グラフェン配線およびその製造方法
【課題】配線構造における電気特性の向上を図る。
【解決手段】グラフェン配線は、配線溝を有する絶縁膜１３と、前記配線溝内の両側面の前記絶縁膜上に形成された第１触媒膜１５と、前記配線溝内の両側面の前記第１触媒膜上に形成され、両側面に対して垂直方向に積層された複数のグラフェンシートで構成された第１グラフェン層１６と、を具備する。
【解決手段】グラフェン配線は、配線溝を有する絶縁膜１３と、前記配線溝内の両側面の前記絶縁膜上に形成された第１触媒膜１５と、前記配線溝内の両側面の前記第１触媒膜上に形成され、両側面に対して垂直方向に積層された複数のグラフェンシートで構成された第１グラフェン層１６と、を具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、グラフェン配線およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最先端デバイスに用いられるＬＳＩ配線構造において、その金属配線の微細化が進んでいる。微細化、薄膜化された金属配線では、その配線幅またはその配線高さが伝導電子の平均自由工程に近づくにつれて、電子の界面非弾性散乱による電気抵抗率の上昇が顕著となる。
【０００３】
例えば、最先端デバイスの低抵抗配線材料として用いられる銅（Ｃｕ）において、伝導電子の平均自由工程は約４０ｎｍである。このため、配線幅または配線高さが４０ｎｍに近づくにつれて電気抵抗率の上昇は顕著になる。さらに、配線幅または配線高さが伝導電子の平均自由工程以下の寸法になると、電気抵抗率の上昇はより顕著になる。
【０００４】
このような金属配線における電気抵抗率の上昇によって、多層配線を流れる信号の遅延（ＲＣ遅延）が生じ、ＬＳＩの性能が低下してしまう。また、金属配線における抵抗は、金属の電気抵抗率だけでなく、その配線長によっても決定される。このため、ＲＣ遅延は、特に配線長が長い配線ほど深刻となる。すなわち、上述した問題に対する本質的な解決には、配線材料の代替が必要である。
【０００５】
そこで近年、低抵抗材料として炭素系材料を配線に応用する研究が世界的に活発化してきている。低抵抗を期待される代表的な炭素系材料として、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ：Carbon Nanotube）がある。カーボンナノチューブは、種々のナノ構造の違いにより、様々な量子効果を発現し、絶縁体／半導体／導体と作り分けることが可能である。特に、導体としてカーボンナノチューブが形成された場合、量子化伝導(バリスティック伝導)が期待される。このため、カーボンナノチューブは、既存の金属材料(例えば、Ｃｕ配線)に替わる超低抵抗材料として利用することができる。また、バリスティック長の長さから、長距離配線の電気伝導により有利であることが期待できる。
【０００６】
しかしながら、カーボンナノチューブは、横方向（面内方向）に均一に成長させることが非常に困難である。このため、カーボンナノチューブを面内方向の配線材料として単純に置き換えることはできない。また、カーボンナノチューブは、折り曲げることが困難である。このため、カーボンナノチューブを用いて配線の屈折構造等を形成することができず、パターンのレイアウトに大きな制約を与えてしまう。
【０００７】
一方、カーボンナノチューブと同様の量子化伝導特性を有する材料として、グラフェンを配線材料に応用する研究が活発に行われている。グラフェンは、グラファイトを極めて薄くした新規炭素材料である。このため、グラフェンは、カーボンナノチューブと同様にその量子化伝導によって、金属配線に替わるＬＳＩ用低抵抗配線として使用することが期待される。また、バリスティック長も非常に長いため、長距離配線の電気伝導により有利である。さらに、グラフェン構造自体が極薄膜（単層膜）であるため、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法にて成膜することが可能である。すなわち、グラフェンは、デバイスの横方向配線の形成プロセスに対して優れた整合性を持つ。
【０００８】
ここで、グラフェンを配線として用いた場合の配線の抵抗は、グラフェン１枚当たりの量子化抵抗とグラフェンの積層数により決定される。すなわち、グラフェンの積層数が少ないと高抵抗となり、積層数が多いと低抵抗になる。しかし、積層数が多くなり過ぎるとグラフェン間の相互作用が強くなり、キャリアの移動度が低下し、高抵抗化する問題が生じる。
【０００９】
さらに、グラフェン間の結合はグラフェン面内の結合とは異なるため、電気伝導もグラフェン間とグラフェン面内では異なることが考えられる。すなわち、グラフェン面内の電気伝導と比較して、グラフェン間の電気伝導が高抵抗伝導になる可能性がある。
【００１０】
このように、グラフェン配線において、さらなる低抵抗を実現させることが求められている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Byung Jin Kang, et al, "Monolayer graphene growth on sputtered thin film platinum" JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 106, 104309-1-104309-6 (2009)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
配線構造における電気特性の向上を図るグラフェン配線およびその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本実施形態によるグラフェン配線は、配線溝を有する絶縁膜と、前記配線溝内の両側面の前記絶縁膜上に形成された第１触媒膜と、前記配線溝内の両側面の前記第１触媒膜上に形成され、両側面に対して垂直方向に積層された複数のグラフェンシートで構成された第１グラフェン層と、を具備する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態に係るグラフェン配線の構造を示す断面図。
【図２】第１の実施形態に係るグラフェン配線の製造工程を示す断面図。
【図３】図２に続く、第１の実施形態に係るグラフェン配線の製造工程を示す断面図。
【図４】図３に続く、第１の実施形態に係るグラフェン配線の製造工程を示す断面図。
【図５】図４に続く、第１の実施形態に係るグラフェン配線の製造工程を示す断面図。
【図６】図５に続く、第１の実施形態に係るグラフェン配線の製造工程を示す断面図。
【図７】第１の実施形態に係るグラフェン配線の変形例における製造工程を示す断面図。
【図８】図７に続く、第１の実施形態に係るグラフェン配線の変形例における製造工程を示す断面図。
【図９】第２の実施形態に係るグラフェン配線の構造を示す断面図。
【図１０】第２の実施形態に係るグラフェン配線の製造工程を示す断面図。
【図１１】第３の実施形態に係るグラフェン配線の構造を示す断面図。
【図１２】第３の実施形態に係るグラフェン配線の製造工程を示す断面図。
【図１３】第４の実施形態に係るグラフェン配線の構造を示す断面図。
【図１４】第４の実施形態に係るグラフェン配線の製造工程を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本実施形態を以下に図面を参照して説明する。図面において、同一部分には同一の参照符号を付す。
【００１６】
＜第１の実施形態＞
以下に、図１乃至図６を用いて、第１の実施形態に係るグラフェン配線について説明する。第１の実施形態は、配線として複数のグラフェンを配線溝内の側面に対して垂直方向に積層する例である。
【００１７】
［構造］
図１（ａ）は、第１の実施形態に係るグラフェン配線の断面図を示している。図１（ｂ）は、図１（ａ）の破線部の拡大図を示している。なお、図１（ｂ）において、後述するキャップ膜２１は、省略している。
【００１８】
図１（ａ）に示すように、配線構造の一例として、図示せぬトランジスタやキャパシタ等の半導体素子が形成された基板１０上に、第１コンタクト層１００、配線層２００、および第２コンタクト層３００が形成されている。
【００１９】
第１コンタクト層１００は、基板１０上に形成されている。第１コンタクト層１００は、第１コンタクト層絶縁膜１１および第１コンタクトプラグ１２で構成されている。
【００２０】
第１コンタクト層絶縁膜１１は、基板１０上に形成され、例えばＴＥＯＳ（Tetraethoxysilane）で構成されている。第１コンタクトプラグ１２は、第１コンタクト層絶縁膜１１内に形成され、基板１０に形成された半導体素子と後述する配線層２００とを電気的に接続している。第１コンタクトプラグ１２の導電材料は、例えばＷ、ＣｕまたはＡｌの単体金属で構成されている。
【００２１】
また、第１コンタクトプラグ１２の導電材料金属の拡散を防止するために、第１コンタクトプラグ１２と第１コンタクト層絶縁膜１１および基板１０との間に図示せぬバリアメタルを有してもよい。バリアメタルは、例えばＴａ、Ｔｉ、Ｒｕ、ＭｎまたはＣｏ、あるいはこれらの窒化物で構成される。さらに、図示せぬストッパ膜が、コンタクト層１００上に形成され、例えばＳｉＣＮなどの配線層絶縁膜１３に対して加工選択比の高い材料で構成されている。なお、後述する配線層絶縁膜１３と第１コンタクト層絶縁膜１１との加工選択比が十分に高い場合、ストッパ膜は形成されなくてもよい。
【００２２】
配線層２００は、第１コンタクト層１００上に形成されている。配線層２００は、配線層絶縁膜１３および配線２０で構成されている。
【００２３】
配線層絶縁膜１３は、第１コンタクト層１００上に形成され、例えばＳｉＯＣで構成されている。この配線層絶縁膜１３には、第１コンタクトプラグ１２の部分が開口するように複数の配線溝３０が設けられている。また、配線層絶縁膜１３は、誘電率を下げるためにポア(微小空ホール)を含む膜であってもよい。
【００２４】
配線２０は、配線層絶縁膜１３内に設けられた配線溝３０内に形成されている。この配線２０の詳細については、後述する。
【００２５】
また、配線層絶縁膜１３上に、保護膜となるキャップ膜２１が形成されている。このキャップ膜２１は、例えばＳｉＮやＳｉＣＮで構成され、後述する第２コンタクトプラグ２３が形成される領域において開口している。このキャップ膜２１は配線層２００を構成する材料の外部への拡散、および配線層２００を構成する材料の酸化を防止するために形成される。しかし、後述するグラフェン層自体が安定した材料であり、酸化耐性も高いため、キャップ膜２１は形成されなくてもよい。また、キャップ膜２１は、第２コンタクト層３００のエッチング加工の制御層としても機能することができる。
【００２６】
第２コンタクト層３００は、配線層２００上に形成されている。第２コンタクト層３００は、第１コンタクト層１００と同様の構造を有し、第２コンタクト層絶縁膜２２および第２コンタクトプラグ２３で構成されている。
【００２７】
第２コンタクト層絶縁膜２２は、配線層２００上にキャップ膜２１を介して形成され、例えばＴＥＯＳで構成されている。第２コンタクトプラグ２３は、第２コンタクト層絶縁膜２２内に形成され、配線層２００と第２コンタクト層３００上に形成される図示せぬ配線層とを電気的に接続している。
【００２８】
以下に、本実施形態における配線２０について説明する。本実施形態における配線２０は、配線溝３０内に形成され、第１触媒下地膜１４、第１触媒膜１５、第１グラフェン層１６、第２触媒下地膜１７、第２触媒膜１８、および第２グラフェン層１９で構成されている。なお、図面において、配線２０は、紙面垂直方向に延在し、その方向に電流が流れる。
【００２９】
第１触媒下地膜１４は、配線溝３０内の両側面に形成されている。より具体的には、第１触媒下地膜１４は、配線溝３０内の両側面の配線層絶縁膜１３上に形成されている。また、第１触媒下地膜１４の端部（図面における下部側）は、配線溝３０内の底面の第１コンタクトプラグ１２に接していてもよい。両側面の配線層絶縁膜１３上のみに形成されている。この第１触媒下地膜１４は、後述する第１グラフェン層１６の形成を容易にするための補助膜となる。また、第１触媒下地膜１４は、後述する第１触媒膜１５の配線層絶縁膜１３への拡散を防止する。すなわち、第１触媒下地膜１４は、助触媒作用および拡散バリア性を有する膜である。
【００３０】
第１触媒下地膜１４は、例えばＴａＮ、ＴｉＮ、ＲｕＮ、ＷＮ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｒｕ、またはＷ等の膜、あるいはこれらの酸化物の膜で構成されている。また、第１触媒下地膜１４として、これらの材料の膜を積層して用いてもよい。特に、第１グラフェン層１６の均一な成長を促進するために、第１触媒下地膜１４はＴａＮ膜およびＴｉＮ膜の積層膜であることが望ましい。また、第１触媒下地膜１４は、膜厚が例えば１ｎｍ程度であり、第１グラフェン層１６を均一に成長させるために連続膜であることが望ましい。また、両側面ともに同程度の膜厚であることが望ましい。なお、第１触媒下地膜１４は、第１グラフェン層１６の形成を容易にするために成膜することが望ましいが、成膜しなくても第１グラフェン層１６を成長させることができるため、成膜しなくてもよい。
【００３１】
第１触媒膜１５は、配線溝３０内の両側面に形成されている。より具体的には、第１触媒膜１５は、第１触媒下地膜１４と同様に配線溝３０内の両側面の第１触媒下地膜１４上に形成されている。また、第１触媒膜１５の端部（図面における下部側）は、配線溝３０内の底面の第１コンタクトプラグ１２に接していてもよい。この第１触媒膜１５は、第１グラフェン層１６を成長させるための本触媒である。
【００３２】
第１触媒膜１５は、例えばＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｒｕ、またはＣｕ等の単体金属の膜、少なくともこれらのいずれかを含む合金の膜、あるいはこれらの炭化物等の膜で構成されることが望ましい。ここで、第１触媒膜１５が分散して微粒子化した状態（不連続膜）であれば、第１グラフェン層１６がうまく成長できない、あるいは第１グラフェン層１６が不連続となって形成される可能性がある。このため、第１触媒膜１５は、連続膜であることが望ましい。このため、第１触媒膜１５の膜厚は少なくとも０．５ｎｍ以上である必要があり、例えば１ｎｍ程度である。
【００３３】
第１グラフェン層１６は、配線溝３０内の両側面の第１触媒膜１５上に形成されている。この第１グラフェン層１６は、紙面垂直方向に連続的に形成され、電子の移動経路（電流経路）はその方向に沿って形成される。また、第１グラフェン層１６は、後述するように、第１触媒膜１５を触媒として成長する１〜１００枚程度のグラフェンからなり、量子化伝導特性を有する。ここで、グラフェンは、グラファイトの単層膜であり、炭素が六角形格子状に配列した構造を有する。以下において、グラファイトの単層膜であるグラフェンをグラフェンシートと称す。
【００３４】
グラフェンシート中の電子の平均自由工程は約１００ｎｍ〜１μｍであり、現在多くのＬＳＩデバイスで用いられている低抵抗金属材料であるＣｕ中の電子の平均自由工程（約４０ｎｍ）と比較して、はるかに長いことが知られている。このため、グラフェンシートを低抵抗材料として配線２０の導電層に用いることができる。
【００３５】
図１（ｂ）に示すように、第１グラフェン層１６は、配線溝３０内の側面の第１触媒膜１５上に、側面から垂直方向に積層された複数のグラフェンシート１６ａ〜１６ｅで構成されている。言い換えると、これら複数のグラフェンシート１６ａ〜１６ｅの面はそれぞれ、配線溝３０内の側面に対して平行に、かつ底面に対して垂直に形成されている。このため、複数のグラフェンシート１６ａ〜１６ｅのそれぞれの面の下端部が第１コンタクトプラグ１２に直接接続され、上端部が第２コンタクトプラグ２３に直接接続されている。これにより、第１コンタクトプラグ１２に下端部が接する全てのグラフェンシートが電気伝導に関与できる。なお、第１グラフェン層１６が１０枚のグラフェンシートで構成される場合、第１グラフェン層１６の膜厚は３．４ｎｍ程度である。
【００３６】
第２触媒下地膜１７は、配線溝３０内の両側面に形成されている。より具体的には、第２触媒下地膜１７は、配線溝３０内の両側面の第１グラフェン層１６上に形成されている。また、第２触媒下地膜１７の端部（図面における下部側）は、配線溝３０内の底面の第１コンタクトプラグ１２に接していてもよい。この第２触媒下地膜１７は、後述する第２グラフェン層１９の形成を容易にするための補助膜となる。
【００３７】
第２触媒下地膜１７は、第１触媒下地膜１４と同様の性質および構造を有する。すなわち、第２触媒下地膜１７は、例えばＴａＮ、ＴｉＮ、ＲｕＮ、ＷＮ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｒｕ、またはＷ等の膜、あるいはこれらの酸化物の膜で構成されている。また、第２触媒下地膜１７として、これらの材料の膜を積層して用いてもよい。特に、第２グラフェン層１９の均一な成長を促進するために、第２触媒下地膜１７はＴａＮ膜およびＴｉＮ膜の積層膜であることが望ましい。また、第２触媒下地膜１７は、膜厚が例えば１ｎｍ程度であり、第２グラフェン層１９を均一に成長させるために連続であることが望ましい。なお、第２触媒下地膜１７は、第２グラフェン層１９の形成を容易にするために成膜することが望ましいが、成膜しなくても第２グラフェン層１９を成長させることができるため、成膜しなくてもよい。
【００３８】
第２触媒膜１８は、配線溝３０内の両側面に形成されている。より具体的には、第２触媒膜１８は、第２触媒下地膜１７と同様に配線溝３０内の両側面の第２触媒下地膜１７上に形成されている。また、第２触媒膜１８の端部（図面における下部側）は、配線溝３０内の底面の第１コンタクトプラグ１２に接していてもよい。この第２触媒膜１８は、第２グラフェン層１９を成長させるための本触媒である。
【００３９】
第２触媒膜１８は、第１触媒膜１５と同様の性質および構造を有する。すなわち、第２触媒膜１８は、例えばＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｒｕ、またはＣｕ等の単体金属の膜、少なくともこれらのいずれかを含む合金の膜、あるいはこれらの炭化物等の膜で構成されることが望ましい。ここで、第２触媒膜１８が分散して微粒子化した状態（不連続膜）であれば、第２グラフェン層１９がうまく成長できない、あるいは第２グラフェン層１９が不連続となって形成される可能性がある。このため、第２触媒膜１８は、連続膜であることが望ましい。このため、第２触媒膜１８の膜厚は少なくとも０．５ｎｍ以上である必要があり、例えば１ｎｍ程度である。
【００４０】
第２グラフェン層１９は、配線溝３０内の両側面の第２触媒膜１８上に形成されている。この第２グラフェン層１９は、第１グラフェン層１６と同様の性質および構造を有する。すなわち、第２グラフェン層１９は、紙面垂直方向に連続的に形成され、電子の移動経路はその方向に沿って形成される。また、第２グラフェン層１９は、第２触媒膜１８を触媒として成長する１〜１００枚程度のグラフェンシートからなり、量子化伝導特性を有する。
【００４１】
ここで、第２グラフェン層１９は、配線溝３０内の中央部に形成されている。すなわち、第２グラフェン層１９は、両側面の第２触媒膜１８のそれぞれからグラフェンシートが成長して配線溝３０内を埋め込み、中央部で一体となった構造である。より具体的には、第２グラフェン層１９は、両側面の第２触媒膜１８のそれぞれからグラフェンシートが例えば５枚程度ずつ積層されて、合わせて１０枚程度に積層されたグラフェンシートで構成されている。
【００４２】
なお、図１において、配線２０が３つのグラフェン層（２つの第１グラフェン層１６および１つの第２グラフェン層１９）を含む場合を示したが、４つ以上のグラフェン層を含んでもよい。また、配線溝３０内の中央部がグラフェン層によって埋め込まれず、その後に形成されるキャップ膜２１または第２コンタクト層絶縁膜２２によって埋め込まれてもよい。
【００４３】
また、図１において、配線層が１層の場合を示したが、２層以上の配線層を有してもよい。すなわち、第２コンタクト層３００上に、複数のグラフェン層からなる配線層２００と同様の配線層が形成されてもよい。
【００４４】
［製造方法］
図２乃至図６は、第１の実施形態に係るグラフェン配線の製造工程の断面図を示している。
【００４５】
まず、図２（ａ）に示すように、図示せぬ半導体素子が形成された基板１０上に、第１コンタクト層１００が形成される。具体的には、基板１０上に例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により第１コンタクト層絶縁膜１１が形成され、この第１コンタクト層絶縁膜１１に例えばリソグラフィ法により図示せぬコンタクトホールが形成される。このコンタクトホールに、例えばＣＶＤ法により第１コンタクトプラグ１２が埋め込まれる。このとき、第１コンタクトプラグ１２の導電材料金属の拡散を防止するために、コンタクトホールの表面に、図示せぬバリアメタルを形成してもよい。
【００４６】
次に、第１コンタクト層１００上に、例えばＣＶＤ法により図示せぬストッパ膜が形成されてもよい。このストッパ膜により、配線層絶縁膜１３のＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法による加工の深さが均一に揃えられる。なお、配線層絶縁膜１３と第１コンタクト層１００の加工選択比が十分に高い場合、ストッパ膜が形成されなくても、配線層絶縁膜１３の加工の深さを十分に制御することができる。
【００４７】
次に、図２（ｂ）に示すように、第１コンタクト層１００上に、例えばＣＶＤ法により配線層絶縁膜１３が形成される。この配線層絶縁膜１３上に、ＲＩＥ工程およびＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）工程におけるダメージの保護膜となる図示せぬキャップ膜が形成されてもよい。配線層絶縁膜１３がＲＩＥのダメージに強い膜、例えばＴＥＯＳで構成される場合、またはポア(微小空ホール)を含まないＳｉＯＣで構成される場合、キャップ膜は形成されなくてもよい。
【００４８】
次に、図３（ａ）に示すように、配線層絶縁膜１３上に、図示せぬレジストが塗布され、リソグラフィ工程が行われる。その後、配線層絶縁膜１３に、ＲＩＥにより配線溝３０が設けられ、シングルダマシン配線構造が形成される。
【００４９】
次に、図３（ｂ）に示すように、全面に、例えばＣＶＤ法またはＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法により第１触媒下地膜１４が形成される。すなわち、第１触媒下地膜１４は、配線溝３０内の底面の第１コンタクト層１００上、配線溝３０内の両側面の配線層絶縁膜１３上および配線溝３０外の上面（配線溝３０以外の平坦部）の配線層絶縁膜１３上に形成される。なお、第１触媒下地膜１４は、形成されなくてもよい。
【００５０】
次に、図４（ａ）に示すように、並進性（異方性）の高いＲＩＥ法によりエッチバック処理が行われる。これにより、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面の第１触媒下地膜１４がエッチバックされる。すなわち、第１触媒下地膜１４は、配線溝３０内の両側面のみに残存し、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面から除去される。
【００５１】
次に、図４（ｂ）に示すように、全面に、例えばＣＶＤ法、ＰＶＤ法、または吹き付け法により第１触媒膜１５が形成される。すなわち、第１触媒膜１５は、配線溝３０内の底面の第１コンタクト層１００上、配線溝３０内の側面の第１触媒下地膜１４上および配線溝３０外の上面の配線層絶縁膜１３上に形成される。また、第１触媒膜１５は、連続膜として形成されることが望ましい。
【００５２】
次に、図５（ａ）に示すように、並進性（異方性）の高いＲＩＥ法によりエッチバック処理が行われる。これにより、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面の第１触媒膜１５がエッチバックされる。すなわち、第１触媒膜１５は、配線溝３０内の両側面のみに残存し、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面から除去される。
【００５３】
なお、第１触媒下地膜１４および第１触媒膜１５を形成した後、並進性（異方性）の高いＲＩＥ法によりエッチバック処理が行われ、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面の第１触媒下地膜１４および第１触媒膜１５を同時に除去してもよい。
【００５４】
次に、図５（ｂ）に示すように、配線溝３０内の両側面の第１触媒膜１５上に、１〜１００枚程度のグラフェンシートからなる第１グラフェン層１６が形成される。このとき、第１触媒膜１５が配線溝３０内の両側面のみに形成されているため、第１グラフェン層１６は配線溝３０内の両側面から垂直方向に成長する。すなわち、第１グラフェン層１６は、両側面から垂直方向に積層された複数（１〜１００枚程度）のグラフェンシートからなり、そのグラフェンシートの面は配線溝３０内の側面に対して平行で、かつ底面に対して垂直である。また、複数のグラフェンシートのそれぞれの面の下端部が第１コンタクトプラグ１２に直接接続されるように形成される。
【００５５】
第１グラフェン層１６は、例えばＣＶＤ法により形成される。ＣＶＤ法の炭素源としてメタン、アセチレン等の炭化水素系ガスまたはその混合ガスが用いられ、キャリアガスとして水素や希ガスが用いられる。
【００５６】
これらの成分ガスを用いて単一条件のＣＶＤ法によってグラフェンシートを成長させることもできるが、多段階処理によってグラフェンシートを成長させることもできる。以下に、多段階処理によるグラフェンシートの成長について説明する。
【００５７】
まず、第１グラフェン層１６を形成する前に、第１触媒膜１５の微粒子への凝集を抑制するために、第１触媒膜１５に対してプラズマ処理が行われる。このようにして、第１触媒膜１５の微粒子化を防ぎ、第１触媒膜１５表面の連続性を保つことにより、第１グラフェン層１６の均一な成長を促進させることができる。放電ガスとして水素または希ガスが用いられることが望ましいが、どちらか一方または両方を含んだ混合ガスが用いられてもよい。処理温度は、できる限り低温である方が効果は高く、室温であることが望ましい。また、このプラズマは比較的強いほうが望ましく、高パワーリモートプラズマやプラズマに曝露させるほうがより効果が高まる。
【００５８】
次に、第１触媒膜１５の炭化処理が行われる。放電ガスとしてメタンなどの炭化水素系、またはその混合ガスが用いられる。この処理温度は、後述する最終工程のグラフェンシートの形成より低い温度かつグラフェンシートが形成されうる温度である必要があり、例えば１５０〜６００℃程度であることが望ましい。また、処理時間は、短くてよい。この処理も比較的強いプラズマを用いて行われることが望ましい。
【００５９】
次に、炭化層良質化および触媒活性化のために、第１触媒膜１５に対してプラズマ処理が行われる。放電ガスとして希ガスが用いられることが望ましい。処理温度は、前工程の処理温度と次工程の処理温度との間の温度でよいが、これに限らない。この処理は比較的弱いプラズマでよいので、リモートプラズマを用いて行われることが望ましい。
【００６０】
最後に、グラフェンシートの形成が行われる。放電ガスとして炭化水素系ガスまたはその混合ガスが用いられる。処理温度の上限は１０００℃程度、下限は２００℃程度である。処理温度が２００℃を下回ると成長速度が得られず、グラフェンシートの成長がほとんど起こらない。２００℃以上でグラフェンシートの成長が起こり、均一な第１グラフェン層１６が形成される。このため、処理温度は特に３５０℃程度であることが望ましい。このようなグラフェンシートの形成の処理温度は、通常のＬＳＩデバイスにおける配線形成工程の温度と同等あるいはそれ以下である。このため、上述したグラフェンシートの形成は、半導体プロセスとの親和性に優れている。
【００６１】
この処理では、イオンおよび電子を除去し、ラジカルのみを基板に供給することが重要である。このため、非常に弱いプラズマをリモート化して用いることが望ましい。さらにイオンおよび電子を除去するために、基板上部に電極を設置し電圧を印加するのも効果的である。この印加電圧は、０〜±１００Ｖ程度であることが望ましい。
【００６２】
このような多段階処理によるグラフェンシートの形成工程は、単一条件のＣＶＤ法によるグラフェンシートの形成工程に比べて、形成温度の低温化や高品質化(均一成長)を実現することができる。プロセス温度の上限値はＬＳＩデバイスにより異なるが、できる限り低温であることが望ましい。すなわち、グラフェンシートの形成温度の低温化により、ＬＳＩデバイス全体の特性の向上を図ることができる。また、グラフェンシートの高品質化(均一成長)により、電気伝導が容易になり、低抵抗配線を実現することができる。
【００６３】
次に、図６（ａ）に示すように、図３（ｂ）、図４（ａ）、図４（ｂ）、図５（ａ）、および図５（ｂ）の工程が繰り返し行われる。
【００６４】
より具体的には、まず、全面に、例えばＣＶＤ法またはＰＶＤ法により第２触媒下地膜１７が形成される。すなわち、第２触媒下地膜１７は、配線溝３０内の底面の第１コンタクト層１００上、配線溝３０内の両側面の第１グラフェン層１６上および配線溝３０外の上面に形成される。その後、並進性（異方性）の高いＲＩＥ法によりエッチバック処理が行われる。これにより、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面の第２触媒下地膜１７がエッチバックされる。すなわち、第２触媒下地膜１７は、配線溝３０内の両側面のみに残存し、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面から除去される。
【００６５】
次に、全面に、例えばＣＶＤ法、ＰＶＤ法、または吹き付け法により第２触媒膜１８が形成される。すなわち、第２触媒膜１８は、配線溝３０内の底面の第１コンタクト層１００上、配線溝３０内の側面の第２触媒下地膜１７上および配線溝３０外の上面に形成される。その後、並進性（異方性）の高いＲＩＥ法によりエッチバック処理が行われる。これにより、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面の第２触媒膜１８がエッチバックされる。すなわち、第２触媒膜１８は、配線溝３０内の両側面のみに残存し、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面から除去される。
【００６６】
次に、配線溝３０内の両側面の第２触媒膜１８上に、１〜１００枚程度のグラフェンシートからなる第２グラフェン層１９が形成される。第２グラフェン層１９は、第１グラフェン層１６と同様の方法により形成される。このとき、第２触媒膜１８が配線溝３０内の両側面のみに形成されているため、第２グラフェン層１９は配線溝３０内の両側面から垂直方向に成長する。すなわち、第２グラフェン層１９は、両側面から垂直方向に積層された複数（１〜１００枚程度）のグラフェンシートからなり、そのグラフェンシートの面は配線溝３０内の側面に対して平行で、かつ底面に対して垂直である。また、複数のグラフェンシートのそれぞれの面の下端部が第１コンタクトプラグ１２に直接接続されるように形成される。
【００６７】
ここで、第２グラフェン層１９は、両側面の第２触媒膜１８のそれぞれからグラフェンシートが成長して配線溝３０内を埋め込み、中央部で一体となった構造である。
【００６８】
これにより、第１触媒下地膜１４、第１触媒膜１５、第１グラフェン層１６、第２触媒下地膜１７、第２触媒膜１８、および第２グラフェン層１９で構成される配線２０を含む配線層２００が形成される。
【００６９】
次に、図６（ｂ）に示すように、配線層２００上に、配線層２００を構成する材料の外部への拡散、および配線層２００を構成する材料の酸化を防止するためのキャップ膜２１が形成される。このキャップ膜２１は、第２コンタクト層３００のエッチング加工の制御層としても機能する。なお、キャップ膜２１は、形成されなくてもよい。
【００７０】
次に、図１に示すように、配線層２００上に、第２コンタクト層３００が形成される。具体的には、配線層２００上に例えばＣＶＤ法により第２コンタクト層絶縁膜２２が形成され、この第２コンタクト層絶縁膜２２に例えばリソグラフィ法により図示せぬコンタクトホールが形成される。このとき、コンタクトホールが形成される領域のキャップ膜２１も開口される。このコンタクトホールに、例えばＣＶＤ法により第２コンタクトプラグ２３が埋め込まれる。このとき、第２コンタクトプラグ２３の導電材料金属の拡散を防止するために、コンタクトホールの表面に、図示せぬバリアメタルを形成してもよい。
【００７１】
このようにして、本実施形態におけるグラフェン配線が形成される。
【００７２】
［効果］
上記第１の実施形態によれば、配線２０が複数のグラフェン層（２つの第１グラフェン層１６、および１つの第２グラフェン層１９）を有し、各グラフェン層は、配線溝３０の両側面に垂直方向に積層され、面の端部がコンタクトプラグ（第１コンタクトプラグ１２、および第２コンタクトプラグ２３）に直接接続される複数のグラフェンシートで構成されている。これにより、面の端部がコンタクトプラグに直接接続される全てのグラフェンシートが電気伝導に関与することができ、低抵抗な配線構造を実現できる。
【００７３】
また、各グラフェン層は、１〜１００枚程度のグラフェンシートで構成されている。このため、グラフェンシートを積層し過ぎることによって生じるグラフェンシート間の相互作用による高抵抗化の問題を解消することができる。すなわち、全てのグラフェン層が量子化伝導特性を有することができる。したがって、量子化伝導特性を有する複数のグラフェン層によって配線溝３０を埋め込むことで、グラフェンシート間の相互作用による高抵抗化の問題を懸念することなく電気伝導のパスとなるグラフェンシートの絶対数（積層数）を増やすことができ、より低抵抗な配線構造を実現できる。
【００７４】
［変形例］
以下に、図７および図８を用いて、第１の実施形態に係るグラフェン配線の変形例について説明する。
【００７５】
図７および図８は、第１の実施形態に係るグラフェン配線の変形例における製造工程の断面図を示している。
【００７６】
まず、図６（ａ）の工程まで行われる。すなわち、第１触媒下地膜１４、第１触媒膜１５、第１グラフェン層１６、第２触媒下地膜１７、第２触媒膜１８、および第２グラフェン層１９で構成される配線２０を含む配線層２００が形成される。
【００７７】
このとき、図７（ａ）に示すように、第１グラフェン層１６または第２グラフェン層１９を形成する際、配線溝３０外の上面の配線層絶縁膜１３上に、グラフェン副生成物７０が形成される。このグラフェン副生成物７０は、例えばアモルファスカーボン等の炭素系化合物である。このため、グラフェン副生成物７０は導電性を有し、配線間におけるリーク電流の要因となる可能性がある。
【００７８】
これに対し、変形例では、図７（ｂ）に示すように、配線溝３０外の上面の配線層絶縁膜１３上に形成されたグラフェン副生成物７０を除去する。これにより、グラフェン副生成物７０による配線間のリーク電流の発生を抑制することができる。
【００７９】
このグラフェン副生成物７０の除去は、例えばＣＭＰまたはＲＩＥにより行われるが、ＲＩＥで行われることがより望ましい。これは、ＲＩＥによって第１グラフェン層１６および第２グラフェン層１９の上端部にダメージが与えられることで、第１グラフェン層１６および第２グラフェン層１９が多様なバンドギャップを有することになり、第２コンタクトプラグ２３とのコンタクトマージンが大きくなるためである。すなわち、コンタクト材料として、種々の仕事関数を有する材料を用いることができる。
【００８０】
なお、全てのグラフェン副生成物７０を除去する必要はなく、一部を除去することで配線間におけるグラフェン副生成物７０を不連続にするだけでもよい。また、グラフェン副生成物７０がリーク電流の要因とならない場合、グラフェン副生成物７０は除去されなくてもよい。
【００８１】
さらに、図８（ａ）に示すように、ＲＩＥにより配線層絶縁膜１３を過剰に除去してもよい。これにより、配線層絶縁膜１３の上面から配線２０の上端部が突出する。すなわち、配線層絶縁膜１３の上面が配線２０の上端部よりも低くなり、配線層絶縁膜１３と配線２０との間にリセス８０が形成される。このリセス８０は、配線層絶縁膜１３上に図示せぬ犠牲層を形成し、除去することで形成されてもよい。このようにして、配線層絶縁膜１３の上面を過剰に除去することで、グラフェン副生成物７０を完全に除去することができる。
【００８２】
その後、図８（ｂ）に示すように、全面に、キャップ膜２１が形成される。このとき、リセス８０が形成されていることで、配線２０の突出した上端部を覆うようにキャップ膜２１が形成される。言い換えると、隣接する配線２０の上端部の間の領域Ａは、同一の絶縁膜（キャップ膜２１）で満たされている。
【００８３】
通常、配線２０の上端部と配線層絶縁膜１３の上面は同じ高さである。すなわち、配線２０の上端部には、絶縁膜の界面（例えば、配線層絶縁膜１３とキャップ膜２１との界面）が存在し、この界面に沿って配線間でリーク電流が発生する。これに対し、本実施形態では、隣接する配線２０の上端部の間の領域Ａには、絶縁膜の界面（例えば、配線層絶縁膜１３とキャップ膜２１との界面）が存在せず、同一の絶縁膜（キャップ膜２１）で満たされる。これにより、リーク電流の発生をより抑制することができる。
【００８４】
＜第２の実施形態＞
以下に、図９および図１０を用いて、第２の実施形態に係るグラフェン配線について説明する。第１の実施形態は、主に素子領域にグラフェン配線が適用された。これに対し、第２の実施形態は、周辺回路領域にグラフェン配線が適用される例である。なお、第２の実施形態において、上記第１の実施形態と同様の点については説明を省略し、異なる点について説明する。
【００８５】
［構造］
図９は、第２の実施形態に係るグラフェン配線の断面図を示している。
【００８６】
図９に示すように、第２の実施形態において、第１の実施形態と異なる点は、周辺回路領域における配線２０が金属層９１を含む点である。
【００８７】
より具体的には、周辺回路領域における配線２０は、素子領域における配線溝３０よりも幅の大きい配線溝９０内に形成され、第１触媒下地膜１４、第１触媒膜１５、第１グラフェン層１６、第２触媒下地膜１７、第２触媒膜１８、第２グラフェン層１９、および金属層９１で構成されている。なお、素子領域における配線２０は、第１の実施形態と同様の構造であるため、説明は省略する。
【００８８】
周辺回路領域において、第１触媒下地膜１４は、配線溝９０内の両側面の配線層絶縁膜１３上のみに形成されている。第１触媒膜１５は、配線溝９０内の両側面の第１触媒下地膜１４上のみに形成されている。第１グラフェン層１６は、配線溝９０内の両側面の第１触媒膜１５上に形成され、第１触媒膜１５を触媒として成長する１〜１００枚程度のグラフェンシートからなる。第２触媒下地膜１７は、配線溝９０内の両側面の第１グラフェン層１６上のみに形成されている。第２触媒膜１８は、配線溝９０内の両側面の第２触媒下地膜１５上のみに形成されている。第２グラフェン層１９は、配線溝９０内の両側面の第２触媒膜１８上に形成され、第２触媒膜１８を触媒として成長する１〜１００枚程度のグラフェンシートからなる。
【００８９】
これら周辺回路領域における第１触媒下地膜１４、第１触媒膜１５、第１グラフェン層１６、第２触媒下地膜１７、第２触媒膜１８、および第２グラフェン層１９はそれぞれ、素子領域における第１触媒下地膜１４、第１触媒膜１５、第１グラフェン層１６、第２触媒下地膜１７、第２触媒膜１８、および第２グラフェン層１９と同等の膜厚である。
【００９０】
金属層９１は、配線溝９０内の両側面の第２グラフェン層１９上で、かつ配線溝９０内の中央部に形成されている。言い換えると、金属層９１は、配線溝９０内の中央部に埋め込まれている。この金属層９１は、例えばＷ、ＣｕまたはＡｌの単体金属で構成されている。
【００９１】
なお、図９において、第１コンタクトプラグ１２および第２コンタクトプラグ２３はそれぞれ、金属層９１の下端部および上端部で接続されているが、第１グラフェン層１６および第２グラフェン層１９の下端部および上端部に接続されていてもよい。
【００９２】
［製造方法］
図１０は、第２の実施形態に係るグラフェン配線の製造工程の断面図を示している。
【００９３】
まず、第１の実施形態における図６（ａ）の工程まで行われる。すなわち、素子領域において、第１触媒下地膜１４、第１触媒膜１５、第１グラフェン層１６、第２触媒下地膜１７、第２触媒膜１８、および第２グラフェン層１９で構成される配線２０を含む配線層２００が形成される。このとき、周辺回路領域においても、配線層２００が同時に形成される。
【００９４】
しかし、図１０に示すように、周辺回路領域における配線溝９０の幅は、素子領域における配線溝３０の幅よりも大きい。このため、第２グラフェン層１９を形成する工程まででは配線溝９０内の中央部は埋め込まれない。
【００９５】
これに対し本実施形態では、次に、図９に示すように、配線溝９０内の両側面の第２グラフェン層１９上で、かつ配線溝９０内の中央部に、金属層９１が充填される。この金属層９１は、例えばＰＶＤ法またはＣＶＤ法により形成される。
【００９６】
その後、例えばＣＭＰにより周辺回路領域および素子領域の配線溝９０外の上面に余剰に形成された金属層９１が除去され、配線溝９０内のみに金属層９１が残存する。
【００９７】
その後の工程は、第１の実施形態と同様のため、説明は省略する。
【００９８】
［効果］
上記第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００９９】
さらに、第２の実施形態では、素子領域と同時に周辺回路領域における配線層２００を形成する。その後、周辺回路領域における配線溝９０内の中央部に金属層９１を充填する。このように、周辺回路領域では、配線２０の幅が素子領域と比べて十分大きいため、グラフェン層で配線溝９０を埋め込まなくても、通常の金属材料で低抵抗配線を実現することが可能である。すなわち、幅の大きい周辺回路領域における配線溝９０をグラフェン層で埋め込む必要がなく、途中から金属層９１を充填すればよいため、プロセスを容易にし、かつプロセスの時間を短縮することができる。
【０１００】
＜第３の実施形態＞
以下に、図１１および図１２を用いて、第３の実施形態に係るグラフェン配線について説明する。第３の実施形態は、第２の実施形態の変形例であり、周辺回路領域における配線溝の中央部が絶縁膜で充填される例である。なお、第３の実施形態において、上記各実施形態と同様の点については説明を省略し、異なる点について説明する。
【０１０１】
［構造］
図１１は、第３の実施形態に係るグラフェン配線の断面図を示している。
【０１０２】
図１１に示すように、第３の実施形態において、第２の実施形態と異なる点は、周辺回路領域における配線２０が配線溝１１０内の一方の側面に形成された複数のグラフェン層で構成される点である。
【０１０３】
より具体的には、周辺回路領域における配線２０は、素子領域における配線溝３０よりも幅の大きい配線溝１１０内に形成され、配線溝１１０内の一方の側面に形成された第１触媒下地膜１４、第１触媒膜１５、第１グラフェン層１６、第２触媒下地膜１７、第２触媒膜１８、および第２グラフェン層１９で構成されている。なお、素子領域における配線２０は、第１の実施形態と同様の構造であるため、説明は省略する。
【０１０４】
周辺回路領域において、第１触媒下地膜１４は、配線溝１１０内の一方の側面の配線層絶縁膜１３上のみに形成されている。第１触媒膜１５は、配線溝１１０内の一方の側面の第１触媒下地膜１４上のみに形成されている。第１グラフェン層１６は、配線溝１１０内の一方の側面の第１触媒膜１５上に形成され、第１触媒膜１５を触媒として成長する１〜１００枚程度のグラフェンシートからなる。第２触媒下地膜１７は、配線溝１１０内の一方の側面の第１グラフェン層１６上のみに形成されている。第２触媒膜１８は、配線溝１１０内の一方の側面の第２触媒下地膜１５上のみに形成されている。第２グラフェン層１９は、配線溝１１０内の一方の側面の第２触媒膜１８上に形成され、第２触媒膜１８を触媒として成長する１〜１００枚程度のグラフェンシートからなる。
【０１０５】
このように配線溝１１０内の一方の側面に形成された配線２０（グラフェン層）の下端部および上端部がそれぞれ、第１コンタクトプラグ１２および第２コンタクトプラグ２３に接続されている。
【０１０６】
一方、配線溝１１０内の他方の側面に、ダミー配線２０’が形成されている。このダミー配線２０’は、配線溝１１０内の一方の側面に形成された配線２０と同様の構造（ミラー対称構造）を有している。すなわち、ダミー配線２０’は、配線溝１１０内の他方の側面の配線層絶縁膜１３上から順に形成された第１触媒下地膜１４’、第１触媒膜１５’、第１グラフェン層１６’、第２触媒下地膜１７’、第２触媒膜１８’、および第２グラフェン層１９’で構成されている。
【０１０７】
これら配線２０とダミー配線２０’との間、すなわち、配線溝１１０内の中央部に第２コンタクト層絶縁膜２２およびキャップ膜２１が充填されている。
【０１０８】
［製造方法］
図１２は、第３の実施形態に係るグラフェン配線の製造工程の断面図を示している。
【０１０９】
まず、第１の実施形態における図６（ａ）の工程まで行われる。すなわち、素子領域において、第１触媒下地膜１４、第１触媒膜１５、第１グラフェン層１６、第２触媒下地膜１７、第２触媒膜１８、および第２グラフェン層１９で構成される配線２０を含む配線層２００が形成される。
【０１１０】
このとき、周辺回路領域においても、配線層２００が同時に形成される。すなわち、周辺回路領域における配線２０およびダミー配線２０’が形成される。ここで、周辺回路領域における配線溝１１０を形成する際、第１コンタクトプラグ１２が配線溝１１０の一方の端部（一方の側面側）で露出するように、配線溝１１０が形成される。これにより、配線溝１１０内の一方の側面に形成された配線２０（グラフェン層）の下端部が第１コンタクトプラグ１２に直接接続される。
【０１１１】
しかし、図１２に示すように、周辺回路領域における配線溝１１０の幅は、素子領域における配線溝３０の幅よりも大きい。このため、第２グラフェン層１９（第２グラフェン層１９’）を形成する工程まででは配線溝１１０内の中央部は埋め込まれない。
【０１１２】
これに対し本実施形態では、次に、図１１に示すように、全面に、キャップ膜２１および第２コンタクト層絶縁膜２２が形成され、配線２０とダミー配線２０’との間、すなわち配線溝１１０内の中央部が充填される。
【０１１３】
その後の工程は、第１の実施形態と同様のため、説明は省略する。
【０１１４】
［効果］
上記第３の実施形態によれば、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１１５】
さらに、第３の実施形態では、第２の実施形態と比べて、金属層９１を充填することなく、キャップ膜２１および第２コンタクト層絶縁膜２２を形成することで、配線溝１１０を充填している。これにより、よりプロセスを容易にし、かつプロセスの時間を短縮することができる。
【０１１６】
また、周辺回路領域において、配線２０だけでなく、それと同様の構造を有するダミー配線２０’も形成されている。このように、配線２０付近に同様の構造を有するダミー配線２０’を形成することで、後に行われるＣＭＰの際にＣＭＰレートのバランスがとりやすくなり、ＣＭＰの平坦性が向上する。
【０１１７】
＜第４の実施形態＞
以下に、図１３および図１４を用いて、第４の実施形態に係るグラフェン配線について説明する。第４の実施形態は、配線２０が上端部および下端部に凹凸を有している例である。なお、第４の実施形態において、上記第１の実施形態と同様の点については説明を省略し、異なる点について説明する。
【０１１８】
［構造］
図１３は、第４の実施形態に係るグラフェン配線の断面図を示している。
【０１１９】
図１３に示すように、第４の実施形態において、第１の実施形態と異なる点は、配線２０の上端部および下端部に、丸みおよび段差が生じている点である。
【０１２０】
より具体的には、配線２０の上端部および下端部は、丸みおよび段差が生じることで配線溝３０内の側面側から中央部に向けて低くなるように形成されている。丸みは、第１触媒下地膜１４、第１触媒膜１５、第１グラフェン層１６、第２触媒下地膜１７、第２触媒膜１８、および第２グラフェン層１９のそれぞれの上端部および下端部において、全面に生じている。また、段差は、第１触媒下地膜１４と第１触媒膜１５との界面、第１グラフェン層１６と第２触媒下地膜１７との界面、第２触媒下地膜１７と第２触媒膜１８との界面において生じている。これは、後述する製造工程において、第１触媒下地膜１４、第１触媒膜１５、第２触媒下地膜１７、および第２触媒膜１８を加工する際のＲＩＥの制御によって生じるものである。
【０１２１】
［製造方法］
図１４は、第４の実施形態に係るグラフェン配線の製造工程の断面図を示している。
【０１２２】
まず、第１の実施形態における図３（ｂ）の工程まで行われる。すなわち、全面に、例えばＣＶＤ法またはＰＶＤ法により第１触媒下地膜１４が形成される。
【０１２３】
次に、図１４（ａ）に示すように、並進性（異方性）の高いＲＩＥ法によりエッチバック処理が行われる。これにより、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面の第１触媒下地膜１４がエッチバックされる。すなわち、第１触媒下地膜１４は、配線溝３０内の両側面のみに残存し、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面から除去される。
【０１２４】
このとき、ＲＩＥ法によるエッチバック処理が過剰に行われる。これにより、配線溝３０内の底面がエッチバックされる。特に、配線溝３０内の底面の中央部が過剰にエッチバックされるため、底面に丸みが生じて側面側から中央部に向けて低くなるように形成される。すなわち、第１コンタクトプラグ１２の上面が、側面側から中央部に向けて低くなるような丸みを有する形状となる。
【０１２５】
その後、全面に、例えばＣＶＤ法、ＰＶＤ法、または吹き付け法により第１触媒膜１５が形成され、並進性（異方性）の高いＲＩＥ法によりエッチバック処理が行われる。これにより、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面の第１触媒膜１５がエッチバックされる。すなわち、第１触媒膜１５は、配線溝３０内の両側面のみに残存し、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面から除去される。
【０１２６】
このとき、第１触媒下地膜１４のときと同様に、ＲＩＥ法によるエッチバック処理が過剰に行われ、配線溝３０内の底面がさらにエッチバックされる。これにより、配線溝３０内の底面にさらに丸みが生じて側面側から中央部に向けて低くなるように形成される。
【０１２７】
次に、図１４（ｂ）に示すように、配線溝３０内の両側面の第１触媒膜１５上に、１〜１００枚程度のグラフェンシートからなる第１グラフェン層１６が形成される。複数のグラフェンシートのそれぞれの面の下端部が、上面に丸みを有する第１コンタクトプラグ１２に直接接続されるように形成される。
【０１２８】
その後、図１３に示すように、上記の工程が繰り返し行われる。
【０１２９】
より具体的には、まず、全面に、例えばＣＶＤ法またはＰＶＤ法により第２触媒下地膜１７が形成され、並進性（異方性）の高いＲＩＥ法によりエッチバック処理が行われる。さらに、全面に、例えばＣＶＤ法、ＰＶＤ法、または吹き付け法により第２触媒膜１８が形成され、並進性（異方性）の高いＲＩＥ法によりエッチバック処理が行われる。上述したように、それぞれのエッチバック処理は、適宜過剰に行われることが望ましい。このように、エッチバック処理を過剰に行うことで、第１コンタクトプラグ１２の上面に丸みとともに段差形状が生じる。
【０１３０】
なお、第１触媒下地膜１４および第１触媒膜１５を形成した後、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面の第１触媒下地膜１４および第１触媒膜１５を同時に除去してもよい。また、同様に、第２触媒下地膜１７および第２触媒膜１８を形成した後、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面の第２触媒下地膜１７および第２触媒膜１８を同時に除去してもよい。
【０１３１】
次に、配線溝３０内の両側面の第２触媒膜１８上に、１〜１００枚程度のグラフェンシートからなる第２グラフェン層１９が形成される。複数のグラフェンシートのそれぞれの面の下端部が、上面に丸みおよび段差形状を有する第１コンタクトプラグ１２に直接接続されるように形成される。
【０１３２】
このようにして、第１触媒下地膜１４、第１触媒膜１５、第１グラフェン層１６、第２触媒下地膜１７、第２触媒膜１８、および第２グラフェン層１９で構成される配線２０を含む配線層２００が形成される。この配線２０は、下端部だけではなく、上端部にも丸みおよび段差形状を有している。
【０１３３】
その後、配線層２００上に、第２コンタクト層３００が形成される。このとき、第２コンタクトプラグ２３の下面が、上端部に丸みまたは段差形状を有する配線２０上に、直接接続されるように形成される。
【０１３４】
［効果］
上記第４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１３５】
さらに、第４の実施形態では、配線２０が下端部および上端部に丸みを有している。これにより、配線２０における第１触媒下地膜１４、第１触媒膜１５、第２触媒下地膜１７、および第２触媒膜１８と第１コンタクトプラグ１２および第２コンタクトプラグ２３との接触面積を増大させることができ、コンタクト抵抗を低減することができる。
【０１３６】
ところで、通常、第１グラフェン層１６および第２グラフェン層１９において、複数のグラフェンシートの面の端部は、同一の高さに形成されない場合がある。その場合、第１コンタクトプラグ１２および第２コンタクトプラグ２３に直接接続されないグラフェンシートも存在する。
【０１３７】
これに対し、本実施形態では、配線２０の下端部および上端部に丸みまたは段差形状が設けられる。これにより、通常、第１コンタクトプラグ１２および第２コンタクトプラグ２３に直接接続されないはずのグラフェンシートも直接接続される可能性が高くなる。したがって、第１コンタクトプラグ１２および第２コンタクトプラグ２３に直接接続されるグラフェンシートの枚数が多くなり、低抵抗な配線構造を実現できる。
【０１３８】
その他、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【符号の説明】
【０１３９】
１２…第１コンタクトプラグ、１３…配線層絶縁膜、１４…第１触媒膜、１６…第１グラフェン層、１６ａ〜１６ｅ…グラフェンシート、１７…第２触媒膜、１９…第２グラフェン層、２３…第２コンタクトプラグ、３０…配線溝。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、グラフェン配線およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最先端デバイスに用いられるＬＳＩ配線構造において、その金属配線の微細化が進んでいる。微細化、薄膜化された金属配線では、その配線幅またはその配線高さが伝導電子の平均自由工程に近づくにつれて、電子の界面非弾性散乱による電気抵抗率の上昇が顕著となる。
【０００３】
例えば、最先端デバイスの低抵抗配線材料として用いられる銅（Ｃｕ）において、伝導電子の平均自由工程は約４０ｎｍである。このため、配線幅または配線高さが４０ｎｍに近づくにつれて電気抵抗率の上昇は顕著になる。さらに、配線幅または配線高さが伝導電子の平均自由工程以下の寸法になると、電気抵抗率の上昇はより顕著になる。
【０００４】
このような金属配線における電気抵抗率の上昇によって、多層配線を流れる信号の遅延（ＲＣ遅延）が生じ、ＬＳＩの性能が低下してしまう。また、金属配線における抵抗は、金属の電気抵抗率だけでなく、その配線長によっても決定される。このため、ＲＣ遅延は、特に配線長が長い配線ほど深刻となる。すなわち、上述した問題に対する本質的な解決には、配線材料の代替が必要である。
【０００５】
そこで近年、低抵抗材料として炭素系材料を配線に応用する研究が世界的に活発化してきている。低抵抗を期待される代表的な炭素系材料として、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ：Carbon Nanotube）がある。カーボンナノチューブは、種々のナノ構造の違いにより、様々な量子効果を発現し、絶縁体／半導体／導体と作り分けることが可能である。特に、導体としてカーボンナノチューブが形成された場合、量子化伝導(バリスティック伝導)が期待される。このため、カーボンナノチューブは、既存の金属材料(例えば、Ｃｕ配線)に替わる超低抵抗材料として利用することができる。また、バリスティック長の長さから、長距離配線の電気伝導により有利であることが期待できる。
【０００６】
しかしながら、カーボンナノチューブは、横方向（面内方向）に均一に成長させることが非常に困難である。このため、カーボンナノチューブを面内方向の配線材料として単純に置き換えることはできない。また、カーボンナノチューブは、折り曲げることが困難である。このため、カーボンナノチューブを用いて配線の屈折構造等を形成することができず、パターンのレイアウトに大きな制約を与えてしまう。
【０００７】
一方、カーボンナノチューブと同様の量子化伝導特性を有する材料として、グラフェンを配線材料に応用する研究が活発に行われている。グラフェンは、グラファイトを極めて薄くした新規炭素材料である。このため、グラフェンは、カーボンナノチューブと同様にその量子化伝導によって、金属配線に替わるＬＳＩ用低抵抗配線として使用することが期待される。また、バリスティック長も非常に長いため、長距離配線の電気伝導により有利である。さらに、グラフェン構造自体が極薄膜（単層膜）であるため、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法にて成膜することが可能である。すなわち、グラフェンは、デバイスの横方向配線の形成プロセスに対して優れた整合性を持つ。
【０００８】
ここで、グラフェンを配線として用いた場合の配線の抵抗は、グラフェン１枚当たりの量子化抵抗とグラフェンの積層数により決定される。すなわち、グラフェンの積層数が少ないと高抵抗となり、積層数が多いと低抵抗になる。しかし、積層数が多くなり過ぎるとグラフェン間の相互作用が強くなり、キャリアの移動度が低下し、高抵抗化する問題が生じる。
【０００９】
さらに、グラフェン間の結合はグラフェン面内の結合とは異なるため、電気伝導もグラフェン間とグラフェン面内では異なることが考えられる。すなわち、グラフェン面内の電気伝導と比較して、グラフェン間の電気伝導が高抵抗伝導になる可能性がある。
【００１０】
このように、グラフェン配線において、さらなる低抵抗を実現させることが求められている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Byung Jin Kang, et al, "Monolayer graphene growth on sputtered thin film platinum" JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 106, 104309-1-104309-6 (2009)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
配線構造における電気特性の向上を図るグラフェン配線およびその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本実施形態によるグラフェン配線は、配線溝を有する絶縁膜と、前記配線溝内の両側面の前記絶縁膜上に形成された第１触媒膜と、前記配線溝内の両側面の前記第１触媒膜上に形成され、両側面に対して垂直方向に積層された複数のグラフェンシートで構成された第１グラフェン層と、を具備する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態に係るグラフェン配線の構造を示す断面図。
【図２】第１の実施形態に係るグラフェン配線の製造工程を示す断面図。
【図３】図２に続く、第１の実施形態に係るグラフェン配線の製造工程を示す断面図。
【図４】図３に続く、第１の実施形態に係るグラフェン配線の製造工程を示す断面図。
【図５】図４に続く、第１の実施形態に係るグラフェン配線の製造工程を示す断面図。
【図６】図５に続く、第１の実施形態に係るグラフェン配線の製造工程を示す断面図。
【図７】第１の実施形態に係るグラフェン配線の変形例における製造工程を示す断面図。
【図８】図７に続く、第１の実施形態に係るグラフェン配線の変形例における製造工程を示す断面図。
【図９】第２の実施形態に係るグラフェン配線の構造を示す断面図。
【図１０】第２の実施形態に係るグラフェン配線の製造工程を示す断面図。
【図１１】第３の実施形態に係るグラフェン配線の構造を示す断面図。
【図１２】第３の実施形態に係るグラフェン配線の製造工程を示す断面図。
【図１３】第４の実施形態に係るグラフェン配線の構造を示す断面図。
【図１４】第４の実施形態に係るグラフェン配線の製造工程を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本実施形態を以下に図面を参照して説明する。図面において、同一部分には同一の参照符号を付す。
【００１６】
＜第１の実施形態＞
以下に、図１乃至図６を用いて、第１の実施形態に係るグラフェン配線について説明する。第１の実施形態は、配線として複数のグラフェンを配線溝内の側面に対して垂直方向に積層する例である。
【００１７】
［構造］
図１（ａ）は、第１の実施形態に係るグラフェン配線の断面図を示している。図１（ｂ）は、図１（ａ）の破線部の拡大図を示している。なお、図１（ｂ）において、後述するキャップ膜２１は、省略している。
【００１８】
図１（ａ）に示すように、配線構造の一例として、図示せぬトランジスタやキャパシタ等の半導体素子が形成された基板１０上に、第１コンタクト層１００、配線層２００、および第２コンタクト層３００が形成されている。
【００１９】
第１コンタクト層１００は、基板１０上に形成されている。第１コンタクト層１００は、第１コンタクト層絶縁膜１１および第１コンタクトプラグ１２で構成されている。
【００２０】
第１コンタクト層絶縁膜１１は、基板１０上に形成され、例えばＴＥＯＳ（Tetraethoxysilane）で構成されている。第１コンタクトプラグ１２は、第１コンタクト層絶縁膜１１内に形成され、基板１０に形成された半導体素子と後述する配線層２００とを電気的に接続している。第１コンタクトプラグ１２の導電材料は、例えばＷ、ＣｕまたはＡｌの単体金属で構成されている。
【００２１】
また、第１コンタクトプラグ１２の導電材料金属の拡散を防止するために、第１コンタクトプラグ１２と第１コンタクト層絶縁膜１１および基板１０との間に図示せぬバリアメタルを有してもよい。バリアメタルは、例えばＴａ、Ｔｉ、Ｒｕ、ＭｎまたはＣｏ、あるいはこれらの窒化物で構成される。さらに、図示せぬストッパ膜が、コンタクト層１００上に形成され、例えばＳｉＣＮなどの配線層絶縁膜１３に対して加工選択比の高い材料で構成されている。なお、後述する配線層絶縁膜１３と第１コンタクト層絶縁膜１１との加工選択比が十分に高い場合、ストッパ膜は形成されなくてもよい。
【００２２】
配線層２００は、第１コンタクト層１００上に形成されている。配線層２００は、配線層絶縁膜１３および配線２０で構成されている。
【００２３】
配線層絶縁膜１３は、第１コンタクト層１００上に形成され、例えばＳｉＯＣで構成されている。この配線層絶縁膜１３には、第１コンタクトプラグ１２の部分が開口するように複数の配線溝３０が設けられている。また、配線層絶縁膜１３は、誘電率を下げるためにポア(微小空ホール)を含む膜であってもよい。
【００２４】
配線２０は、配線層絶縁膜１３内に設けられた配線溝３０内に形成されている。この配線２０の詳細については、後述する。
【００２５】
また、配線層絶縁膜１３上に、保護膜となるキャップ膜２１が形成されている。このキャップ膜２１は、例えばＳｉＮやＳｉＣＮで構成され、後述する第２コンタクトプラグ２３が形成される領域において開口している。このキャップ膜２１は配線層２００を構成する材料の外部への拡散、および配線層２００を構成する材料の酸化を防止するために形成される。しかし、後述するグラフェン層自体が安定した材料であり、酸化耐性も高いため、キャップ膜２１は形成されなくてもよい。また、キャップ膜２１は、第２コンタクト層３００のエッチング加工の制御層としても機能することができる。
【００２６】
第２コンタクト層３００は、配線層２００上に形成されている。第２コンタクト層３００は、第１コンタクト層１００と同様の構造を有し、第２コンタクト層絶縁膜２２および第２コンタクトプラグ２３で構成されている。
【００２７】
第２コンタクト層絶縁膜２２は、配線層２００上にキャップ膜２１を介して形成され、例えばＴＥＯＳで構成されている。第２コンタクトプラグ２３は、第２コンタクト層絶縁膜２２内に形成され、配線層２００と第２コンタクト層３００上に形成される図示せぬ配線層とを電気的に接続している。
【００２８】
以下に、本実施形態における配線２０について説明する。本実施形態における配線２０は、配線溝３０内に形成され、第１触媒下地膜１４、第１触媒膜１５、第１グラフェン層１６、第２触媒下地膜１７、第２触媒膜１８、および第２グラフェン層１９で構成されている。なお、図面において、配線２０は、紙面垂直方向に延在し、その方向に電流が流れる。
【００２９】
第１触媒下地膜１４は、配線溝３０内の両側面に形成されている。より具体的には、第１触媒下地膜１４は、配線溝３０内の両側面の配線層絶縁膜１３上に形成されている。また、第１触媒下地膜１４の端部（図面における下部側）は、配線溝３０内の底面の第１コンタクトプラグ１２に接していてもよい。両側面の配線層絶縁膜１３上のみに形成されている。この第１触媒下地膜１４は、後述する第１グラフェン層１６の形成を容易にするための補助膜となる。また、第１触媒下地膜１４は、後述する第１触媒膜１５の配線層絶縁膜１３への拡散を防止する。すなわち、第１触媒下地膜１４は、助触媒作用および拡散バリア性を有する膜である。
【００３０】
第１触媒下地膜１４は、例えばＴａＮ、ＴｉＮ、ＲｕＮ、ＷＮ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｒｕ、またはＷ等の膜、あるいはこれらの酸化物の膜で構成されている。また、第１触媒下地膜１４として、これらの材料の膜を積層して用いてもよい。特に、第１グラフェン層１６の均一な成長を促進するために、第１触媒下地膜１４はＴａＮ膜およびＴｉＮ膜の積層膜であることが望ましい。また、第１触媒下地膜１４は、膜厚が例えば１ｎｍ程度であり、第１グラフェン層１６を均一に成長させるために連続膜であることが望ましい。また、両側面ともに同程度の膜厚であることが望ましい。なお、第１触媒下地膜１４は、第１グラフェン層１６の形成を容易にするために成膜することが望ましいが、成膜しなくても第１グラフェン層１６を成長させることができるため、成膜しなくてもよい。
【００３１】
第１触媒膜１５は、配線溝３０内の両側面に形成されている。より具体的には、第１触媒膜１５は、第１触媒下地膜１４と同様に配線溝３０内の両側面の第１触媒下地膜１４上に形成されている。また、第１触媒膜１５の端部（図面における下部側）は、配線溝３０内の底面の第１コンタクトプラグ１２に接していてもよい。この第１触媒膜１５は、第１グラフェン層１６を成長させるための本触媒である。
【００３２】
第１触媒膜１５は、例えばＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｒｕ、またはＣｕ等の単体金属の膜、少なくともこれらのいずれかを含む合金の膜、あるいはこれらの炭化物等の膜で構成されることが望ましい。ここで、第１触媒膜１５が分散して微粒子化した状態（不連続膜）であれば、第１グラフェン層１６がうまく成長できない、あるいは第１グラフェン層１６が不連続となって形成される可能性がある。このため、第１触媒膜１５は、連続膜であることが望ましい。このため、第１触媒膜１５の膜厚は少なくとも０．５ｎｍ以上である必要があり、例えば１ｎｍ程度である。
【００３３】
第１グラフェン層１６は、配線溝３０内の両側面の第１触媒膜１５上に形成されている。この第１グラフェン層１６は、紙面垂直方向に連続的に形成され、電子の移動経路（電流経路）はその方向に沿って形成される。また、第１グラフェン層１６は、後述するように、第１触媒膜１５を触媒として成長する１〜１００枚程度のグラフェンからなり、量子化伝導特性を有する。ここで、グラフェンは、グラファイトの単層膜であり、炭素が六角形格子状に配列した構造を有する。以下において、グラファイトの単層膜であるグラフェンをグラフェンシートと称す。
【００３４】
グラフェンシート中の電子の平均自由工程は約１００ｎｍ〜１μｍであり、現在多くのＬＳＩデバイスで用いられている低抵抗金属材料であるＣｕ中の電子の平均自由工程（約４０ｎｍ）と比較して、はるかに長いことが知られている。このため、グラフェンシートを低抵抗材料として配線２０の導電層に用いることができる。
【００３５】
図１（ｂ）に示すように、第１グラフェン層１６は、配線溝３０内の側面の第１触媒膜１５上に、側面から垂直方向に積層された複数のグラフェンシート１６ａ〜１６ｅで構成されている。言い換えると、これら複数のグラフェンシート１６ａ〜１６ｅの面はそれぞれ、配線溝３０内の側面に対して平行に、かつ底面に対して垂直に形成されている。このため、複数のグラフェンシート１６ａ〜１６ｅのそれぞれの面の下端部が第１コンタクトプラグ１２に直接接続され、上端部が第２コンタクトプラグ２３に直接接続されている。これにより、第１コンタクトプラグ１２に下端部が接する全てのグラフェンシートが電気伝導に関与できる。なお、第１グラフェン層１６が１０枚のグラフェンシートで構成される場合、第１グラフェン層１６の膜厚は３．４ｎｍ程度である。
【００３６】
第２触媒下地膜１７は、配線溝３０内の両側面に形成されている。より具体的には、第２触媒下地膜１７は、配線溝３０内の両側面の第１グラフェン層１６上に形成されている。また、第２触媒下地膜１７の端部（図面における下部側）は、配線溝３０内の底面の第１コンタクトプラグ１２に接していてもよい。この第２触媒下地膜１７は、後述する第２グラフェン層１９の形成を容易にするための補助膜となる。
【００３７】
第２触媒下地膜１７は、第１触媒下地膜１４と同様の性質および構造を有する。すなわち、第２触媒下地膜１７は、例えばＴａＮ、ＴｉＮ、ＲｕＮ、ＷＮ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｒｕ、またはＷ等の膜、あるいはこれらの酸化物の膜で構成されている。また、第２触媒下地膜１７として、これらの材料の膜を積層して用いてもよい。特に、第２グラフェン層１９の均一な成長を促進するために、第２触媒下地膜１７はＴａＮ膜およびＴｉＮ膜の積層膜であることが望ましい。また、第２触媒下地膜１７は、膜厚が例えば１ｎｍ程度であり、第２グラフェン層１９を均一に成長させるために連続であることが望ましい。なお、第２触媒下地膜１７は、第２グラフェン層１９の形成を容易にするために成膜することが望ましいが、成膜しなくても第２グラフェン層１９を成長させることができるため、成膜しなくてもよい。
【００３８】
第２触媒膜１８は、配線溝３０内の両側面に形成されている。より具体的には、第２触媒膜１８は、第２触媒下地膜１７と同様に配線溝３０内の両側面の第２触媒下地膜１７上に形成されている。また、第２触媒膜１８の端部（図面における下部側）は、配線溝３０内の底面の第１コンタクトプラグ１２に接していてもよい。この第２触媒膜１８は、第２グラフェン層１９を成長させるための本触媒である。
【００３９】
第２触媒膜１８は、第１触媒膜１５と同様の性質および構造を有する。すなわち、第２触媒膜１８は、例えばＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｒｕ、またはＣｕ等の単体金属の膜、少なくともこれらのいずれかを含む合金の膜、あるいはこれらの炭化物等の膜で構成されることが望ましい。ここで、第２触媒膜１８が分散して微粒子化した状態（不連続膜）であれば、第２グラフェン層１９がうまく成長できない、あるいは第２グラフェン層１９が不連続となって形成される可能性がある。このため、第２触媒膜１８は、連続膜であることが望ましい。このため、第２触媒膜１８の膜厚は少なくとも０．５ｎｍ以上である必要があり、例えば１ｎｍ程度である。
【００４０】
第２グラフェン層１９は、配線溝３０内の両側面の第２触媒膜１８上に形成されている。この第２グラフェン層１９は、第１グラフェン層１６と同様の性質および構造を有する。すなわち、第２グラフェン層１９は、紙面垂直方向に連続的に形成され、電子の移動経路はその方向に沿って形成される。また、第２グラフェン層１９は、第２触媒膜１８を触媒として成長する１〜１００枚程度のグラフェンシートからなり、量子化伝導特性を有する。
【００４１】
ここで、第２グラフェン層１９は、配線溝３０内の中央部に形成されている。すなわち、第２グラフェン層１９は、両側面の第２触媒膜１８のそれぞれからグラフェンシートが成長して配線溝３０内を埋め込み、中央部で一体となった構造である。より具体的には、第２グラフェン層１９は、両側面の第２触媒膜１８のそれぞれからグラフェンシートが例えば５枚程度ずつ積層されて、合わせて１０枚程度に積層されたグラフェンシートで構成されている。
【００４２】
なお、図１において、配線２０が３つのグラフェン層（２つの第１グラフェン層１６および１つの第２グラフェン層１９）を含む場合を示したが、４つ以上のグラフェン層を含んでもよい。また、配線溝３０内の中央部がグラフェン層によって埋め込まれず、その後に形成されるキャップ膜２１または第２コンタクト層絶縁膜２２によって埋め込まれてもよい。
【００４３】
また、図１において、配線層が１層の場合を示したが、２層以上の配線層を有してもよい。すなわち、第２コンタクト層３００上に、複数のグラフェン層からなる配線層２００と同様の配線層が形成されてもよい。
【００４４】
［製造方法］
図２乃至図６は、第１の実施形態に係るグラフェン配線の製造工程の断面図を示している。
【００４５】
まず、図２（ａ）に示すように、図示せぬ半導体素子が形成された基板１０上に、第１コンタクト層１００が形成される。具体的には、基板１０上に例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により第１コンタクト層絶縁膜１１が形成され、この第１コンタクト層絶縁膜１１に例えばリソグラフィ法により図示せぬコンタクトホールが形成される。このコンタクトホールに、例えばＣＶＤ法により第１コンタクトプラグ１２が埋め込まれる。このとき、第１コンタクトプラグ１２の導電材料金属の拡散を防止するために、コンタクトホールの表面に、図示せぬバリアメタルを形成してもよい。
【００４６】
次に、第１コンタクト層１００上に、例えばＣＶＤ法により図示せぬストッパ膜が形成されてもよい。このストッパ膜により、配線層絶縁膜１３のＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法による加工の深さが均一に揃えられる。なお、配線層絶縁膜１３と第１コンタクト層１００の加工選択比が十分に高い場合、ストッパ膜が形成されなくても、配線層絶縁膜１３の加工の深さを十分に制御することができる。
【００４７】
次に、図２（ｂ）に示すように、第１コンタクト層１００上に、例えばＣＶＤ法により配線層絶縁膜１３が形成される。この配線層絶縁膜１３上に、ＲＩＥ工程およびＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）工程におけるダメージの保護膜となる図示せぬキャップ膜が形成されてもよい。配線層絶縁膜１３がＲＩＥのダメージに強い膜、例えばＴＥＯＳで構成される場合、またはポア(微小空ホール)を含まないＳｉＯＣで構成される場合、キャップ膜は形成されなくてもよい。
【００４８】
次に、図３（ａ）に示すように、配線層絶縁膜１３上に、図示せぬレジストが塗布され、リソグラフィ工程が行われる。その後、配線層絶縁膜１３に、ＲＩＥにより配線溝３０が設けられ、シングルダマシン配線構造が形成される。
【００４９】
次に、図３（ｂ）に示すように、全面に、例えばＣＶＤ法またはＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法により第１触媒下地膜１４が形成される。すなわち、第１触媒下地膜１４は、配線溝３０内の底面の第１コンタクト層１００上、配線溝３０内の両側面の配線層絶縁膜１３上および配線溝３０外の上面（配線溝３０以外の平坦部）の配線層絶縁膜１３上に形成される。なお、第１触媒下地膜１４は、形成されなくてもよい。
【００５０】
次に、図４（ａ）に示すように、並進性（異方性）の高いＲＩＥ法によりエッチバック処理が行われる。これにより、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面の第１触媒下地膜１４がエッチバックされる。すなわち、第１触媒下地膜１４は、配線溝３０内の両側面のみに残存し、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面から除去される。
【００５１】
次に、図４（ｂ）に示すように、全面に、例えばＣＶＤ法、ＰＶＤ法、または吹き付け法により第１触媒膜１５が形成される。すなわち、第１触媒膜１５は、配線溝３０内の底面の第１コンタクト層１００上、配線溝３０内の側面の第１触媒下地膜１４上および配線溝３０外の上面の配線層絶縁膜１３上に形成される。また、第１触媒膜１５は、連続膜として形成されることが望ましい。
【００５２】
次に、図５（ａ）に示すように、並進性（異方性）の高いＲＩＥ法によりエッチバック処理が行われる。これにより、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面の第１触媒膜１５がエッチバックされる。すなわち、第１触媒膜１５は、配線溝３０内の両側面のみに残存し、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面から除去される。
【００５３】
なお、第１触媒下地膜１４および第１触媒膜１５を形成した後、並進性（異方性）の高いＲＩＥ法によりエッチバック処理が行われ、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面の第１触媒下地膜１４および第１触媒膜１５を同時に除去してもよい。
【００５４】
次に、図５（ｂ）に示すように、配線溝３０内の両側面の第１触媒膜１５上に、１〜１００枚程度のグラフェンシートからなる第１グラフェン層１６が形成される。このとき、第１触媒膜１５が配線溝３０内の両側面のみに形成されているため、第１グラフェン層１６は配線溝３０内の両側面から垂直方向に成長する。すなわち、第１グラフェン層１６は、両側面から垂直方向に積層された複数（１〜１００枚程度）のグラフェンシートからなり、そのグラフェンシートの面は配線溝３０内の側面に対して平行で、かつ底面に対して垂直である。また、複数のグラフェンシートのそれぞれの面の下端部が第１コンタクトプラグ１２に直接接続されるように形成される。
【００５５】
第１グラフェン層１６は、例えばＣＶＤ法により形成される。ＣＶＤ法の炭素源としてメタン、アセチレン等の炭化水素系ガスまたはその混合ガスが用いられ、キャリアガスとして水素や希ガスが用いられる。
【００５６】
これらの成分ガスを用いて単一条件のＣＶＤ法によってグラフェンシートを成長させることもできるが、多段階処理によってグラフェンシートを成長させることもできる。以下に、多段階処理によるグラフェンシートの成長について説明する。
【００５７】
まず、第１グラフェン層１６を形成する前に、第１触媒膜１５の微粒子への凝集を抑制するために、第１触媒膜１５に対してプラズマ処理が行われる。このようにして、第１触媒膜１５の微粒子化を防ぎ、第１触媒膜１５表面の連続性を保つことにより、第１グラフェン層１６の均一な成長を促進させることができる。放電ガスとして水素または希ガスが用いられることが望ましいが、どちらか一方または両方を含んだ混合ガスが用いられてもよい。処理温度は、できる限り低温である方が効果は高く、室温であることが望ましい。また、このプラズマは比較的強いほうが望ましく、高パワーリモートプラズマやプラズマに曝露させるほうがより効果が高まる。
【００５８】
次に、第１触媒膜１５の炭化処理が行われる。放電ガスとしてメタンなどの炭化水素系、またはその混合ガスが用いられる。この処理温度は、後述する最終工程のグラフェンシートの形成より低い温度かつグラフェンシートが形成されうる温度である必要があり、例えば１５０〜６００℃程度であることが望ましい。また、処理時間は、短くてよい。この処理も比較的強いプラズマを用いて行われることが望ましい。
【００５９】
次に、炭化層良質化および触媒活性化のために、第１触媒膜１５に対してプラズマ処理が行われる。放電ガスとして希ガスが用いられることが望ましい。処理温度は、前工程の処理温度と次工程の処理温度との間の温度でよいが、これに限らない。この処理は比較的弱いプラズマでよいので、リモートプラズマを用いて行われることが望ましい。
【００６０】
最後に、グラフェンシートの形成が行われる。放電ガスとして炭化水素系ガスまたはその混合ガスが用いられる。処理温度の上限は１０００℃程度、下限は２００℃程度である。処理温度が２００℃を下回ると成長速度が得られず、グラフェンシートの成長がほとんど起こらない。２００℃以上でグラフェンシートの成長が起こり、均一な第１グラフェン層１６が形成される。このため、処理温度は特に３５０℃程度であることが望ましい。このようなグラフェンシートの形成の処理温度は、通常のＬＳＩデバイスにおける配線形成工程の温度と同等あるいはそれ以下である。このため、上述したグラフェンシートの形成は、半導体プロセスとの親和性に優れている。
【００６１】
この処理では、イオンおよび電子を除去し、ラジカルのみを基板に供給することが重要である。このため、非常に弱いプラズマをリモート化して用いることが望ましい。さらにイオンおよび電子を除去するために、基板上部に電極を設置し電圧を印加するのも効果的である。この印加電圧は、０〜±１００Ｖ程度であることが望ましい。
【００６２】
このような多段階処理によるグラフェンシートの形成工程は、単一条件のＣＶＤ法によるグラフェンシートの形成工程に比べて、形成温度の低温化や高品質化(均一成長)を実現することができる。プロセス温度の上限値はＬＳＩデバイスにより異なるが、できる限り低温であることが望ましい。すなわち、グラフェンシートの形成温度の低温化により、ＬＳＩデバイス全体の特性の向上を図ることができる。また、グラフェンシートの高品質化(均一成長)により、電気伝導が容易になり、低抵抗配線を実現することができる。
【００６３】
次に、図６（ａ）に示すように、図３（ｂ）、図４（ａ）、図４（ｂ）、図５（ａ）、および図５（ｂ）の工程が繰り返し行われる。
【００６４】
より具体的には、まず、全面に、例えばＣＶＤ法またはＰＶＤ法により第２触媒下地膜１７が形成される。すなわち、第２触媒下地膜１７は、配線溝３０内の底面の第１コンタクト層１００上、配線溝３０内の両側面の第１グラフェン層１６上および配線溝３０外の上面に形成される。その後、並進性（異方性）の高いＲＩＥ法によりエッチバック処理が行われる。これにより、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面の第２触媒下地膜１７がエッチバックされる。すなわち、第２触媒下地膜１７は、配線溝３０内の両側面のみに残存し、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面から除去される。
【００６５】
次に、全面に、例えばＣＶＤ法、ＰＶＤ法、または吹き付け法により第２触媒膜１８が形成される。すなわち、第２触媒膜１８は、配線溝３０内の底面の第１コンタクト層１００上、配線溝３０内の側面の第２触媒下地膜１７上および配線溝３０外の上面に形成される。その後、並進性（異方性）の高いＲＩＥ法によりエッチバック処理が行われる。これにより、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面の第２触媒膜１８がエッチバックされる。すなわち、第２触媒膜１８は、配線溝３０内の両側面のみに残存し、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面から除去される。
【００６６】
次に、配線溝３０内の両側面の第２触媒膜１８上に、１〜１００枚程度のグラフェンシートからなる第２グラフェン層１９が形成される。第２グラフェン層１９は、第１グラフェン層１６と同様の方法により形成される。このとき、第２触媒膜１８が配線溝３０内の両側面のみに形成されているため、第２グラフェン層１９は配線溝３０内の両側面から垂直方向に成長する。すなわち、第２グラフェン層１９は、両側面から垂直方向に積層された複数（１〜１００枚程度）のグラフェンシートからなり、そのグラフェンシートの面は配線溝３０内の側面に対して平行で、かつ底面に対して垂直である。また、複数のグラフェンシートのそれぞれの面の下端部が第１コンタクトプラグ１２に直接接続されるように形成される。
【００６７】
ここで、第２グラフェン層１９は、両側面の第２触媒膜１８のそれぞれからグラフェンシートが成長して配線溝３０内を埋め込み、中央部で一体となった構造である。
【００６８】
これにより、第１触媒下地膜１４、第１触媒膜１５、第１グラフェン層１６、第２触媒下地膜１７、第２触媒膜１８、および第２グラフェン層１９で構成される配線２０を含む配線層２００が形成される。
【００６９】
次に、図６（ｂ）に示すように、配線層２００上に、配線層２００を構成する材料の外部への拡散、および配線層２００を構成する材料の酸化を防止するためのキャップ膜２１が形成される。このキャップ膜２１は、第２コンタクト層３００のエッチング加工の制御層としても機能する。なお、キャップ膜２１は、形成されなくてもよい。
【００７０】
次に、図１に示すように、配線層２００上に、第２コンタクト層３００が形成される。具体的には、配線層２００上に例えばＣＶＤ法により第２コンタクト層絶縁膜２２が形成され、この第２コンタクト層絶縁膜２２に例えばリソグラフィ法により図示せぬコンタクトホールが形成される。このとき、コンタクトホールが形成される領域のキャップ膜２１も開口される。このコンタクトホールに、例えばＣＶＤ法により第２コンタクトプラグ２３が埋め込まれる。このとき、第２コンタクトプラグ２３の導電材料金属の拡散を防止するために、コンタクトホールの表面に、図示せぬバリアメタルを形成してもよい。
【００７１】
このようにして、本実施形態におけるグラフェン配線が形成される。
【００７２】
［効果］
上記第１の実施形態によれば、配線２０が複数のグラフェン層（２つの第１グラフェン層１６、および１つの第２グラフェン層１９）を有し、各グラフェン層は、配線溝３０の両側面に垂直方向に積層され、面の端部がコンタクトプラグ（第１コンタクトプラグ１２、および第２コンタクトプラグ２３）に直接接続される複数のグラフェンシートで構成されている。これにより、面の端部がコンタクトプラグに直接接続される全てのグラフェンシートが電気伝導に関与することができ、低抵抗な配線構造を実現できる。
【００７３】
また、各グラフェン層は、１〜１００枚程度のグラフェンシートで構成されている。このため、グラフェンシートを積層し過ぎることによって生じるグラフェンシート間の相互作用による高抵抗化の問題を解消することができる。すなわち、全てのグラフェン層が量子化伝導特性を有することができる。したがって、量子化伝導特性を有する複数のグラフェン層によって配線溝３０を埋め込むことで、グラフェンシート間の相互作用による高抵抗化の問題を懸念することなく電気伝導のパスとなるグラフェンシートの絶対数（積層数）を増やすことができ、より低抵抗な配線構造を実現できる。
【００７４】
［変形例］
以下に、図７および図８を用いて、第１の実施形態に係るグラフェン配線の変形例について説明する。
【００７５】
図７および図８は、第１の実施形態に係るグラフェン配線の変形例における製造工程の断面図を示している。
【００７６】
まず、図６（ａ）の工程まで行われる。すなわち、第１触媒下地膜１４、第１触媒膜１５、第１グラフェン層１６、第２触媒下地膜１７、第２触媒膜１８、および第２グラフェン層１９で構成される配線２０を含む配線層２００が形成される。
【００７７】
このとき、図７（ａ）に示すように、第１グラフェン層１６または第２グラフェン層１９を形成する際、配線溝３０外の上面の配線層絶縁膜１３上に、グラフェン副生成物７０が形成される。このグラフェン副生成物７０は、例えばアモルファスカーボン等の炭素系化合物である。このため、グラフェン副生成物７０は導電性を有し、配線間におけるリーク電流の要因となる可能性がある。
【００７８】
これに対し、変形例では、図７（ｂ）に示すように、配線溝３０外の上面の配線層絶縁膜１３上に形成されたグラフェン副生成物７０を除去する。これにより、グラフェン副生成物７０による配線間のリーク電流の発生を抑制することができる。
【００７９】
このグラフェン副生成物７０の除去は、例えばＣＭＰまたはＲＩＥにより行われるが、ＲＩＥで行われることがより望ましい。これは、ＲＩＥによって第１グラフェン層１６および第２グラフェン層１９の上端部にダメージが与えられることで、第１グラフェン層１６および第２グラフェン層１９が多様なバンドギャップを有することになり、第２コンタクトプラグ２３とのコンタクトマージンが大きくなるためである。すなわち、コンタクト材料として、種々の仕事関数を有する材料を用いることができる。
【００８０】
なお、全てのグラフェン副生成物７０を除去する必要はなく、一部を除去することで配線間におけるグラフェン副生成物７０を不連続にするだけでもよい。また、グラフェン副生成物７０がリーク電流の要因とならない場合、グラフェン副生成物７０は除去されなくてもよい。
【００８１】
さらに、図８（ａ）に示すように、ＲＩＥにより配線層絶縁膜１３を過剰に除去してもよい。これにより、配線層絶縁膜１３の上面から配線２０の上端部が突出する。すなわち、配線層絶縁膜１３の上面が配線２０の上端部よりも低くなり、配線層絶縁膜１３と配線２０との間にリセス８０が形成される。このリセス８０は、配線層絶縁膜１３上に図示せぬ犠牲層を形成し、除去することで形成されてもよい。このようにして、配線層絶縁膜１３の上面を過剰に除去することで、グラフェン副生成物７０を完全に除去することができる。
【００８２】
その後、図８（ｂ）に示すように、全面に、キャップ膜２１が形成される。このとき、リセス８０が形成されていることで、配線２０の突出した上端部を覆うようにキャップ膜２１が形成される。言い換えると、隣接する配線２０の上端部の間の領域Ａは、同一の絶縁膜（キャップ膜２１）で満たされている。
【００８３】
通常、配線２０の上端部と配線層絶縁膜１３の上面は同じ高さである。すなわち、配線２０の上端部には、絶縁膜の界面（例えば、配線層絶縁膜１３とキャップ膜２１との界面）が存在し、この界面に沿って配線間でリーク電流が発生する。これに対し、本実施形態では、隣接する配線２０の上端部の間の領域Ａには、絶縁膜の界面（例えば、配線層絶縁膜１３とキャップ膜２１との界面）が存在せず、同一の絶縁膜（キャップ膜２１）で満たされる。これにより、リーク電流の発生をより抑制することができる。
【００８４】
＜第２の実施形態＞
以下に、図９および図１０を用いて、第２の実施形態に係るグラフェン配線について説明する。第１の実施形態は、主に素子領域にグラフェン配線が適用された。これに対し、第２の実施形態は、周辺回路領域にグラフェン配線が適用される例である。なお、第２の実施形態において、上記第１の実施形態と同様の点については説明を省略し、異なる点について説明する。
【００８５】
［構造］
図９は、第２の実施形態に係るグラフェン配線の断面図を示している。
【００８６】
図９に示すように、第２の実施形態において、第１の実施形態と異なる点は、周辺回路領域における配線２０が金属層９１を含む点である。
【００８７】
より具体的には、周辺回路領域における配線２０は、素子領域における配線溝３０よりも幅の大きい配線溝９０内に形成され、第１触媒下地膜１４、第１触媒膜１５、第１グラフェン層１６、第２触媒下地膜１７、第２触媒膜１８、第２グラフェン層１９、および金属層９１で構成されている。なお、素子領域における配線２０は、第１の実施形態と同様の構造であるため、説明は省略する。
【００８８】
周辺回路領域において、第１触媒下地膜１４は、配線溝９０内の両側面の配線層絶縁膜１３上のみに形成されている。第１触媒膜１５は、配線溝９０内の両側面の第１触媒下地膜１４上のみに形成されている。第１グラフェン層１６は、配線溝９０内の両側面の第１触媒膜１５上に形成され、第１触媒膜１５を触媒として成長する１〜１００枚程度のグラフェンシートからなる。第２触媒下地膜１７は、配線溝９０内の両側面の第１グラフェン層１６上のみに形成されている。第２触媒膜１８は、配線溝９０内の両側面の第２触媒下地膜１５上のみに形成されている。第２グラフェン層１９は、配線溝９０内の両側面の第２触媒膜１８上に形成され、第２触媒膜１８を触媒として成長する１〜１００枚程度のグラフェンシートからなる。
【００８９】
これら周辺回路領域における第１触媒下地膜１４、第１触媒膜１５、第１グラフェン層１６、第２触媒下地膜１７、第２触媒膜１８、および第２グラフェン層１９はそれぞれ、素子領域における第１触媒下地膜１４、第１触媒膜１５、第１グラフェン層１６、第２触媒下地膜１７、第２触媒膜１８、および第２グラフェン層１９と同等の膜厚である。
【００９０】
金属層９１は、配線溝９０内の両側面の第２グラフェン層１９上で、かつ配線溝９０内の中央部に形成されている。言い換えると、金属層９１は、配線溝９０内の中央部に埋め込まれている。この金属層９１は、例えばＷ、ＣｕまたはＡｌの単体金属で構成されている。
【００９１】
なお、図９において、第１コンタクトプラグ１２および第２コンタクトプラグ２３はそれぞれ、金属層９１の下端部および上端部で接続されているが、第１グラフェン層１６および第２グラフェン層１９の下端部および上端部に接続されていてもよい。
【００９２】
［製造方法］
図１０は、第２の実施形態に係るグラフェン配線の製造工程の断面図を示している。
【００９３】
まず、第１の実施形態における図６（ａ）の工程まで行われる。すなわち、素子領域において、第１触媒下地膜１４、第１触媒膜１５、第１グラフェン層１６、第２触媒下地膜１７、第２触媒膜１８、および第２グラフェン層１９で構成される配線２０を含む配線層２００が形成される。このとき、周辺回路領域においても、配線層２００が同時に形成される。
【００９４】
しかし、図１０に示すように、周辺回路領域における配線溝９０の幅は、素子領域における配線溝３０の幅よりも大きい。このため、第２グラフェン層１９を形成する工程まででは配線溝９０内の中央部は埋め込まれない。
【００９５】
これに対し本実施形態では、次に、図９に示すように、配線溝９０内の両側面の第２グラフェン層１９上で、かつ配線溝９０内の中央部に、金属層９１が充填される。この金属層９１は、例えばＰＶＤ法またはＣＶＤ法により形成される。
【００９６】
その後、例えばＣＭＰにより周辺回路領域および素子領域の配線溝９０外の上面に余剰に形成された金属層９１が除去され、配線溝９０内のみに金属層９１が残存する。
【００９７】
その後の工程は、第１の実施形態と同様のため、説明は省略する。
【００９８】
［効果］
上記第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００９９】
さらに、第２の実施形態では、素子領域と同時に周辺回路領域における配線層２００を形成する。その後、周辺回路領域における配線溝９０内の中央部に金属層９１を充填する。このように、周辺回路領域では、配線２０の幅が素子領域と比べて十分大きいため、グラフェン層で配線溝９０を埋め込まなくても、通常の金属材料で低抵抗配線を実現することが可能である。すなわち、幅の大きい周辺回路領域における配線溝９０をグラフェン層で埋め込む必要がなく、途中から金属層９１を充填すればよいため、プロセスを容易にし、かつプロセスの時間を短縮することができる。
【０１００】
＜第３の実施形態＞
以下に、図１１および図１２を用いて、第３の実施形態に係るグラフェン配線について説明する。第３の実施形態は、第２の実施形態の変形例であり、周辺回路領域における配線溝の中央部が絶縁膜で充填される例である。なお、第３の実施形態において、上記各実施形態と同様の点については説明を省略し、異なる点について説明する。
【０１０１】
［構造］
図１１は、第３の実施形態に係るグラフェン配線の断面図を示している。
【０１０２】
図１１に示すように、第３の実施形態において、第２の実施形態と異なる点は、周辺回路領域における配線２０が配線溝１１０内の一方の側面に形成された複数のグラフェン層で構成される点である。
【０１０３】
より具体的には、周辺回路領域における配線２０は、素子領域における配線溝３０よりも幅の大きい配線溝１１０内に形成され、配線溝１１０内の一方の側面に形成された第１触媒下地膜１４、第１触媒膜１５、第１グラフェン層１６、第２触媒下地膜１７、第２触媒膜１８、および第２グラフェン層１９で構成されている。なお、素子領域における配線２０は、第１の実施形態と同様の構造であるため、説明は省略する。
【０１０４】
周辺回路領域において、第１触媒下地膜１４は、配線溝１１０内の一方の側面の配線層絶縁膜１３上のみに形成されている。第１触媒膜１５は、配線溝１１０内の一方の側面の第１触媒下地膜１４上のみに形成されている。第１グラフェン層１６は、配線溝１１０内の一方の側面の第１触媒膜１５上に形成され、第１触媒膜１５を触媒として成長する１〜１００枚程度のグラフェンシートからなる。第２触媒下地膜１７は、配線溝１１０内の一方の側面の第１グラフェン層１６上のみに形成されている。第２触媒膜１８は、配線溝１１０内の一方の側面の第２触媒下地膜１５上のみに形成されている。第２グラフェン層１９は、配線溝１１０内の一方の側面の第２触媒膜１８上に形成され、第２触媒膜１８を触媒として成長する１〜１００枚程度のグラフェンシートからなる。
【０１０５】
このように配線溝１１０内の一方の側面に形成された配線２０（グラフェン層）の下端部および上端部がそれぞれ、第１コンタクトプラグ１２および第２コンタクトプラグ２３に接続されている。
【０１０６】
一方、配線溝１１０内の他方の側面に、ダミー配線２０’が形成されている。このダミー配線２０’は、配線溝１１０内の一方の側面に形成された配線２０と同様の構造（ミラー対称構造）を有している。すなわち、ダミー配線２０’は、配線溝１１０内の他方の側面の配線層絶縁膜１３上から順に形成された第１触媒下地膜１４’、第１触媒膜１５’、第１グラフェン層１６’、第２触媒下地膜１７’、第２触媒膜１８’、および第２グラフェン層１９’で構成されている。
【０１０７】
これら配線２０とダミー配線２０’との間、すなわち、配線溝１１０内の中央部に第２コンタクト層絶縁膜２２およびキャップ膜２１が充填されている。
【０１０８】
［製造方法］
図１２は、第３の実施形態に係るグラフェン配線の製造工程の断面図を示している。
【０１０９】
まず、第１の実施形態における図６（ａ）の工程まで行われる。すなわち、素子領域において、第１触媒下地膜１４、第１触媒膜１５、第１グラフェン層１６、第２触媒下地膜１７、第２触媒膜１８、および第２グラフェン層１９で構成される配線２０を含む配線層２００が形成される。
【０１１０】
このとき、周辺回路領域においても、配線層２００が同時に形成される。すなわち、周辺回路領域における配線２０およびダミー配線２０’が形成される。ここで、周辺回路領域における配線溝１１０を形成する際、第１コンタクトプラグ１２が配線溝１１０の一方の端部（一方の側面側）で露出するように、配線溝１１０が形成される。これにより、配線溝１１０内の一方の側面に形成された配線２０（グラフェン層）の下端部が第１コンタクトプラグ１２に直接接続される。
【０１１１】
しかし、図１２に示すように、周辺回路領域における配線溝１１０の幅は、素子領域における配線溝３０の幅よりも大きい。このため、第２グラフェン層１９（第２グラフェン層１９’）を形成する工程まででは配線溝１１０内の中央部は埋め込まれない。
【０１１２】
これに対し本実施形態では、次に、図１１に示すように、全面に、キャップ膜２１および第２コンタクト層絶縁膜２２が形成され、配線２０とダミー配線２０’との間、すなわち配線溝１１０内の中央部が充填される。
【０１１３】
その後の工程は、第１の実施形態と同様のため、説明は省略する。
【０１１４】
［効果］
上記第３の実施形態によれば、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１１５】
さらに、第３の実施形態では、第２の実施形態と比べて、金属層９１を充填することなく、キャップ膜２１および第２コンタクト層絶縁膜２２を形成することで、配線溝１１０を充填している。これにより、よりプロセスを容易にし、かつプロセスの時間を短縮することができる。
【０１１６】
また、周辺回路領域において、配線２０だけでなく、それと同様の構造を有するダミー配線２０’も形成されている。このように、配線２０付近に同様の構造を有するダミー配線２０’を形成することで、後に行われるＣＭＰの際にＣＭＰレートのバランスがとりやすくなり、ＣＭＰの平坦性が向上する。
【０１１７】
＜第４の実施形態＞
以下に、図１３および図１４を用いて、第４の実施形態に係るグラフェン配線について説明する。第４の実施形態は、配線２０が上端部および下端部に凹凸を有している例である。なお、第４の実施形態において、上記第１の実施形態と同様の点については説明を省略し、異なる点について説明する。
【０１１８】
［構造］
図１３は、第４の実施形態に係るグラフェン配線の断面図を示している。
【０１１９】
図１３に示すように、第４の実施形態において、第１の実施形態と異なる点は、配線２０の上端部および下端部に、丸みおよび段差が生じている点である。
【０１２０】
より具体的には、配線２０の上端部および下端部は、丸みおよび段差が生じることで配線溝３０内の側面側から中央部に向けて低くなるように形成されている。丸みは、第１触媒下地膜１４、第１触媒膜１５、第１グラフェン層１６、第２触媒下地膜１７、第２触媒膜１８、および第２グラフェン層１９のそれぞれの上端部および下端部において、全面に生じている。また、段差は、第１触媒下地膜１４と第１触媒膜１５との界面、第１グラフェン層１６と第２触媒下地膜１７との界面、第２触媒下地膜１７と第２触媒膜１８との界面において生じている。これは、後述する製造工程において、第１触媒下地膜１４、第１触媒膜１５、第２触媒下地膜１７、および第２触媒膜１８を加工する際のＲＩＥの制御によって生じるものである。
【０１２１】
［製造方法］
図１４は、第４の実施形態に係るグラフェン配線の製造工程の断面図を示している。
【０１２２】
まず、第１の実施形態における図３（ｂ）の工程まで行われる。すなわち、全面に、例えばＣＶＤ法またはＰＶＤ法により第１触媒下地膜１４が形成される。
【０１２３】
次に、図１４（ａ）に示すように、並進性（異方性）の高いＲＩＥ法によりエッチバック処理が行われる。これにより、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面の第１触媒下地膜１４がエッチバックされる。すなわち、第１触媒下地膜１４は、配線溝３０内の両側面のみに残存し、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面から除去される。
【０１２４】
このとき、ＲＩＥ法によるエッチバック処理が過剰に行われる。これにより、配線溝３０内の底面がエッチバックされる。特に、配線溝３０内の底面の中央部が過剰にエッチバックされるため、底面に丸みが生じて側面側から中央部に向けて低くなるように形成される。すなわち、第１コンタクトプラグ１２の上面が、側面側から中央部に向けて低くなるような丸みを有する形状となる。
【０１２５】
その後、全面に、例えばＣＶＤ法、ＰＶＤ法、または吹き付け法により第１触媒膜１５が形成され、並進性（異方性）の高いＲＩＥ法によりエッチバック処理が行われる。これにより、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面の第１触媒膜１５がエッチバックされる。すなわち、第１触媒膜１５は、配線溝３０内の両側面のみに残存し、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面から除去される。
【０１２６】
このとき、第１触媒下地膜１４のときと同様に、ＲＩＥ法によるエッチバック処理が過剰に行われ、配線溝３０内の底面がさらにエッチバックされる。これにより、配線溝３０内の底面にさらに丸みが生じて側面側から中央部に向けて低くなるように形成される。
【０１２７】
次に、図１４（ｂ）に示すように、配線溝３０内の両側面の第１触媒膜１５上に、１〜１００枚程度のグラフェンシートからなる第１グラフェン層１６が形成される。複数のグラフェンシートのそれぞれの面の下端部が、上面に丸みを有する第１コンタクトプラグ１２に直接接続されるように形成される。
【０１２８】
その後、図１３に示すように、上記の工程が繰り返し行われる。
【０１２９】
より具体的には、まず、全面に、例えばＣＶＤ法またはＰＶＤ法により第２触媒下地膜１７が形成され、並進性（異方性）の高いＲＩＥ法によりエッチバック処理が行われる。さらに、全面に、例えばＣＶＤ法、ＰＶＤ法、または吹き付け法により第２触媒膜１８が形成され、並進性（異方性）の高いＲＩＥ法によりエッチバック処理が行われる。上述したように、それぞれのエッチバック処理は、適宜過剰に行われることが望ましい。このように、エッチバック処理を過剰に行うことで、第１コンタクトプラグ１２の上面に丸みとともに段差形状が生じる。
【０１３０】
なお、第１触媒下地膜１４および第１触媒膜１５を形成した後、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面の第１触媒下地膜１４および第１触媒膜１５を同時に除去してもよい。また、同様に、第２触媒下地膜１７および第２触媒膜１８を形成した後、配線溝３０内の底面および配線溝３０外の上面の第２触媒下地膜１７および第２触媒膜１８を同時に除去してもよい。
【０１３１】
次に、配線溝３０内の両側面の第２触媒膜１８上に、１〜１００枚程度のグラフェンシートからなる第２グラフェン層１９が形成される。複数のグラフェンシートのそれぞれの面の下端部が、上面に丸みおよび段差形状を有する第１コンタクトプラグ１２に直接接続されるように形成される。
【０１３２】
このようにして、第１触媒下地膜１４、第１触媒膜１５、第１グラフェン層１６、第２触媒下地膜１７、第２触媒膜１８、および第２グラフェン層１９で構成される配線２０を含む配線層２００が形成される。この配線２０は、下端部だけではなく、上端部にも丸みおよび段差形状を有している。
【０１３３】
その後、配線層２００上に、第２コンタクト層３００が形成される。このとき、第２コンタクトプラグ２３の下面が、上端部に丸みまたは段差形状を有する配線２０上に、直接接続されるように形成される。
【０１３４】
［効果］
上記第４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１３５】
さらに、第４の実施形態では、配線２０が下端部および上端部に丸みを有している。これにより、配線２０における第１触媒下地膜１４、第１触媒膜１５、第２触媒下地膜１７、および第２触媒膜１８と第１コンタクトプラグ１２および第２コンタクトプラグ２３との接触面積を増大させることができ、コンタクト抵抗を低減することができる。
【０１３６】
ところで、通常、第１グラフェン層１６および第２グラフェン層１９において、複数のグラフェンシートの面の端部は、同一の高さに形成されない場合がある。その場合、第１コンタクトプラグ１２および第２コンタクトプラグ２３に直接接続されないグラフェンシートも存在する。
【０１３７】
これに対し、本実施形態では、配線２０の下端部および上端部に丸みまたは段差形状が設けられる。これにより、通常、第１コンタクトプラグ１２および第２コンタクトプラグ２３に直接接続されないはずのグラフェンシートも直接接続される可能性が高くなる。したがって、第１コンタクトプラグ１２および第２コンタクトプラグ２３に直接接続されるグラフェンシートの枚数が多くなり、低抵抗な配線構造を実現できる。
【０１３８】
その他、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【符号の説明】
【０１３９】
１２…第１コンタクトプラグ、１３…配線層絶縁膜、１４…第１触媒膜、１６…第１グラフェン層、１６ａ〜１６ｅ…グラフェンシート、１７…第２触媒膜、１９…第２グラフェン層、２３…第２コンタクトプラグ、３０…配線溝。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線溝を有する絶縁膜と、
前記配線溝内の両側面の前記絶縁膜上に形成された第１触媒膜と、
前記配線溝内の両側面の前記第１触媒膜上に形成され、両側面に対して垂直方向に積層された複数のグラフェンシートで構成された第１グラフェン層と、
を具備することを特徴とするグラフェン配線。
【請求項２】
前記配線溝内の両側面の前記第１グラフェン層上に形成された第２触媒膜と、
前記配線溝内の両側面の前記第２触媒膜上に形成され、両側面に対して垂直方向に積層された複数のグラフェンシートで構成された第２グラフェン層と、
をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載のグラフェン配線。
【請求項３】
前記第１グラフェン層に電気的に接続されるコンタクトプラグをさらに具備し、
前記複数のグラフェンシートの端部はそれぞれ、前記コンタクトプラグと直接接続されることを特徴とする請求項１に記載のグラフェン配線。
【請求項４】
前記第１グラフェン層は、両側面に対して垂直方向に積層された１〜１００枚程度のグラフェンシートで構成されることを特徴とする請求項１に記載のグラフェン配線。
【請求項５】
配線溝を有する絶縁膜と、
前記配線溝内の両側面の前記絶縁膜上に、両側面に対して垂直方向に積層された複数のグラフェンシートで構成され、前記配線溝内を埋め込む複数のグラフェン層と、
を具備し、
前記複数のグラフェン層は、
前記配線溝内の両側面の前記絶縁膜上に第１触媒膜を介して形成される第１グラフェン層と、
前記配線溝内の両側面の前記第１グラフェン層上に第２触媒膜を介して形成される第２グラフェン層と、
を含むことを特徴とするグラフェン配線。
【請求項１】
配線溝を有する絶縁膜と、
前記配線溝内の両側面の前記絶縁膜上に形成された第１触媒膜と、
前記配線溝内の両側面の前記第１触媒膜上に形成され、両側面に対して垂直方向に積層された複数のグラフェンシートで構成された第１グラフェン層と、
を具備することを特徴とするグラフェン配線。
【請求項２】
前記配線溝内の両側面の前記第１グラフェン層上に形成された第２触媒膜と、
前記配線溝内の両側面の前記第２触媒膜上に形成され、両側面に対して垂直方向に積層された複数のグラフェンシートで構成された第２グラフェン層と、
をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載のグラフェン配線。
【請求項３】
前記第１グラフェン層に電気的に接続されるコンタクトプラグをさらに具備し、
前記複数のグラフェンシートの端部はそれぞれ、前記コンタクトプラグと直接接続されることを特徴とする請求項１に記載のグラフェン配線。
【請求項４】
前記第１グラフェン層は、両側面に対して垂直方向に積層された１〜１００枚程度のグラフェンシートで構成されることを特徴とする請求項１に記載のグラフェン配線。
【請求項５】
配線溝を有する絶縁膜と、
前記配線溝内の両側面の前記絶縁膜上に、両側面に対して垂直方向に積層された複数のグラフェンシートで構成され、前記配線溝内を埋め込む複数のグラフェン層と、
を具備し、
前記複数のグラフェン層は、
前記配線溝内の両側面の前記絶縁膜上に第１触媒膜を介して形成される第１グラフェン層と、
前記配線溝内の両側面の前記第１グラフェン層上に第２触媒膜を介して形成される第２グラフェン層と、
を含むことを特徴とするグラフェン配線。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−８０００５（Ｐ２０１２−８０００５Ａ）
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２５７７６（Ｐ２０１０−２２５７７６）
【出願日】平成２２年１０月５日（２０１０．１０．５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月５日（２０１０．１０．５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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