JP4257429B2 - 原子の拡散を制御することによる金属ナノワイヤの製造方法およびこの方法により製造する金属ナノワイヤ - Google Patents

Description

本発明は安定した状態の原子または分子に駆動力を与えることで拡散させ、これを拘束する役割を果たす構造物を用いることで拡散をコントロールし、拡散した原子または分子を集約、成長させることにより金属ナノワイヤの製造方法および本方法により製造される金属ナノワイヤに関する。

近年進んでいる回路の微細化により微細な材料を作製する技術にも更なる進化が求められている。マクロな材料を加工することで微細構造を作るフォトリソグラフィーに代表されるトップダウン方式の技術が進歩しているが、トップダウンでは露光光源の波長やエッチングの精度により加工に制限を受けることがある。これに対して，原子や分子を操作して微細な材料を構築するボトムアップ方式ではこのような制限は発生しないが、非常に効率が悪い。そこでボトムアップの中でも自然が持っている秩序状態を作り上げる力を利用した自己組織化による材料組立技術に注目が集まっている。

一方、トップダウンで構成された微細金属配線には電流密度の上昇とジュール発熱に起因するエレクトロマイグレーションと呼ばれる金属原子の拡散現象が発生することが知られている。エレクトロマイグレーションが発生すると微細配線を構成する金属原子は電子の流れと同一の方向に拡散していき、結果的に原子が損失すればボイドと呼ばれる空孔が、原子が蓄積すればヒロックと呼ばれる拡散した原子の塊が生成し、どちらも回路に損傷を与える有害な現象として知られている。

エレクトロマイグレーションの通電試験後、ヒロック上にウィスカーと呼ばれるひげ状結晶が偶発的に発生することが知られている。このウィスカーは自ら秩序状態を作り出す自己組織化と呼ばれる現象によるものだと考えられている。

前述のように、従来のトップダウン法のように装置や材料による加工の影響を受けず、かつ製造効率が比較的良い自己組織化を利用したボトムアップ法による材料作製方法が求められている。

本方法では原子または分子に駆動力を与えて拡散させたものを集約し再配列させることで材料固有の自己組織化を利用し、金属ナノワイヤを製造する方法を確立すべく、鋭意研究した。その結果、金属配線にエレクトロマイグレーションを発生させることで原子を拡散させ、拡散した原子が広域に分布しないように配線に保護膜を被覆させ、意図的に生成させるための加工を施すことにより金属ナノワイヤを創製させられるとの技術的知見を得た。本発明者は、これらの技術的知見に基づき、高密度電子流において原子の拡散が起きる金属からナノワイヤを製造させる方法を実現したものである。

請求項１および請求項８の発明は、材料を構成する原子および分子に物理的な駆動力を与えることで拡散を発生させ、物理的な拘束を設けることにより一度拡散させた原子および分子を集約、成長させることを特徴とする金属ナノワイヤの製造方法である。

この請求項１および請求項８の発明は、拡散させた原子や分子を集約することでナノワイヤを製造する方法であるが、その主要な特徴は、集約させた原子が自己組織化によってワイヤ状に配列される現象を利用することで、原子を拡散させるための駆動力を負荷するだけでナノワイヤを生成させることが可能な点である。

請求項７および請求項９の発明は、駆動力を負荷することで拡散した原子を集約し成長させることに特徴のある金属ナノワイヤである。

この請求項７および請求項９の発明は、意図的に原子を拡散させた後、この原子を集約することで生成させる金属ナノワイヤであるが、その主要な特徴は、拡散させる駆動力および拘束に用いる構造物や加工法を変えることで生成するナノワイヤをコントロールできる点にある。

請求項３および請求項１０の発明は、高密度の電子流によって原子および分子を拡散させ、物理的な拘束を設けることで一度拡散させた原子および分子を集約、成長させることを特徴とする金属ナノワイヤの製造方法である。

この請求項３および請求項１０の発明は、拡散させた原子や分子を集約することでナノワイヤを製造する方法であるが、その主要な特徴は、駆動力として高密度の電子流を用いることで、金属にエレクトロマイグレーションを発生させ、その結果ナノワイヤが生成するという点である。

請求項４および請求項１１の発明は、高密度の電子流によって拡散させた原子や分子を拘束する役割を果たす目的で保護膜を被覆させることに特徴のある微細金属配線である。

この請求項４および請求項１１の発明は、拡散した原子を蓄積させるため拘束することを目的に保護膜を被覆した微細金属配線であるが、その主要な特徴は、配線に保護膜を被覆することで拡散した原子の蓄積物を広範囲に分布させない点、被覆した保護膜に加工を施すことで生成のしやすさを変化させることができる点にある。

請求項６および請求項１２の発明は、駆動力を負荷することでアルミニウム原子を拡散させ、これを集約することで生成することに特徴のあるアルミニウムナノワイヤである。

この請求項６および請求項１２の発明は、アルミニウム原子を拡散、集約させることで生成するアルミニウムナノワイヤであるが、その主要な特徴は、生成するアルミニウムナノワイヤが単結晶となる点にある。

請求項２および請求項１３の発明は、エレクトロマイグレーションにより発生するヒロックを保護膜で拘束することにより、拡散した原子を集約することでナノワイヤの作製が可能となることに特徴のある微細アルミニウム配線である。

この請求項２および請求項１３の発明は、ナノワイヤ作製を目的とした微細金属配線であるが、その主要な特徴は、広域にヒロックが生成するのを抑制し集約させやすくすることでヒロックが最も蓄積しやすい部分を予測し、通電を行うことによりナノワイヤの生成が短時間で行える点にある。

請求項５および請求項１４の発明は、配線とは異なる別の金属に溝を形成し、その中に配線金属を埋め込むことで駆動力を与えて拡散させた配線原子を集約する機能を特化させることに特徴のあるナノワイヤ作製を目的とした微細金属配線である。

この請求項５および請求項１４の発明は、配線とは異なる金属に溝を形成し、その中に配線金属を埋め込むことで配線と同一元素のナノワイヤの作製を目的とした微細金属配線であるが、その主要な特徴は、拡散した原子を溝の陽極端に集約させることが可能であること、および配線が断線した場合においても異種の金属が電流をバイパスさせる役割を持っている点にある。

請求項５および請求項１４の発明は、タングステンに溝を形成し、その中に配線金属を埋め込むことで駆動力を与えて拡散させた配線原子を集約する機能を特化させることに特徴のあるナノワイヤ作製を目的とした微細金属配線である。

この請求項５および請求項１４の発明は、タングステンに溝を形成し、その中に配線金属を埋め込むことで配線と同一元素のナノワイヤの作製を目的とした微細金属配線であるが、その主要な特徴は、周囲をタングステンで拘束することで配線原子の流出が発生しないため、溝の陽極端に拡散した原子が一方的に蓄積する点、および配線が断線を起こしてもタングステンが電流をバイパスさせることができるので、長時間の通電を行える点にある。

本発明の方法を用いれば、駆動力の負荷の与え方、および、拡散した原子や分子の拘束の仕方を変えることで様々な種類のナノワイヤを作製することが可能となる。

以下、本発明による金属ナノワイヤの製造方法の実施例について説明する。駆動力として高密度電子流を利用するため微細金属配線を用いて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。図１は幅０．５μｍ、厚さ０．７μｍ、長さ３０μｍのアルミニウム配線の電界放出型走査電子顕微鏡写真である。この配線には電流入出力用に幅１００μｍ、長さ２００μｍのパッドがそれぞれ接続されている。この配線に正珪酸四エチルを原料とした二酸化珪素保護膜を化学気相合成法にて約１．５μｍ堆積させる。この保護膜に拡散した原子を通過させるための穴を集束イオンビーム装置で形成し、この穴以外からは原子が流出しないようにする。この状態で２８．５ＭＡ／ｃｍ^２の電流密度で１６ｓ通電した結果、図２のようにアルミニウムナノワイヤが生成した。このナノワイヤの直径は約２８０ｎｍ、全長は４μｍである。

実施例２を図３に示すが、ここではアルミニウム配線をタングステン部の溝に埋め込んだサンプルを用いる。このタングステン部には電流入出力用に幅１００μｍ、長さ１４０μｍのタングステンのパッドがそれぞれ接続されている。この構造で通電を行うと、拡散したアルミニウム原子が溝の陽極側端点付近に限定して集約する。更に、タングステンには電流をバイパスさせる効果もあるので、エレクトロマイグレーションのよるアルミニウム配線の断線が生じても通電を長時間行えるという長所がある。

実施例１で用いたナノワイヤの製造のために使用したアルミニウム配線の電界放出型走査電子顕微鏡像である。 実施例１で作製したアルミニウムナノワイヤである。 実施例２で用いるタングステン溝に配線金属を埋め込んだサンプルの説明図である。

符号の説明

１、１’：電流入出力パッド
２：タングステン部
３：アルミニウム配線部

Claims (2)

1. 電流の入力パッドと出力パッドとを備えた板状のタングステンの前記電流入出力パッド間に溝を形成し、前記溝の中にアルミニウム配線部を埋め込み、
   前記電流入力パッドから電流出力パッドへ電流を流し、
   前記アルミニウム配線部に生じたエレクトロマイグレーションによりアルミニウム原子を集約、成長させることを特徴とする、金属ナノワイヤの製造方法。
2. 請求項１に記載の金属ナノワイヤの製造方法により得られた金属ナノワイヤ。