(57)【要約】【課題】  半導体装置に用いるグラフェン配線の低抵抗化をはかる。【解決手段】  コンタクトビア１３を有する半導体基板１０上に、コンタクトビア１３に接続されるように形成され、一つの側壁面を除く部分が絶縁膜１６，２１で覆われた触媒金属層１５と、触媒金属層１５の絶縁膜１６，２１で覆われていない側壁面からの成長により基板表面と平行方向に形成された多層グラフェン層２０と、を具備した。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンタクトビアを有する半導体基板上に、前記コンタクトビアに接続されるように形成され、一つの側壁面を除く部分が絶縁膜で覆われた第１の触媒金属層と、
前記第１の触媒金属層と前記コンタクトビアとの間に設けられたバリアメタルと、
前記基板上に形成され、一つの側壁面を除く部分が前記絶縁膜で覆われ、該一つの側壁面が前記第１の触媒金属層の前記一つの側壁面に対向するように設けられた第２の触媒金属層と、
前記第１及び第２の触媒金属層の前記絶縁膜で被覆されていない各側壁面からの成長により基板表面と平行方向に形成され、前記第１及び第２の触媒金属層間を接続する多層グラフェン層と、
を具備し、
前記多層グラフェン層の下面は前記基板と非接触であり、
前記第１及び第２の触媒金属層の前記絶縁膜で被覆されていない各側面は、前記絶縁膜よりも後退しており、
前記第１及び第２の触媒金属層の前記絶縁膜で被覆されていない各側面に、該触媒金属層の腐食防止のための金属膜又は金属酸化膜が形成され、
前記多層グラフェン層内にＢｒ，Ｃｌ，又はＣがドーピングされていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
コンタクトビアを有する半導体基板上に、前記コンタクトビアに接続されるように形成され、一つの側壁面を除く部分が絶縁膜で覆われた触媒金属層と、
前記触媒金属層の前記絶縁膜で覆われていない前記側壁面からの成長により基板表面と平行方向に形成された多層グラフェン層と、
を具備したことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記触媒金属層と前記コンタクトビアとの間にバリアメタルが形成され、前記多層グラフェン層の下面は前記基板と非接触であることを特徴とする、請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記触媒金属層の前記絶縁膜で被覆されていない一側面は、前記触媒金属層を覆う前記絶縁膜よりも後退していることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記触媒金属層の前記絶縁膜で被覆されていない一側面に該触媒金属層の腐食防止のための金属膜又は金属酸化膜が形成され、前記多層グラフェン層内にＢｒ，Ｃｌ，又はＣがドーピングされていることを特徴とする、請求項２乃至４の何れかに記載の半導体装置。
【請求項６】
コンタクトビアを有する半導体基板上に、前記コンタクトビアに接続されるように形成され、一つの側壁面を除く部分が絶縁膜で覆われた第１の触媒金属層と、
前記基板上に形成され、一つの側壁面を除く部分が絶縁膜で覆われ、該一つの側壁面が前記第１の触媒金属層の前記一つの側壁面に対向するように設けられた第２の触媒金属層と、
前記第１及び第２の触媒金属層の前記絶縁膜で被覆されていない各側壁面からの成長により基板表面と平行方向に形成され、前記触媒金属層間を接続する多層グラフェン層と、
を具備したことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
前記第２の触媒金属層は、下面又は上面が前記コンタクトビアとは別のコンタクトビアに接続されていることを特徴とする、請求項６記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第１の触媒金属層と前記コンタクトビアとの間にバリアメタルが形成され、前記多層グラフェン層の下面は前記基板と非接触であることを特徴とする、請求項６又は７に記載の半導体装置。
【請求項９】
コンタクトビアを有する半導体基板上に、前記コンタクトビアと接続される触媒金属層を形成する工程と、
前記触媒金属層の一側面を除く領域を絶縁膜で覆う工程と、
前記触媒金属層の一側面から前記基板の表面と平行方向に多層グラフェン層を成長する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記多層グラフェン層を形成した後に、前記触媒金属層の一側面に腐食防止のための金属膜又は金属酸化膜を形成することを特徴とする、請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記触媒金属層の一側面に腐食防止のための金属膜又は金属酸化膜を形成した後に、前記グラフェン層にＢｒ，Ｃｌ，又はＣをドーピングすることを特徴とする、請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ＬＳＩの配線にグラフェン膜を用いた半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、金属材料に替わるグラフェンを用いたグラフェン配線構造が注目されている。グラフェンとは、グラファイトを極めて薄くした新規炭素材料であり、カーボンナノチューブと同様に、量子化伝導特性（Ballistic 伝導特性）を持つ。量子化伝導をするので、金属配線に替わる究極の低抵抗配線として使用することができ、長い量子化伝導特性を生かし、長距離配線の電気伝導により有利である。さらに、グラフェン構造自体が極薄膜であり、ＣＶＤ法にて成膜することが可能であることから、デバイス配線形成プロセスに対して優れた整合性を有する構造である。
【０００３】
グラフェンは、ＬＳＩに使用する温度帯（６００度以下）でＣＶＤ成長させると触媒金属に形成されるファセット面から成長することが知られている。そのため、触媒金属に形成された微小な凹凸をもファセット面としてグラフェンが成長することがある。触媒金属配線上に多層グラフェン配線を形成する構造では、この微小な凹凸による多層グラフェンの小グレインが形成されることが考えられ、高抵抗化する可能性がある。抵抗低減のためには、グレイン粒径が最大化する多層グラフェン構造が重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−８０００５号公報
【特許文献２】特開２０１２−８０００６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明が解決しようとする課題は、グラフェン配線の低抵抗化をはかり得る半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の半導体装置は、コンタクトビアを有する半導体基板上に、前記コンタクトビアに接続されるように形成され、一つの側壁面を除く部分が絶縁膜で覆われた触媒金属層と、前記触媒金属層の前記絶縁膜で覆われていない前記側壁面からの成長により基板表面と平行方向に形成された多層グラフェン層と、を具備したことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係わる半導体装置の概略構成を示す断面図と平面図。
【図２】第１の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す平面図と断面図。
【図３】第１の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す平面図と断面図。
【図４】第１の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す平面図と断面図。
【図５】第１の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す平面図と断面図。
【図６】第１の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す平面図と断面図。
【図７】第２の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す平面図と断面図。
【図８】第２の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す平面図と断面図。
【図９】第２の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す平面図と断面図。
【図１０】第３の実施形態に係わる半導体装置の要部構成を示す断面図と平面図。
【図１１】第４の実施形態に係わる半導体装置の概略構成を示す断面図と平面図。
【図１２】第４の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す平面図と断面図。
【図１３】第４の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す平面図と断面図。
【図１４】第４の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す平面図と断面図。
【図１５】第４の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す平面図と断面図。
【図１６】第４の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す平面図と断面図。
【図１７】第４の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す平面図と断面図。
【図１８】第５の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す平面図と断面図。
【図１９】第５の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す平面図と断面図。
【図２０】第５の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す平面図と断面図。
【図２１】第６の実施形態に係わる半導体装置の要部構成を示す平面図。
【図２２】第７の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本実施形態では、多層グラフェンを用いた配線構造において、低抵抗化に必要なグレイン粒径の最大化に寄与する多層グラフェンと触媒金属の配置方法、並びに半導体装置として使用する際のビア配線との接続方法を特徴としている。
【０００９】
具体的には、触媒金属層の上面ではなく側面からグラフェンを成長させると、グラフェンは基板面と平行方向に成長する。さらに、基板上に２つの触媒金属層を露出側面同士が対向するように配置し、この状態でグラフェンを成長すると、グラフェンは２つの触媒金属層間で繋がることになる。
【００１０】
以下、実施形態の半導体装置を、図面を参照して説明する。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１（ａ）（ｂ）は第１の実施形態に係わる半導体装置の概略構成を説明するためもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。なお、図１（ｂ）の平面図では要部構成のみを示している。
【００１２】
図中の１０はトランジスタやキャパシタ等の素子及び配線が形成されたＳｉ基板（半導体基板）であり、この基板１０上にＳｉＯ2 等の層間絶縁膜１１が形成されている。そして、絶縁膜１１にコンタクトホールが形成され、このコンタクトホール内に下層素子又は下層配線に接続されるコンタクトビア１３が埋め込み形成されている。
【００１３】
絶縁膜１１及びコンタクトビア１３を形成した基板上に、コンタクトビア１３に接続されるようにバリア層（バリアメタル）１４、触媒金属層１５、及びハードマスクとなる絶縁膜１６からなる第１の積層構造部１０１が形成されている。そして、第１の積層部１０１の一側面を除く領域に絶縁膜２１が形成され、これにより触媒金属層１５の一側面を除く領域が絶縁膜１６，２１で覆われた構造となっている。
【００１４】
バリア層１４は、グラフェンの形成を容易にするための補助膜であり、触媒金属層１５の絶縁膜及び下層コンタクト中への拡散を防止する。バリア層１４の材料としては、Ｔｉ、ＴｉＮ，Ｔａ，ＴａＮ等を用いることができ、更にこれらの窒化物を用いることも可能である。
【００１５】
触媒金属層１５は、グラフェンを成長するために必要な層であり、材料としてはＮｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｃｕ等の単体金属、又は少なくともこれらの何れかを含む合金、或いはこれらの炭化物を用いることができる。さらに、Ｒｕ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，Ｉｎ等の不純物が含まれるものであっても良い。
【００１６】
また、絶縁膜１１及びコンタクトビア１３を形成した基板上に、第１の積層構造部１０１と所定距離離間した位置に、バリア層１４、触媒金属層１５、及び絶縁膜１６からなる第２の積層構造部１０２が形成されている。この積層構造部１０２の触媒金属層１５も第１の積層構造部１０１の触媒金属層１５と同様に、一側面を除く領域が絶縁膜１６，２１で覆われた構造となっている。
【００１７】
また、第２の積層構造部１０２はコンタクトビア１３には接続されておらず、第１及び第２の積層構造部１０１，１０２の各々の触媒金属層１５は、絶縁膜１６，２１で覆われていない一側面同士が対向するように配置されている。
【００１８】
第１及び第２の積層構造部１０１，１０２の各触媒金属層１５の間に多層グラフェン層２０が形成されている。即ち、第１の積層構造部１０１の側面を露出させた触媒金属層１５と、第２の積層構造部１０２の側面を露出させた触媒金属層１５との間に、複数のグラフェン層を横方向に成長してなる多層グラフェン層２０が形成されている。
【００１９】
積層構造部１０１，１０２及び絶縁膜２１等を形成した基板上に層間絶縁膜２２が形成されている。そして、層間絶縁膜２２及び絶縁膜１６を貫通して第２の積層構造部１０２の触媒金属層１５に接続するように、上層配線との接続のためのコンタクトビア２３が形成されている。
【００２０】
また、図１（ｂ）に示すように、第１の積層構造部１０１は複数個配置され、これに対応するように第２の積層構造部１０２も複数個配置されている。そして、各々の積層構造部１０１，１０２の各触媒金属層１５間にそれぞれ多層グラフェン層２０が設けられている。
【００２１】
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法について、図２〜図６を参照して説明する。なお、各図において、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。さらに、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線部分の断面に相当している。また、図２〜図６では、右側のコンタクトビアを下側に形成した例で説明するが、右側のコンタクトビアを上側に形成しても良いのは勿論のことである。
【００２２】
まず、図２（ａ）（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板１０上に絶縁膜１１及びコンタクトビア１３を形成した下地基板上に、バリア層１４を介してグラフェン成長の触媒となる触媒金属層１５を堆積し、その上にハードマスクとなるＳｉＯ2 やＳｉＮ等の絶縁膜１６を形成する。ここで、バリア層１４厚さは３〜１０ｎｍ、触媒金属層１５の厚さは５〜３０ｎｍ、絶縁膜１６の厚さは１０〜３０ｎｍである。各層１４，１５，１６の成膜にはＣＶＤ法を用いればよい。さらに、バリア層としてはＴｉ、ＴｉＮ，Ｔａ，ＴａＮ等を用い、触媒金属層１５としてはＮｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｃｕ等を用いればよい。
【００２３】
次いで、図３（ａ）（ｂ）に示すように、絶縁膜１６に開口１７を開けた後、触媒金属層１５及びバリア層１４を選択エッチングする。これにより、触媒金属層１５の一側壁を露出させる。ここで、開口１７は、コンタクトビア１３が内包されないように、左右のコンタクトビア１３よりも僅かに内側に形成する。
【００２４】
なお、図３（ａ）の開口１７の紙面上側の側面及び紙面下側の側面に触媒金属層１５の側面が露出しないように、予め絶縁膜１６とは別のマスクで触媒金属層１５を加工しておくのが望ましい。また、バリア層１４は、開口１７の底部に残すようにしても良い。
【００２５】
次いで、図４（ａ）（ｂ）に示すように、触媒金属層１５の側壁面から多層グラフェン層２０を成長させる。具体的には、炭素源としてメタンやアセチレン等の炭化水素系ガス又はその混合ガスを用いたプラズマＣＶＤ法にて、触媒金属層１５の側壁面からグラフェンを成長させる。ソースガスとして、炭化水素系ガス以外に、六員環構造を持つ芳香族、アモルファスカーボンなどを用いることも可能であり、さらにプラズマＣＶＤ法の代わりに熱分解法により成長しても良い。
【００２６】
グラフェンの成長温度は４００℃程度であり、通常のＬＳＩデバイスにおける配線形成工程の温度と同等或いはそれ以下であるため、半導体プロセスとの親和性に優れている。多層グラフェン層２０は左右の触媒金属層１５の露出側面から成長し、最終的にはつながることになる。つまり、触媒金属層１５の加工された側壁面と多層グラフェン層２０が直列に接続された配線構造が得られる。
【００２７】
次いで、図５（ａ）（ｂ）に示すように、バリア層１４及び触媒金属層１５の不要部分を除去した後に絶縁膜２１を形成し、更にリソグラフィ及びＲＩＥにより、積層構造部１０１，１０２及び多層グラフェン層２０を配線パターンに加工する。ここで、積層構造部１０１，１０２の加工と多層グラフェン層２０の加工を同時に行うようにしても良い。
【００２８】
次いで、図６（ａ）（ｂ）に示すように、全面にＳｉＯ2 等の層間絶縁膜２２を堆積し、表面を平坦化する。
【００２９】
第２の積層構造部１０２に対して下側ではなく上側にコンタクトを取る場合は、絶縁膜２２及び絶縁膜１６にコンタクトビア２３を形成することにより、前記図１に示す構造が得られることになる。
【００３０】
このように本実施形態によれば、触媒金属層１５の一側面のみを露出させ、この側面から多層グラフェン層２０を成長させることにより、基板面と平行な方向にグラフェン配線を形成することができる。
【００３１】
ここで、下地基板上にグラフェンを成長した場合、下地の触媒金属にできた微小な凹凸による多層グラフェンの小グレインが形成されて、高抵抗化する可能性がある。これに対し本実施形態では、触媒金属層１５の側面のみから成長させるため、下地の影響は全く受けず、グレイン粒径の拡大化をはかることができ、これにより配線抵抗の低減をはかることができる。
【００３２】
また、多層グラフェン層２０の上下面に物理的な接触材料がないことにより、後述するインターカレーションにおける分子の侵入を最大化することができる。さらに、触媒金属と多層グラフェンの積層構造よりも配線高さを低減できるため、線間容量の低減が可能となる利点もある。
【００３３】
（第２の実施形態）
図７〜図９は、第２の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を説明するためのもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。なお、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線部分の断面に相当している。
【００３４】
本実施形態が先に説明した第１の実施形態と異なる点は、グラフェンを広い面積に形成した後にパターニングするのではなく、配線パターンに応じて成長させることにある。
【００３５】
まず、第１の実施形態と同様に前記図２（ａ）（ｂ）に示すように、下地基板上に、バリア層１４を介してグラフェン成長の触媒となる触媒金属層１５を堆積し、その上にハードマスクとなる絶縁膜１６を形成する。
【００３６】
次いで、図７（ａ）（ｂ）に示すように、絶縁膜１６を配線パターンに加工した後に、触媒金属層１５及びバリア層１４を島状に残すように選択エッチングする。より具体的には、一つの島が左右のコンタクトビア１３を包含するようにパターン形成する。
【００３７】
次いで、図８（ａ）（ｂ）に示すように、バリア層１４、触媒金属層１５及びハードマスク１６を覆うように、全面に絶縁膜２１を堆積する。
【００３８】
次いで、図９（ａ）（ｂ）に示すように、リソグラフィ及びＲＩＥにより、絶縁膜２１、絶縁膜１６、触媒金属層１５、及びバリア層１４に開口１７を設けることにより、触媒金属層１５の一側壁面を露出させる。ここで、開口１７は、コンタクトビア１３が内包されないように、左右のコンタクトビア１３よりも僅かに内側に形成する。
【００３９】
次いで、触媒金属層１５の露出した一側壁面から多層グラフェン層２０を成長させる。多層グラフェン層２０は左右の触媒金属層１５から成長し、最終的にはつながることになる。つまり、前記図５（ａ）（ｂ）と同様に、触媒金属層１５の加工された側面と多層グラフェン層２０とが直列に接続された配線構造が得られる。さらに、触媒金属層１５が予め配線パターンに加工されているため、多層グラフェン層２０も複数に分離して形成されることになる。
【００４０】
次いで、前記図６（ａ）（ｂ）と同様に、全面に層間絶縁膜２２を堆積した後に、必要があれば上層側のコンタクトビア２３の形成を行う。
【００４１】
このような方法であっても、先の第１の実施形態と同様に、触媒金属層１５の一側面のみを露出させ、この側面から多層グラフェン層２０を成長させることにより、基板面と平行な方向にグラフェン配線を形成することができる。従って、第１の実施形態と同様の効果が得られる。また、グラフェンを加工しなくても良いため、グラフェン側壁端のダメージが抑制され、これにより結晶性を成長時のまま維持できる利点もある。
【００４２】
（第３の実施形態）
図１０（ａ）（ｂ）は、第３の実施形態に係わる半導体装置の要部構成を説明するためのもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【００４３】
本実施形態では、グラフェン成長の直進性を向上させるために、触媒金属層１５の一側面を絶縁膜１６よりも後退させている。
【００４４】
先の第２の実施形態における図９（ａ）（ｂ）に示す工程で、図１２（ａ）（ｂ）に示すように、触媒金属層１５及びバリア層１４をリセスし、触媒金属層１５の一側面を絶縁膜１６よりも後退させる。このリセスには、ＣＨ4 ，Ｃ2Ｈ4 ，Ｃ2Ｈ2 等のガスを用い、４００〜６００℃の熱処理を行う。
【００４５】
この状態でグラフェンを成長すると、触媒金属層１５の紙面上下方向及び紙面表裏方向への広がりが絶縁膜１６により抑制され、触媒金属層１５の一側面からのグラフェン成長の直進性を向上させることができる。従って、第２の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、左右の触媒金属層１５間をより確実に多層グラフェン層２０で接続することが可能となり、グラフェン配線の信頼性の向上をはかることができる。
【００４６】
（第４の実施形態）
図１１（ａ）（ｂ）は第４の実施形態に係わる半導体装置の概略構成を説明するためもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。なお、図１１（ｂ）の平面図では要部構成のみを示している。
【００４７】
基本的な構成は第１の実施形態の図１（ａ）（ｂ）と同様であるが、本実施形態では、バリア層１４を触媒金属層１５の下面のみではなく、触媒金属層１５の一側面にも形成している。即ち、触媒金属層１５の露出側面と反対側の側面にバリア層１４が形成されている。それ以外の構成は図１（ａ）（ｂ）と同様である。
【００４８】
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法について、図１２〜図１７を参照して説明する。なお、各図において、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。さらに、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線部分の断面に相当している。また、図１２〜図１７では、右側のコンタクトビアを下側に形成した例で説明するが、右側のコンタクトビアを上側に形成しても良いのは勿論のことである。
【００４９】
まず、図１２（ａ）（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板１０上に絶縁膜１１及びコンタクトビア１３を形成した下地基板上に、絶縁膜２１を形成する。
【００５０】
次いで、図１３（ａ）（ｂ）に示すように、絶縁膜２１に開口２７を設ける。ここで、開口２７は、左右のコンタクトビア１３が内包されるように形成する。
【００５１】
次いで、図１４（ａ）（ｂ）に示すように、開口２７の底部及び側面にバリア層１４を形成し、さらに開口２７内を埋め込むように触媒金属層１５を形成する。具体的には、ダマシン配線技術と同様に、触媒金属層１５をＣＶＤ法等で堆積した後に、ＣＭＰで平坦化すればよい。
【００５２】
次いで、図１５（ａ）（ｂ）に示すように、リソグラフィ、ＲＩＥ、ウェット処理で、触媒金属層１５及びバリア層１４を加工し、開口１７を設けると共に触媒金属層１５の一側面を露出させる。開口１７は、コンタクトビア１３が内包されないように、左右のコンタクトビア１３よりも僅かに内側に形成する。
【００５３】
次いで、図１６（ａ）（ｂ）に示すように、触媒金属層１５の側壁面から多層グラフェン層２０を成長させる。多層グラフェン層２０の成長方法は、第１の実施形態と同様でよい。
【００５４】
次いで、図１７（ａ）（ｂ）に示すように、リソグラフィ、ＲＩＥ、ウェット処理で、バリア層１４及び触媒金属層１５と共に多層グラフェン層２０を、配線パターンに加工する。これにより、左側の第１の積層構造部１０１と右側の第２の積層構造部１０２のパターンを形成する。
【００５５】
これ以降は、全面にＳｉＯ2 等の層間絶縁膜２２を堆積し、表面を平坦化することにより本実施形態の半導体装置が完成する。第２の積層構造部１０２に対して下側ではなく上側にコンタクトを取る場合は、絶縁膜２２及び絶縁膜１６にコンタクトビア２３を形成することにより、前記図１１に示す構造が得られることになる。
【００５６】
このように本実施形態によれば、触媒金属層１５の一側面のみを露出させ、この側面から多層グラフェン層２０を成長させることにより、基板面と平行な方向にグラフェン配線を形成することができる。従って、第１の実施形態と同様の効果が得られる。また、バリア層１４の存在によって、絶縁膜２１との界面からの酸化等の変質が抑制されるため、触媒金属層１５がグラフェン成長の触媒としての特性をより確実に保持できる利点もある。
【００５７】
（第５の実施形態）
図１８〜図２０は、第５の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す図である。
【００５８】
まず、第４の実施形態と同様に前記図１２（ａ）（ｂ）に示すように、下地基板上に絶縁膜２１を形成する。
【００５９】
次いで、図１８（ａ）（ｂ）に示すように、絶縁膜２１に、形成すべき配線パターンに応じて開口２７を形成する。ここで、開口２７は、左右のコンタクトビア１３の全てが内包されるように形成するのではなく、左右一対ずつのコンタクトビアを内包するように複数個形成する。
【００６０】
次いで、図１９（ａ）（ｂ）に示すように、各々の開口２７内にバリア層１４を介して触媒金属層１５を埋め込み形成する。
【００６１】
次いで、図２０（ａ）（ｂ）に示すように、触媒金属層１５及びバリア層１４と共に絶縁膜２１を選択エッチングし、左右のコンタクトビア１３間に開口１７を設けると共に触媒金属層１５の一側面を露出させる。開口１７は、コンタクトビア１３が内包されないように、左右のコンタクトビア１３よりも僅かに内側に形成する。これにより、左側の第１の積層構造部１０１と右側の第２の積層構造部１０２のパターンを形成する。
【００６２】
次いで、触媒金属層１５の露出した一側壁面から多層グラフェン層２０を成長させる。このとき、触媒金属層１５が予め配線パターンに加工されているため、多層グラフェン層２０も複数に分離して形成されることになり、前記図１７（ａ）（ｂ）と同様の構成が得られる。
【００６３】
これ以降は、全面に絶縁膜２２を堆積した後に、必要があれば上層側のコンタクトビア２３の形成を行う。
【００６４】
このような方法であっても、先の第４の実施形態と同様に、触媒金属層１５の一側面のみを露出させ、この側面から多層グラフェン層２０を成長させることにより、基板面と平行な方向にグラフェン配線を形成することができる。従って、第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６５】
（第６の実施形態）
図２１は、第６の実施形態に係わる半導体装置の要部構成を示す平面図である。
【００６６】
本実施形態では、グラフェン成長の直進性を向上させるために、触媒金属層１５の一側面を絶縁膜２１よりも後退させている。
【００６７】
先の第５の実施形態における図２０（ａ）（ｂ）に示す工程の後に、図２１に示すように、触媒金属層１５及びバリア層１４をリセスし、触媒金属層１５の一側面を絶縁膜２１よりも後退させる。このリセスには、ＣＨ4 ，Ｃ2Ｈ4 ，Ｃ2Ｈ2 等のガスを用い、４００〜６００℃の熱処理を行う。
【００６８】
この状態でグラフェンを成長すると、触媒金属層１５の一側面からのグラフェンの成長方向が規制され、グラフェン成長の直進性を向上させることができる。従って、第５の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、グラフェン配線の信頼性の向上をはかることができる。
【００６９】
（第７の実施形態）
図２２（ａ）〜（ｃ）は、第７の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【００７０】
本実施形態では、ハロゲンガスを用いたインターカレーションプロセスでの触媒金属の腐食対策を行っている。
【００７１】
グラフェンにＣｌ，Ｂｒ等のハロゲン系をドーピングすると、グラフェンの抵抗が下がるのが確認されている。しかし、触媒金属層が露出している状態でこのような処理を行うと、触媒金属層が腐食してしまうおそれがある。
【００７２】
そこで本実施形態では、グラフェン層を成長して２つの電極間を接続した後に、無電解メッキ、ＣＶＤ選択成長等により、Ｗ，Ｗ−Ｎｉ，Ｗ−Ｆｅ，ＣｏＷｐ（Ｂ），Ｃｒ，Ｍｎ，Ｐｔ，Ａｕ等の保護材を触媒金属層の露出側面に成膜する。
【００７３】
図２２（ａ）は前記図５（ｂ）と同様に、積層構造部１０１，１０２及び多層グラフェン層２０を配線パターンに加工した状態である。この状態の試料に対し、例えば選択ＣＶＤ法により、図２２（ｂ）に示すように、触媒金属層１５の露出側面にＷ等の保護膜３１を形成する。なお、バリア層１４の材料によっては保護膜３１がバリア層１４の側面にも形成される場合があるが、バリア層１４の側面に保護膜３１が形成されても何ら問題はない。
【００７４】
次いで、図２２（ｃ）に示すように、多層グラフェン層２０にＢｒ等のハロゲン系元素をドーピングする。このとき、触媒金属層１５の側面が保護膜３１で覆われているため、触媒金属層１５の側面の腐食を未然に防止することができる。
【００７５】
即ち、保護膜３１の形成後に、インターカレーション処理を行っても、触媒金属層１５の一側面は露出することなく保護されているので、触媒金属層１５の腐食を未然に防止することができる。
【００７６】
従って、多層グラフェン層の更なる低抵抗化と共に配線としての信頼性の向上をはかることができる。
【００７７】
（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。
【００７８】
実施形態では、下地基板上に２つの触媒金属層を対向配置し、これらの間に多層グラフェン層を形成したが、必ずしも触媒金属層は対向している必要はなく、１つの触媒金属層から基板面と平行方向に多層グラフェン層を成長させることも可能である。
【００７９】
また、実施形態では、触媒金属層の下地にバリアメタルを形成したが、触媒金属層から下層コンタクト中への拡散が問題とならない場合は、バリアメタルは省略することも可能である。
【００８０】
また、グラフェン層にドーピングする元素は、必ずしもＢｒやＣｌ等のハロゲン系の元素に限るものではなく、Ｎを用いることも可能である。さらに、これらの複数種をドーピングしても良い。
【００８１】
本発明の幾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同様に、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ものである。
【符号の説明】
【００８２】
１０…Ｓｉ基板（半導体基板）
１１…層間絶縁膜
１３…下層側のコンタクトビア
１４…バリア層
１５…触媒金属層
１６…絶縁膜
１７…開口
２０…多層グラフェン層
２１…絶縁膜
２２…層間絶縁膜
２３…上層側のコンタクトビア
２７…開口
３１…保護膜
１０１…第１の積層構造部
１０２…第２の積層構造部
【図１】
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【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】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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