JP2017050419A - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒金属を残さずに、低抵抗なグラフェンシートを形成する。【解決手段】実施形態に係わる半導体装置は、下地層１１上の第1の絶縁層１３と、前記第1の絶縁層１３内に配置された第1の溝１４ａと、前記第1の溝１４ａ内に配置された第１のグラフェン層２３ａと、を備え、前記第１の溝１４ａは、前記下地層１１上の底面と、前記底面につながる２つの側面とで構成されたＵ形状を有し、前記第１のグラフェン層２３ａは、複数のグラフェンシートを含む積層構造を有し、前記複数のグラフェンシートは、それぞれ、中央部に凹みを有し、前記第１のグラフェン層２３ａの端部に含まれる前記複数のグラフェンシートは、それぞれ、前記底面と反対向きな上向きに延びている、ことを特徴とする半導体装置。【選択図】図２

Description

実施形態は、半導体装置とその製造方法に関する。

グラフェンシートは、カーボンナノチューブと同様に量子化伝導（Ballistic伝導）を有する新規炭素材料であり、金属配線に代わる画期的な低抵抗配線として注目されている。グラフェンシート内の電子の平均自由行程は、約100nm〜1μm程度で非常に長いため、グラフェンシートは、長距離配線の電気伝導にとても有利である。グラフェンシートは、触媒金属層とカーボン層との熱反応で形成される。しかし、グラフェンシートの表面に触媒金属が接触することで、グラフェンシートの電気電導率が１/２程度に減少することが問題となっている。そこで、より低抵抗なグラフェンシートが求められている。

特開２０１２−８００１４号公報 特開２０１４−５３５３０号公報 特開２０１２−１９９５２０号公報

実施形態は、触媒金属を残さずに、低抵抗なグラフェンシートを形成することが可能な技術を提案する。

実施形態によれば、半導体装置は、下地層上の第1の絶縁層と、前記第1の絶縁層内に配置された第1の溝と、前記第1の溝内に配置された第１のグラフェン層と、を備える。前記第１の溝は、前記下地層上の底面と、前記底面につながる２つの側面とで構成されたＵ形状を有する。前記第１のグラフェン層は、複数のグラフェンシートを含む積層構造を有する。前記複数のグラフェンシートは、それぞれ、中央部に凹みを有する。前記第１のグラフェン層の端部に含まれる前記複数のグラフェンシートは、それぞれ、前記底面と反対向きな上向きに延びている。

第１の実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図。 第１の実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図。 図２の破線部分を拡大した拡大図。 第１の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図。 第１の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図。 第1の実施形態および比較例に係るＩ−Ｖ特性を示す図。 第２の実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図。 第２の実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図。 第２の実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図。 図８乃至図１０のＸＩ−ＸＩ線に沿う断面図。 第２の実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図。 第１および第２の実施形態に係る製造工程を示す図。 第２の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図。 第２の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図。

以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。本実施形態の半導体装置は、最先端の半導体集積回路に適用される。

図に示すように、第１の実施形態に係る半導体装置は、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半導体基板１０と、半導体基板１０上に形成された下地層１１と、下地層１１内に埋め込み形成された第１のコンタクトビア１２と、下地層１１上に形成された第１の絶縁層１３と、第１の絶縁層１３内に形成された溝１４と、溝１４内に形成された配線層２０と、第１の絶縁層１３上に形成された第２の絶縁層２５と、第２の絶縁層２５内に埋め込み形成されたコンタクトビア２６を含む。

半導体基板１０は、例えば、シリコン半導体基板である。下地層１１、第１および第２の絶縁層は、主に、酸化シリコン、窒化シリコン、ＡｉｒＧａｐなどを含む層間絶縁層である。第１および第２のコンタクトビア１２、２６は、例えば、銅、アルミニウム、タングステン、および、これらの元素を１つ以上含む合金である。

溝１４は、第１および第２のコンタクトビア１２、２６を含む配線パターン上に選択的に形成されている。溝１４は、所定の幅以下の溝幅を有する細溝１４ａ（第１の溝）と、所定の幅よりも太い溝幅を有する太溝１４ｂ（第２の溝）と、を含む。

配線２０は、細溝１４ａ内に形成され、所定の幅以下の線幅を有する細配線２０ａ（第１の配線）と、太溝１４ｂ内に形成され、所定の幅よりも太い線幅を有する太配線２０ｂ（第２の配線）と、を含む。

配線２０ａは、所定の幅以下の線幅を有する配線材料として、第１の接着層２１ａ、第１のカーボン層２２ａ、および、第１のグラフェン層２３ａを含み、配線２０ｂは、所定の幅よりも太い線幅を有する配線材料として、第２の接着層２１ｂ、第２のカーボン層２２ｂ、および、第２のグラフェン層２３ｂを含む。ただし、第１および第２のグラフェン層２３ａ、２３ｂと、第１の絶縁層（細溝１４ａ、太溝１４ｂ）が優れた密着性を示す場合、図３に示すように、第１および第２の接着層２１ａ、２１ｂは、無くても良い。以下、所定の幅を例えば１０ｎｍとする。

図４は、図２の破線部分を拡大した図である。

細溝１４ａは、下地層１１上の底面と、底面につながる第１および第２の側面によって構成されたＵ形状を有する。第１および第２の側面は、第１の絶縁層１３内に形成されている。

第１の接着層（bonding layer）２１ａは、細溝１４ａの内側に第１の側面、底面、第２の側面に沿って形成されている。

第１のカーボン層２２ａは、第１の接着層２１ａ上に形成されている。

第１のグラフェン層２３ａは、第１のカーボン層２２ａ上に形成され、且つ、第１のカーボン層２２ａに接している。第１のグラフェン層２３ａは、すくなくとも下面の一部がカーボン層２２ａに接し、すくなくとも上面の一部が第２の絶縁層２５に接する。

グラフェン層２３ａの上面は、中央部に凹みを有し、中央部の左側に凹よりも上方に位置する第１の端部を有し、中央部の右側に凹みよりも上方に位置する第２の端部を有する。第１および第２の端部に含まれる第１のグラフェン層２３ａの先端の多くは、細溝１４ａのＵ形状の底面に対して反対向き（前記第１および第２の絶縁層１３，２５の積層方向において上向き）に延びている。そのため、第１および第２の端部で、第１のグラフェン層２３ａの先端の多くは第２の絶縁層２５および、コンタクトビア２６に接している。コンタクトビア２６は、グラフェン層２３ａの中央部の凹みを埋めるので、逆凸形状を有する。また、コンタクトビア２６は、グラフェン層２３ａの端の全面に接することが望ましいが、一部分だけ接しても良い。例えば、図に示すように、グラフェン層２３ａの中央部の凹みを挟んで両側に形成されたグラフェン層２３ａの２つの端のうち、一方の端は、コンタクトビア２６に全て覆われ、もう一方の端は、コンタクトビア２６に一部分覆われていても良い。

グラフェン層２３ａの端は、後述するように、触媒となるカーボン層２２ａがグラフェン層２３ａに変化した時から、細溝１４ａの底辺に対して反対な上向きである。そのため、グラフェン層２３ａを形成した後にグラフェン層２３ａの端を切り出す必要がない。つまり、グラフェン層２３ａにダメージを与えること無く、グラフェン層２３ａの端上にコンタクトビア２６を接続することができる。コンタクトビア２６と複数のグラフェン層２３ａの端は直接接続されているので、より一層コンタクト抵抗を低減することができる。

図では、細溝１４ａおよび細配線２０ａについて説明したが、太溝１４ｂおよび太配線２０ｂについても、細溝１４ａおよび細配線２０ａと同様である。第１および第２のグラフェン層２３ａ、２３ｂは、シート状のグラフェン（グラフェンシート）が１層から数１０層程度積層することで構成された極薄膜の積層構造を有する。

一般に、グラフェンシートは、線幅が所定の幅以下である時、電子の量子化伝導により、金属配線、例えば、銅配線よりも非常に低い電気抵抗を有する。したがって、グラフェンシートの線幅は、所定の幅以下であることが望ましい。尚、グラフェンシートの線幅が所定の幅以下である時、グラフェンシートの抵抗値は、グラフェンシートの線幅によらずほぼ一定値である。

第１および第２の接着層２１ａ、２１ｂは、第１および第２のグラフェン層２３ａ、２３ｂが第１の絶縁層１３（細溝１４ａ、太溝１４ｂ）から剥がれることを防ぎ、第１および第２のグラフェン層２３ａ、２３ｂを均一に成長させる機能を有する補助層である。また、第１および第２の接着層２１ａ、２１ｂは、後述する触媒層３０（図６参照）に含まれる元素が、下地層１１内およびコンタクトビア１２，２６内に拡散することを防ぐ。第１および第２の接着層２１ａ、２１ｂは、グラフェンシートのバンド構造を変化させにくい材料、例えば、タンタル、チタン、ルテニウム、タングステン、アルミニウム、および、これらの元素を１つ以上含む窒化物、塩化物、および、酸化物である。第１および第２の接着層２１ａ、２１ｂは、これらの元素を１つ以上含む層が積層された多層構造でも良い。第１および第２の接着層２１ａ、２１ｂは、第１および第２のグラフェン層２３ａ、２３ｂへのドーパント、例えば、臭素、塩化コバルト、塩化銅、塩化鉄、または、これらの合金、炭化物を含んでも良い。第１および第２の接着層２１ａ、２１ｂから第１および第２のグラフェン層２３ａ、２３ｂ内にドーパントを導入することで、第１および第２のグラフェン層２３ａ、２３ｂの電気抵抗をさらに低下させることが可能である。

図に示すように、第１および第２のグラフェン層２３ａ、２３ｂの端は、細溝１４ａおよび太溝１４ｂの底面に対して上を向いており、第１および第２のグラフェン層２３ａ、２３ｂの最表面を形成している。そのため、第１および第２のグラフェン層２３ａ、２３ｂの端面を処理（修飾）することが容易である。その結果、第１および第２のグラフェン層２３ａ、２３ｂの端面の高さの違いによる修飾度合の違いを低減できる。つまり、第１および第２のグラフェン層２３ａ、２３ｂに含まれる複数のグラフェンシート間の特性ばらつきを低減することが可能であり、所望の電気特性を得やすい。グラフェンシートの端の高さばらつきを少なくすると、低抵抗なグラフェンシートの端と高抵抗なグラフェンシートの端が混在することを防ぐことが可能なので、電気抵抗を低減することができる。

ここで、端面の処理（修飾）は、グラフェンシートの電子輸送特性を向上させるために行われる。つまり、端面の処理（修飾）は、グラフェンシートの端部の構造を制御することであり、例えば、グラフェンシートの端部に別の元素を添加することである。

次に、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を、図５（ａ）〜（ｃ）、図６（ｄ）〜（ｆ）、および、図１３を参照して説明する。

図２および図３に示した太溝１４ｂ、太配線２０ｂは、図１３の構造１−１および１−２に対応している。構造１−１および１−２は、第１から第５の製造工程を経て形成される。

第１の製造工程では、図５（ａ）に示すように、半導体基板１０上に下地層１１を形成し、下地層１１内に第１のコンタクトビア１２を埋め込み形成する。

次に、図５（ｂ−１）に示すように、下地層１１上にコンタクトビア１２を覆う第１の絶縁層１３を形成した後、ダマシン加工によって細溝１４ａおよび太溝１４ｂを、それぞれ形成する。細溝１４ａと太溝１４ｂは、互いに接触しないように並列に形成されていることが望ましい。

次に、第２の製造工程では、細溝１４ａおよび太溝１４ｂ内に接着層２１を形成した後、接着層２１上にカーボン層２２を形成する。接着層２１、カーボン層２２は、ＣＶＤ（chemical Vapor Deposition）、ＳＯＣ（Spin On Carbon）、および、レジスト（Resist）などを用いて形成される。この時、接着層２１にグラフェンへのドーパントを混ぜても良い。ただし、図５（ｂ−２）に示すように、接着層２１は、無くても良い。

次に、図５（ｃ）に示すように、第１の絶縁層１３の表面が露出するまで、接着層２１、カーボン層２２をＣＭＰ（chemical Mechanical Polishing）を用いて化学的効果と機械的効果の相乗作用によって研磨し、第１および第２の接着層２１ａ、２１ｂ、第１および第２のカーボン層２２ａ、２２ｂを形成する。

次に、第３の製造工程では、図６（ｄ）に示すように、第１の絶縁層１３上に、細溝１４ａおよび太溝１４ｂ、第１および第２の接着層２１ａ、２１ｂ、第１および第２のカーボン層２２ａ、２２ｂを覆うように触媒層３０を形成する。触媒層３０は、グラフェンを成長させるために必要な層である。触媒層３０は、第１および第２のカーボン層２２ａ、２２ｂの表面に密着するように、第１および第２のカーボン層２２ａ、２２ｂの形状に合わせて形成される。第１および第２カーボン層２２ａ、２２ｂは、中央部に凹みを有し、中央部の左側に凹みよりも上方に位置する第１の端部を有し、中央部の右側に凹みよりも上方に位置する第２の端部を有する。第１および第２の端部は、グラフェン層２３が成長する時の基点となる。つまり、第１および第２の端部（edge）は、第１および第２カーボン層２２ａ、２２ｂの中で最も強く触媒層３０に接している部分である。

触媒層３０は、例えば、コバルト、ニッケル、鉄、ルテニウム、銅などの単体金属、または、これらの元素を１つ以上含む合金、磁性材料、または、炭化物などである。均一で連続した第１および第２のグラフェン層２３ａ、２３ｂを形成するためには、触媒層３０が連続膜となるように膜厚（例えば、０．５ｎｍ以上）を調整することが必要である。

次に、第４の製造工程では、図６（ｅ）に示すように、第１および第２のカーボン層２２ａ、２２ｂの少なくとも一部が加熱（annealing）によって触媒層３０と反応し、第１および第２のグラフェン層２３ａ、２３ｂに変化する。残りの第１および第２のカーボン層２２ａ、２２ｂは、触媒層３０と反応せずに細溝１４ａ、太溝１４ｂ内に残留する可能性がある。そのため、第１および第２のグラフェン層２３ａ、２３ｂは、第１および第２のカーボン層２２ａ、２２ｂにそれぞれ接している。

次に、第５の製造工程では、図６（ｆ）に示すように、触媒層３０をＷｅｔ処理などによって除去する。第１および第２のグラフェン層２３ａ、２３ｂを形成した後に触媒層３０を除去することで、触媒層３０を残さずに第１および第２のグラフェン層２３ａ、２３ｂを形成することが可能である。

最後に、第１の絶縁層１３上に、細溝１４ａ、太溝１４ｂ、細配線２０ａ、および、太配線２０ｂを覆う第２の絶縁層２５を形成し、第２の絶縁層２５内に第２のコンタクトビア２６を埋め込み形成する。第１の絶縁層１３と第２の絶縁層２５との間に、図示しない拡散防止層（Diffusion Barrier）、例えば、窒化シリコンなどを形成しても良い。

このようにして、第１の実施形態の半導体装置が完成する。

以下、第１のグラフェン層２３ａの成長過程（growth process）について、一例を説明する。

まず、第１のグラフェン層２３ａは、第１のカーボン層２２ａの第１の端部（または第２の端部）から細溝１４ａの底面に向かって、細溝１４ａの第１の側面に平行方向（第１の絶縁層１３の膜面に対して垂直方向）に成長し、第１のグラフェン層２３ａの第１の端部を形成する（第１の成長）。次に、第１のグラフェン層２３ａは、細溝１４ａの底面に平行方向（第１の絶縁層１３の膜面に対して平行方向）に成長し、第１のグラフェン層２３ａの中央部を形成する（第２の成長）。最後に、グラフェン層２３は、細溝１４ｚの底面から第１のカーボン層２２ａの第２の端部に到達するまで、細溝１４ａの底面に反対向きに、第２の側面に平行方向（第１の絶縁層１３の膜面に対して垂直方向）に成長し、第１のグラフェン層２３ａの第２の端部を形成する（第３の成長）。

また、第１の成長と第３の成長が同時に起こる場合、第１のグラフェン層２３ａは、第１のカーボン層２２ａの第１および第２の端部から第１のグラフェン層２３ａの第１および第２の端部が細溝１４ａの底面に到達するまで細溝１４ａの第１の側面に平行方向（第１の絶縁層１３の膜面に対して垂直方向）に成長した後、第１のグラフェン層２３ａの第１および第２の端部は、細溝１４ａの底面に平行方向（第１の絶縁層１３の膜面に対して平行方向）に成長し、第１のグラフェン層２３ａの中央部を形成する（第２の成長）。つまり、細溝１４ａの両端から延びる第１のグラフェン層２３ａの両端（第１のグラフェン層２３ａの第１および第２の端部）は、細溝１４ａの底面で互いに結合して、第１のグラフェン層２３ａの中央部を形成する。

このような成長を通して、第１のグラフェン層２３ａの中央部と、中央部を挟んで左側と右側に第１および第２の端部が形成される。第１および第２の端部に含まれるグラフェン層２３の先端部分の多くは、下地層１１および第１の絶縁層１３の積層方向において、上を向いている。そのため、第１および第２の端部に含まれる第１のグラフェン層２３ａの先端部分の多くは、触媒層３０に接している。

第２のグラフェン層２３ｂの成長過程も、第１のグラフェン層２３ａと同様である。

図７は、本実施形態、および、比較例に関する電流（Ｉ）-電圧（Ｖ）特性を示している。図中の破線は、本実施形態のＩ−Ｖ特性を示しており、図中の実線は、比較例のＩ−Ｖ特性を示している。

本実施形態では、グラフェンシートの単層構造を用いている。一方、比較例では、グラフェンシートを触媒層３０に含まれる金属で挟み込んだ積層構造を用いている。触媒層３０に含まれる金属は、例えば、ニッケルや銅などである。

比較例では、グラフェンシートが触媒層３０に含まれる金属に接触しているため、本実施形態に比べて、電流値が大きく低下している。このように、グラフェンシートが触媒層３０に含まれる金属に接触すると、グラフェンシートの電気抵抗が大きく低下する。

本実施形態では、第１および第２のグラフェン層２３ａ、２３ｂを形成した後に触媒層３０を除去するため、第１および第２のグラフェン層２３ａ、２３ｂが触媒層３０に接触しない構造を得ることができる。触媒層３０を除去することで、触媒層３０を加工するプロセスを削減することができる。また、第１および第２の接着層２１ａ、２１ｂにグラフェンへのドーパントが含まれている場合、ドーパントが触媒層３０を腐食することが問題である。しかし、本実施形態では、触媒層３０を除去するため、この問題を解決することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。本実施形態の半導体装置も、第１の実施形態と同様に最先端の半導体集積回路に適用されるものである。なお、本実施形態の基本的な構成や製造方法は、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態で説明した事項の説明は省略する。

図８乃至図１０は、第２の実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図である。図１１は、図８のＸＩ−ＸＩ線に沿う断面図である。

図に示すように、第２の実施形態でも、触媒層３０は、半導体装置内から除去されている。さらに、第２の実施形態では、太溝１４ｂ内に所定の幅以下の線幅を有する第３のグラフェン層２３ｃを形成するために、太溝１４ｂ内に分割層（partition layer）２４を設けている。分割層２４は、太溝１４ｂの第１および第２の側面から離間して１つ以上設けられている。

分割層２４は、太溝１４ｂを所定の幅以下の溝幅を有する複数の分割溝に分割する。複数の分割溝は、太溝１４ｂと同様に、下地層上に形成された底面と、底面につながる２つの側面とで構成されるＵ形状を、それぞれ有する。

太溝１４ｂ内に分割層２４をｎ（ｎ≧１）個設けた場合、太溝１４ｂ内にはｎ＋１個の分割溝が並列に形成される。例えば、ｎ＝２の場合、太溝１４ｂは、２つの分割層２４によって３つの分割溝１４−１、１４−２、１４−３に分割される。各々の分割溝内には、それぞれ、第３の接着層２１ｃ（無くても良い。図１２参照）、第３のカーボン層２２ｃ、および、第３のカーボン層２２ｃが形成されている。第３のグラフェン層２３ｃは、第３のカーボン層２２ｃ上に形成され、第３のカーボン層２２ｃと接している。第３のグラフェン層２３ｃは、中央部と、中央部の左側に位置する第１の端部と、中央部の右側に位置する第２の端部とを有する。

分割層２４は、分割層２４の表面でグラフェンの形成を阻害する材料であれば、導電層であっても良いし、絶縁層であっても良い。例えば、分割層２４には、タンタル、チタン、ルテニウム、タングステン、アルミニウム、シリコン等やこれらの材料の窒化物又は酸化物が用いられる。また、分割層２４に低抵抗材料を用いることで、分割層２４を低抵抗な電気伝導層として利用することが可能である。さらに、分割層２４は、接着層２１と同じ材料であっても良いし、ハードマスク材料などでも良い。

分割層２４および第３の接着層２１ｃは、第３のグラフェン層２３ｃへのドーパント材料を含んでも良い。この場合、第３のグラフェン層２３ｃ内にドーパントをドーピングすることが可能である。

分割層２４が導電層である場合、複数の第３のグラフェン層２３ｃは１つの配線として機能する。また、第３の接着層２１ｃが導電体である場合も、同様に、複数の第３のグラフェン層２３ｃは１つの配線として機能する。

仮に、分割層２４と第３の接着層２１ｃの両方が絶縁体である場合、図８および図９に示すように、太溝１４ｂ内で、複数の第３のグラフェン層２３ｃの少なくとも一部分が互いに連続していれば、複数の第３のグラフェン層２３ｃは、１つの配線として機能する。

また、図１０に示すように、太溝１４ｂ内で、複数の第３のグラフェン層２３ｃが完全に切断されており、複数の第３のグラフェン層２３ｃが互いに接触する部分が無い場合、分割層２４および第３の接着層２１ｃのうち、少なくとも一方が導電体であることが望ましい。

分割層２４が絶縁体である場合を考慮すると、分割層２４の下方に位置するコンタクトビア１２、または、分割層２４の上方に位置するコンタクトビア２６を、分割層２４が塞ぐ（覆う）がないように、分割層２４とコンタクトビア１２、２６を配置する必要がある。例えば、コンタクトビア１２が分割層２４を、跨ぐように形成することが望ましい。つまり、コンタクトビア１２上には、第３のグラフェン層２３ｃが形成されていることが望ましい。

太溝１４ｂ内には、電気伝導層として第３のグラフェン層２３ｃが並列に複数形成されているため、第３のグラフェン２３ｃの側壁の割合が増加する。第３のグラフェン側壁２３ｃは、第３のグラフェン層２３ｃの中で最も電子の量子化伝導が活かされる領域なので、第３のグラフェン層２３ｃの電気抵抗がさらに低抵抗化する。

以下、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を、図１３を用いて説明する。尚、細溝１４ａ内の細配線２０ａは、第１の実施形態と同様なので説明を省略する。第２の実施形態では、第１の実施形態と同様に、第３の接着層２１ｃの有無によって得られる構造が異なる。さらに第２の実施形態では、分割層２４を形成するタイミングによって得られる構造が異なる。

図中の構造２−１、２−２では、第２のグラフェン層２３ｂを形成した後に分割層２４を形成する。この場合、太溝１４ｂ内の全面に形成された１つの第２のグラフェン層２３ｂは、分割層２４によって複数の第３のグラフェン層２３ｃに分割される。

太溝１４ｂ内の両端に位置する分割溝１４−１、１４−３内では、分割溝１４−１、１４−３の側面付近に形成された第３のグラフェンの先端の多くは、底面と反対向き（上向き）に延びている。これに対し、分割層２４付近に形成された第３のグラフェンの先端の多くは、前記底面と平行方向（横向き）に延びている。残りの分割層１４−２内に形成された第３のグラフェンシートの先端の多くは、底面に対して平行方向（横向き）に延びている。

構造２−１、２−２は、第１の実施形態で説明した第１乃至第５の製造工程において第２のグラフェン層２３ｂを形成し、触媒層３０を除去した後、第６の製造工程において、分割層２４を加工することで得られる。

分割層２４の一端は、第２の接着層２１ｂを貫いて下地層１１上（太溝１４ｂの底面上）に形成しても良いし、太溝１４ｂの底面と第２の接着層２１ｂとの間に形成しても良いし、第２の接着層２１ｂ上に形成しても良い。

第１の実施形態に比べて分割層２４を形成する工程が１工程増えるが、第２の製造工程に触媒層３０を形成する工程を含めることで、１工程削減することができる。尚、構造２−２では、第２の製造工程で第２の接着層２１ｂを形成しない。

図中の構造２−３乃至２−５では、構造２−１、２−２と異なり、グラフェン層２３を形成する前に分割層２４を形成する。構造２−１、２−２と同様に、構造２−３乃至２−５でも、分割層２４の一端は、第２の接着層２１ｂを貫いて下地層１１上（太溝１４ｂの底面上）に形成しても良いし、太溝１４ｂの底面と第２の接着層２１ｂとの間に形成しても良いし、第２の接着層２１ｂ上に形成しても良い。

第１の実施形態に比べて分割層２４を形成する工程が１工程増えるが、第２の製造工程に触媒層３０を形成する工程を含めることで、１工程削減することができる。尚、構造２−４では、第２の製造工程で第２の接着層２１ｂを形成しない。

また、構造２−３、２−４では、分割層２４を形成する前に第２の接着層２１ｂと第２のカーボン層２２ｂを形成するが、構造２−５では、分割層２４を形成した後に第２の接着層２１ｂと第２のカーボン層２２ｂを形成する。

構造２−３、２−４の場合、第１および第２の製造工程によって太溝１４ｂ内に第２の接着層２１ｂおよび第２のカーボン層２２ｂを形成した後、第６の製造工程で分割層２４を形成し、続いて、第３乃至第５の製造工程を行うことで、太溝１４ｂ内に第３の接着層２１ｃ、第３のカーボン層２２ｃ、おおび、第３のグラフェン層２３ｃを順次形成する。

構造２−５の場合、第１の製造工程によって太溝１４ｂを形成した後、第６の製造工程で分割層２４を形成し、続いて、第２乃至第５の製造工程によって太溝１４ｂ内に第３の接着層２１ｃ、第３のカーボン層２２ｃ、および、第３のグラフェン層２３ｃを順次形成する。構造２−５では、第２の接着層２１ｂを形成する前に下地層上（太溝１４ｂの底面上）に分割層２４を形成するため、分割層２４の側壁は、第３の接着層２１ｃによって覆われている。

ここで、構造２−３、２−４の製造工程を、図１４（ａ）、図１５（ｂ）〜（ｄ）を用いて説明する。

まず、第１の実施形態と同様に、第１および第２の製造工程で細溝１４ａ、太溝１４ｂ内に、第１および第２の接着層２１ａ、２１ｂ、第１および第２のカーボン層２２ａ、２２ｂを形成する。第２の製造工程では、第１および第２の接着層２１ａ、２１ｂに第３のグラフェン層２３ｃへのドーパントを導入しても良い。

次に、図１４（ａ）に示すように、第６の製造工程で第１の絶縁層１３上にマスク層３１を形成し、パターニングによって分割層２４を形成する。第６の製造工程では、分割層２４に第３のグラフェン層２３ｃへのドーパントを導入しても良い。ここでは、一例として、分割層２４を、第２の接着層２１ｂ上に形成しているが、分割層２４は、第２の接着層２１ｂを貫いて下地層１１上に形成しても良い。分割層２４を形成したことで、太溝１４ｂ内には、第３の接着層２１ｃと第３のカーボン層２２ｃが形成される。

次に、図１５（ｂ）に示すように、第３の製造工程で、第１の絶縁層１３上に細溝１４ａ、太溝１４ｂ、第１および第３の接着層２１ａ、２１ｃ、第１および第３のカーボン層２２ａ、２２ｃを覆う触媒層３０を形成する。

次に、図１５（ｃ）に示すように、第４の製造工程で、アニールを行い第１および第３のグラフェン層２３ａ、２３ｃを形成した後、第５の製造工程で触媒層３０を除去する。

次に、図１５（ｄ）に示すように、細溝１４ａ、太溝１４ｂ、第１および第３の接着層２１ａ、２１ｃ、第１および第３のカーボン層２２ａ、２２ｃ、第１および第３のグラフェン層２３ａ、２３ｃを含む配線構造を覆うように、第１の絶縁層１３上に、第２の絶縁層２５を形成し、第２の絶縁層２５内にコンタクトビア２６を埋め込み形成する。

さらに、上記の配線構造を被覆するように、図示しないＳｉＮなどの拡散防止層（Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂａｒｒｉｅｒ）を形成しても良い。

尚、ここであげた製造工程は一例であり、配線構造に応じて変化する。

以上より、第２の実施形態でも、第１の実施形態と同様に触媒層３０を残さずにグラフェンシートを形成することが可能である。さらに、第２実施形態では、分割層２４を設けることで、所定の幅よりも太い線幅を有する第２のグラフェン層２３ｂを所定の幅以下の線幅を有する第３のグラフェン層２３ｃに分割するため、第１の実施形態に比べて太配線２０ｂの電気抵抗をさらに低抵抗化させることが可能である。

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。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。

１０： 半導体層、 １１： 下地層、 １２,２６： コンタクトビア、 １３： 第１の絶縁層１３、 １４： 溝、 １４ａ： 細溝、 １４ｂ： 太溝、 ２０： 配線層、 ２０ａ： 細配線層、 ２０ｂ： 太配線層、 ２１： 接着層、 ２２： カーボン層、 ２３： グラフェン層２４： 分割層、 ２５： 第２の絶縁層

Claims (6)

1. 下地層上の第1の絶縁層と、
   前記第1の絶縁層内に配置された第1の溝と、
   前記第1の溝内に配置された第１のグラフェン層と、を備え、
   前記第１の溝は、前記下地層上の底面と、前記底面につながる２つの側面とで構成されたＵ形状を有し、
   前記第１のグラフェン層は、複数のグラフェンシートを含む積層構造を有し、
   前記複数のグラフェンシートは、それぞれ、中央部に凹みを有し、
   前記第１のグラフェン層の端部に含まれる前記複数のグラフェンシートは、それぞれ、前記底面と反対向きな上向きに延びている、ことを特徴とする半導体装置。
2. 前記第１の溝内において、前記下地層と前記第1のグラフェン層との間に設けられた第１のカーボン層をさらに有し、
   前記第１グラフェン層と前記第１のカーボン層は、互いに接する、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第１の絶縁層上に設けられ、前記端部に含まれる前記複数のグラフェンシートに接する第２の絶縁層をさらに有する、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記第1の絶縁層内に前記第1の溝と並列に配置され、所定の幅よりも太い溝幅を有する第２の溝をさらに有し、
   前記第２の溝は、前記下地層上の底面と、前記底面につながる２つの側面とで構成されるＵ形状を有し、
   前記第２の溝内に並列に配置されたｎ個の分割層と、
   前記ｎ個の分割層が、前記第２の溝を前記所定の幅以下の溝幅に分割することで配置されたｎ＋１個の分割溝と、
   前記ｎ＋１個の前記分割溝内にそれぞれ配置された、前記所定の幅以下の線幅を有する第３のグラフェン層と、
   前記ｎ＋１個の前記第３のグラフェン層と前記下地層との間にそれぞれ設けられ、前記第３のグラフェン層に接する第３のカーボン層と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
5. 前記第３のグラフェン層は、複数のグラフェンシートを含む積層構造を有し、
   前記複数のグラフェンシートは、それぞれ、中央部に凹みを有し、
   前記第３のグラフェン層の端部に含まれる前記複数のグラフェンシートは、それぞれ、前記底面と反対向きな上向きに延びている、ことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
6. 下地層上に第1の絶縁層を形成し、
   前記第1の絶縁層内に第1の溝を形成し、
   前記第1の溝内に第1のカーボン層を形成し、
   前記第1の絶縁層上に前記第1のカーボン層を覆う触媒層を形成し、
   加熱により、前記第１のカーボン層上に、前記第１のカーボン層に接する第１のグラフェン層を形成し、
   前記触媒層を除去し、
   前記第1の溝、および、前記第1のグラフェン層を覆う第2の絶縁層を前記第1の絶縁層上に形成し、
   前記第2の絶縁層内に第2のコンタクトビアを形成する、ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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