JP5372515B2 - 横方向に成長したナノチューブの形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、集積回路に係り、より詳しくは、横方向に成長したナノチューブに関する。

銅配線の使用は、抵抗が低いため、アルミニウムよりも大きく進歩した。高密度の利点によって推進されるリソグラフィー及びプロセス処理の相次ぐ改良によりサイズが小さくなるほど、銅は相互接続規模の対応するスケーリングに不都合な特徴を示す。銅のこのような最終的な問題を解消するうえで有望な材料の一つとして、カーボン・ナノチューブが挙げられる。直径が約１０ｎｍであるカーボン・ナノチューブは成長可能であり、同寸法の銅よりもかなり低い抵抗を有している。より低い抵抗は、カーボン・ナノチューブを束にするか、又はそれらをより大きな直径にすることによって得ることができる。例えば、ニッケルやシリコンのナノチューブなどの幾つかの非カーボン・ナノチューブは金属性であり、また相互接続導体の候補でもある。１０ｎｍの銅線は困難であるが、近いうちに製造可能になるであろう。しかしながら、銅が幅１０ｎｍで断面積と抵抗との間に直線関係を示すのであれば、抵抗率はその寸法で予測されるよりもかなり増大する。

カーボン・ナノチューブの問題点の一つとして、それらを横方向に形成する上での困難性がある。横方向への形成は、半導体での相互接続層の製造に適している。多くのカーボン・ナノチューブは、無作為に、無計画な方法で成長させたものであった。最近、カーボン・ナノチューブを縦方向に成長させる方法が見出された。これらはいずれもビアに対するカーボン・ナノチューブの利点を示すうえで有用であったが、必要な銅相互接続層の代わりになるものではない。

従って、より実行可能なナノチューブを用いて半導体を製造する方法で、ナノチューブ、特にカーボン・ナノチューブを横方向に製造することが求められている。

一態様として、中間層は二つの別の層の間に挟まれ、中間層は別の二つの層に対して選択的にエッチングされる。一列に並んだ三つの穴は、別の二つの層のうちの上層と中間層とを通過して作製される。一つの穴は、端部穴である別の二つの穴の間の実質的に中間にある中心穴である。触媒ライナが端部穴に形成される間、中心穴は覆われている。その後、端部穴が覆われ、中心穴が暴露される。等方性エッチングを用いることによって、触媒を有する二つの端部穴の間の中間層の一部を除去する。エッチングは、中間層に隣接した側面に沿って触媒ライナが暴露されるまで継続される。暴露された触媒ライナの側面により前駆物質を中心穴から触媒ライナに到達させることによって、カーボン・ナノチューブの成長が得られる。その成長は、カーボン・ナノチューブが連結されるまで継続される。導電プラグは、二つのカーボン・ナノチューブを確実に電気接続するため、中心穴に形成することができる。これにより、二つの端部穴と接続する横方向カーボン・ナノチューブ線が完成する。ビアは、端部穴及び中心穴に作製可能である。これは、図と以下の説明を参照することにより明らかである。

本発明は、一例として示されており、これに限定するものではない。添付図面の各図において、類似の部材番号は類似の要素を指す。

図１に示す半導体装置１０は、能動回路１２、絶縁層１４、絶縁層１６、及び絶縁層１８を備える。能動回路１２は、半導体基板内及びその上方に形成されたトランジスタと他の回路要素との集合体である。能動回路１２は任意の機能であってもよく、上層の相互接続層に接続するためのビアを備えることが必要であろう。絶縁層１４は、本実施例において形成されるべき相互接続層と能動回路１２との間の層間絶縁膜として機能する。それとは別に、絶縁層１４は、上方にある別の相互接続層であってもよい。絶縁層１６は、絶縁層１４，１８に対して選択的にエッチングすることのできる材料からなる。この実施例において、絶縁層１４，１８は酸化ケイ素であり、絶縁層１６は窒化ケイ素である。

図２は、絶縁体層１８，１６を通過する開口２０，２２，２４を形成した後の半導体装置１０を示す。開口２４は、開口２０，２２の間の実質的に中心に設けられることが好ましい。

図３は、開口２０，２２を暴露させたままで開口２４の上方にマスキング層２６を形成した後の半導体装置１０を示す。マスキング層２６の形成後、触媒ライナ２８が開口２０，２２に形成される。また、触媒ライナ２８はマスキング層２６も覆う。触媒ライナ２８は、カーボン・ナノチューブを成長させるシード層として機能する能力により選択される。そのような材料の一つとしてコバルトがある。各触媒材料は、単独か或いは組み合わせることができる。他の選択として、鉄、モリブデン及びニッケルが挙げられる。他の材料は、同様に、この目的に有効である可能性がある。マスキング層２６はフォトレジストであることが好ましいが、別のマスキング材料であってもよい。フォトレジストは、特に、直接パターニングでき、かつリフトオフ工程でフォトレジスト上に蒸着した材料を除去するのに有用であるとの理由から有利である。

図４は、触媒ライナ２８上に金属ライナ３０を、更に金属ライナ３０上に金属プラグ層３２を形成した後の半導体装置１０を示す。金属ライナ３０はタンタルが好ましい。他の材料として、アルミニウム、窒化タンタル、カーボン・ナノチューブ及び窒化チタンなどが挙げられる。他の導体材料もまた有効である可能性がある。金属プラグ層３２は銅が好ましい。また、使用可能な別の材料としてタングステンがある。プラグとして有効な他の材料として、適切なライナ及び触媒によって開口２０，２２に選択的に蒸着される他の直立型導電ナノチューブがある。ニッケル・ナノチューブは、この方法で使用することが可能である。他の材料もまた、プラグとして有効である。

図５は、マスキング層２６を覆う触媒ライナ２８、金属ライナ３０及び金属プラグ層３２を除去するリフトオフ工程によってマスキング層２６を除去した後の半導体装置１０を示す。化学機械研磨（ＣＭＰ）プロセスが、開口２０，２２においてではなく、残りの触媒ライナ２８、金属ライナ３０、及び金属プラグ層３２を除去するために用いられる。

図６は、開口２０，２２の間の領域にある絶縁層１６を除去する等方性エッチングを適用した後の半導体装置１０を示す。これにより、開口２０，２２の間の領域にある開口２０，２２の触媒ライナ２８の外側壁が暴露される。この実施例において絶縁層１４，１８が酸化物であり、層１６が窒化物であることにより、湿式エッチング液が効果的である。例えば、熱リン酸は、この場合において、有効な湿式エッチング液である。例えば、キセノンとフッ素プラズマの乾式エッチングを使用することもできる。その結果、開口２４は、開口２０，２２の触媒ライナ２８の間の領域にある空洞３４に開口する首のようである。

図７は、図６に示す半導体装置１０の平面図である。これは、等方性エッチングによって得られた実質的に円形の空洞３４を示す。別の方法として、トレンチを最初に形成し、そのトレンチに層１６を形成する方法がある。トレンチの方法は、開口２０，２２，２４を形成する上でトレンチとの整列を必要とする。方法は、更に別の処理ステップも必要とする。

図８は、触媒ライナ２８からカーボン・ナノチューブを形成するため、前駆物質にプラズマ３６を適用した後の半導体装置１０を示す。この実施例において、前駆物質は、アセチレン及び水素であることが好ましい。他の実施例として、アセチレンに代えて他の炭化水素が挙げられる。他のプラズマもまた可能である。水素の可能な代替物として、ＮＨ_３やアルゴンなどが挙げられる。プラズマは、開口２４に沿って電子から陰電荷を生成し、開口２４下にある空洞３４の底部上の正電荷イオンから正電荷を生成することができる。この種の帯電配置は、一般的に有害と考えられるプラズマの公知の作用である。しかし、この場合、電荷配置は、ナノチューブの成長方向を決める正電荷３８と触媒ライナ２８との間の電場４０を設定する上で有用である。更に、プラズマ蒸着の前に、電荷確立ステップを提供することが有利である。例えば、アルゴン単独のプラズマステップは、この目的のために有効である。

図９は、シーム４６で一体になるカーボン・ナノチューブ４２とカーボン・ナノチューブ４４とを形成すべく適用されるプラズマ３６が作用した後の半導体装置１０を示す。シーム４６での電気接触を確立するための方法の一つとして、プラズマによって二つのカーボン・ナノチューブを溶接することがある。

図１０は、図９に示す断面の平面図における半導体装置１０である。これは、カーボンチューブ４２が触媒ライナ２８から開口２４に向かって直線状に形成されることを示す。これは、カーボンチューブ４２，４４が絶縁層１８の下方にあるが、開口２０，２２及び２４と接触できることを示す。

図１１は、カーボン・ナノチューブ４２，４４を電気的に接続すると共に、触媒ライナ２８間に連続導電線を形成する導電プラグ４８を形成した後の半導体装置１０を示す。導電プラグ４８は、ナノチューブ４２，４４間に信頼性のある接触がなされるなら、不要かもしれない。また、導電プラグ４８は、導電線との接触のため、ビアに有用な位置を提供する。開口２０，２２内の金属プラグ層の残りの部分は、ビアの作製に有用な場所である。また、ビアは、能動回路１２や別の下層の相互接続層との接触のため、絶縁層１６を形成する前に、絶縁層１４を通過して形成することができる。

例示目的で選択された本明細書に記載の実施形態に対する様々な変更例や変形例は、当業者とって、容易に想到するものであろう。例えば、カーボン・ナノチューブ以外のナノチューブを使用することもできる。実際に、導電ナノチューブよりはむしろ、横方向絶縁ナノチューブを備えることが望ましい場合もある。そのような場合、窒化ホウ素ナノチューブを使用することができる。そのような場合、少なくとも前駆物質が異なるであろう。そのような前駆物質の一つとしてボラジンがある。また、最初にトレンチが絶縁層１６に形成されるなら、ナノチューブの成長にプラズマを使用する必要はないかもしれない。プラズマは、例えば、ナノチューブの低温形成に都合が良いなどの他の理由から、依然として有益であるかもしれない。更に、長い相互接続線は、上記のようなナノチューブ部分から製造することができる。抵抗を下げることは、膨大な長さに渡り抵抗が蓄積されることで著しい信号遅延の原因になるとの理由から、例えば地球規模の相互接続線などの長い相互接続線にとって、とりわけ重要である。そのような変更例や変形例は、本発明の趣旨から逸脱しない限り、以下の特許請求の範囲な厳正な解釈によってのみ評価される発明の範囲に含めることを意図している。

本発明の一実施形態に従う製造過程におけるある段階での半導体装置を示す断面図。 製造過程における次の段階での図１の半導体装置を示す断面図。 製造過程における次の段階での図２の半導体装置を示す断面図。 製造過程における次の段階での図３の半導体装置を示す断面図。 製造過程における次の段階での図４の半導体装置を示す断面図。 製造過程における次の段階での図５の半導体装置を示す断面図。 図６の半導体装置の平面図。 製造過程における次の段階での図６の半導体装置を示す断面図。 製造過程における次の段階での図８の半導体装置を示す断面図。 図９の半導体装置の平面図。 製造過程における次の段階での図９の半導体装置を示す断面図。

Claims (5)

1. ナノチューブを横方向に成長させる方法であって、
   二つの金属性触媒の間に延びる横方向開口を形成するステップであって、前記横方向開口は首部分と空洞部分とを備えるステップと、
   前記二つの金属性触媒の間に連続性横方向電気導体を形成すべく、前記各金属性触媒から半径方向にナノチューブを成長させる制約スペースとして、前記横方向開口の前記空洞部分を用いるステップと、
   前記横方向開口の前記首部分の上方にプラズマを形成することにより、前記二つの金属性触媒の間の閉塞された直線路内だけに前記ナノチューブを成長させるステップと、
   前記連続性横方向電気導体と電気的に接触するビアを形成すべく、導電材料を前記首部分に充填するステップと
   備える方法。
2. ナノチューブを横方向に成長させる方法であって、
   基板を形成するステップと、
   前記基板の上方に犠牲層を形成するステップと、
   前記犠牲層の上方に誘電体層を形成するステップと、
   二つの金属性触媒柱の間に位置する前記誘電体層の一部と前記犠牲層の全てとを除去して横方向開口を形成するステップであって、前記横方向開口は、除去される前記誘電体層から形成された首部分と、除去される前記犠牲層から形成された空洞部分とを備えるステップと、
   前記二つの金属性触媒柱の間に連続性横方向電気導体を形成すべく、二つの前記金属性触媒柱の各々から半径方向にナノチューブを成長させる制約スペースとして、前記横方向開口の前記空洞部分を用いるステップと、
   前記横方向開口の前記首部分の上方にプラズマを形成することにより、前記二つの金属性触媒柱の間の閉塞された直線路内だけに前記ナノチューブを成長させるステップとを備え、
   前記プラズマは、前記ナノチューブの成長方向を制御する横方向開口の空洞部分内に径方向電場を誘導すべく、前記横方向開口の前記首部分に沿う部分と、前記首部分の下方の前記空洞部分の下面とに電荷を堆積させる方法。
3. 請求項２記載の方法は、更に、
   前記連続性横方向電気導体と電気的に接触するビアを形成すべく、導電材料を前記首部分に充填するステップを備える方法。
4. 請求項２記載の方法は、更に、
   前記横方向開口の実質的に中心に前記横方向開口の前記首部分を形成するステップを備える方法。
5. 請求項２記載の方法は、更に、
   前記ナノチューブとしてカーボン・ナノチューブを形成するステップを備え、
   二つの前記金属性触媒柱は、鉄、コバルト、白金、ニッケル又はモリブデンのうちの一つを含む方法。

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