JP4955265B2

JP4955265B2 - 半導体装置の製造方法および装置

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Publication number: JP4955265B2
Application number: JP2005361479A
Authority: JP
Inventors: 哲鈴木; 賢一神崎; 文彦前田; 慶裕小林
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-12-15
Filing date: 2005-12-15
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2025-12-15
Also published as: JP2007165678A

Description

本発明は、半導体装置の製造技術に関し、特に基板上に形成したカーボンナノチューブを用いて所望の素子を作製する技術に関する。

カーボンナノチューブは、ナノメートルオーダーの極めて微細な直径を持ち、また優れた電気的、機械的特性を有するため、これを電子素子あるいは配線材料として用いた高密度集積回路への応用が期待されている。このような応用を考えた場合、基板上の所望の場所にカーボンナノチューブを配置するとともに、意図しない回路の短絡を防ぐため所望の場所以外にはカーボンナノチューブを配置しないことが重要となる。

カーボンナノチューブを利用した半導体装置の作製には主に以下の方法が用いられている。即ち、基板上に適当な方法を用いてカーボンナノチューブを分散させた後、走査電子顕微鏡、原子間力顕微鏡などを用いて素子作製に適当な孤立したカーボンナノチューブを探し、当該カーボンナノチューブ上に必要な電極をリソグラフィー技術により形成する、という方法である。

しかしながら、このような方法は基本的にランダムなカーボンナノチューブの分散を用いるため、所望の場所にのみカーボンナノチューブを配置することは不可能である。基板上に高密度にカーボンナノチューブを分散すれば、所望の場所にカーボンナノチューブが配置される確率は増すが、同時に所望の場所以外の場所に配置されるカーボンナノチューブの数も確率的に増大する。このため素子を高密度に作製し、あるいは集積回路を作製しようとする場合、不要なカーボンナノチューブによる意図せぬ素子間あるいは電極間の短絡が起こるという問題点があった。

これに対して、近年では次のような作製方法も用いられている。即ち、基板上にカーボンナノチューブ成長に必要な触媒金属を予めリソグラフィー技術によりパタニングしておき、この基板上に化学気相成長（ＣＶＤ）法によりカーボンナノチューブを成長させる、という方法である。これにより、カーボンナノチューブの成長の起点はパタニングされた触媒部分に限定される。カーボンナノチューブの成長後、触媒の近傍に予め適当に決めた電極構造をリソグラフィーにより形成すれば所望の場所にカーボンナノチューブが成長していた場合に素子が得られる。

しかしながら、この製作方法の場合にも、制御できるのはカーボンナノチューブ成長の起点のみであり、成長の方向や成長の終点に関する制御方法は未だ確立されていない。したがって、所望の場所に高い確率でカーボンナノチューブを生成しようとすると、所望の場所以外に生成するカーボンナノチューブの数も増大する。このため素子を高密度に作製、あるいは集積回路を作製しようとする場合、不要なカーボンナノチューブによる意図せぬ素子間あるいは電極間の短絡が起こるという問題点があった。

これらの問題点を解決するため、従来、発明者らは加速電圧８６ｋＶ以下の電子線を照射し所望のカーボンナノチューブを電気的、物理的に切断する方法を開発した（例えば、非特許文献１など参照）。これは、基板に上記のような収束電子線を照射して、基板上に形成されている素子間を走査することにより、素子間を短絡する不要カーボンナノチューブに欠陥を発生させて電気的特性を変化させる方法である。この方法によれば、不要なカーボンナノチューブを容易に切断でき、不要カーボンナノチューブによる短絡を回避することができる。

S.Suzuki, et al., Japanese Joumal of Applied Physics, Vol.44, No.4, pp.L133-L135, 2005

しかしながら、このような従来技術では、収束電子線をすべての不要カーボンナノチューブに対して逐一スキャンする必要があるため、不要カーボンナノチューブに欠陥を発生させるのに時間がかかるという問題点があった。
特に、大面積ウェハ上に集積回路を形成するような場合には、不要カーボンナノチューブの数が増大するため、欠陥生成に膨大な時間を要し、大面積ウェハへの応用は不向きである。したがって、カーボンナノチューブを利用して半導体装置を作製する際、所望の場所以外の場所にはカーボンナノチューブを配置しないで、所望の場所にカーボンナノチューブを配置するという行程を、短時間で実現することは困難であり、カーボンナノチューブを用いた素子を高密度に作製することは困難であった。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、不要カーボンナノチューブに対する欠陥生成に要する時間を短縮でき、大面積ウェハであってもカーボンナノチューブを利用した集積回路を短時間で形成できる半導体装置の製造方法および装置を提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかる半導体装置の製造方法は、基板上に形成したカーボンナノチューブを用いて所望の素子を作製する際、任意のカーボンナノチューブに欠陥を発生させて電気的特性を変化させる半導体装置の製造方法であって、少なくとも紫外線、真空紫外線、またはＸ線のいずれかを含む光を、カーボンナノチューブが形成された基板上の欠陥生成領域に一括して、真空中で照射して、当該領域内のカーボンナノチューブに欠陥を生成する光照射工程を備えている。

この際、支燃性ガスを含む雰囲気でカーボンナノチューブを所定の温度に加熱することにより、欠陥生成したカーボンナノチューブを電気的に切断する加熱工程をさらに設けてもよい。
また、この加熱工程では酸素を含む雰囲気でカーボンナノチューブを３５０〜５００℃に加熱するようにしてもよい。

また、光のエネルギーはカーボンナノチューブを構成する炭素原子の１ｓ電子の吸収端エネルギーに相当するものを用いてもよい。
また、光のエネルギーは高々１００ｅＶとしてもよい。

また、本発明にかかる半導体装置の製造装置は、基板上に形成したカーボンナノチューブを用いて所望の素子を作製する際、任意のカーボンナノチューブに対して欠陥を発生させて電気的特性を変化させる半導体装置の製造装置であって、少なくとも紫外線、真空紫外線、またはＸ線のいずれかを含む光をカーボンナノチューブが形成された基板上の欠陥生成領域に一括して、真空中で照射して、当該領域内のカーボンナノチューブに欠陥を生成する光照射装置を備えている。

この際、光照射後の基板を支燃性ガス雰囲気で所定の温度に加熱することにより、欠陥生成したカーボンナノチューブを電気的に切断する加熱装置をさらに設けてもよい。
また、この加熱装置で、酸素を含む雰囲気でカーボンナノチューブを３５０〜５００℃に加熱するようにしてもよい。

本発明によれば、少なくとも紫外線、真空紫外線、またはＸ線のいずれかを含む光を、カーボンナノチューブが形成された基板上の欠陥生成領域に一括して、真空中で照射するようにしたので、当該領域内のカーボンナノチューブに対して一度に欠陥を生成することができる。
これにより、不要カーボンナノチューブに対する欠陥生成に要する時間を短縮でき、大面積ウェハであってもカーボンナノチューブを利用した集積回路を短時間で形成できる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
まず、図１〜図４を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法での半導体形成工程を示す説明図である。図２は、本発明の第１の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法でのカーボンナノチューブ形成状態を示す説明図である。図３は、本発明の第１の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法での光照射工程を示す説明図である。図４は、本発明の第１の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法での不要カーボンナノチューブ切断状態を示す説明図である。

まず、図１に示すように、基板１（要部１Ａ）には、予め公知の技術により、複数の半導体素子２が形成されているものとする。半導体素子２は、図１において模式的に直方体で示されているが、他形状の構造体で形成されていてもよく、半導体素子２は、例えばプレーナ技術により基板１上に平面的に形成された任意の素子の電極構造体であってもよい。

次に、図２に示すように、これら半導体素子２に対して、隣接する半導体素子２と電気的に接続するため、半導体素子２間を架橋するカーボンナノチューブ４を形成する。ここでは、各半導体素子２を接続方向３に沿って電気的に接続するものとする。なお、カーボンナノチューブの形成方法については、例えば、半導体素子２の上に鉄やコバルトなどの触媒金属の層を形成し、メタンを原料外とした熱ＣＶＤ法（触媒ＣＶＤ法）などの公知技術を用いればよい。

この際、半導体素子２間には、図２に示すように、所望のカーボンナノチューブ４のほか、素子の製造には不要なカーボンナノチューブ５も形成される。このカーボンナノチューブ５は、所望の接続方向３と異なる方向に、隣接する半導体素子２を架橋するため、設計上電気的に接続されない半導体素子２間を接続状態とするため、不要な短絡の原因となる。

次に、図３に示すように、基板１を所定の真空槽９に搬入し、真空状態で基板１にマスク７を介してシンクロトロン放射光６を照射する。この際、マスク７には、接続方向３に沿った所定のマスクパターン７Ａが予め形成されており、マスクパターン７Ａを通過したシンクロトロン放射光６が基板１上で、カーボンナノチューブが形成されてはならない照射領域８に一括して照射される。これにより、照射領域８内の各不要カーボンナノチューブ５にのみシンクロトロン放射光６が一括して照射されて、これら複数の不要カーボンナノチューブ５に対して一度に欠陥を生成できる。

この際、シンクロトロン放射光６は、少なくとも紫外線、真空紫外線、またはＸ線のいずれかを含む光であればよく、照射量が１×１０²¹個／ｃｍ²となるよう照射することによって、照射領域８内の不要カーボンナノチューブ５は欠陥が生成される。これにより、不要カーボンナノチューブ５の電気的特性が変化し、図４に示すように、電気的に切断された状態とすることができる。

シンクロトロン放射光６としては、炭素の１ｓ電子の吸収端のエネルギー値に相当するエネルギーを用いればよい。一般に、内殻電子の吸収端閾値で光の吸収係数が増大するため、欠陥生成確率も増大すると考えられるからである。炭素の１ｓ電子の吸収端のエネルギーの具体例な数値は約２８５ｅＶである。なお、カーボンナノチューブによって吸収端エネルギー値にばらつきがあるものの、２８５±１ｅＶの範囲であれば十分な効果が得られる。

また、価電子の励起確率は、一般に、光のエネルギーを下げるほど増大する。このため、シンクロトロン放射光６を高々１００ｅＶ、例えば数ｅＶとすることにより、効率よくカーボンナノチューブに欠陥を発生させることができる。
また、シンクロトロン放射光６の照射強度（光子量）については、光のエネルギーに大きく依存するので照射量を特定するのは難しい。具体的実験例として、光のエネルギーが２０ｅＶで照射量が７×１０¹⁹／ｃｍ²のシンクロトロン放射光６を用いた場合、カーボンナノチューブにおいて甚大なダメージが確認された。

本実施の形態において、光照射を真空状態で行う場合を例として説明したが、大気中で光照射を行ってもカーボンナノチューブに欠陥を生成することは可能である。なお、光の照射はガス中で行うと光励起によって形成されたラジカルにより照射領域以外のカーボンナノチューブに欠陥が生成されてしまうことがある。このため、光照射を真空中で行うことが、所定のカーボンナノチューブのみに欠陥を生成する上で効果的である。

このように、本実施の形態は、少なくとも紫外線、真空紫外線、またはＸ線のいずれかを含む光を、カーボンナノチューブが形成された基板上の任意の領域に一括して照射するようにしたので、当該領域内のカーボンナノチューブに対して一度に欠陥を生成することができる。
これにより、不要カーボンナノチューブに対する欠陥生成に要する時間を短縮でき、大面積ウェハであってもカーボンナノチューブを利用した集積回路を短時間で形成できる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について説明する。
第１の実施の形態では、シンクロトロン放射光６を照射することにより、不要カーボンナノチューブ５の電気的特性を変化させ、図４に示すように、電気的に切断された状態とする場合について説明した。本実施の形態では、シンクロトロン放射光６を照射した後、基板１を加熱する場合について説明する。

まず、第１の実施の形態と同様にして半導体素子２間にカーボンナノチューブを形成し、マスク７を介してシンクロトロン放射光６を基板１の照射領域８へ照射して、不要カーボンナノチューブ５に欠陥を生成する。この後、支燃性ガス含むガスを真空槽９に導入して基板１を所定温度に加熱する。これにより、光照射によって生じた欠陥部分は速やかに支燃性ガスと化学的に結合し、カーボンナノチューブが消失する。一方光が照射されていないカーボンナノチューブは化学的に強靱であるため、照射部分に比べて非常に緩やかに燃焼が進行する。したがって加熱温度と加熱時間を適当に選ぶことにより光照射されたカーボンナノチューブを選択的に除去することができる。

また、支燃性ガスを含むガスとして、酸素を２０％程度含む大気を用いることができる。この場合大気中に含まれる酸素が支燃性ガスとして作用する。これにより、不要カーボンナノチューブ５の欠部分は大気中の酸素と反応して速やかに燃焼して切断される。また、その切断面からさらに燃焼が進行し、これにより不要カーボンナノチューブ５の一部あるいは全部を基板１上から除去することができる。特に、大気を用いる場合、加熱温度を３５０から５００℃とし、具体的には４２０℃で３０分だけ加熱することにより、基板１上の照射領域８と非照射領域の燃焼速度の差を大きくでき、効率的に照射領域８内の不要カーボンナノチューブのみを効率よく除去できる。

このように、本実施の形態は、シンクロトロン放射光６を照射した後、基板１を加熱するようにしたので、不要カーボンナノチューブ５の電気的切断をより効果的に行うことができる。

［第３の実施の形態］
次に、図５を参照して、本発明の第３の実施の形態にかかる半導体装置の製造装置について説明する。図５は、本発明の第３の実施の形態にかかる半導体装置の製造装置の構成を示す模式図である。

本実施の形態にかかる半導体装置の製造装置は、主に真空槽９と光照射装置１０とから構成されている。
真空槽９は、槽内を真空状態とする真空ポンプ９Ａ、光照射装置１０からのシンクロトロン放射光６を導入するための放射光入射口９Ｂ、大気を導入するための大気導入口９Ｃ、およびカーボンナノチューブが形成された基板１を真空中に保持する支持部９Ｄを有している。

光照射装置１０は、例えばシンクロトロン（synchrotron）から構成される。一般に、シンクロトロンは、サイクロトロンと同様に円形加速器の一種である。らせん状の粒子軌道を持つサイクロトロンと比較して、粒子の軌道半径を一定になるように加速を行うため、シンクロトロンには、加速粒子を円形軌道に乗せるための多数の偏向電磁石と粒子を加速するための電極に相当する高周波加速空洞が設けられている。このシンクロトロンによれば、紫外線、真空紫外線、さらにはＸ線を含む広いエネルギー領域の光を得ることができる。

この半導体装置の製造装置では、前述した第２の実施の形態と同様に、カーボンナノチューブが図２のように形成された基板１を、電気ヒータなどの加熱装置１１を介して支持部９Ｄに取り付け、放射光入射口９Ｂと基板１の間にマスク７を配置する。次に、真空ポンプ９Ａで真空槽９内を減圧して真空状態とした後、光照射装置１０からのシンクロトロン放射光６をマスク７を介して基板１へ照射する。これにより、照射領域８内の不要カーボンナノチューブ５に欠陥が生じる。次に、大気導入口９Ｃから大気１２を導入し、加熱装置１１により基板１を加熱する。これにより、欠陥が形成された不要カーボンナノチューブ５が燃焼して、電気的、物理的に切断される。

本発明の第１の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法での半導体形成工程を示す説明図である。本発明の第１の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法でのカーボンナノチューブ形成状態を示す説明図である。本発明の第１の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法での光照射工程を示す説明図である。本発明の第１の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法での不要カーボンナノチューブ切断状態を示す説明図である。本発明の第３の実施の形態にかかる半導体装置の製造装置の構成を示す模式図である。

符号の説明

１…基板、１Ａ…基板要部、２…半導体素子、３…接続方向、４…カーボンナノチューブ、５…不要カーボンナノチューブ、６…光（シンクロトロン放射光）、７…マスク、７Ａ…マスクパターン、８…照射領域、９真空槽、９Ａ…真空ポンプ、９Ｂ…放射光入射口、９Ｃ…大気導入口、９Ｄ…支持部、１０…光照射装置、１１…加熱装置、１２…大気。

Claims

基板上に形成したカーボンナノチューブを用いて所望の素子を作製する際、任意のカーボンナノチューブに欠陥を発生させて電気的特性を変化させる半導体装置の製造方法であって、
少なくとも紫外線、真空紫外線、またはＸ線のいずれかを含む光を、前記カーボンナノチューブが形成された基板上の欠陥生成領域に一括して、真空中で照射して、当該領域内のカーボンナノチューブに欠陥を生成する光照射工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
支燃性ガスを含む雰囲気で前記カーボンナノチューブを所定の温度に加熱することにより、欠陥生成した前記カーボンナノチューブを電気的に切断する加熱工程をさらに備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項２に記載の半導体装置の製造方法において、
前記加熱工程では酸素を含む雰囲気で前記カーボンナノチューブを３５０〜５００℃に加熱することを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記光のエネルギーは前記カーボンナノチューブを構成する炭素原子の１ｓ電子の吸収端エネルギーに相当することを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記光のエネルギーは高々１００ｅＶであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
基板上に形成したカーボンナノチューブを用いて所望の素子を作製する際、任意のカーボンナノチューブに対して欠陥を発生させて電気的特性を変化させる半導体装置の製造装置であって、
少なくとも紫外線、真空紫外線、またはＸ線のいずれかを含む光を前記カーボンナノチューブが形成された基板上の欠陥生成領域に一括して、真空中で照射して、当該領域内のカーボンナノチューブに欠陥を生成する光照射装置を備えることを特徴とする半導体装置の製造装置。
請求項６に記載の半導体装置の製造装置において、
光照射後の前記基板を支燃性ガス雰囲気で所定の温度に加熱することにより、欠陥生成した前記カーボンナノチューブを電気的に切断する加熱装置をさらに備えることを特徴とする半導体装置の製造装置。
請求項７に記載の半導体装置の製造装置において、
前記加熱装置は、酸素を含む雰囲気で前記カーボンナノチューブを３５０〜５００℃に加熱することを特徴とする半導体装置の製造装置。
請求項６〜８のいずれかに記載の半導体装置の製造装置において、
前記光のエネルギーは前記カーボンナノチューブを構成する炭素原子の１ｓ電子の吸収端エネルギーに相当することを特徴とする半導体装置の製造装置。
請求項６〜８のいずれかに記載の半導体装置の製造装置において、
前記光のエネルギーは高々１００ｅＶであることを特徴とする半導体装置の製造装置。