JP5233125B2

JP5233125B2 - Semiconductor device

Info

Publication number: JP5233125B2
Application number: JP2007023495A
Authority: JP
Inventors: 大雄近藤; 正明乘松; 大介岩井; 佳孝山口
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2007-02-01
Filing date: 2007-02-01
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2027-02-01
Also published as: JP2008192706A

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に炭素元素から構成される円筒状構造体、すなわちカーボンナノチューブを、密集成長して形成したカーボンナノチューブ束（多重壁構造カーボンナノチューブの束、Bundle of MWNTs ＜Multi-Walled carbon NanoTubes ＞）からなる柱状構造体（直方体・立方体など）を、少なくとも２種、連続的に接続しつつ成長することによって形成された、高伝導性、高放熱性をもつ、電極、ビア、配線、あるいは放熱ビアを有する半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device, and in particular, a cylindrical structure composed of carbon elements, that is, a bundle of carbon nanotubes formed by densely growing carbon nanotubes (bundle of multi-walled carbon nanotubes, Bundle of MWNTs <Multi-Walled High-conductivity, high-heat-dissipation electrodes, vias, and wiring formed by continuously growing at least two types of columnar structures (cuboids, cubes, etc.) made of carbon NanoTubes>) Or a semiconductor device having a heat dissipation via.

半導体集積回路の高集積化、高密度化への要請はますます進み、従来方式の半導体プロセス技術による対応も限界に近づいている。その一つに、多層に形成される配線やビアのサイズの微細化とともに、配線内を流れる電流密度の大幅な増大が進み、その結果、とくにマイグレーション現象によって、配線やビアの断線が生じるといった課題も生じるようになった。 There is an increasing demand for higher integration and higher density of semiconductor integrated circuits, and the response by conventional semiconductor process technology is approaching its limit. For example, with the miniaturization of the wiring and vias formed in multiple layers, the current density flowing in the wiring has greatly increased, and as a result, the disconnection of the wiring and vias is caused by the migration phenomenon in particular. Also came to occur.

このような、マイグレーションに対し、高い耐性を有し、電気的にも高伝導率をもち、かつ微細化にも対応可能な有力なビアや配線の形成材料として、炭素元素から構成される円筒状の構造体、その代表的なものとしてカーボンナノチューブの適用が提案されるようになってきた（例えば、特許文献１）。さらに、カーボンナノチューブが極めて高い熱伝導率を有していることから、これを半導体装置の熱冷却板に直結する熱伝導体としての適用も提案されている（例えば、特許文献２）。 Cylindrical shape composed of carbon element as a powerful via and wiring forming material that has high resistance to migration, has high electrical conductivity, and can handle miniaturization. As a typical structure, application of carbon nanotubes has been proposed (for example, Patent Document 1). Furthermore, since carbon nanotubes have extremely high thermal conductivity, application as a thermal conductor that directly couples the carbon nanotubes to a thermal cooling plate of a semiconductor device has also been proposed (for example, Patent Document 2).

具体的なビアや配線の構造や製造方法の提案もされてきており、とくに、半導体デバイスにおける多層配線構造を形成する上でポイントとなる、カーボンナノチューブ束からなるビア（あるいは配線）と有力な配線材料であるＣｕなどの金属で形成された配線（あるいは電極）との低オーミックコンタクトを実現する方法の検討や提案もなされてきた（非特許文献１、特許文献３）。
特開２００３−３２９７２５号公報特開２００３−３３２５０４号公報 M.Nihei et al., Japanese Journal of Applied Physics 43, No.4B 2004, pp1856-1859 特開２００４−２８８８３３号公報 Specific via and wiring structures and manufacturing methods have also been proposed, especially vias (or wiring) made up of carbon nanotube bundles and leading wiring, which are key points in forming multilayer wiring structures in semiconductor devices. Studies and proposals have been made on a method for realizing low ohmic contact with a wiring (or electrode) formed of a metal such as Cu as a material (Non-patent Documents 1 and 3).
JP 2003-329725 A JP 2003-332504 A M.Nihei et al., Japanese Journal of Applied Physics 43, No.4B 2004, pp1856-1859 JP 2004-288833 A

上記の非特許文献１や特許文献３により提案された、カーボンナノチューブ束からなるビア（あるいは配線）とＣｕなどの金属で形成された配線（あるいは電極）との良好な接続特性を実現する方法について、図を参照しながら説明する。 About the method of realizing the favorable connection characteristic of the via | veer (or wiring) which consists of a carbon nanotube bundle, and the wiring (or electrode) formed with metals, such as Cu, proposed by said nonpatent literature 1 and patent document 3 This will be described with reference to the drawings.

図１は、集積回路に形成された多層配線部分の断面を模式的に示した図であり、図１（ａ）は、上記は非特許文献１で示された、層間絶縁膜中に形成されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束からなるビアとその上下の層に形成された配線（Ｃｕ配線）との接続構成をしめしている。図示されていない最下層の基板上に、３層の層間絶縁膜１０３中に３層のＣｕ配線１０２が形成され、各Ｃｕ配線１０２間をカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束ビア１０１で接続している。 FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross section of a multilayer wiring portion formed in an integrated circuit, and FIG. 1A is formed in an interlayer insulating film described in Non-Patent Document 1. In addition, a connection configuration between vias formed of bundles of carbon nanotubes (CNT) and wirings (Cu wirings) formed in the upper and lower layers is shown. A three-layer Cu wiring 102 is formed in a three-layer interlayer insulating film 103 on a lowermost substrate (not shown), and the Cu wirings 102 are connected by a carbon nanotube (CNT) bundle via 101.

図１（ｂ）は、同様な方法で形成された、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束ビアとともに、それに接続した。金属ブロック（例えばＣｕブロック）状などの金属柱状構造体、あるいはその様な構造の電極、あるいは配線（Ｃｕ配線）などの側面から、更にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束からなる配線を接続した構成を示している。図示されていない最下層の基板上に、３層の層間絶縁膜１０３中にＣｕブロック１０５が形成され、層間のＣｕブロック１０５間をカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束ビア１０１で接続し、またＣｕブロック１０５から、あるいはＣｕブロック１０５間をカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束配線１０４が形成されている。 FIG. 1 (b) is connected to a carbon nanotube (CNT) bundle via formed in a similar manner. A configuration in which a metal columnar structure such as a metal block (for example, Cu block), or an electrode having such a structure, or a wiring (Cu wiring) is connected to a wiring made of a carbon nanotube (CNT) bundle. ing. A Cu block 105 is formed in a three-layer interlayer insulating film 103 on a lowermost substrate (not shown), and the interlayer Cu blocks 105 are connected by carbon nanotube (CNT) bundle vias 101. Or a carbon nanotube (CNT) bundle wiring 104 is formed between the Cu blocks 105.

このように、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束ビア１０１とＣｕ配線１０２やＣｕブロック１０５との相互接続は、次のようなプロセスを適用している。 In this way, the following process is applied to the interconnection between the carbon nanotube (CNT) bundle via 101 and the Cu wiring 102 or Cu block 105.

図２は、上記の従来例に示した構成を形成するための基本的な工程を説明する断面工程図である。図２（ａ）において、図示されていない、例えばＳｉ基板などの基板上に、例えば下部電極、あるいは下層の配線であるＣｕ層１０６、その上に良好な接続部を形成すべくＴａ層１０７、ＴｉＮ層１０８が積層されている。その上に、シリコン酸化膜やナノクラスタリングシリカをはじめとするポーラス材料あるいはその他の低誘電率材料（Ｌｏｗ−ｋ材料）からなる層間絶縁膜１０９が積層され、そこにビア穴１１０を開口する。（図２では、煩雑を避けるため、ビア穴１１０が開口された個所の底部にあるＣｕ層１０６、Ｔａ層１０７、ＴｉＮ層１０８の積層のみを図示している。以下の各実施例の説明などにおいても、上述のような方法で形成した場合でも、同様の形式で図示する。）あるいは、基板上に層間絶縁膜１０９を形成し、次いでビア穴１１０を基板表面まで達するように開口した後、そのビア穴中にＣｕ層１０６、Ｔａ層１０７、ＴｉＮ層１０８を順次積層するように形成してもよい。 FIG. 2 is a cross-sectional process diagram illustrating a basic process for forming the configuration shown in the conventional example. In FIG. 2 (a), a Ta layer 107, which is not shown, for example, is formed on a substrate such as a Si substrate, for example, a Cu layer 106, which is a lower electrode or a lower wiring, and a good connection portion thereon. A TiN layer 108 is laminated. On top of that, an interlayer insulating film 109 made of a porous material such as a silicon oxide film and nanoclustering silica or other low dielectric constant material (Low-k material) is laminated, and a via hole 110 is opened there. (In FIG. 2, for the sake of simplicity, only the stack of the Cu layer 106, the Ta layer 107, and the TiN layer 108 at the bottom of the portion where the via hole 110 is opened is illustrated. Description of each example below, etc. In the case of forming in the above-described method, it is illustrated in the same form.) Alternatively, after forming the interlayer insulating film 109 on the substrate and then opening the via hole 110 so as to reach the substrate surface, A Cu layer 106, a Ta layer 107, and a TiN layer 108 may be sequentially stacked in the via hole.

そして、図２（ｂ）に示すように、ビア穴１１０中および層間絶縁膜１０９上に、例えばＣｏなどの触媒金属微粒子１１１を積層する。 Then, as shown in FIG. 2B, catalytic metal fine particles 111 such as Co are laminated in the via hole 110 and on the interlayer insulating film 109.

次に図２（ｃ）に示すように、ビア穴１１０中の触媒金属微粒子１１１から化学気相成長（ＣＶＤ）法によって、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束１１２を成長する。この際、後述する成長条件により、層間絶縁膜１０９上の触媒金属微粒子１１１を残しておいても、その触媒金属微粒子１１１からは成長せず、ビア穴１１０中の触媒金属微粒子１１１からのみの選択的な成長を実現できる。勿論、層間絶縁膜１０９上の触媒金属微粒子１１１を除去するリフトオフ工程などを導入して、ビア穴１１０中の触媒金属微粒子１１１から成長を行っても構わない。図示されているように、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束１１２がビア穴１１０中で成長され、かつ先端部がビア穴１１０の開口面よりも十分伸長するように成長させる。 Next, as shown in FIG. 2C, a carbon nanotube (CNT) bundle 112 is grown from the catalytic metal fine particles 111 in the via hole 110 by a chemical vapor deposition (CVD) method. At this time, even if the catalyst metal fine particles 111 on the interlayer insulating film 109 are left under the growth conditions described later, the catalyst metal fine particles 111 do not grow but are selected only from the catalyst metal fine particles 111 in the via hole 110. Real growth. Of course, the catalyst metal fine particles 111 in the via holes 110 may be grown by introducing a lift-off process for removing the catalyst metal fine particles 111 on the interlayer insulating film 109. As shown in the drawing, a carbon nanotube (CNT) bundle 112 is grown in the via hole 110, and the tip is grown so as to extend sufficiently beyond the opening surface of the via hole 110.

そして、図２（ｄ）に示すように、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束１１２のビア穴１１０の開口面から突出して成長した部分を、化学機械研磨（ＣＭＰ）法などにより除去し、平坦化して、平坦面１１３を得る。 Then, as shown in FIG. 2 (d), the portion of the carbon nanotube (CNT) bundle 112 protruding and growing from the opening surface of the via hole 110 is removed by a chemical mechanical polishing (CMP) method or the like, planarized, A flat surface 113 is obtained.

そして、図２（ｅ）に示すように、こうして形成されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束１１２のビアを経由する上部電極（あるいは上層の配線層）形成するために、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束１１２の平坦面１１３上に、先ずＴｉ層１１４を形成し、その上に、上部の電極（配線）層となるＣｕ層１１５を積層し、必要に応じたパターン形成を行い電極あるいは配線とする。 Then, as shown in FIG. 2E, in order to form the upper electrode (or upper wiring layer) via the vias of the carbon nanotube (CNT) bundle 112 thus formed, the carbon nanotube (CNT) bundle 112 is formed. A Ti layer 114 is first formed on the flat surface 113, and a Cu layer 115 to be an upper electrode (wiring) layer is laminated thereon, and a pattern is formed as necessary to form an electrode or wiring.

こうして、図１（ａ）の構成は製造実施されるが、図１（ｂ）で示された、さらに配線についてもカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束で形成する場合は、図２（ｅ）のＣｕ層１１５を立方体構造などにパターン形成したのち、このＣｕ立方体の成長方向の横面に先と同様にＴａ／ＴｉＮ／Ｃｏ膜を形成し、新たに層間絶縁膜を積層して、その層間絶縁膜内に、先の立方体成長方向横面とつながる横方向に溝を形成する。そしてその溝内にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束を所定の長さに成長させた後、この成長方向の先端面を平坦化して、先と同様に平坦面にＴｉ層を形成し、次いでＣｕ立方体を接続させて、異なる電極として形成することができる。 In this way, the configuration of FIG. 1A is manufactured, but when the wiring shown in FIG. 1B is further formed with a bundle of carbon nanotubes (CNT), the Cu layer of FIG. After patterning 115 into a cubic structure or the like, a Ta / TiN / Co film is formed on the lateral surface in the growth direction of the Cu cube in the same manner as described above, and an interlayer insulating film is newly laminated. Then, grooves are formed in the lateral direction connected to the lateral surface of the cube growth direction. Then, after growing a carbon nanotube (CNT) bundle in the groove to a predetermined length, the tip surface in the growth direction is flattened to form a Ti layer on the flat surface as before, and then the Cu cube is formed. They can be connected to form different electrodes.

こうして形成されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束のビアなどは、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束の成長開始端側は、低抵抗の接続部が形成されている。しかし、上記のような形成方法では、実際上、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束の成長終了端側（上層の電極や配線層）の金属層（Ｃｕ層）との接続部は高いコンタクト抵抗を持つという問題を有している。 In the carbon nanotube (CNT) bundle via formed in this way, a low resistance connection portion is formed on the growth start end side of the carbon nanotube (CNT) bundle. However, in the formation method as described above, the connection portion with the metal layer (Cu layer) on the growth end side (upper electrode or wiring layer) of the carbon nanotube (CNT) bundle is actually high contact resistance. Have a problem.

一般に成長したカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束の個々のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の長さは不均一であり、成長先端のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束が揃っているわけではない。このため、成長したままで、すべてのカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）に均一に電極金属をコンタクトさせることが難しい。これを解決するために、前述のように化学機械研磨（ＣＭＰ）法による平坦化が行われ、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の長さが一定の束を形成することが可能となった。しかし、化学機械研磨（ＣＭＰ）法はカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）そのものにダメージを与え、結果としてカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束の低抵抗性を十分生かせた、金属層（Ｃｕ層）との良好な接続特性を得ることができない。これは、図１（ｂ）で示されたような、ビアも配線（電極)もカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束で形成し、かつそれらのお互いの接続個所が低抵抗で接続するといった、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束での多層配線構造の形成を実現できない。 In general, the lengths of individual carbon nanotubes (CNT) in a grown carbon nanotube (CNT) bundle are not uniform, and the carbon nanotube (CNT) bundles at the growth tip are not aligned. For this reason, it is difficult to contact the electrode metal uniformly to all the carbon nanotubes (CNT) while growing. In order to solve this, planarization by the chemical mechanical polishing (CMP) method is performed as described above, and a bundle of carbon nanotubes (CNT) having a constant length can be formed. However, the chemical mechanical polishing (CMP) method damages the carbon nanotube (CNT) itself, and as a result, the low resistance of the carbon nanotube (CNT) bundle is fully utilized, and the good connection characteristics with the metal layer (Cu layer) Can't get. This is because, as shown in FIG. 1B, the carbon nanotubes (vias and wirings (electrodes) are formed of carbon nanotube (CNT) bundles, and their connection points are connected with low resistance. The formation of a multilayer wiring structure with a (CNT) bundle cannot be realized.

以上のことから、本発明の課題は、従来は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束を用いての多層配線構造を形成するために必要としていた、電極や配線あるいは中継用立体構造としての金属層（Ｃｕ層）を用いること無しに、基本的に、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束を用いて、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束によるビア（ＣＮＴビア）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束による配線（ＣＮＴ配線）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束による電極（ＣＮＴ電極）、またこれらを接続中継するカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束によつブロック（ＣＮＴブロック）などを構成し、かつそれらカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束間の接続を十分な低抵抗で実現しうる多層配線構造、あるいは、十分に低い熱抵抗で実現しうる熱伝導構造を有する半導体装置を提供することにある。 From the above, the problem of the present invention is that a metal layer (Cu) as a three-dimensional structure for electrodes, wiring, or relays, which has been conventionally required to form a multilayer wiring structure using carbon nanotube (CNT) bundles. Without using a layer, basically, carbon nanotube (CNT) bundles are used, vias with carbon nanotube (CNT) bundles (CNT vias), wiring with carbon nanotube (CNT) bundles (CNT wiring), carbon nanotubes (CNT) bundle electrodes (CNT electrodes), and carbon nanotube (CNT) bundles that connect and relay them together to form a block (CNT block), etc., and sufficient connection between these carbon nanotube (CNT) bundles Multi-layer wiring structure that can be realized with low resistance, or heat conduction structure that can be realized with sufficiently low thermal resistance To provide a semiconductor device having a.

本発明の半導体装置は、その一態様によれば、
基板上に形成された第１の金属層と、前記第１の金属層の上面に形成された前期第１の金属層の構成原子の拡散バリアとなる第１の下地金属層とを有する下部金属層と、
前記下部金属層の上面に形成された第１の触媒金属層と、
前記第１の触媒金属層を介して前記下部金属層の上面に垂設された第１のカーボンナノチューブ束からなり、前記第１のカーボンナノチューブ束の一部の側面が平面状外形を呈する平坦面として形成された第１の柱状構造体と、
前記第１のカーボンナノチューブ束を構成する各カーボンナノチューブの少なくとも先端近傍の表面を被覆する金属膜からなり、前記第１の柱状構造体の少なくとも先端近傍の外形と同形の外形を有して前記第１のカーボンナノチューブ束の少なくとも前記先端近傍を埋め込む埋込み金属と、
前記第１の柱状構造体の前記埋込み金属に埋め込まれた部分と前記埋込み金属とからなり、前記平坦面直上に平面状表面が形成されたＣＮＴ（カーボンナノーチューブ）ブロックと、
前記平面状表面上に、順次積層された前記埋込み金属の拡散バリアとなる第２の下地金属層および第２の触媒金属層と、
前記第２の下地金属層および第２の触媒金属層を介して前記平面状表面上に垂設された第２のカーボンナノチューブ束からなる第２の柱状構造体と、
を、有することを特徴とする。 According to one aspect of the semiconductor device of the present invention,
A lower metal having a first metal layer formed on a substrate and a first base metal layer serving as a diffusion barrier for atoms constituting the first metal layer formed on the upper surface of the first metal layer Layers,
A first catalytic metal layer formed on an upper surface of the lower metal layer;
Comprises a first carbon nanotube bundles provided vertically on the upper surface of the lower metal layer through the first catalytic metal layer, the flat surface part side of the exhibits a planar outer shape of the first carbon nanotube bundles A first columnar structure formed as
A metal film covering the surface of at least near the tip of each carbon nanotube constituting the first carbon nanotube bundles, said at least distal outer shape having the same shape of the outline of the vicinity of the first columnar structure An embedded metal that embeds at least the vicinity of the tip of the first carbon nanotube bundle ,
A CNT (carbon nanotube) block comprising a portion embedded in the embedded metal of the first columnar structure and the embedded metal, and a planar surface formed directly on the flat surface;
A second base metal layer and a second catalytic metal layer that serve as a diffusion barrier for the buried metal , which are sequentially stacked on the planar surface;
A second columnar structure consisting of a second bundle of carbon nanotubes suspended on the planar surface via the second base metal layer and the second catalyst metal layer;
It is characterized by having.

そして、
前記第１の柱状構造体及び前記第２の柱状構造体は導電体であり、かつ前記第１の柱状構造体及び前記第２の柱状構造体の少なくとも一部表面は絶縁体で覆われていることを特徴とする。 And
The first columnar structure and the second columnar structure are conductors, and at least part of the surfaces of the first columnar structure and the second columnar structure are covered with an insulator. It is characterized by that.

そして、
前記第１の柱状構造体、前記第２の柱状構造体、及び前記第１および第２の両構造体の組合せからなる複合柱状構造体は、層間絶縁膜で分離された異なる配線層間の配線を接続するビア、同一配線層上の配線、外部接続用電極、および熱源部と放熱部を接続する放熱用ビア、の少なくともいずれかの一部であることを特徴とする。 And
The first columnar structure, the second columnar structure, and the composite columnar structure formed by a combination of both the first and second structures can be used for wiring between different wiring layers separated by an interlayer insulating film. It is a part of at least one of a via to be connected, a wiring on the same wiring layer, an external connection electrode, and a heat radiation via that connects the heat source part and the heat radiation part.

また、本発明の半導体装置の製造方法は、
第１の柱状構造を有するカーボンナノチューブ束を成長する工程と、
前記第１の柱状構造体の少なくとも一面に、順次第１の金属層と第２の金属層を積層する工程と、
前記第２金属層上に、第２の柱状構造を有するカーボンナノチューブ束を成長する工程と、
を含むことを特徴とする。 In addition, a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes:
Growing a carbon nanotube bundle having a first columnar structure;
Laminating a first metal layer and a second metal layer sequentially on at least one surface of the first columnar structure;
Growing a carbon nanotube bundle having a second columnar structure on the second metal layer;
It is characterized by including.

そして、
前記第１の柱状構造を有するカーボンナノチューブ束を成長する工程と、
前記第２の柱状構造を有するカーボンナノチューブ束を成長する工程との、
いずれか一方の工程、またはいずれの工程の、前、または後、または前後共において、
少なくとも、絶縁膜を積層する工程、または絶縁膜をパターニングする工程を含むことを特徴とする。 And
Growing a carbon nanotube bundle having the first columnar structure;
Growing a carbon nanotube bundle having the second columnar structure;
In either step, or before, after, or before and after any step,
It includes at least a step of laminating an insulating film or a step of patterning the insulating film.

本発明の半導体装置、およびその製造方法によって、従来提案されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）による多層配線の構成方法やプロセスでは困難であった多層配線構造において、すべてカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束で電気的に接続特性の良い電気的導通部（例えば、ビア、配線、電極、フ゜ラク゛など）を具体的に作製することが可能となる。またこれにより、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の優れた導電性を生かすことができる。 According to the semiconductor device of the present invention and the manufacturing method thereof, all of the multi-layered wiring structure that has been difficult in the conventional multi-layered wiring configuration method and process using carbon nanotubes (CNT) is electrically formed by carbon nanotube (CNT) bundles. It is possible to specifically manufacture an electrically conductive portion (for example, a via, a wiring, an electrode, a flange, etc.) with good connection characteristics. Thereby, the excellent conductivity of the carbon nanotube (CNT) can be utilized.

更に、従来方法では実現の困難であった、熱伝導性が良く、かつ高アスペクト比の熱伝導導通部（熱伝導用ビア、同プラグ、同配線など）も具体的な作製が可能となった。 Furthermore, it has become possible to concretely produce a heat conduction conduction part (heat conduction via, the same plug, the same wiring, etc.) having a good thermal conductivity and a high aspect ratio, which was difficult to realize by the conventional method. .

以下に、本発明の実施の形態を、添付図を参照しつつ説明する。
（第１の実施例）
本第１の実施例を、図３および図４を用いて説明する。図３は斜視図の模式図による形成工程を端的に示し、図４は具体的な実施工程を断面模式図で示した。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
(First embodiment)
The first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 3 simply shows a forming process based on a schematic diagram of a perspective view, and FIG. 4 shows a specific implementation process in a schematic cross-sectional view.

図３（ａ）において、ビア用カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束１が、層間絶縁膜表面３の下部にある層間絶縁膜中の図示されないビア穴内部に、図示されない金属電極などが存在するビア穴底面部から成長形成され、更にビアから層間絶縁膜表面３上に突出して、柱状構造体カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束２が形成されていることを示す。なお、本説明においてはビア形成を中心に述べるが、プラグ形成についても同様に実施可能である。 In FIG. 3 (a), via carbon nanotube (CNT) bundle 1 has a via hole bottom surface in which a metal electrode (not shown) is present inside a via hole (not shown) in an interlayer insulating film below the surface 3 of the interlayer insulating film. It shows that the columnar structure carbon nanotube (CNT) bundle 2 is formed by growing from the portion and projecting from the via to the surface 3 of the interlayer insulating film. In this description, via formation is mainly described, but plug formation can be similarly performed.

図３（ｂ）は、この突出した柱状構造体カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束２の表面に、金属膜４（たとえばＡｕ膜）を付着し、金属膜形成柱状構造体カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束（ＣＮＴブロックと称する）５を形成したことを示す。この構成は、ＣＮＴビアに直接接続し層間絶縁膜表面に形成されたＣＮＴ電極に相当する。 FIG. 3B shows a metal film 4 (for example, an Au film) attached to the surface of the protruding columnar structure carbon nanotube (CNT) bundle 2 to form a metal film-formed columnar structure carbon nanotube (CNT) bundle (CNT). (Referred to as a block) 5 is formed. This configuration corresponds to a CNT electrode directly connected to the CNT via and formed on the surface of the interlayer insulating film.

図３（ｃ）は、ＣＮＴブロック５の任意の壁面、例えば横面（層間絶縁膜表面３に平行方向に成長する方向の面、この場合は相対する２表面）に、触媒金属形成前に接続用の下地金属膜と触媒金属６を形成することを示す。 FIG. 3 (c) shows a connection to an arbitrary wall surface of the CNT block 5, for example, a lateral surface (a surface in a direction parallel to the interlayer insulating film surface 3 in this case, two surfaces facing each other) before forming the catalyst metal. It shows that the base metal film and the catalyst metal 6 are formed.

図３（ｄ）は、触媒金属６（この場合は、2つの面）から、配線部に相当するカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束（配線用カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束）７が成長し、この結果、金属電極などに接続したビア用カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束から、ＣＮＴブロックを介して、配線用カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束が形成されたことを示す。つまり、これにより、ＣＮＴビア／ＣＮＴ（配線用）ブロック／ＣＮＴ配線の構成に相当する。 FIG. 3D shows that a carbon nanotube (CNT) bundle (wire carbon nanotube (CNT) bundle for wiring) 7 corresponding to the wiring portion grows from the catalytic metal 6 (in this case, two surfaces), and as a result, It shows that a carbon nanotube (CNT) bundle for wiring is formed from a carbon nanotube (CNT) bundle for vias connected to a metal electrode or the like via a CNT block. That is, this corresponds to the configuration of the CNT via / CNT (for wiring) block / CNT wiring.

図４の断面工程図を用いて、より具体的に第１の実施例の製作工程を説明する。図４（ａ）に示されているように、図示されていない、例えばＳｉ基板などの基板上に、例えば下部電極、あるいは下層の配線であるＣｕ層８、その上に良好な接続特性とＣｕ拡散を防ぐための下地金属層（具体的にはＴａ層９、ＴｉＮ層１０）が積層されている。その上に、シリコン酸化膜や低誘電率材料（Ｌｏｗ−ｋ材料）からなる層間絶縁膜１１が積層され、次いでＴｉＮ層１０表面に達するビア穴１２を開口する。Ｃｕ層８の厚さは、たとえば３００ｎｍ、Ｔａ層９の厚さは、たとえば１５ｎｍ、ＴｉＮ層１０の厚さは、たとえば５ｎｍとし、スパッタリング法や電子ビーム蒸着法などで形成する。層間絶縁膜１１としてのシリコン酸化膜は、たとえば熱酸化やＴＥＯＳ（正珪酸四エチル）による酸化膜が用いられ、また低誘電率材料（Ｌｏｗ−ｋ材料）は、ポーラス材料であるシリカ系絶縁膜が主に用いられ、例えばナノクラスタリングシリカはスピンコートによって作製される。膜厚として、たとえば３００ｎｍとする。そして、層間絶縁膜１１を、ＴｉＮ層１０表面まで達するように、ビア穴（たとえば一辺２μｍの四角形の穴）１２を、既知のエッチング法により形成する。あるいは、すでに図２の従来例の説明で述べたように、基板上の層間絶縁膜１１を形成、次いでビア穴１２を基板表面まで達するように開口した後、ビア穴中にＣｕ層８、Ｔａ層９、ＴｉＮ層１０を順次積層するように形成しても良い。 The manufacturing process of the first embodiment will be described more specifically with reference to the sectional process diagram of FIG. As shown in FIG. 4A, on a substrate (not shown) such as a Si substrate, for example, a lower electrode or a Cu layer 8 which is a lower wiring, a good connection characteristic and Cu A base metal layer (specifically, Ta layer 9 and TiN layer 10) for preventing diffusion is laminated. An interlayer insulating film 11 made of a silicon oxide film or a low dielectric constant material (Low-k material) is laminated thereon, and then a via hole 12 reaching the surface of the TiN layer 10 is opened. The thickness of the Cu layer 8 is, for example, 300 nm, the thickness of the Ta layer 9 is, for example, 15 nm, and the thickness of the TiN layer 10 is, for example, 5 nm, and is formed by sputtering or electron beam evaporation. The silicon oxide film as the interlayer insulating film 11 is an oxide film made of, for example, thermal oxidation or TEOS (normal tetraethyl silicate), and the low dielectric constant material (Low-k material) is a silica-based insulating film which is a porous material. Are mainly used, for example, nanoclustering silica is produced by spin coating. The film thickness is, for example, 300 nm. A via hole (for example, a square hole with a side of 2 μm) 12 is formed by a known etching method so that the interlayer insulating film 11 reaches the surface of the TiN layer 10. Alternatively, as already described in the description of the conventional example of FIG. 2, after forming the interlayer insulating film 11 on the substrate and then opening the via hole 12 so as to reach the substrate surface, the Cu layer 8 and Ta are formed in the via hole. The layer 9 and the TiN layer 10 may be formed so as to be sequentially stacked.

次に、図４（ｂ）に示すように、ビア穴１２の内の底面に、触媒金属層として、たとえばＣｏ微粒子層１３を形成する。カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の触媒となるコバルト微粒子は、微分型静電分級器（ＤＭＡ）（たとえば非特許文献２）やインパクター（たとえば非特許文献３）などの装置を用いて作製できる。コバルト微粒子層１３は、ＴｉＮ層１０上に、平均粒径（直径）３．８ｎｍで形成した。 Next, as shown in FIG. 4B, for example, a Co fine particle layer 13 is formed on the bottom surface of the via hole 12 as a catalytic metal layer. Cobalt fine particles serving as a catalyst for carbon nanotubes (CNT) can be produced using an apparatus such as a differential electrostatic classifier (DMA) (for example, Non-Patent Document 2) or an impactor (for example, Non-Patent Document 3). The cobalt fine particle layer 13 was formed on the TiN layer 10 with an average particle diameter (diameter) of 3.8 nm.

触媒金属層として、微粒子層を用いるかわりに、スパッタリング法や電子ビーム蒸着法で作製した触媒金属薄膜層（たとえばＣｏ薄膜、厚さ２．６ｎｍ）を用いることができる。 As the catalyst metal layer, instead of using the fine particle layer, a catalyst metal thin film layer (for example, a Co thin film having a thickness of 2.6 nm) prepared by a sputtering method or an electron beam evaporation method can be used.

次に、図４（ｃ）に示すように、Ｃｏ微粒子層１３を触媒として、ビア穴１２から更にその穴から突出するように、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束１４を、化学気相成長法（ＣＶＤ）法を用いて成長する。金属触媒層としてＣｏ微粒子を用いたＣＶＤ法によるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束の成長は、基板温度（成長温度）；４５０℃、原料ガス；アセチレンおよびアルゴンの混合ガス（比率１：９）、ガス圧；１ｋＰａの条件下の高温炉中に試料を配置し、成長中は、更に原料ガスはアルゴンによって２０００分の１に希釈される。その際に流量は、混合ガス０．５ｓｃｃｍ（スタンダード立方センチメーター）に対し、アルゴンガスは１０００ｓｃｃｍである。 Next, as shown in FIG. 4C, with the Co fine particle layer 13 as a catalyst, the carbon nanotube (CNT) bundle 14 is further formed by chemical vapor deposition (CVD) so as to protrude from the via hole 12. ) Grow using the method. Growth of carbon nanotube (CNT) bundles by CVD using Co fine particles as a metal catalyst layer is carried out using a substrate temperature (growth temperature): 450 ° C., a raw material gas; a mixed gas of acetylene and argon (ratio 1: 9), gas pressure The sample is placed in a high-temperature furnace under the condition of 1 kPa, and during the growth, the source gas is further diluted 1/2000 with argon. At this time, the flow rate is 1000 sccm for argon gas with respect to 0.5 sccm (standard cubic centimeter) of the mixed gas.

金属触媒層としてＣｏ薄膜を用いた場合のＣＶＤ成長についても、上記のＣｏ微粒子を用いた成長条件（Ｃｏ微粒子用成長条件と仮称する）で行うことが可能であるが、以下の成長条件（Ｃｏ薄膜用成長条件と仮称する）でもＣＶＤ成長可能である。すなわち、基板温度（成長温度）；５１０℃、原料ガス；アセチレンおよびアルゴンの混合ガス（比率１：９）、ガス圧；１ｋＰａの条件下で成長するが、混合ガスの流量は２００ｓｃｃｍで行い、このときアルゴンガスによる更なる希釈は行わない。 CVD growth in the case of using a Co thin film as the metal catalyst layer can also be performed under the above-described growth conditions using Co fine particles (provisionally referred to as growth conditions for Co fine particles), but the following growth conditions (Co CVD growth is also possible (provisionally referred to as thin film growth conditions). That is, the substrate temperature (growth temperature): 510 ° C., the raw material gas: a mixed gas of acetylene and argon (ratio 1: 9), gas pressure: 1 kPa, but the mixed gas flow rate is 200 sccm. Sometimes no further dilution with argon gas is performed.

上記のようなＣＶＤ成長法を用いて、図４（ｃ）のように、高さ（底面から上面までの長さ）が約１μｍ程度、従って、層間絶縁膜１１の表面から、約７００ｎｍほど突出した、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束１４を形成した。 Using the CVD growth method as described above, as shown in FIG. 4C, the height (length from the bottom surface to the top surface) is about 1 μm, and thus protrudes from the surface of the interlayer insulating film 11 by about 700 nm. Thus, a carbon nanotube (CNT) bundle 14 was formed.

このＣＶＤ成長法において、金属触媒層としてのコバルト微粒子層やＣｏ薄膜が、ビア穴底面の下地金属膜（本実施例の場合、ＴｉＮ層）表面に積層されたもの以外に、ビア穴周辺の層間絶縁膜の表面に積層される状況もあり得る（図４において例示している）。しかし、上記のようなＣＶＤ成長条件によってカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束を成長した場合は、下地金属膜上の触媒金属の存在する個所のみから、触媒作用によるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束の成長がみられ、層間絶縁膜上の触媒金属存在個所からの成長は見られない。勿論、触媒金属の積層個所を下地金属上のみに限定し、他の個所に付着した触媒金属を除去する工程を導入し、ＣＶＤ成長法を適用して、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束を成長しても良いことはいうまでもない。しかし、このような追加的な工程を行うことなく、選択的にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束の成長が行えることのメリットは少なくない。 In this CVD growth method, in addition to those in which a cobalt fine particle layer or Co thin film as a metal catalyst layer is laminated on the surface of a base metal film (TiN layer in this embodiment) at the bottom of the via hole, There may be a situation where it is laminated on the surface of the insulating film (illustrated in FIG. 4). However, when the carbon nanotube (CNT) bundle is grown under the above CVD growth conditions, the growth of the carbon nanotube (CNT) bundle due to the catalytic action is seen only from the location where the catalyst metal exists on the underlying metal film. No growth is observed from the location of the catalyst metal on the interlayer insulating film. Of course, the catalyst metal stacking point is limited to the base metal only, a process of removing the catalyst metal adhering to other parts is introduced, and a CVD growth method is applied to grow a carbon nanotube (CNT) bundle. It goes without saying that it is also good. However, the merit of selectively growing a carbon nanotube (CNT) bundle without performing such an additional process is not limited.

このようなＣＶＤ成長法によるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束の成長状況を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したときの観察像を図５に示す。図５（ａ）は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束の断面方向からみた全体像であり、図５（ｂ）は、その先端部の拡大像である。この図から明らかなように、この場合、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束の先端部において、各カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）が互いに接続したようになり、全体で略平坦な表面構造をなしている。従来の成長実施例においては、成長したカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束の、側面部、すなわちカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束の成長側面は略フラットに形成されるものの、成長先端部は、各カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の一本ごとの成長する長さが、言わばばらばらに異なっていて、図５で見られるように、先端部が揃うことは無く、またお互いに繋がる様にして平坦面を形成して成長することは無い（たとえば、非特許文献１など）。 FIG. 5 shows an observation image when the growth state of the carbon nanotube (CNT) bundle by the CVD growth method is observed with a scanning electron microscope (SEM). FIG. 5A is an overall image viewed from the cross-sectional direction of the carbon nanotube (CNT) bundle, and FIG. 5B is an enlarged image of the tip. As is apparent from this figure, in this case, the carbon nanotubes (CNT) are connected to each other at the tip of the carbon nanotube (CNT) bundle, and the surface structure is substantially flat as a whole. In the conventional growth example, although the side surface of the grown carbon nanotube (CNT) bundle, that is, the growth side of the carbon nanotube (CNT) bundle is formed to be substantially flat, the growth tip is formed of each carbon nanotube (CNT). ) The growth length of each piece is different so to speak, and as shown in FIG. 5, the tips are not aligned, and they grow by forming a flat surface so as to be connected to each other. There is nothing (for example, Non-Patent Document 1).

図５に示したカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束の成長試料は、図４（ｂ）と同様な下地金属層を構成するが、ＴｉＮ層で厚さ；１０ｎｍ、触媒金属Ｃｏ薄膜で厚さ；２．６ｎｍのものを用い、上記、Ｃｏ薄膜用成長条件（仮称）にて６０分間成長（ＣＮＴ成長長さ；約１３μｍ）した。このようなカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束の成長結果を得るには、ＴｉＮ層で厚さ；１．５〜１５ｎｍの間のものを用い、かつ触媒金属Ｃｏ薄膜で厚さ；１〜５ｎｍの間にあることが望ましいことがわかった。 The growth sample of the carbon nanotube (CNT) bundle shown in FIG. 5 constitutes a base metal layer similar to that in FIG. 4B, but the TiN layer has a thickness of 10 nm and the catalytic metal Co thin film has a thickness of 2. A film having a thickness of 6 nm was used, and growth was performed for 60 minutes (CNT growth length; approximately 13 μm) under the above-described Co thin film growth conditions (tentative name). To obtain such carbon nanotube (CNT) bundle growth results, use a TiN layer with a thickness between 1.5-15 nm and a catalytic metal Co thin film with a thickness between 1-5 nm. I found it desirable to be.

また、このカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束の断面透過型電子顕微鏡像、Ｘ線光電子分光、エネルギー分散型Ｘ線分析などの観察により、この先端部分の構造が、およそ５ｎｍ程度の厚さをもつ複数層のグラファイトシート構造からなることを確認した。さらに、断面透過型電子顕微鏡像から、グラファイトシート構造部分とナノチューブ部分は互いに独立して存在するのではなく、一部で構造的にグラファイト構造により接続していることもあわせて確認した。この先端部が平坦化し、かつ互いに接続したカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束構造は、全体構造をビアとして電気的測定を行った結果、電気的に導通接続が行なわれていることも確認された。また、Ｃｏ微粒子用成長条件（仮称）においても、適正な、ＴｉＮ層で厚さと触媒金属Ｃｏ薄膜で厚さを適正に選択することで、上記の、図５に示したように構造と同様の構造のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束を得ることができる。 In addition, by observation of a cross-sectional transmission electron microscope image, X-ray photoelectron spectroscopy, energy dispersive X-ray analysis, etc., of this carbon nanotube (CNT) bundle, the structure of the tip portion has a plurality of layers having a thickness of about 5 nm. It confirmed that it consisted of a graphite sheet structure. Furthermore, it was also confirmed from the cross-sectional transmission electron microscope image that the graphite sheet structure portion and the nanotube portion do not exist independently of each other but are partially connected by a graphite structure. The carbon nanotube (CNT) bundle structure in which the tip portions are flattened and connected to each other was confirmed to be electrically connected as a result of electrical measurement using the entire structure as a via. Also, in the growth conditions for Co fine particles (tentative name), by selecting the appropriate thickness for the TiN layer and the thickness for the catalytic metal Co thin film, the same structure as shown in FIG. A carbon nanotube (CNT) bundle having a structure can be obtained.

すなわち、前記のような膜構成と成長条件で、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束のＣＶＤ成長を行えば、図３（ａ）以下の各図、および図４（ｃ）以下各図に模式的表現したように、例えば、ビア穴の開口部が正方形とすると、成長したカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束はビア穴底面の触媒金属層から、ビア穴に沿った形状を維持して、ほぼ四角柱形状で成長し、かつ成長先端部では、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）はお互いに接続し、かつ略平面状となった、全体的に電気的導通性をもつ柱状構造体を得ることができる。 That is, when CVD growth of a carbon nanotube (CNT) bundle is performed with the film configuration and growth conditions as described above, the schematic representation is shown in each figure in FIG. 3A and subsequent figures and in each figure in FIG. 4C and subsequent figures. Thus, for example, if the opening of the via hole is square, the grown carbon nanotube (CNT) bundle grows from the catalytic metal layer on the bottom of the via hole, maintaining a shape along the via hole, and growing in a substantially quadrangular prism shape. In addition, at the growth tip, carbon nanotubes (CNT) are connected to each other, and a columnar structure having an overall electrical conductivity can be obtained.

そして、図４（ｄ）のように、層間絶縁膜１１の表面より突出したカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束の部分は、一辺の長さ約２μｍ，高さ約７００ｎｍの正四角形の断面をもつ柱状構造を有する。この柱状構造は、前述のように、成長側面も成長先端部も十分に平坦な５面（底面はビア接続）をもつ略正四角柱の形状を有しており、従来技術のようにＣＭＰ法の援用による平坦化工程の必要は無く、よってダメージを受けることも無い。 As shown in FIG. 4D, the portion of the carbon nanotube (CNT) bundle protruding from the surface of the interlayer insulating film 11 has a columnar structure having a regular square cross section with a side length of about 2 μm and a height of about 700 nm. Have As described above, this columnar structure has a substantially square column shape having five surfaces (bottom surface via connection) that are sufficiently flat on both the growth side and the growth tip. There is no need for a flattening process with assistance, and therefore no damage is received.

この柱状構造の表面に、電解めっき法によりＡｕ膜１５を形成し、こうして、次の工程で述べる、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束で配線を成長・形成するための基点となるブロック（ＣＮＴブロック１６と称す）を形成する。これは、図３（ｂ）の金属膜形成柱状構造カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束、すなわち、ＣＮＴブロック５に相当する。 An Au film 15 is formed on the surface of the columnar structure by an electrolytic plating method. Thus, a block (CNT block 16 and a base point for growing and forming a wiring with a carbon nanotube (CNT) bundle, which will be described in the next step, is described. Form). This corresponds to the metal film-forming columnar structure carbon nanotube (CNT) bundle, that is, the CNT block 5 in FIG.

次に、図４（ｅ）に示すように、ＣＮＴブロック１６の、これからカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束を成長する方向の面、本図の場合は相対する横方向の面に、金の拡散を防ぐためにＴａ層（たとえば厚さ１５ｎｍ）およびＴｉＮ層（たとえば厚さ５ｎｍ）からなる下地層１７を積層する。Ｔａ層の厚さは、これに限らず、たとえば５〜５０ｎｍの範囲に任意に選べば良い。ＴｉＮ層の厚さもこれに限らず、たとえば1〜５０ｎｍの範囲、平坦性を有する成長必要条件としては、１．５〜１５ｎｍの範囲に選べば良い。そして、下地金属17上に、先の図４（ｂ）の工程と同様に、触媒金属層として、たとえばＣｏ微粒子層１８を形成する。Ｃｏ微粒子層の代わりにＣｏ薄膜層を適用しても良い。 Next, as shown in FIG. 4 (e), gold diffusion is prevented on the surface of the CNT block 16 in the direction in which the carbon nanotube (CNT) bundle will grow from now on, in the case of this figure, on the opposite lateral surface. For this purpose, an underlayer 17 composed of a Ta layer (for example, 15 nm thick) and a TiN layer (for example, 5 nm thick) is laminated. The thickness of the Ta layer is not limited to this, and may be arbitrarily selected within a range of 5 to 50 nm, for example. The thickness of the TiN layer is not limited to this. For example, the range of 1 to 50 nm and the growth requirement having flatness may be selected in the range of 1.5 to 15 nm. Then, for example, a Co fine particle layer 18 is formed on the base metal 17 as a catalyst metal layer, similarly to the process of FIG. 4B. A Co thin film layer may be applied instead of the Co fine particle layer.

そして、図４（ｆ）に示すように、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束１９（この場合は、2方向）を、上述の図４（ｃ）工程で述べたようなＣＶＤ法により成長させ、層間絶縁膜１１の表面上のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束配線を形成する。図示したカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束１９の配線構造は、層間絶縁膜１１の制限の無い表面上を、触媒金属膜の形状と成長方向に従って形成されるが、たとえば、ＣＮＴブロック１６の横方向の特定表面に下地層１７およびＣｏ微粒子層１８（触媒金属層）を形成した後、層間絶縁膜１１上に別の層間絶縁膜を積層し、この中に触媒金属層の表面から続く溝（たとえば断面が四角形・矩形など）を形成し、この溝に沿ってカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束配線を形成することも可能である。 Then, as shown in FIG. 4 (f), a carbon nanotube (CNT) bundle 19 (in this case, two directions) is grown by the CVD method as described in the above-mentioned FIG. A carbon nanotube (CNT) bundle wiring on the surface of the film 11 is formed. The wiring structure of the illustrated carbon nanotube (CNT) bundle 19 is formed on an unrestricted surface of the interlayer insulating film 11 according to the shape and growth direction of the catalytic metal film. For example, the lateral structure of the CNT block 16 is specified. After the underlayer 17 and the Co fine particle layer 18 (catalytic metal layer) are formed on the surface, another interlayer insulating film is laminated on the interlayer insulating film 11, and a groove (for example, having a cross section extending from the surface of the catalytic metal layer therein) It is also possible to form a carbon nanotube (CNT) bundle wiring along this groove.

本例では、ＣＮＴブロックからのカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束を横方向に成長して配線としたが、ＣＮＴブロックのトップの面（下部に形成したビアの成長方向と同じ方向に成長させる面）に下地金属および触媒金属を形成し、それにカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束を垂直方向（上方）に成長させ、新たなビア（あるいは電極）を形成することも可能であることは言うまでも無い。 In this example, a carbon nanotube (CNT) bundle from the CNT block is grown in the lateral direction to form a wiring, but on the top surface of the CNT block (surface grown in the same direction as the growth direction of the via formed in the lower portion). Needless to say, it is also possible to form a base metal and a catalyst metal and grow a carbon nanotube (CNT) bundle in the vertical direction (upward) to form a new via (or electrode).

こうして作製した、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束によって、ＣＮＴビア／ＣＮＴ電極の構成と、ビア／ＣＮＴブロック／配線の構成からなる半導体装置の多層配線を形成するための本発明の基本構造は、平坦化のためのカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束先端部におけるＣＭＰ工程を用いないで、各要素の接続個所を含め低抵抗化を実現できる。 The basic structure of the present invention for forming a multilayer wiring of a semiconductor device having a configuration of a CNT via / CNT electrode and a configuration of a via / CNT block / wiring is flattened by a carbon nanotube (CNT) bundle produced in this way. Without using the CMP process at the tip of the carbon nanotube (CNT) bundle for the purpose, it is possible to reduce the resistance including the connection point of each element.

本実施例では、触媒金属としてＣｏ（コバルト）を用いたが、他のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）形成用触媒金属、たとえば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｆｅ（鉄）、もしくは少なくともＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅのいずれか１種を含む合金材料などを用いても良い。前述のように、これらの材料による積層形成には、微分型静電分級器法、インパクター法、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法などを適用することができる。 In this example, Co (cobalt) was used as the catalyst metal, but other carbon nanotube (CNT) forming catalyst metal, for example, Ni (nickel), Fe (iron), or at least one of Co, Ni, and Fe Alternatively, an alloy material including one kind may be used. As described above, a differential electrostatic classifier method, an impactor method, a sputtering method, an electron beam evaporation method, or the like can be applied to the formation of a laminate using these materials.

また、下地金属として、Ｔａ（タンタル）とＴｉＮ（窒化チタン）のほかに、たとえば、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ｐｔ（白金）、Ａｇ（銀）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔａ（タンタル）、Ｔｉ（チタン）、ＴａＮ（窒化タンタル）、ＴｉＳｉ（珪化チタン）の何れか一種の層もしくはそれらを組み合わせた複数の層を含む積層としても良い。また
ＣＮＴブロックの表面に形成する膜としてＡｕ（金）を用いたが、これに限らず、たとえば、Ｃｕ（銅）、Ｐｔ（白金）、Ａｇ（銀）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｉ（ニッケル）ないしは下地金属として挙げた材料などを用いても良い。そして、それらの材料を用いた積層形成は、めっき法、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法、化学気相成長法、分子線エピタキシー法などを適用することができる。 In addition to Ta (tantalum) and TiN (titanium nitride), for example, Cu (copper), Au (gold), Pt (platinum), Ag (silver), Al (aluminum), Mo (molybdenum) as the base metal ), Ta (tantalum), Ti (titanium), TaN (tantalum nitride), TiSi (titanium silicide), or a combination of a plurality of layers. Moreover, although Au (gold) was used as a film formed on the surface of the CNT block, the present invention is not limited to this. For example, Cu (copper), Pt (platinum), Ag (silver), Al (aluminum), Mo (molybdenum) Ni (nickel) or the materials mentioned as the base metal may be used. In addition, the lamination using these materials can be applied by plating, sputtering, electron beam evaporation, chemical vapor deposition, molecular beam epitaxy, and the like.

また、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束の成長において、本実施例では原料ガスとして、アセチレンおよびアルゴンの混合ガスを用いる例を述べたが、この混合ガスにおいて一方の材料としてアセチレンに限らない。これに代えて、例えばメタン、エチレンなどの炭化水素系ガス、エタノール、メタノールなどのアルコール系ガス、あるいは一酸化炭素などを用いることが可能である。 In this embodiment, an example of using a mixed gas of acetylene and argon as a raw material gas in the growth of a carbon nanotube (CNT) bundle has been described. However, one material in this mixed gas is not limited to acetylene. Instead, for example, a hydrocarbon gas such as methane or ethylene, an alcohol gas such as ethanol or methanol, or carbon monoxide can be used.

また、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束の成長方法に関し、本実施例においてはＣＶＤ成長法と記し、いわゆる、熱ＣＶＤ成長法を念頭において記述したが、これに限らない。例えば、プラズマＣＶＤ成長法、リモートプラズマＣＶＤ成長法、あるいは熱プラズマＣＶＤ成長法などの適用も可能である。 Further, regarding the growth method of the carbon nanotube (CNT) bundle, in this embodiment, it is described as a CVD growth method, and the so-called thermal CVD growth method is described in mind, but this is not restrictive. For example, a plasma CVD growth method, a remote plasma CVD growth method, or a thermal plasma CVD growth method can be applied.

また、本実施例においては、ビア穴を、たとえば一辺２μｍの四角形の穴として形成しているが、勿論、これに限られない。カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束の非常な細線での成長の可能性、およびそのときの伝導性能の優位性などを生かし、例えば、直径（あるいは一辺）１０〜１００ｎｍといった極細のビアを形成することが容易に可能である。 In the present embodiment, the via hole is formed as a square hole having a side of 2 μm, for example. However, the present invention is not limited to this. Taking advantage of the possibility of growth of carbon nanotube (CNT) bundles with very fine lines and the superiority of the conduction performance at that time, for example, it is easy to form ultra fine vias with a diameter (or one side) of 10 to 100 nm Is possible.

以上、各膜材料の代替材料・積層方法等については、以下に述べる他の実施例についても同等である。
S.Sato et al., Chemical Physics Letters 382(2003), pp361 S.Sato et al., Proc. IEEE International Interconnect Technology Conference 2006, pp230 （第２の実施例）第２の実施例を、図６および図７を用いて説明する。図６は斜視図の模式図による形成工程を端的に示し、図７は具体的な実施工程を断面模式図で示した。本実施例は、層間絶縁膜中の下部Ｃｕ電極の表面が、同絶縁膜の表面に露出した状況で、その下部Ｃｕ電極の表面上にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束からなるＣＮＴブロックを形成し、これを基点にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束からなる配線を行う例である。つまり、ＣＮＴブロックが下部に通じるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束のビアが無い点で、第１の実施例と異なる。 As described above, the alternative materials and lamination methods of the respective film materials are the same for the other embodiments described below.
S. Sato et al., Chemical Physics Letters 382 (2003), pp361 S. Sato et al., Proc. IEEE International Interconnect Technology Conference 2006, pp230 (Second Embodiment) A second embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 6 briefly shows a forming process according to a schematic diagram of a perspective view, and FIG. 7 shows a specific implementation process in a schematic cross-sectional view. In this example, in the situation where the surface of the lower Cu electrode in the interlayer insulating film is exposed on the surface of the insulating film, a CNT block composed of a carbon nanotube (CNT) bundle is formed on the surface of the lower Cu electrode, This is an example in which wiring composed of a bundle of carbon nanotubes (CNT) is performed based on this. That is, it differs from the first embodiment in that there is no via of a carbon nanotube (CNT) bundle that leads to the CNT block at the bottom.

図６（ａ）において、ビア用カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束２１が、層間絶縁膜表面３の下部にある層間絶縁膜中に、金属の下部電極とこれに積層して下地金属が形成されてなる下部金属層２０の表面にある触媒金属層から上方に成長して形成されていることを示す。 In FIG. 6A, a via carbon nanotube (CNT) bundle 21 is formed by laminating a metal lower electrode and a base metal in an interlayer insulating film below the surface 3 of the interlayer insulating film. It shows that it is formed by growing upward from the catalyst metal layer on the surface of the lower metal layer 20.

図６（ｂ）は、この形成された柱状構造体カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束２１の表面に、金属膜４（たとえばＡｕ膜）を付着し、金属膜形成柱状構造体カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束（ＣＮＴブロック）２２を形成したことを示す。この構成は、下部金属電極やデバイスの金属電極に直結して層間絶縁膜の表面に形成されたＣＮＴ電極に相当する。 FIG. 6B shows a metal film 4 (for example, an Au film) attached to the surface of the formed columnar structure carbon nanotube (CNT) bundle 21 to form a metal film-formed columnar structure carbon nanotube (CNT) bundle ( (CNT block) 22 is formed. This configuration corresponds to a CNT electrode formed on the surface of the interlayer insulating film directly connected to the lower metal electrode or the metal electrode of the device.

図６（ｃ）は、ＣＮＴブロック２２の任意の壁面、例えば横面（層間絶縁膜表面３に平行方向に成長する方向の面、この場合は相対する２表面）に、（触媒金属形成前に接続用の下地金属膜と）触媒金属６を形成することを示す。 FIG. 6C shows an arbitrary wall surface of the CNT block 22, for example, a lateral surface (a surface in a direction parallel to the interlayer insulating film surface 3, in this case, two opposing surfaces) (before forming the catalyst metal). It shows that the base metal film for connection and the catalyst metal 6 are formed.

図６（ｄ）は、触媒金属６（この場合は、2つの面）から、配線部に相当するカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束（配線用カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束）７が成長し、この結果、下部電極から、ＣＮＴブロックを介して、配線用カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束（配線）が形成されたことを示す。図６（ｅ）は、図６（ｂ）のＣＮＴブロック２２のＳＥＭ像を示した図である。図から解るように、基板の表面上に、ブロック状に、ＣＮＴブロックが形成されていることが観察できる。 FIG. 6D shows that a carbon nanotube (CNT) bundle (wire carbon nanotube (CNT) bundle for wiring) 7 corresponding to the wiring portion grows from the catalytic metal 6 (in this case, two surfaces), and as a result, It shows that a carbon nanotube bundle (CNT) for wiring is formed from the lower electrode through the CNT block. FIG. 6E is a diagram showing an SEM image of the CNT block 22 in FIG. As can be seen from the figure, it can be observed that CNT blocks are formed in a block shape on the surface of the substrate.

図７の断面工程図を用いて、より具体的に第２の実施例の作製工程を説明する。図７（ａ）に示されているように、図示されていない、例えばＳｉ基板などの基板上に、例えば下部電極、あるいは下層の配線であるＣｕ層８、その上に良好なオーミックコンタクトとＣｕ拡散を防ぐために形成するための下地金属層（具体的にはＴａ層９、ＴｉＮ層１０）が積層される。既知のリソグラフィー技術により、Ｃｕ層と下地層とが一体化した所定の形状の金属パターンを基板上に形成する。そして基板全体に、シリコン酸化膜や低誘電率材料（Ｌｏｗ−ｋ材料）からなる層間絶縁膜１１を積んだ後、所定の形状の金属パターン表面が露出するように層間絶縁膜１１を既知のリソグタフィー技術により加工する。 The manufacturing process of the second embodiment will be described more specifically with reference to the sectional process diagram of FIG. As shown in FIG. 7A, on a substrate (not shown) such as a Si substrate, for example, a lower electrode or a Cu layer 8 which is a lower wiring, and a good ohmic contact and Cu are formed thereon. A base metal layer (specifically, a Ta layer 9 and a TiN layer 10) to be formed for preventing diffusion is laminated. A metal pattern having a predetermined shape in which the Cu layer and the base layer are integrated is formed on the substrate by a known lithography technique. Then, after the interlayer insulating film 11 made of a silicon oxide film or a low dielectric constant material (Low-k material) is stacked on the entire substrate, the interlayer insulating film 11 is formed into a known lithography so that the surface of the metal pattern having a predetermined shape is exposed. Process by technology.

そして、図７（ｂ）のように、ＴｉＮ層１０上、またはＴｉＮ層１０を含む表面全体に触媒金属層として、たとえばＣｏ微粒子層１３を形成する。またＣｏ薄膜層でも良い。 Then, as shown in FIG. 7B, for example, a Co fine particle layer 13 is formed as a catalytic metal layer on the TiN layer 10 or the entire surface including the TiN layer 10. A Co thin film layer may also be used.

次に、図７（ｃ）のように、ＣＶＤ法を用いてＴｉＮ層１０上のＣｏ微粒子層１３の触媒作用でカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束２４を成長する。第１の実施例で述べたように、所定の成長条件を適用することで、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束２３の先端部（成長終了部）は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）はお互いに接続しかつ略平面状となった、また側面も略平坦となっている、全体的に電気的導通性をもつ、層間絶縁膜１１表面に突出した柱状構造体を得ることができる。 Next, as shown in FIG. 7C, a carbon nanotube (CNT) bundle 24 is grown by the catalytic action of the Co fine particle layer 13 on the TiN layer 10 using the CVD method. As described in the first embodiment, by applying predetermined growth conditions, the front end portion (growth end portion) of the carbon nanotube (CNT) bundle 23 is connected to each other and the carbon nanotubes (CNT) are connected to each other. It is possible to obtain a columnar structure projecting on the surface of the interlayer insulating film 11 that is planar and has substantially flat side surfaces and has overall electrical conductivity.

そして、図７（ｄ）に示すように、柱状構造体の表面に電解めっき法でＡｕ層１５を形成する。これによって、金属膜形成柱状構造カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束、すなわち、ＣＮＴブロック２５（図６（ｂ）のＣＮＴブロック２２）が形成される。ＣＮＴブロック２５は上記のように、第１の実施例のそれ（図４（ｄ）のＣＮＴブロック１６）と異なり、層間絶縁膜１１表面に単独形成された導電性ブロックであり、このブロックは、後述のように、たとえば電極とカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束の配線などとの接続基点となる機能を有する。 Then, as shown in FIG. 7D, an Au layer 15 is formed on the surface of the columnar structure by an electrolytic plating method. Thus, a columnar structure carbon nanotube (CNT) bundle, that is, a CNT block 25 (CNT block 22 in FIG. 6B) is formed. As described above, the CNT block 25 is a conductive block formed independently on the surface of the interlayer insulating film 11 unlike that of the first embodiment (CNT block 16 in FIG. 4 (d)). As will be described later, for example, it has a function as a connection base point between an electrode and wiring of a carbon nanotube (CNT) bundle.

以後、図７（ｅ）、図７（ｆ）に示すように、第１の実施例の図４（ｅ）、図４（ｆ）で示した工程と同じように、ブロック状のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束であるＣＮＴブロック２５の側面にＴａ層とＴｉＮ層からなる下地層１７を形成し、その上に、触媒金属であるＣｏ微粒子層１８を形成する。次いで、触媒金属層上に（横方向に）ＣＶＤ法によりカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束１９を形成する。 Thereafter, as shown in FIGS. 7 (e) and 7 (f), block-like carbon nanotubes (as shown in FIGS. 4 (e) and 4 (f) of the first embodiment are used. A base layer 17 composed of a Ta layer and a TiN layer is formed on the side surface of the CNT block 25 which is a (CNT) bundle, and a Co fine particle layer 18 which is a catalyst metal is formed thereon. Next, a carbon nanotube (CNT) bundle 19 is formed on the catalytic metal layer (laterally) by a CVD method.

第２の実施例における各工程の作製法・装置・スロセス条件や各層の厚さ、主要なサイズなどは、第１の実施例と同じとすることで、所期の特性を有するものを作製できた。 By making the manufacturing method, equipment, slot conditions, thickness of each layer, main size, etc. in each step in the second embodiment the same as in the first embodiment, it is possible to manufacture a device having the desired characteristics. It was.

（第３の実施例）
第３の実施例は、第２の実施例でＡｕ膜が表面に形成されたＣＮＴブロックを形成した後に横方向にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束を成長させて、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束の配線を形成するのに対し、同様にＣＮＴブロックを形成した後に、ＣＮＴブロックのトップ面（上面）からその垂直方向にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束を継続成長する例である。但し、先に示した、ＣＮＴブロック表面には電解めっきによるＡｕ層が積層されていたが、この実施例の場合、このＡｕ層を（トップ面に形成することは）必ずしも必要としない。 (Third embodiment)
In the third embodiment, after forming the CNT block having the Au film formed on the surface in the second embodiment, the carbon nanotube (CNT) bundle is grown in the lateral direction, and the wiring of the carbon nanotube (CNT) bundle is formed. In contrast to the formation, a carbon nanotube (CNT) bundle is continuously grown in the vertical direction from the top surface (upper surface) of the CNT block after the CNT block is similarly formed. However, the Au layer formed by electrolytic plating is laminated on the CNT block surface as described above. However, in the case of this embodiment, this Au layer is not necessarily required (formation on the top surface).

本実施例を、図８および図９を用いて説明する。図８は斜視図の模式図による形成工程を端的に示し、図９・１０は具体的な実施工程を断面模式図で示した。 This embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 8 simply shows a forming process according to a schematic diagram of a perspective view, and FIGS. 9 and 10 show a specific implementation process in a schematic cross-sectional view.

図８（ａ）は、第２の実施例のおける図６（ｃ）と同様な形成状況を示し、Ａｕ薄膜が表面に積層された、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束からなるＣＮＴブロック２２が、層間絶縁膜１１に形成された開口部２６中に形成されている。ＣＮＴブロック２２の下側は下部金属層２０に接続して層間絶縁膜中に形成されている図示されない金属電極と接続している。勿論、ＣＮＴブロック２２は、その金属電極の表面の下地金属および触媒金属を用いて成長・形成されており、金属電極と良好な接続特性を有している。そして、この後、ＣＮＴブロック２２のトップ面上に、新たにカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束を引き続き成長する。 FIG. 8A shows the same formation state as FIG. 6C in the second embodiment, in which a CNT block 22 made of a bundle of carbon nanotubes (CNT) with an Au thin film laminated on the surface is an interlayer. It is formed in the opening 26 formed in the insulating film 11. The lower side of the CNT block 22 is connected to the lower metal layer 20 and connected to a metal electrode (not shown) formed in the interlayer insulating film. Of course, the CNT block 22 is grown and formed using a base metal and a catalyst metal on the surface of the metal electrode, and has good connection characteristics with the metal electrode. Thereafter, a new carbon nanotube (CNT) bundle is continuously grown on the top surface of the CNT block 22.

ところで、図８（ａ）のＣＮＴブロック２２のトップ面は、ＣＮＴブロック用のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束を成長したときの先端部である。このトップ面において、先の述べたように、成長終了後の先端部は平坦かつ構造的にグラファイト構造により互いのカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）接続した構造を有するものを、成長条件によって形成することができる。例えば、ＣＮＴブロック２２下の金属（Ｃｕ）電極上の形成される下地金属・触媒金属は、それ様に仕様で形成する。すなわち、Ｃｕ電極上の下地金属として、たとえばＴａ膜；１５ｎｍ厚（５〜５０ｎｍ程度で任意）、ＴｉＮ膜；５ｎｍ厚（１．５〜１５ｎｍ厚が望ましい）とし、触媒金属として、たとえばＣｏ薄膜；２．６ｎｍ厚（１〜５ｎｍ厚が望ましい）とする。同様に先に述べたＣｏ薄膜用成長条件（仮称）を適用してＣＶＤ成長をすることで、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束であるＣＮＴブロック２２を成長する。 By the way, the top surface of the CNT block 22 in FIG. 8A is a tip when a carbon nanotube (CNT) bundle for CNT blocks is grown. On the top surface, as described above, the tip after the growth can be formed flat and structurally having a structure in which carbon nanotubes (CNT) are connected to each other by a graphite structure, depending on the growth conditions. . For example, the base metal / catalyst metal formed on the metal (Cu) electrode under the CNT block 22 is formed according to specifications. That is, the base metal on the Cu electrode is, for example, a Ta film; 15 nm thick (arbitrarily about 5 to 50 nm), the TiN film; 5 nm thick (1.5 to 15 nm is desirable), and the catalyst metal is, for example, a Co thin film; The thickness is 2.6 nm (preferably 1 to 5 nm). Similarly, the CNT block 22 that is a carbon nanotube (CNT) bundle is grown by performing the CVD growth by applying the growth conditions (tentative name) for the Co thin film described above.

このような平坦な成長面を有する、つまり平坦なトップ面をもつＣＮＴブロック２２は、このトップ面にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束を継続成長を行う場合は、トップ面にＡｕ膜を積層する必要ないことが解った。つまり、非Ａｕ膜積層ＣＮＴブロック２３を適用することが可能である。この様にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束の継続成長のいわば中継ブロックとしてのカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束ブロックにＡｕ膜形成を必要としないことは、工程省略の上で大きなメリットを生じる。換言すると、ここで述べている非Ａｕ膜積層ＣＮＴブロック２７とは、これがブロック状であるか否かは別にすれば、所定の下地金属層上に形成した所定の触媒金属（Ｃｏ薄膜）から成長させたままのカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束と、言い換えることもできる。 The CNT block 22 having such a flat growth surface, that is, having a flat top surface, does not require an Au film to be laminated on the top surface when a carbon nanotube (CNT) bundle is continuously grown on the top surface. I understood that. That is, the non-Au film laminated CNT block 23 can be applied. In this way, the continuous growth of the carbon nanotube (CNT) bundle does not require the formation of an Au film on the carbon nanotube (CNT) bundle block as a relay block. In other words, the non-Au film laminated CNT block 27 described here is grown from a predetermined catalyst metal (Co thin film) formed on a predetermined base metal layer, whether or not it is a block shape. In other words, it can be referred to as a carbon nanotube (CNT) bundle as it is.

そして、図８（ｂ）に示すように、非Ａｕ膜積層ＣＮＴブロック２７の平坦なトップ面の上に、更にもう１段のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束を継続して成長することを考慮すれば、先に述べた下地層１７と触媒金属６の膜厚と適用する。 Then, as shown in FIG. 8 (b), if another carbon nanotube (CNT) bundle is continuously grown on the flat top surface of the non-Au film laminated CNT block 27, The film thicknesses of the base layer 17 and the catalyst metal 6 described above are applied.

そして、図８（ｃ）のように、Ｃｏ薄膜用成長条件（仮称）を適用してＣＶＤ成長をすることで、最初のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束２８を非Ａｕ膜積層ＣＮＴブロック２７上に積み上げて成長する。さらに、最初の積み上げカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束２７の上に、新たなカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束を積み上げるように成長するために、先と同様な膜条件で下地層１７、触媒金属（Ｃｏ薄膜）６を積層すれば、同様に、Ａｕ膜を形成することなく、このトップ面にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束を積み上げて成長できる。 Then, as shown in FIG. 8C, the first carbon nanotube (CNT) bundle 28 is stacked on the non-Au film laminated CNT block 27 by performing the CVD growth by applying the Co thin film growth condition (tentative name). Grow up. Further, in order to grow a new carbon nanotube (CNT) bundle on the first stacked carbon nanotube (CNT) bundle 27, the underlayer 17 and the catalytic metal (Co thin film) are formed under the same film conditions as before. If 6 is laminated | stacked, a carbon nanotube (CNT) bundle can be piled up and grown similarly to this top surface, without forming Au film | membrane.

以上のように、この第３の実施例のプロセスは、見方を変えれば、Ｃｕ金属層／下地層／触媒金属膜／カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束（成長先端面上成長）／下地層／触媒金属膜／カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束（成長先端面上成長）／・・・／下地層／Ｃｕ金属膜と言った、成長先端面を用いＡｕ膜の積層工程を不要の、多段カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束成長のプロセスが可能であることを示している。 As described above, the process of the third embodiment is different from the viewpoint of Cu metal layer / underlayer / catalyst metal film / carbon nanotube (CNT) bundle (growth on the growth front end surface) / underlayer / catalyst metal. Multi-stage carbon nanotubes (CNTs) that do not require the Au film lamination process using the growth tip surface: film / carbon nanotube (CNT) bundle (growth on growth tip surface) /.../ underlayer / Cu metal film It shows that a bundle growth process is possible.

このカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束の多段階成長においては、たとえば、予め、非Ａｕ膜積層ＣＮＴブロック２７のトップ面から上方に延びる層間絶縁膜の開口穴を形成しておけばよいし、また成長の長さをさほど要求されない場合は、必ずしも成長ガイドとなるような層間絶縁膜の穴は必要としない。また、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束２８のトップ面に下地層１７・触媒金属層６を積層してカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束を成長させ、この表面にたとえばＡｕ膜を形成することで、このカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束をＣＮＴブロック化、すなわち（上部）ＣＮＴ電極を形成できる。あるいは単に下地層１７に金属膜などを積層して、たとえば（上部）電極とすることも可能である。 In the multi-stage growth of the carbon nanotube (CNT) bundle, for example, an opening hole of an interlayer insulating film extending upward from the top surface of the non-Au film laminated CNT block 27 may be formed in advance. When the length is not so required, a hole in the interlayer insulating film that serves as a growth guide is not necessarily required. In addition, the carbon nanotube (CNT) bundle 28 is laminated on the top surface of the carbon nanotube (CNT) bundle 28 to grow a carbon nanotube (CNT) bundle, and an Au film is formed on the surface, for example. The (CNT) bundle can be made into a CNT block, that is, an (upper) CNT electrode can be formed. Alternatively, a metal film or the like can be simply laminated on the base layer 17 to form, for example, an (upper) electrode.

こうして、下部電極と上部電極を接続する、２段あるいはそれ以上の段数を有するＣＮＴブロック、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束を適宜積み上げることで、長いビアが形成可能となる。この長いビアは、電気的なビアのみならず、下部電極を放熱素子の放熱部位の金属部とし、上部電極を放熱フィンとすれば、熱伝導性に優れたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束を、放熱用ビアとしても適用できる。 Thus, a long via can be formed by appropriately stacking two or more CNT blocks and carbon nanotube (CNT) bundles connecting the lower electrode and the upper electrode. This long via is not only an electrical via, but if the lower electrode is a metal part of the heat dissipation part of the heat dissipation element and the upper electrode is a heat dissipation fin, a carbon nanotube (CNT) bundle with excellent thermal conductivity is dissipated. It can also be applied as a via.

図９の断面工程図を用いて、より具体的に第３の実施例の製作工程を説明する。図９（ａ）において、図示されないシリコンなどの基板上に形成されたシリコン酸化膜などからなる層間絶縁膜１１に基板に達する深い開口部２６（たとえば２μｍ角、あるいは直径）が形成される。開口部２６に底面に配線、電極あるいは放熱素子の金属板などの金属層（たとえばＣｕ層８）、その上に下地層としてＴａ層９（たとえば１５ｎｍ厚），ＴｉＮ層１０（たとえば５ｎｍ厚）が形成されている。 The manufacturing process of the third embodiment will be described more specifically with reference to the sectional process diagram of FIG. 9A, a deep opening 26 (for example, 2 μm square or diameter) reaching the substrate is formed in the interlayer insulating film 11 made of a silicon oxide film or the like formed on a substrate such as silicon (not shown). A metal layer (for example, a Cu layer 8) such as a wiring, an electrode or a metal plate of a heat dissipation element is formed on the bottom of the opening 26, and a Ta layer 9 (for example, 15 nm thickness) and a TiN layer 10 (for example, 5 nm thickness) are provided thereon as an underlayer. Is formed.

図９（ｂ）において、更にその上に、触媒金属であるＣｏ薄膜２９（たとえば２．６ｎｍ厚）を形成する。 In FIG. 9B, a Co thin film 29 (for example, 2.6 nm thick) which is a catalyst metal is further formed thereon.

そして、図９（ｃ）において、先のＣｏ薄膜用成長条件（仮称）を適用して、ＣＶＤ成長により、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束２７（たとえば、厚さ２０μｍ）を形成する。この成長した先端部は平坦に形成されている。よって、これにＡｕ膜を形成することなく、下地金属と触媒金属をこのトップ面に形成するだけで、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束の更なる成長が可能となる。 Then, in FIG. 9C, a carbon nanotube (CNT) bundle 27 (for example, 20 μm in thickness) is formed by CVD growth by applying the previous Co thin film growth conditions (tentative name). The grown tip is formed flat. Therefore, it is possible to further grow the carbon nanotube (CNT) bundle only by forming the base metal and the catalyst metal on the top surface without forming the Au film.

よって、図９（ｄ）のように、下地層（Ｔａ膜とＴｉＮ膜）１７とＣｏ薄膜２９とを積層し、そして同様に、図９（ｅ）に示すように、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束２８を成長する。そして、図９（ｆ）に示すように、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束２８のトップ面に、下地金属（Ｔａ膜とＴｉＮ膜）１７とＣｏ薄膜２９とを再度積層して、以後、必要長のビア（放熱ビア）を形成する。 Therefore, as shown in FIG. 9D, the base layer (Ta film and TiN film) 17 and the Co thin film 29 are laminated, and similarly, as shown in FIG. 9E, a carbon nanotube (CNT) bundle is formed. Grow 28. Then, as shown in FIG. 9 (f), the base metal (Ta film and TiN film) 17 and the Co thin film 29 are laminated again on the top surface of the carbon nanotube (CNT) bundle 28. Vias (heat dissipating vias) are formed.

図１０に、この様にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束を多段に形成した試料の断面ＳＥＭ像を示す。図１０の（ａ）は、断面ＳＥＭ像（ｂ）の領域説明のための図であって、下から、下段のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束領域（Ａ）／Ｔａ膜・ＴｉＮ膜・Ｃｏ膜の金属多層膜（Ｂ）／上段に形成されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束領域（Ｃ）を示す。Ｂ部は模式的説明のために拡大して図示されているが、実際は、図１０（ｂ）中の円内の略直線状の白線部領域に相当する。 FIG. 10 shows a cross-sectional SEM image of a sample in which carbon nanotube (CNT) bundles are formed in multiple stages in this way. FIG. 10A is a diagram for explaining the region of the cross-sectional SEM image (b). From the bottom, the carbon nanotube (CNT) bundle region (A) / Ta film / TiN film / Co film in the lower stage is shown. Metallic multilayer film (B) / carbon nanotube (CNT) bundle region (C) formed in the upper stage is shown. The portion B is shown enlarged for the sake of schematic explanation, but actually corresponds to a substantially straight white line portion region in a circle in FIG.

断面ＳＥＭ像（ｃ）は、より全体の断面像が解るようにしたＳＥＭ像であって、下から、基板（Ｄ）／一段目カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束領域（Ｅ）／二段目カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束領域（Ｆ）（各層の境界に金属多層膜、つまり（ａ）のＢ相当部、がある）を示している。特に、ここで注目すべきは、断面ＳＥＭ像（ｃ）で観察されるように、基板上の一段目カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束領域でＣＮＴが垂直方向に成長している状況が、二段目カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束領域でも同様に成長していることが解る。 The cross-sectional SEM image (c) is an SEM image in which the entire cross-sectional image is understood. From the bottom, the substrate (D) / first-stage carbon nanotube (CNT) bundle region (E) / second-stage carbon nanotube (CNT) bundle region (F) (a metal multilayer film, that is, a portion corresponding to B in (a)) is shown at the boundary of each layer. Of particular note here is the fact that the CNTs grow vertically in the first-stage carbon nanotube (CNT) bundle region on the substrate as observed in the cross-sectional SEM image (c). It can be seen that the carbon nanotube (CNT) bundle region grows similarly.

このように多段にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束を成長方向に積み上げて作製された長いＣＮＴビアは、接続面でＣＭＰ法による平坦化を行なうことなく形成されているため、良好な接続特性を有しかつＣＮＴの低抵抗性を生かすことができる優れたビアを実現できる。 The long CNT vias produced by stacking carbon nanotube (CNT) bundles in the growth direction in this way are formed without flattening by the CMP method on the connection surface, and thus have good connection characteristics. In addition, an excellent via capable of taking advantage of the low resistance of CNT can be realized.

またこの長く連結したＣＮＴ構成は熱伝導性にも優れており、放熱ビアとして半導体装置への適用が可能であり、従来方法に比べ格段に有効である。たとえば、ＧａＡｓ高周波トランジスタなどにおいて、基板表側の幅十数μｍソース電極直下から、放熱ビアで、２００μｍ程度以上の厚さをもつ基板の中を通して基板裏側に設置されるヒートシンクに接続する必要が生じる場合がある。このような数十のアスペクト比をもつ放熱ビアを、一般的な従来手法のＡｕめっきで行うことは非常に困難である。しかし、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の場合は、１０００を超える高いアスペクト比をもつ放熱ビアの成長は可能とされる。しかし、余り長いカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束を一度に成長させると直線的に成長させることに困難が伴う場合がある。反面、本発明の方法である、余り長く成長しないカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束を、何段かを接続していく手法を用いれば、長い放熱ビアの形成実現は容易である。こうすることで、金に比較して数倍から十数倍とされるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の熱伝導性を有効に生かすことができる。 In addition, this long-connected CNT configuration is excellent in thermal conductivity, can be applied to a semiconductor device as a heat dissipation via, and is much more effective than conventional methods. For example, in a GaAs high-frequency transistor or the like, it is necessary to connect to a heat sink installed on the back side of a substrate through a substrate having a thickness of about 200 μm or more with a heat dissipation via from a source electrode of a width of several tens μm on the front side of the substrate There is. It is very difficult to perform a heat radiating via having such an aspect ratio of several tens by a general conventional Au plating. However, in the case of carbon nanotubes (CNT), it is possible to grow a heat dissipation via having a high aspect ratio exceeding 1000. However, if too long carbon nanotube (CNT) bundles are grown at once, it may be difficult to grow linearly. On the other hand, if a method of connecting the carbon nanotube (CNT) bundles that do not grow too long, which is the method of the present invention, is used, it is easy to form a long heat radiation via. By doing so, it is possible to effectively utilize the thermal conductivity of the carbon nanotube (CNT) which is several times to ten times as much as that of gold.

以上、本発明の各実施例によって、半導体装置の多層配線構造などへのカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束の適用において、すでに形成された第１の柱状構造体（立方体・直方体・円柱など）カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束の面に、Ａｕ膜など金属膜、接続用の下地膜、そして触媒金属膜を積層し、その膜上に第２の柱状構造体（立方体・直方体・円柱など）カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束を形成するといった基本構成によって、多層配線構造の要素である、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束によるビア、電極、配線（勿論、ＬＳＩなどへの縦配線であるプラグも）、更にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束の放熱用ビアも形成可能であることが示された。また、第２の柱状構造体カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束を、第１の柱状構造体カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束の成長先端面の上に、同一方向に継続成長する場合は、第１の柱状構造体カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束の成長条件を選ぶことで、先端面が平坦化、グラファイトシート構造化、相互連結化するため、第２の柱状構造体カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束成長時にＡｕ膜など金属膜を適用せずに、接続用の下地膜、そして触媒金属膜を積層するのみで、接続特性良く、成長可能であることも示された。 As described above, according to each embodiment of the present invention, in the application of a carbon nanotube (CNT) bundle to a multilayer wiring structure or the like of a semiconductor device, the first columnar structures (cubes, cuboids, cylinders, etc.) already formed carbon nanotubes ( (CNT) A metal film such as an Au film, a base film for connection, and a catalytic metal film are laminated on the surface of the bundle, and a second columnar structure (cube, cuboid, cylinder, etc.) carbon nanotube (CNT) on the film With the basic configuration of forming a bundle, vias, electrodes, and wiring (which are of course vertical plugs to LSI, etc.), which are elements of a multilayer wiring structure, and carbon nanotube (CNT) bundles, and carbon nanotubes (CNT) It has been shown that bundle heat dissipation vias can also be formed. In the case where the second columnar structure carbon nanotube (CNT) bundle is continuously grown in the same direction on the growth tip surface of the first columnar structure carbon nanotube (CNT) bundle, the first columnar structure By selecting the growth conditions of the carbon nanotube (CNT) bundle, the tip surface is flattened, the graphite sheet is structured, and interconnected, so that the second columnar structure carbon nanotube (CNT) bundle grows with a metal such as an Au film. It was also shown that growth is possible with good connection characteristics by simply laminating a base film for connection and a catalytic metal film without applying a film.

本発明を半導体装置に適用することで、従来では困難であった、多層配線における、すべてカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束で電気的に接続特性の良い電気的導通部を具体的に作製することが可能になった。また同様に、従来方法では実現の困難な、熱伝導性の良い高アスペクト比の熱伝導ビアも、具体的な作製が可能となった。 By applying the present invention to a semiconductor device, it is possible to concretely produce an electrically conductive portion having a good electrical connection characteristic with all carbon nanotube (CNT) bundles in multilayer wiring, which has been difficult in the past. Became. Similarly, a high-aspect-ratio high-conductivity heat-conducting via, which is difficult to realize with the conventional method, can be specifically manufactured.

更に、本発明は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束からなる柱状構造体を、基板面から始めて、空間に３次元的な方向を定めて成長・形成させることが可能であることを示しており、この柱状構造体の周囲面の一部あるいは全面に、固体の絶縁物質が存在しない状況、つまり空気（あるいはガス・真空）などの空間を介した絶縁による、ビア、電極、配線、プラグ、放熱用ビアなどの素子間接続用導電体を構成することも可能となる。 Furthermore, the present invention shows that a columnar structure composed of carbon nanotube (CNT) bundles can be grown and formed in a three-dimensional direction in a space starting from the substrate surface. Vias, electrodes, wiring, plugs, heat dissipation vias in a state where there is no solid insulating material on part or all of the peripheral surface of the columnar structure, that is, insulation through a space such as air (or gas / vacuum) It is also possible to configure an inter-element connection conductor such as.

以上の実施例を含む実施の形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
カーボンナノチューブ束からなる第１の柱状構造体と、
前記第１の柱状構造体の少なくとも一面に、順次積層された第１の金属層と第２の金属層と、
前記第２金属層上に形成された、カーボンナノチューブ束からなる第２の柱状構造体と、
を、有することを特徴とする半導体装置。
（付記２）
前記第１の柱状構造体及び前記第２の柱状構造体は導電体であり、かつ前記第１の柱状構造体及び前記第２の柱状構造体の少なくとも一部表面は絶縁体で覆われていることを特徴とする付記１記載の半導体装置。
（付記３）
前記第１の柱状構造体、前記第２の柱状構造体、及び前記第１および第２の両構造体の組合せからなる複合柱状構造体は、層間絶縁膜で分離された異なる配線層間の配線を接続するビア、同一配線層上の配線、外部接続用電極、および熱源部と放熱部を接続する放熱用ビア、の少なくともいずれかの一部であ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）
前記第１の柱状構造体及び前記第２の柱状構造体は、立方体構造、直方体構造、および円柱状構造のいずれかであることを特徴とする付記１ないし３のいずれかに記載の半導体装置。
（付記５）
前記第２の金属層は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅのうちの何れかの材料、もしくは少なくとも前記材料の何れか１種を含む合金材料からなることを特徴とする付記１記載の半導体装置。
（付記６）
前記第１の金属膜は、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｔａ、ＴａＮ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＳｉのうちの何れか１種もしくは複数種を含む材料からなる単層または前記単層組合せた多層をなすことを特徴とする付記１記載の半導体装置。
（付記７）
前記絶縁膜は、層間絶縁膜であって、シリコン酸化膜、ナノクラスタリングシリカ、または他のポーラス材料、あるいは低誘電率材料であることを特徴とする付記１記載の半導体装置。
（付記８）
少なくとも、前記カーボンナノチューブ束からなる第１の柱状構造体の成長先端部は、グラファイトシート構造を有することを特徴とする付記１記載の半導体装置。
（付記９）
前記第２の金属層は、微粒子層または薄膜層であることを特徴とする付記１または５記載の半導体装置。
（付記１０）
第１の柱状構造を有するカーボンナノチューブ束を成長する工程と、
前記第１の柱状構造体の少なくとも一面に、順次第１の金属層と第２の金属層を積層する工程と、
前記第２金属層上に、第２の柱状構造を有するカーボンナノチューブ束を成長する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記１１）
前記第１の柱状構造を有するカーボンナノチューブ束を成長する工程と、
前記第２の柱状構造を有するカーボンナノチューブ束を成長する工程との、
いずれか一方の工程、またはいずれの工程の、前、または後、または前後共において、
少なくとも、絶縁膜を積層する工程、または絶縁膜をパターニングする工程を含むことを特徴とする付記１０記載の半導体装置の製造方法。
（付記１２）
前記カーボンナノチューブ束を成長する工程は、化学気相成長法を適用することを特徴とする付記１０記載の半導体装置の製造方法。
（付記１３）
前記第１の金属層を積層する工程は、めっき法、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法、化学気相成長法、または分子線エピタキシー法を適用することを特徴とする付記１０記載の半導体装置の製造方法。
（付記１４）
前記第２の金属層を積層する工程は、微分型静電分級器法、インパクター法、スパッタリング法、または電子ビーム蒸着法を適用することを特徴とする付記１０記載の半導体装置の製造方法。
（付記１５）
前記絶縁膜を積層する工程は、熱酸化法、ＴＥＯＳ法、またはスピンコート法を適用することを特徴とする付記１１記載の半導体装置の製造方法。 Regarding the embodiment including the above examples, the following additional notes are disclosed.
(Appendix 1)
A first columnar structure comprising carbon nanotube bundles;
A first metal layer and a second metal layer sequentially stacked on at least one surface of the first columnar structure;
A second columnar structure formed of a bundle of carbon nanotubes formed on the second metal layer;
A semiconductor device comprising:
(Appendix 2)
The first columnar structure and the second columnar structure are conductors, and at least part of the surfaces of the first columnar structure and the second columnar structure are covered with an insulator. 2. The semiconductor device according to appendix 1, wherein:
(Appendix 3)
The first columnar structure, the second columnar structure, and the composite columnar structure formed by a combination of both the first and second structures can be used for wiring between different wiring layers separated by an interlayer insulating film. The semiconductor according to appendix 1 or 2, characterized in that it is a part of at least one of a via to be connected, a wiring on the same wiring layer, an external connection electrode, and a heat dissipation via connecting a heat source part and a heat dissipation part apparatus.
(Appendix 4)
4. The semiconductor device according to any one of appendices 1 to 3, wherein the first columnar structure and the second columnar structure are any one of a cubic structure, a rectangular parallelepiped structure, and a columnar structure.
(Appendix 5)
The semiconductor device according to appendix 1, wherein the second metal layer is made of any material of Co, Ni, and Fe, or an alloy material containing at least one of the materials.
(Appendix 6)
The first metal film is a single layer made of a material containing one or more of Cu, Au, Pt, Ag, Ta, TaN, Al, Mo, Ti, TiN, and TiSi, or the single layer 2. The semiconductor device according to appendix 1, wherein the semiconductor device has a combined multilayer structure.
(Appendix 7)
The semiconductor device according to claim 1, wherein the insulating film is an interlayer insulating film, and is a silicon oxide film, nanoclustering silica, another porous material, or a low dielectric constant material.
(Appendix 8)
2. The semiconductor device according to appendix 1, wherein at least a growth tip portion of the first columnar structure formed of the carbon nanotube bundle has a graphite sheet structure.
(Appendix 9)
The semiconductor device according to appendix 1 or 5, wherein the second metal layer is a fine particle layer or a thin film layer.
(Appendix 10)
Growing a carbon nanotube bundle having a first columnar structure;
Laminating a first metal layer and a second metal layer sequentially on at least one surface of the first columnar structure;
Growing a carbon nanotube bundle having a second columnar structure on the second metal layer;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
(Appendix 11)
Growing a carbon nanotube bundle having the first columnar structure;
Growing a carbon nanotube bundle having the second columnar structure;
In either step, or before, after, or before and after any step,
11. The method for manufacturing a semiconductor device according to appendix 10, wherein the method includes at least a step of laminating an insulating film or a step of patterning the insulating film.
(Appendix 12)
11. The method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 10, wherein chemical vapor deposition is applied to the step of growing the carbon nanotube bundle.
(Appendix 13)
11. The method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 10, wherein the step of laminating the first metal layer applies a plating method, a sputtering method, an electron beam evaporation method, a chemical vapor deposition method, or a molecular beam epitaxy method. Method.
(Appendix 14)
11. The method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 10, wherein the step of laminating the second metal layer applies a differential electrostatic classifier method, an impactor method, a sputtering method, or an electron beam evaporation method.
(Appendix 15)
The method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 11, wherein the step of laminating the insulating film employs a thermal oxidation method, a TEOS method, or a spin coating method.

従来例の構成を説明する図The figure explaining the structure of a prior art example 従来例の工程を説明する図The figure explaining the process of a prior art example 第１の実施例を説明する図The figure explaining 1st Example 第１の実施例の工程を説明する図The figure explaining the process of the 1st Example ＳＥＭ観察像を説明する図（その１）The figure explaining the SEM observation image (the 1) 第２の実施例を説明する図The figure explaining 2nd Example 第２の実施例の工程を説明する図The figure explaining the process of the 2nd Example 第３の実施例を説明する図The figure explaining the 3rd example 第３の実施例の工程を説明する図The figure explaining the process of the 3rd Example ＳＥＭ観察像を説明する図（その２）The figure explaining the SEM observation image (the 2)

符号の説明Explanation of symbols

１、１０１カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束（ビア用）
２カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束（突出した柱状構造体）
３層間絶縁膜表面
４金属膜
５、１６、２２、２５、１１２ＣＮＴブロック（金属膜形成柱状構造カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束
６触媒金属
７、１０４カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束（配線用）
８、１０６、１１５Ｃｕ層
９、１０７Ｔａ層
１０、１０８ＴｉＮ層
１１、１０３層間絶縁膜
１２、１１０ビア穴
１３、１８Ｃｏ微粒子層
１４、１９、２１、２４、２８カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束
１５Ａｕ膜
１７下地層
２０下部金属層
２３、２６開口部
２７非金属膜形成柱状構造カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）束
２９Ｃｏ薄膜
１０２Ｃｕ配線
１０５Ｃｕブロック
１１１触媒金属微粒子
１１３平坦面
１１４Ｔｉ層
1, 101 Carbon nanotube (CNT) bundle (for via)
2 Carbon nanotube (CNT) bundles (protruding columnar structures)
3 Interlayer insulating film surface 4 Metal film 5, 16, 22, 25, 112 CNT block (Metal film forming columnar structure carbon nanotube (CNT) bundle 6 Catalyst metal 7, 104 Carbon nanotube (CNT) bundle (for wiring)
8, 106, 115 Cu layer 9, 107 Ta layer 10, 108 TiN layer 11, 103 Interlayer insulating film 12, 110 Via hole 13, 18 Co particulate layer 14, 19, 21, 24, 28 Carbon nanotube (CNT) bundle 15 Au film 17 Underlayer 20 Lower metal layer 23, 26 Opening 27 Non-metal film forming columnar structure carbon nanotube (CNT) bundle 29 Co thin film 102 Cu wiring 105 Cu block 111 Catalytic metal fine particles 113 Flat surface 114 Ti layer

Claims

基板上に形成された第１の金属層と、前記第１の金属層の上面に形成され前記第１の金属層の構成原子の拡散バリアとなる第１の下地金属層とを有する下部金属層と、
前記下部金属層の上面に形成された第１の触媒金属層と、
前記第１の触媒金属層を介して前記下部金属層の上面に垂設された第１のカーボンナノチューブ束からなり、前記第１のカーボンナノチューブ束の一部の側面が平面状外形を呈する平坦面として形成された第１の柱状構造体と、
前記第１のカーボンナノチューブ束を構成する各カーボンナノチューブの少なくとも先端近傍の表面を被覆する金属膜からなり、前記第１の柱状構造体の少なくとも先端近傍の外形と同形の外形を有して前記第１のカーボンナノチューブ束の少なくとも前記先端近傍を埋め込む埋込み金属と、
前記第１の柱状構造体の前記埋込み金属に埋め込まれた部分と前記埋込み金属とからなり、前記平坦面直上に平面状表面が形成されたＣＮＴ（カーボンナノーチューブ）ブロックと、
前記平面状表面上に、順次積層された前記埋込み金属の拡散バリアとなる第2の下地金属層および第2の触媒金属層と、
前記第2の下地金属層および第2の触媒金属層を介して前記平面状表面上に垂設された第２のカーボンナノチューブ束からなる第2の柱状構造体と、
を有することを特徴とする半導体装置。A lower metal layer comprising: a first metal layer formed on a substrate; and a first base metal layer formed on an upper surface of the first metal layer and serving as a diffusion barrier for constituent atoms of the first metal layer When,
A first catalytic metal layer formed on an upper surface of the lower metal layer;
A flat surface comprising a first carbon nanotube bundle suspended from the upper surface of the lower metal layer via the first catalytic metal layer, wherein a part of the side surface of the first carbon nanotube bundle has a planar outer shape. A first columnar structure formed as
A metal film covering the surface of at least near the tip of each carbon nanotube constituting the first carbon nanotube bundles, said at least distal outer shape having the same shape of the outline of the vicinity of the first columnar structure An embedded metal that embeds at least the vicinity of the tip of the first carbon nanotube bundle ,
A CNT (carbon nanotube) block comprising a portion embedded in the embedded metal of the first columnar structure and the embedded metal, and a planar surface formed directly on the flat surface;
A second base metal layer and a second catalytic metal layer that serve as a diffusion barrier for the buried metal , which are sequentially stacked on the planar surface;
A second columnar structure comprising a second bundle of carbon nanotubes suspended on the planar surface via the second base metal layer and the second catalyst metal layer;
A semiconductor device comprising:

前記基板上に形成された第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層に開設され底面に前記下部金属層の上面を表出する、少なくとも１つの平面状側面を有する第１のビア穴とを有し、
前記第１のカーボンナノチューブ束は、前記ビア穴の底面から前記ビア穴と同一平面形状を有して垂設され、
前記平坦面は、前記ビア穴の前記平面状側面に対応して前記第１のカーボンナノチューブ束の側面に形成された平面状外形を呈する面からなり、
前記ＣＮＴブロックは、前記第１のカーボンナノチューブ束が前記第１の絶縁層の上面より上方に突出した部分と、前記突出した部分を埋め込む前記埋込み金属とからなり、
前記第２の柱状構造体は、前記平坦面に垂設され前記第１の絶縁膜の上面に平行に伸長する第２のカーボンナノチューブ束からなる、
ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。 A first insulating layer formed on the substrate;
A first via hole having at least one planar side surface that is opened in the first insulating layer and exposes the upper surface of the lower metal layer on the bottom surface;
The first carbon nanotube bundle is suspended from the bottom surface of the via hole and has the same planar shape as the via hole,
The flat surface consists of a surface exhibiting a planar outer shape formed on the side surface of the first carbon nanotube bundle corresponding to the planar side surface of the via hole,
The CNT block includes a portion in which the first carbon nanotube bundle protrudes above the upper surface of the first insulating layer, and the embedded metal that embeds the protruding portion,
The second columnar structure is composed of a second bundle of carbon nanotubes that is suspended from the flat surface and extends parallel to the upper surface of the first insulating film.
The semiconductor device according to claim 1.

前記下部金属層は、前記基板上に形成された第１の絶縁層に、前記第１の絶縁層の表面に少なくとも直線状の１辺を有する平面形状の表出面を表出するように埋め込まれ、
前記第１のカーボンナノチューブ束は、前記下部金属層の前記表出面上に前記表出面と同一平面形状を有して垂設され、
前記平坦面は、前記直線状の１辺に対応して前記第１のカーボンナノチューブ束の側面に形成された平面状外形を有する面からなり、
前記ＣＮＴブロックは、前記第１のカーボンナノチューブ束と、前記第１のカーボンナノチューブ束の全体を埋め込む前記埋込み金属とからなり、
前記第２の柱状構造体は、前記平坦面に垂設され前記第１の絶縁膜の上面に平行に伸長する第２のカーボンナノチューブ束からなる、
ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。 The lower metal layer is embedded in a first insulating layer formed on the substrate so as to expose a planar exposed surface having at least one straight side on the surface of the first insulating layer. ,
The first carbon nanotube bundle is suspended on the exposed surface of the lower metal layer so as to have the same planar shape as the exposed surface,
The flat surface is a surface having a planar outer shape formed on a side surface of the first carbon nanotube bundle corresponding to one side of the linear shape,
The CNT block comprises the first carbon nanotube bundle and the embedded metal that embeds the entire first carbon nanotube bundle,
The second columnar structure is composed of a second bundle of carbon nanotubes that is suspended from the flat surface and extends parallel to the upper surface of the first insulating film.
The semiconductor device according to claim 1.

基板上に形成された第１の金属層と、前記第１の金属層の上面に順次形成されたＴａ層および厚さ１．５ｎｍ〜１５ｎｍのＴｉＮ層からなる第１の下地金属層とを有する下部金属層と、
前記下部金属層の上面に形成された、厚さ１ｎｍ〜５ｎｍのＣｏ薄膜または前記Ｃｏ薄膜相当の厚さに換算されるＣｏ微粒子層からなる第１の触媒金属層と、
前記触媒金属層を介して前記下部金属層の上面に垂設され、先端面がグラファイトシート構造からなる平面状外形を有する平坦面として形成された第１のカーボンナノチューブ束からなる第１の柱状構造体と、
前記先端面上に、順次積層された第２の下地金属層および第２の触媒金属層と、
前記第２の下地金属層および第２の触媒金属層を介して前記先端面上に垂設された第２のカーボンナノチューブ束からなる第２の柱状構造体と、
を有することを特徴とする半導体装置。 A first metal layer formed on the substrate; and a first base metal layer comprising a Ta layer and a TiN layer having a thickness of 1.5 nm to 15 nm sequentially formed on the upper surface of the first metal layer. A lower metal layer,
A first catalytic metal layer comprising a Co thin film having a thickness of 1 nm to 5 nm formed on the upper surface of the lower metal layer or a Co fine particle layer converted to a thickness equivalent to the Co thin film ;
A first columnar structure composed of a first bundle of carbon nanotubes that is suspended from the upper surface of the lower metal layer via the catalyst metal layer and has a flat surface having a planar outer surface composed of a graphite sheet structure. Body,
A second base metal layer and a second catalyst metal layer sequentially laminated on the tip surface;
A second columnar structure comprising a second bundle of carbon nanotubes suspended on the tip surface through the second base metal layer and the second catalyst metal layer;
A semiconductor device comprising: