(57)【要約】【課題】実施形態は、低抵抗なグラフェン配線構造、半導体装置、グラフェン配線構造の作製方法、配線構造の作製方法を提供するものである。【解決手段】実施形態のグラフェン配線構造は、非晶質又は多結晶の絶縁膜と、絶縁膜上に、電気伝導方向に対してジグザグ方向が１７度以内に配向した複数のグラフェン結晶を含む多層グラフェンと、を有する。また、実施形態の半導体装置は、グラフェン配線構造を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非晶質又は多結晶の絶縁膜と、
前記絶縁膜上に、電気伝導方向に対してジグザグ方向が１７度以内に配向した複数のグラフェン結晶を含む多層グラフェンと、を有するグラフェン配線構造。
【請求項２】
前記多層グラフェンは、複数の帯状グラフェンシートが積層したものである請求項１に記載の配線構造。
【請求項３】
前記グラフェン結晶の間には、五員環又七員環の環状構造を有する請求項１又は２に記載のグラフェン配線構造。
【請求項４】
前記グラフェン結晶の平均粒径は、前記多層グラフェンの幅より大きい請求項１ないし３のいずれか１項に記載のグラフェン配線構造。
【請求項５】
前記電気伝導方向は、前記多層グラフェンの長手方向である請求項１ないし４のいずれか１項に記載のグラフェン配線構造。
【請求項６】
前記グラフェン結晶の電気伝導方向に対するジグザグ方向は１度以上である請求項１ないし５のいずれか１項に記載のグラフェン配線構造。
【請求項７】
前記絶縁膜は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３とＴｉＯ２のうちのいずれか１種以上を含む膜である請求項１ないし６のいずれか１項に記載のグラフェン配線構造。
【請求項８】
前記絶縁膜中に前記多層グラフェンと電気的に接続した導電部を有する請求項１ないし７のいずれか１項に記載のグラフェン配線構造。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載のグラフェン配線構造を用いた半導体装置。
【請求項１０】
絶縁膜上に微結晶グラフェンを設ける工程と、
前記微結晶グラフェンが設けられた側の前記基板上及び前記微結晶グラフェン上に液晶を塗布する工程と、
前記液晶上に光配向膜を形成する工程と、
前記光配向膜に偏光を照射する工程と、
前記液晶及び前記光配向膜を除去する工程と、微結晶グラフェンを多結晶グラフェン膜に成長させる工程と、
前記多結晶グラフェン膜を配線状にパターン加工する工程と、を含むグラフェン配線構造の作製方法。
【請求項１１】
絶縁膜上に結晶配向性が揃った第１の微結晶グラフェンを設ける工程と、
前記絶縁膜上の結晶配向性が揃った前記第１の微結晶グラフェンを第１の多結晶グラフェン膜に成長させる工程と、
前記第１の多結晶グラフェン膜上に第２の微結晶グラフェンを設ける設ける工程と、
前記第１の多結晶グラフェン膜上の前記第２の微結晶グラフェンを２０００℃以上３０００℃以下に加熱する工程と、
前記加熱した第２の微結晶グラフェンを第２の多結晶グラフェン膜に成長させて前記第１の多結晶グラフェン膜と前記第２の多結晶グラフェン膜を積層させる工程と、
前記積層した第１の多結晶グラフェン膜と第２の多結晶グラフェン膜を配線状にパターン加工する工程と、を含むグラフェン配線構造の作製方法。
【請求項１２】
絶縁膜上に結晶層を設ける工程と、
前記結晶層上に液晶、モノマーと重合開始剤を塗布する工程と、
前記結晶層上の前記液晶、前記モノマーと前記重合開始剤に偏光紫外線を照射して偏光方向に結晶が配向している前記結晶層上の前記モノマーを重合反応させて前記結晶層上に高分子マスクを形成する工程と、
前記紫外線偏光方向に結晶が配向していない前記結晶層上の前記液晶、前記モノマーと前記重合開始剤及び前記紫外線偏光方向に結晶が配向している前記結晶層上の前記液晶と前記重合開始剤を除去する工程と、
前記高分子マスクを用いて、前記紫外線偏光方向に結晶が配向していない前記結晶層をエッチングする工程と、
前記紫外線偏光方向に配向していた前記結晶層上の前記高分子マスクを除去する工程と、
前記紫外線偏光方向に配向していた前記結晶層を追成長させて結晶膜に成長させる工程と、
前記結晶膜を配線状にパターン加工する工程と、を含む配線構造の作製方法。
【請求項１３】
前記結晶層は、グラフェンであり、
前記結晶膜は、グラフェン膜である請求項１２に記載の配線構造の作製方法。
【請求項１４】
前記結晶層は、六方晶窒化ホウ素であり、
前記結晶膜は、六方晶窒化ホウ素膜である請求項１２に記載の配線構造の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態は、グラフェン配線構造、半導体装置、グラフェン配線構造の作製方法、配線構造の作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
グラフェンは炭素原子で構成されている2次元のナノ材料である。２次元材料のエッジはトポロジカルに特異な箇所であり、その構造によって物性が変わる。グラフェンはジグザグ(ZZ)とアームチェア(AC)と呼ばれる２種類のエッジ構造を持つ。これらの違いにより、電気的特性(ACエッジで構成される極微細グラフェンにおけるバンドギャップ発現)、磁気的性質(ZZエッジで構成される極微細グラフェンにおける反強磁性-強磁性遷移)等の物性変化が起きることが理論的、実験的に報告されている。
【０００３】
このような物性を実際のデバイスに応用するためには、原子レベルでエッジ構造制御されたグラフェン加工技術が必要であり、産業応用にはこれを300mm等の大面積基板上で実現しなければならない。大面積グラフェン成長技術はすでに存在する。しかし、基板となる金属薄膜が多結晶であるため、必然的に成長するグラフェンも多結晶になってしまう。これでは、特定の方向に加工することは難しくなる。したがって、他材料同様に、グラフェンもデバイス応用に向けては単結晶・大面積成長技術が必須となる。発明者らは、単結晶・大面積なグラフェン成長方法を案出した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５６４１４８４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
実施形態は、低抵抗なグラフェン配線構造、半導体装置、グラフェン配線構造の作製方法、配線構造の作製方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態のグラフェン配線構造は、非晶質又は多結晶の絶縁膜と、絶縁膜上に、電気伝導方向に対してジグザグ方向が１７度以内に配向した複数のグラフェン結晶を含む多層グラフェンと、を有する。また、実施形態の半導体装置は、グラフェン配線構造を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施形態のグラフェン配線構造の模式図。
【図２】実施形態の電気伝導方向に対するグラフェン結晶のジグザグ方向の角度とバンドギャップの関係を示すグラフ。
【図３】実施形態の平面上グラフェンシートの模式図。
【図４】実施形態のグラフェン配線構造の工程図。
【図５】実施形態のグラフェン配線構造の工程図。
【図６】実施形態のグラフェン配線構造の工程図。
【図７】実施形態のグラフェン配線構造の模式図。
【図８】実施形態のグラフェン配線構造の工程図。
【図９】実施形態のグラフェン配線構造の工程図。
【図１０】実施形態のグラフェン配線構造の工程図。
【図１１】実施形態のグラフェン配線構造の工程図。
【図１２】実施形態の配線構造の模式図。
【図１３】実施形態の配線構造の工程図。
【図１４】実施形態の配線構造の工程図。
【図１５】実施形態の配線構造の工程図。
【図１６】実施形態の配線構造の工程図。
【図１７】実施形態の配線構造の工程図。
【図１８】実施形態の配線構造の工程図。
【図１９】実施形態の配線構造の工程図。
【図２０】実施形態のグラフェン配線構造の模式図。
【図２１】実施形態の半導体装置の模式図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（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。図中矢印は、結晶の配向方向や偏光方向などを表している。
【０００９】
実施形態１のグラフェン配線構造は、非晶質又は多結晶の絶縁膜と、絶縁膜上に、電気伝導方向に対してジグザグ方向が１７度以内に配向した複数のグラフェン結晶を含む多層グラフェンと、を有する。
【００１０】
図１に実施形態１のグラフェン配線構造の断面模式図を示す。
図１のグラフェン配線構造１０は、絶縁膜１上に、多層グラフェン２を有する。多層グラフェン２の長手方向である電気伝導方向をＸ方向とし、多層グラフェン２を構成するグラフェンシートの積層方向である配線高さ方向をＹ方向とする。Ｚ方向は図中に示していないがＸ−Ｙ平面に対して垂直方向である。多層グラフェン２の短手方向である配線幅方向をＺ方向とする。
【００１１】
絶縁膜１は、多層グラフェン２を支持する絶縁性の膜である。多層グラフェン２は絶縁膜１上に存在する。絶縁膜１の直上に多層グラフェン２が存在していることが好ましい。また、多層グラフェン２は絶縁膜１と直接接していることが好ましい。絶縁膜１は、単結晶ではなく非晶質又は多結晶の膜である。
【００１２】
絶縁膜１は、絶縁性であれば特に限定されないが、例えば、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３とＴｉＯ２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、絶縁膜１は、ＳｉＯ２膜、Ａｌ２Ｏ３膜とＴｉＯ２膜などの群のうちのいずれかであることがより好ましい。絶縁膜１の厚さは、例えば０．０１μｍ以上１０００μｍ以下である。
【００１３】
絶縁膜１が非結晶又は多結晶の膜であるかどうかは、Ｘ線回折分析によって確認される。Ｘ線回折スペクトルに結晶周期由来のピークが現れなければ、絶縁膜１が非結晶である。Ｘ線回折スペクトルに結晶周期由来のピークが現れれば、絶縁膜１が多結晶である。
【００１４】
多層グラフェン２は、電気伝導方向に対してジグザグ方向が１７度以内に配向した複数のグラフェン結晶を含む。多層グラフェン２は、平面状のグラフェンシートが複数積層した構造である。平面状グラフェンシートに、電気伝導方向に対してジグザグ方向が１７度以内に配向した複数のグラフェン結晶が含まれる。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。
【００１５】
平面状グラフェンシートグラフェンシートの積層数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２の積層方向の距離が多層グラフェン２の高さである。多層グラフェン２の高さＨは、例えば、３ｎｍ以上３５ｎｍ以下である。多層グラフェン２の層間に層間物質が存在する場合は、多層グラフェン２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２の高さＨ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。
【００１６】
多層グラフェン２の幅Ｗは、多層グラフェン２の絶縁膜１の面に平行な方向の短辺側である。多層グラフェンの幅Ｗは、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００１７】
多層グラフェン２の長さＬは、多層グラフェン２の絶縁膜１の面に平行な方向の長辺側である。多層グラフェン２の長さＬは、限定されるものではないが、１０μｍ以上である。
【００１８】
多層グラフェン２の高さＨと幅Ｗの比（Ｗ／Ｈ）は、０．１以上１０以下であることが好ましい。比が小さすぎると電気抵抗が高くなりなり好ましくない。また、比が大きすぎると機械的な破壊が起こりやすくなり好ましくない。
【００１９】
グラフェンは、ジグザグエッジとアームチェアエッジの２種のエッジを有する。配線の長さ方向に沿ってジグザグエッジがある、つまり、電気伝導方向がジグザグ方向であると低抵抗である。しかし、配線の長さ方向に沿ってアームチェアエッジがある、つまり、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を向いていると配線が低抵抗であって好ましい。実施形態では、多層グラフェン２の長手方向である多層グラフェン２の長さ方向をグラフェン配線構造１０の電気伝導方向とする。
【００２０】
グラフェンの結晶性は、その支持基材の結晶性に影響を受けるため、支持基材が単結晶であれば、グラフェンの結晶配向性もそろいやすい。しかし、グラフェンを用いた配線は半導体装置に用いられることが期待される配線であり、１２インチなどのウェハサイズの大きさの単結晶膜を形成するのは容易ではない。グラフェンの配線抵抗性を考慮して単結晶絶縁膜を製膜するのであれば、非常に大きなコストがかかってしまい、さらに、歩留りが低い。一方、非晶質や多結晶の絶縁膜１上にグラフェンを設けると、絶縁膜の結晶性の影響を受けグラフェンの結晶配向性はランダムになるため、そのままではグラフェンは高抵抗化してしまう。しかし、実施形態では、非晶質や多結晶の絶縁膜１上に設けたグラフェンの結晶配向性を制御することが可能である。これにより、多結晶グラフェンで低抵抗な配線を安定的に作製できる。
【００２１】
図２のグラフに、電気伝導方向に対する約１ｎｍ幅のグラフェン結晶のジグザグ方向の角度とバンドギャップの関係を示す。大まかな傾向としては、グラフェンのバンドギャップは、グラフェン結晶の幅に対して反比例する。グラフェンが半導体化、つまり、バンドギャップを有していても室温程度の熱で超えられるバンドギャップであれば、低抵抗な配線として使用できる。ジグザグ方向が電気伝導の方向からずれていくとバンドギャップが増大しているが、ある程度小さいバンドギャップであれば、熱エネルギーによってバンドギャップを超えられるため、ジグザグ方向が電気伝導の方向と一致していなくても多層グラフェン２が低抵抗な導電材となる。第１原理計算の結果、常温であれば、電気伝導方向に対するグラフェンのジグザグ方向の角度が１７度以内のときに、低抵抗であることが示された。そこで、実施形態では、多層グラフェン２は、電気伝導方向に対してジグザグ方向が１７度以内に配向した複数のグラフェン結晶を含むことが好ましい。そして、多層グラフェン２は、電気伝導方向に対してジグザグ方向が１７度以内に配向した複数のグラフェン結晶からなることがより好ましい。以下、電気伝導方向に対するグラフェン結晶のジグザグ方向の角度が１７度以内のとき、「グラフェン結晶の結晶配向性が揃っている」とする。なお、グラフェン配線構造１０に折れ曲がりの配線構造が含まれると、グラフェン結晶のジグザグ方向の角度が１７度以内から大きく外れる領域が多く含まれてしまい、配線が高抵抗化してしまう。そのため、実施形態のグラフェン配線構造１０は、配線の直線部に適用されることが望ましく、折れ曲がりを有しないことが好ましい。つまり、多層グラフェン２は、平面状グラフェンシートが積層したものが好ましく、折れ曲がりなどの曲部を有しない複数の帯状グラフェンシートが積層したものがより好ましい。
【００２２】
電気伝導方向に対するグラフェン結晶のジグザグ方向の角度が非常に狭い範囲内にあるときのみに低抵抗配線を実現できるのであれば、結晶配向性をそろえることで低抵抗グラフェン配線を作製するのは容易ではない。しかし、実施形態では、電気伝導方向に対するグラフェン結晶のジグザグ方向の角度が１７度以内であれば、特にグラフェン結晶が低抵抗となるため、多結晶グラフェンでも低抵抗配線を実現できる。電気伝導方向に対するグラフェン結晶のジグザグ方向の角度は小さいほど配線が低抵抗化する。そのため、電気伝導方向に対するグラフェン結晶のジグザグ方向の角度は１３度以内がより好ましく、１１度以内がより好ましい。また、多結晶グラフェンでは、電気伝導方向に対するグラフェン結晶のジグザグ方向の角度を完全にそろえることは、難しいため、電気伝導方向に対するグラフェン結晶のジグザグ方向の角度は１度以上でよい。電気伝導方向に対するグラフェン結晶のジグザグ方向の角度は、０度以上１７度以内が好ましく、１度以上１７度以内がさらに好ましく、１度以上１３度以内、１度以上１１度以内がさらにより好ましい。
【００２３】
多結晶のグラフェンであると、必然的にグラフェンには粒界が含まれる。粒界があると、多層グラフェン２の複数のグラフェン結晶の間には、六員環以外に五員環又は７員環などの環状構造を有する。電気伝導方向に対するグラフェンのジグザグ方向の角度には、この粒界を含まない。
【００２４】
電気伝導方向に対するグラフェンのジグザグ方向は、後方散乱電子回折（Electron backscatter diffraction; EBSD）又は走査型トンネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope; STM）で測定が可能である。多層グラフェン２の最表面にある平面状グラフェンシートの幅方向の中心から配線長さ方向である電気伝導方向に沿って走査する。走査する領域は、多層グラフェン２を配線長さ方向に１０分割し、その１０分割した領域の中央を含む領域である。１０以上の６員環構造が連続的に規則的に確認されるところを粒界以外のグラフェン結晶とする。この１０以上の６員環構造が連続的に規則的に確認されるところの６員環構造の向きを測定することで、グラフェン結晶の電気伝導方向に対するジグザグ方向が求まる。
【００２５】
図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）と図３（Ｄ）に電気伝導方向に対してジグザグ方向が１７度以内に配向した複数のグラフェン結晶を含む平面状グラフェンシートの模式図を示す。
【００２６】
図３（Ａ）は、電気伝導方向に対してジグザグ方向が０度配向したグラフェン結晶で構成される平面状グラフェンシートの模式図である。多層グラフェン２は、例えば、図３（Ａ）の平面状グラフェンシートが積層したものである。電気伝導方向は、平面状グラフェンシートの配線長さ方向の両端の中心点を結ぶ線分の方向である。より具体的には、平面状グラフェンシートの配線長さ方向の一方の端部の幅をＷ１とし、他方の端部の幅をＷ２とする。一方の端部の１／２Ｗ１となる点と他方の端部の１／２Ｗ２となる点を結ぶ線分が電気伝導方向を表している。図３（Ａ）に示すグラフェンシートは、粒界がなく単結晶である。単結晶であり、ジグザグ方向と電気伝導方向が揃っているため、低抵抗な配線が得られる。なお、平面状グラフェンシートの配線長さ方向の両端はアームチェアエッジとなり、アームチェアエッジの方向は、電気伝導方向に対して垂直である。
【００２７】
図３（Ｂ）は、電気伝導方向に対してジグザグ方向が３度配向したグラフェン結晶と、７度配向したグラフェン結晶とを含む平面状グラフェンシートの模式図である。多層グラフェン２は、例えば、図３（Ｂ）の平面状グラフェンシートが積層したものである。電気伝導方向等は、図３（Ａ）と同様である。図３（Ｂ）に示すグラフェンシートには、電気伝導方向に対してジグザグ方向が１７度以内に配向したグラフェン結晶が大多数を占めている。結晶の配向性の異なるグラフェン結晶が含まれ、それがつながっているため、かかる平面状グラフェンシートには、粒界が存在する。粒界には、６員環構造のほかに、欠陥、５員環構造、７員環構造等が含まれている。このような多結晶なグラフェンシートであっても、結晶の配向性があるため、ジグザグ方向が電気伝導方向に近い。そのため、グラフェンシートのバンドギャップは小さく、これを積層した他多層グラフェン２も低抵抗な配線となる。電気伝導方向に対してジグザグ方向に３度配向したグラフェン結晶に対し、電気伝導方向に対してジグザグ方向に７度配向したグラフェン結晶は、１０度の傾きがあるが、どちらの傾きも電気伝導方向に対してジグザグ方向が１７度以内であるため、低抵抗な配線材となる。図３（Ａ）のように単結晶グラフェンシートを積層した多層グラフェン２が理想であるが、例えば、１００μｍ以上の配線サイズの長さで完全に結晶配向性を制御するのは容易ではない。完全な結晶配向性を求めると歩留りが低く実用的ではない。しかし、結晶配向性を完全に制御できていなくても、ある程度制御できていれば、低抵抗な配線として多層グラフェン２として好適である。実施形態の多層グラフェン２は、比較的、結晶配向性の制御が容易な範囲内で、低抵抗な配線となる点で利点を有する。結晶配向性を完全に制御できていないが、低抵抗な配線となるような多層グラフェン２は、電気伝導方向に対してジグザグ方向が１度以上１７以内に配向したグラフェン結晶を含む。
【００２８】
図３（Ｃ）は、電気伝導方向に対してジグザグ方向が０度配向したグラフェン結晶と、１７度配向したグラフェン結晶と、０度配向したグラフェン結晶とを含む平面状グラフェンシートの模式図である。多層グラフェン２は、例えば、図３（Ｃ）の平面状グラフェンシートが積層したものである。電気伝導方向等は、図３（Ａ）と同様である。図３（Ｃ）に示すグラフェンシートには、電気伝導方向に対してジグザグ方向が１７度以内に配向したグラフェン結晶が大多数を占めている。粒界には、図３（Ｂ）のグラフェンシートと同様に欠陥や５員環などが含まれる。電気伝導方向に対してジグザグ方向が１７度傾いたグラフェン結晶が含まれるが、角度が１７度以内であるため、図３（Ｃ）の平面状グラフェンシートを積層した多層グラフェン２も図３（Ｂ）と同様に低抵抗である。
【００２９】
図３（Ｄ）は、電気伝導方向に対してジグザグ方向が０度配向したグラフェン結晶と、１０度配向したグラフェン結晶とを含む平面状グラフェンシートの模式図である。電気伝導方向等は、図３（Ａ）と同様である。図３（Ｂ）や図３（Ｃ）の平面状グラフェンシートは、電気伝導方向に対して垂直に近い方向に沿って粒界が存在している。一方、図３（Ｄ）の平面状グラフェンシートの粒界は、配線長さ方向に延び、電気伝導方向に近い方向を向いている。このような粒界をもつ構造であっても、電気伝導方向に対してジグザグ方向が１７度以内に配向したグラフェン結晶が大多数を占めていることから、図３（Ｄ）の平面状グラフェンシートを積層した多層グラフェン２も低抵抗であり好ましい。図３（Ａ）から図３（Ｄ）に示した平面状グラフェンシートは、いずれも粒界を除きグラフェン結晶のジグザグ方向は、電気伝導方向に対して１７度以内である。
【００３０】
次に、図面を参照して、実施形態のグラフェン配線構造１０の作製方法について説明する。図４、５、６に示すグラフェン配線構造１０の工程図は、図７の模式図に示すグラフェン配線構造１０を作製する際の工程図である。図４から図７は斜視図である。図４の工程図には、絶縁膜１上に微結晶グラフェン３が設けられた部材が示されている。微結晶グラフェン３は、例えば１０ｎｍから１００００ｎｍ程度の小さなグラフェンの結晶である。図４中には、微結晶グラフェン３のジグザグ方向を示している。絶縁膜１は単結晶ではなく多結晶であるため、その絶縁膜１上に微結晶グラフェン３を設けると、その絶縁膜１の結晶性の影響を受けて結晶配向性がランダムになる。この微結晶グラフェン３からそのままグラフェンを成長させるとその結晶性に依存して広がるため、結晶配向性がランダムな多結晶グラフェンが形成されてしまう。実施形態では、この微結晶グラフェン３の配向性をそろえる処理を行う。微結晶グラフェン３は、例えば、単結晶触媒から成長させた単層グラフェン、単結晶触媒から成長させた多層グラフェンや有機合成した多層グラフェンなどの単結晶グラフェン（単層又は多層）が挙げられる。微結晶グラフェン３は、小さい面積のグラフェンであるため、単結晶なものを容易に作成することができる。
【００３１】
微結晶グラフェン３の配向性をそろえる処理としては、まず、液晶を用いる方法が挙げられる。結晶配向性がランダムな微結晶グラフェン３が設けられた絶縁膜１上に液晶を塗布し、塗布した液晶上に光配向膜を設け、光照射を行う。すると、液晶の配向性が揃う。このときに、微結晶グラフェン３は液晶の配向性の変化の影響を受け、液晶と同様に配向性が揃う。そして、光配向膜及び液晶を除去すればよい。液晶にアゾベンゼン誘導体、スチルベン誘導体、シアノビフェニル、アゾキシベンゼン誘導体、炭酸エステル誘導体と含フッ素ビフェニルからなる群のうちのいずれか１種以上の化合物を用いることが好ましい。これらは、グラフェンと同様に炭素原子を含む６員環構造を有するため、微結晶グラフェン３の結晶配向性に影響を与える。液晶には、６員環構造等のグラフェンと類似の分子骨格を有する化合物が好ましい。
【００３２】
微結晶グラフェン３の配向性をそろえる処理としては、他にも、絶縁膜１の極性と液晶を利用した方法が挙げられる。絶縁膜１に親水性と疎水性が交互に複数並んだものを用いる。そして、一方の端部に親水性基を有し他方の端部に疎水性基を有する液晶と微結晶グラフェン３を混合し、絶縁膜１上に塗布する。すると、絶縁膜１の親水性側に液晶の親水性基が並び、絶縁膜１の疎水性側に液晶の疎水性基が並ぶ。液晶の配向性によって、微結晶グラフェン３の配向性も揃うように液晶が絶縁膜１上に配列される。そして、液晶を除去すればよい。
【００３３】
上記、いずれかの処理によって、図５に示す多結晶な絶縁膜１上に結晶配向性の揃った微結晶グラフェン３が設けられた部材が作製される。図４では、矢印の方向がバラバラであったが、図５では、矢印の方向が揃っている。この方法であれば、結晶の配向性を制御することができるため、配線形状に加工されたときの電気伝導方向とグラフェンのジグザグ方向を揃えることができる。多結晶な絶縁膜１上に結晶配向性の揃った微結晶グラフェン３が設けられた部材は、絶縁膜１上に結晶配向性の揃った微結晶グラフェン３を転写することによっても作製される。
【００３４】
結晶配向性が揃った微結晶グラフェン３を絶縁膜１に転写する方法としては、光配向膜などの配向性側鎖を有する膜に微結晶グラフェン３を設け、これを絶縁膜１上に転写する方法が挙げられる。光配向膜などの配向性側鎖に微結晶グラフェン３を結合させ、光照射を行い、微結晶グラフェン３が結合した配向性側鎖の配向性を揃える。この配向性側鎖もグラフェンと同様に炭素原子を含む６員環構造等のグラフェンと類似の分子骨格を有することで、微結晶グラフェン３の配向性を揃えることができる。そして、配向性の揃った微結晶グラフェン３を絶縁膜１に転写することで、図５の工程図に示すような結晶配向性が揃った微結晶グラフェン３が絶縁膜１上に形成される。
【００３５】
結晶配向性が揃った微結晶グラフェン３を絶縁膜１に転写する方法としては他にも、結晶配向性のわかっている単結晶グラフェンをモールドに加工してするなどして転写する方法が挙げられる。
【００３６】
結晶配向性が揃った微結晶グラフェン３を絶縁膜１に転写する方法としては他にも、結晶配向性の揃ったグラフェンナノリボンを微結晶グラフェン３の代わりに用いる方法がある。複数の結晶配向性の揃ったグラフェンナノリボンと高分子を混合する。すると、配向性の揃ったグラフェンナノリボンと高分子に接する。このとき、高分子はランダムな曲がりを有するため、グラフェンナノリボン単体中の結晶配向性は揃っているが、複数の配向性の揃ったグラフェンナノリボンは、ランダムな方向を向いている。ここで、高分子を延伸させると、延伸した高分子に接した状態で、複数の結晶配向性が揃ったグラフェンナノリボンは同方向（±１０度以内）を向く。同方向（±１０度以内）を向いた複数の結晶配向性が揃ったグラフェンナノリボンを絶縁膜１に転写することで、図５の工程図に示すような同方向（±１０度以内）を向いた複数の結晶配向性が揃ったグラフェンナノリボン（微結晶グラフェン３）が絶縁膜１上に形成される。
【００３７】
図５の工程図に示す多結晶な絶縁膜１上に結晶配向性の揃った微結晶グラフェン３が設けられた部材において、微結晶グラフェン３を核にグラフェンを追成長させると、図６の工程図に示すように、結晶配向性の揃った（後の電気伝導方向に対して±１７度以内）多結晶グラフェン膜４が絶縁膜１上に設けられた部材が得られる。図６において粒界は、破線で示している。ここで得られる多結晶グラフェン膜４のグラフェン結晶の平均粒径は、多層グラフェン２の幅より大きい。これは、結晶配向性の揃った結晶核から後に配線となる多結晶グラフェン膜４が得られることを意味する。グラフェン結晶の平均粒径は、多層グラフェン２の幅より５倍以上大きいことが好ましい。なお、グラフェンの追成長は、エチレンガスやアセチレンガスを原料として供給し、プラズマCVD（Chemical Vapor Deposition）を行うことなど、グラフェン製膜プロセスを採用することができる。
【００３８】
図６の工程図に示す多結晶グラフェン膜４が絶縁膜１上に設けられた部材を配線状にパターン加工して図７の模式図に示すグラフェン配線構造１０を得る。図７の模式図では、グラフェン配線構造１０の多層グラフェン２は複数あり、並行に配置されている。配線状にパターン加工された後も、多結晶グラフェン膜４の粒界が一部残り、そして、グラフェン結晶の結晶配向性が揃っていため、低抵抗な配線が得られる。なお、図４から図６に示す工程を繰り返すことで多層グラフェン２の積層数を増やすことができる。
【００３９】
上述の実施形態１の液晶を用いたグラフェン配線構造１０の作製方法について、図８から図９の断面模式図を参照して具体的に説明する。これらの作製方法は、図４と図５の間のグラフェンの結晶配向性をそろえる工程について説明するものである。図６及び７の工程については、上述の作製方法と共通する。
【００４０】
図８と図９に示す模式図の工程を含むグラフェン配線構造１０の作製方法は、絶縁膜１上に微結晶グラフェン３を設ける工程と、微結晶グラフェン３が設けられた側の絶縁膜１上及び微結晶グラフェン３上に液晶５を塗布する工程と、液晶５上に光配向膜６を形成する工程と、光配向膜６に偏光を照射する工程と、液晶５及び光配向膜を除去する工程と、微結晶グラフェン３を多結晶グラフェン膜４に成長させる工程と、多結晶グラフェン膜４を配線状にパターン加工する工程と、を含む。
【００４１】
図８の模式図には、絶縁膜１上に、微結晶グラフェン３と液晶５が示されている。微結晶グラフェン３の結晶配向性はランダムで、絶縁膜１上の一部に設けられている。この絶縁膜１と微結晶グラフェン３を覆うように液晶５が層状に配置されている。絶縁膜１と液晶５の間には、微結晶グラフェン３が配置されている。
【００４２】
図８の模式図に示す部材は、次の方法で作製される。絶縁膜１上にＣＶＤなどで作製した多層の微結晶グラフェン３を設ける。このとき、絶縁膜１は単結晶膜ではないため絶縁膜１上に配置される微結晶グラフェン３の結晶配向性はランダムとなる。絶縁膜１上にランダムに配向した微結晶グラフェン３が設けられた面に液晶（液晶組成物）６を塗布して図８の模式図に示す部材を得る。
【００４３】
液晶５と微結晶グラフェン３の相互作用が小さいと液晶によって微結晶グラフェン３の結晶配向性の制御が難しい。そこで、液晶はグラフェンとの相互作用を大きくするために６員環構造を液晶の分子内に有する化合物が好ましい。好適な液晶としては、例えば、アゾベンゼン骨格を有する化合物やビフェニル骨格を有する化合物が挙げられる。
【００４４】
図８の模式図に示す部材に光配向膜６を設け図９の断面模式図に示す部材を得る。液晶５上に光配向膜６を設ける。そして、光配向膜６に偏光を照射して、液晶５とともに微結晶グラフェン３の結晶配向性を制御する。配線方向を考慮して、配線長さ方向がグラフェンのジグザグ方向となるように照射する偏光方向を選択する。そして、液晶５及び光配向膜６を除去し、図６に示すような微結晶グラフェン３の結晶配向性がそろった部材を得る。次いで、グラフェンの追成長の処理及び配線状パターン加工を行ってグラフェン配線構造１０を得る。
【００４５】
（実施形態２）
実施形態２は、実施形態１のグラフェン配線構造１０の作製方法の変形例である。実施形態２のグラフェン配線構造１０の作製方法は、絶縁膜１上に結晶配向性が揃った第１の微結晶グラフェン３Ａを設ける工程と、絶縁膜１上の結晶配向性が揃った第１の微結晶グラフェン３を第１の多結晶グラフェン膜４Ａに成長させる工程と、第１の多結晶グラフェン膜４Ａ上に第２の微結晶グラフェン３Ｂを設ける設ける工程と、第１の多結晶グラフェン膜４Ａ上の第２の微結晶グラフェン３Ｂを２０００℃以上３０００℃以下に加熱する工程と、加熱した第２の微結晶グラフェン３Ｂを第２の多結晶グラフェン膜４Ｂに成長させて第１の多結晶グラフェン膜４Ａと第２の多結晶グラフェン膜４Ｂを積層させる工程と、積層した第１の多結晶グラフェン膜４Ａと第２の多結晶グラフェン膜４Ｂを配線状にパターン加工する工程と、を含む。
【００４６】
実施形態２は、図１０の工程図を用いて説明する。図１０（Ａ）は、絶縁膜１上に第１の微結晶グラフェン３Ａが設けられた部材である。この第１の微結晶グラフェン３Ａは、実施形態１に記載の方法で結晶配向性が揃えられている。図１０（Ａ）の工程図に示す部材に対して、実施形態１と同様にグラフェンの追成長を行い、図１０（Ｂ）の工程図に示す絶縁膜１上に第１の多結晶グラフェン膜４Ａが設けられた部材を得る。
【００４７】
そして、図１０（Ｃ）の工程図に示すように、さらに、第２の微結晶グラフェン３Ｂを第１の多結晶グラフェン膜４Ａ上に設ける。この第１の多結晶グラフェン膜４Ａの結晶配向性は揃っているため、その結晶性の影響で、一部、第２の微結晶グラフェン３Ｂの結晶配向性は第１の多結晶グラフェン膜４Ａの結晶配向性に揃うものが含まれる場合がある。しかし、必ずしもすべての配向性が揃うわけではないので、このままグラフェンの追成長を行うと、多層グラフェン２の上層側は高抵抗化してしまう。そこで、実施形態では、熱処理を行って、第２の微結晶グラフェン３Ｂの結晶配向性を第１の多結晶グラフェン膜４Ａの結晶配向性に揃えさせる。熱処理は、第２の微結晶グラフェン３Ｂが存在する領域に対して局所的にレーザー加熱を行うことが好ましい。加熱温度は、２０００℃以上３０００℃以下が好ましい。そして、図１０（Ｄ）の工程図に示すように、第２の微結晶グラフェン３Ｂを追成長させて第２の多結晶グラフェン膜４Ｂを形成させる。絶縁膜１上に、第１の多結晶グラフェン膜４Ａと第２の多結晶グラフェン膜４Ｂが積層された部材を得る。この積層された第１の多結晶グラフェン膜４Ａと第２の多結晶グラフェン膜４Ｂを配線状にパターン加工してグラフェン配線構造１０を得る。図１０においても、多結晶グラフェン膜４の粒界を破線で示している。
【００４８】
（実施形態３）
実施形態３は、実施形態１又は２のグラフェン配線構造１０の作製方法の変形例である。実施形態３は、図１１の工程図を用いて説明する。図１１（Ａ）は、絶縁膜１上に微結晶グラフェン３が設けられた部材である。この微結晶グラフェン３は、実施形態１に記載の方法で結晶配向性が揃えられている。この微結晶グラフェン３のグラフェンの積層数が異なっている。図１１（Ａ）の工程図に示す部材に対して、実施形態１と同様にグラフェンの追成長を行い、図１１（Ｂ）の工程図に示す絶縁膜１上に多結晶グラフェン膜４が設けられた部材を得る。図１１（Ａ）の工程図に示す段階で、微結晶グラフェン３のグラフェンの積層数が異なっているため、図１１（Ｂ）において、多結晶グラフェン膜４の上層側には、粒界がなく、下層側に粒界が存在している。このような多結晶グラフェン膜４を用いても、微結晶グラフェン３の結晶配向性を揃えることで、配線状にパターン加工して得られたグラフェン配線構造１０は低抵抗な配線となる。図１１においても、多結晶グラフェン膜４の粒界を破線で示している。
【００４９】
（実施形態４）
実施形態４は、実施形態１のグラフェン配線構造１０の変形例の配線構造である。図１２に実施形態４の配線構造２０の断面模式図を示す。実施形態４の配線構造２０は、絶縁膜２１と、絶縁膜２１上に結晶配向性の揃った配線層２２とを有する。配線層２２の結晶は、電気伝導方向に対してジグザグ方向が１７度以内に配向していることが好ましい。
【００５０】
実施形態４の配線構造１０の作製方法は、絶縁膜２１上に結晶層２３を設ける工程と、結晶層２３上に液晶２４、モノマー２５と重合開始剤２６を塗布する工程と、結晶層２３上の液晶２４、モノマー２５と重合開始剤２６に偏光紫外線を照射して偏光方向に結晶が配向している結晶層２３Ａ上のモノマー２５を重合反応させて結晶層２３Ａ上に高分子マスク２７を形成する工程と、紫外線偏光方向に結晶配向していない結晶層２３Ｂ上の液晶２４、モノマー２５と重合開始剤２６及び偏光方向に結晶が配向している結晶層２３Ａ上の液晶２４と重合開始剤２６を除去する工程と、高分子マスク２７を用いて紫外線偏光方向に結晶が配向していない結晶層２３Ｂをエッチングする工程と、紫外線偏光方向に配向していた結晶層２３Ａ上の高分子マスク２７を除去する工程と、紫外線偏光方向に配向していた結晶層２３Ａを追成長させて結晶膜２８に成長させる工程と、結晶膜２８を配線状にパターン加工する工程と、を含む。
【００５１】
絶縁膜２１は、実施形態１の絶縁膜１であり、非晶質又は多結晶の膜である。
【００５２】
配線層２２は、結晶配向性の揃った導電性部材である。配線層２２は、実施形態１の多層グラフェン２又は六方晶窒化ホウ素である。六方晶窒化ホウ素の結晶も多層グラフェン２と同様に電気伝導方向に対してジグザグ方向が１７度以内に配向していることが好ましい。
【００５３】
次に、図面を参照して、実施形態の配線構造２０の作製方法について説明する。図１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９に示す配線構造２０の工程図は、図１２の模式図に示す配線構造２０を作製する際の工程図である。図１３から図１９は、Ｙ方向からの上面図である。
【００５４】
まず、図１３の工程図に示すように、絶縁膜２１上に複数の結晶層２３を設ける。複数の結晶層２３は、結晶の配向性をそろえたものでないため、結晶の配向性はランダムとなる。結晶層２３は、多層のグラフェンや多層の六方晶窒化ホウ素などが好ましい。
【００５５】
次に、図１４の工程図に示すように結晶層２３上に、液晶２４、モノマー２５と重合開始剤２６を塗布する。液晶２４及び重合開始剤２６は、結晶層２３の結晶配向性に揃う方向に配向する。液晶２４、モノマー２５と重合開始剤２６は、絶縁膜２１上にも塗布してもよい。液晶２４は、結晶層２３に含まれる６員環構造との相互作用が大きい化合物が好ましい。液晶２４の好適な具体例としては、4-Cyano-4'-pentylbiphenilなどのビフェニル骨格を有する化合物が好ましい。モノマー２５としては、例えば、2-ethylhexyl acrylate,1,3,3-trimethylhexylacrylate)やn-hexylacrylateなどのアクリルモノマーが好ましい。重合開始剤２６としては、以下の化学式１に示す化合物のように偏光の電場と重合開始剤の向きが合うと多くのラジカルを放出する特性を有するものが好ましい。
【００５６】
【化１】
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化学式１
【００５７】
液晶２４、モノマー２５及び重合開始剤２６は、３種類の化合物を用いてもよいし、液晶性のモノマーと重合開始剤、液晶性を有しかつ重合開始剤としての性質を有するモノマーなど、塗布する化合物に各性質が含まれていればよい。
【００５８】
次に、図１５の工程図に示すように偏光紫外線を結晶層２３上の液晶２４、モノマー２５と重合開始剤２６に照射する。偏光紫外線を照射すると、紫外線偏光方向に配向している重合開始剤２６からは多くのラジカルが放出されて重合反応が開始され、モノマー２５が重合して、高分子マスク２７が形成される。重合反応が進行するのは、紫外線の偏光方向と同じ方向に結晶配向性がある結晶層２３Ａであり、紫外線の偏光方向と同じ方向に結晶配向性のない結晶層２３Ｂでは重合反応が進行しない。紫外線の偏光方向と同じ方向に結晶配向性がある結晶層２３Ａ上に高分子マスク２７が形成され、紫外線の偏光方向と同じ方向に結晶配向性がない結晶層２３Ｂ上には、高分子マスク２７が形成されない。
【００５９】
次に、図１６の工程図に示すように、紫外線偏光方向に結晶が配向していない結晶層２３Ｂ上の液晶２４、モノマー２５と重合開始剤２６及び紫外線の偏光方向と同じ方向に結晶配向性がある結晶層２３Ａ上の液晶２４と重合開始剤２６を除去する。除去する方法は、液晶２４、モノマー２５と重合開始剤２６を溶解し、高分子マスク２７を溶解しない有機溶剤を用いて現像すればよい。
【００６０】
次に、図１７の工程図に示すように、高分子マスク２７を用いて、紫外線配向方向に結晶が配向していない結晶層２３Ｂをエッチングする。反応性イオンエッチング装置（ＲＩＥ）を用いて、エッチングガスにＯ２を用い、結晶層２３Ｂをエッチングして除去することができる。
【００６１】
次に、図１８の工程図に示すように、紫外線偏光方向に結晶が配向していた結晶層２３Ａ上の高分子マスク２７を除去する。高分子マスク２７は、例えば、アニールを行えばよい。アニールなどを行うことによって、図１８の工程図に示すように、高分子マスク２７を除去すると絶縁膜２１上に、結晶配向性の揃った結晶層２３Ａが配置された部材が得られる。図１８の工程図に示す部材は、図５に示す部材と同様に結晶配向性が揃っている。
【００６２】
次に、図１９の工程図に示すように、紫外線偏光方向に配向していた結晶層２３Ａを追成長させて結晶膜２８に成長させる。結晶膜２８の粒界は、破線で示している。そして、結晶膜２８を配線状にパターン加工することによって、図１２の配線構造を得る。図１２の配線構造を斜視図で表すと、図７の模式図のようになる。
【００６３】
なお、結晶膜２８に成長させる際に、結晶配向性がずれることや、図１４から図１９の工程図に示した工程を繰り返すことによって、より結晶配向性のずれが少ない結晶膜２８を得ることができる。図１３から図１９の工程図では、絶縁膜２１上に小さな結晶の結晶層２３を設けているがこれに限定されず、例えば、本作製方法の変形例として、結晶膜１上の全面に結晶配向性の揃っていない多結晶結晶層を形成した部材に対して、図１４から図１９の工程図に示した工程を行うことで、特定の方向（後の配線の電気伝導方向）に結晶が配向した結晶層以外を除去する。そして、残った結晶層を追成長させて結晶配向性の揃った結晶膜を形成することができる。また、紫外線の偏光方向に揃う結晶層２３が存在しないときには、結晶層２３を設ける処理を繰り返すことによって、実施形態の配線構造２０を得ることができる。
【００６４】
（実施形態５）
実施形態５は、実施形態１のグラフェン配線構造１０の変形例である。図２０に実施形態４のグラフェン配線構造の模式断面図を示す。図２０のグラフェン配線構造３０は、絶縁膜１上に、多層グラフェン２を有し、絶縁膜２中に多層グラフェン２と電気的に接続する導電部３１を有する。実施形態５において、実施形態４の配線構造を採用することもできる。
【００６５】
導電部３１は、絶縁膜中に設けられたＣｕ，Ａｕ，Ａｌ，ＷやＡｇなどの金属を含む金属製やカーボンナノチューブなどの炭素材料などのいずれかを含む導電材料で構成される。導電部３１がカーボンナノチューブで構成される場合、カーボンナノチューブの長さ方向は、多層グラフェン２の積層方向であることが好ましい。導電部３１は、多層グラフェン２と直接的又は間接的に接している。導電部３１は、多層グラフェン２と電気的に接続する。導電部３１は、いわゆるビア配線を構成する。導電部３１は、グラフェン配線構造３０中には、複数の導電部５が存在してもよい。複数の導電部３１は、多層グラフェン２を介して電気的に接続している。導電部３１は、例えば、図示しない半導体素子と電気的に接続している。
【００６６】
実施形態５では、絶縁膜１中の導電部３１と接続した形態、つまり、絶縁膜１上の多層グラフェン２と絶縁膜１下の素子と接続可能な形態を示しているが、実施形態のグラフェン配線構造と他の素子等との接続形態は図示したものに限定されない。例えば、多層グラフェン２の端部に導電性の部材を設け、その部材を介して多層グラフェン２と他の素子を電気的に接続した形態等を採用することができ、接続形態が限定されるものではない。実施形態４のグラフェン配線構造は、低抵抗な多層グラフェン２と外部素子とが接続可能なより具体的な構成である。多層グラフェン２が低抵抗な配線であるため、実施形態５のグラフェン配線構造を採用した半導体装置は低消費電力化と、実施形態５のグラフェン配線構造を介して出力される信号の高速化が可能となる。
【００６７】
（実施形態６）
実施形態６は、実施形態のグラフェン配線構造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。
【００６８】
図２１に実施形態のグラフェン配線構造を用いた半導体装置（半導体記憶装置）４０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２１に示す３次元ＮＡＮＤ型フラッシュメモリは、基板Ｓ、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２１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２１では、基板Ｓ上にメモリセルアレイが配置される。
【００６９】
実施形態の半導体装置４０では、ビット線ＢＬに実施形態のグラフェン配線構造を採用している。グラフェン配線構造の多層グラフェン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。実施形態６において、実施形態４の配線構造をビット線ＢＬに採用することもできる。
【００７０】
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１１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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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）。
【００７６】
図１１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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
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。
【００７９】
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。
【符号の説明】
【００８０】
１…絶縁膜、２…多層グラフェン、３…微結晶グラフェン、４…多結晶グラフェン膜、５…液晶、６…光配向膜、１０…グラフェン配線構造、２０…グラフェン配線構造、２１、絶縁膜２１、２２…配線層、２３…結晶層、２４…液晶、２５…モノマー、２６…重合開始剤、２７…高分子マスク、２８…結晶膜、３０…配線構造、３１…導電部、４０…半導体装置、ＢＬ…ビット線、ＳＬ…ソース線、Ｓ…基板、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
【図１】
2018160540.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2018160540.tif 000019
【図１７】
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【図１８】
2018160540.tif 000021
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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