JP2018157060A - 配線及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンタクト性に優れた配線及び半導体装置を提供する。【解決手段】配線は、第１方向にグラフェンシートが積層し、第１方向と交差する第２方向を長手方向とする多層グラフェン１と、多層グラフェンと直接接する第１金属部２Ａと、第１金属部とは第２方向に離間し、多層グラフェンと直接接する第２金属部２Ｂと、第１方向に多層グラフェンと積層し、第１金属部を介して多層グラフェンと電気的に接続する第１導電部３Ａと、第１方向に多層グラフェンと積層し、第２金属部を介して多層グラフェンと電気的に接続する第２導電部３Ｂと、を有する。第１導電部と第２導電部は、第１金属部、多層グラフェンと第２金属部を介して電気的に接続し、多層グラフェンの第２方向の長さＬ１は、第１金属部と第２金属部との距離Ｌ２よりも長い。【選択図】図１

Description

実施形態は、配線及び半導体装置に関する。

ＬＳＩ（Large-Scale Integration）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。

多層配線構造においては、ビア配線により層間を接続する。多層グラフェン配線の場合、ビア配線との接続において、導電部材を用いて多層グラフェン全層の長さ方向の端部と接続する方法が考えられる。しかし、ビア配線との接続部分にてグラフェンの電気伝導が途切れることになり、導電膜の抵抗成分の寄与が無視できなくなる。

特開２００９−７０９１１号公報

実施形態は、コンタクト性に優れた配線及び半導体装置を提供するものである。

実施形態の配線は、第１方向にグラフェンシートが積層し、第１方向と交差する第２方向を長手方向とする多層グラフェンと、多層グラフェンと直接接する第１金属部と、第１金属部とは第２方向に離間し、多層グラフェンと直接接する第２金属部と、第１方向に多層グラフェンと積層し、第１金属部を介して多層グラフェンと電気的に接続する第１導電部と、第１方向に多層グラフェンと積層し、第２金属部を介して多層グラフェンと電気的に接続する第２導電部と、を有し、第１導電部と第２導電部は、第１金属部、多層グラフェンと第２金属部を介して電気的に接続し、多層グラフェンの第２方向の長さＬ１は、第１金属部と第２金属部との距離Ｌ２よりも長い。

実施形態の配線の斜視模式図。 実施形態の配線の断面模式図。 実施形態の配線の上面模式図。 実施形態の配線の斜視模式図。 実施形態の配線の斜視模式図。 実施形態の半導体装置の斜視模式図。 実施形態の半導体装置の断面模式図。

（実施形態１）
以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。同じ符号が付されているものは同様のものを示す。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。

実施形態１の配線は、多層グラフェンと、第１金属部、第２金属部、第１導電部、第２導電部を有する。多層グラフェンがビア配線との接続部分で途切れない接続構造を有している。

図１に実施形態１の配線１０の斜視図を示す。
図１のグラフェン配線構造１０は、多層グラフェン１と、多層グラフェン１と接しした第１金属部２Ａと、多層グラフェン１と接した第２金属部２Ｂと、第１金属部２Ａと直接的に接した第１導電部３Ａと、第２金属部２Ｂと直接的に接した第２導電部３Ｂとを有する。図１の斜視図は、配線の一部の構造を示している。

多層グラフェン１は、積層したグラフェンシートを含む。多層グラフェン１は、ビア配線Ａとビア配線Ｂと電気的に接続している。より具体的には、多層グラフェン１は、平面状のグラフェンシートを含む。平面状グラフェンシートは、炭素原子からなる単原子層でもよいし、炭素原子と一部の炭素原子が酸素や窒素原子などと結合を形成した単原子層でもよい。平面状グラフェンシートとは、カーボンナノチューブなどのようにグラフェンシートがロール状であるものを含まない。平面状グラフェンシートとは、例えばグラフェンナノリボンなどの平面上に原子層が広がったシート状構造からなる。平面状グラフェンシートには、欠陥が含まれていてもよい。平面状グラフェンシートは、多結晶グラフェンでもよい。

多層グラフェン１の積層方向を第１方向とする。多層グラフェン１の第１方向の長さは、多層グラフェン１の高さである。多層グラフェン１及びグラフェンシートは、配線長さ方向である第２方向に延びる。第２方向は、多層グラフェン１及びグラフェンシートの長手方向である。多層グラフェン１の第２方向の長さをＬ１とする。第１方向と第２方向は交差する。第１方向と第２方向は、直交することが好ましい。多層グラフェン１及びグラフェンシートは、配線幅方向である第３方向に延びる。第３方向は、多層グラフェン１及びグラフェンシートの短手方向である。多層グラフェン１の第３方向の長さ（幅）をＬ３とする。第３方向は、第１方向及び第２方向と交差する。第３方向は、第１方向と直交し、第２方向と直交することが好ましい。図中では、各方向の数字のみ示している。

多層グラフェン１は、金属部と直接的に接続している。より具体的には、多層グラフェン１の積層面の一部は金属部と直接的に電気的に接続している。金属部との接続によっては、多層グラフェン１は途切れていない。例えば、２つの多層グラフェンが金属部で連結された配線の場合、多層グラフェンと金属部との接続によって多層グラフェンが途切れる。個々の多層グラフェンそのものの配線抵抗には金属部は影響しない。しかし、２つの多層グラフェン間の導電を考えると、金属部が実質的に抵抗として働いてしまう。すると、グラフェンを導電材として用いることによって、グラフェン部分は低抵抗化するものの、実質的に抵抗として働く金属部の存在によって、全体的にグラフェンによって期待されるほどの低抵抗化が困難となってしまう。実施形態では、多層グラフェン１が途切れないため、多層グラフェンの配線の始点から終点まで、連続した多層グラフェン１による導電線路が存在する。

平面状グラフェンシートの積層数ｎは特に限定されないが、例えば、１０層以上１００層以下であることが好ましい。多層グラフェン１の積層方向の距離が多層グラフェン１の高さである。多層グラフェン２の高さは、例えば、３ｎｍ以上３５ｎｍ以下である。多層グラフェン１の層間、つまり、対向する平面状グラフェンシートの間に層間物質が存在してもよい。層間物質が存在する場合は、多層グラフェン１の層間距離が０．３３５ｎｍから例えば０．５ｎｍ以上１ｎｍ以下に広がるため、層間物質を層間に含む場合、多層グラフェン１の高さは、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。層間物質は、多層グラフェン２の抵抗を低下や容量低下に寄与する物質が好ましく、例えば、塩化鉄、塩化モリブデンなどのハロゲン化金属、ハロゲンなど特に限定されるものではない。

多層グラフェン１の幅である第３方向の長さＬ３は、１０ｎｍ以下であることがこのましく、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることがより好ましい。金属配線では線幅が１０ｎｍ以下では導体損失が大きくなりやすいが、実施形態の配線では、１０ｎｍ以下の線幅であっても導体損失が小さいことが好ましい。多層グラフェン１の高さ、長さ、配線幅などは透過型電子顕微鏡などによる観察で求められる。

多層グラフェン１の長さＬ１は、限定されるものではないが、１μｍ以上である。

多層グラフェン１の幅である第３方向の長さＬ３と多層グラフェン１の長さである多層グラフェン１の第２方向の長さＬ１の比（Ｌ１／Ｌ３）は、１００以上１００，０００,０００以下であることが好ましい。比が小さすぎると導電部間距離が小さくなり過ぎリーク等を引き起こすこととなり好ましくない。また、比が大きすぎると途切れなく微細幅長距離配線を形成することが困難となり好ましくない。

グラフェンは、ジグザグ端とアームチェア端の２種のエッジを有する。電気伝導方向がジグザグ方向であると低抵抗である。逆に、電気伝導方向がアームチェア方向であるとグラフェンが半導体化してしまう。ジグザグ方向が電気伝導方向である第２方向を向いていると配線が低抵抗であって好ましい。従って、多層グラフェン１のグラフェンシートの第２方向の端辺にジグザグ端が含まれることが好ましい。また、多層グラフェン１のグラフェンシートの第３方向の端辺にアームチェア端が含まれることが好ましい。

第１金属部２Ａと第１導電部３Ａは、第１ビア配線Ａを構成する。第１金属部２Ａは、多層グラフェン１の積層面の一部と直接的に接する。第１導電部３Ａは、第１方向に多層グラフェン１と接する。第１導電部３Ａは、第１金属部２Ａを介して多層グラフェン１と電気的に接続する。

第２金属部２Ｂと第２導電部３Ｂは、第２ビア配線Ｂを構成する。第２金属部２Ｂは、多層グラフェン１の積層面の一部と直接的に接する。第２導電部３Ｂは、第１方向に多層グラフェン１と接する。第２導電部３Ｂは、第２金属部２Ｂを介して多層グラフェン１と電気的に接続する。

第１金属部２Ａは、多層グラフェン１の積層面の少なくとも一部と直接接している。第１金属部２Ａは、第２金属部２Ｂと、第２方向に離間している。第２金属部２Ｂは、多層グラフェン１の積層面の一部と直接的に接している。多層グラフェン１の積層面は、多層グラフェン１の第３方向の端面である。端面にはグラフェンシートの端辺が含まれる。すなわち、多層グラフェン１のグラフェンシートの第３方向の端部の一部が第１金属部２Ａと第２金属部２Ｂと直接的に接している。上述した導電性の観点から、第１金属部２Ａ及び第２金属部２Ｂは、多層グラフェン１のグラフェンシートのジグザグ端と直接的に接していることが好ましい。

多層グラフェン１のグラフェンシートのうち第１方向に最も第１導電部３Ａ側（最下層側）のグラフェンシートの第３方向の端部の一部が第１金属部２Ａと直接的に接している。また、多層グラフェン１のグラフェンシートのうち第１方向に最も第２導電部３Ｂ側のグラフェンシートの端部の一部が第２金属部２Ｂと直接に接している。第１金属部２Ａと直接接している多層グラフェン１のグラフェンシートの数が多いほど、第１金属部２Ａと多層グラフェン１のコンタクト性が良好となって好ましい。同様に、第２金属部２Ｂと直接的に接している多層グラフェン１のグラフェンシートの数が多いほど、第２金属部２Ｂと多層グラフェン１のコンタクト性が良好となって好ましい。そこで、第１金属部２Ａ及び第２金属部２Ｂが２層以上のグラフェンシートと直接的に接していることが好ましい。また、多層グラフェン１のグラフェンシートの積層数をｎとするとき、第１金属部２Ａ及び第２金属部２Ｂがｎ／２層以上のグラフェンシートと直接的に接していることが好ましい。第１金属部２Ａ及び第２金属部２Ｂがｎ層のグラフェンシートと直接的に接していることがさらにより好ましい。

接続形態が異なると、それに伴いコンタクト性に影響が生じる。そこで、第１金属部２Ａと多層グラフェン１の接続形態と第２金属部２Ｂと多層グラフェン１の接続形態は、同様であることが好ましい。ここでいう接続形態とは、第１金属部２Ａ又は第２金属部２Ｂと多層グラフェン１のグラフェンシートとの接続部位及び接続面積などである。

図２に第１金属部２Ａと多層グラフェン１との複数の接続形態を表した実施形態の配線の模式断面図を示す。図２には、第１導電部３Ａも示している。図２には、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）までの６形態を例示している。図２では、横方向が第３方向で、縦方向が第１方向である。上下（底）方向は、図面に示す通りである。図２では、第１ビア配線Ａについて説明しているが、第２ビア配線Ｂの多層グラフェン１、第２金属部２Ｂと第２導電部３Ｂについても同様である。

図２（Ａ）において、第１金属部２Ａは、第１導電部３Ａの上面と直接的に接している。最下層のグラフェンシートが第１導電部３Ａの上面と対向している。グラフェンシートの最下層側から上面側向かって、一部のグラフェンシートと第１金属部２Ａが直接的に接している。第１金属部２Ａは、グラフェンシートの両端辺の一部と直接的に接している。第１金属部２Ａと直接的に接しているグラフェンシートは第１金属部２Ａを介して第１導電部３Ａと接し、第１金属部２Ａと直接的に接していないグラフェンシートは、グラフェンシート間で電気的に接続している。

図２（Ｂ）において、第１金属部２Ａは、第１導電部３Ａの上面と直接的に接している。最下層のグラフェンシートが第１導電部３Ａの上面と対向している。最下層のグラフェンシートから上層側に向かって、すべてのグラフェンシートと第１金属部２Ａが直接的に接している。第１金属部２Ａは、グラフェンシートの両端辺の一部と直接的に接している。第１金属部２Ａと直接的に接しているグラフェンシートは第１金属部２Ａを介して第１導電部３Ａと接している。本形態は、図２（Ａ）の形態と比較すると、第１金属部２Ａと多層グラフェン１とのコンタクト性に優れる。

図２（Ｃ）において、第１金属部２Ａは、第１導電部３Ａの上面と直接的に接している。最下層のグラフェンシートが第１導電部３Ａの上面と対向している。グラフェンシートの最下層側から上面側向かって、すべてのグラフェンシートと第１金属部２Ａが直接的に接している。第１金属部２Ａは、グラフェンシートの一方の端辺の一部と直接的に接している。第１金属部２Ａと直接的に接しているグラフェンシートは第１金属部２Ａを介して第１導電部３Ａと接している。本形態は、図２（Ｂ）の形態と比較すると、グラフェンシートの片側のみが接しているため配線全体の幅を狭くすることができる。

図２（Ｄ）において、第１金属部２Ａは、第１導電部３Ａに一部埋め込まれて直接的に接している。最下層のグラフェンシートが第１導電部３Ａの上面と対向している。グラフェンシートの最下層側から上面側向かって、すべてのグラフェンシートと第１金属部２Ａが直接的に接している。第１金属部２Ａは、グラフェンシートの両端辺の一部と直接的に接している。第１金属部２Ａと直接的に接しているグラフェンシートは第１金属部２Ａを介して第１導電部３Ａと接している。本形態は、図２（Ｂ）の形態と比較すると、第１金属部２Ａと第１導電部３Ａとのコンタクト性に優れ、配線の信頼性向上などの利点がある。

図２（Ｅ）において、第１金属部２Ａは、第１導電部３Ａの上面と直接的に接している。最下層のグラフェンシートが第１導電部３Ａの上面と対向している。グラフェンシートの最下層側から上面側向かって、すべてのグラフェンシートと第１金属部２Ａが直接的に接している。さらに、グラフェンシートの最上面側と対向するように第１金属部２Ａが配置されている。第１金属部２Ａは、グラフェンシートの両端辺の一部と直接的に接している。第１金属部２Ａと直接的に接しているグラフェンシートは第１金属部２Ａを介して第１導電部３Ａと接している。グラフェンシートの両端辺と直接的に接している第１金属部２Ａとグラフェンシートの最上面側と対向する第１金属部２Ａは、同一材料で、界面の無いつながったものでもよいし、異種材料を用いたものでもよい。本形態は、図２（Ｂ）の形態と比較すると、配線の信頼性向上などの利点がある。

図２（Ｆ）において、第１金属部２Ａは、第１導電部３Ａの上面と直接的に接している。最下層のグラフェンシートが第１導電部３Ａの上面と対向している。グラフェンシートの最下層と第１導電部３Ａの間に第１金属部２Ａが配置されている。最下層のグラフェンシートが第１導電部３Ａの上面及びとグラフェンシートの最下層と第１導電部３Ａの間の第１金属部２Ａと対向している。グラフェンシートの最下層側から上面側向かって、すべてのグラフェンシートと第１金属部２Ａが直接的に接している。さらに、グラフェンシートの最上面側と対向するように第１金属部２Ａが配置されている。第１金属部２Ａは、グラフェンシートの両端辺の一部と直接的に接している。第１金属部２Ａと直接的に接しているグラフェンシートは第１金属部２Ａを介して第１導電部３Ａと接している。グラフェンシートの両端辺と直接的に接している第１金属部２Ａとグラフェンシートの最上面側と対向する第１金属部２Ａとは、同一材料で、界面の無いつながったものでもよいし、異種材料を用いたものでもよい。本形態は、図２（Ｂ）の形態と比較すると、配線の信頼性向上などの利点がある。

多層グラフェン１と直接的に接している金属部は多層グラフェン１の側面の積層面と接している。多層グラフェン１の上面や底面も金属部と直接的に接していてもよいが、この接続は、多層グラフェン１を貫通して、多層グラフェン１の内側で金属部と接している形態を含んではいない。つまり、多層グラフェン１のグラフェンシートの第３方向の端辺の一部、グラフェンシートの第３方向の端辺の一部及び多層グラフェン１の最底層側のグラフェンシート、又は、グラフェンシートの第３方向の端辺の一部、多層グラフェン１の最上層側のグラフェンシート及び多層グラフェン１の最底層側のグラフェンシート以外は金属部と直接接してはいない。多層グラフェン１の内側で金属部が接している形態は、多層グラフェン１のグラフェンシートの内側を貫通する穴があり、その穴に金属部が充填され、グラフェンシート間を金属部で接続したものである。この穴の開口端でグラフェンシートが金属部と接続するとき、グラフェンシートと金属部の接続面積を増やしてコンタクト性を良好にするには、穴を大きくする必要があるが、穴を大きくすると、ビア部分での断面において、グラフェンシートよりも金属部分が多くなり、実質的に金属部を介した導電となってしまう。配線幅が１０ｎｍ以下などの微細配線ではこの影響が顕著となる。実施形態の配線では、金属部との接続面積にあまり影響されずに多層グラフェン１による低抵抗かつ低遅延な導電が可能となる点で好適である。

多層グラフェン１と接した第１金属部２Ａが第１導電部３Ａと電気的に接続し、多層グラフェン１と接した第２金属部２Ｂが第１導電部３Ｂと接する。かかる接続によって、第１導電部３Ａと第２導電部３Ｂは、第１金属部２Ａ、多層グラフェン１と第２金属部２Ｂを介して電気的に接している。

第１金属部２Ａと第２金属部２Ｂは、金属であれば特に限定されない。金属の中でもグラフェンシートと金属部との界面で導電性の炭化物を形成するＴｉ、ＴａとＷのうちのいずれか１種以上の金属を含むことがグラフェンシートと金属部とのコンタクト性の観点から好ましい。グラフェンシートと第１金属部２Ａ又は第２金属部２Ｂとの間には、金属部に含まれる金属を含む炭化物を含むことが、グラフェンシートと金属部とのコンタクトを良好とする観点から好ましい。かかる炭化物は、Ｔｉ、ＴａとＷのうちのいずれか１種以上の金属の炭化物であることが好ましい。また第１金属部２Ａと第２金属部２Ｂは、触媒作用を有するＣｏ、Ｎｉ、ＰｄとＲｕのうちのいずれか１種以上の金属を含むことが好ましい。触媒作用によって、炭化物が形成されやすくなるという点で、第１金属部２Ａ及び第２金属部２Ｂが触媒作用を有する金属を含むことが好ましい。従って、第１金属部２Ａと第２金属部２Ｂは、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＰｄとＲｕのうちのいずれか１種以上の金属を含むことが好ましい。

次に図３の実施形態の配線の上面模式図を用いて、実施形態の多層グラフェン１が途切れずつながっていることの利点について説明する。図３（Ａ）には、３つのビア配線を含む配線の第１方向から見た上面図を示している。第３ビア配線Ｃも第１ビア配線Ａと第２ビア配線Ｂと同様の構造を有する。実施形態の配線では、第１、第２と第３ビア配線のすべてが連続した多層グラフェン１で接続されているため、第１ビア配線Ａと第２ビア配線Ｂ間、第２ビア配線と第３ビア配線Ｃ間及び第１ビア配線Ａと第３ビア配線Ｃ間のいずれも多層グラフェン１を介して電気伝導がなされる。ここで、例えば、第２ビア配線Ｂが多層グラフェン１を分断するような金属部を有する構造であると、第１ビア配線Ａと第３ビア配線Ｃ間の導電は、第２ビア配線部分において多層グラフェン１を分断する金属部を介してなされる。すると、第１ビア配線Ａと第３ビア配線Ｃ間の導電において、この多層グラフェン１を分断する金属部の影響が生じるため、第１ビア配線Ａと第３ビア配線Ｃ間の抵抗性に影響を及ぼしてしまう。実施形態の構造では、例示したビア配線間すべてで多層グラフェン１による電気伝導が可能となり、いずれの区間においても低抵抗化や信号遅延短縮の観点から好ましい。

図３（Ｂ）には、図３（Ａ）の変形例の模式図を示している。図３（Ｂ）の多層グラフェン１のグラフェンシートは、例えば第１ビア配線Ａとの接続部分において、凹み形状を有し、第１金属部２Ａが一部埋め込まれている。第２ビア配線Ｂ及び第３ビア配線Ｃにおいても、同様に金属部が一部埋め込まれている。図３（Ａ）と３（Ｂ）の両方の形態において、多層グラフェン１のグラフェンシートの端辺の一部が金属部と直接的に接しており、グラフェンシートの内側は金属部と直接的に接していない。

多層グラフェン１のグラフェンシートの端辺の一部と第１金属部２Ａが直接的に接している。その直接的に接している長さである第１金属部２Ａの第２方向の長さは、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。この長さが短すぎると第１金属部２Ａを流れる電流密度が高くなり、また、接続安定性やコンタクト性に優れない。また、この長さが長すぎると、配線間が狭くなり線間容量の観点で好ましくない。なお、第１金属部２Ａの第２方向の長さは、第１導電部３Ａの第２方向の長さより短くても長くてもよいが、第１導電部３Ａの第２方向の長さより短い方が好ましい。同様に、多層グラフェン１のグラフェンシートの端辺の一部と第２金属部２Ｂが直接的に接している長さである第２金属部２Ｂの第２方向の長さは、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。第２金属部２Ｂの第２方向の長さは、第２導電部３Ｂの第２方向の長さより短くても長くてもよいが、第２導電部３Ｂの第２方向の長さより短い方が好ましい。

第１金属部２Ａ及び第２金属部２Ｂの厚さである第３方向の長さは、５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。第１金属部２Ａ及び第２金属部２Ｂの厚さが薄すぎると、第１導電部３Ａ及び第２導電部３Ｂとのコンタクト性が悪くなってしまう。また、第１金属部２Ａ及び第２金属部２Ｂの厚さが厚すぎると配線全体としての幅が広くなるため、微細化の観点から好ましくない。

多層グラフェン１の第２方向の長さＬ１は、第１金属部２Ａと第２金属部２Ｂとの距離Ｌ２よりも長いことが好ましい。多層グラフェン１の第２方向の長さＬ１は、第１金属部２Ａと第２金属部２Ｂとの距離Ｌ２よりも長いことは、第１ビア配線Ａと第２ビア配線Ｂ間で多層グラフェン１が途切れず、連続した多層グラフェン１が設けられていることを示している。配線中には、図示ししたビア配線の他にも多くのビア配線があり、多層グラフェン１が途切れずにこれらのビア配線と多層グラフェンが１接続していることが好ましい。また、多層グラフェン１を介して伝わる電気信号は金属部で途切れずに伝わる距離が長いほど信号遅延を短くする観点から好ましいため、多層グラフェン１の長さＬ１は長い方がより好ましい。多層グラフェン１が長いほどその効果が顕著になるため、多層グラフェン１の第２方向の長さＬ２はより長い方が好ましい。そこで、多層グラフェン１の第２方向の長さＬ１は、第１金属部２Ａと第２金属部２Ｂとの距離Ｌ２よりも２倍以上長いことがより好ましく、多層グラフェン１の第２方向の長さＬ１は、第１金属部２Ａと第２金属部２Ｂとの距離Ｌ２よりも１０倍以上長いことがさらにより好ましい。

第１導電部３Ａと第２導電部３Ｂは、図示しない半導体素子などの受動素子又は抵抗などの能動素子と多層グラフェン１の両方と電気的に接続している。金属であれば特に限定されない。第１導電部３Ａと第２導電部３Ｂは、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、ＡｇやＡｕなどのうちのいずれか１種以上の金属又は多結晶Ｓｉ又はカーボンナノチューブを含むことが好ましい。カーボンナノチューブは、単層でも多層でもよい。カーボンナノチューブは、第１方向に延び、第１方向を長手方向とする。カーボンナノチューブは、第１金属部２Ａ又は第２金属部２Ｂと電気的に接続している。カーボンナノチューブは、複数本あることが好ましい。第１方向に延びるカーボンナノチューブが第２方向及び第３方向に複数並んで存在していることが好ましい。

第１導電部３Ａは、第１金属部２Ａと電気的に接続している。第１導電部３Ａは第１金属部２Ａの直下に存在することが好ましい。つまり、第１導電部３Ａと第１金属部２Ａは第１方向に対向する面を有する。第１導電部３Ａは第１金属部２Ａの直下に存在することで、多層グラフェン１と直接的に接した第１金属部２Ａは、第１導電部３Ａと直接的又は間接的に接して電気的に良好なコンタクトを形成する。そして、多層グラフェン１と第１導電部３Ａ間が低抵抗に接続した配線となる。なお、直下とは、配線１０を図１の向きで見た場合の直下を表している。

同様に、第２導電部３Ｂは、第２金属部２Ｂと電気的に接続している。第２導電部３Ｂは第２金属部２Ｂの直下に存在することが好ましい。つまり、第２導電部３Ｂと第２金属部２Ｂは第１方向に対向する面を有する。第２導電部３Ｂは第２金属部２Ｂの直下に存在することで、多層グラフェン１と直接的に接した第２金属部２Ｂは、第２導電部３Ｂと直接的又は間接的に接続して電気的に良好なコンタクトを形成する。そして、多層グラフェン１と第２導電部３Ｂ間が低抵抗に接続した配線となる。第１金属部２Ａと第１導電部３Ａの間と第２金属部２Ｂと第２導電部３Ｂ間に導電層が存在していても導電層を介して同様に良好なコンタクトを形成する。

第１金属部２Ａと第１導電部３Ａとの間と第２金属部２Ｂと第２導電部３Ｂとの間のいずれか一方又は両方に別の導電層を設けてもよい。導電層がある場合、第１金属部２Ａは、導電層と第１導電部３Ａのいずれか一方又は両方と直接的に電気的に接続している。導電層がある場合、第２金属部２Ｂは、導電層と第２導電部３Ｂのいずれか一方又は両方と直接的に電気的に接続している。

導電層は、例えば、多層グラフェン１のグラフェンシートを成長させる際の触媒として機能する触媒金属層、触媒金属層の下地層として用いられる触媒下地層などである。導電層は、単層でも良いし積層でもよい。触媒金属層としての導電層は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、ＲｕとＣｕ等から成る群のうちのいずれかを含む金属又はＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、ＲｕとＣｕ等から成る群のうちのいずれかを含む合金であることが好ましい。また、下地層としての導電層は、Ｔｉ、Ｔａ、ＲｕとＷ等から成る群のうちのいずれかの金属を含む導電性の窒化物又は導電性の酸化物であることが好ましい。

第１導電部３Ａと第２導電部３Ｂの形状は、例えば、角柱、円柱、角柱台（角錐台）や円柱台（円錐台）など特に限定されるものではない。

第１金属部２Ａと第１導電部３Ａのコンタクト性の観点から、多層グラフェン１の第３方向の長さＬ３は、第１導電部３Ａの第３方向の長さＬ４よりも短いことが好ましい。同様に、多層グラフェン１の第３方向の長さＬ３は、第２導電部３Ｂの第３方向の長さＬ５よりも短いことが好ましい。

第１金属部２Ａと第１導電部３Ａのコンタクト性の観点から、多層グラフェン１の第３方向の長さＬ３は、第１導電部３Ａの多層グラフェン１と対向する面の外接円直径Ｄ１よりも短いことが好ましい。同様に、多層グラフェン１の第３方向の長さＬ３は、多層グラフェン１と対向する面の外接円直径Ｄ２よりも短いことが好ましい。

実施形態においては、グラフェンを例に説明したが、グラフェンシートと同様にシート状化合物である例えば六方晶窒化ホウ素でもよい。

（実施形態２）
実施形態２の配線は、実施形態１の配線の変形例である。実施形態２の配線の斜視模式図を図４に示す。図１に示す配線１０と図４に示す配線１１の違いは、第１ビア配線Ａが多層グラフェン１の最底層側に存在し、第２ビア配線が多層グラフェン１の最上層側に存在し、多層グラフェン１のグラフェンシートの全層と第１金属部２Ａ及び第２金属部２Ｂが直接的に接していることである。

かかる形態の配線においても多層グラフェン１は途切れずにビア配線と接続するため、低抵抗で信号遅延の少ない配線となる。

（実施形態３）
実施形態３の配線は、実施形態１の配線１０の変形例である。実施形態３の配線２０の斜視模式図を図５に示す。図５の配線２０は、実施形態２の配線１１に絶縁層４をさらに備え、絶縁層４に第１導電部３Ａ及び第２導電部３Ｂ中に存在する。絶縁層４と多層グラフェン１は積層している。

絶縁層４は、ＳｉＯＣ、ＳｉＣＮとＳｉＯ_２などの群のうちのいずれか１種以上を含む膜であることが好ましい。また、絶縁層４は、ＳｉＯＣ、ＳｉＣＮとＳｉＯ_２などの群のうちのいずれかであることがより好ましい。絶縁層４の厚さは、例えば１μｍ以上１０μｍ以下である。

実施形態３の配線は、例えば、絶縁層４上に複数並列に配置されることが好ましい。このような配線は、低抵抗で低遅延であるため、例えば、高速に信号を伝達する記憶装置のビット線として用いられることが好適である。

（実施形態４）
実施形態４は第３実施形態の配線を半導体装置に用いたものである。図６に実施形態４の半導体装置３０の斜視模式図を示す。図６の半導体装置３０は、実施形態３の配線２０に半導体集積回路等を有する基板５をさらに有する。

以下、実施形態４の半導体装置の作製方法を例に実施形態の配線の作製方法について例示する。
半導体集積回路等が形成された基板５には図示しない下部配線層が含まれる。そして、および例えばＳｉＯＣなどの低誘電率絶縁層を用いた絶縁層４を形成する。ここで、下部配線層は、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く、グラフェンまたはＣｕなどの元素からなる金属でもよい。また絶縁層４は、例えばＳｉＣＮなどの絶縁層を用いたエッチングストップ膜などの積層構造を有していてもよい。次いで、例えばフッ素系ガスを用いたドライエッチングにより絶縁層４を下部配線層まで貫通させ、導電部用のビアホールを形成する。そして、第１導電部３Ａと第２導電部３Ｂを形成する。

第１導電部３Ａと第２導電部３Ｂがカーボンナノチューブである場合、例えば触媒金属膜を用いて熱ＣＶＤ（気相成長：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やプラズマＣＶＤ法で成長させることができる。また、第１導電部３Ａと第２導電部３ＢＣｕ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、絶縁層４、第１導電部３Ａと第２導電部３Ｂ上に多層グラフェンを基板全面に成長させる。このとき触媒金属膜や触媒金属膜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く、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、触媒金属膜は、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。グラフェン成長には、例えば熱ＣＶＤ（法、プラズマＣＶＤ法がある。プラズマＣＶＤ法を用いる場合、反応炉内で基板を例えば６００℃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、絶縁層４、第１導電部３Ａと第２導電部３Ｂ上に多層グラフェンを成長させる。また、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、絶縁層４、第１導電部３Ａと第２導電部３Ｂ上に転写することで、多層グラフェンを形成することもできる。

次いで、多層グラフェン上に例えばＳｉＯ_２などのエッチングマスクやレジストマスクを形成し、例えば酸素系ガスを用いたドライエッチングにより、配線形状に加工する。その後、プラズマＣＶＤ法などにより、このとき基板を４００℃程度に加熱してもよい。原料ガスとして水素を含むガスを導入し、例えば高周波によって水素ガスを励起・放電させて、グラフェン端部を処理してもよい。

次いで、金属部となる金属を多層グラフェン１上、第１導電部３Ａ、第２導電部３Ｂ及び絶縁層４上に全面形成し、ＣＭＰによる平坦化研磨を行い、多層グラフェン１及び絶縁層４上に例えばＳｉＯ_２などのエッチングマスクやレジストマスクを形成し、不要な金属を除去して、第１金属部２Ａと第２金属部２Ｂが形成される。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金属部２Ａと第２金属部２Ｂと多層グラフェン１のグラフェンシートとの界面で反応が進み、接触抵抗の低減が期待される。

（実施形態５）
実施形態５は、実施形態の配線を用いた半導体装置に関する。半導体装置の種類としては、特に限定されるものではなくＬＳＩ（Large-Scale Integration）などの半導体演算装置、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ半導体記憶装置やこれらを含むＳｏＣ（System on Chip）等に採用することができる。

図７に実施形態の配線を用いた半導体装置（半導体記憶装置）の一例として、３次元ＮＡＮＤ型フラッシュメモリの断面模式図を示す。図７に示す３次元ＮＡＮＤ型フラッシュメモリは、基板６、バックゲートＢＧ、コントロールゲートＣＧ（ワード線ＷＬ）、ソース側選択ゲートＳＧＳ（選択ゲートＳＧ）、ドレイン側選択ゲートＳＧＤ（選択ゲートＳＧ）、ソース線ＳＬ、シリコン柱ＳＰ、メモリ膜ＭＭとビット線ＢＬを有する。図７では、６層のコントロールゲートＣＧが積層方向Ｖに向かって積層しているが、この例に限られない。図７では、基板６上にメモリセルアレイが配置される。

実施形態の半導体装置４０では、ビット線ＢＬに実施形態の配線２０を採用している。配線２０の多層グラフェン１が電気的にメモリ膜ＭＭと接続している。したがって、ビット線ＢＬが低抵抗な配線となり、信号の読み出し速度の向上に寄与する。

ビット線ＢＬからバックゲートＢＧに延びる柱は、カラム方向Ｃ及び図７の断面に対して垂直方向のロウ方向Ｒに並んで配置される。ビット線ＢＬからバックゲートＢＧに延びる柱は、中心にシリコン柱ＳＰとシリコン柱ＳＰの外側を囲むメモリ膜ＭＭを含む。シリコン柱ＳＰ及びメモリ膜ＭＭは、バックゲートＢＧ内において連結されＵ字状の形状をなす。

コントロールゲートＣＧ及び選択ゲートＳＧは、ロウ方向Ｒに延び、カラム方向Ｃに並んで複数配置される。また、ビット線ＢＬは、カラム方向Ｃに延び、ロウ方向Ｒに並んで複数配置される。

シリコン柱ＳＰ、シリコン柱ＳＰ周囲のメモリ膜ＭＭ、および各種ゲート（コントロールゲートＣＧ、選択ゲートＳＧ、バックゲートＢＧ）は、メモリセルとしてのメモリセルトランジスタＭＴｒ、選択ゲートトランジスタＳＧＴｒ（ドレイン側選択ゲートトランジスタＳＧＤＴｒおよびソース側選択ゲートトランジスタＳＧＳＴｒ）、およびバックゲートトランジスタＢＴｒを構成する。シリコン柱ＳＰは、これらのメモリセルトランジスタＭＴｒ、選択ゲートトランジスタＳＧＴｒ、バックゲートトランジスタＢＴｒの、チャネルおよびソース／ドレイン拡散層として機能する。

ドレイン側選択ゲートトランジスタＳＧＤＴｒとソース側選択ゲートトランジスタＳＧＳＴｒとの間には、複数のメモリセルトランジスタＭＴｒとバックゲートトランジスタＢＴｒとの電流経路が直列に接続される。これにより、メモリストリングＭＳが構成される。

ソース線ＳＬは、カラム方向Ｃに隣り合うＵ字状のメモリストリングＭＳの一端同士を接続しつつ、ロウ方向Ｒに延びる。ビット線ＢＬは、カラム方向Ｃに並ぶメモリストリングＭＳ同士を接続しつつ、カラム方向Ｃに延びる。

また、ソース線ＳＬ、バックゲートＢＧ、ソース側選択ゲートＳＧＳ、およびドレイン側選択ゲートＳＧＤのロウ方向Ｒにおける端部には、それぞれコンタクトが接続される。複数のワード線ＷＬの各段には、それぞれコンタクトが接続される。これらのコンタクトは、それぞれ配線に接続される（いずれも図示しない）。

図７に示されるメモリセルアレイには、メモリセルトランジスタＭＴｒ等の各種トランジスタが、３次元にマトリックス状に配置される。メモリセルアレイは、これら各種トランジスタの集合体を含む。

実施形態において、メモリセルの記憶方式は、２値記憶方式、多値記憶方式等を問わない。選択したメモリセルの電荷蓄積を制御することでデータの書き込み及び消去を行い、電化蓄積量によって変化するしきい電圧の判定からデータの読み出しを行うことができる。

上記実施形態では、メモリストリングＭＳが、シリコン柱ＳＰ及びメモリ膜ＭＭが連結された部分を有するＵ字状である例について説明したが、これに限られない。例えば、メモリストリングＭＳが連結部を有さないＩ字状に構成されていてもよい。

上記実施形態では、電化蓄積型記憶装置を例に説明したが、実施形態の配線は、抵抗変化型記憶装置、相変化型記憶装置や磁気抵抗型記憶装置などの記憶装置のビット線に用いることが好適である。
明細書中及び請求項中において、一部の元素は元素記号で表している。

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。

１…多層グラフェン、２Ａ…第１金属部、２Ｂ…第２金属部、３Ａ…第１導電部、３Ｂ…第２導電部、４…絶縁層、５…半導体基板、１０…配線、１１…配線、２０…配線、３０…半導体装置、４０…半導体装置、ＢＬ…ビット線、ＳＬ…ソース線、ＳＧＤ…ドレイン側選択ゲート、ＳＧＳ…ソース側選択ゲート、ＣＧ（ＷＬ）…コントロールゲート（ワード線）、ＭＭ…メモリ膜、ＢＧ…バックゲート、ＳＰ…シリコン柱、ＭＳ…メモリストリング、ＭＴｒ…メモリセルトランジスタ、ＳＧＴｒ…選択ゲートトランジスタ、ＢＴｒ…バックゲートトランジスタ

Claims (15)

1. 第１方向にグラフェンシートが積層し、前記第１方向と交差する第２方向を長手方向とする多層グラフェンと、
   前記多層グラフェンと直接接する第１金属部と、
   前記第１金属部とは前記第２方向に離間し、前記多層グラフェンと直接接する第２金属部と、
   前記第１方向に前記多層グラフェンと積層し、前記第１金属部を介して前記多層グラフェンと電気的に接続する第１導電部と、
   前記第１方向に前記多層グラフェンと積層し、前記第２金属部を介して前記多層グラフェンと電気的に接続する第２導電部と、を有し、
   前記第１導電部と第２導電部は、前記第１金属部、前記多層グラフェンと前記第２金属部を介して電気的に接続し、
   前記多層グラフェンの第２方向の長さＬ１は、前記第１金属部と前記第２金属部との距離Ｌ２よりも長い配線。
2. 前記第１導電部は、前記第１金属部に直接接し、
   前記第２導電部は、前記第２金属部に直接接する請求項１に記載の配線。
3. 前記多層グラフェンの第２方向の長さＬ１は、前記第２金属部との距離Ｌ２よりも２倍以上長い請求項１又は請求項２に記載の配線。
4. 前記第１方向と前記第２方向の両方と直交する方向を第３方向とし、
   前記多層グラフェンのグラフェンシートのうち、前記第１方向に最も前記第１導電部側に存在するグラフェンシートの前記第３方向の端部が前記第１金属部と直接接し、
   前記多層グラフェンのグラフェンシートのうち、前記第１方向に最も前記第２導電部側に存在するグラフェンシートの前記第３方向の端部が前記第２金属部と直接接する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の配線。
5. 前記多層グラフェンのグラフェンシートの積層数をｎとするとき、前記第１方向に最も前記第１導電部側に存在するグラフェンシートから少なくともｎ／２番目までのグラフェンシートまでの前記第３方向の端部が前記第１金属部と直接接し、
   前記第１方向に最も前記第２導電部側に存在するグラフェンシートから少なくともｎ／２番目までのグラフェンシートまでの前記第３方向の端部の一部が前記第２金属部と直接接する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の配線。
6. 前記第１方向と前記第２方向の両方と直交する方向を第３方向とし、
   前記多層グラフェンの前記第３方向の長さＬ３は、前記第１導電部の前記第３方向の長さＬ４よりも短く、
   前記多層グラフェンの前記第３方向の長さＬ３は、前記第２導電部の前記第３方向の長さＬ５よりも短い請求項１ないし５のいずれか１項に記載の配線。
7. 前記第１方向と前記第２方向の両方と直交する方向を第３方向とし、
   前記多層グラフェンの前記第３方向の長さＬ３は、前記第１導電部の外接円直径Ｄ１よりも短く、
   前記多層グラフェンの前記第３方向の長さＬ３は、前記第２導電部の外接円直径Ｄ２よりも短い請求項１ないし６のいずれか１項に記載の配線。
8. 前記第１方向と前記第２方向の両方と直交する方向を第３方向とし、
   前記多層グラフェンのグラフェンシートの第２方向の端辺にジグザグ端が含まれる請求項１ないし７のいずれか１項に記載の配線。
9. 前記第１方向と前記第２方向の両方と直交する方向を第３方向とし、
   前記多層グラフェンのグラフェンシートの第３方向の端辺にアームチェア端が含まれる請求項１ないし８のいずれか１項に記載の配線。
10. 前記多層グラフェンの前記第３方向の長さＬ３は１０ｎｍ以下である請求項１ないし９のいずれか１項に記載の配線。
11. 前記多層グラフェンのグラフェンシートの層間に層間物質が存在する請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の配線。
12. 前記配線は、絶縁層をさらに有し、
    前記第１導電部及び前記第２導電部は、前記絶縁層中に存在し、
    前記多層グラフェンは、前記絶縁層と積層した請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の配線。
13. 請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の配線を用いた半導体装置。
14. 前記半導体装置はＮＡＮＤフラッシュメモリである請求項１３に記載の半導体装置。
15. 前記ＮＡＮＤフラッシュメモリのビット線に請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の配線の多層グラフェンが用いられる請求項１４に記載の半導体装置。