(57)【要約】【課題】良質のグラフェン膜を得ることが可能な半導体装置を提供する。【解決手段】実施形態に係る半導体装置は、第１の融点を有する第１の膜１４と、第１の膜の上面上に設けられ、第１の融点よりも低い第２の融点を有し、グラフェンを成長させるための触媒として機能し、段差を規定する側面を有する第２の膜１５と、第１の膜の上面上に設けられ、第２の膜の側面に接するグラフェン膜１７とを備える。【選択図】図４
2016058621.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の融点を有する第１の膜と、
前記第１の膜の上面上に設けられ、前記第１の融点よりも低い第２の融点を有し、グラフェンを成長させるための触媒として機能し、段差を規定する側面を有する第２の膜と、
前記第１の膜の上面上に設けられ、前記第２の膜の前記側面に接するグラフェン膜と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第２の膜は、金属膜である
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記金属膜は、主金属元素と、前記金属膜の融点を前記主金属元素の融点よりも低くするための添加元素とで形成されている
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】
前記主金属元素は、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）から選択され、
前記添加元素は、インジウム（Ｉｎ）、マンガン（Ｍｎ）及び銅（Ｃｕ）から選択される
ことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１の膜は、金属膜である
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記金属膜は、主金属元素と、前記金属膜の融点を前記主金属元素の融点よりも高くするための添加元素とで形成されている
ことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記主金属元素は、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）から選択され、
前記添加元素は、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、イリジウム（Ｉｒ）及びルテニウム（Ｒｕ）から選択される
ことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第２の膜上に設けられ、前記第２の膜の凝集を抑制する凝集抑制膜を、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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の微細化に伴い、半導体集積回路の配線幅及び配線高さが減少してきている。そのため、金属配線を用いた場合には、電子の界面非弾性散乱に起因する配線抵抗の上昇が問題となってきている。
【０００３】
このような問題に対して、グラフェン配線を用いることが提案されている。グラフェン配線に用いるグラフェン膜は通常、触媒層からグラフェンを成長させることで形成可能である。
【０００４】
しかしながら、所望の領域に良質のグラフェン膜を形成することは容易ではない。したがって、良質のグラフェン膜を得ることが可能な半導体装置及び半導体装置の製造方法が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３-１１５１４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
良質のグラフェン膜を得ることが可能な半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態に係る半導体装置は、第１の融点を有する第１の膜と、前記第１の膜の上面上に設けられ、前記第１の融点よりも低い第２の融点を有し、グラフェンを成長させるための触媒として機能し、段差を規定する側面を有する第２の膜と、前記第１の膜の上面上に設けられ、前記第２の膜の前記側面に接するグラフェン膜と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。
【図２】実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。
【図３】実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。
【図４】実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。
【図５】実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。
【図６】実施形態に係り、半導体基板（半導体ウェハ）内のチップ領域及びダイシング領域を模式的に示した平面図である。
【図７】実施形態の第１の変更例に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。
【図８】実施形態の第１の変更例に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。
【図９】実施形態の第１の変更例に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。
【図１０】実施形態の第１の変更例に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。
【図１１】実施形態の第２の変更例に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。
【図１２】実施形態の第２の変更例の作用について模式的に示した断面図である。
【図１３】実施形態の第３の変更例に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態を図面を参照して説明する。
【００１０】
図１〜図５は、実施形態に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した断面図である。以下、図１〜図５を参照して、本実施形態に係るに係る半導体装置の製造方法について説明する。
【００１１】
まず、図１に示すように、下地領域１１上に下地絶縁膜１２を形成する。下地領域１１には、半導体基板（半導体ウェハ）及びトランジスタ等が含まれる。下地絶縁膜１２には、シリコン酸化膜が用いられる。続いて、下地絶縁膜１２上に下地触媒膜１３を形成する。下地触媒膜１３には、チタン窒化物膜（ＴｉＮ膜）が用いられる。
【００１２】
次に、下地触媒膜１３上に、第１の触媒膜（第１の膜）１４を形成する。第１の触媒膜１４は、グラフェンを成長させるための触媒として機能し、比較的高い第１の融点を有している。
【００１３】
第１の触媒膜１４には、金属膜が用いられる。第１の触媒膜１４に用いる金属膜は、主金属元素と、金属膜（第１の触媒膜１４）の融点を主金属元素の融点よりも高くするための添加元素とで形成されている。主金属元素は、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）から選択される。添加元素は、以下の２つのグループに分けることができる。
【００１４】
第１のグループは、化合物を形成する添加元素である。この場合、添加元素としては、シリコン（Ｓｉ）或いはチタン（Ｔｉ）を用いることができる。したがって、第１の触媒膜１４に用いる金属膜は、Ｃｏ−Ｓｉ、Ｃｏ−Ｔｉ、Ｎｉ−Ｓｉ、或いはＮｉ−Ｔｉ、で形成される。
【００１５】
第２のグループは、固溶体を形成する添加元素である。この場合、添加元素としては、イリジウム（Ｉｒ）或いはルテニウム（Ｒｕ）を用いることができる。したがって、第１の触媒膜１４に用いる金属膜は、Ｃｏ−Ｉｒ、Ｃｏ−Ｒｕ、Ｎｉ−Ｉｒ、或いはＮｉ−Ｒｕ、で形成される。
【００１６】
次に、図２に示すように、第１の触媒膜１４の上面上に第２の触媒膜（第２の膜）１５を形成する。第２の触媒膜１５は、グラフェンを成長させるための触媒として機能し、第１の融点よりも低い第２の融点を有している。
【００１７】
第２の触媒膜１５には、金属膜が用いられる。第２の触媒膜１５に用いる金属膜は、以下の２つの場合に分けることができる。
【００１８】
第１は、第２の触媒膜１５に用いる金属膜が、単一の金属元素で形成されている場合である。単一の金属元素は、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）から選択される。したがって、第２の触媒膜１５に用いる金属膜は、Ｃｏ或いはＮｉで形成される。
【００１９】
第２は、第２の触媒膜１５に用いる金属膜が、主金属元素と、金属膜（第２の触媒膜１５）の融点を主金属元素の融点よりも低くするための添加元素とで形成されている場合である。この場合、添加元素によって固溶体が形成される。主金属元素は、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）から選択され、添加元素は、インジウム（Ｉｎ）、マンガン（Ｍｎ）及び銅（Ｃｕ）から選択される。したがって、第２の触媒膜１５に用いる金属膜は、Ｃｏ−Ｉｎ、Ｃｏ−Ｍｎ、Ｃｏ−Ｃｕ、Ｎｉ−Ｉｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、或いはＮｉ−Ｃｕ、で形成される。
【００２０】
次に、図３に示すように、第２の触媒膜１５上にマスクパターン１６を形成する。マスクパターン１６にはレジストパターンが用いられる。このマスクパターン１６をマスクとして用いて第２の触媒膜１５をエッチングする。このエッチングには、ＲＩＥ（reactive ion etching）やウェットエッチングが用いられる。また、第１の触媒膜１４に対する第２の触媒膜１５のエッチング選択性が高い条件でエッチングを行う。このエッチング処理により、第２の触媒膜１５のパターンが形成される。第２の触媒膜１５のパターンは、段差を規定する側面１５ａを有している。その後、マスクパターン１６をアッシングによって除去する。
【００２１】
次に、図４に示すように、第１の触媒膜１４の上面上に、第２の触媒膜１５のパターンの側面１５ａに接するグラフェン膜１７を形成する。グラフェン膜１７は、所定の温度（例えば、６００℃以下の温度）でＣＶＤ（chemical vapor deposition）によって形成される。
【００２２】
以下、図４の工程で得られるグラフェン膜１７について詳しく説明する。
【００２３】
グラフェンは一般的に、段差の側面（ファセット）から成長する。また、段差を有する下地領域には触媒膜が用いられる。しかしながら、融点の低い触媒を用いた場合には、触媒材料（触媒金属）が動きやすいために、触媒材料が凝集する。その結果、触媒膜の多数の箇所にファセットが形成され、不連続なグラフェンが形成されてしまう。一方、融点の高い触媒を用いた場合には、触媒材料（触媒金属）が動きにくいために、十分なグラフェン成長が生じない。
【００２４】
本実施形態では、融点の高い触媒材料を用いて第１の触媒膜１４を形成し、第１の触媒膜１４上に融点の低い触媒材料を用いて第２の触媒膜１５を形成している。第２の触媒膜１５の融点が低いため、第２の触媒膜１５の側面（ファセット）１５ａが起点となってグラフェンが成長する。また、第１の触媒膜１４の融点が高いため、第１の触媒膜１４の上面上に形成されるグラフェンの平坦性が確保される。したがって、大面積で平坦性及び連続性に優れたグラフェン膜１７を効果的に形成することができる。また、グラフェン膜１７は、第２の触媒膜１５の側面１５ａを起点として成長するため、グラフェン膜１７の下面と上面との間の距離は、第２の触媒膜１５の側面１５ａの下エッジと上エッジとの間の距離に対応する。
【００２５】
以上のようにしてグラフェン膜１７を形成した後、リソグラフィ及びエッチングによってグラフェン膜１７をパターニングする。これにより、図５に示すような複数のグラフェン配線１７ａが形成される。
【００２６】
以上のように、本実施形態によれば、第１の融点を有する第１の触媒膜１４（第１の膜）の上に、第１の融点よりも低い第２の融点を有する第２の触媒膜１５（第２の膜）を形成することにより、大面積で平坦性及び連続性に優れた良質のグラフェン膜を形成することが可能である。したがって、このようなグラフェン膜を用いて配線を形成することで、抵抗の低い良質な配線を得ることが可能である。
【００２７】
なお、上述した実施形態において、グラフェン配線１７ａが含まれるチップ領域では、第２の触媒膜１５は最終的には除去されるかもしれない。しかしながら、ダイシング領域には、図４に示したような構造が残る。
【００２８】
図６は、半導体基板（半導体ウェハ）内のチップ領域１０１及びダイシング領域１０２を模式的に示した平面図である。上述したように、少なくともダイシング領域１０２内には、図４に示したような、第１の触媒膜１４、第２の触媒膜１５及びグラフェン膜１７を含む構造が形成される。
【００２９】
次に、本実施形態の第１の変更例について説明する。なお、基本的な事項は上述した実施形態と同様であるため、上述した実施形態で説明した事項の説明は省略する。
【００３０】
図７〜図１０は、第１の変更例に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した断面図である。
【００３１】
まず、図７に示すように、上述した実施形態と同様にして、下地領域１１上に、下地絶縁膜１２、下地触媒膜１３、及び第１の触媒膜（第１の膜）１４を形成する。
【００３２】
次に、図８に示すように、第１の触媒膜１４上にリフトオフ用パターン２１としてレジストパターンを形成する。続いて、第１の触媒膜１４上及びリフトオフ用パターン２１上に第２の触媒膜（第２の膜）１５を形成する。
【００３３】
次に、図９に示すように、リフトオフ用パターン２１上の第２の触媒膜１５をリフトオフによって除去する。具体的には、シンナーを用いたウェット処理によって、リフトオフ用パターン２１及びリフトオフ用パターン２１上の第２の触媒膜１５を除去する。これにより、第２の触媒膜１５のパターンが形成される。第２の触媒膜１５のパターンは、段差を規定する側面１５ａを有している。
【００３４】
次に、図１０に示すように、上述した実施形態と同様にして、第１の触媒膜１４の上面上に、第２の触媒膜１５のパターンの側面１５ａに接するグラフェン膜１７を形成する。本変更例においても、上述した実施形態と同様に、第２の触媒膜１５の側面（ファセット）１５ａが起点となってグラフェンが成長する。
【００３５】
以上のようにしてグラフェン膜１７を形成した後、上述した実施形態と同様にグラフェン膜１７をパターニングする。これにより、上述した実施形態の図５と同様に、複数のグラフェン配線１７ａが形成される。
【００３６】
以上のように、本変更例においても、上述した実施形態と同様に、第１の融点を有する第１の触媒膜１４（第１の膜）の上に、第１の融点よりも低い第２の融点を有する第２の触媒膜１５（第２の膜）を形成することにより、大面積で平坦性及び連続性に優れた良質のグラフェン膜を形成することが可能である。したがって、このようなグラフェン膜を用いて配線を形成することで、抵抗の低い良質な配線を得ることが可能である。
【００３７】
また、本変更例では、リフトオフによってリフトオフ用パターン２１上の第２の触媒膜１５を除去する。そのため、第１の触媒膜１４の上面は、ほとんどエッチングされず、平坦性に優れた表面状態を維持している。したがって、このような平坦性に優れた表面上にグラフェン膜を形成することで、良質のグラフェン膜を形成することが可能である。
【００３８】
次に、本実施形態の第２の変更例について説明する。なお、基本的な事項は上述した実施形態と同様であるため、上述した実施形態で説明した事項の説明は省略する。
【００３９】
図１１は、第２の変更例に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。
【００４０】
本変更例では、上述した実施形態の図４の工程でグラフェン膜１７を形成する前に、第２の触媒膜１５のパターン上に、第２の触媒膜１５の凝集を抑制する凝集抑制膜３１を形成しておく。この凝集抑制膜３１は、第２の触媒膜１５のパターンの側面１５ａの近傍領域を含む第２の触媒膜１５のパターンの所定部分上に設けられている。凝集抑制膜３１には、例えば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等を用いることができる。
【００４１】
すでに述べたように、第２の触媒膜１５は、融点が低く、動きやすい。そのため、グラフェン膜１７を形成する際に、第２の触媒膜１５の側面１５ａの近傍領域で、第２の触媒膜１５が変形するおそれがある。本変更例では、凝集抑制膜３１を設けることで、第２の触媒膜１５の動きが制限される。すなわち、第２の触媒膜１５の凝集が制限される。したがって、本変更例では、側面１５ａの近傍領域での第２の触媒膜１５の変形を防止することが可能である。別の観点から見ると、第２の触媒膜１５の側面１５ａから確実にグラフェン膜１７を成長させることが可能である。
【００４２】
また、凝集抑制膜３１は、第２の触媒膜１５のパターンの側面１５ａの近傍領域を含む第２の触媒膜１５の所定部分上に選択的に設けられている。そのため、凝集抑制膜３１が形成されていない領域は自由表面となり、当該領域では第２の触媒膜１５の動きは制限されない。したがって、図１２に示すように、第２の触媒膜１５が後退したときに、凝集抑制膜３１が形成されていない領域で第２の触媒膜１５を変形させることができる。すなわち、凝集抑制膜３１が形成されていない領域を、第２の触媒膜１５のシンク領域として機能させることが可能である。
【００４３】
このように、本変更例では、凝集抑制膜３１を設けることで、第２の触媒膜１５の側面１５ａの近傍領域での第２の触媒膜１５の変形を防止することができ、良質のグラフェン膜を形成することが可能である。
【００４４】
次に、本実施形態の第３の変更例について説明する。なお、基本的な事項は上述した実施形態と同様であるため、上述した実施形態で説明した事項の説明は省略する。
【００４５】
図１３は、第３の変更例に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。
【００４６】
上述した実施形態では、第２の触媒膜１５の側面１５ａが垂直面であったが、本変更例では、第２の触媒膜１５の側面１５ａが斜面になっている。このように、第２の触媒膜１５の側面１５ａを斜面にしておき、斜面からグラフェン膜１８を成長させるようにしてもよい。
【００４７】
第２の触媒膜１５の側面１５ａを斜面にした場合にも、グラフェン膜１７は側面１５ａを起点として成長する。したがって、グラフェン膜１７の下面と上面との間の距離は、第２の触媒膜１５の側面１５ａの下エッジと上エッジとの間の距離に対応する。
【００４８】
なお、上述した実施形態では、第１の膜として第１の触媒膜１４を用いた。すなわち、第１の膜は、グラフェン成長の際に触媒として機能する膜であった。しかしながら、第１の膜は必ずしも触媒として機能するものである必要はない。例えば、第１の膜として、タングステン（Ｗ）或いはチタン窒化物（ＴｉＮ）等を用いることも可能である。
【００４９】
以下、上述した実施形態について付記する。
【００５０】
[付記１]
第１の融点を有する第１の膜を形成する工程と、
前記第１の膜の上面上に、前記第１の融点よりも低い第２の融点を有し、グラフェンを成長させるための触媒として機能し、段差を規定する側面を有する第２の膜のパターンを形成する工程と、
前記第１の膜の上面上に、前記第２の膜のパターンの前記側面に接するグラフェン膜を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【００５１】
[付記２]
前記第２の膜のパターンを形成する工程は、
前記第１の膜上に前記第２の膜を形成する工程と、
前記第２の膜上にマスクパターンを形成する工程と、
前記マスクパターンをマスクとして用いて前記第２の膜をエッチングする工程と、
を備える
ことを特徴とする付記１に記載の半導体装置の製造方法。
【００５２】
[付記３]
前記第２の膜のパターンを形成する工程は、
前記第１の膜上にリフトオフ用パターンを形成する工程と、
前記第１の膜上及び前記リフトオフ用パターン上に前記第２の膜を形成する工程と、
前記リフトオフ用パターン上の前記第２の膜をリフトオフによって除去する工程と、
を備える
ことを特徴とする付記１に記載の半導体装置の製造方法。
【００５３】
[付記４]
前記第２の膜のパターン上に前記第２の膜の凝集を抑制する凝集抑制膜が、前記グラフェン膜を形成する前に設けられている
ことを特徴とする付記１に記載の半導体装置の製造方法。
【００５４】
[付記５]
前記凝集抑制膜は、前記第２の膜のパターンの前記側面の近傍領域を含む前記第２の膜のパターンの所定部分上に設けられている
ことを特徴とする付記４に記載の半導体装置の製造方法。
【００５５】
[付記６]
前記グラフェン膜をパターニングして配線を形成する工程をさらに備える
ことを特徴とする付記１に記載の半導体装置の製造方法。
【００５６】
[付記７]
第１の融点を有する第１の膜と、
前記第１の膜の上面上に設けられ、前記第１の融点よりも低い第２の融点を有し、グラフェンを成長させるための触媒として機能し、段差を規定する側面を有する第２の膜と、
前記第１の膜の上面上に設けられ、前記第２の膜の前記側面に接するグラフェン膜と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【００５７】
[付記８]
前記第２の膜は、金属膜である
ことを特徴とする付記７に記載の半導体装置。
【００５８】
[付記９]
前記金属膜は、単一の金属元素で形成されている
ことを特徴とする付記８に記載の半導体装置。
【００５９】
[付記１０]
前記単一の金属元素は、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）から選択される
ことを特徴とする付記９に記載の半導体装置。
【００６０】
[付記１１]
前記金属膜は、主金属元素と、前記金属膜の融点を前記主金属元素の融点よりも低くするための添加元素とで形成されている
ことを特徴とする付記８に記載の半導体装置。
【００６１】
[付記１２]
前記主金属元素は、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）から選択され、
前記添加元素は、インジウム（Ｉｎ）、マンガン（Ｍｎ）及び銅（Ｃｕ）から選択される
ことを特徴とする付記１１に記載の半導体装置。
【００６２】
[付記１３]
前記第１の膜は、グラフェンを成長させるための触媒として機能する
ことを特徴とする付記７に記載の半導体装置。
【００６３】
[付記１４]
前記第１の膜は、金属膜である
ことを特徴とする付記７に記載の半導体装置。
【００６４】
[付記１５]
前記金属膜は、主金属元素と、前記金属膜の融点を前記主金属元素の融点よりも高くするための添加元素とで形成されている
ことを特徴とする付記１４に記載の半導体装置。
【００６５】
[付記１６]
前記主金属元素は、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）から選択され、
前記添加元素は、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、イリジウム（Ｉｒ）及びルテニウム（Ｒｕ）から選択される
ことを特徴とする付記１５に記載の半導体装置。
【００６６】
[付記１７]
前記第２の膜上に設けられ、前記第２の膜の凝集を抑制する凝集抑制膜を、さらに備える
ことを特徴とする付記７に記載の半導体装置。
【００６７】
[付記１８]
前記凝集抑制膜は、前記第２の膜の前記側面の近傍領域を含む前記第２の膜の所定部分上に設けられている
ことを特徴とする付記１７に記載の半導体装置。
【００６８】
[付記１９]
前記グラフェン膜の下面と上面との間の距離は、前記第２の膜の前記側面の下エッジと上エッジとの間の距離に対応する
ことを特徴とする付記７に記載の半導体装置。
【００６９】
[付記２０]
前記第１の膜、前記第２の膜及び前記グラフェン膜は、ダイシング領域に設けられている
ことを特徴とする付記７に記載の半導体装置。
【００７０】
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】
【００７１】
１１…下地領域      １２…下地絶縁膜      １３…下地触媒膜
１４…第１の触媒膜（第１の膜）      １５…第２の触媒膜（第２の膜）
１６…マスクパターン      １７…グラフェン膜
２１…リフトオフ用パターン      ３１…凝集抑制膜
１０１…チップ領域      １０２…ダイシング領域
【図１】
2016058621.tif 000003
【図２】
2016058621.tif 000004
【図３】
2016058621.tif 000005
【図４】
2016058621.tif 000006
【図５】
2016058621.tif 000007
【図６】
2016058621.tif 000008
【図７】
2016058621.tif 000009
【図８】
2016058621.tif 000010
【図９】
2016058621.tif 000011
【図１０】
2016058621.tif 000012
【図１１】
2016058621.tif 000013
【図１２】
2016058621.tif 000014
【図１３】
2016058621.tif 000015