配線及び半導体装置
【課題】実施形態は、多層グラフェンの配線及び多層グラフェン配線を有する半導体装置を提供することを目的とする。
【解決手段】実施形態にかかる配線は、基板と、基板上に設けられた金属膜と、記金属膜上に設けられた金属部と、金属部に形成されたグラフェン配線とを有し、前記グラフェン配線は、前記金属膜と電気的に接続し、金属膜と金属部は、異なる金属または合金であることを特徴とする。
【解決手段】実施形態にかかる配線は、基板と、基板上に設けられた金属膜と、記金属膜上に設けられた金属部と、金属部に形成されたグラフェン配線とを有し、前記グラフェン配線は、前記金属膜と電気的に接続し、金属膜と金属部は、異なる金属または合金であることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態は、配線及び半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最先端デバイスに用いられる微細化・薄膜化された金属配線では、その配線幅ならびにその配線高さが、伝導電子の平均自由行程に近づくことに伴い、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。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）においては、伝導電子の平均自由行程は約４０ｎｍであり、配線幅・配線高さが４０ｎｍに近づくにつれて電気抵抗率は上昇し、さらに配線幅・配線高さが伝導電子の平均自由行程以下の寸法になる時、電気抵抗率上昇はより顕著になる
【０００３】
多層配線を流れる信号遅延（ＲＣ遅延）がＬＳＩ性能低下の大きな要因となるため、出来る限り配線抵抗の上昇を抑制したいが、微細化に伴う金属配線の電気抵抗率上昇は不可避な問題であり、本質的な解決には配線材料の代替が必要である。金属配線における配線抵抗は、金属の電気抵抗率とその配線長により決定されるので、ＲＣ遅延は特に配線長が長い配線ほど深刻となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２１２６１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
実施形態は、多層グラフェンの配線及び多層グラフェン配線を有する半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態にかかる配線は、基板と、基板上に設けられた金属膜と、金属膜上に設けられた金属部と、金属部に形成されたグラフェン配線とを有し、グラフェン配線は、金属膜と電気的に接続し、金属膜と金属部は、異なる金属または合金であることを特徴とする。
【０００７】
実施形態にかかる半導体装置は、半導体基板と、半導体基板上に形成されたコンタクト層と、コンタクト層上に形成された配線層と、配線層上に保護層とを有し、配線層にはトレンチが形成され、トレンチ内に触媒膜が形成され、触媒膜にグラフェン配線が形成されていることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、第１の実施形態の配線の断面概念図である。
【図２】図２は、第１の実施形態の配線の一部の概念図である。
【図３】図３は、第１の実施形態の配線の一部の概念図である。
【図４】図４は、グラフェン配線のＴＥＭ画像である。
【図５】図５は、グラフェン配線のＴＥＭ画像である。
【図６】図６は、配線のＴＥＭ画像である。
【図７】図７は、実施例１−１の配線の上面概念図である。
【図８】図８は、実施例１−２の配線の上面概念図である。
【図９】図９は、実施例１−３の配線の上面概念図である。
【図１０】図１０は、第２の実施形態の配線の断面概念図である。
【図１１】図１１は、第２の実施形態の配線の一部の概念図である。
【図１２】図１２は、第２の実施形態の配線の工程断面図である。
【図１３】図１３は、第２の実施形態の配線の断面概念図である。
【図１４】図１４は、第２の実施形態の配線の上面概念図である。
【図１５】図１５は、第２の実施形態の配線の工程断面図である。
【図１６】図１６は、第３の実施形態の配線を有する半導体装置の断面概念図である。
【図１７】図１７は、第３の実施形態の配線を有する半導体装置の工程断面図である。
【図１８】図１８は、第３の実施形態の配線を有する半導体装置の工程断面図である。
【図１９】図１９は、第３の実施形態の配線を有する半導体装置の工程断面図である。
【図２０】図２０は、グラフェン配線のＴＥＭ画像である。
【図２１】図２１は、第３の実施形態の配線を有する半導体装置の断面概念図である。
【図２２】図２２は、第３の実施形態の配線を有する半導体装置の断面概念図である。
【図２３】図２３は、第３の実施形態の配線を有する半導体装置の断面概念図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１の実施形態）
以下、必要に応じて図面を参照しながら、この発明の一実施の形態に係る配線を説明する。なお、図面は、グラフェンの成長角度を含め模式的なものであり、図面は、発明の一形態を示すにすぎない。
【００１０】
図１は、実施形態の配線の一例の断面概念図である。実施形態の配線は、例えば半導体装置の配線である。図１の配線は、基板１と、基板１上に設けられた第１の調整膜５と、第１の調整膜５上に設けられた金属膜２と、金属膜２の一部の表面に埋め込まれた第２の調整膜６と、第２の調整膜６上に設けられた金属部３と、金属部３に形成されたグラフェン配線４とを有する。グラフェン配線４は金属膜２と電気的に接続する。金属膜２と金属部３は、異なる金属または合金である。
【００１１】
基板は、半導体装置等の基板である。
金属膜２は、単層グラフェンが作成可能な金属膜である。単層グラフェンを作成可能とするために、グラフェンに似た結晶構造を持つ金属であることが好ましい。金属膜２は、金属部３よりも炭素の固溶度が低い金属膜であることが好ましい。
【００１２】
一方、金属部３は、多層グラフェンが作成可能な金属膜である。多層グラフェンを作成可能とするために、金属部３は、金属膜２よりも炭素の固溶度が高い金属膜であることが好ましい。ここで、炭素の固溶度とは、金属または合金に対する炭素の固溶する量によって定まる。炭素が金属内に固溶し易いと、多層グラフェンの製造に好適である。一方、炭素が金属内に固溶しにくいと、単層グラフェンの製造に好適である。単層グラフェンの製造に好適な材料は、グラフェンの大面積化に貢献する。大面積のグラフェンは、そのドメインサイズも大きくなるため配線の低抵抗化に寄与するとともに信頼性も向上する。固溶度が低いと、金属表面で１層目のグラフェンが作成されると、金属膜への炭素の供給が断たれるために自動的に成長が停止する。固溶度が高いと、１層目のグラフェンが作成されても金属内に多くの残留している炭素によって２層目以降のグラフェンが作製されるため、多層のグラフェン成長が容易である。
【００１３】
グラフェン配線４の作成が可能な金属としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｒｕ、ＴｉＩｎ、Ｐｔ等から選ばれる金属または前記金属からなる群から選ばれる２種以上の金属を含む合金、前記金属からなる群から選ばれる２種以上の金属からなる合金が挙げられる。この中でも、Ｃｕ及びＣｕを含む合金は、上記理由及び大面積のグラフェン成長の観点から、金属膜２として好適である。Ｃｕを金属膜２として用いることが、上記理由により、より好ましい。また、Ｎｉ、ＣｏとＦｅ及びこれらを含む合金は、上記理由により、金属部３として好適である。Ｎｉ、ＣｏとＦｅのいずれかを金属部材３として用いることが、上記理由により、より好ましい。大面積のグラフェンの成長は難しくなるが、金属膜２がＣｕでなくとも、実施形態のグラフェン配線４を作成することができる。
【００１４】
図２に金属膜２の一部と金属部３を抜粋した概念図を示す。
金属膜２の厚さは、特に限定されないが、例えば、０．０１μｍ以上０．１μｍ以下のものを用いる。基板あとは反対側のグラフェン配線４が形成された金属膜２の面（図１中のＡ面）の結晶面方位は単層グラフェンの成長の観点から、（１１１）面が好ましい。
【００１５】
金属部３の面には、グラフェン配線４の成長の起点となるファセット７を含む。金属部３は図１中では台形であるが、ファセット７を形成すればよいため、金属部３の大きさ及び形状等は特に限定されない。金属部のファセット７の形成方向を調整することで、任意の方向に大面積のグラフェンを有する配線を提供することができる。ファセット７の図２中のＢ面には、グラフェン配線４が成長可能な（１１０）面、（１００）面が含まれる。図２中のファセット７の長さＬは、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。グラフェンの層間距離は、約０．３ｎｍである。従って、このファセット７の長さは、２層以上１００層または１５０層以下程度の多層グラフェンが形成可能な長さに相当する。ファセット７の長さを制御することで、配線となるグラフェン配線４の厚さを制御することができる。なお、金属部３の上面であるＣ面は、ファセット面からグラフェン成長しやすいように、（１１１）面であることが好ましい。
【００１６】
図３に金属膜２と金属部３の一部のみを抜粋した概念図を示す。図３中のθはいずれもファセット７の角度である。ファセット７の角度は、金属膜面２を基準とする角度（鋭角側）である。ファセット７の角度θが小さいと図４のＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像のようにグラフェンが成長しない。多層グラフェンが成長するためには、ファセット７の角度θは、２０°以上９０°未満であることが好ましい。図５、６のＴＥＭ画像に示すように、ファセット７角度が約３５°と約５５°であると、多層グラフェンが好適に成長することが確認できる。（１１０）（１００）
【００１７】
ファセット７の角度が３５°または５５°であると、ファセット７の面は上述した（１１０）面、（１００）面となりやすい。また、ファセット７の角度に３５°または５５°が含まれると、ファセット７の面は上述した（１１０）面、（１００）面を含みやすい。３５°と５５°を中心角度とし、±１５°の傾きがあっても、グラフェンは成長しやすい。結晶学の知見から、中心角度から１５°以内までのずれは結晶転位によるずれであり、結晶面の整合性がよいためである。ファセットと金属膜とのなす角は、２０°以上７０°以下となる面を含むことが好ましい。
【００１８】
なお、ファセット７の角度は、金属面２または基板を基準に、角度を算出する。角度の算出方法は、ファセット面を直線近似して、その近似線と金属膜２または基板の傾きを計算する。得られた傾き値のうち傾きが２０°以上９０°未満となる傾き値を平均して、その傾きから角度を算出する。
【００１９】
第１と第２の調整膜５と６は、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴａＮ等が挙げられる。このような金属または化合物の膜を金属膜２または金属部３の直下に設けると、結晶方位、結晶品質、平坦性等の結晶性が向上することが期待される。なお、第１と第２の調整膜５と６は省略することもできる。第１の調整膜５を省略する場合は、基板１上に金属膜２が形成される。第２の調整膜６を省略する場合は、金属膜２上に金属部３が形成される。
【００２０】
金属部３の電気抵抗が高い場合、この抵抗値を下げる目的で、低抵抗な部材を、金属部３及びグラフェン配線４上に設けてもよい。低抵抗な部材としては、Ｃｕ、Ａｌ等が挙げられる。
【００２１】
実施形態は、金属部３を起点に、多層かつ大面積のグラフェンを有することで、４０ｎｍ以下の微細配線にも対応する低抵抗な配線を提供することができる。
【００２２】
（実施例１−１）
次いで、図１配線について具体的に説明する。なお、図７に実施例１の配線の上面図を示す。図７の配線は、基板１と、基板１上に設けられた第１の膜５と、第１の調整膜５上に設けられた金属膜２と、金属膜２の一部の表面に埋め込まれた第２の調整膜６と、第２の調整膜６上に設けられた金属部３と、金属膜２と接続しかつ金属部３上に形成されたグラフェン配線４とを有し、グラフェン配線４が十字方向に形成された形態である。
【００２３】
基板１上に第１の調整膜を形成する。形成方法はＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｉｐｏｔｉｓｉｏｎ）等が挙げられる。次に、第１の調整膜５上にＣＶＤ法等によって金属膜２を形成する。金属膜２の（１１１）面が形成されるように条件を最適化する。次に、リソグラフィー技術によって、第２の調整膜６を形成する領域を作成し第２の調整膜６を堆積する。次に、金属膜２及び第２の調整膜上に同じくＣＶＤ法等によって、金属部３を形成する。金属部３は、リソグラフィー技術により、金属膜２の中心部に正方形状に残存する様にパターニングをする。グラフェン配線４が十字方向に成長するように、４面のファセットが形成されるよう金属部３を加工する。金属部３のパターニング後、水素等のプラズマ処理、加熱処理等を行い、ファセット７の面を平滑にしかつ安定な結晶面方位になるように調整する。リモートプラズマを用いた処理が望ましく、ガス種としてはＨ２， Ｎ２， Ａｒ、またはこれらの混合ガスが好ましい。基板がプラズマに直接曝される暴露処理でも調整することは可能であるが、ファセット形成が制御しにくくなる傾向がある。処理温度は２００℃以上成長温度以下が好ましい。
【００２４】
グラフェン配線４は、熱またはプラズマ処理によってエチレン、アセチレン等の炭化水素化合物を分解した原料を供給し、ＣＶＤ法等によって多層グラフェンを金属部３のファセット７から成長させる。この時、処理温度が６００℃を超えると、ファセット７以外からのグラフェン成長が起きやすくなることから、処理温度は６００℃以下が好ましい。グラフェンの成長後、金属膜２、金属部３とグラフェン配線４のうちいずれかの不要部分を取り除いても良い。
【００２５】
（実施例１−２）
図８の上面図に示す配線の製造方法について説明する。本実施例の配線は、金属部３が金属膜を縦断するように形成されていること、グラフェン配線４が２方向に幅広く形成されていることが実施例１−１と異なる。
【００２６】
金属部３のリソグラフィー方法以外は実施例１−１と同様であり、重複する記載は、省略する。
金属部３をＣＶＤ法等で形成後、金属膜２の中央部に金属膜２を縦断するような長方形状に残存するようにパターニングを行う。このこと以外は実施例１−１と同様である。
【００２７】
（実施例１−３）
図９の上面図に示す配線の製造方法について説明する。本実施例の配線は、実施例１−１の配線が複数部あり、そのうちの一部に金属部３とグラフェン配線４の一部を覆う低抵抗部材８が形成されていることが実施例１−１と異なる。
【００２８】
金属部３を複数形成すること以外は、グラフェンの成長工程まで実施例１−１と同様である。グラフェン配線の成長後、マスクを形成するなどして、金属部３とグラフェン配線４の一部を覆う低抵抗部材８を形成することが実施例１−１と異なる。低抵抗部材８を用いているため、金属部３等に起因する高抵抗化の影響を緩和することができる。
【００２９】
（第２の実施形態）
図１０は、実施形態の配線の一例の断面概念図である。図１０の配線は、基板１と、基板１上に設けられた第１の調整膜５と、第１の調整膜５上に設けられた金属膜２と、金属膜２の一部の表面に埋め込まれた第２の調整膜６と、第２の調整膜６上に設けられた第１の金属部３Ａと、第１の金属部３Ａ上に形成された第２の金属部３と、金属膜２と電気的に接続しかつ金属部３Ａ及び金属部３Ｂに形成されたグラフェン配線４とを有する。
【００３０】
第２の実施形態の配線は、金属部が２段の構成であること以外は、第１の実施形態と重複する。重複する構成については、その説明を省略する。多層グラフェン配線が、多段に形成されている。各ファセットから作製されたグラフェンは重なりずれが生じるため、低抵抗化する。
【００３１】
図１１に金属膜２の一部と金属部３を抜粋した概念図を示す。図１１の金属部は第１の金属部３Ａと第２の金属部３Ｂの２段分が積層されている。段数が増えている点で、第１の実施形態の配線と異なるが、結晶面方位やファセット７に関しては、第１の実施形態と同様である。図１１の金属部は、多段となるようなガイドを作成してからの金属膜の形成、または、エッチングの方向性の制御またはマスクのスリミングを行う等して多段の金属部を形成すればよい。
【００３２】
図１２の工程断面図を用いて、多段の形成方法の一例を具体的に説明する。
マスク９を作成し、金属部３のパターニングを行う（図１２（Ａ））。次いで、マスク９をサイドエッチングして、マスク９をスリミングする（図１２（Ｂ））。金属部３の一部が残存するようにエッチングを行う（図１２（Ｃ））。マスク９を取り除く（図１２（Ｄ））。金属部３にプラズマ処理または熱処理を行い（図１２（Ｅ））、図１２（Ｆ）に示す多段の金属部３Ａ、３Ｂを作成する。この方法で、段数をさらに増やす場合は、スリミングとエッチングを繰り返し行えばよい。
【００３３】
（実施例２−１）
次いで、図１３の断面概念図に示す配線について、具体的に説明する。なお、図１４に、その上面図を示す。本実施例は、多くの部位及び工程で実施例１−１と共通するため、共通することに関しては、その説明を省略する。
【００３４】
図１３の配線は、基板１と、基板１上に設けられた第１の調整膜５と、第１の調整膜５上に設けられた金属膜２と、金属膜２上に設けられた３段の金属部３Ａ、３Ｂ、３Ｃと、金属膜２と電気的に接続しかつ金属部３Ａ、金属部３Ｂ、金属部３Ｃにそれぞれ形成されたグラフェン配線４Ａ、４Ｂ、４Ｃとを有する。図１３の配線断面図は片側のみを示すが、目的の配線方向にグラフェンを成長させることができる。
【００３５】
実施例２−１は、多段の金属部３を形成するためのガイドとして、エッチングレートの異なる２種の絶縁膜１０、１１が異なる幅で積層されている。例えば２種の層としては、ＳｉＯ２膜１０とＳｉＮ膜１１が挙げられる。この積層膜１０、１１をガイドに、３段の金属部３Ａ、３Ｂ、３Ｃが形成されている。これらの金属部３Ａ、３Ｂ、３Ｃにはファセット７Ａ、７Ｂ、７Ｃが形成されている。ファセットＡ、７Ｂ、７Ｃには、第１の実施形態に記載した好ましい結晶面方位が含まれているなど、ファセットＡ、７Ｂ、７Ｃは、第１の実施形態に記載した好ましい条件を満たす斜面である。各段のファセットから、グラフェン配線４Ａ、４Ｂ、４Ｃが形成されている。
【００３６】
図１５の工程断面図を参照し、ＳｉＯ２膜１０とＳｉＮ膜１１の積層から３段の金属部３Ａ、３Ｂ、３Ｃの形成方法について説明する。このこと以外は、実施例１−１と重複する。
金属膜上に、ＳｉＯ２膜１０とＳｉＮ膜１１を順々に成膜して積層する（図１５（Ａ））。この絶縁膜は、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などによって、ｎｍオーダーでその膜厚を制御する。次に、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）により、テーパーがつくようにｎｍオーダーの階段状構造に加工する（図１５（Ｂ））。次いで階段状構造上に金属部３を堆積する、そして、多段の金属部３Ａ、３Ｂ、３Ｃが残存するようにエッチングを行い、プラズマまたは加熱処理後に多段グラフェン配線４Ａ、４Ｂ、４Ｃを成長させる。このように、多段のグラフェン配線であっても、１段と同様の成長工程でグラフェンを形成することができる。また、多段であるため、前述のとおり、さらなる低抵抗化が可能となる。
【００３７】
（第３の実施形態）
第３の実施形態は、グラフェン配線を有する半導体装置にかかる。
第３の実施形態の、配線層にかかる特徴の一部は、上記第１と第２の実施形態の配線と重複する。なお、配線層の底面と側面はトレンチを基準とする。なお、ファセットの角度は、ファセットと基板とのなす角である。
【００３８】
（実施例３−１）
図１６の概念図に示す本実施形態の配線を有する半導体装置は、基板１０１と、基板１０１上に形成されたコンタクト層１０２と、コンタクト層１０２上に形成された配線層と、配線層上に保護層１０９とを有する。配線層には、絶縁膜１０４と１０５が積層され、これらの絶縁膜を貫通するトレンチが形成されている。トレンチ内に触媒膜（１０７Ａ、１０７Ｂ）と、グラフェン配線（１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８Ｃ）とを有する。グラフェン配線は、触媒層のファセット１１１Ａ、１１１Ｂから形成されている。トレンチ内の空隙には、絶縁膜あるいは金属膜１１０が形成されていてもよい。金属膜を形成する場合には、形成した金属膜も配線の電子伝導に寄与するので、より配線抵抗を低減することが出来る。コンタクト層１０２に基板１０１の図示しない素子と配線層とを接続する層間配線１０３が形成されている。層間配線１０３と触媒膜の間に触媒膜の結晶性を向上させる調整膜（１０６Ａ、１０６Ｂ）が形成されていてもよい。
【００３９】
図１６の概念図と図１７から図１９に示す第３の実施形態の工程断面図を参照して、半導体装置の製造方法の一例について説明する。
半導体装置の製造方法は、トレンチ内に形成されたファセットを有する触媒膜を有する部材に、炭化水素を供給し、６００℃以下の温度でグラフェンを成長させることができる。触媒膜のファセットは水素のプラズマ処理または加熱処理等によって形成する。また、触媒膜は、階段状構造の部材をガイドにして階段状構造の触媒膜を形成または触媒膜をエッチングするなどして、触媒膜を階段状構造に加工し、上述したファセット形成の加工を行い、多段のファセットを形成することができる。
【００４０】
図１７に、基板１０１上に、層間配線１０３が形成されたコンタクト層１０２が形成され、コンタクト層上に、窒化シリコン膜１０４と絶縁膜１０５が積層された部材に、狭幅と広幅のダマシン配線のトレンチを形成する工程を示す。トレンチの形成には、例えば、レジストを塗布し、リソグラフィー工程により、マスクに加工し、ＲＩＥ加工により行う。絶縁膜１０５には、例えば、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）などを用いることができる。狭幅のトレンチは、グラフェン配線幅が３０ｎｍ以下である。広幅のトレンチは、グラフェン配線幅が３０ｎｍより広い。トレンチは、目的に応じて、広幅と狭幅を作り分けてもよいため、半導体装置によっては、広幅と狭幅のいずれか一方のみが形成される場合もある。なお、狭幅と広幅の中間幅のトレンチが形成され、トレンチ内にグラフェン配線が形成される実施形態を否定するものではない。
【００４１】
図１８に、トレンチが形成された部材のトレンチ内と絶縁膜１０５上に、調整膜を形成し、調整膜上に触媒膜を形成し、触媒膜上に犠牲膜を形成し、調整膜、触媒膜と犠牲膜をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）などで、平坦化処理を行い、犠牲膜をアッシング処理またはＷｅｔ処理により除去し、調整膜１０６Ａ、１０６Ｂと触媒膜１０７Ａ、１０７Ｂとを形成する工程を示す。調整膜１０６Ａ、１０６Ｂは、第１や第２の実施形態に記載した調整膜と同様である。触媒膜１０７Ａ、１０７Ｂは、第１や第２の実施形態に記載した金属部と同様である。平坦化は、調整膜と触媒膜が図１８のように残存するように行う。犠牲膜は、加工性に優れ、アッシング処理等において選択性の高い材料、例えば有機膜などを用いることができる。
【００４２】
図１８に、配線幅（Ｗ１、Ｗ２）と配線深さ（Ｄ１、Ｄ２）を示してある。広幅の配線幅はＷ１で、配線深さはＤ１で示す。広幅トレンチ内の微細配線のアスペクト比であるＤ１／Ｗ１は０．５以下である。挟幅の配線幅はＷ２で、配線深さはＤ２で示す。挟幅トレンチ内の微細配線のアスペクト比であるＤ２／Ｗ２は２以上である。触媒膜が多段の構成になっている場合は、微細配線の幅の平均値が配線幅とする。配線深さ／配線幅が、０．５以下のグラフェン配線は、配線深さ方向に伸展するグラフェンが電気伝導の主たる経路となりる。また、配線深さ／配線幅が、２以上のグラフェン配線は、配線幅方向に伸展するグラフェンが電気伝導の主たる経路となる。
【００４３】
図１９に、図１８の部材の触媒膜１０７Ａ、１０７Ｂにプラズマ処理または熱処理を行い、ファセット１１１Ａ、１１１Ｂを形成する工程を示す。この処理は、上記の第１と第２のプラズマ処理または熱処理と同様である。第３の実施形態のファセットは、第１と第２の実施形態のファセットと同様である。図２０に実施例３−１の広幅側のグラフェン配線のＴＥＭ画像を示す。
【００４４】
図１９の部材に、炭素を供給し、加熱等を行い、第１と第２の実施形態と同様にファセット１１１Ａ、１１１Ｂから多層のグラフェン配線を成長させる。広幅の微細配線側では、図２０のＴＥＭ画像からも明らかなように触媒膜１０７Ａの側面と底面をガイドとし、ガイドに沿うようにグラフェン配線１０８Ａ、１０８Ｂが成長する。なお、グラフェン配線１０８Ｂは、両端から成長し、中央部でそれぞれが結合する。挟幅の微細配線側では、触媒膜１０７Ｂの側面をガイドとし、ガイドに沿うようにトレンチの開口方向にグラフェン配線１０８Ｃが成長する。なお、トレンチの深さが浅ければ、側面をガイドとしてグラフェンが成長しないこともある。挟幅の微細配線では、触媒膜１０７Ｂの底面幅が狭いため、底面をガイドに成長するグラフェン配線はほとんどまたは全く無い。そして、必要に応じて、絶縁膜をトレンチ内に形成し、不要なグラフェン配線を除去する。さらに、保護層１０９を形成すると、図１６の半導体装置が得られる。
【００４５】
第３の実施形態の半導体装置は、微細配線における配線幅を調整するだけで、グラフェン配線の伸長方向が制御された半導体装置を得ることができる。挟幅のトレンチ内で、触媒膜底面側にグラフェンが伸長すると、グラフェンの伸長方向に対する結晶単位格子数が少なくなり、グラフェン配線が高抵抗になったり、グラフェン配線そのものが半導体としての挙動を示したりすることがある。しかし、第３の実施形態では、グラフェン配線の伸長方向を制御できるため、このようなグラフェン配線の問題を生じにくくすることができる。
【００４６】
（実施例３−２）
図２１は実施例３−２の半導体装置である。触媒膜１０７Ａが多段に構成され、一方に４面のファセット１１１Ｃ、１１１Ｄ、１１１Ｅと１１１Ｆが形成され、広幅側の微細配線内にグラフェン配線１０８Ｄが形成され、実施例３−１のような空隙（絶縁膜）が無いこと以外は、実施例３−１と同様である。本実施形態の半導体装置の製造方法は、実施例３−１に、第２の実施形態の多段の金属部を形成する工程を触媒膜１０７Ａの加工に採用すればよい。
【００４７】
実施例３−２の半導体装置は、触媒膜１０７Ａを多段とするだけで、広幅側の微細配線のトレンチ内の上方にも触媒膜１０７Ａの底面に沿う方向に伸長するグラフェン配線１０８Ｄを得ることができる。触媒膜１０７Ａを多段にしたことにより、グラフェン配線１０８Ｄは、実施例３−１で作成される１０８Ｂよりも、よりその膜厚を厚く形成することが出来る。グラフェン配線１０８Ｄを厚く形成できることにより、配線抵抗の低減、配線電流密度の緩和、配線信頼性の向上が出来る。
【００４８】
（実施例３−３）
図２２は実施例３−３の半導体装置である。調整膜１０６Ａと調整膜１０６Ｂの側面側が省略されていること以外は、実施例３−２と同様である。本実施形態の半導体装置の製造方法は、実施例３−１において、挟幅側のトレンチの底部にのみ調整膜１０６Ｂを形成すること以外は、実施例３−２と同様である。
【００４９】
実施例３−３では、調整膜の一部を省略しているため、配線の更なる低抵抗化が可能となる。そして、挟幅側の微細配線では、実施例３−２に比べ調整膜がない分だけ更なる配線の微細化が可能となる。
【００５０】
（実施例３−４）
図２３は実施例３−４の半導体装置である。触媒膜１０７Ａの底面に金属膜１１２Ａと、触媒膜１０７Ｂの側面に金属膜１１２Ｂが、触媒膜の代わりに形成されていること以外は実施例３−２と同様である。金属膜１１２Ａと１１２Ｂは、グラフェン配線のグラフェン伸長方向に形成されている。第３の実施形態の金属膜１１２Ａと１１２Ｂは第１と第２の実施形態の金属膜と同様であり、第１と第２における金属膜と金属部の関係と、第３の実施形態における金属膜と触媒膜の関係も同様である。
【００５１】
実施例３−４では、大面積のグラフェンを形成するのに好適な金属膜がグラフェンの伸長方向に設けられているため、グラフェン配線の大面積化が可能となり、配線の信頼性が向上することが好ましい。
【００５２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。結晶面方位を制御し、任意の方向にグラフェンを成長させてもよい。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５３】
１…基板
２…金属膜
３…金属部
４…グラフェン配線
５…第１の調整膜
６…第２の調整膜
７…ファセット
８…低抵抗部材
９…マスク
１０…絶縁膜
１１…絶縁膜
１０１…基板
１０２…コンタクト層
１０３…層間配線
１０４…絶縁膜
１０５…絶縁膜
１０６…調整膜
１０７…触媒膜
１０８…グラフェン配線
１０９…保護膜
１１０…絶縁膜
１１１…ファセット
１１２…金属膜
【技術分野】
【０００１】
実施形態は、配線及び半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最先端デバイスに用いられる微細化・薄膜化された金属配線では、その配線幅ならびにその配線高さが、伝導電子の平均自由行程に近づくことに伴い、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。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）においては、伝導電子の平均自由行程は約４０ｎｍであり、配線幅・配線高さが４０ｎｍに近づくにつれて電気抵抗率は上昇し、さらに配線幅・配線高さが伝導電子の平均自由行程以下の寸法になる時、電気抵抗率上昇はより顕著になる
【０００３】
多層配線を流れる信号遅延（ＲＣ遅延）がＬＳＩ性能低下の大きな要因となるため、出来る限り配線抵抗の上昇を抑制したいが、微細化に伴う金属配線の電気抵抗率上昇は不可避な問題であり、本質的な解決には配線材料の代替が必要である。金属配線における配線抵抗は、金属の電気抵抗率とその配線長により決定されるので、ＲＣ遅延は特に配線長が長い配線ほど深刻となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２１２６１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
実施形態は、多層グラフェンの配線及び多層グラフェン配線を有する半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態にかかる配線は、基板と、基板上に設けられた金属膜と、金属膜上に設けられた金属部と、金属部に形成されたグラフェン配線とを有し、グラフェン配線は、金属膜と電気的に接続し、金属膜と金属部は、異なる金属または合金であることを特徴とする。
【０００７】
実施形態にかかる半導体装置は、半導体基板と、半導体基板上に形成されたコンタクト層と、コンタクト層上に形成された配線層と、配線層上に保護層とを有し、配線層にはトレンチが形成され、トレンチ内に触媒膜が形成され、触媒膜にグラフェン配線が形成されていることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、第１の実施形態の配線の断面概念図である。
【図２】図２は、第１の実施形態の配線の一部の概念図である。
【図３】図３は、第１の実施形態の配線の一部の概念図である。
【図４】図４は、グラフェン配線のＴＥＭ画像である。
【図５】図５は、グラフェン配線のＴＥＭ画像である。
【図６】図６は、配線のＴＥＭ画像である。
【図７】図７は、実施例１−１の配線の上面概念図である。
【図８】図８は、実施例１−２の配線の上面概念図である。
【図９】図９は、実施例１−３の配線の上面概念図である。
【図１０】図１０は、第２の実施形態の配線の断面概念図である。
【図１１】図１１は、第２の実施形態の配線の一部の概念図である。
【図１２】図１２は、第２の実施形態の配線の工程断面図である。
【図１３】図１３は、第２の実施形態の配線の断面概念図である。
【図１４】図１４は、第２の実施形態の配線の上面概念図である。
【図１５】図１５は、第２の実施形態の配線の工程断面図である。
【図１６】図１６は、第３の実施形態の配線を有する半導体装置の断面概念図である。
【図１７】図１７は、第３の実施形態の配線を有する半導体装置の工程断面図である。
【図１８】図１８は、第３の実施形態の配線を有する半導体装置の工程断面図である。
【図１９】図１９は、第３の実施形態の配線を有する半導体装置の工程断面図である。
【図２０】図２０は、グラフェン配線のＴＥＭ画像である。
【図２１】図２１は、第３の実施形態の配線を有する半導体装置の断面概念図である。
【図２２】図２２は、第３の実施形態の配線を有する半導体装置の断面概念図である。
【図２３】図２３は、第３の実施形態の配線を有する半導体装置の断面概念図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１の実施形態）
以下、必要に応じて図面を参照しながら、この発明の一実施の形態に係る配線を説明する。なお、図面は、グラフェンの成長角度を含め模式的なものであり、図面は、発明の一形態を示すにすぎない。
【００１０】
図１は、実施形態の配線の一例の断面概念図である。実施形態の配線は、例えば半導体装置の配線である。図１の配線は、基板１と、基板１上に設けられた第１の調整膜５と、第１の調整膜５上に設けられた金属膜２と、金属膜２の一部の表面に埋め込まれた第２の調整膜６と、第２の調整膜６上に設けられた金属部３と、金属部３に形成されたグラフェン配線４とを有する。グラフェン配線４は金属膜２と電気的に接続する。金属膜２と金属部３は、異なる金属または合金である。
【００１１】
基板は、半導体装置等の基板である。
金属膜２は、単層グラフェンが作成可能な金属膜である。単層グラフェンを作成可能とするために、グラフェンに似た結晶構造を持つ金属であることが好ましい。金属膜２は、金属部３よりも炭素の固溶度が低い金属膜であることが好ましい。
【００１２】
一方、金属部３は、多層グラフェンが作成可能な金属膜である。多層グラフェンを作成可能とするために、金属部３は、金属膜２よりも炭素の固溶度が高い金属膜であることが好ましい。ここで、炭素の固溶度とは、金属または合金に対する炭素の固溶する量によって定まる。炭素が金属内に固溶し易いと、多層グラフェンの製造に好適である。一方、炭素が金属内に固溶しにくいと、単層グラフェンの製造に好適である。単層グラフェンの製造に好適な材料は、グラフェンの大面積化に貢献する。大面積のグラフェンは、そのドメインサイズも大きくなるため配線の低抵抗化に寄与するとともに信頼性も向上する。固溶度が低いと、金属表面で１層目のグラフェンが作成されると、金属膜への炭素の供給が断たれるために自動的に成長が停止する。固溶度が高いと、１層目のグラフェンが作成されても金属内に多くの残留している炭素によって２層目以降のグラフェンが作製されるため、多層のグラフェン成長が容易である。
【００１３】
グラフェン配線４の作成が可能な金属としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｒｕ、ＴｉＩｎ、Ｐｔ等から選ばれる金属または前記金属からなる群から選ばれる２種以上の金属を含む合金、前記金属からなる群から選ばれる２種以上の金属からなる合金が挙げられる。この中でも、Ｃｕ及びＣｕを含む合金は、上記理由及び大面積のグラフェン成長の観点から、金属膜２として好適である。Ｃｕを金属膜２として用いることが、上記理由により、より好ましい。また、Ｎｉ、ＣｏとＦｅ及びこれらを含む合金は、上記理由により、金属部３として好適である。Ｎｉ、ＣｏとＦｅのいずれかを金属部材３として用いることが、上記理由により、より好ましい。大面積のグラフェンの成長は難しくなるが、金属膜２がＣｕでなくとも、実施形態のグラフェン配線４を作成することができる。
【００１４】
図２に金属膜２の一部と金属部３を抜粋した概念図を示す。
金属膜２の厚さは、特に限定されないが、例えば、０．０１μｍ以上０．１μｍ以下のものを用いる。基板あとは反対側のグラフェン配線４が形成された金属膜２の面（図１中のＡ面）の結晶面方位は単層グラフェンの成長の観点から、（１１１）面が好ましい。
【００１５】
金属部３の面には、グラフェン配線４の成長の起点となるファセット７を含む。金属部３は図１中では台形であるが、ファセット７を形成すればよいため、金属部３の大きさ及び形状等は特に限定されない。金属部のファセット７の形成方向を調整することで、任意の方向に大面積のグラフェンを有する配線を提供することができる。ファセット７の図２中のＢ面には、グラフェン配線４が成長可能な（１１０）面、（１００）面が含まれる。図２中のファセット７の長さＬは、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。グラフェンの層間距離は、約０．３ｎｍである。従って、このファセット７の長さは、２層以上１００層または１５０層以下程度の多層グラフェンが形成可能な長さに相当する。ファセット７の長さを制御することで、配線となるグラフェン配線４の厚さを制御することができる。なお、金属部３の上面であるＣ面は、ファセット面からグラフェン成長しやすいように、（１１１）面であることが好ましい。
【００１６】
図３に金属膜２と金属部３の一部のみを抜粋した概念図を示す。図３中のθはいずれもファセット７の角度である。ファセット７の角度は、金属膜面２を基準とする角度（鋭角側）である。ファセット７の角度θが小さいと図４のＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像のようにグラフェンが成長しない。多層グラフェンが成長するためには、ファセット７の角度θは、２０°以上９０°未満であることが好ましい。図５、６のＴＥＭ画像に示すように、ファセット７角度が約３５°と約５５°であると、多層グラフェンが好適に成長することが確認できる。（１１０）（１００）
【００１７】
ファセット７の角度が３５°または５５°であると、ファセット７の面は上述した（１１０）面、（１００）面となりやすい。また、ファセット７の角度に３５°または５５°が含まれると、ファセット７の面は上述した（１１０）面、（１００）面を含みやすい。３５°と５５°を中心角度とし、±１５°の傾きがあっても、グラフェンは成長しやすい。結晶学の知見から、中心角度から１５°以内までのずれは結晶転位によるずれであり、結晶面の整合性がよいためである。ファセットと金属膜とのなす角は、２０°以上７０°以下となる面を含むことが好ましい。
【００１８】
なお、ファセット７の角度は、金属面２または基板を基準に、角度を算出する。角度の算出方法は、ファセット面を直線近似して、その近似線と金属膜２または基板の傾きを計算する。得られた傾き値のうち傾きが２０°以上９０°未満となる傾き値を平均して、その傾きから角度を算出する。
【００１９】
第１と第２の調整膜５と６は、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴａＮ等が挙げられる。このような金属または化合物の膜を金属膜２または金属部３の直下に設けると、結晶方位、結晶品質、平坦性等の結晶性が向上することが期待される。なお、第１と第２の調整膜５と６は省略することもできる。第１の調整膜５を省略する場合は、基板１上に金属膜２が形成される。第２の調整膜６を省略する場合は、金属膜２上に金属部３が形成される。
【００２０】
金属部３の電気抵抗が高い場合、この抵抗値を下げる目的で、低抵抗な部材を、金属部３及びグラフェン配線４上に設けてもよい。低抵抗な部材としては、Ｃｕ、Ａｌ等が挙げられる。
【００２１】
実施形態は、金属部３を起点に、多層かつ大面積のグラフェンを有することで、４０ｎｍ以下の微細配線にも対応する低抵抗な配線を提供することができる。
【００２２】
（実施例１−１）
次いで、図１配線について具体的に説明する。なお、図７に実施例１の配線の上面図を示す。図７の配線は、基板１と、基板１上に設けられた第１の膜５と、第１の調整膜５上に設けられた金属膜２と、金属膜２の一部の表面に埋め込まれた第２の調整膜６と、第２の調整膜６上に設けられた金属部３と、金属膜２と接続しかつ金属部３上に形成されたグラフェン配線４とを有し、グラフェン配線４が十字方向に形成された形態である。
【００２３】
基板１上に第１の調整膜を形成する。形成方法はＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｉｐｏｔｉｓｉｏｎ）等が挙げられる。次に、第１の調整膜５上にＣＶＤ法等によって金属膜２を形成する。金属膜２の（１１１）面が形成されるように条件を最適化する。次に、リソグラフィー技術によって、第２の調整膜６を形成する領域を作成し第２の調整膜６を堆積する。次に、金属膜２及び第２の調整膜上に同じくＣＶＤ法等によって、金属部３を形成する。金属部３は、リソグラフィー技術により、金属膜２の中心部に正方形状に残存する様にパターニングをする。グラフェン配線４が十字方向に成長するように、４面のファセットが形成されるよう金属部３を加工する。金属部３のパターニング後、水素等のプラズマ処理、加熱処理等を行い、ファセット７の面を平滑にしかつ安定な結晶面方位になるように調整する。リモートプラズマを用いた処理が望ましく、ガス種としてはＨ２， Ｎ２， Ａｒ、またはこれらの混合ガスが好ましい。基板がプラズマに直接曝される暴露処理でも調整することは可能であるが、ファセット形成が制御しにくくなる傾向がある。処理温度は２００℃以上成長温度以下が好ましい。
【００２４】
グラフェン配線４は、熱またはプラズマ処理によってエチレン、アセチレン等の炭化水素化合物を分解した原料を供給し、ＣＶＤ法等によって多層グラフェンを金属部３のファセット７から成長させる。この時、処理温度が６００℃を超えると、ファセット７以外からのグラフェン成長が起きやすくなることから、処理温度は６００℃以下が好ましい。グラフェンの成長後、金属膜２、金属部３とグラフェン配線４のうちいずれかの不要部分を取り除いても良い。
【００２５】
（実施例１−２）
図８の上面図に示す配線の製造方法について説明する。本実施例の配線は、金属部３が金属膜を縦断するように形成されていること、グラフェン配線４が２方向に幅広く形成されていることが実施例１−１と異なる。
【００２６】
金属部３のリソグラフィー方法以外は実施例１−１と同様であり、重複する記載は、省略する。
金属部３をＣＶＤ法等で形成後、金属膜２の中央部に金属膜２を縦断するような長方形状に残存するようにパターニングを行う。このこと以外は実施例１−１と同様である。
【００２７】
（実施例１−３）
図９の上面図に示す配線の製造方法について説明する。本実施例の配線は、実施例１−１の配線が複数部あり、そのうちの一部に金属部３とグラフェン配線４の一部を覆う低抵抗部材８が形成されていることが実施例１−１と異なる。
【００２８】
金属部３を複数形成すること以外は、グラフェンの成長工程まで実施例１−１と同様である。グラフェン配線の成長後、マスクを形成するなどして、金属部３とグラフェン配線４の一部を覆う低抵抗部材８を形成することが実施例１−１と異なる。低抵抗部材８を用いているため、金属部３等に起因する高抵抗化の影響を緩和することができる。
【００２９】
（第２の実施形態）
図１０は、実施形態の配線の一例の断面概念図である。図１０の配線は、基板１と、基板１上に設けられた第１の調整膜５と、第１の調整膜５上に設けられた金属膜２と、金属膜２の一部の表面に埋め込まれた第２の調整膜６と、第２の調整膜６上に設けられた第１の金属部３Ａと、第１の金属部３Ａ上に形成された第２の金属部３と、金属膜２と電気的に接続しかつ金属部３Ａ及び金属部３Ｂに形成されたグラフェン配線４とを有する。
【００３０】
第２の実施形態の配線は、金属部が２段の構成であること以外は、第１の実施形態と重複する。重複する構成については、その説明を省略する。多層グラフェン配線が、多段に形成されている。各ファセットから作製されたグラフェンは重なりずれが生じるため、低抵抗化する。
【００３１】
図１１に金属膜２の一部と金属部３を抜粋した概念図を示す。図１１の金属部は第１の金属部３Ａと第２の金属部３Ｂの２段分が積層されている。段数が増えている点で、第１の実施形態の配線と異なるが、結晶面方位やファセット７に関しては、第１の実施形態と同様である。図１１の金属部は、多段となるようなガイドを作成してからの金属膜の形成、または、エッチングの方向性の制御またはマスクのスリミングを行う等して多段の金属部を形成すればよい。
【００３２】
図１２の工程断面図を用いて、多段の形成方法の一例を具体的に説明する。
マスク９を作成し、金属部３のパターニングを行う（図１２（Ａ））。次いで、マスク９をサイドエッチングして、マスク９をスリミングする（図１２（Ｂ））。金属部３の一部が残存するようにエッチングを行う（図１２（Ｃ））。マスク９を取り除く（図１２（Ｄ））。金属部３にプラズマ処理または熱処理を行い（図１２（Ｅ））、図１２（Ｆ）に示す多段の金属部３Ａ、３Ｂを作成する。この方法で、段数をさらに増やす場合は、スリミングとエッチングを繰り返し行えばよい。
【００３３】
（実施例２−１）
次いで、図１３の断面概念図に示す配線について、具体的に説明する。なお、図１４に、その上面図を示す。本実施例は、多くの部位及び工程で実施例１−１と共通するため、共通することに関しては、その説明を省略する。
【００３４】
図１３の配線は、基板１と、基板１上に設けられた第１の調整膜５と、第１の調整膜５上に設けられた金属膜２と、金属膜２上に設けられた３段の金属部３Ａ、３Ｂ、３Ｃと、金属膜２と電気的に接続しかつ金属部３Ａ、金属部３Ｂ、金属部３Ｃにそれぞれ形成されたグラフェン配線４Ａ、４Ｂ、４Ｃとを有する。図１３の配線断面図は片側のみを示すが、目的の配線方向にグラフェンを成長させることができる。
【００３５】
実施例２−１は、多段の金属部３を形成するためのガイドとして、エッチングレートの異なる２種の絶縁膜１０、１１が異なる幅で積層されている。例えば２種の層としては、ＳｉＯ２膜１０とＳｉＮ膜１１が挙げられる。この積層膜１０、１１をガイドに、３段の金属部３Ａ、３Ｂ、３Ｃが形成されている。これらの金属部３Ａ、３Ｂ、３Ｃにはファセット７Ａ、７Ｂ、７Ｃが形成されている。ファセットＡ、７Ｂ、７Ｃには、第１の実施形態に記載した好ましい結晶面方位が含まれているなど、ファセットＡ、７Ｂ、７Ｃは、第１の実施形態に記載した好ましい条件を満たす斜面である。各段のファセットから、グラフェン配線４Ａ、４Ｂ、４Ｃが形成されている。
【００３６】
図１５の工程断面図を参照し、ＳｉＯ２膜１０とＳｉＮ膜１１の積層から３段の金属部３Ａ、３Ｂ、３Ｃの形成方法について説明する。このこと以外は、実施例１−１と重複する。
金属膜上に、ＳｉＯ２膜１０とＳｉＮ膜１１を順々に成膜して積層する（図１５（Ａ））。この絶縁膜は、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などによって、ｎｍオーダーでその膜厚を制御する。次に、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）により、テーパーがつくようにｎｍオーダーの階段状構造に加工する（図１５（Ｂ））。次いで階段状構造上に金属部３を堆積する、そして、多段の金属部３Ａ、３Ｂ、３Ｃが残存するようにエッチングを行い、プラズマまたは加熱処理後に多段グラフェン配線４Ａ、４Ｂ、４Ｃを成長させる。このように、多段のグラフェン配線であっても、１段と同様の成長工程でグラフェンを形成することができる。また、多段であるため、前述のとおり、さらなる低抵抗化が可能となる。
【００３７】
（第３の実施形態）
第３の実施形態は、グラフェン配線を有する半導体装置にかかる。
第３の実施形態の、配線層にかかる特徴の一部は、上記第１と第２の実施形態の配線と重複する。なお、配線層の底面と側面はトレンチを基準とする。なお、ファセットの角度は、ファセットと基板とのなす角である。
【００３８】
（実施例３−１）
図１６の概念図に示す本実施形態の配線を有する半導体装置は、基板１０１と、基板１０１上に形成されたコンタクト層１０２と、コンタクト層１０２上に形成された配線層と、配線層上に保護層１０９とを有する。配線層には、絶縁膜１０４と１０５が積層され、これらの絶縁膜を貫通するトレンチが形成されている。トレンチ内に触媒膜（１０７Ａ、１０７Ｂ）と、グラフェン配線（１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８Ｃ）とを有する。グラフェン配線は、触媒層のファセット１１１Ａ、１１１Ｂから形成されている。トレンチ内の空隙には、絶縁膜あるいは金属膜１１０が形成されていてもよい。金属膜を形成する場合には、形成した金属膜も配線の電子伝導に寄与するので、より配線抵抗を低減することが出来る。コンタクト層１０２に基板１０１の図示しない素子と配線層とを接続する層間配線１０３が形成されている。層間配線１０３と触媒膜の間に触媒膜の結晶性を向上させる調整膜（１０６Ａ、１０６Ｂ）が形成されていてもよい。
【００３９】
図１６の概念図と図１７から図１９に示す第３の実施形態の工程断面図を参照して、半導体装置の製造方法の一例について説明する。
半導体装置の製造方法は、トレンチ内に形成されたファセットを有する触媒膜を有する部材に、炭化水素を供給し、６００℃以下の温度でグラフェンを成長させることができる。触媒膜のファセットは水素のプラズマ処理または加熱処理等によって形成する。また、触媒膜は、階段状構造の部材をガイドにして階段状構造の触媒膜を形成または触媒膜をエッチングするなどして、触媒膜を階段状構造に加工し、上述したファセット形成の加工を行い、多段のファセットを形成することができる。
【００４０】
図１７に、基板１０１上に、層間配線１０３が形成されたコンタクト層１０２が形成され、コンタクト層上に、窒化シリコン膜１０４と絶縁膜１０５が積層された部材に、狭幅と広幅のダマシン配線のトレンチを形成する工程を示す。トレンチの形成には、例えば、レジストを塗布し、リソグラフィー工程により、マスクに加工し、ＲＩＥ加工により行う。絶縁膜１０５には、例えば、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）などを用いることができる。狭幅のトレンチは、グラフェン配線幅が３０ｎｍ以下である。広幅のトレンチは、グラフェン配線幅が３０ｎｍより広い。トレンチは、目的に応じて、広幅と狭幅を作り分けてもよいため、半導体装置によっては、広幅と狭幅のいずれか一方のみが形成される場合もある。なお、狭幅と広幅の中間幅のトレンチが形成され、トレンチ内にグラフェン配線が形成される実施形態を否定するものではない。
【００４１】
図１８に、トレンチが形成された部材のトレンチ内と絶縁膜１０５上に、調整膜を形成し、調整膜上に触媒膜を形成し、触媒膜上に犠牲膜を形成し、調整膜、触媒膜と犠牲膜をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）などで、平坦化処理を行い、犠牲膜をアッシング処理またはＷｅｔ処理により除去し、調整膜１０６Ａ、１０６Ｂと触媒膜１０７Ａ、１０７Ｂとを形成する工程を示す。調整膜１０６Ａ、１０６Ｂは、第１や第２の実施形態に記載した調整膜と同様である。触媒膜１０７Ａ、１０７Ｂは、第１や第２の実施形態に記載した金属部と同様である。平坦化は、調整膜と触媒膜が図１８のように残存するように行う。犠牲膜は、加工性に優れ、アッシング処理等において選択性の高い材料、例えば有機膜などを用いることができる。
【００４２】
図１８に、配線幅（Ｗ１、Ｗ２）と配線深さ（Ｄ１、Ｄ２）を示してある。広幅の配線幅はＷ１で、配線深さはＤ１で示す。広幅トレンチ内の微細配線のアスペクト比であるＤ１／Ｗ１は０．５以下である。挟幅の配線幅はＷ２で、配線深さはＤ２で示す。挟幅トレンチ内の微細配線のアスペクト比であるＤ２／Ｗ２は２以上である。触媒膜が多段の構成になっている場合は、微細配線の幅の平均値が配線幅とする。配線深さ／配線幅が、０．５以下のグラフェン配線は、配線深さ方向に伸展するグラフェンが電気伝導の主たる経路となりる。また、配線深さ／配線幅が、２以上のグラフェン配線は、配線幅方向に伸展するグラフェンが電気伝導の主たる経路となる。
【００４３】
図１９に、図１８の部材の触媒膜１０７Ａ、１０７Ｂにプラズマ処理または熱処理を行い、ファセット１１１Ａ、１１１Ｂを形成する工程を示す。この処理は、上記の第１と第２のプラズマ処理または熱処理と同様である。第３の実施形態のファセットは、第１と第２の実施形態のファセットと同様である。図２０に実施例３−１の広幅側のグラフェン配線のＴＥＭ画像を示す。
【００４４】
図１９の部材に、炭素を供給し、加熱等を行い、第１と第２の実施形態と同様にファセット１１１Ａ、１１１Ｂから多層のグラフェン配線を成長させる。広幅の微細配線側では、図２０のＴＥＭ画像からも明らかなように触媒膜１０７Ａの側面と底面をガイドとし、ガイドに沿うようにグラフェン配線１０８Ａ、１０８Ｂが成長する。なお、グラフェン配線１０８Ｂは、両端から成長し、中央部でそれぞれが結合する。挟幅の微細配線側では、触媒膜１０７Ｂの側面をガイドとし、ガイドに沿うようにトレンチの開口方向にグラフェン配線１０８Ｃが成長する。なお、トレンチの深さが浅ければ、側面をガイドとしてグラフェンが成長しないこともある。挟幅の微細配線では、触媒膜１０７Ｂの底面幅が狭いため、底面をガイドに成長するグラフェン配線はほとんどまたは全く無い。そして、必要に応じて、絶縁膜をトレンチ内に形成し、不要なグラフェン配線を除去する。さらに、保護層１０９を形成すると、図１６の半導体装置が得られる。
【００４５】
第３の実施形態の半導体装置は、微細配線における配線幅を調整するだけで、グラフェン配線の伸長方向が制御された半導体装置を得ることができる。挟幅のトレンチ内で、触媒膜底面側にグラフェンが伸長すると、グラフェンの伸長方向に対する結晶単位格子数が少なくなり、グラフェン配線が高抵抗になったり、グラフェン配線そのものが半導体としての挙動を示したりすることがある。しかし、第３の実施形態では、グラフェン配線の伸長方向を制御できるため、このようなグラフェン配線の問題を生じにくくすることができる。
【００４６】
（実施例３−２）
図２１は実施例３−２の半導体装置である。触媒膜１０７Ａが多段に構成され、一方に４面のファセット１１１Ｃ、１１１Ｄ、１１１Ｅと１１１Ｆが形成され、広幅側の微細配線内にグラフェン配線１０８Ｄが形成され、実施例３−１のような空隙（絶縁膜）が無いこと以外は、実施例３−１と同様である。本実施形態の半導体装置の製造方法は、実施例３−１に、第２の実施形態の多段の金属部を形成する工程を触媒膜１０７Ａの加工に採用すればよい。
【００４７】
実施例３−２の半導体装置は、触媒膜１０７Ａを多段とするだけで、広幅側の微細配線のトレンチ内の上方にも触媒膜１０７Ａの底面に沿う方向に伸長するグラフェン配線１０８Ｄを得ることができる。触媒膜１０７Ａを多段にしたことにより、グラフェン配線１０８Ｄは、実施例３−１で作成される１０８Ｂよりも、よりその膜厚を厚く形成することが出来る。グラフェン配線１０８Ｄを厚く形成できることにより、配線抵抗の低減、配線電流密度の緩和、配線信頼性の向上が出来る。
【００４８】
（実施例３−３）
図２２は実施例３−３の半導体装置である。調整膜１０６Ａと調整膜１０６Ｂの側面側が省略されていること以外は、実施例３−２と同様である。本実施形態の半導体装置の製造方法は、実施例３−１において、挟幅側のトレンチの底部にのみ調整膜１０６Ｂを形成すること以外は、実施例３−２と同様である。
【００４９】
実施例３−３では、調整膜の一部を省略しているため、配線の更なる低抵抗化が可能となる。そして、挟幅側の微細配線では、実施例３−２に比べ調整膜がない分だけ更なる配線の微細化が可能となる。
【００５０】
（実施例３−４）
図２３は実施例３−４の半導体装置である。触媒膜１０７Ａの底面に金属膜１１２Ａと、触媒膜１０７Ｂの側面に金属膜１１２Ｂが、触媒膜の代わりに形成されていること以外は実施例３−２と同様である。金属膜１１２Ａと１１２Ｂは、グラフェン配線のグラフェン伸長方向に形成されている。第３の実施形態の金属膜１１２Ａと１１２Ｂは第１と第２の実施形態の金属膜と同様であり、第１と第２における金属膜と金属部の関係と、第３の実施形態における金属膜と触媒膜の関係も同様である。
【００５１】
実施例３−４では、大面積のグラフェンを形成するのに好適な金属膜がグラフェンの伸長方向に設けられているため、グラフェン配線の大面積化が可能となり、配線の信頼性が向上することが好ましい。
【００５２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。結晶面方位を制御し、任意の方向にグラフェンを成長させてもよい。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５３】
１…基板
２…金属膜
３…金属部
４…グラフェン配線
５…第１の調整膜
６…第２の調整膜
７…ファセット
８…低抵抗部材
９…マスク
１０…絶縁膜
１１…絶縁膜
１０１…基板
１０２…コンタクト層
１０３…層間配線
１０４…絶縁膜
１０５…絶縁膜
１０６…調整膜
１０７…触媒膜
１０８…グラフェン配線
１０９…保護膜
１１０…絶縁膜
１１１…ファセット
１１２…金属膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられた金属膜と、
前記金属膜上に設けられた金属部と、
前記金属部に形成されたグラフェン配線とを有し、
前記グラフェン配線は、前記金属膜と電気的に接続し、
前記金属膜と前記金属部は、異なる金属または合金であることを特徴とする配線。
【請求項２】
前記金属膜と前記金属部は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｔｉ、ＩｎとＰｔからなる群から選ばれる金属または前記金属から選ばれる２種以上の金属を含む合金であることを特徴とする請求項１に記載の配線。
【請求項３】
前記金属部は、前記金属膜よりも炭素固溶度が高いことを特徴とする請求項１または２に記載の配線。
【請求項４】
前記金属膜は、ＣｕまたはＣｕを含む合金であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の配線。
【請求項５】
前記金属部は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、ＲｕとＴｉからなる群から選ばれる金属または前記金属から選ばれる２種以上の金属を含む合金であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の配線。
【請求項６】
前記グラフェン配線は、２層以上１００層以下の多層グラフェンであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれが１項に記載の配線。
【請求項７】
前記グラフェン配線は、前記金属部のファセットから形成され、
前記ファセットは、（１１０）面、（１００）面のいずれかを含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の配線。
【請求項８】
前記ファセットと前記金属膜とのなす角は、２０°以上９０°未満であることを特徴とする請求項７に記載の配線。
【請求項９】
前記ファセットと前記金属膜とのなす角は、２０°以上７０°以下となる面を含むことを特徴とする請求項７または８に記載の配線。
【請求項１０】
前記基板と前記金属膜との間に、第１の調整膜が設けられていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の配線。
【請求項１１】
前記金属膜と前記金属部との間に、第２の調整膜が設けられていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の配線。
【請求項１２】
前記第１と第２の調整膜は、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴａＮであることを特徴とする請求項１０または１１に記載の配線。
【請求項１３】
前記金属部に形成されたファセットは、多段であることを特徴とする請求項７乃至１２のいずれか１項に記載の配線。
【請求項１４】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたコンタクト層と、
前記コンタクト層上に形成された配線層と、
前記配線層上に保護層とを有し、
前記配線層にはトレンチが形成され、
前記トレンチ内に触媒膜が形成され、
前記触媒膜にグラフェン配線が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１５】
前記グラフェン配線の配線深さと配線幅の比である配線深さ／配線幅が、０．５以下または２以上のいずれかまたは両方となる配線が形成され、
配線深さ／配線幅が、２以上の配線幅は３０ｎｍ以下であり、
配線深さ／配線幅が、０．５以下の配線幅は３０ｎｍより広いことを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置。
【請求項１６】
前記触媒膜は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、ＲｕとＴｉからなる群から選ばれる金属または前記金属から選ばれる２種以上の金属を含む合金であることを特徴とする請求項１４または１５に記載の半導体装置。
【請求項１７】
前記グラフェン配線は、前記触媒膜のファセットから形成され、
前記ファセットは、（１１０）面、（１００）面のいずれかを含むことを特徴とする請求項１４ないし１６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１８】
前記ファセットと前記触媒膜とのなす角は、２０°以上７０°以下となる面を含むことを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１９】
前記触媒膜に形成されたファセットは、多段であることを特徴とする請求項１４乃至１８のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項２０】
前記触媒膜のトレンチの側面または底面に、ＣｕまたはＣｕを含む合金の金属膜が形成されていることを特徴とする請求項１４乃至１９のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項２１】
前記配線深さ／配線幅が、２以上のグラフェン配線は、配線深さ方向に伸展するグラフェンが電気伝導の主たる経路となり、
前記配線深さ／配線幅が、０．５以下のグラフェン配線は、配線幅方向に伸展するグラフェンが電気伝導の主たる経路となることを特徴とする請求項１５乃至２０のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項２２】
前記配線深さ／配線幅が、２以上のグラフェン配線と前記配線深さ／配線幅が、０．５以下のグラフェン配線の両配線は、同時形成されたことを特徴とする請求項１５乃至２１のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられた金属膜と、
前記金属膜上に設けられた金属部と、
前記金属部に形成されたグラフェン配線とを有し、
前記グラフェン配線は、前記金属膜と電気的に接続し、
前記金属膜と前記金属部は、異なる金属または合金であることを特徴とする配線。
【請求項２】
前記金属膜と前記金属部は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｔｉ、ＩｎとＰｔからなる群から選ばれる金属または前記金属から選ばれる２種以上の金属を含む合金であることを特徴とする請求項１に記載の配線。
【請求項３】
前記金属部は、前記金属膜よりも炭素固溶度が高いことを特徴とする請求項１または２に記載の配線。
【請求項４】
前記金属膜は、ＣｕまたはＣｕを含む合金であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の配線。
【請求項５】
前記金属部は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、ＲｕとＴｉからなる群から選ばれる金属または前記金属から選ばれる２種以上の金属を含む合金であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の配線。
【請求項６】
前記グラフェン配線は、２層以上１００層以下の多層グラフェンであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれが１項に記載の配線。
【請求項７】
前記グラフェン配線は、前記金属部のファセットから形成され、
前記ファセットは、（１１０）面、（１００）面のいずれかを含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の配線。
【請求項８】
前記ファセットと前記金属膜とのなす角は、２０°以上９０°未満であることを特徴とする請求項７に記載の配線。
【請求項９】
前記ファセットと前記金属膜とのなす角は、２０°以上７０°以下となる面を含むことを特徴とする請求項７または８に記載の配線。
【請求項１０】
前記基板と前記金属膜との間に、第１の調整膜が設けられていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の配線。
【請求項１１】
前記金属膜と前記金属部との間に、第２の調整膜が設けられていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の配線。
【請求項１２】
前記第１と第２の調整膜は、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴａＮであることを特徴とする請求項１０または１１に記載の配線。
【請求項１３】
前記金属部に形成されたファセットは、多段であることを特徴とする請求項７乃至１２のいずれか１項に記載の配線。
【請求項１４】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたコンタクト層と、
前記コンタクト層上に形成された配線層と、
前記配線層上に保護層とを有し、
前記配線層にはトレンチが形成され、
前記トレンチ内に触媒膜が形成され、
前記触媒膜にグラフェン配線が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１５】
前記グラフェン配線の配線深さと配線幅の比である配線深さ／配線幅が、０．５以下または２以上のいずれかまたは両方となる配線が形成され、
配線深さ／配線幅が、２以上の配線幅は３０ｎｍ以下であり、
配線深さ／配線幅が、０．５以下の配線幅は３０ｎｍより広いことを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置。
【請求項１６】
前記触媒膜は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、ＲｕとＴｉからなる群から選ばれる金属または前記金属から選ばれる２種以上の金属を含む合金であることを特徴とする請求項１４または１５に記載の半導体装置。
【請求項１７】
前記グラフェン配線は、前記触媒膜のファセットから形成され、
前記ファセットは、（１１０）面、（１００）面のいずれかを含むことを特徴とする請求項１４ないし１６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１８】
前記ファセットと前記触媒膜とのなす角は、２０°以上７０°以下となる面を含むことを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１９】
前記触媒膜に形成されたファセットは、多段であることを特徴とする請求項１４乃至１８のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項２０】
前記触媒膜のトレンチの側面または底面に、ＣｕまたはＣｕを含む合金の金属膜が形成されていることを特徴とする請求項１４乃至１９のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項２１】
前記配線深さ／配線幅が、２以上のグラフェン配線は、配線深さ方向に伸展するグラフェンが電気伝導の主たる経路となり、
前記配線深さ／配線幅が、０．５以下のグラフェン配線は、配線幅方向に伸展するグラフェンが電気伝導の主たる経路となることを特徴とする請求項１５乃至２０のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項２２】
前記配線深さ／配線幅が、２以上のグラフェン配線と前記配線深さ／配線幅が、０．５以下のグラフェン配線の両配線は、同時形成されたことを特徴とする請求項１５乃至２１のいずれか１項に記載の半導体装置。
【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１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【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１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２０１３−１１５１４３（Ｐ２０１３−１１５１４３Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５８０９８（Ｐ２０１１−２５８０９８）
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度 経済産業省産業技術研究開発委託費「低炭素社会を実現する超低電圧デバイスプロジェクト」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度 経済産業省産業技術研究開発委託費「低炭素社会を実現する超低電圧デバイスプロジェクト」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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