JP6175931B2 - 導電構造及びその製造方法、電子装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
しかしながらCNTは、その成長条件が下地基板材料や下地触媒材料に強く依存し、また、高品質なCNTを得るためには、高い成長温度が必要となっている。そのため、トランジスタ等の電子素子が施された基板において、高品質なCNTを基板上に形成された絶縁膜の開口内に直接的に成長することは難しい。
以下、第1の実施形態による導電構造及びその製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図1〜図3は、第1の実施形態による導電構造の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
基板11として、例えばSi基板を用意する。Si基板の代わりにSiC基板や諸々の絶縁基板等を用いても良い。
基板11上に、CVD法等により例えばシリコン酸化膜を堆積する。これにより、酸化膜12が形成される。
詳細には、先ず、真空蒸着法等により、酸化膜12上に触媒材料を例えば数nm程度の厚みに堆積する。触媒材料としては、Co,Ni,Fe,Al等から選ばれた1種又は2種以上の材料、又は、これら1種又は2種以上と、Ti,TiN,TiO2,V等から選ばれた1種又は2種以上との混合材料を用いる。例えばCo/Ti又はCo/Vが選ばれる。これにより、酸化膜12上に触媒材料13が形成される。
詳細には、CNT14の上端に予め平坦化された支持基板等を押し付けることにより、当該上端を平坦化する。
詳細には、例えばスパッタ法により、金属膜や絶縁膜等、ここではAuを、平坦化されたCNT14の上端上に堆積する。これにより、転写支持膜15が形成される。
詳細には、バッファードフッ酸(BHF)等を用いて、酸化膜12をCNT14が形成された触媒材料13から離間させる。これにより、酸化膜12と共に基板11が除去される。
詳細には、FeCl3水溶液、HCl等の薬液を用いて触媒材料13を処理するこれにより、CNT14から触媒材料13が除去される。なお、触媒材料13を除去後、CNT14の先端に接合材料として金属等を蒸着しても良い。また、触媒材料13を除去しないで接合しても良い。
詳細には、先ず、半導体基板等の基板16を用意し、基板16上(或いは上方)に絶縁膜17を形成する。絶縁膜17は、例えばシリコン酸化膜であり、CVD法等により成膜される。
次に、絶縁膜17の所定部位に開口17aを形成する。開口17aは、絶縁膜17をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工することで形成される。
詳細には、転写支持膜15にイオンミリング等を施し、転写支持膜15をCNT14から離間させる。これにより、転写支持膜15が除去される。続いて、開口17a内に存するCNT14の先端部分を残して、絶縁膜17の表面から突出したCNT14にイオンミリング等を施す。これにより、CNT14の絶縁膜17の表面から突出した部分(不要な部分)が除去される。
以下、第2の実施形態による導電構造及びその製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図4〜図7は、第2の実施形態による導電構造の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
詳細には、先ず、支持基板21として、例えばSi基板を用意する。Si基板の代わりにSiC基板や諸々の絶縁基板等を用いても良い。
次に、真空蒸着法等により、支持基板21上に触媒材料を例えば数nm程度の厚みに堆積する。触媒材料としては、Co,Ni,Fe,Al等から選ばれた1種又は2種以上の材料、又は、これら1種又は2種以上と、Ti,TiN,TiO2,V等から選ばれた1種又は2種以上との混合材料を用いる。例えばCo/Ti又はCo/Vが選ばれる。これにより、支持基板21上に触媒材料22が形成される。
詳細には、CNT23の全てを覆うように(CNT23を埋め込むように)、レジストを塗布する。これにより、レジスト24が形成される。
詳細には、レジスト24をアセトン、エタノール、IPA,NMP等の薬液を用いて所定の時間ウェット処理を施し、表面のレジストを除去する。スピンコーター等を用いてウェット処理とその後の乾燥を連続的に行うこともできる。この処理により、レジスト24が選択的にエッチングされ、CNT23の下端から所定高さまでレジストで覆うレジストマスク24aが形成される。
詳細には、CNT23のレジストマスク24aから露出する部分に、イオンミリング又はアッシングを施す。これにより、CNT23の当該部分が除去され、CNT23はレジストマスク24aの高さで規定された所期の長さに調節される。
詳細には、レジストマスク24aをアセトン等の薬液を用いてウェット処理する。この処理により、レジストマスク24aが選択的にエッチングされ、CNT23から除去される。
詳細には、CNT23の全てを覆うレジスト24が形成された状態で、CNT23の上部にレジスト24の上部と共にアッシングを施す。アッシングの時間等を制御することにより、CNT23の上部にレジスト24の上部と共にアッシングされ、所期の高さのCNT23及びレジスト24が残る。しかる後、図4(e)と同様の工程でレジスト24を除去する。
詳細には、先ず、Si基板等の基板25を用意し、基板25上(或いは上方)に絶縁膜26を形成する。絶縁膜26は、例えばシリコン酸化膜であり、CVD法等により成膜される。
次に、絶縁膜26の所定部位に開口26aを形成する。開口26aは、絶縁膜26をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工することで形成される。
詳細には、絶縁膜26の開口26aに斜め方向からイオンミリングを施す。これにより、開口26aの上方部分26a1がテーパ状となり、上方部分26a1の開口径が下方部分(開口26aの垂直壁部分)26a2の開口径よりも拡張される。
詳細には、開口26aの内壁面を覆うように、スパッタ法等により、絶縁膜26上に金属、例えばTi,TiN,Ta,TaN等のバリアメタルや、CNTと電気的に接続するためにAu,Pd,In等のコンタクトメタルを成膜する。これにより、下地金属膜27が形成される。
詳細には、CNT23の先端と、絶縁膜26の表面とが突き合わされるように、基板25と支持基板21とを対向させる。
詳細には、CNT23の先端部分を絶縁膜26の開口26a内に底面に到達するまで挿入し、圧着する。この状態でコンタクト抵抗を低減するために400℃程度でアニール処理しても良い。これにより、CNT23の先端が開口26aの底面に圧着接続される。図6(a)のときにCNT23の先端にAu等の金属を付与しておき、当該金属により、CNT23の先端の開口26aの底面との接続性を高めるようにしても良い。
(a)の場合には、開口26aの下方部分26a2内のCNT23の密度は、図6(a)の状態におけるCNT23の密度の少なくとも4倍程度、即ち4×1012(本/cm2)程度に高められ、電気抵抗や熱抵抗を1/4程度に低減することが可能となる。
(b)の場合には、開口26aの上方部分26a1の開口径Aと下方部分26a2の開口径Bとの割合に応じて、開口26a内のCNT23の密度を変えることができる。例えば、開口径A:開口径B=3:1の場合、開口26aの下方部分26a2内のCNT23の密度は、図6(a)の状態におけるCNT23の密度の9倍程度、即ち9×1012(本/cm2)程度に高められ、電気抵抗や熱抵抗を1/9程度に低減することが可能となる。
詳細には、基板25と支持基板21との間に例えばSOG28を付与し、SOG28で基板25と支持基板21との間の隙間を埋め込む。これにより、SOG28で両者間が固定される。なお、SOG28の代わりに、他の絶縁物やAu、Cu等の導電性に優れた金属材料で基板25と支持基板21との間の隙間を金属ナノ粒子や、メッキ法等により埋め込むようにしても良い。
詳細には、スライサーやグラインダー等を用いて、支持基板21を除去する。
詳細には、例えば化学機械研磨(Chemical-Mechanical Polishing:CMP)法により、触媒材料22、CNT23、SOG28、下地金属膜27、及び絶縁膜26を、開口26aの下方部分26a2が残るように研磨して平坦化する。
以上により、絶縁膜26の開口26aの下方部分26a2内をCNT23で充填してなる導電構造20が形成される。
導電構造20では、支持基板21上に形成されたCNT23よりも高い密度にCNT23が形成されており、より優れた低抵抗率且つ高電流密度耐性、高熱伝導性を有する導電構造が実現する。
ここで、第2の実施形態の変形例について説明する。本例では、第2の実施形態と同様に導電構造及びその製造方法を開示するが、導電構造の形態が異なる点で第2の実施形態と相違する。
図10は、第2の実施形態の変形例による導電構造の製造方法の主要工程を示す概略断面図である。なお、第2の実施形態に対応する構成部材については、同符号を付して詳しい説明を省略する。
詳細には、例えばCMP法により、触媒材料22、CNT23、SOG28、下地金属膜27、及び絶縁膜26を、開口26aの下方部分26a2及び上方部分26a2の一部が残るように研磨して平坦化する。なお、隣接する導電構造間の短絡を防止するため、下地金属膜27を導電構造ごとに分断することを要する。
以上により、絶縁膜26の開口26aの下方部分26a2及び上方部分26a2(の一部)内をCNT23で充填してなる導電構造20aが形成される。
導電構造20aでは、支持基板21上に形成されたCNT23よりも高い密度にCNT23が形成されており、より優れた低抵抗率且つ高電流密度耐性、高熱伝導性を有する導電構造が実現する。更に導電構造20aは、下方部分26a2よりも上方部分26a2の方が大径に形成されている。この構成により、導電構造20a上に下方部分26a2の開口径よりも幅広の配線を形成することができ、また配線の導電構造20aとの接続をより確実に得ることができる。導電構造20aでは、下方部分26a2内におけるCNT23の密度が上方部分26a2内におけるCNT23の密度よりも高い。
本実施形態では、第1の実施形態、第2の実施形態及びその変形例のいずれかで開示した導電構造を、MOSトランジスタのコンタクト部に適用する場合を開示する。ここでは、第2の実施形態の変形例で開示した導電構造を、MOSトランジスタのコンタクト部に適用する場合を例示する。なお、第2の実施形態の変形例の構成部材等と同一のものについては、同符号を付す。
図11〜図13は、第3の実施形態によるMOSトランジスタの主要構成を示す概略断面図である。
シリコン基板1上に機能素子としてトランジスタ素子を形成する。
詳細には、第2の実施形態の変形例における基板25に対応するものとして、例えばSi基板31の表層に、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)法により素子分離構造32を形成し、素子活性領域を確定する。
次に、素子活性領域に熱酸化等により例えばシリコン酸化膜をCVD法により堆積し、シリコン酸化膜上にCVD法により例えば多結晶シリコン膜を堆積する。多結晶シリコン膜及びシリコン酸化膜をリソグラフィー及びそれに続くドライエッチングにより電極形状に加工する。以上により、ゲート絶縁膜33上にゲート電極34が形成される。
以上により、トランジスタ素子が形成される。
詳細には、第2の実施形態の変形例の図4(a)〜図6(c)及び図10(a),(b)の各工程を順次行う。以上により、絶縁膜26の開口26aの下方部分26a2及び上方部分26a2(の一部)内をCNT23で充填してなるコンタクト部36が形成される。コンタクト部36は、トランジスタ素子のゲート電極34、ソース/ドレイン領域35とコンタクト部36上の不図示の配線とを電気的に接続する導電構造である。
詳細には、先ず、コンタクト部36上及びダミーコンタクト部37上の全面に、スパッタ法等によりTi又はTiN等を成膜し、コンタクトメタル38を形成する。
次に、例えばSi基板上に、CVD法等により、グラフェンが多層に積層されてなる多層グラフェンを形成し、この多層グラフェンをコンタクトメタル38上に転写する。
以上により、コンタクトメタル38上に多層グラフェン39が形成される。
詳細には、コンタクトメタル38及び多層グラフェン39をリソグラフィー及びドライエッチング等により配線形状に加工する。以上により、コンタクト部36と電気的に接続されてなる下層配線40が形成される。下層配線40は、ダミーコンタクト部37上にも形成される。
本実施形態では、第1の実施形態、第2の実施形態及びその変形例のいずれかで開示した導電構造を、MOSトランジスタ等のビア部に適用する場合を開示する。ここでは、第2の実施形態の変形例で開示した導電構造を、MOSトランジスタ等のビア部に適用する場合を例示する。なお、第2の実施形態の変形例の構成部材等と同一のものについては、同符号を付す。
図14は、第4の実施形態によるMOSトランジスタ等のビア部を備えた配線構造の主要構成を示す概略断面図である。
下層配線42は、例えばダマシン法により形成される。詳細には、層間絶縁膜41を形成し、層間絶縁膜41に配線溝41aを形成し、配線溝41aを銅又は銅合金等の金属材料で埋め込むように例えばメッキ法で成膜した後、CMPで金属材料を研磨平坦化する。以上により、層間絶縁膜41に埋め込まれた下層配線42が形成される。
詳細には、第2の実施形態の変形例の図4(a)〜図6(c)及び図10(a),(b)の各工程を順次行う。以上により、絶縁膜26の開口26aの下方部分26a2及び上方部分26a2(の一部)内をCNT23で充填してなるビア部43A及びダミービア部43Bが形成される。
上層配線45は、例えばダマシン法により形成される。詳細には、絶縁膜26上に層間絶縁膜44を形成し、層間絶縁膜44のビア部43上に相当する部位に配線溝44aを形成し、配線溝44aを銅又は銅合金等の金属材料で埋め込むように例えばメッキ法で成膜した後、CMPで金属材料を研磨平坦化する。以上により、層間絶縁膜44に埋め込まれた下層配線45が形成される。ビア部43Aは、下層配線42と上層配線45とを電気的に接続する導電構造とされている。一方、ダミービア部43Bは、その上に配線が形成されておらず、電気的な接続は有していない。
本実施形態では、第1の実施形態、第2の実施形態及びその変形例のいずれかで開示した導電構造を、Si貫通電極(Through-Silicon Via:TSV)に適用する場合を開示する。ここでは、第2の実施形態の変形例で開示した導電構造を、TSVに適用する場合を例示する。なお、第2の実施形態の変形例の構成部材等と同一のものについては、同符号を付す。
本実施形態による半導体装置は、複数(ここでは3層)の半導体チップ51が積層されており、各半導体チップ51は、それぞれSi基板52にTSV53が形成され、TSV53を介して電気的に接続されている。
ここでは、第2の実施形態の変形例における絶縁膜26にSi基板52が、開口26aに貫通口52aが、下方部分26a2に下方部分52a1が、上方部分26a2に上方部分52a2が、それぞれ対応する。
配線54は、例えばダマシン法により形成される。詳細には、Si基板52上に絶縁膜54を形成し、絶縁膜54のTSV53上に相当する部位に配線溝54aを形成し、配線溝54aを銅又は銅合金等の金属材料で埋め込むように例えばメッキ法で成膜した後、CMPで金属材料を研磨平坦化する。以上により、絶縁膜54に埋め込まれた配線55が形成される。
以上により、各半導体チップ51が積層されて、配線55を介して各半導体チップ51のTSV53が電気的に接続されてなる半導体装置が形成される。なお、配線55の代わりに、TSV53と電気的に接続される配線を、例えばグラフェンを材料として形成しても良い。
起立して並列するカーボンナノチューブを形成し、
前記カーボンナノチューブの先端部分を前記開口内に挿入し、
前記開口内に挿入された前記先端部分を残して、前記カーボンナノチューブを除去することを特徴とする導電構造の製造方法。
前記カーボンナノチューブは、前記開口内に挿入された前記先端部分の密度が、その他の部分の密度よりも高いことを特徴とする付記1に記載の導電構造の製造方法。
前記開口内を充填するカーボンナノチューブと
を含むことを特徴とする導電構造。
前記機能素子と電気的に接続される導電構造を形成する工程と
を含み、
前記導電構造を形成する工程は、
被形成対象に開口を形成し、
起立して並列するカーボンナノチューブを形成し、
前記カーボンナノチューブの先端部分を前記開口内に挿入し、
前記開口内に挿入された前記先端部分を残して、前記カーボンナノチューブを除去することを特徴とする電子装置の製造方法。
前記カーボンナノチューブは、前記開口内に挿入された前記先端部分の密度が、その他の部分の密度よりも高いことを特徴とする付記10に記載の電子装置の製造方法。
前記機能素子と電気的に接続された導電構造と
を含み、
前記導電構造は、
テーパ状に開口径が拡張された上方部分を有する開口が形成された被形成対象と、
前記開口内を充填するカーボンナノチューブと
を備えたことを特徴とする電子装置。
11,16,25 基板
12 酸化膜
13,22 触媒材料
14,23 CNT
15 転写支持膜
17,26,54 絶縁膜
17a,26a 開口
18 SOG
21 支持基板
24 レジスト
24a レジストマスク
26a1 上方部分
26a2 下方部分
27 下地金属膜
28 SOG
31 Si基板
32 素子分離構造
33 ゲート絶縁膜
34 ゲート電極
35 ソース/ドレイン領域
36 コンタクト部
37 ダミーコンタクト部
38 コンタクトメタル
39 多層グラフェン
40 下層配線
41,44 層間絶縁膜
41a,44a 配線溝
42 下層配線
43A ビア部
43B ダミービア部
45 上層配線
51 半導体チップ
52 Si基板
52a 貫通口
53 TSV
55 配線
Claims (22)
- 被形成対象に開口を形成し、
支持基板上に、起立して並列するカーボンナノチューブを形成し、
前記支持基板から支持膜に前記カーボンナノチューブを転写し、又は前記支持基板上に前記カーボンナノチューブが形成された状態で、前記カーボンナノチューブの先端部分を前記開口内に挿入し、
前記開口内に挿入された前記先端部分を残して、前記カーボンナノチューブを除去することを特徴とする導電構造の製造方法。 - 前記開口の上方部分をテーパ状に加工して、開口径を拡張し、
前記カーボンナノチューブは、前記開口内に挿入された前記先端部分の密度が、その他の部分の密度よりも高いことを特徴とする請求項1に記載の導電構造の製造方法。 - 前記先端部分を残して前記カーボンナノチューブを除去した際に、前記上方部分を有する前記開口内に前記先端部分が充填されることを特徴とする請求項2に記載の導電構造の製造方法。
- 前記先端部分を残して前記カーボンナノチューブを除去した後に、前記被形成対象の前記上方部分に相当する表層を平坦化除去することを特徴とする請求項2に記載の導電構造の製造方法。
- 前記カーボンナノチューブを形成する際には、前記支持基板の表面から前記カーボンナノチューブを成長し、前記カーボンナノチューブを覆うマスクを形成し、前記カーボンナノチューブを所定高さまで除去することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の導電構造の製造方法。
- 前記カーボンナノチューブの下端から所定高さまで覆うように前記マスクを形成し、前記カーボンナノチューブの前記マスクから露出する部分を除去することを特徴とする請求項5に記載の導電構造の製造方法。
- 前記カーボンナノチューブを全て覆うように前記マスクを形成し、前記カーボンナノチューブを前記マスクと共に所定高さまで除去することを特徴とする請求項5に記載の導電構造の製造方法。
- テーパ状に開口径が拡張された上方部分を有する開口が形成された被形成対象と、
前記開口内を充填するカーボンナノチューブと
を含むことを特徴とする導電構造。 - 前記カーボンナノチューブは、前記開口内において、前記上方部分以外における密度が前記上方部分における密度よりも高いことを特徴とする請求項8に記載の導電構造。
- 基板上に機能素子を形成する工程と、
前記機能素子と電気的に接続される導電構造を形成する工程と
を含み、
前記導電構造を形成する工程は、
前記基板上に形成された絶縁膜に開口を形成し、
支持基板上に、起立して並列するカーボンナノチューブを形成し、
前記支持基板から支持膜に前記カーボンナノチューブを転写し、又は前記支持基板上に前記カーボンナノチューブが形成された状態で、前記カーボンナノチューブの先端部分を前記開口内に挿入し、
前記開口内に挿入された前記先端部分を残して、前記カーボンナノチューブを除去することを特徴とする電子装置の製造方法。 - 前記開口の上方部分をテーパ状に加工して、開口径を拡張し、
前記カーボンナノチューブは、前記開口内に挿入された前記先端部分の密度が、その他の部分の密度よりも高いことを特徴とする請求項10に記載の電子装置の製造方法。 - 前記先端部分を残して前記カーボンナノチューブを除去した際に、前記上方部分を有する前記開口内に前記先端部分が充填されることを特徴とする請求項11に記載の電子装置の製造方法。
- 前記先端部分を残して前記カーボンナノチューブを除去した後に、前記被形成対象の前記上方部分に相当する表層を平坦化除去することを特徴とする請求項11に記載の電子装置の製造方法。
- 前記カーボンナノチューブを形成する際には、前記支持基板の表面から前記カーボンナノチューブを成長し、前記カーボンナノチューブを覆うマスクを形成し、前記カーボンナノチューブを所定高さまで除去することを特徴とする請求項10〜13のいずれか1項に記載の電子装置の製造方法。
- 前記カーボンナノチューブの下端から所定高さまで覆うように前記マスクを形成し、前記カーボンナノチューブの前記マスクから露出する部分を除去することを特徴とする請求項14に記載の電子装置の製造方法。
- 前記カーボンナノチューブを全て覆うように前記マスクを形成し、前記カーボンナノチューブを前記マスクと共に所定高さまで除去することを特徴とする請求項14に記載の電子装置の製造方法。
- 前記導電構造は、前記機能素子と配線とを接続するコンタクト部であることを特徴とする請求項10〜16のいずれか1項に記載の電子装置の製造方法。
- 前記導電構造は、前記機能素子の上方で下層配線と上層配線とを電気的に接続するビア部であることを特徴とする請求項10〜16のいずれか1項に記載の電子装置の製造方法。
- 基板上に形成された機能素子と、
前記機能素子と電気的に接続された導電構造と
を含み、
前記導電構造は、
テーパ状に開口径が拡張された上方部分を有する開口が形成された被形成対象と、
前記開口内を充填するカーボンナノチューブと
を備えたことを特徴とする電子装置。 - 前記カーボンナノチューブは、前記開口内において、前記上方部分以外における密度が前記上方部分における密度よりも高いことを特徴とする請求項19に記載の電子装置。
- 前記導電構造は、前記機能素子と配線とを接続するコンタクト部であることを特徴とする請求項19又は20に記載の電子装置。
- 前記導電構造は、前記機能素子の上方で下層配線と上層配線とを電気的に接続するビア部であることを特徴とする請求項19又は20に記載の電子装置。
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