JP6180977B2 - グラフェン配線及び半導体装置 - Google Patents

Description

実施形態はグラフェン配線及び半導体装置に関する。

ＬＳＩや３Ｄメモリの微細化および多層化に伴い、金属配線において配線遅延の増大が大きな問題となっている。配線遅延の低減には、配線抵抗や配線間容量の低減が重要である。配線の低抵抗化には、例えばＣｕなどの低抵抗材料が実用化されている。しかし、Ｃｕ配線においても、ストレスマイグレーションやエレクトロマイグレーションによる信頼性劣化、サイズ効果に起因する電気抵抗率の上昇などが問題となっており、低抵抗かつ電流密度耐性に優れた配線材料が求められている。

低抵抗・高信頼性が期待できる次世代配線材料として、高い電流密度耐性、電気伝導特性、熱伝導率など優れた物性を有するカーボンナノチューブやグラフェン等の炭素系材料の応用が注目されている。

特開２００９−７０９１１

実施形態は、グラフェンを用いた低抵抗配線構造を提供する。

実施形態のグラフェン配線は、グラフェンと、前記グラフェンの、配線長さ方向に対向する側面と接する第１導電層と、前記第１導電層と接し、前記グラフェンの、配線幅方向に対向する側面と接する第２導電層と、前記第１導電層と前記第２導電層の両方と接し、前記グラフェンの上面と接する第３導電層と、を備え、前記グラフェンの、配線幅方向に対向する側面は、前記第２導電層と接していない部分を有する。

図１は、実施形態の配線の斜視模式図である。 図２は、実施形態の配線の断面模式図である。 図３は、実施形態の配線の断面模式図である。 図４は、実施形態の配線の断面模式図である。 図５は、実施形態の配線の斜視模式図である。 図６は、実施形態の配線を有する半導体装置の断面模式図である。 図７は、実施形態の配線を有する半導体装置の断面模式図である。 図８は、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９は、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１０は、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１１は、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１２は、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１３は、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１４は、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１５は、実施形態の配線を有する半導体装置の断面模式図である。 図１６は、実施形態の配線を有する半導体装置の断面模式図である。

多層配線構造においては、ビア配線（縦方向配線）により層間を接続する。グラフェン配線（横方向）の場合、ビア配線との接続において、導電層を介してグラフェンとビア配線が接続する。ビア配線とグラフェンを低抵抗に接続するためには、ビア配線とグラフェンの両方と良好なコンタクトを形成する導電層が必要となる。ビア配線は、金属膜もしくはカーボンナノチューブが好適に用いられる。ビア配線と導電層との接触面積は、比較的大きいため、良好なコンタクトを形成し易い。しかし、グラフェンシートの１層の厚みは原子１個分であり、配線断面積に比して導電層との接触面積は小さく、コンタクト抵抗が大きくなることが懸念される。そこで、実施形態では、低抵抗なコンタクト構造を有するグラフェン配線を提供する。

グラフェンは、単層のグラフェンシート（ナノリボン）からなる単層グラフェンまたは複数のグラフェンシートが積層した多層グラフェンのいずれかである。グラフェンは、多層グラフェンが導電性の観点からより好ましい。多層グラフェンの場合、グラフェンの積層面と導電層が接続する。実施形態の配線は、グラフェンと導電層との接触面積を大きくする。そこで、実施形態の配線は、グラフェンと、第１導電層と、第２導電層と、第３導電層とを有する。第１導電層は、グラフェンの配線長さ方向において対向するグラフェンの側面と接続する。第２導電層は、グラフェンの配線幅方向において対向するグラフェンの側面と接続する。第３導電層は、グラフェンの上面と接続する。第１導電層と第２導電層は、さらに接続する。グラフェンや導電層の対向する側面は、２面で１対ある。グラフェンと第２の導電層との接続などは、２面１対の接続が好ましいが、１面の接続であってもコンタクト抵抗の低減に寄与する。

グラフェンと接続した第２導電層がグラフェンと接続した第１導電層とさらに接続することで、第１導電層とのコンタクト抵抗は低減する。横方向配線のグラフェンと縦方向配線のビア配線が導電層を介して接続した半導体装置に実施形態の配線が用いられることが好ましい。

第１導電層は、グラフェンと接続し、さらに、図示しない縦方向配線等と接続する。第１導電層は、グラフェンの端面（グラフェンの配線長さ方向において対向するグラフェンの側面）と接続するが、接続面積が小さい。第１導電層は、グラフェンの側面（グラフェンの配線幅方向において対向するグラフェンの側面）と接続した第２導電層と接続することで、第２導電層を介して、第１導電層とグラフェンのコンタクト抵抗を低下させることができる。グラフェンの配線長さ方向において対向するグラフェンの側面の全面が第１導電層と接続することがより好ましい。

第２導電層は、第１導電層が接続する面とは異なるグラフェンの側面（グラフェンの配線幅方向において対向するグラフェンの側面）と接続し、更に第１導電層と接続する。第１導電層と接続する第２導電層は、グラフェンの配線幅方向において対向するグラフェンの側面の少なくとも一部と接続することで、第１導電層とグラフェンとのコンタクトを低下させることができる。第２導電層は、第1導電層のグラフェンと接続する第１導電層の側面と第１導電層の配線幅方向において対向するグラフェンの側面のいずれか一方又は両方と接続する。第１導電層と接続した第２導電層は、グラフェンの配線幅方向において対向するグラフェンの側面の全面と接続することが、第２導電層とグラフェンとの接続面積を増やし、第１導電層とグラフェンとのコンタクト抵抗低減の観点からより好ましい。第２導電層と接続していないグラフェンの配線幅方向に対向する側面がある場合は、その側面は、例えば、層間絶縁膜と接続する。

第３導電層をグラフェンの上面に形成することで、第３導電層に含まれる金属をグラフェンへドーピングすることができる。グラフェンへのドーピングによって、グラフェンの導電性を向上することができる。第３導電層は、ドーピングの観点から、グラフェン上面に形成されていればよく、グラフェン上面の全面に形成されていることがより好ましい。第３配線層は、第１導電層とグラフェンのコンタクト抵抗を向上させる観点から、第１導電層と第２導電層のいずれか一方又は両方と接続することが好ましい。第１導電層と、第２の導電層と、第３の導電層のうちの少なくともいずれか１つは、グラフェンとの導電性の観点から、グラフェンと密着して接続することが好ましい。

ここで、図１に実施形態の配線の斜視模式図を示す。図１の配線は、グラフェンＡと、グラフェンＡの配線長さ方向において対向するグラフェンの側面と接続した第１導電層Ｂと、グラフェンＡの配線幅方向において対向するグラフェンの側面の一部と接続し更に第１導電層と接続した第２導電層Ｃと、グラフェンＡ上面と接続した第３導電層Ｄとを有する。図中のＬは配線長さ方向を示す。

図２から図４に図１の配線の別方向の断面図を示す。図２は、図１のＸ１面の断面模式図である。図２では、グラフェンＡと第３導電層Ｄが接続している断面が示される。図中のＷは配線幅方向を示す。図３は、図１のＸ２面の断面模式図である。図３では、グラフェンＡと第３導電層Ｄの接続に加え、グラフェンＡの配線幅方向に対向する側面が第２導電層Ｃと接続している断面が示される。図１及び図３に示されるように、第１導電層Ｂの配線幅方向に対向する側面が第２導電層と接続する。図４は、図１のＸ３面の断面模式図である。図４では、グラフェンＡと第３導電層Ｄの接続に加え、グラフェンＡの配線長さ方向に対向する側面が第１導電層Ｂと接続している断面が示される。

また、図５に、図１とは異なる形態の配線の斜視模式図を示す。図５の配線は、グラフェンＡと、グラフェンＡの配線長さ方向において対向するグラフェンの側面と接続した第１導電層Ｂと、グラフェンＡの配線幅方向において対向するグラフェンの側面の全面と接続し更に第１導電層と接続した第２導電層Ｃと、グラフェンＡ上面と接続した第３導電層Ｄとを有する。図５の配線のＹ１面の断面は、図３の断面図と同様である。図５の配線のＹ２面の断面は、図４の断面図と同様である。グラフェンＡの配線幅方向において対向するグラフェンの側面の全面が第２導電層Ｃと接続しているため、図５において、グラフェンＡが斜視図で確認されない。

グラフェンＡと第１導電層ＢとのコンタクトやグラフェンＡと第２導電層Ｃとのコンタクトを良好にすることで、グラフェン配線が低抵抗化する。コンタクトを良好にするためには、これらの第1、第２導電層Ｂ、Ｃに、例えば、炭素固溶限の大きい金属、炭化物を形成しやすい金属、触媒作用を有する金属などを用いることが好ましい。

グラフェンＡは、典型的には、幅が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。配線幅が狭いと、配線長さ方向において対向するグラフェンＡ側面の面積が少なくなるため、上記のグラフェンＡと第２、第３導電層Ｂ、Ｃとが良好なコンタクトを形成することによるコンタクト抵抗低下の効果が顕著になることが好ましい。配線幅は、例えば、透過型電子顕微鏡にて測定することができる。

以下、実施例について図面を参照して、グラフェン配線について具体的に説明する。
（実施例１）
図６は、実施例１の縦方向配線（ビア配線）と横方向配線（グラフェン配線）を含む半導体装置の一部の断面模式図である。横方向配線の長さ方向をＬ、幅方向をＷとする。図６の配線は、基板１と、基板１上に下部配線層２と、下部配線層２上に第１層間絶縁膜３と、下部配線層２上に、下部配線層２と上層の配線層を接続するビア配線５と、第１層間配線膜３上に触媒金属膜６と、触媒金属膜６上にグラフェン７と、ビア配線５上にグラフェン７と接続する第１導電層９と、第１導電層９とグラフェン７と接続する第２導電層１０と、グラフェン７上（上面）に第３導電層１１とを有する。

図７は、図６のｘ−ｘ´の断面図である。グラフェン７の配線幅方向に対向する側面は、第２層間絶縁膜１２と接する。第１層間絶縁膜３と第２層間絶縁膜１２は、同一材料で一体でもよい。

グラフェン７の配線長さ方向に対向する側面は、第１導電層９と接続する。グラフェン７の配線幅方向に対向する側面の一部は、第２導電層１０と接続する。第２導電層１０と接続するグラフェン７は、図６の断面で第２導電層１０と重なっているため、実際には、図６中には無いが、便宜的に７’の符号で、破線で示してある。

基板１は、例えば、トランジスタやダイオードなどを含む回路が形成された半導体基板である。グラフェン７の上部等にも図示しない基板や配線を有してもよい。

下部配線層２は、基板１とビア配線５との間の配線となる導電層である。下部配線層２は、基板１と異なる単一の導電材料の層、又は、基板１とは異なる複数の導電材料が積層された構造を有している。下部配線層２の導電材料は、単層又は多層のグラフェンやＣｕ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ（シリサイド）などの元素からなる金属やこれらの金属を含む合金などが挙げられる。下部配線層２には、グラフェンと金属（合金）が積層した構造も含まれる。下部配線層２は、ビア配線５と低抵抗なコンタクトを形成することが好ましい。

第１層間絶縁膜３は、グラフェン７と下部配線層２との間に存在する絶縁膜である。第１層間絶縁膜３は、絶縁層中に、ビアホール（コンタクトホール）４を有する。ビアホール４は、第１層間絶縁膜３を貫通する。第１層間絶縁膜３の材料としては、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＣなどの低誘電率絶縁膜やＳｉＣＮなどのエッチングストップ膜が好ましい。

ビア配線５は、ビアホール４中に存在する配線である。ビア配線５は、下部配線層２と第１導電層９との間に存在する配線である。ビア配線５は、グラフェン７を含む上層の配線層と下部配線層２を含む下層の配線層を接続する配線である。ビア配線５の導電材料としては、カーボンナノチューブ、グラフェンなどの炭素系導電体やＣｕ、Ｗ、ＡｌやＳｉ（ポリシリコン）などの金属やこれらの金属を含む合金を用いることができる。

触媒金属膜６は、第１層間絶縁膜３とグラフェン７との間に存在する金属膜である。触媒金属膜６は、炭素原料からグラフェン７を成長させるための触媒である。触媒金属膜６と第１層間絶縁膜３との間に下地層を挿入してもよく、異なる複数の導電材料が積層された構造を有していてもよい。下地膜は、グラフェン成長のための助触媒としての機能を有することが望ましい。触媒金属膜６は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｃｕなどの元素、またはこれらの元素を含む合金であることが好ましい。また、触媒金属膜６は、大面積グラフェン成長のため、連続膜であることが望ましい。なお、転写などによってグラフェン７を第１層間絶縁膜３上に設ける場合は、触媒によるグラフェン７の成長が不要なため、触媒金属膜６を省略することができる。ビア配線５と第１導電層９との間に、触媒金属膜６を備えてもよい。

グラフェン７は、第１層間絶縁膜３上又は触媒金属膜６上に存在する多層グラフェンである。グラフェン７は、ビア配線５と第１導電層９と第２導電層と電気的に接続している。また、グラフェン７の上面は、第３導電層１１と接続する。グラフェン７の側面の第２導電層１０とグラフェン７の上面の第３導電層１１は接続している。グラフェン７の側面とグラフェン７の上面の第２導電層１０が接続することで、グラフェン７と導電性の金属である第２導電層１０との接続面積が大きくなり、配線が低抵抗化する。

また、グラフェン７には、第３導電層１１の原子がドーピングされると、グラフェン７の状態密度が増加することが好ましい。状態密度が増加すると、グラフェン７と第１導電層９とのコンタクト抵抗が低減することが好ましい。

図示しない上層配線又は基板と絶縁するために、第１導電層９や第２導電層１０の上面に絶縁膜を有してもよい。絶縁膜としては、典型的には、ＳｉＯＣなどの低誘電率絶縁膜、ＳｉＣＮなどのエッチングストップ膜やＳｉＯ_２などを用いることができる。

第１導電層９は、ビア配線５とグラフェン７と接続する導電層である。第１導電層９は、ビア配線５とグラフェンと良好なコンタクトを形成する。第１導電層９は、低抵抗な金属を用いることができるが、その中でも触媒作用を有するＣｏ、Ｎｉ、ＰｄやＲｕなどの金属が好ましい。触媒作用を有する金属は、炭素が溶け込みやすく、これらの金属は、グラフェン７と良好なコンタクトを形成する

第２導電層１０は、グラフェン７と低抵抗に接続する導電層である。第２導電層１０は、さらに、第１導電層９と接続して、グラフェン７と第１導電層９とのコンタクト抵抗の低減に寄与する。第２導電層１０として用いられる材料は、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｐｔなどの金属、またはこれらの元素を含む合金が挙げられる。第２導電層１０は、グラフェン７との良好なコンタクトを形成が期待できる炭素の固溶限の大きい金属またはこれらの金属を含む合金が望ましい。炭素の固溶限の大きい金属としては、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＴａやＰｄなどが好ましい。第２導電層１０は、第１導電層９と同一の材料となってもよい。

また、第３導電層１１に、グラフェン７との仕事関数差の大きい金属を用いることで、グラフェン７への第３導電層１１で用いられる金属のドーピングによるグラフェン７と第１導電層９とのコンタクト抵抗低減も期待できる。ドーピングによって、グラフェン７と第２導電層１０とのコンタクト抵抗低減もさらに期待できる。この観点から第３導電層１１としては、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｐｔなどの金属、またはこれらの元素を含む合金が好適である。なお、第３導電層１１は、第１導電層９や第２導電層１０と同一の材料となってもよい。

実施例１の作製工程を、図８から図１４の配線を有する半導体装置の作製工程断面図を用いて説明する。
図８は、下部配線層および層間絶縁膜形成工程である。最初に、半導体集積回路等が形成された基板１上に下部配線層２を形成する。下部配線層２の形成方法は、例えば、ＣＶＤ（気相成長：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が挙げられる。次いで、下部配線層２上に第１層間絶縁膜３を形成する。

次いで、図９の工程断面図に示すように、例えばフッ素系ガスを用いたドライエッチングにより第１層間絶縁膜３を下部配線層２まで貫通させ、ビアホール４を形成する。

そして、図１０に示すように、ビアホール４にビア配線５を形成する。ここでビア配線５は、カーボンナノチューブまたはＣｕなどの元素からなる金属でもよい。ビア配線５がカーボンナノチューブである場合、例えば、ビアホール４の底部に形成させた触媒金属膜を触媒として用い炭化水素系ガスなどを供給して、熱ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法で成長させることができる。また、Ｃｕなどの元素からなる金属である場合には、めっき法やスパッタ法によりビア配線を形成することができる。いずれの場合にも、化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ、ＣＭＰ）による平坦化研磨を行うことができる。

次いで、図１１の工程断面図に示すように、第１層間絶縁膜３およびビア配線５上にグラフェン成長用の触媒金属膜６を形成する。ここで、触媒金属膜６下に下地層を挿入してもよく、異なる複数の導電材料が積層された構造を有していてもよい。下地層は、グラフェン成長のための助触媒としての機能を有することが望ましい。また、グラフェン７の配線形状に合わせて、触媒金属膜６の形成前に図示しない第２層間絶縁膜１２を形成する。

次いで、図１２の工程断面図に示すように、グラフェン７を触媒金属膜６上に成長させる。グラフェン成長には、例えば熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法が挙げられる。プラズマＣＶＤ法を用いる場合、反応炉内で基板を例えば５００℃に昇温し、原料ガスとしてメタンガスなどの炭化水素系ガスを、キャリアガスとして水素を導入して、例えばマイクロ波によってメタンガスを励起・放電させて、原料ガスをプラズマ化させ、グラフェン成長用触媒金属膜３と反応させて、２層以上の多層構造を有するグラフェン７を成長させる。

なお、触媒金属膜の形成された別の基板上に多層グラフェンを成長させ、グラフェンを触媒金属膜から剥離し、第１層間絶縁膜３およびビア配線５上に転写することで、グラフェン７を形成することもできる。

次いで、図１３の工程断面図に示すように、グラフェン７上にエッチングマスクとして絶縁膜８を形成し、例えば酸素系ガスを用いたドライエッチングにより、ビア配線５上のグラフェン７を除去する。

次いで、図１４の工程断面図に示すように第１導電層９を形成する。第１導電層９の形成方法は、ＰＶＤ（物理気相成長：Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やＣＶＤ（化学気相成長：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの成膜方法を採用することができる。次いで、リフトオフ法またはＣＭＰによる平坦化研磨を行うことで図１４の構造を作製することができる。図１４の工程断面図に示すように第１導電層９は、グラフェン７と側面で接続するように形成する。ここで、例えば反応炉内で基板を昇温することにより、第１導電層９とグラフェン７との界面で反応が進み、接触抵抗の低減が期待される。

そして、グラフェン７上の絶縁膜８と、グラフェン７と第１導電層９との界面近傍に存在する絶縁膜８をドライエッチングまたはウェットエッチングにより除去する。次いで、エッチングで除去された領域を充填し覆うように第２導電層１０と第３導電層１１をグラフェン７の側面とグラフェン７の上面と接続する様に形成する。第２導電層１０と第３導電層１１の形成方法は、ＰＶＤやＣＶＤなどの成膜方法を採用することができ、次いで、リフトオフ法またはＣＭＰによる平坦化研磨を行うことで図５の配線構造を作製することができる。第２導電層１０と第３導電層１１が同じ材料である場合は、同時に、第２導電層１０と第３導電層１１を形成することができる。図８から１４の工程を繰り返すことで、多層配線構造にすることもできる。

（実施例２）
図１５は、実施例２の縦方向配線（ビア配線）と横方向配線（グラフェン配線）を含む半導体装置の一部の断面模式図である。図１５の断面図では、第２導電層１０の形成領域は、グラフェン７の配線幅方向において対向するグラフェンの側面の第１導電層９側の一部のみであったが、実施例２では、グラフェン７の配線幅方向において対向するグラフェンの側面の全面に第２導電層１０を有する。

図１６は、図１５のｙ−ｙ´の断面図である。グラフェン７の配線幅方向において対向するグラフェンの側面（グラフェンの側壁面）は、第２層間絶縁膜１２ではなく、第２導電層１０と接続する。実施例２では、実施例１と比べて、さらに、グラフェン７と第２導電層１０との接続面積が増加する。そのため、実施例２の半導体装置の配線は、実施例１よりもさらに低抵抗となることが好ましい。

実施例２の半導体装置の配線の製造方法は、基本的に、実施例１と共通する。実施例２の製造方法のうち実施例１の製造方法と異なる点は、グラフェン７の配線幅方向において対向するグラフェンの側面の全面に第２導電層１０を形成することである。この方法としては、例えば、グラフェン７上の絶縁膜８と、グラフェン７と第１導電層９との界面近傍に存在する絶縁膜８をドライエッチングまたはウェットエッチングにより除去する際に、グラフェン７の配線幅方向において対向するグラフェンの側面と接続する第２層間絶縁膜１１の全面をさらに除去してから第２導電層１０を形成する方法が挙げられる。

１：基板
２：下部配線層
３：第１層間絶縁膜
４：ビアホール
５：ビア配線
６：触媒金属膜
７：グラフェン
８：絶縁膜
９：第１導電層
１０：第２導電層
１１：第３導電層
１２：第２層間絶縁膜

Claims (5)

1. グラフェンと、
   前記グラフェンの、配線長さ方向に対向する側面と接する第１導電層と、
   前記第１導電層と接し、前記グラフェンの、配線幅方向に対向する側面と接する第２導電層と、
   前記第１導電層と前記第２導電層の両方と接し、前記グラフェンの上面と接する第３導電層と、
   を備え、
   前記グラフェンの、配線幅方向に対向する側面は、前記第２導電層と接していない部分を有するグラフェン配線。
2. 前記グラフェンは２層以上の多層構造であり、
   前記グラフェンの、配線長さ方向において対向する側面と、前記グラフェンの配線幅方向において対向する側面は、多層グラフェンの積層面である請求項１記載のグラフェン配線。
3. 前記グラフェンの、配線幅方向に対向する側面の前記第２導電層と接していない部分を被覆する層間絶縁膜をさらに備える請求項１または２に記載のグラフェン配線。
4. 前記グラフェンは、幅が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である請求項１ないし３のいずれか１項に記載のグラフェン配線。
5. 前記請求項１ないし４のいずれか１項に記載のグラフェン配線を有する半導体装置。
   

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