JP2014166676A - Method of growing carbon structure, method of producing sheet-like structure and method of producing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭素元素からなる線状構造体を有するシート状構造体及び半導体装置、並びに炭素構造体の成長方法に関する。 The present invention relates to a sheet-like structure having a linear structure made of a carbon element, a semiconductor device, and a carbon structure growth method.
サーバーやパーソナルコンピュータの中央処理装置(CPU:Central Processing Unit)などに用いられる電子部品は、半導体素子から発する熱を効率よく放熱するために、その直上に設けられたインジウムシートなどの熱伝導性シートを介して、銅などの高い熱伝導度を有する材料よりなるヒートスプレッダが配置された構造を有している。 Electronic components used in central processing units (CPUs) of servers and personal computers are heat conductive sheets such as indium sheets provided directly above them to efficiently dissipate heat generated from semiconductor elements. The heat spreader made of a material having a high thermal conductivity such as copper is disposed through the structure.
しかしながら、近年におけるレアメタルの大幅な需要増加によりインジウム価格は高騰しており、インジウムよりも安価な代替材料が待望されている。また、物性的に見てもインジウムの熱伝導率(50W/m・K)は高いとはいえず、半導体素子から生じた熱をより効率的に放熱させるために更に高い熱伝導度を有する材料が望まれている。 However, the price of indium has soared due to a significant increase in demand for rare metals in recent years, and an alternative material that is cheaper than indium is expected. In addition, in terms of physical properties, the thermal conductivity (50 W / m · K) of indium is not high, and a material having higher thermal conductivity in order to dissipate the heat generated from the semiconductor element more efficiently. Is desired.
このような背景から、インジウムよりも高い熱伝導度を有する材料として、カーボンナノチューブに代表される炭素元素からなる線状構造体が注目されている。カーボンナノチューブは、非常に高い熱伝導率(1500W/m・K)を有するだけでなく、柔軟性や耐熱性に優れた材料であり、放熱材料として高いポテンシャルを有している。 From such a background, as a material having a higher thermal conductivity than indium, a linear structure made of a carbon element typified by a carbon nanotube has attracted attention. Carbon nanotubes not only have a very high thermal conductivity (1500 W / m · K), but also are excellent in flexibility and heat resistance, and have a high potential as a heat dissipation material.
カーボンナノチューブを用いた熱伝導シートとしては、例えば特許文献1には、樹脂中にカーボンナノチューブを分散した熱伝導シートが開示されている。また、例えば特許文献2には、基板上に配向成長したカーボンナノチューブ束を樹脂等によって埋め込んだ熱伝導シートが開示されている。
As a heat conductive sheet using carbon nanotubes, for example, Patent Document 1 discloses a heat conductive sheet in which carbon nanotubes are dispersed in a resin. For example,
また、カーボンナノチューブは、半導体装置などに用いられる配線材料としても注目されている。集積回路装置において現在主に用いられている銅配線は、素子の微細化に伴い、エレクトロマイグレーションによる信頼性劣化など多くの課題が顕在化してきている。そこで、優れた電気伝導性や銅と比較して1000倍程度高い許容電流密度や弾道電子輸送特性などの優れた特性を有するカーボンナノチューブが、次世代の配線材料として期待されている。 Carbon nanotubes are also attracting attention as wiring materials used in semiconductor devices and the like. Many problems such as reliability degradation due to electromigration have become apparent in copper wiring that is currently used mainly in integrated circuit devices as devices become finer. Therefore, carbon nanotubes having excellent electrical conductivity and excellent characteristics such as allowable current density and ballistic electron transport characteristics that are about 1000 times higher than copper are expected as next-generation wiring materials.
カーボンナノチューブを用いた配線としては、ビアを利用した縦方向のナノチューブ配線に関する提案がなされている(例えば、非特許文献1を参照)。
特許文献1に記載の熱伝導シートは、カーボンナノチューブを樹脂中に単純に分散したものであり、分散されたカーボンナノチューブ同士の接点において熱抵抗が発生する。また、カーボンナノチューブは配向方向に沿った方向の熱伝導度が最も小さい特性を有するところ、特許文献1に記載の熱伝導シートではカーボンナノチューブの配向方向が揃っておらず、カーボンナノチューブの高い熱伝導度を充分に生かすことができなかった。この点、特許文献2に記載の熱伝導シートは、基板上に配向成長したカーボンナノチューブ束を利用しているため、特許文献1に記載された熱伝導シートよりも高い熱伝導度を実現することができる。
The heat conductive sheet described in Patent Document 1 is obtained by simply dispersing carbon nanotubes in a resin, and thermal resistance is generated at the contact points between the dispersed carbon nanotubes. In addition, carbon nanotubes have the characteristic that the thermal conductivity in the direction along the orientation direction is the smallest. However, in the heat conduction sheet described in Patent Document 1, the orientation directions of the carbon nanotubes are not uniform, and the high thermal conductivity of the carbon nanotubes. I could not make full use of the degree. In this respect, the thermal conductive sheet described in
しかしながら、特許文献2に記載の熱伝導シートについて本願発明者等が検討を行ったところ、カーボンナノチューブ間に樹脂を充填する際にカーボンナノチューブ束の凝集や偏りが生じ、この結果、配向性とカーボンナノチューブの均一性が損なわれ、期待されるほどの熱伝導度を実現することはできないことが判明した。また、この構造では、縦方向(シートの面に垂直な方向)への放熱性を確保することはある程度は可能であるものの、横方向(シートの面に平行な方向)への放熱性を確保することは困難であった。すなわち、樹脂自体の熱伝導率は1(W/m・K)程度であるため、カーボンナノチューブによる縦方向の高い熱伝導率と比較した場合に3桁ほども低く、横方向への放熱効果が非常に低かった。
However, the inventors of the present invention have studied the heat conductive sheet described in
また、配線材料としては、非特許文献1に記載のような縦方向へ接続する配線構造体だけではなく、横方向へ接続する配線構造体をも形成できることが望まれる。しかしながら、カーボンナノチューブを用いた横方向の配線は、ナノチューブの横方向への成長制御に難点が多いことに加え、横方向配線の起点となるビア配線と横配線とを接続する電極ブロックを作成することがプロセス的に困難であり、未だ実現されていない。 Moreover, as a wiring material, it is desired that not only a wiring structure connected in the vertical direction as described in Non-Patent Document 1, but also a wiring structure connected in the horizontal direction can be formed. However, the lateral wiring using carbon nanotubes has many difficulties in controlling the lateral growth of the nanotubes, and also creates an electrode block that connects the via wiring and the lateral wiring that are the starting point of the lateral wiring. This is difficult in terms of process and has not been realized yet.
本発明の目的は、シートの面に垂直な方向のみならずシートの面に平行な方向における熱伝導性及び導電性に優れたシート状構造体及びその製造方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、低抵抗のビア配線及びこれに接続される低抵抗の横方向配線層を有する半導体装置及びその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a sheet-like structure excellent in thermal conductivity and conductivity not only in a direction perpendicular to the sheet surface but also in a direction parallel to the sheet surface, and a method for producing the same. Another object of the present invention is to provide a semiconductor device having a low-resistance via wiring, a low-resistance lateral wiring layer connected to the via wiring, and a manufacturing method thereof.
本発明の一観点によれば、互いに第1の間隙をもって配置された複数の炭素元素からなる線状構造体を含み、互いに前記第1の間隙よりも大きな第2の間隙をもって配置された複数の線状構造体束と、複数の前記線状構造体束間の領域に形成され、複数の前記線状構造体束に接続されたグラファイト層と、前記第1の間隙及び前記第2の間隙に充填され、前記複数の線状構造体束及び前記グラファイト層を保持する充填層とを有するシート状構造体が提供される。 According to an aspect of the present invention, a linear structure including a plurality of carbon elements arranged with a first gap between each other, and a plurality of arranged with a second gap larger than the first gap. A linear structure bundle, a graphite layer formed in a region between the plurality of linear structure bundles and connected to the plurality of linear structure bundles, and the first gap and the second gap; There is provided a sheet-like structure that is filled and has the plurality of linear structure bundles and a filling layer that holds the graphite layer.
また、本発明の他の観点によれば、半導体基板上に形成された第1の配線層と、炭素元素からなる複数の線状構造体を含む線状構造体束よりなり、前記第1の配線層に接続されたビア配線と、前記ビア配線の形成領域を除く前記半導体基板上に、前記第1の配線層を覆うように形成された絶縁膜と、前記ビア配線上及び前記絶縁膜上に形成されたグラファイト層を有する第2の配線層とを有する半導体装置が提供される。 According to another aspect of the present invention, the first wiring layer formed on the semiconductor substrate and a linear structure bundle including a plurality of linear structures made of a carbon element, the first structure A via wiring connected to the wiring layer; an insulating film formed on the semiconductor substrate excluding the via wiring formation region so as to cover the first wiring layer; the via wiring and the insulating film; And a second wiring layer having a graphite layer formed on the semiconductor device.
また、本発明の更に他の観点によれば、基板の第1の領域上に、第1の触媒金属膜を形成する工程と、前記基板の前記第1の領域に隣接する第2の領域上に、前記第1の触媒金属膜とは異なる第2の触媒金属膜を形成する工程と、前記第1の領域上に、前記第1の触媒金属膜を触媒として、炭素元素からなる複数の線状構造体を有する第1の炭素構造体を選択的に形成する工程と、前記第2の領域上に、前記第2の触媒金属膜を触媒として、グラファイト層を有する第2の炭素構造体を選択的に形成する工程とを有する炭素構造体の成長方法が提供される。 According to still another aspect of the present invention, a step of forming a first catalytic metal film on a first region of a substrate, and a second region adjacent to the first region of the substrate. A step of forming a second catalytic metal film different from the first catalytic metal film, and a plurality of lines made of carbon elements on the first region using the first catalytic metal film as a catalyst. A step of selectively forming a first carbon structure having a shaped structure, and a second carbon structure having a graphite layer on the second region using the second catalytic metal film as a catalyst. And a method of selectively forming the carbon structure.
本発明によれば、基板上に互いに離間した複数の炭素元素からなる線状構造体束を形成後、充填材を充填して線状構造体束を保持する充填層を形成するので、充填層の際に線状構造体束の形状変化を防止することができる。これにより、線状構造体束がシートの膜厚方向に配向したシート状構造体を容易に形成することができる。また、線状構造体束の両端部は充填層から容易に露出させることができ、被着体に対する熱伝導度及び電気伝導度を向上することができる。これにより、このシート状構造体を用いた電子機器の信頼性を向上することができる。また、線状構造体束の間隙には、線状構造体束に接続してグラファイト層を形成するので、シートの面に平行な方向への熱伝導度及び電気伝導度をも向上することができる。また、線状構造体束とグラファイト層とを同時に形成することもできるので、製造工程を大幅に変更することなくカーボンナノチューブシートを形成することができる。これにより、製造コストの増加を防止することができる。 According to the present invention, since a linear structure bundle made of a plurality of carbon elements spaced apart from each other is formed on a substrate, a filling layer is formed by filling the filler and holding the linear structure bundle. In this case, the shape change of the linear structure bundle can be prevented. Thereby, the sheet-like structure in which the linear structure bundle is oriented in the film thickness direction of the sheet can be easily formed. Moreover, the both ends of the linear structure bundle can be easily exposed from the filling layer, and the thermal conductivity and electrical conductivity with respect to the adherend can be improved. Thereby, the reliability of the electronic device using this sheet-like structure can be improved. In addition, since the graphite layer is formed in the gap between the linear structure bundles by connecting to the linear structure bundle, the thermal conductivity and the electric conductivity in the direction parallel to the surface of the sheet can be improved. . Further, since the linear structure bundle and the graphite layer can be formed at the same time, the carbon nanotube sheet can be formed without significantly changing the manufacturing process. Thereby, the increase in manufacturing cost can be prevented.
また、炭素元素からなる線状構造体よりなるビア配線と、このビア配線に接続されたグラファイト層よりなる配線層とを有する半導体装置を構成するので、ビア配線及び配線層の電気抵抗を大幅に低減することができる。これにより、半導体装置の特性向上を図ることができる。また、ビア配線と配線層とは同時に形成することができるので、製造工程を大幅に変更することなく配線構造体を形成することができる。これにより、製造コストの増加を防止することができる。 In addition, since a semiconductor device having a via wiring made of a linear structure made of a carbon element and a wiring layer made of a graphite layer connected to the via wiring is configured, the electrical resistance of the via wiring and the wiring layer is greatly increased. Can be reduced. Thereby, the characteristics of the semiconductor device can be improved. Moreover, since the via wiring and the wiring layer can be formed at the same time, the wiring structure can be formed without significantly changing the manufacturing process. Thereby, the increase in manufacturing cost can be prevented.
10…カーボンナノチューブシート
12…カーボンナノチューブ束
14,20…グラファイト層
16…充填層
18…カーボンナノチューブ層
30,40…基板
32,32a、32b,38…触媒金属膜
34,48,54,78…フォトレジスト膜
36…開口部
42,66,74,84…配線層
44,68,76…層間絶縁膜
46…コンタクトホール
50,60,70…TiN膜
52,58,62…Co膜
56…TiO2膜
64,72…ビア配線
66a,66b…グラファイト層
80…Ti膜
82…TiC膜
100…回路基板
102…はんだバンプ
104…アンダーフィル
106…半導体素子
108,112,126…カーボンナノチューブシート
110…ヒートスプレッダ
114,124…ヒートシンク
120…高出力増幅器
122…パッケージ
DESCRIPTION OF
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態によるカーボンナノチューブシート及びその製造方法について図1乃至図5を用いて説明する。
[First Embodiment]
A carbon nanotube sheet and a manufacturing method thereof according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1は本実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造を示す平面図及び概略断面図、図2は本実施形態によるカーボンナノチューブシートにおけるカーボンナノチューブ束の形状を示す平面図、図3は本実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造を示す概略断面図、図4及び図5は本実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法を示す工程断面図である。 FIG. 1 is a plan view and a schematic sectional view showing the structure of a carbon nanotube sheet according to the present embodiment, FIG. 2 is a plan view showing the shape of a carbon nanotube bundle in the carbon nanotube sheet according to the present embodiment, and FIG. FIG. 4 and FIG. 5 are process cross-sectional views illustrating the method of manufacturing a carbon nanotube sheet according to the present embodiment.
はじめに、本実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造について図1を用いて説明する。図1(a)及び図1(b)は、それぞれ、本実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造を示す平面図及び断面図である。 First, the structure of the carbon nanotube sheet according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1A and FIG. 1B are a plan view and a cross-sectional view showing the structure of the carbon nanotube sheet according to the present embodiment, respectively.
本実施形態によるカーボンナノチューブシート(シート状構造体)10は、互いに間隔を開けて配置された複数のカーボンナノチューブ束(線状構造体束)12を有している(図1(a)参照)。カーボンナノチューブ束12の間隙には、シートの一方の面側に形成されたグラファイト層14と、樹脂材料等よりなる充填層16とが埋め込まれている(図1(a),(b)参照)。充填層16は、カーボンナノチューブ束12内及びグラファイト層14内の間隙にも埋め込まれている。グラファイト層14は、カーボンナノチューブ束12に対して、熱的に且つ電気的に接続されている。
The carbon nanotube sheet (sheet-like structure) 10 according to the present embodiment has a plurality of carbon nanotube bundles (linear structure bundles) 12 arranged at intervals (see FIG. 1A). . A
それぞれのカーボンナノチューブ束12は、シートの面に垂直な方向に延在するように形成されており、シートの面に垂直な方向に配向した複数のカーボンナノチューブ(炭素元素からなる線状構造体)を有している。
Each
カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ及び多層カーボンナノチューブのいずれでもよい。カーボンナノチューブ束12に含まれるカーボンナノチューブの密度は、放熱性及び電気伝導性の観点から、1×1010本/cm2以上であることが望ましい。カーボンナノチューブ束12の長さ(シートの厚さ)は、カーボンナノチューブシート10の用途によって決まり、特に限定されるものではないが、好ましくは5μm〜500μm程度の値に設定することができる。
The carbon nanotube may be either a single-walled carbon nanotube or a multi-walled carbon nanotube. The density of the carbon nanotubes contained in the
本実施形態によるカーボンナノチューブシート10では、カーボンナノチューブ束12間に間隙が設けられ、この間隙に充填層16が形成されている。これは、カーボンナノチューブ間に充填層16を形成する際に、充填材の浸透性を高め、カーボンナノチューブが横に倒れるなどの形状変化を抑制し、カーボンナノチューブが元々保持していた配向性を保持するためである(後述の製造方法を参照)。
In the
カーボンナノチューブ束12の形成領域の広さについては、特に制限はないが、形成領域が例えば円形の場合、直径が例えば10μm〜1000mmの範囲に設定することができる。
Although there is no restriction | limiting in particular about the width of the formation area of the
カーボンナノチューブ束12間に必要な間隙は、充填層16となる充填材の粘度等によっても変化するため一概に決定することはできないが、各カーボンナノチューブ束12を構成するカーボンナノチューブ間の間隙よりも充分に広い幅、好ましくは0.1μm〜200μm程度の値に設定することができる。ただし、カーボンナノチューブ束12の間隔が広くなるほどに、シート面内におけるカーボンナノチューブの面密度が減少、すなわちシートとしての熱伝導度が減少する。また、シート面内におけるカーボンナノチューブの面密度は、カーボンナノチューブ束12のサイズによっても変化する。したがって、カーボンナノチューブ束12の間隔は、シートに要求される熱伝導度に応じて、カーボンナノチューブ束12のサイズをも考慮して、適宜設定する必要がある。
The necessary gap between the carbon nanotube bundles 12 varies depending on the viscosity or the like of the filler used as the
各カーボンナノチューブ束12の平面形状は、図1(a)に示す円形に限定されるものではない。カーボンナノチューブ束12の平面形状としては、円形のほか、例えば、三角形、四角形、六角形等の多角形等を用いてもよい。
The planar shape of each
また、複数のカーボンナノチューブ束12の配置も、図1(a)に示すような円形の細密充填型配列に限定されるものではない。例えば、図2(a)及び図2(b)に示すように、カーボンナノチューブ束12を、正方格子の各格子点に位置するように、それぞれ配置してもよい。また、図2(c)に示すように、三角形の平面形状を有するカーボンナノチューブ束12を、上下の向きを変えて一行ごとに並べるようにしてもよい。また、図2(d)に示すように、カーボンナノチューブ束12をストライプ状のパターンとしてもよい。また、図2(e)に示すように、カーボンナノチューブ束12を櫛歯型のパターンとしてもよい。
Further, the arrangement of the plurality of carbon nanotube bundles 12 is not limited to a circular close-packed arrangement as shown in FIG. For example, as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), the carbon nanotube bundles 12 may be arranged so as to be positioned at each lattice point of a square lattice. In addition, as shown in FIG. 2C, the carbon nanotube bundles 12 having a triangular planar shape may be arranged for each line by changing the vertical direction. Further, as shown in FIG. 2D, the
グラファイト層14は、シートの面に平行な層状構造のグラファイトからなり、カーボンナノチューブ束12の側面に接続するように形成されている。グラファイト層14の厚さは、例えば数nm〜数百nm程度である。
The
充填層16の構成材料としては、カーボンナノチューブの埋め込みの際に液体状の性質を示し、その後に硬化できるものであれば特に限定されるものではない。例えば、有機系充填材としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂などを適用することができる。また、無機系充填材としては、SOG(Spin On Glass)などの塗布型絶縁膜形成用組成物などを適用することができる。また、インジウム、はんだ、金属ペースト(例えば、銀ペースト)などの金属材料を適用することもできる。また、例えばポリアニリン、ポリチオフェンなどの導電性ポリマを適用することもできる。
The constituent material of the
また、充填層16には、必要に応じて、添加物を分散混合してもよい。添加物としては、例えば熱伝導性の高い物質や導電性の高い物質が考えられる。充填層16部分に熱伝導性の高い添加物を分散混合することにより、充填層16部分の熱伝導率を向上することができ、カーボンナノチューブシート全体としての熱伝導率を向上することができる。また、カーボンナノチューブシートを導電性シートとして用いる場合にあっては、充填層16部分に電導性の高い添加物を分散混合することにより、充填層16部分の導電率を向上することができ、カーボンナノチューブシート全体としての導電率を向上することができる。充填層16として例えば有機系充填材などの熱伝導性の低い絶縁材料を用いる場合には、特に有効である。熱伝導性の高い材料としては、カーボンナノチューブ、金属材料、窒化アルミニウム、シリカ、アルミナ、グラファイト、フラーレン等を適用することができる。電導性の高い材料としては、カーボンナノチューブ、金属材料等を適用することができる。
Moreover, you may disperse and mix an additive with the filled
このように、本実施形態によるカーボンナノチューブシート10は、シートの面に垂直な方向に配向したカーボンナノチューブ束12と、シートの面に平行な層状構造のグラファイトからなるグラファイト層14とを有している。カーボンナノチューブは、配向方向に沿った熱伝導率が1500(W/m・K)程度と、非常に高い熱伝導率を有している。また、グラファイトは、カーボンナノチューブほどの熱伝導率は有していないものの、層面に平行(a軸)な方向の熱伝導率が500(W/m・K)程度と、こちらも非常に高い熱伝導率を有している。
As described above, the
したがって、本実施形態のようにカーボンナノチューブ束12とグラファイト層14とを組み合わせてカーボンナノチューブシート10を構成することにより、シートの面に垂直な方向への熱伝導性を主としてカーボンナノチューブ(カーボンナノチューブ束12)により確保し、シートの面に平行な方向への熱伝導性を主としてグラファイト(グラファイト層14)により確保することができる。
Therefore, the
グラファイトは、樹脂材料(熱伝導率:1(W/m・K)程度)と比較して500倍以上の熱伝導率を有している。したがって、グラファイト層14を設けることにより、グラファイト層14を形成しない場合と比較して、シートの面に平行な方向への放熱性を500倍以上と大幅に改善することができる。
Graphite has a thermal conductivity of 500 times or more compared to a resin material (thermal conductivity: about 1 (W / m · K)). Therefore, by providing the
また、本実施形態によるカーボンナノチューブシート10は、カーボンナノチューブ束12の上端及び下端が充填層16によって覆われていない。これにより、カーボンナノチューブシート10を放熱体又は発熱体と接触したとき、カーボンナノチューブ束12が放熱体又は発熱体に対して直に接するため、熱伝導効率を大幅に高めることができる。
In the
カーボンナノチューブ及びグラファイトは高い導電性をも併有しているため、カーボンナノチューブ束12の上端及び下端が露出していることにより、カーボンナノチューブ束12を、シートを貫く配線体として用いることもできる。また、グラファイト層14を、シートの面に平行な方向の配線体として用いることもができる。すなわち、本実施形態によるカーボンナノチューブシート10は、熱伝導シートとしてのみならず、配線シートとしても利用可能である。
Since the carbon nanotube and the graphite have both high conductivity, the
カーボンナノチューブ束12の高さと充填層16の厚さ(いずれもシートの厚さ方向の長さ)との関係は、図3(a)に示すように同じであってもよいし、図3(b)に示すようにカーボンナノチューブ束12の一端部が充填層16の表面よりも窪んでいてもよいし、図3(c)に示すようにカーボンナノチューブ束12の一端部が充填層16の表面よりも突出していてもよい。これら形状は、充填層16の材料や製造条件を変えることによって作り分けることができる(後述の製造方法を参照)。
The relationship between the height of the
図3(b)の形状は、カーボンナノチューブシート10を放熱体と発熱体との間に配置して圧着したときに、カーボンナノチューブ束12に加わる応力を充填層16によって緩和することが期待できる。一方、図3(c)の形状では、放熱体及び発熱体に対するカーボンナノチューブ束12の密着性を向上し、熱伝導度を向上することが期待できる。カーボンナノチューブ束12の高さと充填層16の厚さとの関係は、カーボンナノチューブシート10の使用目的やシートに加わる応力等に応じて適宜設定することが望ましい。
The shape of FIG. 3B can be expected to relieve the stress applied to the
次に、本実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法について図4及び図5を用いて説明する。 Next, the method for manufacturing the carbon nanotube sheet according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.
まず、カーボンナノチューブシート10を形成するための土台として用いる基板30を用意する。基板30としては、シリコン基板などの半導体基板や、アルミナ(サファイア)基板、MgO基板、ガラス基板などの絶縁性基板を用いることができる。また、これら基板上に薄膜が形成されたものでもよい。例えば、シリコン基板上に膜厚300nm程度のシリコン酸化膜が形成されたものを用いることができる。
First, a
基板30は、カーボンナノチューブシート10の形成後に剥離されるものである。この目的のもと、基板30としては、少なくともカーボンナノチューブシート10に接する面が、カーボンナノチューブシート10から容易に剥離できる材料によって構成されていること、又はカーボンナノチューブシート10に対して選択的にエッチングできる材料によって構成されていることが望ましい。
The
例えば、充填層16の材料としてアクリル樹脂を用いる場合、基板30の表面に、アクリル樹脂に対する接着力の弱い材料、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などを形成しておくことにより、カーボンナノチューブシート10を容易に剥離することができる。或いは、基板30の表面を、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜など、カーボンナノチューブシート10に対して選択的にエッチングが可能な材料により構成することにより、この膜をエッチング除去することにより、カーボンナノチューブシート10を基板30から遊離させることができる。
For example, when an acrylic resin is used as the material of the
次いで、基板30上に、例えばスパッタ法により、膜厚が0.3〜10nm程度、例えば2.5nmのFe(鉄)膜を形成し、Feよりなる触媒金属膜32aを形成する(図4(a))。触媒金属膜32aは、電子ビーム蒸着法、MBE法などにより形成してもよい。
Next, an Fe (iron) film having a film thickness of about 0.3 to 10 nm, for example, 2.5 nm is formed on the
触媒金属としては、Feのほか、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、Au(金)、Ag(銀)、Pt(白金)又はこれらのうち少なくとも一の材料を含む合金を用いてもよい。また、触媒として、金属膜以外に、微分型静電分級器(DMA:differential mobility analyzer)等を用い、予めサイズを制御して作製した金属微粒子を用いてもよい。この場合も、金属種については薄膜の場合と同様でよい。 As the catalyst metal, in addition to Fe, Co (cobalt), Ni (nickel), Au (gold), Ag (silver), Pt (platinum), or an alloy containing at least one of these materials may be used. In addition to the metal film, metal fine particles prepared by controlling the size in advance using a differential mobility analyzer (DMA) or the like may be used as the catalyst. In this case, the metal species may be the same as in the case of the thin film.
また、これら触媒金属の下地膜として、Mo(モリブデン)、Ti(チタン)、Hf(ハフニウム)、Zr(ジルコニウム)、Nb(ニオブ)、V(バナジウム)、TaN(窒化タンタル)、TiSix(チタンシリサイド)、Al(アルミニウム)、Al2O3(酸化アルミニウム)、TiOx(酸化チタン)、Ta(タンタル)、W(タングステン)、Cu(銅)、Au(金)、Pt(白金)、Pd(パラジウム)、TiN(窒化チタン)などよりなる膜又はこれらのうち少なくとも一の材料を含む合金からなる膜を形成してもよい。例えば、Fe(2.5nm)/Al(10nm)の積層構造、Co(2.6nm)/TiN(5nm)の積層構造等を適用することができる。金属微粒子を用いる場合は、例えば、Co(平均直径:3.8nm)/TiN(5nm)などの積層構造を適用することができる。 In addition, as a base film of these catalyst metals, Mo (molybdenum), Ti (titanium), Hf (hafnium), Zr (zirconium), Nb (niobium), V (vanadium), TaN (tantalum nitride), TiSi x (titanium) Silicide), Al (aluminum), Al 2 O 3 (aluminum oxide), TiO x (titanium oxide), Ta (tantalum), W (tungsten), Cu (copper), Au (gold), Pt (platinum), Pd A film made of (palladium), TiN (titanium nitride), or the like, or a film made of an alloy containing at least one of these materials may be formed. For example, a stacked structure of Fe (2.5 nm) / Al (10 nm), a stacked structure of Co (2.6 nm) / TiN (5 nm), and the like can be applied. When metal fine particles are used, for example, a laminated structure such as Co (average diameter: 3.8 nm) / TiN (5 nm) can be applied.
次いで、触媒金属膜32a上に、スピンコート法により、フォトレジスト膜34を形成する。
Next, a
次いで、フォトレジスト膜34に、フォトリソグラフィにより、カーボンナノチューブ束12の形成予定領域を覆い、グラファイト層14の形成予定領域を露出する開口部36を形成する。開口部36のパターンとしては、例えば図1(a)に示すパターンを用い、開口部36の直径(カーボンナノチューブ束12の形成領域の直径)を100μm、開口部36間(カーボンナノチューブ束12間)の間隙を20μmとする。なお、フォトレジスト膜34に形成する開口部36のパターンとしては、例えば図1(a)に示すパターンのほか、図3(a)〜(e)に示すような種々のパターンを適用することができる。
Next, an
次いで、例えばスパッタ法により、膜厚10〜200nm程度、例えば膜厚97.5nmのFe(鉄)膜を形成し、Feよりなる触媒金属膜32bを形成する。触媒金属膜32bは、フォトレジスト膜34上及び開口部36内の触媒金属膜32a上に形成される(図4(b))。触媒金属膜32bの構成材料には、触媒金属膜32aと同じ触媒金属材料を用いる。触媒金属膜32bは、電子ビーム蒸着法、MBE法などにより形成してもよい。
Next, an Fe (iron) film having a thickness of about 10 to 200 nm, for example, 97.5 nm, is formed by sputtering, for example, and a
次いで、フォトレジスト膜34上の触媒金属膜32bを、フォトレジスト膜34とともにリフトオフし、グラファイト層14の形成予定領域の触媒金属膜32b上に、触媒金属膜32bを選択的に残存させる。これにより、カーボンナノチューブ束12の形成予定領域には、膜厚2.5nmのFe膜よりなる触媒金属膜32aが形成され、グラファイト層14の形成予定領域には、膜厚100nmのFe膜よりなる触媒金属膜32a,32bが形成される(図4(c))。
Next, the
次いで、基板30上に、例えばホットフィラメントCVD法により、触媒金属膜32a,32bを触媒として、カーボンナノチューブ束12の形成予定領域上にカーボンナノチューブを、グラファイト層14の形成予定領域上にグラファイトを、それぞれ成長する。
Next, on the
この際、触媒金属膜32a,32bの膜厚と成長条件とを適宜設定することにより、カーボンナノチューブとグラファイトとを同時に成長することができる。
At this time, the carbon nanotubes and the graphite can be grown at the same time by appropriately setting the film thickness and growth conditions of the
触媒金属膜が薄い領域(カーボンナノチューブ束の形成予定領域)では、成長の際の温度によって触媒金属が凝集して微粒子化する。これにより、触媒金属微粒子を核として成長が進行し、カーボンナノチューブが形成される。一方、触媒金属膜が厚い領域(グラファイト層14の形成予定領域)では、成長の際の温度では触媒金属が凝集せずに膜状のままである。これにより、触媒金属膜を核として平坦に成長が進行し、グラファイトが形成される。
In an area where the catalytic metal film is thin (area where carbon nanotube bundles are to be formed), the catalytic metal aggregates into fine particles due to the temperature during growth. Thereby, the growth proceeds with the catalytic metal fine particles as nuclei, and carbon nanotubes are formed. On the other hand, in the region where the catalyst metal film is thick (the region where the
そこで、カーボンナノチューブ束の形成予定領域には、成長の際の温度によって触媒金属が凝集して微粒子化する膜厚の触媒金属膜を形成し、グラファイト層の形成予定領域には、成長の際の温度では触媒金属が凝集しない膜厚の触媒金属膜を形成する。 Therefore, a catalyst metal film having a film thickness is formed in the carbon nanotube bundle formation region where the catalyst metal aggregates and becomes fine particles depending on the growth temperature, and the graphite layer formation region is formed in the growth region. A catalyst metal film having a film thickness at which the catalyst metal does not aggregate at the temperature is formed.
カーボンナノチューブ束12の形成予定領域に膜厚2.5nmのFe膜よりなる触媒金属膜32aを形成し、グラファイト層14の形成予定領域に膜厚100nmのFe膜よりなる触媒金属膜32a,32bを形成した上記の例では、例えば、原料ガスとしてアセチレン・アルゴンの混合ガス(分圧比1:9)を用い、成膜室内の総ガス圧を1kPa、温度を620℃、成長時間を30分とすることにより、カーボンナノチューブ束12の形成予定領域上には、層数が3〜6層(平均4層程度)、直径が4〜8nm(平均6nm)、長さが100μm、密度が1×1011本/cm2程度の多層カーボンナノチューブを成長し、グラファイト層14の形成予定領域上に、膜厚13nmのグラファイトを成長することができた。
A
上記成長条件を用いた場合において、触媒金属膜としてのFe膜の膜厚と成長物との関係を調べたところ、以下のような結果となった。触媒金属膜の膜厚が10nm未満の場合には、カーボンナノチューブが成長した。触媒金属膜の膜厚が10nm以上、20nm未満では、カーボンナノチューブ及びグラファイトの双方が成長した。触媒金属膜の膜厚が20nm〜200nmでは、グラファイトが成長した。 In the case of using the above growth conditions, the relationship between the thickness of the Fe film as the catalyst metal film and the growth was examined, and the following results were obtained. When the thickness of the catalytic metal film was less than 10 nm, carbon nanotubes grew. When the thickness of the catalytic metal film was 10 nm or more and less than 20 nm, both carbon nanotubes and graphite grew. When the thickness of the catalytic metal film was 20 nm to 200 nm, graphite grew.
なお、触媒金属の微粒子化は、成長温度が高いほどに生じやすくなる。また、微粒子化する条件は、触媒金属の種類によっても異なる。したがって、触媒金属膜の膜厚は、触媒金属の種類や成長温度等に応じて適宜調整することが望ましい。 Note that the catalyst metal atomization tends to occur as the growth temperature increases. Moreover, the conditions for forming fine particles vary depending on the type of catalyst metal. Therefore, it is desirable that the film thickness of the catalyst metal film is appropriately adjusted according to the type of catalyst metal, the growth temperature, and the like.
カーボンナノチューブ及びグラファイトは、熱CVD法やリモートプラズマCVD法などの他の成膜方法により形成してもよい。また、成長するカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブでもよい。また、炭素原料としては、アセチレンのほか、メタン、エチレン等の炭化水素類や、エタノール、メタノール等のアルコール類などを用いてもよい。 Carbon nanotubes and graphite may be formed by other film forming methods such as a thermal CVD method and a remote plasma CVD method. The growing carbon nanotube may be a single-walled carbon nanotube. Moreover, as a carbon raw material, you may use hydrocarbons, such as methane and ethylene other than acetylene, alcohols, such as ethanol and methanol.
こうして、基板30上に、基板30の法線方向に配向(垂直配向)した複数のカーボンナノチューブを有するカーボンナノチューブ束12と、シートの面に平行な層状構造のグラファイトからなるグラファイト層14とを形成する(図5(a))。
Thus, the
次いで、例えばスピンコート法により、充填層16となる充填材を塗布する。この際、充填材がカーボンナノチューブ束12上を覆わないように、塗布溶液の粘度やスピンコータの回転数を適宜設定する。
Next, a filler to be the filling
例えば、充填材としてアクリル樹脂を用いる場合において、カーボンナノチューブ束12の高さと充填層16の厚さとをほぼ等しくするときには、例えば、粘度が440mPa・sのアクリル樹脂を、2000rpm、20秒間の条件で塗布することにより実現することができる。
For example, in the case where an acrylic resin is used as a filler, when the height of the
また、カーボンナノチューブ束12の高さよりも充填層16を薄くするときには、例えば、粘度が440mPa・sのアクリル樹脂を、4000rpm、20秒間の条件で塗布することにより実現することができる。或いは、MEK(メチルエチルケトン)溶液で80w%に希釈したアクリル樹脂を、2000rpm、20秒間の条件で塗布することにより実現することができる。
Moreover, when making the
カーボンナノチューブ束12上を覆うように充填材を形成後、アッシング等によってカーボンナノチューブ束12の上面を露出するようにしてもよい。
After forming the filler so as to cover the
また、充填材を塗布する前にカーボンナノチューブ束12及びグラファイト層14上に金属薄膜を堆積してもよい。金属薄膜としては、例えば膜厚300nmの金(Au)を堆積する。金属薄膜をカーボンナノチューブ束上に堆積することにより、カーボンナノチューブ間の熱抵抗や電気抵抗を低減し、カーボンナノチューブシートの放熱性を更に向上させることが可能となる。
Further, a metal thin film may be deposited on the
充填材は、液体状の性質を示し、その後に硬化できるものであれば、特に限定されるものではない。例えば、有機系充填材としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂などを適用することができる。また、無機系充填材としては、SOGなどの塗布型絶縁膜形成用組成物などを適用することができる。また、インジウム、はんだ、金属ペースト(例えば、銀ペースト)などの金属材料を適用することもできる。また、例えばポリアニリン、ポリチオフェンなどの導電性ポリマを適用することもできる。 The filler is not particularly limited as long as it shows liquid properties and can be cured thereafter. For example, an acrylic resin, an epoxy resin, a silicone resin, a polyimide resin, or the like can be applied as the organic filler. Further, as the inorganic filler, a coating type insulating film forming composition such as SOG can be applied. A metal material such as indium, solder, or a metal paste (eg, silver paste) can also be used. In addition, conductive polymers such as polyaniline and polythiophene can also be applied.
充填層16を形成する際、基板30上には複数のカーボンナノチューブ束12が間隔を開けて形成されているため、塗布した充填材は、まず、この間隙に沿って基板30の全面に広がる。そしてその後に、充填材は、カーボンナノチューブ束12内及びグラファイト層14内に浸透していく。
When the
カーボンナノチューブが基板上の全面に形成されていると、カーボンナノチューブ束内に充填材が浸透する際、1本1本のカーボンナノチューブ同士の凝集が起こり、カーボンナノチューブ束が元々保持していた配向性を失い、例えば横に倒れるなどの形状変化を起こそうとする。 When carbon nanotubes are formed on the entire surface of the substrate, when the filler penetrates into the carbon nanotube bundle, the individual carbon nanotubes aggregate together, and the orientation that the carbon nanotube bundle originally held For example, trying to cause a shape change such as falling sideways.
しかしながら、本実施形態のようにカーボンナノチューブ束12間に間隙を設けておくことにより、充填材は、基板30の全面に広がった後に、カーボンナノチューブ束12内へ浸透していく。このため、カーボンナノチューブ束12間に先んじて充填された充填材が、カーボンナノチューブ束内に充填材が浸透する際にカーボンナノチューブの形状を保持するためのサポータとしての役割を果たし、カーボンナノチューブ束12の形状変化を抑制することができる。これにより、カーボンナノチューブ束12の配向方向を維持したままで、充填層16を形成することができる。
However, by providing a gap between the carbon nanotube bundles 12 as in the present embodiment, the filler spreads over the entire surface of the
カーボンナノチューブ束12間に必要な間隙は、充填材の種類や粘度等によっても変わるため一概に決定することはできないが、本発明者等が検討したところでは、0.1μm以上の間隔を開けることにより、カーボンナノチューブ束の形状変化を防止できることが確認されている。 The necessary gap between the carbon nanotube bundles 12 varies depending on the type and viscosity of the filler, and thus cannot be determined in general. However, according to the study by the present inventors, an interval of 0.1 μm or more should be provided. Thus, it has been confirmed that the shape change of the carbon nanotube bundle can be prevented.
なお、樹脂層16は、充填材の溶液中に基板30を浸漬することにより形成してもよい(いわゆるディップ法)。この場合にも、カーボンナノチューブ束12間に設けた間隙により、カーボンナノチューブ束の形状変化を防止できることができる。
The
次いで、充填材を硬化し、充填材よりなる充填層16を形成する(図5(b))。例えば、充填材としてアクリル樹脂等の光硬化性の材料を用いる場合には、光照射によって充填材を硬化させることができる。また、充填材としてエポキシ樹脂やシリコーン系樹脂などの熱硬化性の材料を用いる場合には、熱処理によって充填材を硬化させることができる。エポキシ樹脂の場合、例えば150℃、1時間の熱処理により、熱硬化することができる。また、シリコーン系樹脂の場合、例えば200℃、1時間の熱処理により、熱硬化することができる。
Next, the filler is cured to form the
なお、充填層16の硬化後に、カーボンナノチューブ束12の上端部が充分に露出していない又は充填層16によって覆われている場合には、化学的機械的研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)、酸素プラズマアッシング、アルゴンイオンミリング等によって、カーボンナノチューブ束12の上の充填層16を除去するようにしてもよい。
If the upper end portion of the
次いで、カーボンナノチューブ束12、グラファイト層14及び樹脂層16を基板30から剥離し、カーボンナノチューブシート10を得る(図5(c))。
Next, the
この際、基板30の表面がカーボンナノチューブシート10を容易に剥離できる材料によって構成されている場合、例えば、基板30の表面にシリコン酸化膜やシリコン窒化膜が形成されており、充填層16がアクリル樹脂により形成されている場合などには、カーボンナノチューブシート10から基板30を容易に剥離することができる。
At this time, when the surface of the
或いは、基板30の表面に、カーボンナノチューブシート10を容易に剥離することはできないが、カーボンナノチューブシート10に対して選択的にエッチングできる層が形成されている場合、例えば基板30の表面にシリコン酸化膜やシリコン窒化膜が形成されており、充填層16がエポキシ樹脂により形成されている場合などには、このシリコン酸化膜やシリコン窒化膜を、弗酸水溶液や熱リン酸などを用いたウェットエッチングにより除去することにより、カーボンナノチューブシート10を基板30から遊離させることができる。
Alternatively, when the
基板30の表面が、カーボンナノチューブシート10を容易に剥離することができず、選択的に除去することもできない材料により形成されている場合、例えば基板30がサファイア基板であり、充填層16がシリコーン系樹脂により形成されている場合には、基板30とカーボンナノチューブシート10との間に鋭利な刃物を入れることにより、カーボンナノチューブシート10を基板30から剥離することができる。
When the surface of the
剥離前、カーボンナノチューブ束12及びグラファイト層14は基板30に直に接しているため、剥離したカーボンナノチューブシート10の基板30側の面には、カーボンナノチューブ束12及びグラファイト層14が露出している。したがって、上述の製造方法により形成したカーボンナノチューブシート10では、カーボンナノチューブ束12をシートの両面に露出させることができ、グラファイト層14を片面に露出させることができる。カーボンナノチューブ束12又はグラファイト層14が露出した部位には、Inなどの金属、はんだ、AuSnなどのめっき、金属ペースト等を介した接続を行うことも可能である。
Since the
従来用いられてきたインジウムシートの熱抵抗は0.21(℃/W)であるのに対し、上記と同様の工程で作製したカーボンナノチューブのみから構成されたカーボンナノチューブシートの熱抵抗は0.13(℃/W)であった。熱伝導率の差が熱抵抗の違いに反映されていることから、カーボンナノチューブに加え面平行方向に放熱可能なグラファイト層が追加された本実施形態のカーボンナノチューブでは、さらに熱抵抗が低減されることは明らかである。 The thermal resistance of an indium sheet conventionally used is 0.21 (° C./W), whereas the thermal resistance of a carbon nanotube sheet composed only of carbon nanotubes manufactured by the same process as described above is 0.13. (° C / W). Since the difference in thermal conductivity is reflected in the difference in thermal resistance, the thermal resistance is further reduced in the carbon nanotube of this embodiment in which a graphite layer capable of radiating heat in the plane parallel direction is added in addition to the carbon nanotube. It is clear.
このように、本実施形態によれば、基板上に互いに離間した複数のカーボンナノチューブ束を形成後、充填材を充填してカーボンナノチューブ束を保持する充填層を形成するので、充填層の際にカーボンナノチューブ束の形状変化を防止することができる。これにより、カーボンナノチューブ束がシートの膜厚方向に配向したカーボンナノチューブシートを容易に形成することができる。また、カーボンナノチューブ束の両端部は充填層から露出できるので、被着体に対する熱伝導度及び電気伝導度を向上することができる。 Thus, according to the present embodiment, after forming a plurality of carbon nanotube bundles spaced apart from each other on the substrate, a filling layer is formed by filling the filler and holding the carbon nanotube bundle. The shape change of the carbon nanotube bundle can be prevented. Thereby, it is possible to easily form a carbon nanotube sheet in which the carbon nanotube bundles are oriented in the film thickness direction of the sheet. Moreover, since both ends of the carbon nanotube bundle can be exposed from the filling layer, the thermal conductivity and electrical conductivity with respect to the adherend can be improved.
また、カーボンナノチューブ束の間隙には、カーボンナノチューブ束に接続してグラファイト層が形成されているので、シートの面に平行な方向への熱伝導度及び電気伝導度をも向上することができる。 In addition, since the graphite layer is formed in the gap between the carbon nanotube bundles so as to be connected to the carbon nanotube bundle, the thermal conductivity and the electric conductivity in the direction parallel to the surface of the sheet can be improved.
また、カーボンナノチューブ束とグラファイト層とは同時に形成できるので、製造工程を大幅に変更することなくカーボンナノチューブシートを形成することができる。これにより、製造コストの増加を防止することができる。 Further, since the carbon nanotube bundle and the graphite layer can be formed at the same time, the carbon nanotube sheet can be formed without significantly changing the manufacturing process. Thereby, the increase in manufacturing cost can be prevented.
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態によるカーボンナノチューブシート及びその製造方法について図6乃至図9を用いて説明する。図1乃至図5に示す第1実施形態によるカーボンナノチューブシート及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
[Second Embodiment]
A carbon nanotube sheet and a method for manufacturing the same according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Components similar to those of the carbon nanotube sheet and the manufacturing method thereof according to the first embodiment shown in FIGS. 1 to 5 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified.
図6は本実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造を示す平面図及び概略断面図、図7は本実施形態の変形例によるカーボンナノチューブシートの構造を示す概略断面図、図8及び図9は本実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法を示す工程断面図である。 FIG. 6 is a plan view and a schematic cross-sectional view showing the structure of the carbon nanotube sheet according to the present embodiment, FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the carbon nanotube sheet according to a modification of the present embodiment, and FIGS. It is process sectional drawing which shows the manufacturing method of the carbon nanotube sheet by a form.
はじめに、本実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造について図6を用いて説明する。図6(a)及び図6(b)は、それぞれ、本実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造を示す平面図及び断面図である。 First, the structure of the carbon nanotube sheet according to the present embodiment will be explained with reference to FIG. FIGS. 6A and 6B are a plan view and a cross-sectional view showing the structure of the carbon nanotube sheet according to the present embodiment, respectively.
本実施形態によるカーボンナノチューブシート10は、互いに間隔を開けて配置された複数のカーボンナノチューブ束12を有している(図6(a)参照)。カーボンナノチューブ束12の間隙には、一端側がシートの表面に露出したカーボンナノチューブ層(炭素元素からなる線状構造体層)18と、カーボンナノチューブ層18上に形成されたグラファイト層20と、樹脂材料等よりなる充填層16とが埋め込まれている(図6(a),(b)参照)。グラファイト層20は、カーボンナノチューブ束12及びカーボンナノチューブ層20に対して、熱的に且つ電気的に接続されている。
The
なお、本願明細書では、カーボンナノチューブ束、カーボンナノチューブ層若しくはグラファイト層又はこれらの組み合わせからなる構造体を、炭素構造体と呼ぶこともある。 In the present specification, a structure composed of a carbon nanotube bundle, a carbon nanotube layer, a graphite layer, or a combination thereof may be referred to as a carbon structure.
カーボンナノチューブ束12は、シートの面に垂直な方向に延在するように形成されており、シートの面に垂直な方向に配向した複数のカーボンナノチューブを有している。
The
カーボンナノチューブ束12を構成するカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ及び多層カーボンナノチューブのいずれでもよい。カーボンナノチューブ束12に含まれるカーボンナノチューブの密度は、放熱性及び電気伝導性の観点から、1×1010本/cm2以上であることが望ましい。カーボンナノチューブ束12の長さ(シートの厚さ)は、カーボンナノチューブシート10の用途によって決まり、特に限定されるものではないが、好ましくは5μm〜500μm程度の値に設定することができる。
The carbon nanotubes constituting the
本実施形態によるカーボンナノチューブシート10では、グラファイト層20上のカーボンナノチューブ束12間に間隙が設けられ、この間隙に充填層16が形成されている。これは、カーボンナノチューブ間に充填層16を形成する際に、充填材の浸透性を高め、カーボンナノチューブが横に倒れるなどの形状変化を抑制し、カーボンナノチューブが元々保持していた配向性を保持するためである(第1実施形態を参照)。
In the
カーボンナノチューブ束12の形状や配置等については、第1実施形態の場合と同様である。
The shape, arrangement, and the like of the
カーボンナノチューブ層18は、シートの面に垂直な方向に延在するように形成されており、シートの面に垂直な方向に配向した複数のカーボンナノチューブを有している。
The
カーボンナノチューブ層18を構成するカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ及び多層カーボンナノチューブのいずれでもよい。カーボンナノチューブ層18に含まれるカーボンナノチューブの密度は、放熱性及び電気伝導性の観点から、1×1010本/cm2以上であることが望ましい。カーボンナノチューブ層18の長さは、カーボンナノチューブシート10の用途によって決まり、特に限定されるものではないが、好ましくは5μm〜500μm程度の値に設定することができる。
The carbon nanotubes constituting the
グラファイト層20は、シートの面に平行な層状構造のグラファイトからなり、カーボンナノチューブ束12の側面及びカーボンナノチューブ層18の上面に接続するように形成されている。グラファイト層20の厚さは、例えば数nm〜数十nm程度である。
The
充填層16の構成材料については、第1実施形態の場合と同様である。
About the constituent material of the
このように、本実施形態によるカーボンナノチューブシート10は、シートの面に垂直な方向に配向したカーボンナノチューブ束12及びカーボンナノチューブ層18と、シートの面に平行な層状構造のグラファイトからなるグラファイト層20とを有している。カーボンナノチューブは、配向方向に沿った熱伝導率が1500(W/m・K)程度と、非常に高い熱伝導率を有している。また、グラファイトは、カーボンナノチューブほどの熱伝導率は有していないものの、層面に平行(a軸)な方向の熱伝導率が500(W/m・K)程度と、こちらも非常に高い熱伝導率を有している。
As described above, the
したがって、本実施形態のようにカーボンナノチューブ束12、カーボンナノチューブ層18及びグラファイト層20を組み合わせてカーボンナノチューブシート10を構成することにより、シートの面に垂直な方向への熱伝導性を主としてカーボンナノチューブ(カーボンナノチューブ束12及びカーボンナノチューブ層18)により確保し、シートの面に平行な方向への熱伝導性を主としてグラファイト(グラファイト層20)により確保することができる。
Therefore, by forming the
グラファイトは、樹脂材料(熱伝導率:1(W/m・K)程度)と比較して500倍以上の熱伝導率を有している。したがって、グラファイト層20を設けることにより、グラファイト層20を形成しない場合と比較して、シートの面に平行な方向への放熱性を500倍以上と大幅に改善することができる。
Graphite has a thermal conductivity of 500 times or more compared to a resin material (thermal conductivity: about 1 (W / m · K)). Therefore, by providing the
本実施形態によるカーボンナノチューブシートが第1実施形態によるカーボンナノチューブシートと比較して優れている点は、グラファイト層20が、カーボンナノチューブシート下部に設置する放熱体とカーボンナノチューブ層18を介して間接的に接続していることである。すなわち、一度カーボンナノチューブ層18を介してグラファイト層20へ放熱を行う本実施形態のカーボンナノチューブシートは、放熱体とグラファイト層20が直接的に接続している第1実施形態によるカーボンナノチューブシートと比較して、特に放熱体とシートの接触面がシートの大きさと比較して同程度の場合、平行な方向への放熱性が優れている。
The carbon nanotube sheet according to the present embodiment is superior to the carbon nanotube sheet according to the first embodiment in that the
また、本実施形態によるカーボンナノチューブシート10は、カーボンナノチューブ束12の上端及び下端が充填層16によって覆われていない。これにより、カーボンナノチューブシート10を放熱体又は発熱体と接触したとき、カーボンナノチューブ束12が放熱体又は発熱体に対して直に接するため、熱伝導効率を大幅に高めることができる。
In the
カーボンナノチューブ及びグラファイトは高い導電性をも併有しているため、カーボンナノチューブ束12の上端及び下端が露出していることにより、カーボンナノチューブ束12を、シートを貫く配線体として用いることもできる。また、グラファイト層20を、シートの面に平行な方向の配線体として用いることもができる。すなわち、本実施形態によるカーボンナノチューブシート10は、熱伝導シートとしてのみならず、配線シートとしても利用可能である。
Since the carbon nanotube and the graphite have both high conductivity, the
カーボンナノチューブ束12の高さと充填層16の厚さ(いずれもシートの厚さ方向の長さ)との関係については、第1実施形態の場合と同様である。
The relationship between the height of the
カーボンナノチューブ束12間に形成するカーボンナノチューブ層18及びグラファイト層20は、例えば図7に示すように、繰り返し積層するようにしてもよい。図7の例ではカーボンナノチューブ層18とグラファイト層20との積層構造を2層積み重ねた構造としたが、3層以上積み重ねるようにしてもよい。
The
グラファイト層20を複数層設けることにより、グラファイト層20の実質的な膜厚が増加し、横方向への熱伝導性及び電気伝導性を向上することができる。
By providing a plurality of graphite layers 20, the substantial film thickness of the
次に、本実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法について図8及び図9を用いて説明する。 Next, the manufacturing method of the carbon nanotube sheet according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.
まず、カーボンナノチューブシート10を形成するための土台として用いる基板30を用意する。基板30としては、第1実施形態に記載の種々の基板を用いることができる。
First, a
次いで、基板30上に、カーボンナノチューブ束12の形成予定領域を露出するフォトレジスト膜(図示せず)を形成する。カーボンナノチューブ束12の形成予定領域の形状や配置は、第1実施形態の場合と同様である。カーボンナノチューブ束12の形成予定領域は、例えば直径が100μmの円形状とし、隣接する領域間の間隔を例えば100μmとする。
Next, a photoresist film (not shown) that exposes a region where the
次いで、例えばスパッタ法により、例えば膜厚2.5nmのFe膜を堆積し、Fe膜よりなる触媒金属膜32を形成する。触媒金属としては、第1実施形態の場合と同様の触媒金属材料を用いることができる。
Next, an Fe film having a thickness of, for example, 2.5 nm is deposited by, eg, sputtering, and a
次いで、フォトレジスト膜上の触媒金属膜32をフォトレジスト膜とともにリフトオフし、触媒金属膜32をカーボンナノチューブ束12の形成予定領域に選択的に残存させる。こうして、カーボンナノチューブ束12の形成予定領域に、例えば膜厚2.5nmのFe膜よりなる触媒金属膜32を形成する(図8(a))。
Next, the
次いで、基板30上に、例えばホットフィラメントCVD法により、触媒金属膜32を触媒として、カーボンナノチューブを成長する。カーボンナノチューブの成長条件は、例えば、原料ガスとしてアセチレン・アルゴンの混合ガス(分圧比1:9)を用い、成膜室内の総ガス圧を1kPa、温度を620℃、成長時間を30分とする。これにより、層数が3〜6層(平均4層程度)、直径が4〜8nm(平均6nm)、長さが100μmの多層カーボンナノチューブを成長することができる。なお、カーボンナノチューブは、熱CVD法やリモートプラズマCVD法などの他の成膜方法により形成してもよい。また、成長するカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブでもよい。また、炭素原料としては、アセチレンのほか、メタン、エチレン等の炭化水素類や、エタノール、メタノール等のアルコール類などを用いてもよい。
Next, carbon nanotubes are grown on the
こうして、基板30の触媒金属膜32が形成された領域上に、基板30の法線方向に配向(垂直配向)した複数のカーボンナノチューブを有するカーボンナノチューブ束12を選択的に形成する(図8(b))。なお、上記の成長条件で形成したカーボンナノチューブ束12では、カーボンナノチューブ束12内のカーボンナノチューブ密度は、1×1011本/cm2程度であった。
Thus, the
次いで、カーボンナノチューブ束12が形成された基板30上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚5nmのTiN膜と、例えば膜厚2.6nmのCo膜とを順次堆積し、Co/TiNの積層構造よりなる触媒金属膜38を形成する(図8(c))。この際、カーボンナノチューブ束12の上端は連続した平面を構成していないため、触媒金属膜38はカーボンナノチューブ束12上には膜としては形成されない。なお、触媒金属膜38の下地膜としては、TiNのほか、Tiを含有する他の材料、例えばTi(チタン)やTiO2(酸化チタン)等を用いることができる。
Next, a TiN film having a thickness of, for example, 5 nm and a Co film having a thickness of, for example, 2.6 nm are sequentially deposited on the
次いで、基板30上に、例えば熱CVD法により、触媒金属膜38を触媒として、上面がグラファイト層20により覆われたカーボンナノチューブ層18を形成する(図9(a))。
Next, the
上面がグラファイト層20により覆われたカーボンナノチューブ層18は、アセチレン、メタン、エチレン等の炭化水素類の原料ガスを用い、450℃〜510℃程度の比較的低温で成長することにより、形成することができる。例えば、原料ガスとしてアセチレン・アルゴンの混合ガス(分圧比1:9)を用い、成膜室内の総ガス圧を1kPa、温度を450℃〜510℃、成長時間を30分とする。これにより、層数が3〜6層(平均4層程度)、直径が4〜8nm(平均6nm)、長さが20μmの多層カーボンナノチューブを有するカーボンナノチューブ層18を成長することができる。また、カーボンナノチューブ層18上には、厚さ18nmのグラファイト層20が形成される。
The
上面がグラファイト層20により覆われたカーボンナノチューブ層18は、触媒金属膜38の膜厚(Co膜の膜厚)と、成膜温度とを適宜制御することにより、形成することができる。
The
表1に、触媒金属膜38を構成するCo膜の膜厚及び成膜温度と、それにより形成される構造体との関係を調べた結果を示す。なお、触媒金属膜38を構成するTiN膜の膜厚は、5nm一定とした。
Table 1 shows the results of investigating the relationship between the film thickness and deposition temperature of the Co film constituting the
表1に示すように、Co膜の膜厚を2.1nm〜3.6nmの範囲に、成膜温度を450℃〜510℃の範囲に、それぞれ設定することにより、上面がグラファイト層により覆われたカーボンナノチューブ層を形成することができた。本願発明者等がより具体的に検討を行ったところ、Co膜の膜厚を2.0nm〜7.0nmとし、350℃〜560℃の成膜温度で成長を行うことにより、上面がグラファイト層により覆われたカーボンナノチューブ層を形成できることが判った。 As shown in Table 1, the upper surface is covered with the graphite layer by setting the film thickness of the Co film in the range of 2.1 nm to 3.6 nm and the film formation temperature in the range of 450 ° C. to 510 ° C. A carbon nanotube layer could be formed. When the inventors of the present application examined in more detail, the Co film thickness was set to 2.0 nm to 7.0 nm, and growth was performed at a film formation temperature of 350 ° C. to 560 ° C., so that the upper surface was a graphite layer. It was found that a carbon nanotube layer covered with can be formed.
また、形成されるグラファイト層の厚さも、Co膜の膜厚及び成膜温度により制御することができ、510℃の温度の場合、Co膜の膜厚が2.1nmのときに膜厚4nmのグラファイト層を形成することができ、Co膜の膜厚が2.6nmのときに膜厚18nmのグラファイト層を形成することができ、Co膜の膜厚が3.6nmのときに膜厚30nmのグラファイト層を形成することができた。また、成膜温度が450℃、Co膜の膜厚が3.6nmのときに、膜厚が20nmのグラファイト層を形成することができた。 In addition, the thickness of the formed graphite layer can also be controlled by the thickness of the Co film and the film forming temperature. A graphite layer can be formed, a graphite layer having a thickness of 18 nm can be formed when the thickness of the Co film is 2.6 nm, and a thickness of 30 nm can be formed when the thickness of the Co film is 3.6 nm. A graphite layer could be formed. Further, when the film forming temperature was 450 ° C. and the Co film thickness was 3.6 nm, a graphite layer having a thickness of 20 nm could be formed.
上面がグラファイト層20により覆われたカーボンナノチューブ層18が形成されるメカニズムは明らかではないが、本願発明者等は以下のように推察している。
Although the mechanism by which the
本実施形態において、カーボンナノチューブ層18の成長は、カーボンナノチューブ束12の成長の場合よりも低温で行っている。このため、成長初期過程では、触媒金属膜38のCo膜が十分に凝集しておらず、触媒金属膜38上に均一にグラファイトが成長されるものと考えられる。この後、Co膜の凝集とともにカーボンナノチューブの成長が開始され、結果、上面がグラファイト層20により覆われたカーボンナノチューブ層18が形成されるものと考えられる。
In the present embodiment, the growth of the
上面がグラファイト層20により覆われたカーボンナノチューブ層18を形成する際、グラファイト層20は、成長初期の1秒程度の間に形成される。カーボンナノチューブ層18の厚さ(カーボンナノチューブの長さ)は、成長時間によって任意に制御することができる。
When the
次いで、図7に示す構造のカーボンナノチューブシートを形成する場合にあっては、上述の図8(c)〜図9(a)に示す工程を必要なだけ繰り返し行い、カーボンナノチューブ層18とグラファイト層20との積層体を所定の層数積み重ねる。
Next, when the carbon nanotube sheet having the structure shown in FIG. 7 is formed, the steps shown in FIGS. 8C to 9A are repeated as many times as necessary, and the
グラファイト層20の上面は、カーボンナノチューブ束12上とは異なり、面状に形成されているため、その上に触媒金属膜38を堆積することができる。これにより、カーボンナノチューブ層18及びグラファイト層20の繰り返し成長が可能である。
Unlike the
次いで、第1実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法と同様にして、カーボンナノチューブ束12間の領域、カーボンナノチューブ間、グラファイト層内に埋め込まれた充填層16を形成する(図9(b))。
Next, in the same manner as in the method of manufacturing the carbon nanotube sheet according to the first embodiment, the region between the carbon nanotube bundles 12, the space between the carbon nanotubes, and the
次いで、第1実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法と同様にして、カーボンナノチューブ束12、カーボンナノチューブ層18、グラファイト層20及び樹脂層16を基板30から剥離し、カーボンナノチューブシート10を得る(図9(c))。
Next, in the same manner as in the method of manufacturing the carbon nanotube sheet according to the first embodiment, the
このように、本実施形態によれば、基板上に互いに離間した複数のカーボンナノチューブ束を形成後、充填材を充填してカーボンナノチューブ束を保持する充填層を形成するので、充填層の際にカーボンナノチューブ束の形状変化を防止することができる。これにより、カーボンナノチューブ束がシートの膜厚方向に配向したカーボンナノチューブシートを容易に形成することができる。また、カーボンナノチューブ束の両端部は充填層から露出できるので、被着体に対する熱伝導度及び電気伝導度を向上することができる。 Thus, according to the present embodiment, after forming a plurality of carbon nanotube bundles spaced apart from each other on the substrate, a filling layer is formed by filling the filler and holding the carbon nanotube bundle. The shape change of the carbon nanotube bundle can be prevented. Thereby, it is possible to easily form a carbon nanotube sheet in which the carbon nanotube bundles are oriented in the film thickness direction of the sheet. Moreover, since both ends of the carbon nanotube bundle can be exposed from the filling layer, the thermal conductivity and electrical conductivity with respect to the adherend can be improved.
また、カーボンナノチューブ束の間隙には、カーボンナノチューブ束に接続して、カーボンナノチューブ層とグラファイト層との積層体が形成されているので、シートの面に平行な方向への熱伝導度及び電気伝導度をも向上することができる。 In addition, since a laminate of the carbon nanotube layer and the graphite layer is formed in the gap between the carbon nanotube bundles so as to be connected to the carbon nanotube bundle, the thermal conductivity and the electric conductivity in the direction parallel to the surface of the sheet are formed. Can also be improved.
[第3実施形態]
本発明の第3実施形態による半導体装置及びその製造方法について図10乃至図13を用いて説明する。
[Third Embodiment]
A semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図10は本実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図、図11乃至図13は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the present embodiment, and FIGS. 11 to 13 are process cross-sectional views showing the method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment.
はじめに、本実施形態による半導体装置の構造について図10を用いて説明する。 First, the structure of the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG.
基板40上には、配線層42が形成されている。配線層42が形成された領域以外の基板40上の領域には、層間絶縁膜44が形成されている。配線層42の一端部上には、TiN膜52を介してカーボンナノチューブの束よりなるビア配線64が形成されている。ビア配線64上には、グラファイトよりなりビア配線64に接続された配線層66が形成されている。ビア配線64の形成領域を除く配線層66の形成領域の、配線層42上及び層間絶縁膜44上には、TiO2膜56が形成されている。ビア配線64及び配線層66の周囲には、層間絶縁膜68が形成されている。配線層66の一端部上には、TiN膜70を介してカーボンナノチューブの束よりなるビア配線72が形成されている。ビア配線72上には、グラファイトよりなりビア配線72に接続された配線層74が形成されている。ビア配線72の形成領域を除く配線層74の形成領域の、層間絶縁膜68上には、TiO2膜が形成されている。ビア配線72及び配線層74の周囲には、層間絶縁膜76が形成されている。
A
このように本実施形態による半導体装置は、下層配線層(例えば配線層42)と上層配線(例えば配線層66)とを接続するビア配線(例えばビア配線64)が、カーボンナノチューブ束により構成されている。また、カーボンナノチューブ束よりなるビア配線(例えばビア配線64)に接続される配線層(例えば配線層66)が、グラファイト層により構成されている。 As described above, in the semiconductor device according to the present embodiment, the via wiring (for example, the via wiring 64) that connects the lower wiring layer (for example, the wiring layer 42) and the upper layer wiring (for example, the wiring layer 66) is constituted by the carbon nanotube bundle. Yes. In addition, a wiring layer (for example, the wiring layer 66) connected to a via wiring (for example, the via wiring 64) made of carbon nanotube bundles is formed of a graphite layer.
配線層及びビア配線を、抵抗値の低いグラファイト及びカーボンナノチューブで形成することにより、配線抵抗を大幅に低減することができる。これにより、半導体装置の高速動作が可能となるとともに、消費電力を低減することができる。 By forming the wiring layer and the via wiring with graphite and carbon nanotubes having a low resistance value, the wiring resistance can be greatly reduced. As a result, the semiconductor device can be operated at high speed and the power consumption can be reduced.
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図11乃至図13を用いて説明する。 Next, the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.
基板40上に、配線層42と、層間絶縁膜44とが形成されているものとする(図11(a))。配線層42及び層間絶縁膜44は、通常の半導体装置の製造プロセスにより形成されたものである。基板40は、シリコン基板などの半導体基板そのもののみならず、トランジスタなどの素子や、1層又は2層以上の配線層が形成された半導体基板をも含むものである。配線層42の材料としては、例えば銅が挙げられる。この場合、ビア底には銅の拡散を防止するためのタンタルなどが堆積される。
It is assumed that a
この基板40上に、フォトリソグラフィにより、配線層42に上層配線層を接続するためのビア部の形成予定領域を露出し、他の領域を覆うフォトレジスト膜48を形成する。
On this
次いで、例えばスパッタ法により、膜厚1〜20nm程度、例えば5nmのTiN膜50と、膜厚2〜3nm程度、例えば2.1nmのCo膜52とを順次堆積し、Co/TiNの積層構造よりなる触媒金属膜を形成する(図11(b))。触媒金属膜は、電子ビーム蒸着法、CVD法、MBE法等により形成してもよい。
Next, a
なお、上述のようにリフトオフ法によって触媒金属膜を選択的に形成する代わりに、触媒金属膜を全面に形成した後、フォトリソグラフィ及びイオンミリングを用いてパターニングするようにしてもよい。パターニングの手法には他にEB(電子ビーム)露光法などがあるが、特に限定はない。 Note that instead of selectively forming the catalytic metal film by the lift-off method as described above, the catalytic metal film may be formed on the entire surface and then patterned using photolithography and ion milling. Other patterning methods include EB (electron beam) exposure, but there is no particular limitation.
次いで、フォトレジスト膜48上のTiN膜50及びCo膜52をフォトレジスト膜48とともにリフトオフし、ビア部の形成予定領域にCo膜52/TiN膜50の積層構造よりなる触媒金属膜を選択的に残存させる(図11(c))。
Next, the
次いで、フォトリソグラフィにより、配線層42に接続される上層配線層の形成予定領域であって、Co膜52/TiN膜50からなる触媒金属膜が形成されたビア部の形成予定領域を除く領域を露出し、他の領域を覆うフォトレジスト膜54を形成する。
Next, an area where the upper wiring layer connected to the
次いで、例えばスパッタ法により、膜厚1〜20nm程度、例えば5nmのTiO2膜56と、膜厚3〜7nm程度、例えば4.5nmのCo膜58とを順次堆積し、Co/TiO2の積層構造よりなる触媒金属膜を形成する(図12(a))。
Next, a TiO 2 film 56 having a thickness of about 1 to 20 nm, for example, 5 nm, and a
なお、ビア部形成予定領域を除く配線層形成予定領域に形成する触媒金属膜の下地膜として、ビア部形成予定領域に用いたTiN膜50とは異なるTiO2膜56を用いているのは、触媒金属膜の下地膜(TiN膜50、TiO2膜56)が配線層の形成後も残存するからである。すなわち、ビア部形成予定領域では、下地の配線層42との電気的接続を確保するために導電性のTiN膜50を用いる必要があるが、ビア部形成予定領域を除く配線層形成予定領域までTiN膜などの導電膜で形成すると、TiN膜50を介して他の配線層と短絡する虞があるからである。かかる観点から、ビア部形成予定領域を除く配線層形成予定領域には、TiO2膜などの絶縁性の下地膜を形成することが望ましい。配線層間の短絡が生じる虞がない場合には、ビア部形成予定領域と同様、導電性の下地膜を形成してもよい。
Note that the TiO 2 film 56 different from the
次いで、フォトレジスト膜54上のTiO2膜56及びCo膜58をフォトレジスト膜54とともにリフトオフし、ビア部形成予定領域を除く配線層形成予定領域にCo膜58/TiO2膜56の積層構造よりなる触媒金属膜を選択的に残存させる(図12(b))。
Next, the TiO 2 film 56 and the
次いで、例えば熱CVD法により、触媒金属膜を触媒として、カーボンナノチューブ及びグラファイトの成長を行う。この際の成長条件を、例えば、原料ガスをアセチレン・アルゴンの混合ガス(分圧比1:9)、成膜室内の総ガス圧を1kPa、温度を450℃とすることにより、Co膜52/TiN膜54の触媒金属膜が形成されたビア部形成予定領域には、カーボンナノチューブ束からなるビア配線64が形成され、Co膜58/TiO2膜56が形成された配線層形成予定領域には、TiO2膜56から離間して、ビア配線64上に延在するグラファイト層からなる配線層66が形成される(図12(c))。カーボンナノチューブ及びグラファイトは、ホットフィラメントCVD法やリモートプラズマCVD法等により形成してもよい。
Next, carbon nanotubes and graphite are grown by, for example, a thermal CVD method using the catalytic metal film as a catalyst. The growth conditions at this time are, for example, that the source gas is a mixed gas of acetylene and argon (partial pressure ratio 1: 9), the total gas pressure in the film forming chamber is 1 kPa, and the temperature is 450 ° C. In the via portion formation planned area in which the catalytic metal film of the
なお、Co膜52,58は、カーボンナノチューブ及びグラファイトの成長過程で微粒子化し、カーボンナノチューブ又はグラファイト内に取り込まれる。
The
Co膜52/TiN膜54からなる触媒金属膜上とCo膜58/TiO2膜56からなる触媒金属膜上とにおいて形成される構造体が異なるのは、Co膜の膜厚の違いによる成長レートの違いが影響しているためである。
The structures formed on the catalytic metal film made of the
上記成膜温度により膜厚2.1nm或いは膜厚4.5nmのCo膜を触媒として成長を行う条件は、第2実施形態において示したように、いずれの場合も、上面がグラファイト層により覆われたカーボンナノチューブが成長される条件である。しかしながら、膜厚4.5nmのCo膜が形成された領域におけるカーボンナノチューブの成長レートは、膜厚2.1nmのCo膜が形成された領域におけるカーボンナノチューブの成長レートよりも大幅に遅いため、グラファイト層よりなる配線層66が形成された後は、Co膜52/TiN膜54からなる触媒金属膜上におけるカーボンナノチューブの成長が支配的となる。この結果、Co膜52/TiN膜54からなる触媒金属膜上へのカーボンナノチューブの成長とともに、配線層形成予定領域の全体のグラファイト層が持ち上げられ、Co膜58/TiO2膜56からなる触媒金属膜上へのカーボンナノチューブの成長が行われなくなる。この結果、図12(c)に示すようなビア配線64及び配線層66が形成される。
As shown in the second embodiment, the conditions for performing growth using a Co film having a film thickness of 2.1 nm or 4.5 nm as a catalyst at the film formation temperature are as follows. This is a condition for growing carbon nanotubes. However, the growth rate of carbon nanotubes in the region where the Co film with a thickness of 4.5 nm is formed is significantly slower than the growth rate of carbon nanotubes in the region where the Co film with a thickness of 2.1 nm is formed. After the
表2は、Co膜厚及びカーボンナノチューブの成長条件を変化したときの形成されるカーボンナノチューブの長さを示したものである。 Table 2 shows the lengths of the carbon nanotubes formed when the Co film thickness and the carbon nanotube growth conditions are changed.
次いで、配線層66が形成された基板40上に、例えばスピンコート法やCVD法により、配線層66を覆う層間絶縁膜68を形成する(図13(a))。
Next, an
次いで、例えばCMP法により、配線層66の表面が露出するまで層間絶縁膜68の表面を研磨する(図13(b))。
Next, the surface of the
次いで、必要に応じて図11(b)乃至図13(a)に示す工程を繰り返し、配線層66の上層に、TiN膜70を介して配線層66に電気的に接続されたビア配線72及び配線層74、層間絶縁膜76等を形成する(図13(c))。
Next, the steps shown in FIGS. 11B to 13A are repeated as necessary, and via
このように、本実施形態によれば、カーボンナノチューブ束よりなるビア配線と、このビア配線に接続されたグラファイト層よりなる配線層を形成することができる。これにより、ビア配線及び配線層の電気抵抗を大幅に低減することができ、半導体装置の特性向上を図ることができる。また、カーボンナノチューブ束よりなるビア配線とグラファイト層よりなる配線層とは、同時に形成することができるので、製造工程を大幅に変更することなく配線構造体を形成することができる。これにより、製造コストの増加を防止することができる。 Thus, according to the present embodiment, a via wiring made of a carbon nanotube bundle and a wiring layer made of a graphite layer connected to the via wiring can be formed. Thereby, the electrical resistance of the via wiring and the wiring layer can be greatly reduced, and the characteristics of the semiconductor device can be improved. In addition, since the via wiring made of the carbon nanotube bundle and the wiring layer made of the graphite layer can be formed at the same time, the wiring structure can be formed without significantly changing the manufacturing process. Thereby, the increase in manufacturing cost can be prevented.
[第4実施形態]
本発明の第4実施形態による半導体装置及びその製造方法について図14乃至図17を用いて説明する。
[Fourth Embodiment]
A semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図14は本実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図、図15乃至図17は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the present embodiment, and FIGS. 15 to 17 are process cross-sectional views showing the method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment.
はじめに、本実施形態による半導体装置の構造について図14を用いて説明する。 First, the structure of the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG.
基板40上には、配線層42が形成されている。配線層42が形成された基板40上には、層間絶縁膜44が形成されている。層間絶縁膜44には、配線層42に達するコンタクトホール46が形成されている。コンタクトホール46内の配線層42上には、TiN膜50を介してカーボンナノチューブの束よりなるビア配線64が形成されている。ビア配線64上には、ビア配線64に接続された配線層84が形成されている。配線層84は、ビア配線64上に形成されたグラファイト層66aと、層間絶縁膜上にTiN膜66を介して形成されたグラファイト層66bと、グラファイト層66a,66b上に形成されたTiC膜82とを有している。
A
このように本実施形態による半導体装置は、下層配線層(例えば配線層42)と上層配線(例えば配線層84)とを接続するビア配線(例えばビア配線64)が、カーボンナノチューブ束により構成されている。また、カーボンナノチューブ束よりなるビア配線(例えばビア配線64)に接続される配線層(例えば配線層84)が、グラファイト層66a,66b及びTiC膜82により構成されている。
As described above, in the semiconductor device according to the present embodiment, the via wiring (for example, the via wiring 64) that connects the lower wiring layer (for example, the wiring layer 42) and the upper layer wiring (for example, the wiring layer 84) is constituted by the carbon nanotube bundle. Yes. In addition, a wiring layer (for example, the wiring layer 84) connected to a via wiring (for example, the via wiring 64) made of a carbon nanotube bundle is composed of
配線層及びビア配線を、抵抗値の低いグラファイト及びカーボンナノチューブで形成することにより、配線抵抗を大幅に低減することができる。これにより、半導体装置の高速動作が可能となるとともに、消費電力を低減することができる。 By forming the wiring layer and the via wiring with graphite and carbon nanotubes having a low resistance value, the wiring resistance can be greatly reduced. As a result, the semiconductor device can be operated at high speed and the power consumption can be reduced.
なお、グラファイト層66a,66b上に形成されたTiC膜82は、グラファイト層66a,66b間の電気的接続を確実にするためのものである。グラファイト層66aとグラファイト層66bとは、異なる下地から別々に成長されるものであり、隣接する領域に形成されはするものの、電気的に十分な接続が確保できないことが考えられる。TiC膜82は、このような場合を考慮して形成されるものであり、グラファイト層66aとグラファイト層66bとの間の電気的接続が十分であれば、必ずしも形成する必要はない。
The
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図15乃至図17を用いて説明する。 Next, the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.
基板40上に、配線層42と、配線層42を覆う層間絶縁膜44とが形成されているものとする(図15(a))。基板40は、シリコン基板などの半導体基板そのもののみならず、トランジスタなどの素子や、1層又は2層以上の配線層が形成された半導体基板をも含むものである。
It is assumed that a
次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、層間絶縁膜44に、配線層42に達するコンタクトホール46を形成する(図15(b))。
Next, a
次いで、フォトリソグラフィにより、層間絶縁膜44上に、コンタクトホール46の形成領域を露出し、他の領域を覆うフォトレジスト膜48を形成する。なお、フォトレジスト膜48は、コンタクトホール46の形成に用いたフォトレジスト膜を用いてもよい。
Next, a
次いで、例えばスパッタ法により、膜厚1〜20nm程度、例えば5nmのTiN膜50と、膜厚2〜3nm程度、例えば2.6nmのCo膜52とを順次堆積し、Co/TiNの積層構造よりなる触媒金属膜を形成する(図11(c))。触媒金属膜は、電子ビーム蒸着法、CVD法、MBE法等により形成してもよい。
Next, a
次いで、フォトレジスト膜48上のTiN膜50及びCo膜52をフォトレジスト膜48とともにリフトオフし、コンタクトホール46内の配線層42上にCo膜52/TiN膜50の積層構造よりなる触媒金属膜を選択的に残存させる(図16(a))。
Next, the
次いで、フォトリソグラフィにより、配線層42に接続される上層配線層の形成予定領域であって、コンタクトホール46の形成領域を除く領域を露出し、他の領域を覆うフォトレジスト膜54を形成する。
Next, a photolithography is performed to form a
次いで、例えばスパッタ法により、膜厚1〜20nm程度、例えば5nmのTiN膜60と、膜厚3〜7nm程度、例えば4.5nmのCo膜62とを順次堆積し、Co/TiNの積層構造よりなる触媒金属膜を形成する(図16(b))。
Next, a
次いで、フォトレジスト膜54上のTiN膜60及びCo膜62をフォトレジスト膜54とともにリフトオフし、コンタクトホール46の形成領域を除く配線層の形成予定領域にCo膜62/TiN膜60の積層構造よりなる触媒金属膜を選択的に残存させる(図16(c))。
Next, the
次いで、例えば熱CVD法により、触媒金属膜を触媒として、カーボンナノチューブ及びグラファイトの成長を行う。この際の成長条件を、例えば、原料ガスをアセチレン・アルゴンの混合ガス(分圧比1:9)、成膜室内の総ガス圧を1kPa、温度を450℃とすることにより、Co膜52/TiN膜54の触媒金属膜が形成されたビア部形成予定領域には、上面がグラファイト層66aにより覆われたカーボンナノチューブ束からなるビア配線64が形成され、Co膜62/TiN膜60が形成された配線層形成予定領域には、グラファイト層66bが形成される(図17(a))。カーボンナノチューブ及びグラファイトは、ホットフィラメントCVD法やリモートプラズマCVD法等により形成してもよい。
Next, carbon nanotubes and graphite are grown by, for example, a thermal CVD method using the catalytic metal film as a catalyst. The growth conditions at this time are, for example, that the source gas is a mixed gas of acetylene and argon (partial pressure ratio 1: 9), the total gas pressure in the film forming chamber is 1 kPa, and the temperature is 450 ° C. A via
なお、Co膜52,62は、カーボンナノチューブ及びグラファイトの成長過程で微粒子化し、カーボンナノチューブ又はグラファイト内に取り込まれる。
The
Co膜52/TiN膜54からなる触媒金属膜上とCo膜62/TiN膜60からなる触媒金属膜上とにおいて形成される構造体が異なるのは、Co膜の膜厚の違いによる成長レートの違いが影響しているためである。
The structures formed on the catalytic metal film made of the
上記成膜温度により膜厚2.6nm或いは膜厚4.5nmのCo膜を触媒として成長を行う条件は、第2実施形態において示したように、いずれの場合も、上面がグラファイト層により覆われたカーボンナノチューブが成長される条件である。しかしながら、膜厚4.5nmのCo膜が形成された領域におけるカーボンナノチューブの成長レートは、膜厚2.6nmのCo膜が形成された領域におけるカーボンナノチューブの成長レートよりも大幅に遅いため、グラファイト層66a下にカーボンナノチューブ束からなるビア配線64が形成される間に、グラファイト層66b下にはカーボンナノチューブ束はほとんど成長されない。この結果、図17(a)に示すようなビア配線64と、グラファイト層66a,66bとが形成される。
As shown in the second embodiment, the conditions for performing growth using a Co film having a film thickness of 2.6 nm or 4.5 nm as a catalyst at the above film formation temperature are such that the upper surface is covered with a graphite layer in any case. This is a condition for growing carbon nanotubes. However, the growth rate of carbon nanotubes in the region where the Co film having a thickness of 4.5 nm is formed is significantly slower than the growth rate of carbon nanotubes in the region where the Co film having a thickness of 2.6 nm is formed. While the via
次いで、フォトリソグラフィにより、配線層形成予定領域(グラファイト層66a、66bの形成領域)を露出し他の領域を覆うフォトレジスト膜78を形成する。
Next, a
次いで、例えばスパッタ法により、例えば膜厚50nmのTi膜80を堆積する(図17(b))。
Next, a
次いで、フォトレジスト膜78上のTi膜80をフォトレジスト膜78とともにリフトオフし、配線層形成予定領域のグラファイト層66a,66b上にTi膜80を選択的に残存させる。
Next, the
次いで、例えば450℃10分間の熱処理を行い、Ti膜80とグラファイト層66a,66bの上部とを反応させ,グラファイト層66a,66bの表面に、TiC(チタンカーバイド)膜82を形成する。スパッタによる堆積だけでもTiCは形成されるが、この熱処理を行うことによりTiCの形成が促進される。こうして、グラファイト層66a,66b及びTiC膜82よりなる配線層84を形成する(図17(c))。
Next, for example, heat treatment is performed at 450 ° C. for 10 minutes to react the
このように、本実施形態によれば、カーボンナノチューブ束よりなるビア配線と、このビア配線に接続されたグラファイト層よりなる配線層を形成することができる。これにより、ビア配線及び配線層の電気抵抗を大幅に低減することができ、半導体装置の特性向上を図ることができる。また、カーボンナノチューブ束よりなるビア配線とグラファイト層よりなる配線層とは、同時に形成することができるので、製造工程を大幅に変更することなく配線構造体を形成することができる。これにより、製造コストの増加を防止することができる。 Thus, according to the present embodiment, a via wiring made of a carbon nanotube bundle and a wiring layer made of a graphite layer connected to the via wiring can be formed. Thereby, the electrical resistance of the via wiring and the wiring layer can be greatly reduced, and the characteristics of the semiconductor device can be improved. In addition, since the via wiring made of the carbon nanotube bundle and the wiring layer made of the graphite layer can be formed at the same time, the wiring structure can be formed without significantly changing the manufacturing process. Thereby, the increase in manufacturing cost can be prevented.
[第5実施形態]
本発明の第5実施形態による電子機器について図18を用いて説明する。
[Fifth Embodiment]
An electronic apparatus according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図18は、本実施形態による電子機器の構造を示す概略断面図である。 FIG. 18 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the electronic apparatus according to the present embodiment.
本実施形態では、第1又は第2実施形態によるカーボンナノチューブシートを縦型配線シートとして適用した電子機器について説明する。 In the present embodiment, an electronic device in which the carbon nanotube sheet according to the first or second embodiment is applied as a vertical wiring sheet will be described.
多層配線基板などの回路基板100上には、例えばCPUなどの半導体素子106が実装されている。半導体素子106は、はんだバンプ102を介して回路基板100に電気的に接続されており、回路基板100と半導体素子106との間にはアンダーフィル104が充填されている。
A
半導体素子106上には、半導体素子106を覆うように、半導体素子106からの熱を拡散するためのヒートスプレッダ110が形成されている。半導体素子106とヒートスプレッダ110との間には、第1又は第2実施形態によるカーボンナノチューブシート108が形成されている。カーボンナノチューブシート108は、発熱源である半導体素子106側にグラファイト層14又はカーボンナノチューブ層18が位置するように配置されている(図1及び図6を参照)。
A
ヒートスプレッダ110上には、ヒートスプレッダ110に伝わった熱を放熱するためのヒートシンク114が形成されている。ヒートスプレッダ110とヒートシンク114との間には、本発明のカーボンナノチューブシート112が形成されている。
On the
このように、本実施形態による電子機器では、半導体素子106とヒートスプレッダ110との間及びヒートスプレッダ110とヒートシンク114との間、すなわち発熱部と放熱部との間に、第1又は第2実施形態によるカーボンナノチューブシート108,112がそれぞれ設けられている。
As described above, in the electronic apparatus according to the present embodiment, between the
上述のように、第1又は第2実施形態によるカーボンナノチューブシートは、カーボンナノチューブ束12がシートの膜面に対して垂直に配向しており、その間にはシートの膜面に平行な層状構造のグラファイトからなるグラファイト層14が形成されており、面直方向及び水平方向の熱伝導度が極めて高いものである。
As described above, in the carbon nanotube sheet according to the first or second embodiment, the carbon nanotube bundles 12 are oriented perpendicular to the film surface of the sheet, and in the meantime, the carbon nanotube sheet has a layered structure parallel to the film surface of the sheet. A
したがって、本発明のカーボンナノチューブシートを、半導体素子106とヒートスプレッダ110との間及びヒートスプレッダ110とヒートシンク114との間に形成する熱伝導シートとして用いることにより、半導体素子106から発せられた熱を効率よく水平方向に広げつつヒートスプレッダ110及びヒートシンク114に垂直方向に伝えることができ、放熱効率を高めることができる。これにより、電子機器の信頼性を向上することができる。
Therefore, by using the carbon nanotube sheet of the present invention as a heat conductive sheet formed between the
このように、本実施形態によれば、半導体素子とヒートスプレッダとの間及びヒートスプレッダとヒートシンクとの間に、カーボンナノチューブ束がシートの膜面に対して配向しているとともに、カーボンナノチューブ束の間に、シートの膜面に平行な層状構造のグラファイトからなるグラファイト層が形成されている第1又は第2実施形態のカーボンナノチューブシートを配置するので、これらの間の熱伝導度を大幅に向上することができる。これにより、半導体素子から発せられる熱の放熱効率を高めることができ、電子機器の信頼性を向上することができる。 Thus, according to the present embodiment, the carbon nanotube bundles are oriented with respect to the film surface of the sheet between the semiconductor element and the heat spreader and between the heat spreader and the heat sink, and between the carbon nanotube bundles, the sheet Since the carbon nanotube sheet of the first or second embodiment in which the graphite layer made of graphite having a layered structure parallel to the film surface is formed is disposed, the thermal conductivity between them can be greatly improved. . Thereby, the thermal radiation efficiency of the heat | fever emitted from a semiconductor element can be improved, and the reliability of an electronic device can be improved.
[第6実施形態]
本発明の第6実施形態による電子機器について図19を用いて説明する。
[Sixth Embodiment]
An electronic apparatus according to a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図19は、本実施形態による電子機器の構造を示す概略断面図である。 FIG. 19 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the electronic apparatus according to the present embodiment.
本実施形態では、第1及び第2実施形態によるカーボンナノチューブシートを、導電性シートを兼ねる熱伝導性シートとして適用した電子機器について説明する。 In the present embodiment, an electronic device in which the carbon nanotube sheet according to the first and second embodiments is applied as a heat conductive sheet that also serves as a conductive sheet will be described.
図19に示すように、無線通信基地局などに用いられる高出力増幅器(HPA:High Power Amplifier)120は、パッケージ122に組み込まれ、パッケージ122の裏面においてヒートシンク124に接合される。高出力増幅器120から発せられた熱は、パッケージ122の裏面を通してヒートシンク124に放熱される。同時に、パッケージ122は、電気的なグラウンド(接地面)としても用いられるものであり、ヒートシンク124に対しても電気的に接続する必要がある。このため、パッケージ122とヒートシンク124との接合には、電気及び熱に対する良導体を用いることが必要である。
As shown in FIG. 19, a high power amplifier (HPA) 120 used in a radio communication base station or the like is incorporated in a
したがって、図19に示すように、パッケージ122とヒートシンク124との接合部に、第1又は第2実施形態によるカーボンナノチューブシート126を用いることにより、パッケージ122とヒートシンク124とを電気的に接続することができる。また、高出力増幅器120から発せられた熱を効率よくヒートシンク124に伝えることができ、放熱効率を高めることができる。これにより、電子機器の信頼性を向上することができる。
Therefore, as shown in FIG. 19, the
このように、本実施形態によれば、高出力増幅器のパッケージとヒートシンクとの間に、カーボンナノチューブ束がシートの膜面に対して配向しているとともに、カーボンナノチューブ束の間に、シートの膜面に平行な層状構造のグラファイトからなるグラファイト層が形成されている第1又は第2実施形態のカーボンナノチューブシートを配置するので、これらの間の熱伝導度を大幅に向上することができる。これにより、半導体素子から発せられる熱の放熱効率を高めることができ、電子機器の信頼性を向上することができる。また、高出力増幅器とグラウンドとしてのヒートシンクとを電気的に接続することもできる。 Thus, according to the present embodiment, the carbon nanotube bundle is oriented with respect to the film surface of the sheet between the package of the high-power amplifier and the heat sink, and the film surface of the sheet is interposed between the carbon nanotube bundles. Since the carbon nanotube sheet of the first or second embodiment in which the graphite layer made of graphite having a parallel layered structure is formed, the thermal conductivity between them can be greatly improved. Thereby, the thermal radiation efficiency of the heat | fever emitted from a semiconductor element can be improved, and the reliability of an electronic device can be improved. Further, the high-power amplifier and a heat sink as a ground can be electrically connected.
[変形実施形態]
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
[Modified Embodiment]
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.
例えば、上記実施形態では、カーボンナノチューブを用いたシート状構造体や半導体装置の例を説明したが、本発明は、炭素元素からなる線状構造体を用いたシート状構造体や半導体装置に広く適用することができる。炭素元素からなる線状構造体としては、カーボンナノチューブのほか、カーボンナノワイヤ、カーボンロッド、カーボンファイバが挙げられる。これら線状構造体は、サイズが異なるほかは、カーボンナノチューブと同様である。これら線状構造体を用いたシート状構造体や半導体装置においても、本発明を適用することができる。 For example, in the above-described embodiment, an example of a sheet-like structure and a semiconductor device using carbon nanotubes has been described. However, the present invention is widely applied to a sheet-like structure and a semiconductor device using a linear structure made of a carbon element. Can be applied. Examples of the linear structure made of carbon elements include carbon nanowires, carbon rods, and carbon fibers in addition to carbon nanotubes. These linear structures are the same as the carbon nanotubes except that their sizes are different. The present invention can also be applied to a sheet-like structure or a semiconductor device using these linear structures.
また、上記実施形態に記載の構成材料や製造条件は、当該記載に限定されるものではなく、目的等に応じて適宜変更が可能である。 In addition, the constituent materials and manufacturing conditions described in the above embodiment are not limited to the descriptions, and can be appropriately changed according to the purpose and the like.
また、本発明のカーボンナノチューブシートの使用目的も、上記実施形態に記載のものに限定されるものではない。本発明のカーボンナノチューブシートは、熱伝導シートとしては、例えば、CPUの放熱シート、無線通信基地局用高出力増幅器、無線通信端末用高出力増幅器、電気自動車用高出力スイッチ、サーバー、パーソナルコンピュータなどへの適用が考えられる。また、カーボンナノチューブの高い許容電流密度特性を利用して、縦型配線シートやこれを用いた種々のアプリケーションにも適用可能である。 Further, the purpose of using the carbon nanotube sheet of the present invention is not limited to that described in the above embodiment. The carbon nanotube sheet of the present invention includes, for example, a CPU heat dissipation sheet, a radio communication base station high output amplifier, a radio communication terminal high output amplifier, an electric vehicle high output switch, a server, a personal computer, etc. Application to is possible. Moreover, it is applicable to a vertical wiring sheet and various applications using the same by utilizing the high allowable current density characteristics of carbon nanotubes.
また、上記実施形態では、下地膜を有する触媒金属膜として、Co膜/TiN膜及びCo膜/TiO2膜の積層構造を示したが、触媒金属膜は、これに限定されるものではない。例えば、炭化水素系原料ガスを用いる場合には、触媒種としてCo,Ni,Feを用いる場合にあっては、下地膜としてTi,TiN,TiOx,TiSi,Ta,Tan,Zr,Hf,V,Nb,W等を適用することができる。また、触媒種としてFeを用いる場合には、下地膜としてAl,Al2O3を用いることもできる。アルコール系原料ガスを用いる場合には、触媒種としてCoを用いる場合にあっては、下地膜としてMo等を適用することができる。 In the above embodiment, as the catalytic metal film having the base film, although the layered structure of the Co film / TiN film and Co film / TiO 2 film, the catalytic metal film is not limited thereto. For example, in the case of using a hydrocarbon-based source gas, in the case of using Co, Ni, and Fe as the catalyst species, Ti, TiN, TiO x , TiSi, Ta, Tan, Zr, Hf, and V are used as the base film. , Nb, W, etc. can be applied. When Fe is used as the catalyst species, Al, Al 2 O 3 can also be used as the base film. In the case of using an alcohol source gas, Mo or the like can be applied as a base film in the case of using Co as a catalyst species.
また、第3及び第4実施形態に示した半導体装置及び第5及び第6実施形態に示した電子機器の構造やその製造方法は典型的な例を示したものであり、必要に応じて適宜修正が可能である。 In addition, the structures of the semiconductor devices shown in the third and fourth embodiments and the electronic devices shown in the fifth and sixth embodiments and the manufacturing methods thereof are typical examples. Correction is possible.
本発明によるシート状構造は、シートの面に垂直な方向の熱伝導性及び電気伝導性に優れているのみならず、シートの面に平行な方向の熱伝導性及び電気伝導性にも優れている。したがって、本発明のシート状構造体は、高性能の熱伝導シートや導電性シートとして、電子機器への適用が期待できる。また、本発明による半導体装置は、抵抗値の低いビア配線及びこれに接続される配線を有するものであり、高性能の半導体装置への適用が期待できる。 The sheet-like structure according to the present invention is excellent not only in thermal conductivity and electrical conductivity in a direction perpendicular to the sheet surface, but also in thermal conductivity and electrical conductivity in a direction parallel to the sheet surface. Yes. Therefore, the sheet-like structure of the present invention can be expected to be applied to electronic devices as a high-performance heat conductive sheet or conductive sheet. In addition, the semiconductor device according to the present invention includes a via wiring having a low resistance value and a wiring connected to the via wiring, and can be expected to be applied to a high-performance semiconductor device.
本発明は、炭素構造体の成長方法並びにシート状構造体及び半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for growing a carbon structure , a sheet-like structure, and a method for manufacturing a semiconductor device .
本発明の目的は、シートの面に垂直な方向のみならずシートの面に平行な方向における熱伝導性及び導電性に優れたシート状構造体の製造方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、低抵抗のビア配線及びこれに接続される低抵抗の横方向配線層を有する半導体装置の製造方法を提供することにある。 The objective of this invention is providing the manufacturing method of the sheet-like structure excellent in the heat conductivity and electroconductivity not only in the direction perpendicular | vertical to the surface of a sheet | seat but in a direction parallel to the surface of a sheet | seat. Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor equipment comprising a lateral interconnection layer of low resistance is connected to a low resistance via interconnect and this.
次いで、フォトレジスト膜34上の触媒金属膜32bを、フォトレジスト膜34とともにリフトオフし、グラファイト層14の形成予定領域の触媒金属膜32a上に、触媒金属膜32bを選択的に残存させる。これにより、カーボンナノチューブ束12の形成予定領域には、膜厚2.5nmのFe膜よりなる触媒金属膜32aが形成され、グラファイト層14の形成予定領域には、膜厚100nmのFe膜よりなる触媒金属膜32a,32bが形成される(図4(c))。
Then, the
なお、充填層16は、充填材の溶液中に基板30を浸漬することにより形成してもよい(いわゆるディップ法)。この場合にも、カーボンナノチューブ束12間に設けた間隙により、カーボンナノチューブ束の形状変化を防止できることができる。
The filling
次いで、カーボンナノチューブ束12、グラファイト層14及び充填層16を基板30から剥離し、カーボンナノチューブシート10を得る(図5(c))。
Next, the
このように、本実施形態によれば、基板上に互いに離間した複数のカーボンナノチューブ束を形成後、充填材を充填してカーボンナノチューブ束を保持する充填層を形成するので、充填層の形成の際にカーボンナノチューブ束の形状変化を防止することができる。これにより、カーボンナノチューブ束がシートの膜厚方向に配向したカーボンナノチューブシートを容易に形成することができる。また、カーボンナノチューブ束の両端部は充填層から露出できるので、被着体に対する熱伝導度及び電気伝導度を向上することができる。 As described above, according to the present embodiment, after forming a plurality of carbon nanotube bundles spaced apart from each other on the substrate, a filling layer is formed by filling the filler and holding the carbon nanotube bundle . In this case, the shape change of the carbon nanotube bundle can be prevented. Thereby, it is possible to easily form a carbon nanotube sheet in which the carbon nanotube bundles are oriented in the film thickness direction of the sheet. Moreover, since both ends of the carbon nanotube bundle can be exposed from the filling layer, the thermal conductivity and electrical conductivity with respect to the adherend can be improved.
次いで、第1実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法と同様にして、カーボンナノチューブ束12、カーボンナノチューブ層18、グラファイト層20及び充填層16を基板30から剥離し、カーボンナノチューブシート10を得る(図9(c))。
Next, the
このように、本実施形態によれば、基板上に互いに離間した複数のカーボンナノチューブ束を形成後、充填材を充填してカーボンナノチューブ束を保持する充填層を形成するので、充填層の形成の際にカーボンナノチューブ束の形状変化を防止することができる。これにより、カーボンナノチューブ束がシートの膜厚方向に配向したカーボンナノチューブシートを容易に形成することができる。また、カーボンナノチューブ束の両端部は充填層から露出できるので、被着体に対する熱伝導度及び電気伝導度を向上することができる。 As described above, according to the present embodiment, after forming a plurality of carbon nanotube bundles spaced apart from each other on the substrate, a filling layer is formed by filling the filler and holding the carbon nanotube bundle . In this case, the shape change of the carbon nanotube bundle can be prevented. Thereby, it is possible to easily form a carbon nanotube sheet in which the carbon nanotube bundles are oriented in the film thickness direction of the sheet. Moreover, since both ends of the carbon nanotube bundle can be exposed from the filling layer, the thermal conductivity and electrical conductivity with respect to the adherend can be improved.
基板40上には、配線層42が形成されている。配線層42が形成された領域以外の基板40上の領域には、層間絶縁膜44が形成されている。配線層42の一端部上には、TiN膜50を介してカーボンナノチューブの束よりなるビア配線64が形成されている。ビア配線64上には、グラファイトよりなりビア配線64に接続された配線層66が形成されている。ビア配線64の形成領域を除く配線層66の形成領域の、配線層42上及び層間絶縁膜44上には、TiO2膜56が形成されている。ビア配線64及び配線層66の周囲には、層間絶縁膜68が形成されている。配線層66の一端部上には、TiN膜70を介してカーボンナノチューブの束よりなるビア配線72が形成されている。ビア配線72上には、グラファイトよりなりビア配線72に接続された配線層74が形成されている。ビア配線72の形成領域を除く配線層74の形成領域の、層間絶縁膜68上には、TiO2膜が形成されている。ビア配線72及び配線層74の周囲には、層間絶縁膜76が形成されている。
A
次いで、例えば熱CVD法により、触媒金属膜を触媒として、カーボンナノチューブ及びグラファイトの成長を行う。この際の成長条件を、例えば、原料ガスをアセチレン・アルゴンの混合ガス(分圧比1:9)、成膜室内の総ガス圧を1kPa、温度を450℃とすることにより、Co膜52/TiN膜50の触媒金属膜が形成されたビア部形成予定領域には、カーボンナノチューブ束からなるビア配線64が形成され、Co膜58/TiO2膜56が形成された配線層形成予定領域には、TiO2膜56から離間して、ビア配線64上に延在するグラファイト層からなる配線層66が形成される(図12(c))。カーボンナノチューブ及びグラファイトは、ホットフィラメントCVD法やリモートプラズマCVD法等により形成してもよい。
Next, carbon nanotubes and graphite are grown by, for example, a thermal CVD method using the catalytic metal film as a catalyst. The growth conditions at this time are, for example, that the source gas is a mixed gas of acetylene and argon (partial pressure ratio 1: 9), the total gas pressure in the film forming chamber is 1 kPa, and the temperature is 450 °
Co膜52/TiN膜50からなる触媒金属膜上とCo膜58/TiO2膜56からなる触媒金属膜上とにおいて形成される構造体が異なるのは、Co膜の膜厚の違いによる成長レートの違いが影響しているためである。
The
上記成膜温度により膜厚2.1nm或いは膜厚4.5nmのCo膜を触媒として成長を行う条件は、第2実施形態において示したように、いずれの場合も、上面がグラファイト層により覆われたカーボンナノチューブが成長される条件である。しかしながら、膜厚4.5nmのCo膜が形成された領域におけるカーボンナノチューブの成長レートは、膜厚2.1nmのCo膜が形成された領域におけるカーボンナノチューブの成長レートよりも大幅に遅いため、グラファイト層よりなる配線層66が形成された後は、Co膜52/TiN膜50からなる触媒金属膜上におけるカーボンナノチューブの成長が支配的となる。この結果、Co膜52/TiN膜50からなる触媒金属膜上へのカーボンナノチューブの成長とともに、配線層形成予定領域の全体のグラファイト層が持ち上げられ、Co膜58/TiO2膜56からなる触媒金属膜上へのカーボンナノチューブの成長が行われなくなる。この結果、図12(c)に示すようなビア配線64及び配線層66が形成される。
As shown in the second embodiment, the conditions for performing growth using a Co film having a film thickness of 2.1 nm or 4.5 nm as a catalyst at the film formation temperature are as follows. This is a condition for growing carbon nanotubes. However, the growth rate of carbon nanotubes in the region where the Co film with a thickness of 4.5 nm is formed is significantly slower than the growth rate of carbon nanotubes in the region where the Co film with a thickness of 2.1 nm is formed. after the
次いで、例えば熱CVD法により、触媒金属膜を触媒として、カーボンナノチューブ及びグラファイトの成長を行う。この際の成長条件を、例えば、原料ガスをアセチレン・アルゴンの混合ガス(分圧比1:9)、成膜室内の総ガス圧を1kPa、温度を450℃とすることにより、Co膜52/TiN膜50の触媒金属膜が形成されたビア部形成予定領域には、上面がグラファイト層66aにより覆われたカーボンナノチューブ束からなるビア配線64が形成され、Co膜62/TiN膜60が形成された配線層形成予定領域には、グラファイト層66bが形成される(図17(a))。カーボンナノチューブ及びグラファイトは、ホットフィラメントCVD法やリモートプラズマCVD法等により形成してもよい。
Next, carbon nanotubes and graphite are grown by, for example, a thermal CVD method using the catalytic metal film as a catalyst. The growth conditions at this time are, for example, that the source gas is a mixed gas of acetylene and argon (partial pressure ratio 1: 9), the total gas pressure in the film forming chamber is 1 kPa, and the temperature is 450 ° C. the via portion forming region in which the catalytic metal film is formed of a
Co膜52/TiN膜50からなる触媒金属膜上とCo膜62/TiN膜60からなる触媒金属膜上とにおいて形成される構造体が異なるのは、Co膜の膜厚の違いによる成長レートの違いが影響しているためである。
本実施形態では、第1又は第2実施形態によるカーボンナノチューブシートを熱伝導性シートとして適用した電子機器について説明する。 In the present embodiment, an electronic device in which the carbon nanotube sheet according to the first or second embodiment is applied as a heat conductive sheet will be described.
ヒートスプレッダ110上には、ヒートスプレッダ110に伝わった熱を放熱するためのヒートシンク114が形成されている。ヒートスプレッダ110とヒートシンク114との間には、第1又は第2実施形態によるカーボンナノチューブシート112が形成されている。
On the
したがって、第1又は第2実施形態によるカーボンナノチューブシートを、半導体素子106とヒートスプレッダ110との間及びヒートスプレッダ110とヒートシンク114との間に形成する熱伝導シートとして用いることにより、半導体素子106から発せられた熱を効率よく水平方向に広げつつヒートスプレッダ110及びヒートシンク114に垂直方向に伝えることができ、放熱効率を高めることができる。これにより、電子機器の信頼性を向上することができる。
Therefore, the carbon nanotube sheet according to the first or second embodiment is emitted from the
図19は、本実施形態による電子機器の構造を示す斜視図である。 FIG. 19 is a perspective view illustrating the structure of the electronic apparatus according to the present embodiment.
Claims (20)
複数の前記線状構造体束間の領域に形成され、複数の前記線状構造体束に接続されたグラファイト層と、
前記第1の間隙及び前記第2の間隙に充填され、前記複数の線状構造体束及び前記グラファイト層を保持する充填層と
を有することを特徴とするシート状構造体。 A plurality of linear structure bundles, each including a linear structure composed of a plurality of carbon elements arranged with a first gap between each other, and arranged with a second gap larger than the first gap;
A graphite layer formed in a region between the plurality of linear structure bundles and connected to the plurality of linear structure bundles;
A sheet-like structure, comprising: the plurality of linear structure bundles and a filler layer that holds the graphite layer, the filler being filled in the first gap and the second gap.
複数の前記線状構造体束間の前記領域に形成され、炭素元素からなる複数の線状構造体を含み、複数の前記線状構造体の一端側が前記グラファイト層に接続された線状構造体層を更に有する
ことを特徴とするシート状構造体。 In the sheet-like structure according to claim 1,
A linear structure formed in the region between a plurality of the linear structure bundles, including a plurality of linear structures made of carbon element, wherein one end side of the plurality of linear structures is connected to the graphite layer A sheet-like structure further comprising a layer.
複数の前記線状構造体層と複数の前記グラファイト層とを有し、
前記線状構造体層と前記グラファイト層とが交互に積層されている
ことを特徴とするシート状構造体。 In the sheet-like structure according to claim 2,
A plurality of the linear structure layers and a plurality of the graphite layers;
The linear structure layer and the graphite layer are alternately laminated. A sheet-like structure characterized by the above.
前記複数の線状構造体束を構成する前記複数の線状構造体のそれぞれは、前記充填層の膜厚方向に配向している
ことを特徴とするシート状構造体。 In the sheet-like structure according to any one of claims 1 to 3,
Each of the plurality of linear structures constituting the plurality of linear structure bundles is oriented in the film thickness direction of the filling layer.
前記グラファイト層は、前記充填層の面方向に平行な層状構造を有する
ことを特徴とするシート状構造体。 In the sheet-like structure according to any one of claims 1 to 4,
The said graphite layer has a layered structure parallel to the surface direction of the said packed bed. The sheet-like structure characterized by the above-mentioned.
前記複数の線状構造体束の両端部が表面に露出している
ことを特徴とするシート状構造体。 In the sheet-like structure according to any one of claims 1 to 5,
Both end portions of the plurality of linear structure bundles are exposed on the surface.
前記グラファイト層の一方の面が表面に露出している
ことを特徴とするシート状構造体。 In the sheet-like structure according to any one of claims 1 to 6,
One surface of the said graphite layer is exposed to the surface. The sheet-like structure characterized by the above-mentioned.
炭素元素からなる複数の線状構造体を含む線状構造体束よりなり、前記第1の配線層に接続されたビア配線と、
前記ビア配線の形成領域を除く前記半導体基板上に、前記第1の配線層を覆うように形成された絶縁膜と、
前記ビア配線上及び前記絶縁膜上に形成されたグラファイト層を有する第2の配線層と
を有することを特徴とする半導体装置。 A first wiring layer formed on the semiconductor substrate;
Consisting of a bundle of linear structures including a plurality of linear structures made of carbon elements, and via wiring connected to the first wiring layer;
An insulating film formed on the semiconductor substrate excluding the via wiring formation region so as to cover the first wiring layer;
And a second wiring layer having a graphite layer formed on the via wiring and the insulating film.
前記基板の前記第1の領域に隣接する第2の領域上に、前記第1の触媒金属膜とは異なる第2の触媒金属膜を形成する工程と、
前記第1の領域上に、前記第1の触媒金属膜を触媒として、炭素元素からなる複数の線状構造体を有する第1の炭素構造体を選択的に形成する工程と、
前記第2の領域上に、前記第2の触媒金属膜を触媒として、グラファイト層を有する第2の炭素構造体を選択的に形成する工程と
を有することを特徴とする炭素構造体の成長方法。 Forming a first catalytic metal film on a first region of the substrate;
Forming a second catalytic metal film different from the first catalytic metal film on a second region adjacent to the first region of the substrate;
Selectively forming a first carbon structure having a plurality of linear structures composed of carbon elements on the first region using the first catalytic metal film as a catalyst;
And a step of selectively forming a second carbon structure having a graphite layer on the second region by using the second catalytic metal film as a catalyst. .
前記第1の炭素構造体を形成する工程と前記第2の炭素構造体を形成する工程とを同時に行う
ことを特徴とする炭素構造体の成長方法。 The method for growing a carbon structure according to claim 9,
A method of growing a carbon structure, wherein the step of forming the first carbon structure and the step of forming the second carbon structure are performed simultaneously.
前記第1の触媒金属膜を形成する工程では、膜厚が0.3〜10nmのFe膜を有する前記第1の触媒金属膜を形成し、
前記第2の触媒金属膜を形成する工程では、膜厚が10nm〜200nmのFe膜を有する前記第2の触媒金属膜を形成する
ことを特徴とする炭素構造体の成長方法。 In the method for growing a carbon structure according to claim 10 or 11,
In the step of forming the first catalytic metal film, the first catalytic metal film having an Fe film with a film thickness of 0.3 to 10 nm is formed,
In the step of forming the second catalytic metal film, the second catalytic metal film having an Fe film with a film thickness of 10 nm to 200 nm is formed.
前記第2の触媒金属膜を形成する工程は、前記第1の炭素構造体を形成する工程の後、前記第2の炭素構造体を形成する工程の前に行う
ことを特徴とする炭素構造体の成長方法。 The method for growing a carbon structure according to claim 9,
The step of forming the second catalytic metal film is performed after the step of forming the first carbon structure and before the step of forming the second carbon structure. Growth method.
前記第2の炭素構造体を形成する工程では、炭素元素からなる複数の線状構造体層の上面に前記グラファイト層が形成された前記第2の炭素構造体を形成する
ことを特徴とする炭素構造体の成長方法。 The method for growing a carbon structure according to claim 12,
In the step of forming the second carbon structure, the second carbon structure in which the graphite layer is formed on an upper surface of a plurality of linear structure layers made of carbon element is formed. Structure growth method.
前記第2の触媒金属膜を形成する工程の後、前記第2の触媒金属膜を形成する工程と前記第2の炭素構造体を形成する工程とを更に繰り返し行い、前記第2の領域に、前記第2の炭素構造体の積層体を形成する
ことを特徴とする炭素構造体の成長方法。 The method for growing a carbon structure according to claim 13,
After the step of forming the second catalytic metal film, the step of forming the second catalytic metal film and the step of forming the second carbon structure are further repeated, and in the second region, A method of growing a carbon structure, comprising: forming a laminate of the second carbon structure.
前記第1の触媒金属膜を形成する工程では、膜厚が0.3nm〜10nmのFe膜を有する前記第1の触媒金属膜を形成し、
前記第2の触媒金属膜を形成する工程では、膜厚が2.0nm〜7.0nmのCo膜を有する前記第2の触媒金属膜を形成する
ことを特徴とする炭素構造体の成長方法。 The method for growing a carbon structure according to any one of claims 12 to 14,
In the step of forming the first catalytic metal film, the first catalytic metal film having an Fe film with a film thickness of 0.3 nm to 10 nm is formed,
In the step of forming the second catalytic metal film, the second catalytic metal film having a Co film having a film thickness of 2.0 nm to 7.0 nm is formed.
前記第2の炭素構造体を形成する工程では、450〜510℃の温度で前記第2の炭素構造体を形成する
ことを特徴とする炭素構造体の成長方法。 The method for growing a carbon structure according to any one of claims 12 to 15,
In the step of forming the second carbon structure, the second carbon structure is formed at a temperature of 450 to 510 ° C.
前記第1の炭素構造体内及び前記第2の炭素構造体内に充填材を充填し、前記充填材よりなる充填層を形成する工程と、
前記基板を除去する工程と
を有することを特徴とするシート状構造体の製造方法。 A step of forming the first carbon structure and the second carbon structure on the substrate by the carbon structure growth method according to any one of claims 9 to 16. When,
Filling the first carbon structure and the second carbon structure with a filler, and forming a filler layer made of the filler;
And a step of removing the substrate. A method for manufacturing a sheet-like structure.
前記複数の線状構造体からなるビア配線と、前記第1のグラファイト層及び前記第2のグラファイト層を有する配線層とを形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 The carbon element growth method according to any one of claims 9 to 11, wherein the first catalytic metal film is used as a catalyst to form a carbon element on the first region of the substrate. Forming a first carbon structure having a plurality of linear structures and a first graphite layer formed on the linear structure, and simultaneously forming the first carbon structure on the second region of the substrate. And forming a second carbon structure having a second graphite layer using the second catalytic metal film as a catalyst,
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a via wiring composed of the plurality of linear structures; and a wiring layer having the first graphite layer and the second graphite layer.
前記第1の炭素構造体及び前記第2の炭素構造体を形成する工程では、前記第1の触媒金属膜上における炭素元素からなる線状構造体の成長速度と、前記第2の触媒金属膜上における炭素元素からなる線状構造体の成長速度との違いを利用して、前記第1の炭素構造体と前記第2の炭素構造体とを作り分ける
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 18,
In the step of forming the first carbon structure and the second carbon structure, a growth rate of a linear structure made of a carbon element on the first catalyst metal film, and the second catalyst metal film A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the first carbon structure and the second carbon structure are separately made using a difference in growth rate of the linear structure made of carbon element above .
前記第1の触媒金属膜を形成する工程では、膜厚が2.0nm〜7.0nmの第1のCo膜を有する前記第1の触媒金属膜を形成し、
前記第2の触媒金属膜を形成する工程では、膜厚が2.0nm〜7.0nmであり且つ前記第1のCo膜よりも厚い第2のCo膜を有する前記第2の触媒金属膜を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to claim 18 or 19,
In the step of forming the first catalytic metal film, the first catalytic metal film having a first Co film having a film thickness of 2.0 nm to 7.0 nm is formed.
In the step of forming the second catalytic metal film, the second catalytic metal film having a second Co film having a thickness of 2.0 nm to 7.0 nm and thicker than the first Co film is formed. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a semiconductor device.
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