JP6083197B2 - 配線構造及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、配線構造及びその製造方法に関するものである。
現在のＬＳＩでは、一般的に多層の配線構造が適用される。配線構造は、層間絶縁膜上で横方向に延在する配線部と、層間絶縁膜のビア孔を導電性材料を充填し、配線部（上下の配線間）を電気的に接続する縦方向のビア部とを備えて構成される。最先端の半導体デバイスの配線材料には、主に銅（Ｃｕ）が用いられており、Ｃｕ配線と導通するように、所定位置に形成したビア孔内にＣｕ等の金属材料を充填等することでビア部を形成するのが一般的である。
近年では、ビア部にＣｕのような金属材料の他、いわゆるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）や筒状になったカーボンファイバ等に代表されるような炭素の筒状構造体を含んだ炭素材料を用いる検討がされている。特にＣＮＴは、化学的安定性に優れ、また、特異な物理的・電気的性質を有する等、様々な特性を有しており、半導体デバイスの形成材料として注目されている。ＣＮＴについては、例えばその太さや長さの制御の他、形成位置制御やカイラリティ制御等、現在も様々な検討が続けられている。
ビア部にＣＮＴを利用した配線構造には、ビア孔から突出するＣＮＴを覆うように、Ｃｕ拡散を防止するＴａ等のバリア膜を介してＣｕの配線部を形成する構成がある(特許文献１、非特許文献１を参照）。また、ＣＮＴを用いて配線部を形成する構成も提案されている（特許文献２）。更には、グラフェン、特に多層グラフェンを用いて配線を形成する構成も提案されている（非特許文献２）。
特許第４２１２２５８号公報 特開２００８−２５１７０１号公報
二瓶ら Japan Journal of Applied Physics, Vol. 43 (2004) p.1856 A. Naeemi and J. D. Meindl: Proc. of the 11th IEEE IITC (2008) p.183 D. Kondo et al., Appl. Phys. Express, Vol. 3 (2010) p.025102. A. Reina et al., Nano Lett. Vol.9 (2009) p.30.
上記のように、ビア部にＣＮＴを、配線部にグラフェンを利用した配線構造は、ＬＳＩにとって極めて有用である。しかしながら、その実現のためには解決すべき課題がある。実際、ＣＮＴにグラフェンを重ねただけでは、ＣＮＴとグラフェンとの間に十分な電気的接触を確保することができない。ＣＮＴとグラフェンとを押し当てるのみでは、良好な接続が困難であるためである。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、ビア部にＣＮＴを、配線部にグラフェンを利用した配線構造において、比較的簡素な構成でＣＮＴとグラフェンとの確実な電気的接続を実現する信頼性の高い配線構造及びその配線構造の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の配線構造は、開口が設けられたグラフェンを含んでなる配線部と、前記開口に向かって延びるカーボンナノチューブを含んでなるビア部と、前記開口に設けられた金属と、前記グラフェン及び前記カーボンナノチューブと接続された、Ｔｉを含むバリア金属とを備えており、前記グラフェンと前記カーボンナノチューブとは、前記バリア金属及び前記金属を介して電気的に接続されている。
本発明の配線構造の製造方法は、カーボンナノチューブを含んでなるビア部を形成する工程と、前記ビア部上にグラフェンを含んでなる配線部を形成する工程と、前記グラフェンに開口を形成する工程と、前記グラフェン及び前記カーボンナノチューブと接続される、Ｔｉを含むバリア金属を形成する工程と、前記開口に金属を形成する工程とを備えており、前記グラフェンと前記カーボンナノチューブとは、前記バリア金属及び前記金属を介して電気的に接続される。
本発明の配線構造の製造方法は、カーボンナノチューブを含んでなるビア部と、グラフェンを含んでなる配線部とを、金属ブロックを介して電気的に接続するに際して、前記グラフェンに開口を形成する工程と、前記開口を通じて、前記グラフェン内に異種分子をインターカレーションする工程と、前記インターカレーションの後に、前記開口内に前記金属ブロックを埋め込む工程とを含む。
本発明によれば、ビア部にＣＮＴを、配線部にグラフェンを利用した配線構造において、比較的簡素な構成でＣＮＴとグラフェンとの確実な電気的接続を実現する信頼性の高い配線構造を得ることができる。
第１の実施形態による配線構造の製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図１に引き続き、第１の実施形態による配線構造の製造方法を工程順に示す概略断面図である。 第１の実施形態による配線構造の他の例を示す概略断面図である。 第２の実施形態による配線構造の製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図４に引き続き、第２の実施形態による配線構造の製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図５に引き続き、第２の実施形態による配線構造の製造方法を工程順に示す概略断面図である。 第２の実施形態による配線構造の他の例を示す概略断面図である。 第３の実施形態による配線構造の製造方法の主要工程を示す概略断面図である。 第４の実施形態によるＭＯＳトランジスタの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
以下、本発明を適用した具体的な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
（第１の実施形態）
本実施形態では、配線構造について、その製造方法と共に開示する。図１及び図２は、第１の実施形態による配線構造の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
先ず、図１（ａ）に示すように、シリコン基板１に多層グラフェン４Ａを転写する。
詳細には、表面に導電体層２が形成されたシリコン基板１上に、導電体層２を覆うように層間絶縁膜３を形成する。導電体層２は、例えば配線層又はシリサイド層等である。層間絶縁膜３は、ＳｉＯ2、ＳｉＯＣ、低誘電率材料等からなり、ここでは例えばＣＶＤ法によりＳｉＯ2を堆積して形成する。
次に、層間絶縁膜３上に、別個の成長用基板上に形成された多層グラフェン４Ａを転写する。多層グラフェン４Ａは、グラフェン４ａが多層に積層されてなり、グラフェン４ａの層数は問わないが、１層〜１００００層程度の範囲内(厚み約０．３ｎｍ程度〜３．４μｍ程度)が好適である。ここでグラフェンの形成法は問わない。方法にはいくつかあるが、代表的なものとして、結晶グラファイトからの剥離や、化学気相成長(ＣＶＤ)法がある。ＣＶＤ法では、例えば非特許文献３に記載された方法でグラフェンを形成する。また、ＣＶＤ法を用いた際の転写法は、例えば非特許文献４に記載された方法を利用する。
続いて、図１（ｂ）に示すように、層間絶縁膜３及び多層グラフェン４Ａにビア孔５を形成する。
詳細には、多層グラフェン４Ａ上にレジストを塗布し、このレジストをリソグラフィーにより加工して、開口を有するレジストマスクを形成する。このレジストマスクを用いて、多層グラフェン４Ａ及び層間絶縁膜３を、導電体層２の表面の一部が露出するまでエッチング、ここでは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行う。以上により、層間絶縁膜３には底面で導電体層２の表面の一部を露出するビア孔５ａが、多層グラフェン４Ａにはビア孔５ａと連通する開口５ｂがそれぞれ形成される。
続いて、図１（ｃ）に示すように、ビア部７を形成する。
詳細には、先ず、ビア孔５ａの底面に露出する導電体層２の表面上に、例えばスパッタ法により触媒６を堆積する。触媒６としては、例えばＴａＮ，ＴｉとＣｏの積層構造（ＴａＮが最下層、Ｔｉがその上層、Ｃｏが最上層）とする。その後、レジストマスクを、酸素プラズマを用いたアッシング処理又は薬液を用いたウェット処理により、レジストマスク上のＴａＮ，Ｔｉ及びＣｏと共に除去する。
次に、例えばアセチレン及びＡｒの混合ガスを用いたＣＶＤ法により、ビア孔５ａの底面上の触媒６からカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）７ａを成長する。以上により、ビア孔５ａ内をＣＮＴ７ａで埋めるビア部７が形成される。
続いて、図２（ａ）に示すように、多層グラフェン４Ａに異種分子のインターカレーション（ドーピング）を行う。
詳細には、先ず、ビア部７のＣＮＴ７ａについて、ＲＩＥにより、層間絶縁膜３の表面から突き出ている部分を適度にエッチングする。
次に、多層グラフェン４Ａに、開口５ｂの側面から、異種分子のインターカレーションを行う。インターカレーションする異種分子は、特に限定するものではないが、ＦｅＣｌ3，Ｋ，Ｒｂ，Ｃｓ，Ｌｉ，ＨＮＯ3，ＳｂＣｌ5，ＳｂＦ5，Ｂｒ2，ＡｌＣｌ3，ＮｉＣｌ2，ＡｓＦ5及びＡｕＣｌ3から選択された少なくとも１種を用いることが望ましい。ここでは、例えばＦｅＣｌ3を用いる。このインターカレーションにより、多層グラフェン４Ａの電気抵抗を大きく低下させることが可能になる。
続いて、図２（ｂ）に示すように、バリア金属８及び金属９を堆積する。
詳細には、先ず、ＣＮＴ７ａの上面と接触するように、多層グラフェン４Ａ上に、Ｃｕの拡散を防止する薄いバリア金属８を形成する。バリア金属８は、例えばスパッタ法により、Ｔｉ及びＴａの積層構造（Ｔｉが下層で厚み３ｎｍ程度、Ｔａが上層で厚み５ｎｍ程度）とする。バリア金属８は、後述する金属９の研磨時のストッパーとしても機能する。
次に、バリア金属８上に、薄いシード層（例えばＣｕ）をスパッタ法等で形成する。その後、グラフェンとＣＮＴを電気的に接続するブロックとなる金属９を、メッキ法又はスパッタ法等により、バリア金属８を介して開口５ｂを埋め込むように堆積する。金属９は、特に限定するものではないが、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｌｕ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｔａ，ＴｉＮ及びＴａＮから選択された少なくとも１種、ここでは、例えばＣｕをメッキ法により堆積する。
続いて、図２（ｃ）に示すように、金属ブロック１０を形成する。
詳細には、金属９の多層グラフェン４Ａ上の部分を、化学機械研磨（ＣＭＰ）法により研磨除去する。ここでは、金属９下のバリア金属８を研磨ストッパーとして用いる。以上により、開口５ｂ内のみに金属９が残存し、金属ブロック１０が形成される。多層グラフェン４Ａ上には、バリア金属８が残存する。金属ブロック１０は、バリア金属８を介してビア孔５ａのＣＮＴ７ａと電気的に接続される。
しかる後、バリア金属８及び多層グラフェン４Ａをリソグラフィー及びドライエッチングにより所望の配線形状に加工する。これにより、配線部４が形成される。以上により、ビア孔５ａ内にＣＮＴ７ａが形成されてなるビア部７と、層間絶縁膜３上で多層グラフェン４Ａからなる配線部４とが、金属ブロック１０を介して電気的に接続された配線構造が形成される。
なお、バリア金属８の多層グラフェン４Ａ上の部分は、ＣＭＰや例えば酸素（Ｏ2）及びテトラフルオロエチレン（Ｃ2Ｆ4）を用いるプラズマエッチングにより、除去するようにしても良い。上面のバリア金属８が除去された配線４が形成された様子を図３に例示する。このように、多層グラフェン４Ａ上のバリア金属８を除去することで、バリア金属８の配線４内への拡散が可及的に防止される。
本実施形態による配線構造では、ＣＮＴ７ａからなるビア部７と多層グラフェン４Ａからなる配線部４とが金属ブロック１０により電気的に接続されている。そのため、ＣＮＴ７ａと多層グラフェン４Ａとのコンタクト抵抗を大幅に低減することができる。層間絶縁膜上の配線部をＣｕ等の金属材料で形成する場合、エレクトロマイグレーションの発生が懸念されるところ、配線部４を多層グラフェン４Ａで構成し、ビア部７と配線部４との電気的接続部分のみに局所的・限定的に金属ブロック１０を配設する。これにより、コンタクト抵抗を大幅に低減しつつも、エレクトロマイグレーションの発生を可及的に抑止することができる。
以上説明したように、本実施形態によれば、ビア部にＣＮＴを、配線部にグラフェンを利用した配線構造において、比較的簡素な構成でＣＮＴとグラフェンとの確実な電気的接続を実現する信頼性の高い配線構造が実現する。
（第２の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態と同様に配線構造及びその製造方法を開示するが、ビア部の形成方法が異なる点で第１の実施形態と相違する。なお、第１の実施形態の構成部材等と同一のものについては、同符号を付す。
図４〜図６は、第２の実施形態による配線構造の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
先ず、図４（ａ）に示すように、シリコン基板１にＣＮＴ１２を転写する。
詳細には、シリコン基板１とは別個の成長用基板１１上に形成された配向ＣＮＴ１２の上部に、密着用の金属をスパッタ法等により堆積する。この金属は、特に限定されるものではなく、例えばＴｉ、Ｔａ及びＡｕの積層構造（Ｔｉが下層（ＣＮＴ１２と接触）で厚み３ｎｍ程度、Ｔａが中間層で厚み５ｎｍ程度、Ａｕが上層で厚み１０ｎｍ程度）とする。
次に、表面に導電体層２が形成されたシリコン基板１上に、別個の成長用基板上に形成されたＣＮＴ１２を転写する。導電体層２は、例えば配線層又はシリサイド層等である。
ＣＮＴ１２を、密着用の金属を介して、成長用基板１１ごとシリコン基板１上に押し付ける。この状態で圧力をかけながら温度を２５０℃程度とする。以上により、シリコン基板１上にＣＮＴ１２が転写される。
続いて、図４（ｂ）に示すように、ＣＮＴ１２をエッチングする。
詳細には、リソグラフィー及びＲＩＥによりＣＮＴ１２の余分な部分を除去し、ＣＮＴ１２を導電体層２上の所定部位のみに残す。
続いて、図４（ｃ）に示すように、層間絶縁膜１３を形成する。
詳細には、シリコン基板１上に、ＣＮＴ１２を埋め込むように層間絶縁膜１３を形成する。層間絶縁膜１３は、ＳｉＯ2、ＳｉＯＣ、低誘電率材料等からなり、ここでは例えば所定の低誘電率材料をシリコン基板１上に塗布する。塗布後、低誘電率材料をアニール処理する。
続いて、図５（ａ）に示すように、ビア部１４を形成する。
詳細には、層間絶縁膜１３の表面及びＣＮＴ１２の先端部分をＣＭＰにより研磨する。これにより、層間絶縁膜１３の表面及びＣＮＴ１２上部が平坦化され、ビア部１４が形成される。ビア部１４は、隣り合うＣＮＴ１２同士の間隙が層間絶縁膜１３の低誘電率材料で埋められており、上面からＣＮＴ１２の先端が露出する。
続いて、図５（ｂ）に示すように、多層グラフェン１５Ａを転写する。
詳細には、ビア部１４上を含む層間絶縁膜１３上に、別個の成長用基板上に形成された多層グラフェン１５Ａを転写する。多層グラフェン１５Ａは、グラフェン１５ａが多層に積層されてなり、グラフェン１５ａの層数は問わないが、１層〜１００００層程度の範囲内(厚み約０．３ｎｍ程度〜３．４μｍ程度)が好適である。ここでグラフェンの形成法は問わない。方法にはいくつかあるが、代表的なものとして、結晶グラファイトからの剥離や、化学気相成長(ＣＶＤ)法がある。ＣＶＤ法では、例えば非特許文献３に記載された方法でグラフェンを形成する。また、ＣＶＤ法を用いた際の転写法は、例えば非特許文献４に記載された方法を利用する。
続いて、図５（ｃ）に示すように、多層グラフェン１５Ａに開口１５ｂを形成する。
詳細には、多層グラフェン１５Ａ上にレジストを塗布し、このレジストをリソグラフィーにより加工して、開口を有するレジストマスクを形成する。このレジストマスクを用いて、多層グラフェン１５Ａを、ビア部１４の上面の一部が露出するまでエッチング、ここではＲＩＥを行う。以上により、多層グラフェン１５Ａに、底面でビア部１４の上面を露出する開口１５ｂが形成される。
続いて、図６（ａ）に示すように、多層グラフェン４Ａに異種分子のインターカレーション（ドーピング）を行う。
詳細には、多層グラフェン１５Ａに、開口１５ｂで露出する側面から、異種分子のインターカレーションを行う。インターカレーションする異種分子は、特に限定するものではないが、ＦｅＣｌ3，Ｋ，Ｒｂ，Ｃｓ，Ｌｉ，ＨＮＯ3，ＳｂＣｌ5，ＳｂＦ5，Ｂｒ2，ＡｌＣｌ3，ＮｉＣｌ2，ＡｓＦ5及びＡｕＣｌ3から選択された少なくとも１種を用いることが望ましい。ここでは、例えばＢｒ2を用いる。このインターカレーションにより、多層グラフェン１５Ａの電気伝導度を大きく低下させることが可能になる。
続いて、図６（ｂ）に示すように、バリア金属１６及び金属１７を堆積する。
詳細には、先ず、ビア部１４のＣＮＴ１２の上面と接触するように、開口１５ｂの内壁を覆うように多層グラフェン１５Ａ上に、Ｃｕの拡散を防止する薄いバリア金属１６を形成する。バリア金属１６は、例えばスパッタ法により、Ｔｉ及びＴａの積層構造（Ｔｉが下層で厚み３ｎｍ程度、Ｔａが上層で厚み５ｎｍ程度）とする。バリア金属１６は、後述する金属１７の研磨時のストッパーとしても機能する。
次に、バリア金属１６上に、薄いシード層（例えばＣｕ）をスパッタ法等で形成した後、グラフェンとＣＮＴを接続するブロックとなる金属１７を、メッキ法又はスパッタ法等により堆積する。金属１７は、特に限定するものではないが、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｌｕ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｔａ，ＴｉＮ及びＴａＮから選択された少なくとも１種、ここでは、例えばＣｕをメッキ法により堆積する。
続いて、図６（ｃ）に示すように、金属ブロック２０を形成する。
詳細には、金属１７の多層グラフェン１７Ａ上の部分を、ＣＭＰ法により研磨除去する。ここでは、金属１７下のバリア金属１６を研磨ストッパーとして用いる。以上により、ビア部１４上の開口１５ａ内のみに金属１７が残存し、金属ブロック２０が形成される。多層グラフェン１５Ａ上には、バリア金属１６が残存する。金属ブロック２０は、バリア金属１６を介してビア部１４のＣＮＴ１２と電気的に接続される。
しかる後、バリア金属１６及び多層グラフェン１５Ａをリソグラフィー及びドライエッチングにより所望の配線形状に加工する。これにより、配線部１５が形成される。以上により、ＣＮＴ１２からなるビア部１４と、層間絶縁膜１３上で多層グラフェン１５Ａからなる配線部１５とが、金属ブロック２０を介して電気的に接続された配線構造が形成される。
なお、バリア金属１６の多層グラフェン１５Ａ上の部分は、ＣＭＰや例えば酸素（Ｏ2）及びテトラフルオロエチレン（Ｃ2Ｆ4）を用いるプラズマエッチングにより、除去するようにしても良い。上面のバリア金属１６が除去されて開口１５ａのみにバリア金属１６が残存する様子を図７に例示する。このように、多層グラフェン１５Ａ上のバリア金属１６を除去することで、バリア金属１６の配線１５内への拡散が可及的に防止される。
本実施形態による配線構造では、ＣＮＴ１２からなるビア部１４と多層グラフェン１５Ａからなる配線部１５とが金属ブロック２０により電気的に接続されている。そのため、ＣＮＴ１２と多層グラフェン１５Ａとのコンタクト抵抗を大幅に低減することができる。層間絶縁膜上の配線部をＣｕ等の金属材料で形成する場合、エレクトロマイグレーションの発生が懸念されるところ、配線部１５を多層グラフェン１５Ａで構成し、ビア部１４と配線部１５との電気的接続部分のみに局所的・限定的に金属ブロック２０を配設する。これにより、コンタクト抵抗を大幅に低減しつつも、エレクトロマイグレーションの発生を可及的に抑止することができる。
更に本実施形態では、ＣＮＴ１２をシリコン基板１上に転写するため、ＣＮＴ１２の形成時の温度が多層グラフェンや層間絶縁膜等に及ぼす影響を考慮する必要はない。従って、ＣＮＴ１２の形成時の温度を低温に抑える必要がなく、所期の高温（例えば１０００℃程度）でＣＮＴ１２を成長することができ、ＣＮＴ１２を高品質に成長することが可能となる。これにより、より低抵抗のカーボン配線構造が実現する。
以上説明したように、本実施形態によれば、ビア部にＣＮＴを、配線部にグラフェンを利用した配線構造において、高品質のＣＮＴを用いて、比較的簡素な構成でＣＮＴとグラフェンとの確実な電気的接続を実現する信頼性の高い配線構造が実現する。
（第３の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態と同様に配線構造及びその製造方法を開示するが、多層グラフェンの形成方法が異なる点で第１の実施形態と相違する。なお、第１の実施形態の構成部材等と同一のものについては、同符号を付す。
図８は、第３の実施形態による配線構造の製造方法の主要工程を示す概略断面図である。
先ず、図８（ａ）に示すように、表面に導電体層２が形成されたシリコン基板１を用意する。導電体層２は、例えば配線層又はシリサイド層等である。
続いて、図８（ｂ）に示すように、アモルファスカーボン層２１を形成する。
詳細には、スパッタ法等により、シリコン基板１上にアモルファスカーボンを例えば３０ｎｍ程度の厚みに堆積する。これにより、アモルファスカーボン層２１が形成する。
続いて、図８（ｃ）に示すように、金属層２２を形成する。
詳細には、スパッタ法又は蒸着法により、アモルファスカーボン層２１上に金属を堆積する。以上により、金属層２２が形成される。金属としては、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｌｕ，Ｔｉ，Ｔａから選ばれた少なくとも１種、或いはこれらの合金等が挙げられる。ここでは、Ｃｏを選択する。Ｃｏの厚みは限定しないが、例えば５ｎｍ程度〜１００００ｎｍ程度の範囲とし、ここでは５０ｎｍ程度とする。
続いて、図８（ｄ）に示すように、多層グラフェン２３を形成する。
詳細には、シリコン基板１をアニール炉内に設置し、アモルファスカーボン層２１及び金属層２２をアニール処理する。加熱雰囲気は、真空中や、アルゴン、窒素等の不活性ガス中、水素中、或いはフォーミングガス中等で行われるが、ここでは窒素雰囲気で行う。加熱温度は２００℃程度〜１０００℃程度の範囲内で、加熱時間は例えば３０分間程度とする。ここで、配線構造下のトランジスタや絶縁膜として用いられている低誘電率膜の損傷を防止するためには、加熱温度は４５０℃程度以下が望ましい。また、極短時間の加熱を行うＲＴＡ装置を利用しても良い。このアニール処理により、金属層２２下のアモルファスカーボン層２１が多層グラフェン２３に変質する。多層グラフェン２３は、複数のグラフェン２３ａが積層した構成となる。アニール処理の後、シリコン基板１は、所定のエッチング液（塩酸、塩化鉄溶液等）で処理され、多層グラフェン２３上の金属層２２が除去される。このように本実施形態では、層間絶縁膜３上に多層グラフェン２３を直接的に形成することができる。
その後、第１の実施形態と同様に、図１（ｂ）〜図２（ｃ）の諸工程を順次行う。以上により、第１の実施形態と同様に、ビア孔５ａ内にＣＮＴ７ａが形成されてなるビア部７と、層間絶縁膜３上で多層グラフェン２３からなる配線部とが、金属ブロック１０を介して電気的に接続された配線構造が形成される。
本実施形態による配線構造では、ＣＮＴ７ａからなるビア部７と多層グラフェン２３からなる配線部とが金属ブロック１０により電気的に接続されている。そのため、ＣＮＴ７ａと多層グラフェン２３とのコンタクト抵抗を大幅に低減することができる。層間絶縁膜上の配線部をＣｕ等の金属材料で形成する場合、エレクトロマイグレーションが発生する懸念があるところ、配線部を多層グラフェン２３で構成し、ビア部７と配線部との電気的接続部分のみに局所的・限定的に金属ブロック１０を配設する。これにより、コンタクト抵抗を大幅に低減しつつも、エレクトロマイグレーションの発生を可及的に抑止することができる。
以上説明したように、本実施形態によれば、ビア部にＣＮＴを、配線部にグラフェンを利用した配線構造において、比較的簡素な構成でＣＮＴとグラフェンとの確実な電気的接続を実現する信頼性の高い配線構造が実現する。
（第４の実施形態）
本実施形態では、第１〜第３の実施形態のいずれかで開示した配線構造、ここでは第１の実施形態で開示した配線構造を、ＭＯＳトランジスタの配線構造に適用する場合を例示する。なお、第１の実施形態の構成部材等と同一のものについては、同符号を付す。
図９は、第４の実施形態によるＭＯＳトランジスタの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
先ず、図９（ａ）に示すように、シリコン基板１上に機能素子としてトランジスタ素子を形成する。
詳細には、シリコン基板１の表層に例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）法により素子分離構造３１を形成し、素子活性領域を確定する。
次に、素子活性領域に熱酸化等により例えばシリコン酸化膜をＣＶＤ法により堆積し、シリコン酸化膜上にＣＶＤ法により例えば多結晶シリコン膜を堆積する。多結晶シリコン膜及びシリコン酸化膜をリソグラフィー及びそれに続くドライエッチングにより電極形状に加工する。以上により、ゲート絶縁膜３２上にゲート電極３３が形成される。
次に、素子活性領域におけるゲート電極３３の両側に所定の導電型の不純物をイオン注入する。これにより、いわゆるエクステンション領域３４ａ，３５ａが形成される。
次に、全面に例えばシリコン酸化膜をＣＶＤ法により堆積し、このシリコン酸化膜をいわゆるエッチバックする。これにより、ゲート電極３３の側面のみにシリコン酸化膜が残存して、サイドウォール絶縁膜３６が形成される。
次に、素子活性領域におけるゲート電極３３及びサイドウォール絶縁膜３６の両側に、エクステンション領域３４ａ，３５ａと同じ導電型の不純物をイオン注入する。これにより、エクステンション領域３４ａ，３５ａと一部重畳されるソース領域３４ｂ及びドレイン領域３５ｂが形成される。
次に、全面にシリサイド金属、例えばＣｏ又はＮｉ等を、スパッタ法等により堆積し、アニール処理を施す。以上により、ゲート電極３３、ソース領域３４ｂ、及びドレイン領域３５ｂの上面のＳｉとシリサイド金属とが反応し、シリサイド層３７が形成される。そして、所定の薬液を用いたウェット処理により、未反応のシリサイド金属を除去する。
以上により、トランジスタ素子が形成される。
続いて、図９（ｂ）に示すように、第１の実施形態による配線構造を形成する。
詳細には、第１の実施形態の図１（ａ）〜図２（ｂ）の諸工程を順次行う。図示の例では、ドレイン領域３５ｂの近傍に複数（ここでは３個）のビア部７を並列して形成する場合を示す。図２（ｂ）の工程に引き続き、図３の工程を実行する。
以上により、並設されたビア部７のうちの１つがシリサイド層３７（第１の実施形態における導電性層２に対応する。）を介してドレイン領域３５ｂと電気的に接続されてなる配線構造が形成される。図９（ｂ）では、ドレイン領域３５ｂのシリサイド層３７上に形成された配線構造のみを例示する。
続いて、図９（ｃ）に示すように、更に第１の実施形態による配線構造を形成し、多層配線とする。
詳細には、ビア部７、配線部４、及び金属ブロック１０を備えた構造体を複数層に積層する。即ち、再び第１の実施形態の図１（ａ）〜図２（ｂ）、図３の諸工程を順次行う。以上により、ビア部７が配線層４（第１の実施形態における導電性層２に対応する。）と金属ブロック１０を介して電気的に接続されてなる配線構造が形成される。図９（ｃ）では、ドレイン領域３５ｂのシリサイド層３７の上方に形成された多層配線構造のみを例示する。図示の例では、２層の多層配線構造を示すが、更に多層に配線構造が積層形成される。
以上説明したように、本実施形態によれば、ＣＮＴとグラフェンとの確実な電気的接続を実現する信頼性の高い配線構造を備えたＭＯＳトランジスタが実現する。
以下、配線構造及びその製造方法の諸態様を付記としてまとめて記載する。
（付記１）カーボンナノチューブとグラフェンとが、金属ブロックを介して電気的に接続されていることを特徴とする配線構造。
（付記２）前記グラフェンは、複数層に積層されてなることを特徴とする付記１に記載の配線構造。
（付記３）前記カーボンナノチューブ、前記グラフェン及び前記金属ブロックを備えた構造体が複数層に積層されてなることを特徴とする付記１又は２に記載の配線構造。
（付記４）前記金属ブロックは、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｌｕ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｔａ，ＴｉＮ及びＴａＮから選択された少なくとも１種を含有することを特徴とする付記１〜３のいずれか１項に記載の配線構造。
（付記５）前記グラフェンは、異種分子によってインターカレーションされていることを特徴とする付記１〜４のいずれか１項に記載の配線構造。
（付記６）前記異種分子は、ＦｅＣｌ3，Ｋ，Ｒｂ，Ｃｓ，Ｌｉ，ＨＮＯ3，ＳｂＣｌ5，ＳｂＦ5，Ｂｒ2，ＡｌＣｌ3，ＮｉＣｌ2，ＡｓＦ5及びＡｕＣｌ3から選択された少なくとも１種とされることを特徴とする付記５に記載の配線構造。
（付記７）前記カーボンナノチューブは、基板上の絶縁膜に形成された開孔内に形成されていることを特徴とする付記１〜６のいずれか１項に記載の配線構造。
（付記８）前記カーボンナノチューブは、基板上の絶縁膜内に埋め込まれて形成されていることを特徴とする付記１〜６のいずれか１項に記載の配線構造。
（付記９）カーボンナノチューブとグラフェンとを、金属ブロックを介して電気的に接続することを特徴とする配線構造の製造方法。
（付記１０）前記グラフェンを複数層に積層形成することを特徴とする付記９に記載の配線構造の製造方法。
（付記１１）前記カーボンナノチューブ、前記グラフェン及び前記金属ブロックを備えた構造体を複数層に積層することを特徴とする付記９又は１０に記載の配線構造の製造方法。
（付記１２）前記金属ブロックは、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｌｕ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｔａ，ＴｉＮ及びＴａＮから選択された少なくとも１種を含有することを特徴とする付記９〜１１のいずれか１項に記載の配線構造の製造方法。
（付記１３）前記グラフェンを、異種分子によってインターカレーションすることを特徴とする付記９〜１２のいずれか１項に記載の配線構造の製造方法。
（付記１４）前記グラフェンに開口を形成する工程と、
前記開口を通じて、前記グラフェン内に前記異種分子をインターカレーションする工程と、
前記インターカレーションの後に、前記開口内に前記金属ブロックを埋め込む工程と
を含むことを特徴とする付記１３に記載の配線構造の製造方法。
（付記１５）前記異種分子は、ＦｅＣｌ3，Ｋ，Ｒｂ，Ｃｓ，Ｌｉ，ＨＮＯ3，ＳｂＣｌ5，ＳｂＦ5，Ｂｒ2，ＡｌＣｌ3，ＮｉＣｌ2，ＡｓＦ5及びＡｕＣｌ3から選択された少なくとも１種とされることを特徴とする付記１３又は１４に記載の配線構造の製造方法。
（付記１６）前記グラフェンは、別個の基板からの転写により得られることを特徴とする付記９〜１５のいずれか１項に記載の配線構造の製造方法。
（付記１７）前記グラフェンは、金属膜が積層されたアモルファスカーボン膜を熱処理することにより得られることを特徴とする付記９〜１５のいずれか１項に記載の配線構造の製造方法。
（付記１８）前記カーボンナノチューブは、基板上の絶縁膜に形成された開孔内に形成されることを特徴とする付記９〜１７のいずれか１項に記載の配線構造の製造方法。
（付記１９）前記カーボンナノチューブは、基板上の絶縁膜内に埋め込まれて形成されることを特徴とする付記９〜１７のいずれか１項に記載の配線構造の製造方法。
１ シリコン基板
２ 導電性層
３，１３ 層間絶縁膜
４，１５ 配線部
４Ａ，１５Ａ，２３ 多層グラフェン
４ａ，１５ａ，２３ａ グラフェン
４ｂ，５ｂ 開口
５ａ ビア孔
６ 触媒
７，１４ ビア部
７ａ，１２ ＣＮＴ
８ バリア金属
９ 金属
１０ 金属ブロック
１１ 成長用基板
１５ｂ 開口
２１ アモルファスカーボン層
２２ 金属層
３１ 素子分離構造
３２ ゲート絶縁膜
３３ ゲート電極
３４ａ，３５ａ エクステンション領域
３４ｂ ソース領域
３５ｂ ドレイン領域
３６ サイドウォール絶縁膜
３７ シリサイド層

Claims (19)

  1. 開口が設けられたグラフェンを含んでなる配線部と、
    前記開口に向かって延びるカーボンナノチューブを含んでなるビア部と、
    前記開口に設けられた金属と、
    前記グラフェン及び前記カーボンナノチューブと接続された、Ｔｉを含むバリア金属と
    を備えており、
    前記グラフェンと前記カーボンナノチューブとは、前記バリア金属及び前記金属を介して電気的に接続されていることを特徴とする配線構造。
  2. 前記グラフェンは、複数層に積層されてなることを特徴とする請求項１に記載の配線構造。
  3. 前記カーボンナノチューブ、前記グラフェン及び前記金属を備えた構造体が複数層に積層されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の配線構造。
  4. 前記金属は、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｌｕ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｔａ，ＴｉＮ及びＴａＮから選択された少なくとも１種を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の配線構造。
  5. 前記グラフェンは、異種分子によってインターカレーションされていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の配線構造。
  6. 前記異種分子は、ＦｅＣｌ3，Ｋ，Ｒｂ，Ｃｓ，Ｌｉ，ＨＮＯ3，ＳｂＣｌ5，ＳｂＦ5，Ｂｒ2，ＡｌＣｌ3，ＮｉＣｌ2，ＡｓＦ5及びＡｕＣｌ3から選択された少なくとも１種とされることを特徴とする請求項５に記載の配線構造。
  7. 前記カーボンナノチューブは、基板上の絶縁膜に形成された開孔内に形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の配線構造。
  8. 前記カーボンナノチューブは、基板上の絶縁膜内に埋め込まれて形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の配線構造。
  9. カーボンナノチューブを含んでなるビア部を形成する工程と、
    前記ビア部上にグラフェンを含んでなる配線部を形成する工程と、
    前記グラフェンに開口を形成する工程と、
    前記グラフェン及び前記カーボンナノチューブと接続される、Ｔｉを含むバリア金属を形成する工程と、
    前記開口に金属を形成する工程と
    を備えており、
    前記グラフェンと前記カーボンナノチューブとは、前記バリア金属及び前記金属を介して電気的に接続されることを特徴とする配線構造の製造方法。
  10. 前記グラフェンを複数層に積層形成することを特徴とする請求項９に記載の配線構造の製造方法。
  11. 前記カーボンナノチューブ、前記グラフェン及び前記金属を備えた構造体を複数層に積層することを特徴とする請求項９又は１０に記載の配線構造の製造方法。
  12. 前記金属は、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｌｕ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｔａ，ＴｉＮ及びＴａＮから選択された少なくとも１種を含有することを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の配線構造の製造方法。
  13. 前記グラフェンを、異種分子によってインターカレーションすることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載の配線構造の製造方法。
  14. カーボンナノチューブを含んでなるビア部と、グラフェンを含んでなる配線部とを、金属ブロックを介して電気的に接続するに際して、
    前記グラフェンに開口を形成する工程と、
    前記開口を通じて、前記グラフェン内に異種分子をインターカレーションする工程と、
    前記インターカレーションの後に、前記開口内に前記金属ブロックを埋め込む工程と
    を含むことを特徴とする配線構造の製造方法。
  15. 前記異種分子は、ＦｅＣｌ3，Ｋ，Ｒｂ，Ｃｓ，Ｌｉ，ＨＮＯ3，ＳｂＣｌ5，ＳｂＦ5，Ｂｒ2，ＡｌＣｌ3，ＮｉＣｌ2，ＡｓＦ5及びＡｕＣｌ3から選択された少なくとも１種とされることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の配線構造の製造方法。
  16. 前記グラフェンは、別個の基板からの転写により得られることを特徴とする請求項９〜１５のいずれか１項に記載の配線構造の製造方法。
  17. 前記グラフェンは、金属膜が積層されたアモルファスカーボン膜を熱処理することにより得られることを特徴とする請求項９〜１５のいずれか１項に記載の配線構造の製造方法。
  18. 前記カーボンナノチューブは、基板上の絶縁膜に形成された開孔内に形成されることを特徴とする請求項９〜１７のいずれか１項に記載の配線構造の製造方法。
  19. 前記カーボンナノチューブは、基板上の絶縁膜内に埋め込まれて形成されることを特徴とする請求項９〜１７のいずれか１項に記載の配線構造の製造方法。
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