わせた積層薄膜である。触媒金属不活性膜は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さである。また、触媒金属膜５Ｂを例えば１０ｎｍ以上の膜厚にして、コンタクトホール４の側壁からグラフェンが成長するようにしてもよい。また、触媒金属膜５と第１の層間絶縁膜２の間及び触媒金属膜５と第２の層間絶縁膜３に拡散防止膜と導電膜を形成してもよい。拡散防止膜は、第１の層間絶縁膜２や第２の層間絶縁膜３中への導電膜と触媒金属膜５の拡散を抑制するために用いることが好ましい。導電膜は、層間配線の導電性を安定させたり向上させたりするため、触媒金属膜５下に用いることが好ましく、カーボンナノチューブ成長の助触媒となる金属が好ましい。導電膜としては金属膜を用いることができＴｉ、Ｔａ、Ｍｎ、ＭｏとＶからなる群から選ばれる１種以上の元素を含む金属膜が好ましい。
カーボンナノチューブ６は、第１の配線層１と第２の配線層を電気的に接続する。カーボンナノチューブ６は、コンタクトホール４の底部の微粒子化した触媒金属膜５Ａから成長する。カーボンナノチューブ６は、単層でもよいし、多層のカーボンナノチューブでもよい。カーボンナノチューブ６の内部には、ドーパントを含んでもよい。ドーパントによって、カーボンナノチューブ６の直径を広げ、空間充填率を挙げることができる。カーボンナノチューブ６のドーパントとしては、アルカリ金属（Ｋ、Ｒｂ、Ｌｉなど）、ハロゲン元素（Ｆ２、Ｂｒ２など）、塩化物（ＦｅＣｌ３、ＺｎＣｌ２、ＣｄＣｌ２、ＹＣｌ３、ＡｌＣｌ３など）などの原子や分子が挙げられる。カーボンナノチューブ６は、折れ曲がり、曲線、直線のいずれかの形状を有し、折れ曲がり、曲線、直線のなかから選ばれる複数の形状も有する。カーボンナノチューブ６の第２の層間絶縁膜３に挟まれた領域の密度は、配線の低抵抗化の観点から１０１２本／ｃｍ３以上が好ましい。
埋め込み膜７は、導電性又は絶縁性の埋め込み膜である。導電性の埋め込み膜としては、例えば、めっき法によるＣｕなどを用いることができる。また、絶縁性の埋め込み膜としては、例えば、ＳＯＤ膜を用いることができる。なお、埋め込み膜７は、カーボンナノチューブ６に機械的強度を付与するために用いられる材料であり、例えば高い空間充填率によってカーボンナノチューブ６の強度が高い場合は、埋め込み膜７を省略することができる。
第２の配線層８は、Ｔｉなどの導電材料で形成されたいわゆる上部配線層である。第２の配線層８は、カーボンナノチューブ６と良好なコンタクトを形成するＴｉなどが好ましい。第２の配線層８は、半導体装置等の内部の配線層である。配線層中には、半導体回路を有していてもよい。第２の配線層８は、カーボンナノチューブ６と電気的に接続している。また、Ｃｕなどの導電材料を第２の配線層８上に形成してもよい。
実施形態によれば、カーボンナノチューブ成長用触媒金属膜が形成されたコンタクトホール４の底部の面積をコンタクトホール４の先端開口部よりも大きくすることができ、コンタクトホール４の先端開口部のカーボンナノチューブ６の密度をコンタクトホール４の底部のカーボンナノチューブ６の密度よりも高くすることができる。コンタクトホール４のアスペクト比が大きく、第２の配線層８の配線幅が狭い場合において、実施形態の様に、下層配線側の第１の配線層１の配線幅を広げ、かつ、カーボンナノチューブ６が成長可能な領域を広げる事によって、上層配線側の第２の配線層８のカーボンナノチューブ６の密度を高め、挟幅配線であっても低抵抗なカーボンナノチューブ配線を提供することができる。また、カーボンナノチューブ６を高密度化することで、平坦化工程時の研磨むらの解消やコンタクトホール４部の構造安定性の向上が望める。別の観点では、コンタクトホール４の底部のカーボンナノチューブ６の密度が比較的小さいため、カーボンナノチューブバンドル化による初期成長時の引き抜きを抑制することができる。
次に、図２から図８の工程図を参照して、実施形態１のカーボンナノチューブ配線構造の製造方法について説明する。実施形態のカーボンナノチューブ配線構造の製造方法は、第１の配線層を形成する工程と、第１の配線層上に第１の層間絶縁膜を形成する工程と、第１の層間絶縁膜上に第２の層間絶縁膜を形成する工程と、第１の層間絶縁膜と第２の層間絶縁膜をエッチングして、第１の層間絶縁膜と第２の層間絶縁膜を貫通するコンタクトホールを形成する工程と、コンタクトホール上端部よりも面積が大きくなるように第１の層間絶縁膜をさらにエッチングする工程と、コンタクトホールに触媒金属膜を形成する工程と、触媒金属膜上にカーボンナノチューブを形成する工程と、カーボンナノチューブを平坦化する工程と、平坦化されたカーボンナノチューブと第２の層間絶縁膜上に第２の配線層を形成する工程と、を有する。
図２は、実施形態１の配線にかかる第１の層間絶縁膜２および第２の層間絶縁膜３の形成工程図である。最初に、第１の配線層１上に第１の層間絶縁膜２および第２の層間絶縁膜３を形成する。第１の層間絶縁膜２と第２の層間絶縁膜３は、例えばＣＶＤ（化学気相成長：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって製膜される。
次に、図３は、実施形態１の配線にかかる第２の層間絶縁膜３のエッチング工程図である。図３に示すように、マスク９を形成し、例えばＣＦ４、酸素を添加したＣＦ４などのフッ素系ガスを用いたドライエッチングにより第２の層間絶縁膜３を第１の層間絶縁膜２まで貫通させる。
図４は、実施形態１の配線にかかる第１の層間絶縁膜２のエッチング工程図である。第２の層間絶縁膜３をエッチングした際に使用したガス系と異なる例えばＣＨ２Ｆ２やＣＨ３Ｆ２、酸素を添加したＣＨ２Ｆ２やＣＨ３Ｆ２などフッ素系ガスを用いたドライエッチングにより第１の層間絶縁膜２を第１の配線層１まで貫通させ、コンタクトホール４を形成する。このとき、コンタクトホール４の底部の開口部を第２の層間絶縁膜３の先端開口部よりも大きくなるようにする。また、第１の層間絶縁膜２を貫通するコンタクトホール４の形状は逆テーパーとなるようにエッチング時間を長めにすることが好ましい。コンタクトホール４の形成後、マスク９を除去する。
図５は、実施形態１の配線にかかる触媒金属膜５を形成する工程図である。次いで、図５に示すように、コンタクトホール４を含む全面に、触媒金属膜５を形成する。触媒金属膜５の形成方法は、ＰＶＤ（物理気相成長：Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やＣＶＤなどの成膜方法を採用することができる。しかし、コンタクトホールのアスペクト比が大きくなる場合には、段差被覆性が低いスパッタ等のＰＶＤでは、ビア底に触媒金属膜を形成することは難しく、段差被覆性の良いＣＶＤによる成膜が望ましい。
図６は、実施形態１の配線にかかるカーボンナノチューブ６を成長する工程図である。次に、図６に示すように、カーボンナノチューブ６を触媒金属膜５から成長させる。カーボンナノチューブ成長には、例えば熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法がある。プラズマＣＶＤ法を用いる場合、反応炉内で基板を例えば５００℃に昇温し、原料ガスとしてメタンガスなどの炭化水素系ガスを、キャリアガスとして水素を導入して、例えばマイクロ波によってメタンガスを励起・放電させて、原料ガスをプラズマ化させ、触媒金属膜と反応させて、カーボンナノチューブ６を成長させる。また、カーボンナノチューブ成長を行う際、プラズマ表面処理により触媒金属膜５の微粒子化を行ってもよい。プラズマの原料ガスは、例えば水素またはアルゴンなどの希ガスが好ましいが、どちらかまたは両方を含んだ混合ガスでもよい。このとき、基板の加熱を行ってもよい。なお、触媒金属膜５の微粒子化のプラズマ処理を省略してもカーボンナノチューブ６を成長させる際の昇温による熱によって、触媒金属膜５が微粒子化する。
図７は、実施形態１の配線にかかる埋め込み膜７を形成する工程図である。埋め込み膜７は、ＣＭＰによる平坦化の際に研磨を良好に行うため、カーボンナノチューブ６を固定するために形成する。埋め込み膜は、絶縁性材料または導電性材料であってもよく、例えば塗布型絶縁膜であるＳＯＤ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ）をスピンコートにより形成する。スピンコート後は、例えば４００℃で硬化させる。なお、前述のとおり、本工程は、カーボンナノチューブ６へのドーピングなどの工程を追加することなどにより省略することができる。
図８は、実施形態１の配線にかかる平坦化工程図である。次に、ＣＭＰ（化学機械研磨：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）により平坦化を行い、コンタクトホール４内にカーボンナノチューブ６および埋め込み膜７を形成した配線構造が得られる。そして、カーボンナノチューブ６上部に、第２の配線層を形成することにより、図１に示すカーボンナノチューブ配線構造が得られる。
（実施形態２）
図９は実施形態２の断面構造である。実施形態１と異なる点は、触媒金属膜５がコンタクトホール４の側壁に存在せず、コンタクトホール４の底部と、第１の配線層１と第１の層間絶縁膜２の間に存在することである。従って、実施形態２のカーボンナノチューブ配線構造は、第１の配線層１と、第１の配線層１上に第１の層間絶縁膜２と、第１の層間絶縁膜２上に第２の層間絶縁膜３と、第１の層間絶縁膜２と第２の層間絶縁膜３を貫通するコンタクトホール４と、コンタクトホール４の下端の第１の配線層１上に触媒金属膜５と、第２の層間絶縁膜３上に第２の配線層８と、コンタクトホール４内の触媒金属膜５上に第１の配線層１と第２の配線層８を電気的に接続するカーボンナノチューブ６と、を備え、コンタクトホール４長さをＬとし、コンタクトホール４の上端の開口面積をＡとし、コンタクトホール４の上端の開口直径をａとし、コンタクトホール４の下端の開口面積をＢとするとき、Ａ及びＢは、Ｂ／Ａ＞１．５を満たし、Ｌ及びａは、Ｌ／ａ（アスペクト比）≧２を満たす。そして、第１の配線層１と第１の層間絶縁膜２との間に触媒金属膜５をさらに有する。実施形態２のカーボンナノチューブ配線構造は、触媒金属膜５の存在位置以外は、実施形態１と共通するため、実施形態２の構造やその構成についての説明を省略する。
次に、図１０から図１５の工程図を参照して、実施形態２のカーボンナノチューブ配線構造の製造方法について説明する。実施形態のカーボンナノチューブ配線構造の製造方法は、第１の配線層を形成する工程と、第１の配線層上に触媒金属膜を形成する工程と、触媒金属膜上に第１の層間絶縁膜を形成する工程と、第１の層間絶縁膜上に第２の層間絶縁膜を形成する工程と、第１の層間絶縁膜と第２の層間絶縁膜をエッチングして、第１の層間絶縁膜と第２の層間絶縁膜を貫通するコンタクトホールを形成する工程と、コンタクトホール上端部よりも面積が大きくなるように第１の層間絶縁膜をさらにエッチングする工程と、触媒金属膜上にカーボンナノチューブを形成する工程と、カーボンナノチューブを平坦化する工程と、平坦化されたカーボンナノチューブと第２の層間絶縁膜上に第２の配線層を形成する工程と、を有する。
図１０は、実施形態２の配線にかかる触媒金属膜、第１の層間絶縁膜と第２の層間絶縁膜を形成する工程図である。図１０に示すように第１の配線層１上にまず、触媒金属膜５を形成する。実施形態２では、被覆段差性は問わないため、コンタクトホール４のアスペクト比によらず、ＣＶＤで触媒金属膜５を製膜しても良いし、ＰＶＤで触媒金属膜５を成膜してもよい。続いて、触媒金属膜５上に実施形態１と同様に第１の層間絶縁膜２と第２の層間絶縁膜３を製膜する。
図１１は、実施形態２の配線にかかる第１の層間絶縁膜２のエッチング工程図である。実施形態１と同様に第１の層間絶縁膜２をエッチングする。
図１２は、実施形態２の配線にかかる第２の層間絶縁膜のエッチング工程図である。実施形態と同様に、第２の層間絶縁膜３をドライエッチングする。
図１３は、実施形態２の配線にかかるカーボンナノチューブを成長する工程図である。そして、図１３に示すように、カーボンナノチューブ６を触媒金属膜５から成長させる。触媒金属膜５がコンタクトホール４の側壁に存在しないが、実施形態１と同様の方法でカーボンナノチューブ６成長させることができる。
図１４は、実施形態２の配線にかかる埋め込み膜７を形成する工程図である。そして、図１５は、実施形態２の配線にかかる平坦化工程図である。図１４と図１５は実施形態１と同様の工程である。そして、カーボンナノチューブ６上部に、第２の配線層８を形成することにより、図９に示すカーボンナノチューブ配線構造が得られる。
（実施形態３）
実施形態３は、図１の形態の変形例である。図１６に実施形態３のカーボンナノチューブ配線構造の構造断面図を示す。実施形態３において図１の形態と異なる点は、θ１が９０°未満であることである。θ１以外は、図１の形態と共通するため、その説明を省略する。実施形態３では、テーパー形状が緩やかであるため、第１の層間絶縁膜２と第２の層間絶縁膜３の境界で、カーボンナノチューブ６の成長が阻害されにくく、より高密度のカーボンナノチューブ６を成長させることができるという利点を有する。
（実施形態４）
実施形態４は、図９の形態の変形例である。図１７に実施形態４のカーボンナノチューブ配線構造の構造断面図を示す。実施形態４において図９の形態と異なる点は、θ１が９０°未満であって、コンタクトホール４の側面テーパー形状が曲線であることである。なお。第１の層間絶縁膜２と第２の層間絶縁膜３の境界でコンタクトホール４の側面の曲線は変曲点を有する。これらのこと以外は、図８の形態と共通するため、その説明を省略する。コンタクトホール４の側面のテーパー形状が曲線であっても、θ１とθ２も前述の式で求められる。実施形態４では、実施形態３よりもさらにテーパー形状が緩やかであるため、第１の層間絶縁膜２と第２の層間絶縁膜３の境界で、カーボンナノチューブ６の成長が阻害されにくく、より高密度のカーボンナノチューブ６を成長させることができるという利点を有する。
（実施例１）
実施例１は、図１の形態のカーボンナノチューブ配線構造を有する半導体装置の実施例である。基板上に、第１の配線層１として、配線幅３００ｎｍのＣｕ金属配線を形成する。次いで、第１の配線層１上に第１の層間絶縁膜２として、ＣＶＤ法によって、ＳｉＮを５０ｎｍを形成する。次いで、第１の層間絶縁膜２上に第２の層間絶縁膜３として、ＣＶＤ法によって、ＳｉＯ２を９５０ｎｍを形成する。次いで、コンタクトホール４用の１００ｎｍの円形の開口直径を有するマスク９を形成する。次いで、ＣＦ４ガスを用いて、第２の層間絶縁膜３をドライエッチングする。次いで、ＣＨ２Ｆ２ガスを用いて、第１の層間絶縁膜２をドライエッチングする。次いで、触媒金属膜５として、ＣＶＤ法でＮｉを５ｎｍコンタクトホール４内を含む領域に形成する。次いで、水素ガスにて、触媒金属膜５をプラズマ処理した後に、メタンガスを供給して、カーボンナノチューブを成長させる。次いで、ＳＯＤ塗布液を用いてカーボンナノチューブ６を被覆する様に塗布し、約４００℃で加熱処理して、ＳＯＤ膜を形成する。次いで、ＣＭＰにより第２の層間絶縁膜３が露出するまで研磨し、最後にカーボンナノチューブ６と接続する様に、１５０ｎｍ幅の第２の配線層８を形成して、実施例１のカーボンナノチューブ配線構造を得る。得られるカーボンナノチューブ配線構造のＢ／Ａは４で、アスペクト比は、１０である。
（実施例２）
第１の層間絶縁膜２として、ＳｉＮを用い、第２の層間絶縁膜３として、ＳｉＯ２を用いる。そして、第２の層間絶縁膜３をドライエッチングするガスとして、ＣＦ４を用い、第１の層間絶縁膜２をドライエッチングするガスとして、ＣＨ２Ｆ２を用いること以外は、実施例１と同様の方法によって、実施例２のカーボンナノチューブ配線構造を得る。実施例２で得られるカーボンナノチューブ配線構造のＢ／Ａは４で、アスペクト比は、１０である。
（実施例３）
マスク９の開口直径を８０ｎｍとし、第２の配線層８の配線幅を１００ｎｍとすること以外は、実施例１と同様の方法によって、実施例３のカーボンナノチューブ配線構造を得る。実施例３で得られるカーボンナノチューブ配線構造のＢ／Ａは５で、アスペクト比は、１２．５である。
（実施例４）
第１の配線層の配線幅を５００ｎｍとし、第１の層間絶縁膜２を１００ｎｍ形成してドライエッチングすること以外は、実施例１と同様の方法によって、実施例４のカーボンナノチューブ配線構造を得る。実施例４で得られるカーボンナノチューブ配線構造のＢ／Ａは９で、アスペクト比は、１０．５である。
（実施例５）
第１の配線層の配線幅を２００ｎｍとし、第１の層間絶縁膜２を１０ｎｍ形成してドライエッチングすること以外は、実施例１と同様の方法によって、実施例５のカーボンナノチューブ配線構造を得る。実施例５で得られるカーボンナノチューブ配線構造のＢ／Ａは１．５で、アスペクト比は、９．６である。
（実施例６）
第１の層間絶縁膜２の厚さを１００ｎｍとし、第２の層間絶縁膜３の厚さを２９００ｎｍとすること以外は、実施例１と同様の方法によって、実施例６のカーボンナノチューブ配線構造を得る。実施例６で得られるカーボンナノチューブ配線構造のＢ／Ａは９で、アスペクト比は、３０である。
（実施例７）
実施例７は、図１６の形態のカーボンナノチューブ配線構造を有する半導体装置の実施例である。第２の層間絶縁膜３のエッチング時間を実施形態１よりも長くすること以外は、実施例１と同様の方法によって、実施例７のカーボンナノチューブ配線構造を得る。実施例７で得られるカーボンナノチューブ配線構造のＢ／Ａは４で、アスペクト比は、１０である。
（実施例８）
実施例８は、図９の形態のカーボンナノチューブ配線構造を有する半導体装置の実施例である。基板上に、第１の配線層１として、配線幅３００ｎｍのＣｕ金属配線を形成する。次いで、第１の配線層１上に、触媒金属膜５として、ＰＶＤ法でＮｉを５ｎｍ堆積する。次いで、触媒金属膜５上に第１の層間絶縁膜２として、ＣＶＤ法によって、ＳｉＮを５０ｎｍを形成する。次いで、第１の層間絶縁膜２上に第２の層間絶縁膜３として、ＣＶＤ法によって、ＳｉＯ２を９５０ｎｍを形成する。次いで、コンタクトホール４用の１００ｎｍの円形の開口直径を有するマスク９を形成する。次いで、ＣＦ４ガスを用いて、第２の層間絶縁膜３をドライエッチングする。次いで、ＣＨ２Ｆ２ガスを用いて、第１の層間絶縁膜２をドライエッチングする。次いで、水素ガスにて、触媒金属膜５をプラズマ処理した後に、メタンガスを供給して、カーボンナノチューブを成長させる。次いで、ＳＯＤ塗布液を用いてカーボンナノチューブ６を被覆する様に塗布し、約４００℃で加熱処理して、ＳＯＤ膜を形成する。次いで、ＣＭＰにより第２の層間絶縁膜３が露出するまで研磨し、最後にカーボンナノチューブ６と接続する様に、１５０ｎｍ幅の第２の配線層８を形成して、実施例８のカーボンナノチューブ配線構造を得る。得られるカーボンナノチューブ配線構造のＢ／Ａは４で、アスペクト比は、１０である。
（実施例９）
実施例９は、図１７の形態のカーボンナノチューブ配線構造を有する半導体装置の実施例である。第２の層間絶縁膜３のエッチング時間を実施形態８よりも長くすること以外は、実施例８と同様の方法によって、実施例９のカーボンナノチューブ配線構造を得る。実施例９で得られるカーボンナノチューブ配線構造のＢ／Ａは４で、アスペクト比は、１０である。
明細書中、元素の一部は元素記号のみで表している。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態そのままに限定解釈されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成することができる。例えば、変形例の様に異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。
１：第１の配線層
２：第１の層間絶縁膜
３：第２の層間絶縁膜
４：コンタクトホール
５：触媒金属膜
６：カーボンナノチューブ
７：埋め込み膜
８：第２の配線層
９：マスク

Claims (11)

  1. 第１の配線層と、
    前記第１の配線層上に第１の層間絶縁膜と、
    前記第１の層間絶縁膜上に第２の層間絶縁膜と、
    前記第１の層間絶縁膜と前記第２の層間絶縁膜を貫通するコンタクトホールと、
    前記コンタクトホールの下端の前記第１の配線層上に触媒金属膜と、
    前記第２の層間絶縁膜上に第２の配線層と
    前記コンタクトホール内の前記触媒金属膜上に前記第１の配線層と前記第２の配線層を電気的に接続するカーボンナノチューブと、を備え、
    前記コンタクトホール長さをＬとし、
    前記コンタクトホールの上端の開口面積をＡとし、
    前記コンタクトホールの上端の開口直径をａとし、
    前記コンタクトホールの下端の開口面積をＢとするとき、
    前記Ａ及びＢは、Ｂ／Ａ＞１．５を満たし、
    前記Ｌ及びａは、Ｌ／ａ≧２を満たすことを特徴とするカーボンナノチューブ配線構造。
  2. 前記Ｌとａは、Ｌ／ａ≧１０を満たすことを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブ配線構造。
  3. 前記コンタクトホール上端の前記カーボンナノチューブの密度は、前記コンタクトホール下端の前記カーボンナノチューブの密度よりも高いことを特徴とする請求項１又は２に記載のカーボンナノチューブ配線構造。
  4. 前記第１の層間絶縁膜の前記コンタクトホール貫通方向の厚さをｄ１とし、
    前記第２の層間絶縁膜の前記コンタクトホール貫通方向の厚さをｄ２とするとき、
    前記ｄ１とｄ２は、ｄ１／ｄ２＞０．０４の関係を満たすことを特徴とする請求項１乃至３に記載のカーボンナノチューブ配線構造。
  5. 前記第１の層間絶縁膜と前記第２の層間絶縁膜の界面における前記コンタクトホールの開口面積をＣとするとき、
    前記Ａ、ＢとＣは、Ａ≦Ｃ＜Ｂの関係を満たすことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のカーボンナノチューブ配線構造。
  6. 前記コンタクトホールの下端の開口直径をｂとし、
    前記第１層間絶縁膜と第２層間絶縁膜の界面における前記コンタクホールの開口直径をｃとするとき、
    ｃｏｔθ１＝（ｂ−ｃ）／２ｄ１とし、
    ｃｏｔθ２＝（ｃ−ａ）／２ｄ１とし、
    前記θ１とθ２は、θ２／θ１＜２と、θ１≧４５°の関係を満たすことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のカーボンナノチューブ配線構造。
  7. 前記カーボンナノチューブ間の空隙に絶縁性又は導電性の埋め込み膜を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のカーボンナノチューブ配線構造。
  8. 第１の配線層を形成する工程と、
    前記第１の配線層上に第１の層間絶縁膜を形成する工程と、
    前記第１の層間絶縁膜上に第２の層間絶縁膜を形成する工程と、
    前記第１の層間絶縁膜と前記第２の層間絶縁膜をエッチングして、前記第１の層間絶縁膜と前記第２の層間絶縁膜を貫通するコンタクトホールを形成する工程と、
    前記コンタクトホール上端部よりも面積が大きくなるように前記第１の層間絶縁膜をさらにエッチングする工程と、
    前記コンタクトホールに触媒金属膜を形成する工程と、
    前記触媒金属膜上にカーボンナノチューブを形成する工程と、
    前記カーボンナノチューブを平坦化する工程と、
    平坦化された前記カーボンナノチューブと前記第２の層間絶縁膜上に第２の配線層を形成する工程と、を有することを特徴とするカーボンナノチューブ配線構造の製造方法。
  9. 第１の配線層を形成する工程と、
    前記第１の配線層上に触媒金属膜を形成する工程と、
    前記触媒金属膜上に第１の層間絶縁膜を形成する工程と、
    前記第１の層間絶縁膜上に第２の層間絶縁膜を形成する工程と、
    前記第１の層間絶縁膜と前記第２の層間絶縁膜をエッチングして、前記第１の層間絶縁膜と前記第２の層間絶縁膜を貫通するコンタクトホールを形成する工程と、
    前記コンタクトホール上端部よりも面積が大きくなるように前記第１の層間絶縁膜をさらにエッチングする工程と、
    前記触媒金属膜上にカーボンナノチューブを形成する工程と、
    前記カーボンナノチューブを平坦化する工程と、
    平坦化された前記カーボンナノチューブと前記第２の層間絶縁膜上に第２の配線層を形成する工程と、を有することを特徴とするカーボンナノチューブ配線構造の製造方法。
  10. 前記カーボンナノチューブを形成する工程の前に、前記触媒金属膜を微粒子化する処理を行う工程を更に有することを特徴とする請求項８又は９に記載のカーボンナノチューブ配線構造の製造方法。
  11. 前記第１の層間絶縁膜と前記第２の層間絶縁膜は、異なるエッチングレートを有し、
    前記コンタクトホールを形成する工程で用いられるエッチングガスと、前記第１の層間絶縁膜をさらにエッチングする工程で用いられるエッチングガスは異なるガスであることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項に記載のカーボンナノチューブ配線構造の製造方法。
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