(57)【要約】本開示による配線構造体（１）は、金属元素を主成分とし、一方向に延在する配線層（１０）と、配線層（１０）に対向する金属層（２０）と、配線層と金属層との間に位置し、少なくとも前記一方向に直交する面で切断したときの断面視において配線層を包むように形成された固体電解質層（３０）と、を備え、配線層と金属層とは、固体電解質層を介して電気的に絶縁されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属元素を主成分とし、一方向に延在する配線層と、
前記配線層に対向する金属層と、
前記配線層と前記金属層との間に位置し、少なくとも前記一方向に直交する面で切断したときの断面視において前記配線層を包むように形成された固体電解質層と、を備え、
前記配線層と前記金属層とは、前記固体電解質層を介して電気的に絶縁されている、
配線構造体。
【請求項２】
請求項１に記載の配線構造体であって、
前記断面視において、前記配線層は、対向する一対の側面及び底面を有し、
前記金属層及び前記固体電解質層は、いずれも、前記一対の側面及び前記側面の各々に対向している、
配線構造体。
【請求項３】
請求項１に記載の配線構造体であって、
前記断面視において、前記配線層は、円形又は楕円形である、
配線構造体。
【請求項４】
請求項３に記載の配線構造体であって、
前記配線層は、柱状のコンタクトプラグである、
配線構造体。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の配線構造体であって、
前記断面視において、前記配線層の外周全体は、前記固体電解質層によって覆われており、
前記断面視において、前記固体電解質層の外周全体は、前記金属層によって覆われている、
配線構造体。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の配線構造体であって、
前記断面視において、前記配線層の外周全体は、第１絶縁層によって覆われており、
前記断面視において、前記第１絶縁層の外周全体は、前記固体電解質層によって覆われており、
前記断面視において、前記固体電解質層の外周全体は、前記金属層によって覆われている、
配線構造体。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の配線構造体であって、
前記断面視において、前記配線層の外周全体は、前記固体電解質層によって覆われており、
前記断面視において、前記固体電解質層の外周全体は、第２絶縁層によって覆われており、
前記断面視において、前記第２絶縁層の外周全体は、前記金属層によって覆われている、
配線構造体。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の配線構造体であって、
前記断面視において、前記配線層の外周全体は、第１絶縁層によって覆われており、
前記断面視において、前記第１絶縁層の外周全体は、前記固体電解質層によって覆われ
ており、
前記断面視において、前記固体電解質層の外周全体は、第２絶縁層によって覆われており、
前記断面視において、前記第２絶縁層の外周全体は、前記金属層によって覆われている、
配線構造体。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の配線構造体であって、
前記金属層の外周を覆う絶縁層をさらに備える、
配線構造体。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の配線構造体であって、
前記断面視において、前記配線層の厚みに対する前記固体電解質層の厚みの比が１／４より大きい、
配線構造体。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の配線構造体であって、
前記断面視において、前記固体電解質層の厚みと前記配線層の厚みとの和が２０ｎｍ以下である、
配線構造体。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の配線構造体であって、
前記断面視において、前記配線層の幅は、１０ｎｍ以下である、
配線構造体。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の配線構造体であって、
前記断面視において、前記固体電解質層の厚みは、５ｎｍ以上である、
配線構造体。
【請求項１４】
請求項１に記載の配線構造体であって、
前記固体電解質層に電圧が印加されたときに、前記固体電解質層の内部を移動するイオンは、リチウムイオンである、
配線構造体。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の配線構造体であって、
前記固体電解質層に電圧が印加されたときに、前記固体電解質層の内部を移動するイオンは、酸素イオンである、
配線構造体。
【請求項１６】
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の配線構造体であって、
前記固体電解質層は、窒化リン酸リチウム及び窒化リン酸マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも１種類の材料からなる、
配線構造体。
【請求項１７】
請求項１〜１４および１６のいずれか１項に記載の配線構造体であって、
前記配線層は、コバルトを含む材料によって構成され、
前記固体電解質層は、窒化リン酸リチウムを含む材料からなる、
配線構造体。
【請求項１８】
基板と、
前記基板に形成されたトランジスタと、
前記基板上に形成された、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の配線構造体と、
を備える、
半導体装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の半導体装置であって、
前記配線構造体の上に形成された層間絶縁層と、
前記層間絶縁層に形成され、前記配線構造体の配線層よりも線幅が大きく、当該配線層とは材料の異なる他の配線層と、を備える、
半導体装置。
【請求項２０】
配線構造体に電気的に接続された能動素子を動作させるための能動素子の動作方法であって、
前記配線構造体は、
金属を主成分とし、一方向に延在する配線層と、
前記配線層に対向する金属層と、
前記一方向に直交する面で切断したときの断面視において、前記配線層と前記金属層との間に位置し、前記配線層を包むように形成された固体電解質層と、を備え、
前記配線層と前記金属層とは、前記固体電解質層を介して電気的に絶縁され、
前記能動素子は、前記配線層に電気的に接続され、
前記固体電解質層に電圧が印加された状態で、
電気信号が前記能動素子から前記配線層に伝わり、又は、電気信号が前記配線層から前記能動素子に伝わる、
能動素子の動作方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の能動素子の動作方法であって、
第１電圧を前記配線層に印加し、前記第１電圧より高い第２電圧を前記金属層に印加する、
能動素子の動作方法。
【請求項２２】
絶縁層に形成された一方向に延在する凹部の内面に沿って金属層を形成する工程と、
前記金属層を覆い、かつ、前記凹部を埋め込まないように固体電解質層を形成する工程と、
前記固体電解質層に包まれるように、かつ、前記凹部を埋めるように配線層を形成する工程と、を含み、
前記配線層と前記金属層とは、前記固体電解質層を介して、電気的に絶縁されている、
配線構造体の製造方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の配線構造体の製造方法であって、
前記固体電解質層を形成する工程において、前記固体電解質層は原子層堆積法を用いて形成される、
配線構造体の製造方法。
【請求項２４】
請求項２２に記載の配線構造体の製造方法であって、
前記配線構造体の上に層間絶縁層を形成する工程と、
前記層間絶縁層に、前記配線構造体の配線層よりも線幅が大きく、前記第１配線層とは材料の異なる第２配線層を形成する工程と、を備える、
配線構造体の製造方法。
【請求項２５】
請求項２２または２４に記載の配線構造体の製造方法であって、
前記絶縁層にコンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホールに、柱状のコンタクトプラグを形成する工程と、を備える、
配線構造体の製造方法。
【請求項２６】
配線構造体の使用方法であって、
前記配線構造体は、
金属を主成分とし、一方向に延在する配線層と、
前記配線層に対向する金属層と、
前記一方向に直交する面で切断したときの断面視において、前記配線層と前記金属層との間に位置し、前記配線層を包むように形成された固体電解質層と、を備え、
前記配線層と前記金属層とは、前記固体電解質層を介して電気的に絶縁され、
前記固体電解質層に電圧が印加された状態で、前記配線層に電気信号が伝わる、
配線構造体の使用方法。
【請求項２７】
配線構造体の配線抵抗の制御方法であって、
前記配線構造体は、
金属を主成分とし、一方向に延在する配線層と、
前記配線層に対向する金属層と、
前記一方向に直交する面で切断したときの断面視において、前記配線層と前記金属層との間に位置し、前記配線層を包むように形成された固体電解質層と、を備え、
前記配線層と前記金属層とは、前記固体電解質層を介して電気的に絶縁され、
前記固体電解質層に印加する電圧を変化させることにより、前記配線層の抵抗値を変化させる、
配線構造体の配線抵抗の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、配線構造体、半導体装置、能動素子の動作方法、配線構造体の製造方法及び配線構造体の使用方法及び配線構造体の配線抵抗の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、コバルト（Ｃｏ）からなるコバルト配線を形成する方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１６／０３０９５９６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体集積回路装置等の半導体装置には、回路素子としてトランジスタ又はダイオード等の能動素子とともにキャパシタ又は抵抗等の受動素子が半導体微細加工によって形成される。さらに、半導体装置には、これらの回路素子同士を接続するための配線も半導体微細加工によって形成されている。【０００５】
近年、半導体装置のさらなる微細化に伴って配線の微細化も要求されている。しかしながら、配線を微細化すると、配線の抵抗値が増加するという課題がある。【０００６】
本開示は、微細化に伴う配線層の抵抗値の増加を抑制できる配線構造体及び半導体装置等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示に係る配線構造体の一態様は、金属元素を主成分とし、一方向に延在する配線層と、前記配線層に対向する金属層と、前記配線層と前記金属層との間に位置し、少なくとも前記一方向に直交する面で切断したときの断面視において前記配線層を包むように形成された固体電解質層と、を備え、前記配線層と前記金属層とは、前記固体電解質層を介して電気的に絶縁されている。【０００８】
本開示に係る半導体装置の一態様は、基板と、前記基板に形成されたトランジスタと、前記基板上に形成された上記の配線構造体と、を備える。【０００９】
本開示に係る能動素子の動作方法の一態様は、配線構造体に電気的に接続された能動素子を動作させるための能動素子の動作方法であって、前記配線構造体は、金属を主成分とし、一方向に延在する配線層と、前記配線層に対向する金属層と、前記一方向に直交する面で切断したときの断面視において、前記配線層と前記金属層との間に位置し、前記配線層を包むように形成された固体電解質層と、を備え、前記配線層と前記金属層とは、前記固体電解質層を介して電気的に絶縁され、前記能動素子は、前記配線層に電気的に接続され、前記固体電解質層に電圧が印加された状態で、電気信号が前記能動素子から前記配線層に伝わり、又は、電気信号が前記配線層から前記能動素子に伝わる。【００１０】
本開示に係る配線構造体の製造方法の一態様は、絶縁層に形成された一方向に延在する凹部の内面に沿って金属層を形成する工程と、前記金属層を覆い、かつ、前記凹部を埋め込まないように固体電解質層を形成する工程と、前記固体電解質層に包まれるように、かつ、前記凹部を埋めるように配線層を形成する工程と、を含み、前記配線層と前記金属層とは、前記固体電解質層を介して、電気的に絶縁されている。【００１１】
本開示に係る使用方法の一態様は、配線構造体の使用方法であって、前記配線構造体は、金属を主成分とし、一方向に延在する配線層と、前記配線層に対向する金属層と、前記一方向に直交する面で切断したときの断面視において、前記配線層と前記金属層との間に位置し、前記配線層を包むように形成された固体電解質層と、を備え、前記配線層と前記金属層とは、前記固体電解質層を介して電気的に絶縁され、前記固体電解質層に電圧が印加された状態で、前記配線層に電気信号が伝わる。【００１２】
本開示に係る制御方法の一態様は、配線構造体の配線抵抗の制御方法であって、前記配線構造体は、金属を主成分とし、一方向に延在する配線層と、前記配線層に対向する金属層と、前記一方向に直交する面で切断したときの断面視において、前記配線層と前記金属層との間に位置し、前記配線層を包むように形成された固体電解質層と、を備え、前記配線層と前記金属層とは、前記固体電解質層を介して電気的に絶縁され、前記固体電解質層に印加する電圧を変化させることにより、前記配線層の抵抗値を変化させる。
【発明の効果】
【００１３】
本開示によれば、微細化に伴う配線層の抵抗値の増加を抑制できる配線構造体等を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】実施の形態１の第１態様に係る配線構造体の構成を模式的に示す図である。
【図１Ｂ】実施の形態１の第１態様に係る配線構造体の断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｂの１Ｃ−１Ｃ線における実施の形態１の第１態様に係る配線構造体の断面図である。
【図２Ａ】カチオン伝導型の固体電解質層を有する配線構造体においてＶ１＜Ｖ２で電圧を印加したときの固体電解質層の内部の様子を示す模式図である。
【図２Ｂ】アニオン伝導型の固体電解質層を有する配線構造体においてＶ１＜Ｖ２で電圧を印加したときの固体電解質層の内部の様子を示す模式図である。
【図３】実施の形態１の第２態様に係る配線構造体及び半導体装置の構成を示す図である。
【図４】実施の形態１の第２態様に係る第１の半導体装置の構成を示す図である。
【図５】実施の形態１の第２態様に係る第２の半導体装置の構成を示す図である。
【図６】実施の形態１の第２態様に係る第３の半導体装置の構成を示す図である。
【図７】実施の形態１の第３態様に係る配線構造体及び半導体装置の構成を示す断面図である。
【図８Ａ】実施例に係る配線構造体の断面図である。
【図８Ｂ】図８Ａにおける８Ｂ−８Ｂ線における実施例に係る配線構造体の断面図である。
【図９Ａ】比較例の配線構造体の断面図である。
【図９Ｂ】図９Ａにおける９Ｂ−９Ｂ線における比較例の配線構造体の断面図である。
【図１０】実施例に係る配線構造体における線幅と抵抗値との関係を示す図である。
【図１１Ａ】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法における第１層間絶縁層形成工程を示す断面図である。
【図１１Ｂ】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法における第１層間絶縁層形成工程を示す第１層間絶縁層形成工程の斜視図である。
【図１１Ｃ】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法における凹部形成工程を示す断面図である。
【図１１Ｄ】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法における凹部形成工程を示す凹部形成工程の斜視図である。
【図１１Ｅ】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法における第１金属層形成工程を示す断面図である。
【図１１Ｆ】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法における第１固体電解質層形成工程を示す断面図である。
【図１１Ｇ】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法における配線層形成工程を示す断面図である。
【図１１Ｈ】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法における第１レジスト形成工程を示す断面図である。
【図１１Ｉ】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法における配線層パターニング工程を示す断面図である。
【図１１Ｊ】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法における第１レジスト除去工程を示す断面図である。
【図１１Ｋ】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法における第２レジスト形成工程を示す断面図である。
【図１１Ｌ】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法における第１固体電解質層パターニング工程を示す断面図である。
【図１１Ｍ】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法における第２レジスト除去工程を示す断面図である。
【図１１Ｎ】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法における第３レジスト形成工程を示す断面図である。
【図１１Ｏ】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法における第１金属層パターニング工程を示す断面図である。
【図１１Ｐ】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法における第３レジスト除去工程を示す断面図である。
【図１１Ｑ】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法における第２固体電解質層形成工程を示す断面図である。
【図１１Ｒ】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法における第４レジスト形成工程を示す断面図である。
【図１１Ｓ】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法における第２固体電解質層パターニング工程を示す断面図である。
【図１１Ｔ】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法における第４レジスト除去工程を示す断面図である。
【図１１Ｕ】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法における第２金属層形成工程を示す断面図である。
【図１１Ｖ】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法における第５レジスト形成工程を示す断面図である。
【図１１Ｗ】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法における第２金属層パターニング工程を示す断面図である。
【図１１Ｘ】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法における第５レジスト除去工程を示す断面図である。
【図１１Ｙ】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法における第２層間絶縁層形成工程を示す断面図である。
【図１２】実施の形態１の変形例１に係る半導体装置の断面図である。
【図１３Ａ】実施の形態１の変形例１に係る半導体装置の製造方法において、第１層間絶縁層の凹部に第１金属層、第１固体電解質層及び配線層を埋め込み形成する工程を示す断面図である。
【図１３Ｂ】実施の形態１の変形例１に係る半導体装置の製造方法において、研磨工程を示す断面図である。
【図１３Ｃ】実施の形態１の変形例１に係る半導体装置の製造方法において、下層の配線構造体の上に凹部を有する第２層間絶縁層を形成する工程を示す断面図である。
【図１３Ｄ】実施の形態１の変形例１に係る半導体装置の製造方法において、第２層間絶縁層の凹部に第２配線路を埋め込み形成する工程を示す断面図である。
【図１４】実施の形態１の変形例２に係る半導体装置の断面図である。
【図１５】実施の形態１の変形例３に係る半導体装置の断面図である。
【図１６】実施の形態１の変形例４に係る半導体装置の断面図である。
【図１７】実施の形態１の変形例５に係る半導体装置の断面図である。
【図１８Ａ】実験で用いた配線構造体の平面図である。
【図１８Ｂ】図１８Ａの１８Ｂ−１８Ｂ線における配線構造体の断面図である。
【図１９】実験例に係る配線構造体における第１電極層の抵抗値と印加電圧との関係を示す図である。
【図２０Ａ】時間による電位差の変化を示す図である。
【図２０Ｂ】時間による抵抗の変化を示す図である。
【図２０Ｃ】時間による電流の変化を示す図である。
【図２１Ａ】実施の形態２の第１態様に係る配線構造体の構成を模式的に示す図である。
【図２１Ｂ】実施の形態２の第１態様に係る配線構造体の断面図である。
【図２１Ｃ】図２１Ｂの２１Ｃ−２１Ｃ線における実施の形態２の第１態様に係る配線構造体の断面図である。
【図２２】実施の形態２の第２態様に係る配線構造体及び半導体装置の構成を示す図である。
【図２３】実施の形態２の第２態様に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図２４】実施の形態２の第３態様に係る配線構造体及び半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２５Ａ】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法における第１層間絶縁層形成工程を示す断面図である。
【図２５Ｂ】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法における凹部形成工程を示す断面図である。
【図２５Ｃ】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法における第１金属層形成工程を示す断面図である。
【図２５Ｄ】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法における第１固体電解質層形成工程を示す断面図である。
【図２５Ｅ】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法における第１絶縁層形成工程を示す断面図である。
【図２５Ｆ】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法における配線層形成工程を示す断面図である。
【図２５Ｇ】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法における第１レジスト形成工程を示す断面図である。
【図２５Ｈ】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法における配線層パターニング工程を示す断面図である。
【図２５Ｉ】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法における第１レジスト除去工程を示す断面図である。
【図２５Ｊ】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法における第２絶縁層形成工程を示す断面図である。
【図２５Ｋ】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法における第２レジスト形成工程を示す断面図である。
【図２５Ｌ】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法における第１固体電解質層パターニング工程を示す断面図である。
【図２５Ｍ】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法における第２レジスト除去工程を示す断面図である。
【図２５Ｎ】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法における第３レジスト形成工程を示す断面図である。
【図２５Ｏ】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法における第１金属層パターニング工程を示す断面図である。
【図２５Ｐ】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法における第３レジスト除去工程を示す断面図である。
【図２５Ｑ】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法における第２固体電解質層形成工程を示す断面図である。
【図２５Ｒ】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法における第４レジスト形成工程を示す断面図である。
【図２５Ｓ】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法における第２固体電解質層パターニング工程を示す断面図である。
【図２５Ｔ】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法における第４レジスト除去工程を示す断面図である。
【図２５Ｕ】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法における第２金属層形成工程を示す断面図である。
【図２５Ｖ】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法における第５レジスト形成工程を示す断面図である。
【図２５Ｗ】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法における第２金属層パターニング工程を示す断面図である。
【図２５Ｘ】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法における第５レジスト除去工程を示す断面図である。
【図２５Ｙ】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法における第２層間絶縁層形成工程を示す断面図である。
【図２６Ａ】実施の形態３の第１態様に係る配線構造体の構成を模式的に示す図である。
【図２６Ｂ】実施の形態３の第１態様に係る配線構造体の断面図である。
【図２６Ｃ】図２６Ｂの２６Ｃ−２６Ｃ線における実施の形態３の第１態様に係る配線構造体の断面図である。
【図２７】実施の形態３の第２態様に係る配線構造体及び半導体装置の構成を示す図である。
【図２８】実施の形態３の第２態様に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図２９】実施の形態３の第３態様に係る配線構造体及び半導体装置の構成を示す断面図である。
【図３０Ａ】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法における第１層間絶縁層形成工程を示す断面図である。
【図３０Ｂ】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法における凹部形成工程を示す断面図である。
【図３０Ｃ】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法における第１金属層形成工程を示す断面図である。
【図３０Ｄ】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法における第１絶縁層形成工程を示す断面図である。
【図３０Ｅ】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法における第１固体電解質層形成工程を示す断面図である。
【図３０Ｆ】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法における配線層形成工程を示す断面図である。
【図３０Ｇ】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法における第１レジスト形成工程を示す断面図である。
【図３０Ｈ】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法における配線層パターニング工程を示す断面図である。
【図３０Ｉ】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法における第１レジスト除去工程を示す断面図である。
【図３０Ｊ】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法における第２レジスト形成工程を示す断面図である。
【図３０Ｋ】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法における第１固体電解質層パターニング工程を示す断面図である。
【図３０Ｌ】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法における第２レジスト除去工程を示す断面図である。
【図３０Ｍ】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法における第３レジスト形成工程を示す断面図である。
【図３０Ｎ】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法における第１金属層パターニング工程を示す断面図である。
【図３０Ｏ】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法における第３レジスト除去工程を示す断面図である。
【図３０Ｐ】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法における第２固体電解質層形成工程を示す断面図である。
【図３０Ｑ】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法における第４レジスト形成工程を示す断面図である。
【図３０Ｒ】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法における第２固体電解質層パターニング工程を示す断面図である。
【図３０Ｓ】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法における第４レジスト除去工程を示す断面図である。
【図３０Ｔ】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法における第２絶縁層形成工程を示す断面図である。
【図３０Ｕ】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法における第２金属層形成工程を示す断面図である。
【図３０Ｖ】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法における第５レジスト形成工程を示す断面図である。
【図３０Ｗ】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法における第２金属層パターニング工程を示す断面図である。
【図３０Ｘ】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法における第５レジスト除去工程を示す断面図である。
【図３０Ｙ】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法における第２層間絶縁層形成工程を示す断面図である。
【図３１Ａ】実施の形態４の第１態様に係る配線構造体の構成を模式的に示す図である。
【図３１Ｂ】実施の形態４の第１態様に係る配線構造体の断面図である。
【図３１Ｃ】図３１Ｂの３１Ｃ−３１Ｃ線における実施の形態４の第１態様に係る配線構造体の断面図である。
【図３２】実施の形態４の第２態様に係る配線構造体及び半導体装置の構成を示す図である。
【図３３】実施の形態４の第２態様に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図３４】実施の形態４の第３態様に係る配線構造体及び半導体装置の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本開示に係る配線構造体の一態様は、金属元素を主成分とし、一方向に延在する配線層と、前記配線層に対向する金属層と、前記配線層と前記金属層との間に位置し、少なくとも前記一方向に直交する面で切断したときの断面視において前記配線層を包むように形成された固体電解質層と、を備え、前記配線層と前記金属層とは、前記固体電解質層を介して電気的に絶縁されている。
【００１６】
この構成により、固体電解質層に電圧が印加されると、固体電解質層の内部でイオンが移動して配線層の電子濃度が増加する。これにより、配線層の抵抗値が低下するので、細線化に伴う配線層の抵抗値の増加を抑制できる。しかも、固体電解質層を有さない同じ線幅の配線構造体と比べて、抵抗値を下げることができる。
【００１７】
また、本開示に係る配線構造体の一態様では、前記断面視において、前記配線層は、対向する一対の側面及び底面を有し、前記金属層及び前記固体電解質は、いずれも、前記一対の側面及び前記側面の各々に対向していてもよい。
【００１８】
この構成により、断面形状が矩形状等の直線の辺で構成された配線層を有する配線構造体を容易に実現することができる。
【００１９】
あるいは、本開示に係る配線構造体の一態様では、前記断面視において、前記配線層は、円形又は楕円形であってもよい。
【００２０】
この構成により、断面形状が円形又は楕円形の配線層を有する配線構造体を容易に実現することができる。
【００２１】
この場合、前記配線層は、柱状のコンタクトプラグであってもよい。
【００２２】
この構成により、配線構造体を半導体装置の層間絶縁層等に用いられるコンタクトプラグとして用いることができる。
【００２３】
また、本開示に係る配線構造体の一態様では、前記断面視において、前記配線層の外周全体は、前記固体電解質層によって覆われており、前記断面視において、前記固体電解質層の外周全体は、前記金属層によって覆われているとよい。
【００２４】
この構成により、固体電解質層による配線層の抵抗値を低下させる効果を向上させることができるので、細線化に伴う配線層の抵抗値の増加を一層抑制することができる。
【００２５】
また、本開示に係る配線構造体の一態様では、前記断面視において、前記配線層の外周全体は、第１絶縁層によって覆われており、前記断面視において、前記第１絶縁層の外周全体は、前記固体電解質層によって覆われており、前記断面視において、前記固体電解質層の外周全体は、前記金属層によって覆われているとよい。
【００２６】
この構成により、配線層からの電子リークを抑制することができる。特に、配線層の線幅が細い場合には配線層から電子リークが発生しやすくなるが、第１絶縁層を設けることで、電子リークを効果的に抑制することができる。
【００２７】
あるいは、本開示に係る配線構造体の一態様では、前記断面視において、前記配線層の外周全体は、前記固体電解質層によって覆われており、前記断面視において、前記固体電解質層の外周全体は、第２絶縁層によって覆われており、前記断面視において、前記第２絶縁層の外周全体は、前記金属層によって覆われているとよい。
【００２８】
この構成により、配線層からの電子リークを抑制することができる。特に、配線層の線幅が細い場合には配線層から電子リークが発生しやすくなるが、第２絶縁層を設けることで、電子リークを効果的に抑制することができる。
【００２９】
あるいは、本開示に係る配線構造体の一態様では、前記断面視において、前記配線層の外周全体は、第１絶縁層によって覆われており、前記断面視において、前記第１絶縁層の外周全体は、前記固体電解質層によって覆われており、前記断面視において、前記固体電解質層の外周全体は、第２絶縁層によって覆われており、前記断面視において、前記第２絶縁層の外周全体は、前記金属層によって覆われているとよい。
【００３０】
この構成により、配線層からの電子リークを効果的に抑制することができる。特に、配線層の線幅が細い場合には配線層から電子リークが発生しやすくなるが、第１絶縁層および第２絶縁層を設けることで、第１絶縁層および第２絶縁層の一方のみを設ける場合と比べて、電子リークを効果的に抑制することができる。
【００３１】
また、本開示に係る配線構造体の一態様において、前記金属層の外周を覆う絶縁層をさらに備えるとよい。
【００３２】
この構成により、配線層、金属層及び固体電解質層によって構成された配線路が絶縁層内に埋め込まれた構造の配線構造体を実現することができる。
【００３３】
また、本開示に係る配線構造体の一態様では、前記断面視において、前記配線層の厚みに対する前記固体電解質層の厚みの比が１／４より大きくなっているとよい。
【００３４】
さらに、本開示に係る配線構造体の一態様では、前記断面視において、前記固体電解質層の厚みと前記配線層の厚みとの和が２０ｎｍ以下であるとよい。
【００３５】
さらに、本開示に係る配線構造体の一態様では、前記断面視において、前記配線層の幅は、１０ｎｍ以下であるとよい。
【００３６】
これらの構成により、固体電解質層による配線層の抵抗値を低下させる効果を一層向上させることができるので、細線化に伴う配線層の抵抗値の増加をさらに抑制することができる。
【００３７】
また、本開示に係る配線構造体の一態様では、前記断面視において、前記固体電解質層の厚みは、５ｎｍ以上であるとよい。
【００３８】
この構成により、電子リークの発生を抑制することができる。
【００３９】
また、本開示に係る配線構造体の一態様において、前記固体電解質層に電圧が印加されたときに、前記固体電解質層の内部を移動するイオンは、プロトンイオン、銀イオン、銅イオン、リチウムイオン、ニッケルイオン、マグネシウムイオン、鉄イオン、コバルトイオン及びマンガンイオンからなる群から選ばれる少なくとも１つであるとよい。
【００４０】
この構成により、固体電解質層に電圧が印加されたときに、固体電解質層の内部でカチオンが移動して配線層の電子濃度が増加する。これにより、配線層の抵抗値が低下するので、細線化に伴う配線層の抵抗値の増加を抑制できる。
【００４１】
あるいは、本開示に係る配線構造体の一態様において、前記固体電解質層に電圧が印加されたときに、前記固体電解質層の内部を移動するイオンは、ヒドリドイオン、水酸化物イオン、フッ化物イオン、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオン及び酸素イオンからなる群から選ばれる少なくとも１つであるとよい。
【００４２】
この構成により、固体電解質層に電圧が印加されたときに、固体電解質層の内部でアニオンが移動して配線層の電子濃度を増加させることができる。れにより、配線層の抵抗値が低下するので、細線化に伴う配線層の抵抗値の増加を抑制できる。
【００４３】
また、本開示に係る配線構造体の一態様において、前記固体電解質層は、窒化リン酸リチウム及び窒化リン酸マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも１種類の材料からなるとよい。
【００４４】
この構成により、固体電解質層を原子層堆積法によって容易に成膜することができるので、均一な膜厚で固体電解質層を成膜することができる。これにより、固体電解質層による配線層の抵抗値を低下させる効果を一層向上させることができるので、細線化に伴う配線層の抵抗値の増加をさらに抑制することができる。
【００４５】
さらに、本開示に係る配線構造体の一態様において、前記配線層は、コバルトを含む材料によって構成され、前記固体電解質層は、窒化リン酸リチウムを含む材料からなるとよい。
【００４６】
この構成により、固体電解質層による配線層の抵抗値を低下させる効果を確実に発揮させることができる。
【００４７】
また、本開示に係る半導体装置の一態様は、基板と、前記基板に形成されたトランジスタと、前記基板上に形成された、上記のいずれかの配線構造体と、を備える。
【００４８】
この構成により、動作時に抵抗値が低下する配線層を有する配線構造体を備える半導体装置を実現することができる。
【００４９】
また、本開示に係る半導体装置の一態様において、前記配線構造体の上に形成された層間絶縁層と、前記層間絶縁層に形成され、前記配線構造体の配線層よりも線幅が大きく、前記第１配線層とは材料の異なる第２配線層と、を備える。
【００５０】
この構成により、固体電解質層を有することで低抵抗化する配線層と固体電解質層を有さずに低抵抗である第２配線層とを備える半導体装置を実現することができる。
【００５１】
また、本開示に係る能動素子の動作方法の一態様は、配線構造体に電気的に接続された能動素子を動作させるための能動素子の動作方法であって、前記配線構造体は、金属を主成分とし、一方向に延在する配線層と、前記配線層に対向する金属層と、前記一方向に直交する面で切断したときの断面視において、前記配線層と前記金属層との間に位置し、前記配線層を包むように形成された固体電解質層と、を備え、前記配線層と前記金属層とは、前記固体電解質層を介して電気的に絶縁され、前記能動素子は、前記配線層に電気的に接続され、前記固体電解質層に電圧が印加された状態で、電気信号が前記能動素子から前記配線層に伝わり、又は、電気信号が前記配線層から前記能動素子に伝わる。
【００５２】
この構成により、配線構造体の配線層を低抵抗化できるとともに、低抵抗化された配線層を介して電気信号を遅延なく伝達させることができる。
【００５３】
また、本開示に係る能動素子の動作方法の一態様において、第１電圧を前記配線層に印加し、前記第１電圧より高い第２電圧を前記金属層に印加するとよい。
【００５４】
この構成により、固体電解質層の配線層側にカチオンを移動させることができるので、配線層の抵抗値を下げることができる。
【００５５】
また、本開示に係る配線構造体の製造方法の一態様は、絶縁層に形成された一方向に延在する凹部の内面に沿って金属層を形成する工程と、前記金属層を覆い、かつ、前記凹部を埋め込まないように固体電解質層を形成する工程と、前記固体電解質層に包まれるように、かつ、前記凹部を埋めるように配線層を形成する工程と、を含み、前記配線層と前記金属層とは、前記固体電解質層を介して、電気的に絶縁されている。
【００５６】
これにより、一方向に延在する配線層と金属層との間に固体電解質層が配置された構成の配線路を絶縁層の凹部に埋め込み形成された配線構造体を得ることができる。
【００５７】
また、本開示に係る配線構造体の製造方法の一態様では、前記固体電解質層を形成する工程において、前記固体電解質層は原子層堆積法を用いて形成されるとよい。
【００５８】
これにより、固体電解質層を成膜する下地が凹凸構造であっても均一な膜厚で固体電解質層を容易に成膜することができる。
【００５９】
また、本開示に係る配線構造体の製造方法の一態様は、前記配線構造体の上に層間絶縁層を形成する工程と、前記層間絶縁層に、前記配線構造体の配線層よりも線幅が大きく、前記第１配線層とは材料の異なる第２配線層を形成する工程と、を備えていてもよい。
【００６０】
これにより、配線構造体の上に、配線構造体の配線層よりも低抵抗の第２配線層を有する層間絶縁層を形成することができる。
【００６１】
また、本開示に係る配線構造体の製造方法の一態様は、前記絶縁層にコンタクトホールを形成する工程と、前記コンタクトホールに、柱状のコンタクトプラグを形成する工程と、を備えていてもよい。
【００６２】
これにより、柱状のコンタクトホールが形成された配線構造体を製造することができる。
【００６３】
また、本開示は、配線構造体の使用方法として利用することができる。具体的には、本開示に係る配線構造体の使用方法の一態様は、上記いずれかの配線構造体の使用方法であって、前記固体電解質層に電圧が印加された状態で、前記配線層に電気信号が伝わる。
【００６４】
また、本開示は、配線構造体の配線抵抗の制御方法として利用することができる。具体的には、本開示に係る配線構造体の配線抵抗の制御方法は、上記いずれかの配線構造体の配線抵抗の制御方法であって、前記固体電解質層に印加する電圧を変化させることにより、前記配線層の抵抗値を変化させる。
【００６５】
（実施の形態）
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の包括的又は一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、並びに、ステップ及びステップの順序等は、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００６６】
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において、縮尺等は必ずしも一致しない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
【００６７】
なお、本明細書及び図面において、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、三次元直交座標系の三軸を表している。Ｘ軸及びＹ軸は、互いに直交し、かつ、いずれもＺ軸に直交する軸である。本実施の形態では、配線構造体及び配線層が延在する方向である一の方向をＸ軸方向としている。
【００６８】
（実施の形態１）
［配線構造体及び半導体装置の構成］
まず、実施の形態１の第１態様に係る配線構造体１の構成について、図１Ａ〜図１Ｃを用いて説明する。図１Ａは、実施の形態１の第１態様に係る配線構造体１の構成を模式的に示す図である。図１Ｂは、同配線構造体１の断面図である。図１Ｃは、図１Ｂの１Ｃ−１Ｃ線における同配線構造体１の断面図である。
【００６９】
本実施の形態における配線構造体１は、例えば、半導体集積回路装置等の半導体装置に用いられる。具体的には、配線構造体１は、半導体装置において、回路素子同士を電気的に接続するための配線路１００を含む。したがって、配線構造体１の配線路１００は電気信号を伝搬する。
【００７０】
図１Ａ〜図１Ｃに示すように、配線構造体１の配線路１００は、一方向（本実施の形態ではＸ軸方向）に延在する線状に形成されている。この場合、配線路１００は、例えば１本の直線状に形成された直線路であるが、配線路１００は、一方向に延在する直線部分を含んで入れば、これに限るものではなく、部分的に屈曲していてもよい。配線路１００の形状は、半導体集積回路装置に用いられる公知の配線路の形状（配線パターン）を適用することができる。また、配線路１００は、曲線状に曲がっている部分を含んでいてもよい。
【００７１】
図１Ａ〜図１Ｃに示すように、配線構造体１は、配線層１０と、配線層１０に対向する金属層２０と、配線層１０と金属層２０との間に位置する固体電解質層３０とを備える。配線路１００は、配線層１０と金属層２０と固体電解質層３０とによって構成されている。本実施の形態において、配線構造体１は、配線路１００そのものである。
【００７２】
配線層１０は、配線路１００において、主として電気信号を伝搬させるための信号線として機能する。配線層１０は、金属元素を主成分とする配線である。配線層１０を構成する金属元素は、コバルト（Ｃｏ）、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、及びルテニウム（Ｒｕ）からなる群から選ばれる少なくとも１つである。本実施の形態において、配線層１０は、コバルトを含む金属材料によって構成されている。
【００７３】
また、配線層１０は、長尺状であり、一方向（本実施の形態ではＸ軸方向）に延在している。配線層１０は、配線構造体１の主な形状をなす部分である。したがって、配線層１０は、一例としては直線状であるが、一方向に延在する直線部分を含んで入れば、部分的に屈曲していてもよい。
【００７４】
金属層２０は、金属元素を主成分とする材料によって構成されている。具体的には、金属層２０は、窒化チタン（ＴｉＮ）、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ３）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、クロム酸リチウム（ＬｉＣｒＯ２）、タングステン酸銀（Ａｇ２ＷＯ４）、タングステン酸銅（ＣｕＷＯ４）、及びタングステン酸リチウム（Ｌｉ２ＷＯ４）からなる群から選ばれる少なくとも１つによって構成されている。本実施の形態において、金属層２０は、窒化チタン（ＴｉＮ）によって構成されている。なお、金属層２０は、これらの材料に限らず、白金、金、イリジウム、タングステン、ルテニウム、パラジウム及びロジウムのいずれかを主成分とする材料によって構成されていてもよい。
【００７５】
金属層２０の形状は、金属層２０が配線層１０に対向していれば、特に限定されるものではない。本実施の形態において、金属層２０は、配線層１０と同様に、一方向（本実施の形態ではＸ軸方向）に延在している。
【００７６】
また、金属層２０は、少なくとも配線層１０が延在する方向である一方向に直交する面（本実施の形態ではＹＺ断面であり、以下、この面のことをＹＺ断面という）で切断したときの断面視において、配線層１０及び固体電解質層３０を包むように形成されている。具体的には、金属層２０は、ＹＺ断面で切断したときの断面視において配線層１０及び固体電解質層３０の全体を覆うように形成されている。なお、本実施の形態において、金属層２０は、配線路１００の最外郭を構成しているが、これに限らない。
【００７７】
固体電解質層３０は、窒化リン酸リチウム（ＬｉＰＯＮ）及び窒化リン酸マグネシウム（ＭｇＰＯＮ）からなる群から選ばれる少なくとも１種類の材料によって構成されている。本実施の形態において、固体電解質層３０は、窒化リン酸リチウム（ＬｉＰＯＮ）を含む材料によって構成されている。具体的には、固体電解質層３０は、窒化リン酸リチウム（ＬｉＰＯＮ）のみによって構成されている。窒化リン酸リチウム（ＬｉＰＯＮ）は結晶ではなくアモルファス構造となっている。
【００７８】
また、固体電解質層３０の材料は、これらに限るものではない。例えば、固体電解質層３０は、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルビロリドン、ポリアクリルニトリル、ポリフッ化ビニリデン、及びポリメチルメタクリレートからなる群から選ばれる少なくとも１種類の材料を含む材料によって構成されていてもよい。
【００７９】
あるいは、固体電解質層３０は、金属塩を含む高分子からなる高分子電解質によって構成されていてもよい。この場合、金属塩は、銀電解質塩、銅電解質塩、ニッケル電解質塩、マグネシウム電解質塩、鉄電解質塩、コバルト電解質塩、又はマンガン電解質塩であり、かつ高分子は、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルビロリドン、ポリアクリルニトリル、ポリフッ化ビニリデン又はポリメチルメタクリレートによって構成されている。
【００８０】
固体電解質層３０は、ヨウ化銀（ＡｇＩ）、ヨウ化銅（ＣｕＩ）、ヨウ化リチウム（ＬｉＩ）、臭化銀（ＡｇＢｒ）、臭化銅（ＣｕＢｒ）、臭化リチウム（ＬｉＢｒ）、又はヨウ化銀ルビジウム（ＲｂＡｇ４Ｉ５）から形成されていてもよい。
【００８１】
また、固体電解質層３０は、硫化ゲルマニウム（ＧｅＳ）、硫化銀（Ａｇ２Ｓ）、硫化銅（Ｃｕ２Ｓ）、セレン化ゲルマニウム（ＧｅＳｅ）、セレン化銀（Ａｇ２Ｓｅ）、セレン化銅（Ｃｕ２Ｓｅ）、テルル化ゲルマニウム（ＧｅＴｅ）、テルル化アンチモン（ＳｂＴｅ）、又はテルル化ゲルマニウムアンチモン（ＧｅＳｂＴｅ）から形成されていてもよい。
【００８２】
あるいは、固体電解質層３０は、結晶体から形成されていてもよい。この場合、結晶体は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）結晶体、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）結晶体、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）結晶体、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）結晶体、酸化タングステン（ＷＯ３）結晶体、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）結晶体、酸化チタン（ＴｉＯ２）結晶体、酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）結晶体、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）結晶体、又はチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）結晶体を用いることができる。
【００８３】
固体電解質層３０に電圧が印加されると、固体電解質層３０の内部を固体電解質層３０に含まれる材料のイオンが移動する。具体的には、固体電解質層３０がカチオン伝導型である場合、固体電解質層３０に電圧が印加されたときに固体電解質層３０の内部を移動するイオンは、カチオンであり、例えば、プロトンイオン、銀イオン、銅イオン、リチウムイオン、ニッケルイオン、マグネシウムイオン、鉄イオン、コバルトイオン及びマンガンイオンからなる群から選ばれる少なくとも１つである。カチオン伝導型の材料の例は、ＬｉＰＯＮ（Ｌｉ＋伝導）、ＭｇＰＯＮ（Ｍｇ２＋伝導）、ＡｇＩ（Ａｇ＋伝導）、又はＣｕＩ（Ｃｕ＋伝導)である。一方、固体電解質層３０がアニオン伝導型である場合、固体電解質層３０に電圧が印加されたときに固体電解質層３０の内部を移動するイオンは、アニオンであり、酸素イオン等である。アニオン伝導型の材料の例は、ＺｒＯ２（Ｏ２−伝導）及びＹ２Ｏ３（Ｏ２−伝導）である。
【００８４】
固体電解質層３０は、少なくともＹＺ断面切断したときの断面視において、配線層１０を包むように形成されている。本実施の形態において、固体電解質層３０は、ＹＺ断面で切断したときの断面視において配線層１０の全体を覆うように形成されている。
【００８５】
また、固体電解質層３０は、配線層１０及び金属層２０と同様に、一方向（本実施の形態ではＸ軸方向）に延在している。つまり、配線層１０と金属層２０と固体電解質層３０とは、同じ方向に延在している。
【００８６】
本実施の形態において、固体電解質層３０は、配線層１０に接している。具体的には、固体電解質層３０の側面と配線層１０の側面とが面接触している。さらに、固体電解質層３０は、金属層２０に接している。具体的には、固体電解質層３０の側面と金属層２０の側面とが面接触している。
【００８７】
このように、配線構造体１では、配線層１０と金属層２０との間に固体電解質層３０が設けられており、配線層１０と金属層２０とは、固体電解質層３０を介して電気的に絶縁されている。また、本実施の形態において、ＹＺ断面で切断したときの断面視において、配線層１０の外周全体は、固体電解質層３０によって覆われている。また、固体電解質層３０の外周全体は、金属層２０によって覆われている。つまり、配線構造体１は、配線層１０を芯線とする三重構造になっている。
【００８８】
なお、図１Ａ〜図１Ｃに示される配線構造体１（配線路１００）は、長尺な円柱状である。また、配線層１０も長尺な円柱状である。したがって、ＹＺ断面で切断したときの断面視において、配線構造体１及び配線層１０は、円形又は楕円形である。具体的には、ＹＺ断面における配線構造体１及び配線層１０の形状は、円形である。したがって、配線層１０の側面は、曲面になっている。この場合、配線層１０を覆う固体電解質層３０は、薄肉円筒形状であり、固体電解質層３０を覆う金属層２０も、薄肉円筒形状である。
【００８９】
このように構成される配線構造体１は、固体電解質層３０に電圧が印加された状態で用いられる。具体的には、配線層１０と金属層２０とに電圧を印加して配線層１０と金属層２０とを所定の電位にすることで、固体電解質層３０に所定の電圧を印加することができる。つまり、配線層１０は、第１電極層として機能するとともに、金属層２０は、第２電極層として機能する。例えば、図１Ａに示すように、配線層１０に第１電圧Ｖ１を印加し、金属層２０に第１電圧Ｖ１とは異なる第２電圧Ｖ２を印加する。
【００９０】
なお、配線層１０及び固体電解質層３０を覆う金属層２０は、配線層１０及び固体電解質層３０に含まれる材料が配線路１００の外部に出ていることをバリアするバリア膜としても機能する。
【００９１】
ここで、固体電解質層３０に電圧を印加したときの固体電解質層３０の内部の様子について、図２Ａ及び図２Ｂを用いて説明する。
【００９２】
図２Ａは、固体電解質層３０としてカチオン伝導型（ｐ−ｔｙｐｅ）の固体電解質層３０ｐを用いた場合に、配線構造体１の配線層１０に印加する第１電圧Ｖ１を金属層２０に印加する第２電圧Ｖ２よりも低くしたとき（Ｖ１＜Ｖ２）の固体電解質層３０ｐの内部の様子を示している。
【００９３】
この場合、固体電解質層３０ｐの内部では、正に荷電しているカチオン（ここではリチウムイオン（Ｌｉ＋））が、電位が低い方の配線層１０側に移動する。この結果、配線層１０の電子濃度が増加することになり、配線層１０の抵抗値が低下する。つまり、配線構造体１の抵抗値が低下する。ちなみに固体電解質層３０ｐでカチオン（リチウムイオン）が移動することによりカチオンが欠乏して負電荷が発生するが、それらは金属層２０近傍の領域に集積する。
【００９４】
一方、図２Ｂは、固体電解質層３０としてアニオン伝導型（ｎ−ｔｙｐｅ）の固体電解質層３０ｎを用いた場合に、配線構造体１配線層１０に印加する第１電圧Ｖ１を金属層２０に印加する第２電圧Ｖ２よりも低くしたとき（Ｖ１＜Ｖ２）の固体電解質層３０ｎの内部の様子を示している。
【００９５】
この場合、固体電解質層３０ｎの内部では、酸素イオン（Ｏ２−）等の負に荷電しているアニオンが、電位が高い方向の金属層２０側に移動する。これにより、固体電解質層３０のうち配線層１０近傍の領域ではアニオンが欠乏することにより発生した正の電荷が集積する。この結果、配線層１０の電子濃度が増加することになり、配線層１０の抵抗値が低下する。つまり、配線構造体１の抵抗値が低下する。
【００９６】
なお、固体電解質層３０がアニオン伝導型とするかカチオン伝導型とするは、固体電解質層３０に含まれる材料によって決定することができる。また、固体電解質層３０に印加される電圧（電位差）は、一例として３Ｖであるが、これに限らない。
【００９７】
次に、実施の形態１の第２態様に係る配線構造体１Ａについて、図３を用いて説明する。図３は、実施の形態１の第２態様に係る配線構造体１Ａの構成とこの配線構造体１Ａが用いられる半導体装置２の構成とを示す図である。
【００９８】
図３に示すように、配線構造体１Ａは、配線層１０、金属層２０及び固体電解質層３０に加えて、さらに、絶縁層４０を備える。配線層１０、金属層２０及び固体電解質層３０は、図１Ａ〜図１Ｃと同様に、配線路１００Ａを構成している。
【００９９】
絶縁層４０には、凹部４０ａが形成されている。凹部４０ａは、配線路１００Ａと同じ方向に沿って延在する溝である。配線路１００Ａは、凹部４０ａに埋め込まれている。したがって、絶縁層４０は、配線路１００Ａの金属層２０の外周を覆っている。つまり、金属層２０は、絶縁層４０の上に形成されている。図３において、金属層２０は、凹部４０ａの内面に沿って形成されている。絶縁層４０は、例えば二酸化シリコン又は炭化シリコン酸化膜（ＳｉＯＣ）等の絶縁材料によって構成された絶縁膜である。絶縁層４０は、基板５０の上に形成されている。
【０１００】
また、図１Ａ〜図１Ｃに示される配線路１００は、全体が円柱状であったが、図３に示される配線路１００Ａは、全体が直方体状である。具体的には、配線路１００ＡをＹＺ断面で切断したときの断面視において、配線層１０は、矩形状であり、対向する一対の側面１０ａ及び底面１０ｂを有する。金属層２０及び固体電解質層３０はいずれも、配線層１０の一対の側面１０ａ及び底面１０ｂの各々に対向している。
【０１０１】
図３に示される配線路１００Ａでも、図１Ａに示される配線路１００と同様に、固体電解質層３０は、配線層１０を包むように形成されている。また、金属層２０は、配線層１０及び固体電解質層３０を包むように形成されている。
【０１０２】
ただし、図３に示される配線路１００Ａでは、固体電解質層３０は、配線層１０の外周全体を覆っておらず、また、金属層２０も、配線層１０及び固体電解質層３０の外周全体を覆っていない。具体的には、金属層２０及び固体電解質層３０は、配線層１０の一対の側面１０ａ及び底面１０ｂの各々を覆っているが、配線層１０の上面は覆っていない。本実施の形態において、配線路１００Ａにおける金属層２０及び固体電解質層３０は、断面コの字形状であり、一対の側壁部と底面部とを有する。なお、固体電解質層３０は、金属層２０の一対の側面１０ａ及び底面１０ｂの各々に接している。
【０１０３】
また、図３に示すように、半導体装置２は、基板５０と、基板５０に上に形成された配線構造体１Ａとを備える。
【０１０４】
基板５０は、シリコン基板又はＧａＮ基板等の半導体基板であってもよいし、ガラス基板又は樹脂基板等の絶縁材料によって構成された絶縁基板であってもよい。また、基板５０は、可撓性を有さないリジッド基板であってもよいし、可撓性を有するフレキシブル基板であってもよい。
【０１０５】
なお、基板５０の上に形成される配線構造体１Ａに含まれる配線路１００Ａは、１つに限らない。具体的には、図４に示される半導体装置３のように、基板５０上の配線構造体１Ａには、複数の配線路１００Ａが含まれていてもよい。この場合、絶縁層４０には、複数の凹部４０ａが形成されており、各凹部４０ａには、配線路１００Ａが埋め込まれている。
【０１０６】
また、図５に示すように、半導体装置４は、さらに、基板５０と、基板５０上に形成された配線構造体１Ａと、基板５０に形成されたトランジスタ６０とを備えていてもよい。配線構造体１Ａの配線路１００Ａは、トランジスタ６０のソース／ドレインと電気的に接続されている。トランジスタ６０は、能動素子の一例であり、例えばMetal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（ＭＯＳＦＥＴ）である。
【０１０７】
なお、半導体装置４には、その他の回路素子として、トランジスタ６０以外にダイオード等の能動素子が形成されていてもよいし、キャパシタ又は抵抗等の受動素子が形成されていてもよい。配線構造体１Ａの配線路１００Ａは、これらの回路素子同士を電気的に接続するための配線として機能する。
【０１０８】
このように構成される半導体装置４を用いることで、能動素子であるトランジスタ６０を動作させるための能動素子の動作方法を実現することができる。この場合、配線構造体１Ａの固体電解質層３０に電圧が印加された状態で、電気信号がトランジスタ６０から配線層１０に伝わり、又は、電気信号が配線層１０からトランジスタ６０に伝わる。つまり、配線構造体１Ａにおいては、電気信号がトランジスタ６０から配線層１０に伝わるように固体電解質層３０に電圧が印加されていればよい。あるいは、電気信号が配線層１０からトランジスタ６０に伝わるように固体電解質層３０に電圧が印加されていればよい。
【０１０９】
例えば、上述の図２Ａに示すように、固体電解質層３０としてカチオン伝導型の固体電解質層を用いる場合には、第１電圧Ｖ１を配線層１０に印加して、第１電圧Ｖ１より高い第２電圧Ｖ２を金属層２０に印加する。これにより、固体電解質層３０内をカチオンが配線層１０近傍に移動し、配線層１０の電子濃度が増加するので配線層１０の抵抗値を下げることができる。
【０１１０】
一方、上述の図２Ｂに示すように、固体電解質層３０としてアニオン伝導型の固体電解質層を用いた場合には、第１電圧Ｖ１を配線層１０に印加して、第１電圧Ｖ１より高い第２電圧Ｖ２を金属層２０に印加する。これにより、固体電解質層３０内をアニオンが移動し、配線層１０の固体電解質層側近傍の電子濃度が増加し配線層１０の抵抗値を下げることができる。
【０１１１】
このような半導体装置４の構成により、配線構造体１Ａの配線路１００Ａ（配線層１０）を低抵抗化できるとともに、低抵抗化された配線路１００Ａを介して電気信号を遅延なく伝達させることができる。
【０１１２】
また、このような配線構造体１Ａ及び半導体装置４の使用方法によって、配線構造体１Ａの配線層１０に電気信号を伝えることができる。つまり、固体電解質層３０に電圧が印加された状態で配線構造体１Ａ及び半導体装置４を使用することで、配線構造体１Ａの配線層１０に電気信号が伝わる。
【０１１３】
ここで、トランジスタ６０を含む半導体装置の具体例について、図６を用いて説明する。図６は、トランジスタ６０を含む半導体装置５の具体的な断面図を示している。図６に示される半導体装置５は、多層配線構造を有する。このような構造を有する半導体装置５としては、固体撮像装置の半導体集積回路装置又はディスプレイデバイスのＴＦＴ基板等が挙げられる。
【０１１４】
図６に示すように、半導体装置５は、基板５０と、基板５０の上に形成された第１層間絶縁層４１と、第１層間絶縁層４１の上に形成された第２層間絶縁層４２と、第２層間絶縁層４２の上に形成された第３層間絶縁層４３とを備える。
【０１１５】
また、半導体装置５は、第１層間絶縁層４１に埋め込まれた第１配線１００ａと、第２層間絶縁層４２に埋め込まれた第２配線１００ｂと、第３層間絶縁層４３に埋め込まれた第３配線１００ｃとを備える。
【０１１６】
半導体装置５は、トランジスタ６０として第１トランジスタ６１及び第２トランジスタ６２を備える。さらに、半導体装置５は、第１トランジスタ６１と第１配線１００ａとを接続するコンタクトプラグ１００ｐを備える。
【０１１７】
図６において、基板５０は、半導体基板である。基板５０には、第１トランジスタ６１及び第２トランジスタ６２のドレイン領域６０ｄを構成する不純物拡散領域と、第１トランジスタ６１及び第２トランジスタ６２のソース領域６０ｓを構成する不純物領域とが形成されている。また、第１層間絶縁層４１には、第１トランジスタ６１及び第２トランジスタ６２のゲート電極６０ｇが形成されている。
【０１１８】
コンタクトプラグ１００ｐは、第１層間絶縁層４１に埋め込まれており、第１トランジスタ６１のドレイン領域６０ｄと第１配線１００ａとを接続している。
【０１１９】
半導体装置５には、例えば図３〜図５に示される配線構造体１Ａが用いられる。この場合、配線構造体１Ａの配線路１００Ａは、第１配線１００ａ、第２配線１００ｂ、第３配線１００ｃ及びコンタクトプラグ１００ｐの少なくともいずれか１つに用いられる。
【０１２０】
なお、第１配線１００ａ、第２配線１００ｂ、又は第３配線１００ｃに配線路１００Ａを適用する場合、配線路１００Ａ及び配線層１０が延在する一の方向（本実施の形態ではＸ軸方向）は、紙面に垂直な方向となる。また、コンタクトプラグ１００ｐに配線路１００Ａを適用する場合、配線路１００Ａ及び配線層１０が延在する一の方向は、紙面の上下方向となる。
【０１２１】
次に、実施の形態１に係る配線構造体の他の態様について、図７を用いて説明する。図７は、実施の形態１の第３態様に係る配線構造体１Ｂの構成とこの配線構造体１Ｂが用いられる半導体装置６の構成とを示す断面図である。
【０１２２】
図７に示される半導体装置６は、基板５０と、基板５０の上に形成された配線構造体１Ｂとを備える。
【０１２３】
配線構造体１Ｂは、第１配線路１０１、第２配線路１０２及び第３配線路１０３の３つの配線路と、第１層間絶縁層４１及び第２層間絶縁層４２の２つの絶縁層とを備える。
【０１２４】
第１配線路１０１、第２配線路１０２及び第３配線路１０３は、上述の配線構造体１の配線路１００及び配線構造体１Ａの配線路１００Ａと同様に、それぞれ、配線層１０Ｂと金属層２０Ｂと固体電解質層３０Ｂとによって構成されている。
【０１２５】
本実施の形態において、配線層１０Ｂは、第１配線層１１と第２配線層１２とによって構成されている。また、金属層２０Ｂは、第１金属層２１と第２金属層２２とによって構成されており、固体電解質層３０Ｂは、第１固体電解質層３１と第２固体電解質層３２とによって構成されている。
【０１２６】
第１配線層１１は、凹部４１ａ内に埋め込まれる下側配線層である。具体的には、第１配線層１１は、凹部４１ａ内に形成される溝状の第１固体電解質層３１内に埋め込まれている。第２配線層１２は、第１配線層１１の上に位置する上側配線層であり、凹部４１ａ以外に位置する第１固体電解質層３１の表面に形成される。
【０１２７】
第１金属層２１は、凹部４１ａ内の内面に沿って形成される下側金属層である。第１金属層２１は、凹部４１ａの一対の側面及び底面に沿って形成されている。第２金属層２２は、第１金属層２１の上に位置する上側金属層であり、第２固体電解質層３２を覆う上金属層である。
【０１２８】
第１固体電解質層３１は、第１金属層２１と配線層１０Ｂとの間に位置する下側固体電解質層である。第２固体電解質層３２は、第１固体電解質層３１の上に位置する上側固体電解質層であり、配線層１０Ｂと第２金属層２２との間に位置している。
【０１２９】
配線構造体１Ｂにおいて、第１配線路１０１及び第２配線路１０２は、第１配線層１１及び第２配線層１２からなる配線層１０Ｂと、第１金属層２１及び第２金属層２２からなる金属層２０Ｂと、第１固体電解質層３１及び第２固体電解質層３２からなる固体電解質層３０Ｂとを有する。
【０１３０】
一方、第３配線路１０３は、第１配線層１１のみからなる配線層１０Ｂと、第１金属層２１及び第２金属層２２からなる金属層２０Ｂと、第１固体電解質層３１及び第２固体電解質層３２からなる固体電解質層３０Ｂとを有する。つまり、第３配線路１０３は、第１配線路１０１及び第２配線路１０２とは異なり、第２配線層１２を有していない。
【０１３１】
また、第２配線路１０２と第３配線路１０３とでは、第１金属層２１及び第２金属層２２が共通になっているとともに、第１固体電解質層３１と第２固体電解質層３２とが共通になっている。
【０１３２】
第１層間絶縁層４１は、基板５０の上に形成されている。第１層間絶縁層４１は、最下層の絶縁層である。第１層間絶縁層４１には、複数の凹部４１ａが形成されている。第１配線路１０１、第２配線路１０２、及び第３配線路１０３の一部は、凹部４１ａに埋め込まれている。
【０１３３】
第２層間絶縁層４２は、第１配線路１０１、第２配線路１０２、及び第３配線路１０３を覆うように第１層間絶縁層４１の上方に形成されている。つまり、第１配線路１０１、第２配線路１０２、及び第３配線路１０３は、第１層間絶縁層４１と第２層間絶縁層４２との間に埋め込まれている。
【０１３４】
図７に示される配線構造体１Ｂについてのこれら以外の構成は、基本的には、上述の配線構造体１Ａの配線路１００Ａと同様の構成である。なお、第１配線層１１及び第２配線層１２の材料は、上述の配線路１００Ａの配線層１０と同じ材料を用いることができる。同様に、第１金属層２１及び第２金属層２２の材料及び第１固体電解質層３１及び第２固体電解質層３２の材料は、上述の配線路１００Ａにおける金属層２０及び固体電解質層３０と同じ材料を用いることができる。また、第１層間絶縁層４１及び第２層間絶縁層４２についても、上述の配線路１００Ａにおける絶縁層４０と同じ材料を用いることができる。
【０１３５】
［配線構造体の効果］
次に、本実施の形態に係る配線構造体の効果について、比較例の配線構造体と比較して説明する。
【０１３６】
本実施の形態に係る配線構造体としては、図６の半導体装置５のコンタクトプラグ１００ｐに用いられる場合を想定し、図８Ａ及び図８Ｂに示される配線構造体７とした。図８Ａは、実施例に係る配線構造体７の断面図であり、図８Ｂは、図８Ａにおける８Ｂ−８Ｂ線における断面図である。なお、図８Ａでは、配線路１００及び配線層１０が延在する一の方向（本実施の形態ではＸ軸方向）を紙面の上下方向としている。
【０１３７】
図８Ａ及び図８Ｂに示される実施例に係る配線構造体７は、配線層１０と、金属層２０と、固体電解質層３０とを備える。また、配線層１０、金属層２０及び固体電解質層３０で構成される配線路１００は、円柱状である。
【０１３８】
図８Ａ及び図８Ｂに示すように、実施例に係る配線構造体７では、ＹＺ断面で切断したときの断面視において、配線構造体７の高さ（配線長）をＬとし、配線層１０の半径をｒＭとし、固体電解質層３０の厚みをｒＳＥとし、配線層１０と固体電解質層３０とで構成される半導体配線部ＳＣＬの半径をｒとする。なお、半導体配線部ＳＣＬの厚みｒは、配線層１０の半径ｒＭと固体電解質層３０の厚みｒＳＥとの和であるので、ｒ＝ｒＭ＋ｒＳＥとなる。
【０１３９】
一方、比較例に係る配線構造体は、図９Ａ及び図９Ｂに示される配線構造体７Ｘとした。図９Ａは、比較例に係る配線構造体７Ｘの断面図であり、図９Ｂは、図９Ａにおける９Ｂ−９Ｂ線における断面図である。
【０１４０】
図９Ａ及び図９Ｂに示される比較例に係る配線構造体７Ｘは、配線層１０Ｘと金属層２０Ｘとを備える。つまり、比較例に係る配線構造体７Ｘは、固体電解質層３０を有していない。また、配線層１０Ｘ及び金属層２０Ｘで構成される配線路１００Ｘは、円柱状である。
【０１４１】
図９Ａ及び図９Ｂに示すように、比較例に係る配線構造体７Ｘでは、ＹＺ断面で切断したときの断面視において、配線構造体７Ｘの高さ（配線長）をＬとし、配線層１０Ｘの半径をｒＭ（＝ｒ）とする。
【０１４２】
なお、実施例に係る配線構造体７と比較例に係る配線構造体７Ｘとでは、配線層１０と配線層１０Ｘの材料は同じであり、いずれもコバルト（Ｃｏ）とした。また、金属層２０及び金属層２０Ｘの材料も同じであり、いずれも窒化チタン（ＴｉＮ）とした。なお、実施例に係る配線構造体７における固体電解質層３０の材料は、窒化リン酸リチウム（ＬｉＰＯＮ）とした。また、実施例に係る配線構造体７の配線路１００と比較例に係る配線構造体７Ｘの配線路１００Ｘの全体形状は同じであり、比較例に係る配線構造体１では固体電解質層３０を有していない分を配線層１０Ｘとしている。
【０１４３】
まず、以下の文献１に基づいて、実施例に係る配線構造体７Ｘの低抵抗化効果を見積もる。文献１では、電極部として金（Ａｕ）を用いている。
【０１４４】
［文献１］
D. Daghero et al., “Large Conductance Modulation of Gold Thin Films by Huge Charge Injection via Electrochemical Gating”, PHYSICAL REVIEW LETTERS, PRL 108, 066807 (2012).
【０１４５】
ここで、文献１の実験で用いられているサンプルにおいて、固体電解質層に覆われているＡｕからなる電極部は、表面積ＳがＳ＝１．２×１０−４（ｃｍ２）であり、膜厚ｄがｄ＝４１×１０−７（ｃｍ）である。また、金の抵抗率ρは、ρ＝２．２×１０−６（Ωｃｍ）である。また、金のキャリア密度は、１．８５×１０１５（ｅ／ｃｍ２）である。
【０１４６】
この場合、文献１のＦｉｇ．４より、ΔＲ／Ｒ（３００ｋ）＝０．２／４．４であることから、厚さｔ＝４１ｎｍの場合の金の二次元のキャリア密度ｎＡｕ２Ｄ（ｔ＝４１ｎｍ）は、ｎＡｕ２Ｄ（ｔ＝４１ｎｍ）＝１．８５×１０１５／（０．２／４．４）＝４．０７×１０１６（ｅ／ｃｍ２）となる。
【０１４７】
したがって、金の三次元のキャリア密度ｎＡｕ３Ｄは、４１ｎｍの厚さ分を考慮して、ｎＡｕ３Ｄ＝（４．０７×１０１６）／（４１×１０−７）＝１×１０２２（ｅ／ｃｍ３）となる。
【０１４８】
この計算結果より、配線層１０を構成するコバルト（Ｃｏ）の効果を見積もる。具体的には、固体電解質層３０に側面が被覆された配線層１０の単位長さあたりの抵抗値を算出する。また、配線層１０の側面を覆う固体電解質層３０は、窒化チタン（ＴｉＮ）からなる金属層２０によって被覆されている。
【０１４９】
そして、上述のとおり、配線層１０と固体電解質層３０とで構成される半導体配線部ＳＣＬの厚みｒは、ｒ＝ｒＭ＋ｒＳＥである。
【０１５０】
ここで、配線層１０の半径ｒＭに対する半導体配線部ＳＣＬの半径ｒの比ｘをｘ＝ｒ／ｒＭとすると、半導体配線部ＳＣＬの抵抗値Ｒは、以下の式（１）で表すことができる。
【０１５１】
Ｒ＝（１／ＲＣｏ＋１／ＲＳＥ）−１・・・式（１）
【０１５２】
なお、（式１）において、ＲＣｏは、コバルト（Ｃｏ）で構成される配線層１０の抵抗値を表し、ＲＳＥは、窒化リン酸リチウム（ＬｉＰＯＮ）へ電圧を印加することで変化した、コバルト（Ｃｏ）で構成される配線層１０と窒化リン酸リチウム（ＬｉＰＯＮ）の界面の抵抗値を表している。
【０１５３】
そして、固体電解質層３０に印加される電圧ＶｇをＶｇ＝０Ｖとした場合における半導体配線部ＳＣＬの抵抗値Ｒ（Ｖ０）は、以下の（式２）で表すことができる。
【０１５４】
Ｒ（Ｖ０）＝１／（ｅ×μ）×（ｎＣｏ３Ｄ×π×（１／４）×（２×ｒ／ｘ）２）−１・・・（式２）
【０１５５】
また、固体電解質層３０に印加される電圧ＶｇをＶｇ≠０Ｖとした場合における半導体配線部ＳＣＬの抵抗値Ｒ（Ｖｇ）は、以下の（式３）で表すことができる。
【０１５６】
Ｒ（Ｖｇ）＝１／（ｅ×μ）×（ｎＣｏ３Ｄ×π×（１／４）×（２×ｒ／ｘ）２＋ｎＡｕ１Ｄ）−１・・・（式３）
【０１５７】
なお、（式２）及び（式３）において、μは、キャリア移動度を表し、ｎＣｏ３Ｄは、コバルトのキャリア体積密度を表している。ｎＡｕ１Ｄは、Ａｕの１次元的なキャリア密度を表している。
【０１５８】
ここで、固体電解質層３０に印加される電圧ＶｇをＶｇ＝５Ｖとした場合、半導体配線部ＳＣＬの長さＬがＬ＝１×１０−４ｃｍで、コバルトの抵抗率ρがρ＝５．８１×１０−６Ωｃｍであることから、コバルトのキャリア体積密度ｎＣｏ３Ｄを算出すると、ｎＣｏ３Ｄ＝（２．２／５．８）×１×１０２２（ｅ／ｃｍ３）＝３．８×１０２１（ｅ／ｃｍ３）となる。
【０１５９】
したがって、（式１）及び（式２）において、「１／（μ×ｅ×ｎＣｏ３Ｄ）」は、１／（μ×ｅ×ｎＣｏ３Ｄ）＝２８３（ｃｍ２／（Ｖ×ｓｅｃ））となる。
【０１６０】
また、固体電解質層３０により注入されるキャリア密度は、Ａｕのキャリア密度ｎＡｕ１Ｄと同じであるので、ｎＡｕ１Ｄ＝ｎＡｕ２Ｄ×２×π×ｒＭとなる。
【０１６１】
以上より、配線層１０の半径ｒＭをｒＭ＝ｒ／４とし、かつ、残りの３／４×ｒを固体電解質層３０の厚みｒＳＥとして、固体電解質層３０にＶｇ＝５Ｖの電圧を印加した場合に、全てのパラメータを（式３）に代入してＲ（Ｖｇ）を求めた。そして、このＲ（Ｖｇ）を、図８Ａ及び図８Ｂに示される実施例に係る配線構造体７の抵抗値Ｒとして、線幅２×ｒに対する依存性を図１０に示す。
【０１６２】
一方、配線層が固体電解質層で被覆されていない配線構造体については、図８Ａ及び図８Ｂにおいて、配線層１０の半径ｒＭ＝ｒとし、固体電解質層３０に電圧を印加していない場合として、関連するパラメータを（式２）に代入してＲ（Ｖ０）を求めた。このＲ（Ｖ０）を、図９Ａ及び図９Ｂに示される比較例の配線構造体７Ｘの抵抗値として、線幅２×ｒに対する依存性を図１０に示す。
【０１６３】
図１０に示すように、実施例に係る配線構造体７と比較例の配線構造体７Ｘとは、いずれも線幅が小さくなるにしたがって抵抗値が増加しているが、実施例に係る配線構造体７は、比較例の配線構造体７Ｘに比べて、細線化に伴う配線層の抵抗値の増加を抑制できていることが分かる。つまり、同じ線幅である場合、実施例に係る配線構造体７は、比較例の配線構造体７Ｘと比べて、配線層１０の抵抗値を下げることができる低抵抗化効果を得ることができる。
【０１６４】
また、同じ線幅で比べたときに比較例の配線構造体７Ｘに対する実施例に係る配線構造体７の抵抗値を低減することができる割合（抵抗低減率）は、以下の表１に示される結果になった。
【０１６５】
【表１】
2020179097.tif 000003
【０１６６】
表１に示すように、実施例に係る配線構造体７の抵抗低減率は、線幅が細くなるに従って大きくなることが分かる。つまり、実施例に係る配線構造体７によれば、線幅が細ければ細いほど、大きな低抵抗化効果を得ることができる。
【０１６７】
また、実施例に係る配線構造体７において、配線層１０の半径ｒＭと固体電解質層３０の厚みｒＳＥとの比を、ｒＭ：ｒＳＥ＝１：３と固定した場合、実施例に係る配線構造体７における低抵抗化効果は、ｒ＝５７．２ｎｍ以下、つまり、線幅（２×ｒ）としては、１１４．４ｎｍ以下で得ることができる。つまり、配線層１０の厚みに対する固体電解質層３０の厚みの比は、１／４より大きいことが望ましい。
【０１６８】
また、実施例に係る配線構造体７における低抵抗化効果は、固体電解質層３０内を移動する伝導イオンの価数が大きいほど大きい。例えば、固体電解質層３０の材料として、窒化リン酸マグネシウム（ＭｇＰＯＮ）を用いた場合、固体電解質層３０内を移動する伝導イオンは、２価のカチオンであるＭｇイオンである。一方、固体電解質層３０の材料として、窒化リン酸リチウム（ＬｉＰＯＮ）を用いた場合、固体電解質層３０内を移動する伝導イオンは、１価のカチオンであるＬｉイオンである。したがって、固体電解質層３０の材料として、窒化リン酸マグネシウム（ＭｇＰＯＮ）を用いた方が、窒化リン酸リチウム（ＬｉＰＯＮ）を用いた場合と比べて、２倍の低抵抗化効果を得ることができる。
【０１６９】
低抵抗化効果を得るとの観点では、ＹＺ断面で切断したときの断面視において、固体電解質層３０の厚みと配線層１０の厚みとの和が２０ｎｍ以下であることが望ましく、配線層１０の幅は、１０ｎｍ以下であるとよい。
【０１７０】
また、ＹＺ断面で切断したときの断面視において、固体電解質層３０の厚みは、５ｎｍ以上であるとよい。これより厚みが小さいと、電子リークが発生することが考えられるためである。
【０１７１】
なお、以上の実施例に係る配線構造体７の効果は、図１Ａ〜図１Ｃに示される円柱状の配線構造体１だけではなく、配線層１０と金属層２０との間に配置された固体電解質層３０を有する配線構造体及びその配線構造体を備える半導体装置でも得ることができる。具体的には、図３に示される半導体装置２、図４に示される半導体装置３、図５に示される
半導体装置４、図６に示される半導体装置５及び図７に示される半導体装置６の全てについて、細線化に伴う配線層の抵抗値の増加を抑制できる効果を得ることができる。また、固体電解質層３０を有さない同じ線幅の配線構造体と比べて、配線層の抵抗値を下げることができる低抵抗化効果も得ることができる。
【０１７２】
［配線構造体及び半導体装置の製造方法］
次に、実施の形態１に係る配線構造体及び半導体装置の製造方法について、図１１Ａ〜図１１Ｙを用いて説明する。図１１Ａ〜図１１Ｙは、図７に示される半導体装置６の製造方法を説明するための図である。
【０１７３】
まず、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、基板５０を準備して、基板５０の上に、第１層間絶縁層４１を形成する。基板５０としては、半導体基板又は絶縁基板を用いることができる。本実施の形態では、基板５０として、半導体基板が用いられる。また、第１層間絶縁層４１の材料としては、例えば、二酸化シリコン又は炭化酸化シリコン（ＳｉＯＣ）を用いることができる。第１層間絶縁層４１は、例えば、化学気相成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＣＶＤ）法によって成膜することができる。
【０１７４】
次に、図１１Ｃ及び図１１Ｄに示すように、第１層間絶縁層４１に、配線路１００を形成するための凹部４１ａを形成する。凹部４１ａは、一方向（本実施の形態ではＸ軸方向）に延在するように形成される。例えば、エッチングによりトレンチとなる凹部４１ａを第１層間絶縁層４１に形成する。本実施の形態では、複数の凹部４１ａを形成する。
【０１７５】
なお、本実施の形態では、配線路１００として、第１配線路１０１、第２配線路１０２及び第３配線路１０３の３つの配線路を形成する。したがって、図１１Ｃでは、これらの３つの配線路に対応して、３つの凹部４１ａが示されている。具体的には、図１１Ｃにおいて、右側の凹部４１ａが第１配線路１０１に対応し、左側の凹部４１ａが第２配線路１０２に対応し、中央の凹部４１ａが第３配線路１０３に対応する。なお、以下の工程では、この対応関係で、第１配線路１０１、第２配線路１０２及び第３配線路１０３を記載する。
【０１７６】
次に、図１１Ｅに示すように、第１層間絶縁層４１に形成された一方向に延在する凹部４１ａの内面に沿って第１金属層２１ｆを形成する。具体的には、第１層間絶縁層４１の表面と凹部４１ａの内側面及び底面とを覆うようにして第１層間絶縁層４１全体を覆うようにして第１金属層２１ｆを成膜する。本実施の形態では、スパッタリング法により第１金属層２１ｆとして窒化チタンからなる窒化チタン膜を成膜する。
【０１７７】
次に、図１１Ｆに示すように、第１金属層２１ｆを覆い、かつ、凹部４１ａを埋め込まないように第１固体電解質層３１ｆを形成する。具体的には、第１金属層２１ｆの表面全体を覆うように第１固体電解質層３１ｆを成膜する。このとき、第１固体電解質層３１ｆは、凹部４１ａ内に形成されていない第１金属層２１ｆの表面と凹部４１ａ内に形成された第１金属層２１ｆの内側面及び底面とを覆うようにして成膜される。第１固体電解質層３１ｆは、例えば、スパッタリング法又は原子層堆積（ＡＬＤ；Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により成膜することができる。
【０１７８】
この場合、第１固体電解質層３１ｆは、スパッタリング法ではなく、ＡＬＤ法で成膜する方がよい。ＡＬＤ法で第１固体電解質層３１ｆを成膜することで、第１固体電解質層３１を成膜する下地が凹凸構造を有していても、凹凸表面に沿って均一な膜厚の連続膜で第１固体電解質層３１ｆを容易に成膜することができる。つまり、凹部４１ａ内に形成されていない第１金属層２１ｆの表面上に均一な膜厚で第１固体電解質層３１ｆを成膜できるだけではなく、凹部４１ａの内面形状に沿って形成された凹状の第１金属層２１ｆの内側面及び底面にも均一な膜厚で第１固体電解質層３１ｆを成膜することができる。なお、本実施の形態では、ＡＬＤ法により第１固体電解質層３１ｆとして窒化リン酸リチウム（ＬｉＰＯＮ）を成膜する。窒化リン酸リチウム（ＬｉＰＯＮ）の成膜の詳細は例えば、米国特許第9809490号に記載されている。
【０１７９】
次に、図１１Ｇに示すように、第１固体電解質層３１ｆに包まれるように、かつ、凹部４１ａを埋めるように配線層１０ｆを形成する。具体的には、第１固体電解質層３１ｆのトレンチを埋めるように配線層１０ｆを成膜する。このとき、配線層１０ｆは、凹部４１ａ内に形成されていない第１固体電解質層３１ｆの表面と凹部４１ａ内に形成された第１固体電解質層３１ｆの内側面及び底面とを覆うようにして成膜される。本実施の形態では、ＣＶＤ法により配線層１０ｆとしてコバルト膜を成膜する。その後、コバルト膜は熱処理をする。
【０１８０】
次に、図１１Ｈに示すように、配線層１０ｆをパターニングするために、配線層１０ｆの上に所定形状の第１レジスト７１を形成する。例えば基板５０の上方の全面に感光性樹脂材料を成膜して露光及び現像することで所定形状の第１レジスト７１を形成することができる。なお、図１１Ｈでは、第１配線路１０１及び第２配線路１０２の上に第１レジスト７１を形成し、第３配線路１０３の上には第１レジスト７１を形成していない。
【０１８１】
次に、図１１Ｉに示すように、第１レジスト７１をマスクとして配線層１０ｆをエッチングすることで、配線層１０ｆをパターニングする。このとき、配線層１０ｆの直下の第１固体電解質層３１ｆが露出するまで配線層１０ｆを除去する。これにより、配線層１０ｆが部分的に除去されて分離され、所定形状の配線層１０Ｂを形成することができる。具体的には、第１レジスト７１の下の配線層１０ｆは、エッチングされずに残って、第１配線層１１及び第２配線層１２からなる配線層１０Ｂとなる。また、第１レジスト７１が形成されていない部分の配線層１０ｆは、第１固体電解質層３１ｆから上の部分がエッチングにより除去され、第１配線層１１のみからなる配線層１０Ｂとなる。このとき、第１レジスト７１が形成されていない部分の第１固体電解質層３１ｆが露出する。
【０１８２】
次に、図１１Ｊに示すように、第１レジスト７１を除去する。これにより、配線層１０Ｂが露出する。
【０１８３】
次に、図１１Ｋに示すように、第１固体電解質層３１ｆをパターニングするために、配線層１０Ｂを覆うように第１固体電解質層３１ｆの上に所定形状の第２レジスト７２を形成する。例えば基板５０の上方の全面に感光性樹脂材料を成膜して露光及び現像することで所定形状の第２レジスト７２を形成することができる。なお、図１１Ｋでは、第１配線路１０１の上に第２レジスト７２を形成するとともに第２配線路１０２と第３配線路１０３とに跨るように第２レジスト７２を形成し、第１配線路１０１と第３配線路１０３との間には第２レジスト７２を形成していない。
【０１８４】
次に、図１１Ｌに示すように、第２レジスト７２をマスクとして第１固体電解質層３１ｆをエッチングすることで、第１固体電解質層３１ｆをパターニングする。このとき、第１固体電解質層３１ｆの直下の第１金属層２１ｆが露出するまで第１固体電解質層３１ｆを除去する。これにより、第１固体電解質層３１ｆが部分的に除去されて分離され、所定形状の第１固体電解質層３１を形成することができる。具体的には、第２レジスト７２の下の第１固体電解質層３１ｆは、エッチングされずに残って、第１固体電解質層３１となる。また、第２レジスト７２が形成されていない部分の第１固体電解質層３１ｆは、エッチングにより除去される。
【０１８５】
次に、図１１Ｍに示すように、第２レジスト７２を除去する。これにより、配線層１０Ｂ及び第１固体電解質層３１が露出する。
【０１８６】
次に、図１１Ｎに示すように、第１金属層２１ｆをパターニングするために、配線層１０Ｂ及び第１固体電解質層３１を覆うように第１金属層２１ｆの上に所定形状の第３レジスト７３を形成する。例えば基板５０の上方の全面に感光性樹脂材料を成膜して露光及び現像することで所定形状の第３レジスト７３を形成することができる。なお、図１１Ｎでは、第１配線路１０１の上に第３レジスト７３を形成するとともに第２配線路１０２と第３配線路１０３とに跨るように第３レジスト７３を形成し、第１配線路１０１と第３配線路１０３との間には第３レジスト７３を形成していない。
【０１８７】
次に、図１１Ｏに示すように、第３レジスト７３をマスクとして第１金属層２１ｆをエッチングすることで、第１金属層２１ｆをパターニングする。このとき、第１金属層２１ｆの直下の第１層間絶縁層４１が露出するまで第１金属層２１ｆを除去する。これにより、第１金属層２１ｆが部分的に除去されて分離され、所定形状の第１金属層２１を形成することができる。具体的には、第３レジスト７３の下の第１金属層２１ｆは、エッチングされずに残って、第１金属層２１となる。また、第３レジスト７３が形成されていない部分の第１金属層２１ｆは、エッチングにより除去される。
【０１８８】
次に、図１１Ｐに示すように、第３レジスト７３を除去する。これにより、配線層１０Ｂ、第１固体電解質層３１及び第１金属層２１が露出する。
【０１８９】
次に、図１１Ｑに示すように、配線層１０Ｂ、第１固体電解質層３１及び第１金属層２１を覆うように第２固体電解質層３２ｆを形成する。具体的には、基板５０の上方の全面に第２固体電解質層３２ｆを成膜する。第２固体電解質層３２ｆは、例えば、スパッタリング法又は原子層堆積法により成膜することができる。第２固体電解質層３２ｆの材料は、第１固体電解質層３１ｆの材料と同じであるとよい。本実施の形態では、ＡＬＤ法により第２固体電解質層３２ｆとして窒化リン酸リチウム（ＬｉＰＯＮ）を成膜する。
【０１９０】
次に、図１１Ｒに示すように、第２固体電解質層３２ｆをパターニングするために、第２固体電解質層３２ｆの上に所定形状の第４レジスト７４を形成する。例えば第２固体電解質層３２ｆの全面に感光性樹脂材料を成膜して露光及び現像することで所定形状の第４レジスト７４を形成することができる。なお、図１１Ｒでは、第１配線路１０１の上に第４レジスト７４を形成するとともに第２配線路１０２と第３配線路１０３とに跨るように第４レジスト７４を形成していない。また、第１配線路１０１と第３配線路１０３との間では、第１固体電解質層３１から露出する第１金属層２１の上には、第３レジスト７３を形成していない。
【０１９１】
次に、図１１Ｓに示すように、第４レジスト７４をマスクとして第２固体電解質層３２ｆをエッチングすることで、第２固体電解質層３２ｆをパターニングする。このとき、第１金属層２１が露出するまで第２固体電解質層３２ｆを除去する。これにより、第２固体電解質層３２ｆが部分的に除去されて分離され、所定形状の第２固体電解質層３２を形成することができる。具体的には、第４レジスト７４の下の第２固体電解質層３２ｆは、エッチングされずに残って、第２固体電解質層３２となる。また、第４レジスト７４が形成されていない部分の第２固体電解質層３２ｆは、エッチングにより除去される。
【０１９２】
次に、図１１Ｔに示すように、第４レジスト７４を除去する。これにより、第２固体電解質層３２及び第１金属層２１の端部が露出する。
【０１９３】
次に、図１１Ｕに示すように、第２固体電解質層３２及び第１金属層２１の端部を覆うように第２金属層２２ｆを形成する。具体的には、第２固体電解質層３２の間の隙間を埋めるようにして基板５０の上方の全面に第２金属層２２ｆを成膜する。第２金属層２２ｆの材料は、第１金属層２１ｆの材料と同じであるとよい。本実施の形態では、スパッタリング法により第２金属層２２ｆとして窒化チタンからなる窒化チタン膜を成膜した。
【０１９４】
次に、図１１Ｖに示すように、第２金属層２２ｆをパターニングするために、第２金属層２２ｆの上に所定形状の第５レジスト７５を形成する。例えば第２金属層２２ｆ上の全面に感光性樹脂材料を成膜して露光及び現像することで所定形状の第５レジスト７５を形成することができる。なお、図１１Ｖでは、第１配線路１０１の上に第５レジスト７５を形成するとともに第２配線路１０２と第３配線路１０３とに跨るように第５レジスト７５を形成し、第１配線路１０１と第３配線路１０３との間には第５レジスト７５を形成していない。
【０１９５】
次に、図１１Ｗに示すように、第５レジスト７５をマスクとして第２金属層２２ｆをエッチングすることで、第２金属層２２ｆをパターニングする。このとき、第２固体電解質層３２が露出するまで第２金属層２２ｆを除去する。これにより、第２金属層２２ｆが部分的に除去されて分離され、所定形状の第２金属層２２を形成することができる。具体的には、第５レジスト７５の下の第２金属層２２ｆは、エッチングされずに残って、第２金属層２２となる。また、第５レジスト７５が形成されていない部分の第２金属層２２ｆは、エッチングにより除去される。これにより、第１金属層２１及び第２金属層２２からなる金属層２０Ｂが形成される。
【０１９６】
次に、図１１Ｘに示すように、第５レジスト７５を除去する。これにより、第２金属層２２が露出する。
【０１９７】
次に、図１１Ｙに示すように、第２金属層２２を覆うように第２層間絶縁層４２を形成する。第２層間絶縁層４２の材料としては、第１層間絶縁層４１と同様に、例えば、二酸化シリコン又は炭化シリコン酸化膜を用いることができる。第２層間絶縁層４２は、例えば、スパッタリング法又はＣＶＤ法によって成膜することができる。
【０１９８】
以上のようにして、第１配線路１０１、第２配線路１０２及び第３配線路１０３を含む配線構造体１Ｂを備える半導体装置６を作製することができる。つまり、図７に示される半導体装置６を作製することができる。
【０１９９】
なお、図７に示される半導体装置６以外の半導体装置及び配線構造体についても、図１１Ａ〜図１１Ｙに示される製造方法に準じて作製することができる。
【０２００】
（実施の形態１の変形例１）
次に、実施の形態１の変形例１に係る半導体装置８について、図１２を用いて説明する。図１２は、実施の形態１の変形例１に係る半導体装置８の断面図である。
【０２０１】
図１２に示すように、本変形例に係る半導体装置８は、基板５０と、基板５０の上に形成された配線構造体１Ａ（第１配線構造体）と、配線構造体１Ａの上に形成された第２配線構造体１Ｍとを備える。
【０２０２】
本変形例における配線構造体１Ａは、上記の図３に示される配線構造体１Ａと同じ構成である。ただし、配線構造体１Ａの絶縁層４０は、第１層間絶縁層４１として形成されている。具体的には、第１層間絶縁層４１は、基板５０の上に形成されている。
【０２０３】
第２配線構造体１Ｍは、第１層間絶縁層４１の上に形成された第２層間絶縁層４２と、第２層間絶縁層４２に形成された第２配線路１００Ｍとを備える。
【０２０４】
第２層間絶縁層４２の材料は、配線構造体１Ａの第１層間絶縁層４１（絶縁層４０）の材料と同じであってもよいし、異なっていてもよい。本変形例において、第２層間絶縁層４２は、フッ化ケイ素ガラス（Ｆｌｕｏｒｏｓｉｌｉｃａｔｅ  ｇｌａｓｓ；ＦＳＧ）等の低誘電体材料によって構成されている。
【０２０５】
また、第２配線路１００Ｍは、第２配線層１０Ｍと第２金属層２０Ｍとを備える。第２配線路１００Ｍは、配線構造体１Ａの配線路１００Ａ（第１配線路）と同様に、半導体装置８において、回路素子同士を電気的に接続するための配線である。
【０２０６】
第２配線層１０Ｍは、第２配線路１００Ｍにおいて、主として電気信号を伝搬させるための信号線として機能する。本変形例において、第２配線層１０Ｍは、長尺状であり、配線路１００Ａの配線層１０（第１配線層）と同様に、一方向（本実施の形態ではＸ軸方向）に延在している。
【０２０７】
また、第２配線層１０Ｍは、金属元素を主成分とする配線である。第２配線層１０Ｍの材料は、配線路１００Ａの配線層１０（第１配線層）の材料と同じであってもよいし、異なっていてもよい。本変形例において、第２配線層１０Ｍは、第１配線層（配線層１０）とは異なる材料によって構成されている。具体的には、第２配線層１０Ｍは銅（Ｃｕ）によって構成されている。
【０２０８】
第２金属層２０Ｍは、第２配線層１０Ｍに対向している。本変形例において、第２金属層２０Ｍは、第２配線層１０Ｍと同じ方向に延在している。また、第２金属層２０Ｍは、第２配線層１０Ｍを包むように形成されている。具体的には、第２金属層２０Ｍは、第２配線層１０Ｍの一対の側面及び底面を覆っている。
【０２０９】
また、第２金属層２０Ｍは、金属元素を主成分とする材料によって構成されている。第２金属層２０Ｍの材料は、配線路１００Ａの金属層２０（第１金属層）の材料と同じであってもよいし、異なっていてもよい。本変形例において、第２金属層２０Ｍは、窒化タンタル（ＴａＮ）によって構成されている。第２金属層２０Ｍは、第２配線層１０Ｍに含まれる材料（本変形例ではＣｕ）が第２配線路１００Ｍの外部に出ていることをバリアするバリア膜として機能する。
【０２１０】
本変形例において、第２配線構造体１Ｍの第２配線層１０Ｍは、配線構造体１Ａの配線層１０よりも線幅が大きい。したがって、第２配線構造体１Ｍの第２配線層１０Ｍの抵抗値は、配線構造体１Ａの配線層１０の抵抗値よりも小さい。これにより、第２配線構造体１Ｍの第２配線路１００Ｍの配線抵抗は、配線構造体１の配線層１０の配線抵抗よりも小さくなる。一例として、第２配線構造体１Ｍの第２配線層１０Ｍの線幅は、２０ｎｍである。
【０２１１】
このように、本変形例における半導体装置８によれば、上記実施の形態１における配線構造体１Ａを有しているので、上記実施の形態１と同様の効果を奏する。つまり、細線化に伴う配線層１０の抵抗値の増加を抑制できる。また、固体電解質層３０を有さない同じ線幅の配線構造体と比べて、配線層１０の抵抗値を下げることができる。
【０２１２】
さらに、本変形例における半導体装置８では、配線構造体１Ａの配線層１０よりも線幅が大きい第２配線層１０Ｍを有する第２配線構造体１Ｍを備える。これにより、固体電解質層３０を有することで低抵抗化する配線層１０と固体電解質層を有さなくても低抵抗である第２配線層１０Ｍとを備えるハイブリッド構造の半導体装置８を実現することができる。
【０２１３】
次に、本変形例に係る半導体装置８の製造方法について、図１３Ａ〜図１３Ｄを用いて説明する。図１３Ａ〜図１３Ｄは、実施の形態１の変形例１に係る半導体装置８の製造方法を説明するための図である。
【０２１４】
図１３Ａに示すように、まず、上記の図１１Ａ〜図１１Ｇに示される工程と同じ工程により、基板５０上に形成された第１層間絶縁層４１の凹部４１ａ内に、第１金属層２１ｆ、第１固体電解質層３１ｆ及び配線層１０ｆを埋め込む。
【０２１５】
次に、図１３Ｂに示すように、例えば、化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ；ＣＭＰ）法により、第１層間絶縁層４１の表面が露出するまで、配線層１０ｆ、第１固体電解質層３１ｆ及び第１金属層２１ｆを研磨して第１層間絶縁層４１よりも上の部分を除去するする。これにより、基板５０の上に、第１層間絶縁層４１に埋め込まれた配線路１００Ａを有する配線構造体１Ａを形成することができる。なお、本変形例では、複数の配線路１００Ａを有する配線構造体１Ａを形成する。
【０２１６】
次に、図１３Ｃに示すように、配線構造体１Ａの上に、凹部４２ａを有する第２層間絶縁層４２を形成する。具体的には、まず、ＣＶＤ法により第２層間絶縁層４２を成膜し、エッチングにより第２層間絶縁層４２に第２配線路１００Ｍを形成するための凹部４２ａを形成する。このとき、凹部４２ａの幅は、配線構造体１Ａの第１層間絶縁層４１に形成された凹部４１ａの幅よりも大きくする。凹部４２ａの幅は、一例として、２０ｎｍである。
【０２１７】
次に、図１３Ｄに示すように、第２層間絶縁層４２の凹部４２ａ内に埋め込まれた第２配線路１００Ｍを形成する。具体的には、まず、スパッタ法により、凹部４２ａの内面に沿って窒化タンタルからなる第２金属層２０Ｍを形成し、その後、窒化タンタルからなる第２金属層２０Ｍ上に、スパッタ法により銅の薄膜を形成し、それをシード層としてメッキ法により凹部４２ａが埋まるように第２配線層１０Ｍを堆積させる。第２配線層１０Ｍの材料としては、例えば銅（Ｃｕ）を用いることができる。なお、凹部４２ａからはみ出した第２配線層１０Ｍについては、ＣＭＰにより第２層間絶縁層４２が露出するまで研磨することで除去する。
【０２１８】
以上のようにして、最下層の第１層間絶縁層４１には、コバルトからなる配線層１０及び固体電解質層３０を有する配線路１００Ａが埋め込み形成され、第１層間絶縁層４１の上層である第２層間絶縁層４２には、銅からなる第２配線層１０Ｍを有する第２配線路１００Ｍが埋め込み形成された半導体装置８を作製することができる。
【０２１９】
なお、さらに、配線路１００Ａが埋め込み形成された第１層間絶縁層４１及び第２配線路１００Ｍが埋め込み形成された第２層間絶縁層４２の少なくとも一方を複数回繰り返して形成することで、例えば、上述の図６に示すような多層配線構造の半導体装置５を形成することができる。
【０２２０】
（実施の形態１の変形例２）
次に、実施の形態１の変形例２に係る半導体装置６Ｃについて、図１４を用いて説明する。図１４は、実施の形態１の変形例２に係る半導体装置６Ｃの断面図である。
【０２２１】
図１４に示すように、本変形例に係る半導体装置６Ｃは、図７に示される半導体装置６に対して、配線構造体１Ｃにおける第１配線路１０１と第３配線路１０３との間の構造が異なる。
【０２２２】
具体的には、図７に示される半導体装置６では、第１配線路１０１と第３配線路１０３との間に、金属層２０Ｂの第２金属層２２にまで第２固体電解質層３２が形成されている。これに対して、図１４に示すように、本変形例に係る半導体装置６Ｃでは、第１配線路１０１と第３配線路１０３との間には、金属層２０Ｂの第２金属層２２にまで第２固体電解質層３２が形成されておらず、第１配線路１０１と第３配線路１０３との間の第２固体電解質層３２は、金属層２０Ｂの第１金属層２１までしか形成されていない。このため、第１配線路１０１と第３配線路１０３との間における第２金属層２２の側部には、第２層間絶縁層４２Ｃが埋め込まれている。
【０２２３】
以上、本変形例に係る半導体装置６Ｃにおいても、図７に示される半導体装置６と同様に、配線層１０Ｂと金属層２０Ｂとの間に配置された固体電解質層３０Ｂを有する配線構造体１Ｃを備えているので、上記実施の形態１における半導体装置６と同様の効果を奏する。つまり、細線化に伴う配線層の抵抗値の増加を抑制できる等の効果を奏する。
【０２２４】
（実施の形態１の変形例３）
次に、実施の形態１の変形例３に係る半導体装置６Ｄについて、図１５を用いて説明する。図１５は、実施の形態１の変形例３に係る半導体装置６Ｄの断面図である。
【０２２５】
図１５に示すように、本変形例に係る半導体装置６Ｄは、図１４に示される半導体装置６Ｃに対して、第１配線路１０１Ｄ、第２配線路１０２Ｄ及び第３配線路１０３Ｄにおける金属層２０Ｄの構造が異なる。
【０２２６】
具体的には、図１４に示すように、半導体装置６Ｃにおける配線構造体１Ｃでは、第１配線路１０１、第２配線路１０２及び第３配線路１０３の金属層２０Ｂは、固体電解質層３０Ｂを覆っている。具体的には、金属層２０Ｂの第２金属層２２は、固体電解質層３０Ｂの上方にまで形成されている。
【０２２７】
これに対して、図１５に示すように、本変形例に係る半導体装置６Ｄにおける配線構造体１Ｄでは、第１配線路１０１Ｄ、第２配線路１０２Ｄ、及び第３配線路１０３Ｄの金属層２０Ｄは、固体電解質層３０Ｂを覆っていない。具体的には、金属層２０Ｄの第２金属層２２Ｄは、固体電解質層３０Ｂの上方にまで形成されていない。
【０２２８】
以上、本変形例に係る半導体装置６Ｄにおいても、図１４に示される半導体装置６Ｃと同様に、配線層１０Ｂと金属層２０Ｄとの間に配置された固体電解質層３０Ｂを有する配線構造体１Ｄを有しているので、上記変形例２に係る半導体装置６Ｃと同様の効果を奏する。つまり、細線化に伴う配線層１０Ｂの抵抗値の増加を抑制できる等の効果を奏する。
【０２２９】
（実施の形態１の変形例４）
次に、実施の形態１の変形例４に係る半導体装置６Ｅについて、図１６を用いて説明する。図１６は、実施の形態１の変形例４に係る半導体装置６Ｅの断面図である。
【０２３０】
図１６に示すように、本変形例に係る半導体装置６Ｅは、図７に示される半導体装置６に対して、第１配線路１０１Ｄ、第２配線路１０２Ｄ及び第３配線路１０３Ｄにおける金属層２０Ｅ及び固体電解質層３０Ｅの構造が異なる。
【０２３１】
具体的には、図７に示すように、半導体装置６における配線構造体１Ｂでは、第１配線路１０１と第３配線路１０３とで固体電解質層３０Ｂの第１固体電解質層３１が分離されているとともに、第３配線路１０３の固体電解質層３０Ｂが金属層２０Ｂで覆われている。
【０２３２】
これに対して、図１６に示すように、本変形例に係る半導体装置６Ｅにおける配線構造体１Ｅでは、第１配線路１０１Ｅと第３配線路１０３Ｅとで固体電解質層３０Ｅの第１固体電解質層３１が分離されておらず、第１配線路１０１Ｅ、第２配線路１０２Ｅ及び第３配線路１０３Ｅにおいて、第１固体電解質層３１が共通になっている。このため、金属層２０Ｅの第１金属層２１が第１層間絶縁層４１の表面までしか形成されていない。また、本変形例では、第３配線路１０３Ｅの金属層２０Ｅが、固体電解質層３０Ｅを覆っていない。具体的には、金属層２０Ｅの第２金属層２２は、第１層間絶縁層４１の凹部内のみに形成されており、第１層間絶縁層４１の凹部内に形成された第１固体電解質層３１に対向している。
【０２３３】
なお、第１配線路１０１Ｅ、第２配線路１０２、Ｅ及び第３配線路１０３Ｅの各々において、第１金属層２１及び第２金属層２２は、図示されない部分でつながっている。
【０２３４】
以上、本変形例に係る半導体装置６Ｅにおいても、図７に示される半導体装置６と同様に、配線層１０Ｂと金属層２０Ｅとの間に配置された固体電解質層３０Ｅを有する配線構造体１Ｅを有しているので、図７に示される半導体装置６と同様の効果を奏する。つまり、細線化に伴う配線層の抵抗値の増加を抑制できる等の効果を奏する。
【０２３５】
（実施の形態１の変形例５）
次に、実施の形態１の変形例５に係る半導体装置３Ｆについて、図１７を用いて説明する。図１７は、実施の形態１の変形例５に係る半導体装置３Ｆの断面図である。
【０２３６】
図１７に示すように、本変形例に係る半導体装置３Ｆは、図４に示される半導体装置３に対して、配線路１００Ｆにおける金属層２０Ｆ及び固体電解質層３０Ｆの構造が異なる。
【０２３７】
具体的には、図４に示すように、半導体装置３における配線構造体１Ａでは、配線路１００Ａにおける金属層２０及び固体電解質層３０は、配線層１０の一対の側面だけではなく底面も覆っている。
【０２３８】
これに対して、図１７に示すように、本変形例に係る半導体装置３Ｆにおける配線構造体１Ｆでは、配線路１００Ｆにおける金属層２０Ｆ及び固体電解質層３０Ｆは、配線層１０の一対の側面のみ覆っており、配線層１０の底面を覆っていない。
【０２３９】
以上、本変形例に係る半導体装置３Ｆにおいても、図４に示される半導体装置３と同様に、配線層１０と金属層２０Ｆとの間に配置された固体電解質層３０Ｆを有する配線構造体１Ｆを有しているので、図４に示される半導体装置３と同様の効果を奏する。つまり、細線化に伴う配線層１０の抵抗値の増加を抑制できる等の効果を奏する。
【０２４０】
［実験］
次に、本願発明者らが行った実験結果について説明する。具体的には、上記実施の形態１に係る配線構造体の効果を確認するための実験を行ったので、その実験結果について説明する。
【０２４１】
まず、その実験の概要について、図１８Ａ及び図１８Ｂを用いて説明する。図１８Ａは、本実験で用いた配線構造体１Ｙの平面図であり、図１８Ｂは、図１８Ａの１８Ｂ−１８Ｂ線における断面図である。
【０２４２】
図１８Ａ及び図１８Ｂに示される配線構造体１Ｙは、基板５０Ｙと、基板５０Ｙの上に形成された絶縁層４０Ｙと、絶縁層４０Ｙの上に形成された第１電極層１０Ｙ（「配線層」に対応）と、第１電極層１０Ｙを覆うように絶縁層４０Ｙの上に形成された固体電解質層３０Ｙと、固体電解質層３０Ｙの上に形成された第２電極層２０Ｙ（「金属層」に対応）とを備える。
【０２４３】
具体的には、まず、基板５０Ｙの上に、コバルト（Ｃｏ）を蒸着することでコバルト膜からなる第１電極層１０Ｙを形成した。基板５０Ｙとしては、２４００ｎｍの厚みを有する二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）からなる熱酸化膜が形成されたシリコン基板を用いた。また、第１電極層１０Ｙは、幅５μｍ、長さ９ｍｍ、狙い膜厚４０ｎｍの細線形状となるよう形成した。
【０２４４】
次に、マスクスパッタリング装置を用いて膜厚１μｍの窒化リン酸リチウム（ＬｉＰＯＮ）を成膜することで、第１電極層１０Ｙを覆うように固体電解質層３０Ｙを形成した。なお、コンタクト用に第１電極層１０Ｙの長手方向の両端２ｍｍには固体電解質層３０Ｙが成膜されないようにマスクを用いた。
【０２４５】
次に、第１電極層１０Ｙと固体電解質層３０Ｙが積層された長さ８ｍｍの領域に膜厚１００ｎｍの金を蒸着することで、固体電解質層３０Ｙの上に金膜からなる第２電極層２０Ｙを形成した。
【０２４６】
なお、図示しないが、第１電極層１０Ｙの長手方向の両端に銀ペーストを塗布してコンタクト部を形成した。銀ペーストが塗布された両端間の距離は８ｍｍとした。
【０２４７】
次に、このようにして作製した配線構造体１Ｙについて、第２電極層２０Ｙに印加する電圧Ｖｇを変化させたときの第１電極層１０Ｙの抵抗値Ｒを求めた。
【０２４８】
具体的には、まず、配線構造体１Ｙについて、銀ペーストが塗布された第１電極層１０Ｙの一端に４Ｖを印加するとともに、反対側の一端をグラウンド電圧に固定した。次いで、第２電極層２０ＹにＶｇ＝０．８Ｖを印加し、第１電極層１０Ｙに流れる電流値ＩＳＤを測定した。そして、第２電極層２０Ｙに印加する電圧Ｖｇを０．８Ｖから０．１Ｖずつ低くなるようにして、０Ｖから０．８Ｖの電圧範囲内の各電圧Ｖｇに対して電流値ＩＳＤの測定を繰り返した。そして、各電圧Ｖｇと電流値ＩＳＤの測定結果とに基づいて、第１電極層１０Ｙの抵抗値Ｒを算出した。この結果を以下の表２及び図１９に示す。なお、電流値ＩＳＤの測定は、デジタルソースメータ（ＫＥＩＴＨＬＥＹ２４００シリーズ（Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ社製））を用いて行った。
【０２４９】
【表２】
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【０２５０】
表２及び図１９に示すように、電圧Ｖｇを印加していないときの実際の第１電極層１０Ｙの抵抗値Ｒ（実測値）は、約１．９８×１０４Ωであることが分かった。
【０２５１】
一方、第１電極層１０Ｙを構成するコバルトの抵抗率を５．８１×１０−６Ωｃｍとして、幅が５μｍで狙い膜厚が４０ｎｍである第１電極層１０Ｙと固体電解質層３０Ｙとが積層された長さ８ｍｍの領域における第１電極層１０Ｙの抵抗値を計算により算出すると、第１電極層１０Ｙの抵抗値Ｒ（理論値）は、２．３２×１０３Ωとなる。
【０２５２】
したがって、実験により求めた第１電極層１０Ｙの抵抗値Ｒ（実測値）は、計算により算出した第１電極層１０Ｙの抵抗値Ｒ（理論値）よりも、１．７５×１０４Ωだけ大きいことになる。このように抵抗値に差が生じているのでは、第１電極層１０Ｙの表面に酸化膜が形成されていること、及び、第１電極層１０Ｙの結晶性が低いことが挙げられる。
【０２５３】
また、表２及び図１９に示すように、０．８Ｖの電圧Ｖｇを印加して動作させた状態の配線構造体１Ｙの抵抗値は、電圧Ｖｇを０Ｖとして動作させない状態の配線構造体１Ｙの抵抗値に対して減少することが分かる。つまり、固体電解質層３０Ｙに電圧が印加されることで、抵抗値が減少することが分かる。
【０２５４】
以上の結果から、本実験例に係る配線構造体１Ｙでは、上記実施の形態１に係る配線構造体の配線層に対応する第１電極層１０Ｙの材料としてコバルトを用いた場合に、配線構造体の抵抗値を０．８％（＝１００×（１９８０１−１９６４１）／１９８０１）低減できることが分かった。これは、電圧を印加することで固体電解質層３０Ｙ内をイオンが移動したからであると考えられる。
【０２５５】
（配線構造体を使用したアプリケーション例）
これまでに説明した「配線構造体」を用いて、電気抵抗を制御する方法について図２０Ａ〜図２０Ｃを用いて説明する。
【０２５６】
図２０Ａは時間ｔに対する電位差ΔＶの変化を示す図である。横軸ｔは時間であり、縦軸は電位差ΔＶを示している。
【０２５７】
図２０Ｂは時間ｔに対する抵抗Ｒの変化を示す図である。横軸ｔは図２０Ａと同様に時間であり、縦軸は抵抗Ｒを示している。
【０２５８】
図２０Ｃは時間ｔに対する電流Ｉの変化を示す図である。横軸ｔは図２０Ａと同様に時間であり、縦軸は電流Ｉを示している。
【０２５９】
図１Ａから図１Ｃに示した「配線構造体」の配線層１０に電圧Ｖ１を印加し、金属層２０に電圧Ｖ２（Ｖ１＜Ｖ２）を印加し、固体電解質層３０にその電位差ΔＶ１（Ｖ２−Ｖ１）を印加する。電圧Ｖ１、Ｖ２を印加するタイミングは、図２０Ａに示した通り、ｔ１までは電位差ΔＶ１が印加され、ｔ１からｔ２まではΔＶはゼロ(電位差なし）、ｔ２からｔ３まではΔＶ１の電圧を印加する。
【０２６０】
それにより、図２０Ｂで示す通り、配線層１０の抵抗はｔ１までは電位差ΔＶ１ある状態であることから、抵抗がＲＬ（低抵抗状態）であり、ｔ１からｔ２まではΔＶをゼロ(電位差なし）とすることで、抵抗がＲＨ（高抵抗状態）となる。同様にｔ２からｔ３まではΔＶ１の電圧を印加されており、抵抗はＲＬ（低抵抗状態）に変化する。
【０２６１】
このように配線層１０と金属層２０とに印加する電圧を時間変化させることにより、配線層１０の抵抗（抵抗値）を変化させることができる。つまり、固体電解質層３０に印加する電圧を変化させることにより、配線層１０の抵抗をコントロールすることができる。
【０２６２】
さらに電流についても、図２０Ｃに示す通り、ｔ１までは配線層１０が低抵抗であることから、電流はＩＨ（高電流）であり、ｔ１からｔ２までは抵抗がＲＨ（高抵抗状態）となり、電流はＩＬ（低電流）となる。同様にｔ２からｔ３までは抵抗はＲＬ（低抵抗状態）に変化するため、電流は高電流ＩＨとなる。
【０２６３】
このように配線層１０と金属層２０とに印加する電圧を時間変化させることにより、配線層１０に流れる電流値を変化させることができる。つまり、固体電解質層３０に印加する電圧を変化させることにより、配線層１０に流れる電流値をコントロールすることができる。
【０２６４】
（実施の形態２）
次に、実施の形態２について説明する。まず、実施の形態２の第１態様に係る配線構造体２００１の構成について、図２１Ａ〜図２１Ｃを用いて説明する。図２１Ａは、実施の形態２の第１態様に係る配線構造体２００１の構成を模式的に示す図である。図２１Ｂは、同配線構造体２００１の断面図である。図２１Ｃは、図２１Ｂの２１Ｃ−２１Ｃ線における同配線構造体２００１の断面図である。
【０２６５】
本実施の形態における配線構造体２００１は、上記実施の形態１と同様に、半導体集積回路装置等の半導体装置に用いられる。半導体装置において、配線構造体２００１は、回路素子同士を電気的に接続するための配線路２００を含む。
【０２６６】
図２１Ａ〜図２１Ｃに示すように、本実施の形態における配線路２００は、上記実施の形態１における配線路１００において、さらに、絶縁層８０を備える構成になっている。それ以外は、上記実施の形態１における配線路１００と同様の構成である。
【０２６７】
具体的には、配線構造体２００１は、配線層１０と、金属層２０と、固体電解質層３０と、絶縁層８０とを備える。
【０２６８】
絶縁層８０は、配線構造体２００１における第１絶縁層であり、配線層１０と固体電解質層３０との間に位置している。したがって、配線構造体２００１では、内側から外側に向かって、配線層１０、絶縁層８０、固体電解質層３０及び金属層２０の順に形成されており、金属層２０は、配線層１０及び固体電解質層３０だけではなく絶縁層８０も包むように形成されている。
【０２６９】
具体的には、ＹＺ断面で切断したときの断面視において、配線層１０の外周全体は、絶縁層８０によって覆われており、絶縁層８０の外周全体は、固体電解質層３０によって覆われており、固体電解質層３０の外周全体は、金属層２０によって覆われている。
【０２７０】
絶縁層８０は、絶縁材料によって構成された絶縁膜である。絶縁層８０としては、例えば、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）によって構成されたアルミナ膜（Ａｌ２Ｏ３膜）、ＳｉＯＮによって構成されたシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）、又は、Ｓｉ３Ｎ４によって構成されたシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４膜）等を用いることができる。
【０２７１】
次に、実施の形態２の第２態様に係る配線構造体２００１Ａについて、図２２を用いて説明する。図２２は、実施の形態２の第２態様に係る配線構造体２００１Ａの構成とこの配線構造体２００１Ａが用いられる半導体装置２００２の構成とを示す図である。
【０２７２】
図２２に示すように、配線構造体２００１Ａは、配線層１０、金属層２０、固体電解質層３０及び絶縁層８０に加えて、さらに、絶縁層４０を備える。配線層１０、金属層２０、固体電解質層３０及び絶縁層８０は、図２１Ａ〜図２１Ｃに示される配線路２００と同様に、配線路２００Ａを構成している。また、図２２に示すように、半導体装置２００２は、基板５０と、基板５０に上に形成された配線構造体２００１Ａとを備える。
【０２７３】
基板５０の上に形成される配線構造体２００１Ａに含まれる配線路２００Ａは、１つに限らない。具体的には、図２３に示される半導体装置２００３のように、基板５０上の配線構造体２００１Ａには、複数の配線路２００Ａが含まれていてもよい。この場合、絶縁層４０には、複数の凹部４０ａが形成されており、各凹部４０ａには、配線路２００Ａが埋め込まれている。
【０２７４】
なお、本実施の形態における半導体装置についても、図５に示される半導体装置４のように、トランジスタ６０を備えていてもよいし、図６に示される半導体装置５のように、多層配線構造を有していてもよい。
【０２７５】
次に、実施の形態２に係る配線構造体の他の態様について、図２４を用いて説明する。図２４は、実施の形態２の第３態様に係る配線構造体２００１Ｂの構成とこの配線構造体２００１Ｂが用いられる半導体装置２００６の構成とを示す断面図である。
【０２７６】
図２４に示される半導体装置２００６は、基板５０と、基板５０の上に形成された配線構造体２００１Ｂとを備える。配線構造体２００１Ｂは、第１配線路２０１、第２配線路２０２及び第３配線路２０３の３つの配線路と、第１層間絶縁層４１及び第２層間絶縁層４２の２つの層間絶縁層とを備える。
【０２７７】
第１配線路２０１、第２配線路２０２及び第３配線路２０３は、上記実施の形態１における配線構造体１Ｂの第１配線路１０１、第２配線路１０２及び第３配線路１０３において、さらに、絶縁層８０Ｂを備える構成になっている。
【０２７８】
本態様でも、絶縁層８０Ｂは、配線層１０Ｂと固体電解質層３０Ｂとの間に位置している。具体的には、ＹＺ断面で切断したときの断面視において、配線層１０Ｂの外周全体は、絶縁層８０Ｂによって覆われている。
【０２７９】
絶縁層８０Ｂは、第１絶縁層８１と第２絶縁層８２とによって構成されている。第１絶縁層８１は、少なくとも一部が凹部４１ａ内に埋め込まれる下側絶縁膜であり、第１配線層１１と第１固体電解質層３１との間に位置している。第２絶縁層８２は、第１絶縁層８１の上に位置する上側絶縁膜であり、第２配線層１２と第２固体電解質層３２との間に位置している。第１絶縁層８１及び第２絶縁層８２は、絶縁材料によって構成された絶縁膜であり、例えば、アルミナ膜、シリコン酸窒化膜又はシリコン窒化膜等である。
【０２８０】
このように、本実施の形態に係る配線構造体２００１、２００１Ａ及び２００１Ｂは、上記実施の形態１に係る配線構造体１と同様の構成を有するので、固体電解質層３０、３０Ｂに電圧が印加されると、固体電解質層３０、３０Ｂの内部でイオンが移動して配線層、細線化に伴う配線層１０、１０Ｂの抵抗値の増加を抑制できるので、低抵抗化効果を得ることができる。
【０２８１】
さらに、本実施の形態における配線構造体２００１、２００１Ａ及び２００１Ｂは、絶縁層８０、８０Ｂを備えているので、配線層１０、１０Ｂからの電子リークを抑制することができる。特に、配線層１０、１０Ｂの線幅が細い場合には配線層１０、１０Ｂから電子リークが発生しやすくなるが、絶縁層８０、８０Ｂを設けることで、電子リークを効果的に抑制することができる。
【０２８２】
次に、実施の形態２に係る配線構造体及び半導体装置の製造方法について、図２５Ａ〜図２５Ｙを用いて説明する。図２５Ａ〜図２５Ｙは、図２４に示される半導体装置２００６の製造方法を説明するための図である。
【０２８３】
図２５Ａ〜図２５Ｄの工程は、図１１Ａ〜図１１Ｆの工程と同様にして行うことができる。
【０２８４】
具体的には、図２５Ａに示すように、基板５０を準備して、基板５０の上に、第１層間絶縁層４１を形成する。次に、図２５Ｂに示すように、第１層間絶縁層４１に、配線路２００を形成するための凹部４１ａを形成する。次に、図２５Ｃに示すように、第１層間絶縁層４１に形成された一方向に延在する凹部４１ａの内面に沿って第１金属層２１ｆを形成する。次に、図２５Ｄに示すように、第１金属層２１ｆを覆い、かつ、凹部４１ａを埋め込まないように第１固体電解質層３１ｆを形成する。なお、本実施の形態では、図２５Ｂに示すように、配線路２００として、第１配線路２０１、第２配線路２０２及び第３配線路２０３の３つの配線路を形成する。したがって、図２５Ｂ〜図２５Ｄに示さすように、この３つの配線路に対応して３つの凹部４１ａが示されている。
【０２８５】
次に、図２５Ｅに示すように、第１固体電解質層３１ｆを覆い、かつ、凹部４１ａを埋め込まないように第１絶縁層８１ｆを形成する。具体的には、第１固体電解質層３１ｆの表面全体を覆うように第１絶縁層８１ｆを成膜する。このとき、第１絶縁層８１ｆは、凹部４１ａ内に形成されていない第１固体電解質層３１ｆの表面と凹部４１ａ内に形成された第１固体電解質層３１ｆの内側面及び底面とを覆うようにして成膜される。第１絶縁層８１ｆは、例えば、ＣＶＤ法によって成膜することができる。
【０２８６】
次に、図２５Ｆに示すように、第１固体電解質層３１ｆ及び第１絶縁層８１ｆに包まれるように、かつ、凹部４１ａを埋めるように配線層１０ｆを形成する。具体的には、第１固体電解質層３１ｆ及び第１絶縁層８１ｆのトレンチを埋めるように配線層１０ｆを成膜する。図２５Ｆの工程は、図１１Ｇの工程と同様にして行うことができる。
【０２８７】
次に、図２５Ｇ〜図２５Ｉの工程を行うが、図２５Ｇ〜図２５Ｉの工程は、図１１Ｈ〜図１１Ｊの工程と同様にして行うことができる。
【０２８８】
具体的には、図２５Ｇに示すように、配線層１０ｆの上に所定形状の第１レジスト７１を形成する。次に、図２５Ｈに示すように、第１レジスト７１をマスクとして配線層１０ｆをエッチングすることで、配線層１０ｆをパターニングする。これにより、配線層１０ｆが部分的に除去されて分離され、所定形状の配線層１０Ｂを形成することができる。このとき、第１レジスト７１が形成されていない部分の第１絶縁層８１ｆが露出する。次に、図２５Ｉに示すように、第１レジスト７１を除去する。これにより、配線層１０Ｂが露出する。
【０２８９】
次に、図２５Ｊに示すように、配線層１０Ｂを覆うように第２絶縁層８２ｆを形成する。具体的には、配線層１０Ｂの表面全体を覆うとともに露出する第１絶縁層８１ｆの表面全体を覆うように第２絶縁層８２ｆを成膜する。第２絶縁層８２ｆは、例えば、ＣＶＤ法によって成膜することができる。
【０２９０】
以降、図２５Ｋ〜図２５Ｙの工程を行うが、図２５Ｋ〜図２５Ｙの工程は、図１１Ｋ〜図１１Ｙの工程と同様にして行うことができる。
【０２９１】
具体的には、図２５Ｋに示すように、配線層１０Ｂを覆うように第２絶縁層８２ｆの上に所定形状の第２レジスト７２を形成する。次に、図２５Ｌに示すように、第２レジスト７２をマスクとして第１固体電解質層３１ｆをエッチングすることで、第１固体電解質層３１ｆをパターニングする。このとき、第２レジスト７２をマスクとして第１絶縁層８１ｆ及び第２絶縁層８２ｆもエッチングしてもよい。これにより、第１絶縁層８１ｆ及び第２絶縁層８２ｆが部分的に除去されて、第１絶縁層８１及び第２絶縁８２からなる絶縁層８０Ｂが形成される。次に、図２５Ｍに示すように、第２レジスト７２を除去する。
【０２９２】
次に、図２５Ｎに示すように、配線層１０Ｂ、第１固体電解質層３１及び第２絶縁層８２を覆うように第１金属層２１ｆの上に所定形状の第３レジスト７３を形成する。次に、図２５Ｏに示すように、第３レジスト７３をマスクとして第１金属層２１ｆをエッチングすることで、第１金属層２１ｆをパターニングする。次に、図２５Ｐに示すように、第３レジスト７３を除去する。次に、図２５Ｑに示すように、配線層１０Ｂ、第１固体電解質層３１、第１金属層２１及び第２絶縁層８２を覆うように第２固体電解質層３２ｆを形成する。
【０２９３】
次に、図２５Ｒに示すように、第２固体電解質層３２ｆの上に所定形状の第４レジスト７４を形成する。次に、図２５Ｓに示すように、第４レジスト７４をマスクとして第２固体電解質層３２ｆをエッチングすることで、第２固体電解質層３２ｆをパターニングする。次に、図２５Ｔに示すように、第４レジスト７４を除去する。これにより、第２固体電解質層３２及び第１金属層２１の端部が露出する。次に、図２５Ｕに示すように、第２固体電解質層３２及び第１金属層２１の端部を覆うように第２金属層２２ｆを形成する。次に、図２５Ｖに示すように、第２金属層２２ｆの上に所定形状の第５レジスト７５を形成する。次に、図２５Ｗに示すように、第５レジスト７５をマスクとして第２金属層２２ｆをエッチングすることで、第２金属層２２ｆをパターニングする。次に、図２５Ｘに示すように、第５レジスト７５を除去する。これにより、第２金属層２２が露出する。次に、図２５Ｙに示すように、第２金属層２２を覆うように第２層間絶縁層４２を形成する。
【０２９４】
以上のようにして、第１配線路２０１、第２配線路２０２及び第３配線路２０３を含む配線構造体２００１Ｂを備える半導体装置２００６を作製することができる。つまり、図２４に示されるように、第１絶縁層８１及び第２絶縁層８２からなる絶縁層８０を備える半導体装置２００６を作製することができる。
【０２９５】
なお、図１２〜図１７に示される実施の形態１の各変形例については、本実施の形態にも適用することができる。また、図２４に示される半導体装置２００６以外の半導体装置及び配線構造体については、図２５Ａ〜図２５Ｙに示される製造方法に準じて作製することができる。
【０２９６】
（実施の形態３）
次に、実施の形態３について説明する。まず、実施の形態３の第１態様に係る配線構造体３００１の構成について、図２６Ａ〜図２６Ｃを用いて説明する。図２６Ａは、実施の形態３の第１態様に係る配線構造体３００１の構成を模式的に示す図である。図２６Ｂは、同配線構造体３００１の断面図である。図２６Ｃは、図２６Ｂの２６Ｃ−２６Ｃ線における同配線構造体３００１の断面図である。
【０２９７】
本実施の形態における配線構造体３００１は、上記実施の形態１と同様に、半導体集積回路装置等の半導体装置に用いられる。半導体装置において、配線構造体３００１は、回路素子同士を電気的に接続するための配線路３００を含む。
【０２９８】
図２６Ａ〜図２６Ｃに示すように、本実施の形態における配線路３００は、上記実施の形態１における配線路１００において、さらに、絶縁層９０を備える構成になっている。それ以外は、上記実施の形態１における配線路１００と同様の構成である。
【０２９９】
具体的には、配線構造体３００１は、配線層１０と、金属層２０と、固体電解質層３０と、絶縁層９０とを備える。
【０３００】
絶縁層９０は、上記実施の形態２における配線構造体２００１の絶縁層８０（第１絶縁層）とは異なる第２絶縁層であり、固体電解質層３０と金属層２０との間に位置している。したがって、配線構造体３００１では、内側から外側に向かって、配線層１０、固体電解質層３０、絶縁層９０及び金属層２０の順に形成されており、金属層２０は、配線層１０及び固体電解質層３０だけではなく絶縁層９０も包むように形成されている。
【０３０１】
具体的には、ＹＺ断面で切断したときの断面視において、配線層１０の外周全体は、固体電解質層３０によって覆われており、固体電解質層３０の外周全体は、絶縁層９０によって覆われており、絶縁層９０の外周全体は、金属層２０によって覆われている。
【０３０２】
絶縁層９０は、絶縁材料によって構成された絶縁膜である。絶縁層９０としては、例えば、アルミナ膜、シリコン酸窒化膜又はシリコン窒化膜等を用いることができる。
【０３０３】
次に、実施の形態３の第２態様に係る配線構造体３００１Ａについて、図２７を用いて説明する。図２７は、実施の形態３の第２態様に係る配線構造体３００１Ａの構成とこの配線構造体３００１Ａが用いられる半導体装置３００２の構成とを示す図である。
【０３０４】
図２７に示すように、配線構造体３００１Ａは、配線層１０、金属層２０、固体電解質層３０及び絶縁層９０に加えて、さらに、絶縁層４０を備える。配線層１０、金属層２０、固体電解質層３０及び絶縁層９０は、図２６Ａ〜図２６Ｃに示される配線路３００と同様に、配線路３００Ａを構成している。また、図２７に示すように、半導体装置３００２は、基板５０と、基板５０に上に形成された配線構造体３００１Ａとを備える。
【０３０５】
基板５０の上に形成される配線構造体３００１Ａに含まれる配線路３００Ａは、１つに限らない。具体的には、図２８に示される半導体装置３００３のように、基板５０上の配線構造体３００１Ａには、複数の配線路３００Ａが含まれていてもよい。この場合、絶縁層４０には、複数の凹部４０ａが形成されており、各凹部４０ａには、配線路３００Ａが埋め込まれている。
【０３０６】
なお、本実施の形態における半導体装置についても、図５に示される半導体装置４のように、トランジスタ６０を備えていてもよいし、図６に示される半導体装置５のように、多層配線構造を有していてもよい。
【０３０７】
次に、実施の形態３に係る配線構造体の他の態様について、図２９を用いて説明する。図２９は、実施の形態３の第３態様に係る配線構造体３００１Ｂの構成とこの配線構造体３００１Ｂが用いられる半導体装置３００６の構成とを示す断面図である。
【０３０８】
図２９に示される半導体装置３００６は、基板５０と、基板５０の上に形成された配線構造体３００１Ｂとを備える。配線構造体３００１Ｂは、第１配線路３０１、第２配線路３０２及び第３配線路３０３の３つの配線路と、第１層間絶縁層４１及び第２層間絶縁層４２の２つの層間絶縁層とを備える。
【０３０９】
第１配線路３０１、第２配線路３０２及び第３配線路３０３は、上記実施の形態１における配線構造体１Ｂの第１配線路１０１、第２配線路１０２及び第３配線路１０３において、さらに、絶縁層９０Ｂを備える構成になっている。
【０３１０】
本態様でも、絶縁層９０Ｂは、固体電解質層３０Ｂと金属層２０Ｂとの間に位置している。具体的には、ＹＺ断面で切断したときの断面視において、固体電解質層３０Ｂの外周全体は、絶縁層９０Ｂによって覆われており、絶縁層９０Ｂの外周全体は、金属層２０Ｂによって覆われている。
【０３１１】
絶縁層９０Ｂは、第１絶縁層９１と第２絶縁層９２とによって構成されている。第１絶縁層９１は、少なくとも一部が凹部４１ａ内に埋め込まれる下側絶縁膜であり、第１固体電解質層３１と第１金属層２１との間に位置している。第２絶縁層９２は、第１絶縁層９１の上に位置する上側絶縁膜であり、第２固体電解質層３２と第２金属層２２との間に位置している。第１絶縁層９１及び第２絶縁層９２は、絶縁材料によって構成された絶縁膜であり、例えば、アルミナ膜、シリコン酸窒化膜又はシリコン窒化膜等である。
【０３１２】
このように、本実施の形態に係る配線構造体３００１、３００１Ａ及び３００１Ｂは、上記実施の形態１に係る配線構造体１と同様の構成を有するので、固体電解質層３０、３０Ｂに電圧が印加されると、固体電解質層３０、３０Ｂの内部でイオンが移動して配線層１０、１０Ｂの電子濃度が増加する。これにより、配線層１０、１０Ｂの抵抗値が低下するので、細線化に伴う配線層１０、１０Ｂの抵抗値の増加を抑制できるので、低抵抗化効果を得ることができる。
【０３１３】
さらに、本実施の形態における配線構造体３００１、３００１Ａ及び３００１Ｂは、絶縁層９０、９０Ｂを備えているので、配線層１０、１０Ｂからの電子リークを抑制することができる。特に、配線層１０、１０Ｂの線幅が細い場合には配線層１０、１０Ｂから電子リークが発生しやすくなるが、絶縁層９０、９０Ｂを設けることで、電子リークを効果的に抑制することができる。
【０３１４】
次に、実施の形態３に係る配線構造体及び半導体装置の製造方法について、図３０Ａ〜図３０Ｙを用いて説明する。図３０Ａ〜図３０Ｙは、図２９に示される半導体装置３００６の製造方法を説明するための図である。
【０３１５】
図３０Ａ〜図３０Ｃの工程は、図１１Ａ〜図１１Ｅの工程と同様にして行うことができる。
【０３１６】
具体的には、図３０Ａに示すように、基板５０を準備して、基板５０の上に、第１層間絶縁層４１を形成する。次に、図３０Ｂに示すように、第１層間絶縁層４１に、配線路３００を形成するための凹部４１ａを形成する。次に、図３０Ｃに示すように、第１層間絶縁層４１に形成された一方向に延在する凹部４１ａの内面に沿って第１金属層２１ｆを形成する。なお、本実施の形態では、図３０Ｂに示すように、配線路３００として、第１配線路３０１、第２配線路３０２及び第３配線路３０３の３つの配線路を形成する。したがって、図３０Ｂ及び図３０Ｃに示すように、この３つの配線路に対応して３つの凹部４１ａが示されている。
【０３１７】
次に、図３０Ｄに示すように、第１金属層２１ｆを覆い、かつ、凹部４１ａを埋め込まないように第１絶縁層９１ｆを形成する。具体的には、第１金属層２１ｆの表面全体を覆うように第１絶縁層９１ｆを成膜する。このとき、第１絶縁層９１ｆは、凹部４１ａ内に形成されていない第１金属層２１ｆの表面と凹部４１ａ内に形成された第１金属層２１ｆの内側面及び底面とを覆うようにして成膜される。第１絶縁層９１ｆは、例えば、ＣＶＤ法によって成膜することができる。
【０３１８】
次に、図３０Ｅに示すように、第１絶縁層９１ｆを覆い、かつ、凹部４１ａを埋め込まないように第１固体電解質層３１ｆを形成する。図３０Ｅの工程は、図１１Ｅの工程と同様にして行うことができる。
【０３１９】
次に、図３０Ｆ〜図３０Ｓの工程を行うが、図３０Ｆ〜図３０Ｓの工程は、図１１Ｇ〜図１１Ｔの工程と同様にして行うことができる。
【０３２０】
具体的には、図３０Ｆに示すように、第１固体電解質層３１ｆに包まれるように、かつ、凹部４１ａを埋めるように配線層１０ｆを形成する。次に、図３０Ｇに示すように、配線層１０ｆの上に所定形状の第１レジスト７１を形成する。次に、図３０Ｈに示すように、第１レジスト７１をマスクとして配線層１０ｆをエッチングすることで、配線層１０ｆをパターニングする。これにより、配線層１０ｆが部分的に除去されて分離され、所定形状の配線層１０Ｂを形成することができる。次に、図３０Ｉに示すように、第１レジスト７１を除去する。これにより、配線層１０Ｂが露出する。
【０３２１】
次に、図３０Ｊに示すように、配線層１０Ｂを覆うように第１固体電解質層３１ｆの上に所定形状の第２レジスト７２を形成する。次に、図３０Ｋに示すように、第２レジスト７２をマスクとして第１固体電解質層３１ｆをエッチングすることで、第１固体電解質層３１ｆをパターニングする。次に、図３０Ｌに示すように、第２レジスト７２を除去する。
【０３２２】
次に、図３０Ｍに示すように、配線層１０Ｂ及び第１固体電解質層３１を覆うように第１金属層２１ｆの上に所定形状の第３レジスト７３を形成する。次に、図３０Ｎに示すように、第３レジスト７３をマスクとして第１金属層２１ｆをエッチングすることで、第１金属層２１ｆをパターニングする。このとき、第３レジスト７３をマスクとして第１絶縁層９１ｆもエッチングしてもよい。これにより、第１絶縁層９１ｆが部分的に除去されて、第１絶縁層９１が形成される。次に、図３０Ｏに示すように、第３レジスト７３を除去する。
【０３２３】
次に、図３０Ｐに示すように、配線層１０Ｂ、第１固体電解質層３１及び第１金属層２１を覆うように第２固体電解質層３２ｆを形成する。次に、図３０Ｑに示すように、第２固体電解質層３２ｆの上に所定形状の第４レジスト７４を形成する。次に、図３０Ｒに示すように、第４レジスト７４をマスクとして第２固体電解質層３２ｆをエッチングすることで、第２固体電解質層３２ｆをパターニングする。これにより、第１固体電解質層３１及び第２固体電解質層３２からなる固体電解質層３０Ｂが形成される。次に、図３０Ｓに示すように、第４レジスト７４を除去する。
【０３２４】
次に、図３０Ｔに示すように、固体電解質層３０Ｂを覆うように第２絶縁層９２ｆを形成する。具体的には、固体電解質層３０の表面全体を覆うとともに露出する第１絶縁層９１ｆの表面全体を覆うように第２絶縁層９２ｆを成膜する。これにより、第１絶縁層９１と第２絶縁層９２とからなる絶縁層９０Ｂを形成することができる。なお、第２絶縁層９２ｆは、例えば、ＣＶＤ法によって成膜することができる。
【０３２５】
次に、図３０Ｕに示すように、第２絶縁層９２ｆを覆うように第２金属層２２ｆを形成する。図３０Ｕの工程は、図１１Ｕの工程と同様にして行うことができる。
【０３２６】
以降、図３０Ｖ〜図３０Ｙの工程を行うが、図３０Ｖ〜図３０Ｙの工程は、図１１Ｖ〜図１１Ｙの工程と同様にして行うことができる。
【０３２７】
具体的には、図３０Ｖに示すように、第２金属層２２ｆの上に所定形状の第５レジスト７５を形成する。次に、図３０Ｗに示すように、第５レジスト７５をマスクとして第２金属層２２ｆをエッチングすることで、第２金属層２２ｆをパターニングする。次に、図３０Ｘに示すように、第５レジスト７５を除去する。これにより、第２金属層２２が露出する。次に、図３０Ｙに示すように、第２金属層２２を覆うように第２層間絶縁層４２を形成する。
【０３２８】
以上のようにして、第１配線路３０１、第２配線路３０２及び第３配線路３０３を含む配線構造体３００１Ｂを備える半導体装置３００６を作製することができる。つまり、図２９に示されるように、第１絶縁層９１及び第２絶縁層９２からなる絶縁層９０を備える半導体装置３００６を作製することができる。
【０３２９】
なお、図１２〜図１７に示される実施の形態１の各変形例については、本実施の形態にも適用することができる。また、図２９に示される半導体装置３００６以外の半導体装置及び配線構造体については、図３０Ａ〜図３０Ｙに示される製造方法に準じて作製することができる。
【０３３０】
（実施の形態４）
次に、実施の形態４について説明する。まず、実施の形態４の第１態様に係る配線構造体４００１の構成について、図３１Ａ〜図３１Ｃを用いて説明する。図３１Ａは、実施の形態４の第１態様に係る配線構造体４００１の構成を模式的に示す図である。図３１Ｂは、同配線構造体４００１の断面図である。図３１Ｃは、図３１Ｂの３１Ｃ−３１Ｃ線における同配線構造体４００１の断面図である。
【０３３１】
本実施の形態における配線構造体４００１は、上記実施の形態１と同様に、半導体集積回路装置等の半導体装置に用いられる。半導体装置において、配線構造体４００１は、回路素子同士を電気的に接続するための配線路４００を含む。
【０３３２】
図３１Ａ〜図３１Ｃに示すように、本実施の形態における配線路４００は、上記実施の形態１における配線路１００において、さらに、第１絶縁層である絶縁層８０と第２絶縁層である絶縁層９０とを備える構成になっている。それ以外は、上記実施の形態１における配線路１００と同様の構成である。
【０３３３】
具体的には、配線構造体４００１は、配線層１０と、金属層２０と、固体電解質層３０と、絶縁層８０及び９０とを備える。
【０３３４】
絶縁層８０は、配線層１０と固体電解質層３０との間に位置している。絶縁層９０は、固体電解質層３０と金属層２０との間に位置している。したがって、配線構造体４００１では、内側から外側に向かって、配線層１０、絶縁層８０、固体電解質層３０、絶縁層９０及び金属層２０の順に形成されており、金属層２０は、配線層１０及び固体電解質層３０だけではなく絶縁層８０及び９０も包むように形成されている。
【０３３５】
具体的には、ＹＺ断面で切断したときの断面視において、配線層１０の外周全体は、第１絶縁層である絶縁層８０によって覆われており、絶縁層８０の外周全体は、固体電解質層３０によって覆われており、固体電解質層３０の外周全体は、第２絶縁層である絶縁層９０によって覆われており、絶縁層９０の外周全体は、金属層２０によって覆われている。
【０３３６】
絶縁層８０及び９０は、絶縁材料によって構成された絶縁膜である。絶縁層８０及び９０としては、例えば、アルミナ膜、シリコン酸窒化膜又はシリコン窒化膜等を用いることができる。なお、絶縁層８０と絶縁層９０とは、同じ材質によって構成されていてもよいし、異なる材質によって構成されていてもよい。
【０３３７】
次に、実施の形態４の第２態様に係る配線構造体４００１Ａについて、図３２を用いて説明する。図３２は、実施の形態４の第２態様に係る配線構造体４００１Ａの構成とこの配線構造体４００１Ａが用いられる半導体装置４００２の構成とを示す図である。
【０３３８】
図３２に示すように、配線構造体４００１Ａは、配線層１０と、金属層２０と、固体電解質層３０と、第１絶縁層である絶縁層８０と、第２絶縁層である絶縁層９０とに加えて、さらに、第３絶縁層として絶縁層４０を備える。配線層１０、金属層２０、固体電解質層３０、絶縁層８０及び絶縁層９０は、図３１Ａ〜図３１Ｃに示される配線路４００と同様に、配線路４００Ａを構成している。また、図３２に示すように、半導体装置４００２は、基板５０と、基板５０に上に形成された配線構造体４００１Ａとを備える。
【０３３９】
基板５０の上に形成される配線構造体４００１Ａに含まれる配線路４００Ａは、１つに限らない。具体的には、図３３に示される半導体装置４００３のように、基板５０上の配線構造体３００１Ａには、複数の配線路４００Ａが含まれていてもよい。この場合、絶縁層４０には、複数の凹部４０ａが形成されており、各凹部４０ａには、配線路４００Ａが埋め込まれている。
【０３４０】
なお、本実施の形態における半導体装置についても、図５に示される半導体装置４のように、トランジスタ６０を備えていてもよいし、図６に示される半導体装置５のように、多層配線構造を有していてもよい。
【０３４１】
次に、実施の形態４に係る配線構造体の他の態様について、図３４を用いて説明する。図３４は、実施の形態４の第３態様に係る配線構造体４００１Ｂの構成とこの配線構造体４００１Ｂが用いられる半導体装置４００６の構成とを示す断面図である。
【０３４２】
図３４に示される半導体装置４００６は、基板５０と、基板５０の上に形成された配線構造体４００１Ｂとを備える。配線構造体４００１Ｂは、第１配線路４０１、第２配線路４０２及び第３配線路４０３の３つの配線路と、第１層間絶縁層４１及び第２層間絶縁層４２の２つの層間絶縁層とを備える。
【０３４３】
第１配線路４０１、第２配線路４０２及び第３配線路４０３は、上記実施の形態１における配線構造体１Ｂの第１配線路１０１、第２配線路１０２及び第３配線路１０３において、さらに、絶縁層８０Ｂと絶縁層９０Ｂとを備える構成になっている。
【０３４４】
本態様でも、絶縁層８０Ｂは、配線層１０Ｂと固体電解質層３０Ｂとの間に位置している。また、絶縁層９０Ｂは、固体電解質層３０Ｂと金属層２０Ｂとの間に位置している。具体的には、ＹＺ断面で切断したときの断面視において、配線層１０Ｂの外周全体は、絶縁層８０Ｂによって覆われており、固体電解質層３０Ｂの外周全体は、絶縁層９０Ｂによって覆われており、絶縁層９０Ｂの外周全体は、金属層２０Ｂによって覆われている。
【０３４５】
絶縁層８０Ｂは、上記実施の形態２における絶縁層８０Ｂと同じであり、第１絶縁層８１と第２絶縁層８２とによって構成されている。また、絶縁層９０Ｂは、上記実施の形態３における絶縁層９０Ｂと同じであり、第１絶縁層９１と第２絶縁層９２とによって構成されている。
【０３４６】
なお、図３４に示される半導体装置４００６は、上記実施の形態２、３における半導体装置２００６及び３００６の製造方法に準じて作製することができる。
【０３４７】
このように、本実施の形態に係る配線構造体４００１、４００１Ａ及び４００１Ｂは、上記実施の形態１に係る配線構造体１と同様の構成を有するので、固体電解質層３０、３０Ｂに電圧が印加されると、固体電解質層３０、３０Ｂの内部でイオンが移動して配線層１０、１０Ｂの電子濃度が増加する。これにより、配線層１０、１０Ｂの抵抗値が低下するので、細線化に伴う配線層１０、１０Ｂの抵抗値の増加を抑制できるので、低抵抗化効果を得ることができる。
【０３４８】
さらに、本実施の形態における配線構造体４００１、４００１Ａ及び４００１Ｂは、絶縁層８０及び８０Ｂと絶縁層９０及び９０Ｂとを備えている。これにより、配線層１０、１０Ｂからの電子リークを効果的に抑制することができる。特に、配線層１０、１０Ｂの線幅が細い場合には配線層１０、１０Ｂから電子リークが発生しやすくなるが、絶縁層８０、８０Ｂと絶縁層９０、９０Ｂとの２つの絶縁層を設けることで、絶縁層８０、８０Ｂ及び絶縁層９０、９０Ｂの一方のみを設ける場合と比べて、電子リークを効果的に抑制することができる。
【０３４９】
なお、図１２〜図１７に示される実施の形態１の各変形例については、本実施の形態にも適用することができる。この場合、本実施の形態における半導体装置及び配線構造体については、上記実施の形態１〜３における半導体装置及び配線構造体の製造方法に準じて作製することができる。
【０３５０】
（その他の変形例）
以上、本開示に係る配線構造体及び半導体装置等について、実施の形態及び変形例に基づいて説明したが、本開示は、上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではない。
【０３５１】
例えば、上記の実施の形態において、配線構造体の配線層が延在する一方向は、直線としたが、これに限らず、曲線であってもよい。
【０３５２】
また、上記実施の形態において、第１レジスト７１、第２レジスト７２、第３レジスト７３、第４レジスト７４及び第５レジスト７５は、有機材料によって構成したが、これに限らない。例えば、第１レジスト７１、第２レジスト７２、第３レジスト７３、第４レジスト７４及び第５レジスト７５は、無機材料によって構成されていてもよい。
【０３５３】
その他、実施の形態及び変形例に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で実施の形態及び変形例における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０３５４】
本開示は、半導体集積回路装置等の半導体装置をはじめとして、配線構造体を有する種々の装置に利用することができる。
【符号の説明】
【０３５５】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｙ、７、２００１、２００１Ａ、２００１Ｂ、３００１、３００１Ａ、３００１Ｂ、４００１、４００１Ａ、４００１Ｂ  配線構造体
１Ｍ  第２配線構造体
２、３、３Ｆ、４、５、６、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ、８、２００２、２００３、２００６、３００２、３００３、３００６、４００２、４００３、４００６  半導体装置
１０、１０Ｂ、１０ｆ  配線層
１０Ｍ  第２配線層
１０ａ  側面
１０ｂ  底面
１０Ｙ  第１電極層
１１  第１配線層
１２  第２配線層
２０、２０Ｂ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆ  金属層
２０Ｍ、２２、２２Ｄ、２２ｆ  第２金属層
２０Ｙ  第２電極層
２１、２１ｆ  第１金属層
３０、３０ｐ、３０ｎ、３０Ｂ、３０Ｅ、３０Ｆ、３０Ｙ  固体電解質層
３１、３１ｆ  第１固体電解質層
３２、３２ｆ  第２固体電解質層
４０、４０Ｙ、８０、８０Ｂ、９０、９０Ｂ  絶縁層
４０ａ、４１ａ、４２ａ  凹部
４１  第１層間絶縁層
４２、４２Ｃ  第２層間絶縁層
４３  第３層間絶縁層
５０、５０Ｙ  基板
６０  トランジスタ
６０ｇ  ゲート電極
６０ｓ  ソース領域
６０ｄ  ドレイン領域
６１  第１トランジスタ
６２  第２トランジスタ
７１  第１レジスト
７２  第２レジスト
７３  第３レジスト
７４  第４レジスト
７５  第５レジスト
８１、８１ｆ、９１、９１ｆ  第１絶縁層
８２、８２ｆ、９２、９２ｆ  第２絶縁層
１００、１００Ａ、１００Ｆ、２００、２００Ａ、３００、３００Ａ、４００、４００Ａ  配線路
１００Ｍ  第２配線路
１００ａ  第１配線
１００ｂ  第２配線
１００ｃ  第３配線
１００ｐ  コンタクトプラグ
１０１、１０１Ｄ、１０１Ｅ、２０１、３０１、４０１  第１配線路
１０２、１０２Ｄ、１０２Ｅ、２０２、３０２、４０２  第２配線路
１０３、１０３Ｄ、１０３Ｅ、２０３、３０３、４０３  第３配線路
【図１Ａ】
2020179097.tif 000005
【図１Ｂ】
2020179097.tif 000006
【図１Ｃ】
2020179097.tif 000007
【図２Ａ】
2020179097.tif 000008
【図２Ｂ】
2020179097.tif 000009
【図３】
2020179097.tif 000010
【図４】
2020179097.tif 000011
【図５】
2020179097.tif 000012
【図６】
2020179097.tif 000013
【図７】
2020179097.tif 000014
【図８Ａ】
2020179097.tif 000015
【図８Ｂ】
2020179097.tif 000016
【図９Ａ】
2020179097.tif 000017
【図９Ｂ】
2020179097.tif 000018
【図１０】
2020179097.tif 000019
【図１１Ａ】
2020179097.tif 000020
【図１１Ｂ】
2020179097.tif 000021
【図１１Ｃ】
2020179097.tif 000022
【図１１Ｄ】
2020179097.tif 000023
【図１１Ｅ】
2020179097.tif 000024
【図１１Ｆ】
2020179097.tif 000025
【図１１Ｇ】
2020179097.tif 000026
【図１１Ｈ】
2020179097.tif 000027
【図１１Ｉ】
2020179097.tif 000028
【図１１Ｊ】
2020179097.tif 000029
【図１１Ｋ】
2020179097.tif 000030
【図１１Ｌ】
2020179097.tif 000031
【図１１Ｍ】
2020179097.tif 000032
【図１１Ｎ】
2020179097.tif 000033
【図１１Ｏ】
2020179097.tif 000034
【図１１Ｐ】
2020179097.tif 000035
【図１１Ｑ】
2020179097.tif 000036
【図１１Ｒ】
2020179097.tif 000037
【図１１Ｓ】
2020179097.tif 000038
【図１１Ｔ】
2020179097.tif 000039
【図１１Ｕ】
2020179097.tif 000040
【図１１Ｖ】
2020179097.tif 000041
【図１１Ｗ】
2020179097.tif 000042
【図１１Ｘ】
2020179097.tif 000043
【図１１Ｙ】
2020179097.tif 000044
【図１２】
2020179097.tif 000045
【図１３Ａ】
2020179097.tif 000046
【図１３Ｂ】
2020179097.tif 000047
【図１３Ｃ】
2020179097.tif 000048
【図１３Ｄ】
2020179097.tif 000049
【図１４】
2020179097.tif 000050
【図１５】
2020179097.tif 000051
【図１６】
2020179097.tif 000052
【図１７】
2020179097.tif 000053
【図１８Ａ】
2020179097.tif 000054
【図１８Ｂ】
2020179097.tif 000055
【図１９】
2020179097.tif 000056
【図２０Ａ】
2020179097.tif 000057
【図２０Ｂ】
2020179097.tif 000058
【図２０Ｃ】
2020179097.tif 000059
【図２１Ａ】
2020179097.tif 000060
【図２１Ｂ】
2020179097.tif 000061
【図２１Ｃ】
2020179097.tif 000062
【図２２】
2020179097.tif 000063
【図２３】
2020179097.tif 000064
【図２４】
2020179097.tif 000065
【図２５Ａ】
2020179097.tif 000066
【図２５Ｂ】
2020179097.tif 000067
【図２５Ｃ】
2020179097.tif 000068
【図２５Ｄ】
2020179097.tif 000069
【図２５Ｅ】
2020179097.tif 000070
【図２５Ｆ】
2020179097.tif 000071
【図２５Ｇ】
2020179097.tif 000072
【図２５Ｈ】
2020179097.tif 000073
【図２５Ｉ】
2020179097.tif 000074
【図２５Ｊ】
2020179097.tif 000075
【図２５Ｋ】
2020179097.tif 000076
【図２５Ｌ】
2020179097.tif 000077
【図２５Ｍ】
2020179097.tif 000078
【図２５Ｎ】
2020179097.tif 000079
【図２５Ｏ】
2020179097.tif 000080
【図２５Ｐ】
2020179097.tif 000081
【図２５Ｑ】
2020179097.tif 000082
【図２５Ｒ】
2020179097.tif 000083
【図２５Ｓ】
2020179097.tif 000084
【図２５Ｔ】
2020179097.tif 000085
【図２５Ｕ】
2020179097.tif 000086
【図２５Ｖ】
2020179097.tif 000087
【図２５Ｗ】
2020179097.tif 000088
【図２５Ｘ】
2020179097.tif 000089
【図２５Ｙ】
2020179097.tif 000090
【図２６Ａ】
2020179097.tif 000091
【図２６Ｂ】
2020179097.tif 000092
【図２６Ｃ】
2020179097.tif 000093
【図２７】
2020179097.tif 000094
【図２８】
2020179097.tif 000095
【図２９】
2020179097.tif 000096
【図３０Ａ】
2020179097.tif 000097
【図３０Ｂ】
2020179097.tif 000098
【図３０Ｃ】
2020179097.tif 000099
【図３０Ｄ】
2020179097.tif 000100
【図３０Ｅ】
2020179097.tif 000101
【図３０Ｆ】
2020179097.tif 000102
【図３０Ｇ】
2020179097.tif 000103
【図３０Ｈ】
2020179097.tif 000104
【図３０Ｉ】
2020179097.tif 000105
【図３０Ｊ】
2020179097.tif 000106
【図３０Ｋ】
2020179097.tif 000107
【図３０Ｌ】
2020179097.tif 000108
【図３０Ｍ】
2020179097.tif 000109
【図３０Ｎ】
2020179097.tif 000110
【図３０Ｏ】
2020179097.tif 000111
【図３０Ｐ】
2020179097.tif 000112
【図３０Ｑ】
2020179097.tif 000113
【図３０Ｒ】
2020179097.tif 000114
【図３０Ｓ】
2020179097.tif 000115
【図３０Ｔ】
2020179097.tif 000116
【図３０Ｕ】
2020179097.tif 000117
【図３０Ｖ】
2020179097.tif 000118
【図３０Ｗ】
2020179097.tif 000119
【図３０Ｘ】
2020179097.tif 000120
【図３０Ｙ】
2020179097.tif 000121
【図３１Ａ】
2020179097.tif 000122
【図３１Ｂ】
2020179097.tif 000123
【図３１Ｃ】
2020179097.tif 000124
【図３２】
2020179097.tif 000125
【図３３】
2020179097.tif 000126
【図３４】
2020179097.tif 000127
【手続補正書】
【提出日】令和3年7月13日(2021.7.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属元素を主成分とし、一方向に延在する配線層と、
前記配線層に対向する金属層と、
前記配線層と前記金属層との間に位置し、少なくとも前記一方向に直交する面で切断したときの断面視において前記配線層を包むように形成された固体電解質層と、を備え、
前記配線層と前記金属層とは、前記固体電解質層を介して電気的に絶縁されている、
配線構造体。
【請求項２】
請求項１に記載の配線構造体であって、
前記断面視において、前記配線層は、対向する一対の側面及び底面を有し、
前記金属層及び前記固体電解質層は、いずれも、前記一対の側面及び前記底面の各々に対向している、
配線構造体。
【請求項３】
請求項１に記載の配線構造体であって、
前記断面視において、前記配線層は、円形又は楕円形である、
配線構造体。
【請求項４】
請求項３に記載の配線構造体であって、
前記配線層は、柱状のコンタクトプラグである、
配線構造体。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の配線構造体であって、
前記断面視において、前記配線層の外周全体は、前記固体電解質層によって覆われており、
前記断面視において、前記固体電解質層の外周全体は、前記金属層によって覆われている、
配線構造体。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の配線構造体であって、
前記断面視において、前記配線層の外周全体は、第１絶縁層によって覆われており、
前記断面視において、前記第１絶縁層の外周全体は、前記固体電解質層によって覆われており、
前記断面視において、前記固体電解質層の外周全体は、前記金属層によって覆われている、
配線構造体。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の配線構造体であって、
前記断面視において、前記配線層の外周全体は、前記固体電解質層によって覆われており、
前記断面視において、前記固体電解質層の外周全体は、第２絶縁層によって覆われており、
前記断面視において、前記第２絶縁層の外周全体は、前記金属層によって覆われている、
配線構造体。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の配線構造体であって、
前記断面視において、前記配線層の外周全体は、第１絶縁層によって覆われており、
前記断面視において、前記第１絶縁層の外周全体は、前記固体電解質層によって覆われており、
前記断面視において、前記固体電解質層の外周全体は、第２絶縁層によって覆われており、
前記断面視において、前記第２絶縁層の外周全体は、前記金属層によって覆われている、
配線構造体。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の配線構造体であって、
前記金属層の外周を覆う絶縁層をさらに備える、
配線構造体。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の配線構造体であって、
前記断面視において、前記配線層の厚みに対する前記固体電解質層の厚みの比が１／４より大きい、
配線構造体。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の配線構造体であって、
前記断面視において、前記固体電解質層の厚みと前記配線層の厚みとの和が２０ｎｍ以下である、
配線構造体。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の配線構造体であって、
前記断面視において、前記配線層の幅は、１０ｎｍ以下である、
配線構造体。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の配線構造体であって、
前記断面視において、前記固体電解質層の厚みは、５ｎｍ以上である、
配線構造体。
【請求項１４】
請求項１に記載の配線構造体であって、
前記固体電解質層に電圧が印加されたときに、前記固体電解質層の内部を移動するイオンは、リチウムイオンである、
配線構造体。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の配線構造体であって、
前記固体電解質層に電圧が印加されたときに、前記固体電解質層の内部を移動するイオンは、酸素イオンである、
配線構造体。
【請求項１６】
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の配線構造体であって、
前記固体電解質層は、窒化リン酸リチウム及び窒化リン酸マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも１種類の材料からなる、
配線構造体。
【請求項１７】
請求項１〜１４および１６のいずれか１項に記載の配線構造体であって、
前記配線層は、コバルトを含む材料によって構成され、
前記固体電解質層は、窒化リン酸リチウムを含む材料からなる、
配線構造体。
【請求項１８】
基板と、
前記基板に形成されたトランジスタと、
前記基板上に形成された、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の配線構造体と、を備える、
半導体装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の半導体装置であって、
前記配線構造体の上に形成された層間絶縁層と、
前記層間絶縁層に形成され、前記配線構造体の配線層よりも線幅が大きく、当該配線層とは材料の異なる他の配線層と、を備える、
半導体装置。
【請求項２０】
配線構造体に電気的に接続された能動素子を動作させるための能動素子の動作方法であって、
前記配線構造体は、
金属を主成分とし、一方向に延在する配線層と、
前記配線層に対向する金属層と、
前記一方向に直交する面で切断したときの断面視において、前記配線層と前記金属層との間に位置し、前記配線層を包むように形成された固体電解質層と、を備え、
前記配線層と前記金属層とは、前記固体電解質層を介して電気的に絶縁され、
前記能動素子は、前記配線層に電気的に接続され、
前記固体電解質層に電圧が印加された状態で、
電気信号が前記能動素子から前記配線層に伝わり、又は、電気信号が前記配線層から前記能動素子に伝わる、
能動素子の動作方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の能動素子の動作方法であって、
第１電圧を前記配線層に印加し、前記第１電圧より高い第２電圧を前記金属層に印加する、
能動素子の動作方法。
【請求項２２】
絶縁層に形成された一方向に延在する凹部の内面に沿って金属層を形成する工程と、
前記金属層を覆い、かつ、前記凹部を埋め込まないように固体電解質層を形成する工程と、
前記固体電解質層に包まれるように、かつ、前記凹部を埋めるように配線層を形成する工程と、を含み、
前記配線層と前記金属層とは、前記固体電解質層を介して、電気的に絶縁されている、
配線構造体の製造方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の配線構造体の製造方法であって、
前記固体電解質層を形成する工程において、前記固体電解質層は原子層堆積法を用いて形成される、
配線構造体の製造方法。
【請求項２４】
請求項２２に記載の配線構造体の製造方法であって、
前記配線構造体の上に層間絶縁層を形成する工程と、
前記層間絶縁層に、前記配線構造体の配線層よりも線幅が大きく、前記第１配線層とは材料の異なる第２配線層を形成する工程と、を備える、
配線構造体の製造方法。
【請求項２５】
請求項２２または２４に記載の配線構造体の製造方法であって、
前記絶縁層にコンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホールに、柱状のコンタクトプラグを形成する工程と、を備える、
配線構造体の製造方法。
【請求項２６】
配線構造体の使用方法であって、
前記配線構造体は、
金属を主成分とし、一方向に延在する配線層と、
前記配線層に対向する金属層と、
前記一方向に直交する面で切断したときの断面視において、前記配線層と前記金属層との間に位置し、前記配線層を包むように形成された固体電解質層と、を備え、
前記配線層と前記金属層とは、前記固体電解質層を介して電気的に絶縁され、
前記固体電解質層に電圧が印加された状態で、前記配線層に電気信号が伝わる、
配線構造体の使用方法。
【請求項２７】
配線構造体の配線抵抗の制御方法であって、
前記配線構造体は、
金属を主成分とし、一方向に延在する配線層と、
前記配線層に対向する金属層と、
前記一方向に直交する面で切断したときの断面視において、前記配線層と前記金属層との間に位置し、前記配線層を包むように形成された固体電解質層と、を備え、
前記配線層と前記金属層とは、前記固体電解質層を介して電気的に絶縁され、
前記固体電解質層に印加する電圧を変化させることにより、前記配線層の抵抗値を変化させる、
配線構造体の配線抵抗の制御方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
また、本開示に係る配線構造体の一態様では、前記断面視において、前記配線層は、対向する一対の側面及び底面を有し、前記金属層及び前記固体電解質は、いずれも、前記一対の側面及び前記底面の各々に対向していてもよい。
【国際調査報告】
2020179097.tif 000128
2020179097.tif 000129
2020179097.tif 000130
2020179097.tif 000131