特許7515950ナノ結晶質グラフェンキャップ層を含むインターコネクト構造体、及びそのインターコネクト構造体を含む電子素子
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-07-05
(45)【発行日】2024-07-16
(54)【発明の名称】ナノ結晶質グラフェンキャップ層を含むインターコネクト構造体、及びそのインターコネクト構造体を含む電子素子
(51)【国際特許分類】
H01L 21/3205 20060101AFI20240708BHJP
H01L 21/768 20060101ALI20240708BHJP
H01L 23/532 20060101ALI20240708BHJP
C01B 32/186 20170101ALI20240708BHJP
【ＦＩ】
H01L21/88 M
C01B32/186
【請求項の数】
19
(21)【出願番号】P 2019135421
(22)【出願日】2019-07-23
(65)【公開番号】P2020017728
(43)【公開日】2020-01-30
【審査請求日】2022-07-13
(31)【優先権主張番号】10-2018-0086013
(32)【優先日】2018-07-24
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(73)【特許権者】
【識別番号】390019839
【氏名又は名称】三星電子株式会社
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】１２９，Ｓａｍｓｕｎｇ－ｒｏ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ－ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ－ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ－ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
(74)【代理人】
【識別番号】100133400
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 達彦
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【弁理士】
【氏名又は名称】実広 信哉
(74)【代理人】
【識別番号】100154922
【弁理士】
【氏名又は名称】崔 允辰
(74)【代理人】
【氏名又は名称】木内 敬二
(72)【発明者】
【氏名】卞 卿▲ウン▼
(72)【発明者】
【氏名】申 建旭
(72)【発明者】
【氏名】金 勇勳
(72)【発明者】
【氏名】申 鉉振
(72)【発明者】
【氏名】宋 俔在
(72)【発明者】
【氏名】李 昌錫
(72)【発明者】
【氏名】金 昌▲衒▼
(72)【発明者】
【氏名】趙 ▲連▼柱
【審査官】宇多川 勉
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１２／０１３９１１４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２４０４８２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１８－０９２１５５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１５－５１９７４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１４／０１４５３３２（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ２１／３２０５
Ｃ０１Ｂ ３２／１８６
Ｈ０１Ｌ ２１／７６８
Ｈ０１Ｌ ２３／５３２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも１つのトレンチが形成された誘電体層と、前記トレンチの内部を充填するように設けられる導電性配線と、
前記導電性配線の少なくとも一面に設けられるものであり、ナノレベルサイズの結晶を含むナノ結晶質グラフェンを含むキャップ層と、
前記トレンチの内部において、前記導電性配線を覆うように設けられるバリア層と、
を含み、
前記導電性配線と前記キャップ層との間には、金属含有層が設けられており、
前記バリア層は、前記誘電体層及び前記導電性配線と直接接触している、インターコネクト構造体。
【請求項2】
前記ナノ結晶質グラフェンは、０．５ｎｍ～１００ｎｍサイズの結晶を含むことを特徴とする請求項１に記載のインターコネクト構造体。
【請求項3】
前記ナノ結晶質グラフェンにおいて、全体炭素に対するｓｐ２結合構造を有する炭素の比率が５０％～９９％であることを特徴とする請求項１または２に記載のインターコネクト構造体。
【請求項4】
前記ナノ結晶質グラフェンは、１ａｔ％～２０ａｔ％の水素を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のインターコネクト構造体。
【請求項5】
前記ナノ結晶質グラフェンは、１．６ｇ／ｃｃ～２．１ｇ／ｃｃの密度を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のインターコネクト構造体。
【請求項6】
前記誘電体層は、基板に設けられることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のインターコネクト構造体。
【請求項7】
前記トレンチは、前記基板に接触するように形成されるか、あるいは前記基板に接触しないように形成されることを特徴とする請求項６に記載のインターコネクト構造体。
【請求項8】
前記導電性配線は、金属または金属合金を含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のインターコネクト構造体。
【請求項9】
前記バリア層は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｒｕ、ＲｕＴａ、ＩｒＴａ、Ｗ、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＲｕＮ、ＩｒＴａＮまたはＷＮを含むことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のインターコネクト構造体。
【請求項10】
前記バリア層は、前記導電性配線の上面を露出させるように設けられることを特徴とする請求項１に記載のインターコネクト構造体。
【請求項11】
前記キャップ層は、前記導電性配線の上面を覆うように設けられることを特徴とする請求項１０に記載のインターコネクト構造体。
【請求項12】
前記キャップ層は、前記導電性配線周囲の前記バリア層の上面も追加して覆うように設けられることを特徴とする請求項１１に記載のインターコネクト構造体。
【請求項13】
前記キャップ層は、前記バリア層周囲の前記誘電体層の上面も追加して覆うように設けられることを特徴とする請求項１２に記載のインターコネクト構造体。
【請求項14】
前記キャップ層は、前記導電性配線の上面を覆うように設けられる第１キャップ層と、前記導電性配線と前記バリア層との間に設けられる第２キャップ層と、を含むことを特徴とする請求項１１に記載のインターコネクト構造体。
【請求項15】
前記キャップ層は、前記導電性配線の上面を覆うように設けられる第１キャップ層と、前記トレンチの内部において、前記バリア層の外面を覆うように設けられる第２キャップ層と、を含むことを特徴とする請求項１１に記載のインターコネクト構造体。
【請求項16】
少なくとも１つのトレンチが形成された誘電体層と、
前記トレンチの内部を充填するように設けられる導電性配線と、
前記導電性配線の少なくとも一面に設けられるものであり、ナノレベルサイズの結晶を含むナノ結晶質グラフェンを含むキャップ層と、
前記トレンチの内部において、前記導電性配線を覆うように設けられるバリア層と、
を含み、
前記バリア層は、前記誘電体層及び前記導電性配線と直接接触しており、
前記バリア層は、前記導電性配線の全表面を覆うように設けられることを特徴とする、インターコネクト構造体。
【請求項17】
前記キャップ層は、前記バリア層の上面を覆うように設けられる第１キャップ層と、前記トレンチの内部において、前記バリア層の外面を覆うように設けられる第２キャップ層と、を含むことを特徴とする請求項１６に記載のインターコネクト構造体。
【請求項18】
基板と、前記基板に設けられるインターコネクト構造体と、を含み、
前記インターコネクト構造体は、
前記基板に設けられ、少なくとも１つのトレンチが形成された誘電体層と、
前記トレンチの内部を充填するように設けられる導電性配線と、
前記導電性配線の少なくとも一面に設けられるものであり、ナノレベルサイズの結晶を含むナノ結晶質グラフェンを含むキャップ層と、
前記トレンチの内部において、前記導電性配線を覆うように設けられるバリア層と、
を含み、
前記導電性配線と前記キャップ層との間には、金属含有層が設けられており、
前記バリア層は、前記誘電体層及び前記導電性配線と直接接触している、電子素子。
【請求項19】
前記インターコネクト構造体は、前記トレンチの内部において、前記導電性配線を覆うように設けられるバリア層をさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載の電子素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、インターコネクト構造体に係り、詳細には、ナノ結晶質グラフェンからなるキャップ層を含むインターコネクト構造体、及びそのインターコネクト構造体を含む電子素子に関する。
【背景技術】
【0002】
最近、半導体素子の高集積化のために、半導体素子の大きさが段々と小さくなっており、そのためには、インターコネクト構造体において、銅配線の線幅を狭くする必要がある。一方、銅配線の線幅が狭くなれば、銅配線内の電流密度が上昇し、その結果、銅配線の抵抗が大きくなる。そして、そのような銅配線の抵抗増大は、銅原子のエレクトロマイグレーション（ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ）を誘発することにより、銅配線内に欠陥が生じてしまう。従って、銅配線の抵抗を低くし、エレクトロマイグレーション防止のためには、銅配線にエレクトロマイグレーション抵抗を向上させることができるキャップ層を設ける必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
本発明が解決しようとする課題は、ナノ結晶質グラフェンからなるキャップ層を含むインターコネクト構造体、及びそのインターコネクト構造体を含む電子素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0004】
一側面において、
少なくとも１つのトレンチが形成された誘電体層と、
前記トレンチの内部を充填するように設けられる導電性配線と、
前記導電性配線の少なくとも一面に設けられるものであり、ナノレベルサイズの結晶を含むナノ結晶質グラフェンを含むキャップ層と、を含むインターコネクト構造体が提供される。
少なくとも１つのトレンチが形成された誘電体層と、
前記トレンチの内部を充填するように設けられる導電性配線と、
前記導電性配線の少なくとも一面に設けられるものであり、ナノレベルサイズの結晶を含むナノ結晶質グラフェンを含むキャップ層と、を含むインターコネクト構造体が提供される。
【0005】
前記ナノ結晶質グラフェンは、例えば、０．５ｎｍ～１００ｎｍサイズの結晶を含み得る。そして、前記ナノ結晶質グラフェンにおいて、全体炭素に対するｓｐ２結合構造（ｂｏｎｄｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有する炭素の比率は５０％～９９％になる。
【0006】
前記ナノ結晶質グラフェンは、例えば、１ａｔ％～２０ａｔ％（ａｔｏｍｉｃ ｐｅｒｃｅｎｔ）の水素を含んでもよい。前記ナノ結晶質グラフェンは、例えば、１．６ｇ／ｃｃ～２．１ｇ／ｃｃの密度を有することができる。
【0007】
前記誘電体層は、基板に設けられる。その場合、前記トレンチは、前記基板に接触するように形成されるか、あるいは前記基板に接触しないように形成される。
【0008】
前記導電性配線は、金属または金属合金を含み得る。
【0009】
前記インターコネクト構造体は、前記トレンチの内部において、前記導電性配線を覆うように設けられるバリア層をさらに含んでもよい。前記バリア層は、前記導電性配線の上面を露出させるようにも設けられる。
【0010】
前記キャップ層は、前記導電性配線の上面を覆うように設けられる。または、前記キャップ層は、前記導電性配線周囲の前記バリア層の上面も追加して覆うように設けられる。または、前記キャップ層は、前記バリア層周囲の前記誘電体層の上面も追加して覆うように設けられる。
【0011】
前記導電性配線と前記キャップ層との間には、金属含有層がさらに設けられてもよい。
【0012】
前記キャップ層は、前記導電性配線の上面を覆うように設けられる第１キャップ層と、前記導電性配線と前記バリア層との間に設けられる第２キャップ層と、を含んでもよい。
【0013】
前記キャップ層は、前記導電性配線の上面を覆うように設けられる第１キャップ層と、前記トレンチの内部において、前記バリア層の外面を覆うように設けられる第２キャップ層と、を含んでもよい。
【0014】
前記バリア層は、前記導電性配線の全表面を覆うように設けられる。前記キャップ層は、前記バリア層の露出された上面を覆うように設けられる第１キャップ層と、前記トレンチの内部において、前記バリア層の外面を覆うように設けられる第２キャップ層と、を含んでもよい。
【0015】
他の側面において、
基板と、
前記基板に設けられるインターコネクト構造体と；を含み、
前記インターコネクト構造体は、
前記基板に設けられ、少なくとも１つのトレンチが形成された誘電体層と、
前記トレンチの内部を充填するように設けられる導電性配線と、
前記導電性配線の少なくとも一面に設けられるものであり、ナノレベルサイズの結晶を含むナノ結晶質グラフェンを含むキャップ層と、を含む電子素子が提供される。
基板と、
前記基板に設けられるインターコネクト構造体と；を含み、
前記インターコネクト構造体は、
前記基板に設けられ、少なくとも１つのトレンチが形成された誘電体層と、
前記トレンチの内部を充填するように設けられる導電性配線と、
前記導電性配線の少なくとも一面に設けられるものであり、ナノレベルサイズの結晶を含むナノ結晶質グラフェンを含むキャップ層と、を含む電子素子が提供される。
【0016】
前記インターコネクト構造体は、前記トレンチの内部において、前記導電性配線を覆うように設けられるバリア層をさらに含んでもよい。
【発明の効果】
【0017】
本発明の実施形態によれば、導電性配線にナノ結晶質グラフェンからなるキャップ層を設けることにより、導電性配線の電気抵抗を低減させることができ、それにより、エレクトロマイグレーション抵抗を向上させることができる。その結果、導電性配線内に欠陥が生じることを低減させることができるので、導電性配線の損傷を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】例示的な実施形態によるインターコネクト構造体を含む電子素子を図示したものである。
【図2A】一般的な結晶質グラフェンを示すラマンスペクトルを例示的に図示した図面である。
【図2B】例示的な実施形態によるナノ結晶質グラフェンを示すラマンスペクトルを例示的に図示した図面である。
【図2C】非晶質炭素層を示すラマンスペクトルを例示的に図示した図面である。
【図4】他の例示的な実施形態によるインターコネクト構造体を含む電子素子を図示した図面である。
【図5】さらに他の例示的な実施形態によるインターコネクト構造体を含む電子素子を図示した図面である。
【図6】さらに他の例示的な実施形態によるインターコネクト構造体を含む電子素子を図示した図面である。
【図7】さらに他の例示的な実施形態によるインターコネクト構造体を含む電子素子を図示した図面である。
【図8】さらに他の例示的な実施形態によるインターコネクト構造体を含む電子素子を図示した図面である。
【図9】さらに他の例示的な実施形態によるインターコネクト構造体を含む電子素子を図示した図面である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、添付された図面を参照し、実施形態について詳細に説明する。図面において、同一参照符号は、同一構成要素を指し、各構成要素の大きさや厚みは、説明の明瞭性のために誇張されてもいる。また、所定物質層が、基板上や他層上に存在すると説明されるとき、その物質層は、基板や他層に直接接しながら存在する場合もあり、その間に他の第３層が存在する場合もある。そして、以下の実施形態において、各層をなす物質は、例示的なものであるので、それら以外に他の物質が使用されもする。
【0020】
図１は、例示的な実施形態によるインターコネクト構造体１２０を含む電子素子１００を図示したものである。
【0021】
図１を参照すれば、電子素子１００は、基板１１０と、その基板１１０に設けられるインターコネクト構造体１２０と、を含む。ここで、インターコネクト構造体１２０は、誘電体層１２１、導電性配線１２５、バリア層１２６及びキャップ層１２７を含む。
【0022】
基板１１０は、半導体基板にもなる。例えば、基板１１０は、ＩＶ族半導体物質、ＩＩＩ／Ｖ族半導体化合物またはＩＩ／ＶＩ族半導体化合物を含み得る。具体的な例として、基板１１０は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＣ、Ｇｅ ａｌｌｏｙ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰなどを含み得る。しかし、それらは例示的なものであり、それら以外にも、他の多様な半導体物質が基板１１０として使用される。
【0023】
基板１１０は、単一層、または互いに異なる物質が積層された複数層を含んでもよい。基板１１０は、例えば、ＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板またはＳＧＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ ｇｅｒｍａｎｉｕｍ－ｏｎ－ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を含んでもよい。また、基板１１０は、ドーピングされていない（ｎｏｎ－ｄｏｐｅｄ）半導体物質、またはドーピングされた（ｄｏｐｅｄ）半導体物質を含んでもよい。
【0024】
基板１１０には、少なくとも１つの半導体素子（図示せず）が含まれてもよい。ここで、半導体素子は、例えば、トランジスタ、キャパシタ、ダイオード及び抵抗器のうち少なくとも一つを含み得る。しかし、それらに限定されるものではない。
【0025】
基板１１０には、誘電体層１２１が形成されている。その誘電体層１２１は、単一層構造、または互いに異なる物質が積層された多層構造を有することができる。誘電体層１２１は、一般的な半導体製造工程で使用される誘電物質を含み得る。例えば、誘電体層１２１は、シリコン酸化物、窒化物、シリコン窒化物、シリコンカーバイド、シリケートなどを含み得る。しかし、それらは例示的なものであり、それら以外にも、他の多様な誘電物質が誘電体層１２１として使用される。また、誘電体層１２１は有機誘電物質を含んでもよい。
【0026】
誘電体層１２１には、少なくとも１つのトレンチ１２１ａが所定深さに形成される。ここで、少なくとも１つのトレンチ１２１ａは、基板１１０に接触しないように形成されるか、あるいは基板１１０に接触するように形成される。図１には、誘電体層１２１に、２個のトレンチ１２１ａが形成されており、そのうち１つのトレンチ１２１ａは、基板１１０に接触しないように形成され、他の１つのトレンチ１２１ａは、基板１１０に接触するように形成された場合が図示されている。
【0027】
導電性配線１２５は、トレンチ１２１ａの内部を充填するように設けられている。導電性配線１２５は、電気伝導度に優れる金属または金属合金を含み得る。例えば、導電性配線１２５は、Ｃｕ、Ｒｕ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｒ、またはそれらの合金を含み得る。しかし、それらに限定されるものではなく、他の多様な金属が導電性配線１２５として使用される。
【0028】
トレンチ１２１ａの内壁には、バリア層１２６が設けられている。ここで、バリア層１２６は、誘電体層１２１と導電性配線１２５との間において、導電性配線１２５を覆うように設けられる。具体的には、バリア層１２６は、導電性配線１２５の側面及び下面を覆うように、トレンチ１２１ａの内壁に設けられてもよい。導電性配線１２５の上面は、バリア層１２６から露出される。そのようなバリア層１２６は、導電性配線１２５をなす物質の拡散を防止する役割を行う。一方、バリア層１２６は、誘電体層１２１と導電性配線１２５との接着層の役割を追加して行う。
【0029】
バリア層１２６は、単一層構造、または互いに異なる物質が積層された多層構造を含んでもよい。バリア層１２６は、例えば、金属、金属の合金、または金属窒化物などを含み得る。具体的な例として、バリア層は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｒｕ、ＲｕＴａ、ＩｒＴａ、Ｗ、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＲｕＮ、ＩｒＴａＮまたはＷＮなどを含み得る。しかし、それらは例示的なものに過ぎず、それら以外にも、他の多様な物質がバリア層１２６として使用される。
【0030】
トレンチ１２１ａの内部を充填するように設けられた導電性配線１２５の上面には、キャップ層１２７が設けられている。キャップ層１２７は、導電性配線１２５の露出された上面を覆うように設けられている。
【0031】
導電性配線１２５の上面に設けられるキャップ層１２７は、ナノ結晶質グラフェンを含む。そのキャップ層１２７は、単一層構造、または複層が積層された多層構造を有することができる。ナノ結晶質グラフェンとは、一般的な結晶質グラフェンである真性グラフェン（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｇｒａｐｈｅｎｅ）に比べ、小サイズの結晶を含む。例えば、ナノ結晶質グラフェンは、ナノレベル、具体的には、１００ｎｍ以下の大きさを有する結晶を含み得る。後述するように、導電性配線１２５の上面に、ナノ結晶質グラフェンからなるキャップ層１２７を形成することになれば、導電性配線１２５の電気抵抗を低減させ、それにより、エレクトロマイグレーション（ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ）抵抗を向上させることができる。
【0032】
以下では、真性グラフェン、ナノ結晶質グラフェン及び非晶質炭素層について具体的に比較して説明する。
【0033】
図２Ａないし図２Ｃは、一般的な結晶質グラフェン、例示的な実施形態によるナノ結晶質グラフェン、及び非晶質炭素層に係るラマンスペクトルを例示的に図示したものである。後述する全体炭素に対するｓｐ２結合構造（ｂｏｎｄｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有する炭素の比率は、例えば、ＸＰＳ（Ｘ－ｒａｙ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析を介して得られ、水素の含量は、例えば、ラザフォード後方散乱分光（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）の成分分析を介して得られる。
【0034】
図２Ａは、真性グラフェンを示すラマンスペクトルを例示的に図示したものである。
【0035】
図２Ａを参照すれば、結晶質グラフェンである真性グラフェンにおいては、 Ｇ ｐｅａｋ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙに対するＤ ｐｅａｋ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙの比率は、例えば、大体０．１より小さく、Ｇ ｐｅａｋ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙに対する２Ｄ ｐｅａｋ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙの比率は、例えば、大体２よりも大きくなる。そのような真性グラフェンは、大体１００ｎｍより大きいサイズの結晶を含み得る。
【0036】
真性グラフェンにおいては、全体炭素に対するｓｐ２結合構造を有する炭素の比率は、ほぼ１００％にもなる。そして、真性グラフェンは、水素をほとんど含まない。また、真性グラフェンの密度は、例えば、大体２．１ｇ／ｃｃほどにもなり、真性グラフェンの面抵抗（ｓｈｅｅｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）は、例えば、大体１００～３００Ω／ｓｑほどにもなる。
【0037】
図２Ｂは、ナノ結晶質グラフェンを示すラマンスペクトルを例示的に図示したものである。
【0038】
図２Ｂを参照すれば、ナノ結晶質グラフェンにおいては、Ｇ ｐｅａｋ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙに対するＤ ｐｅａｋ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙの比率は、例えば、大体２．１より小さく、Ｇ ｐｅａｋ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙに対する２Ｄ ｐｅａｋ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙの比率は、例えば、大体０．１よりも大きくなる。そして、Ｄ ｐｅａｋの半値幅（ＦＷＨＭ：ｆｕｌｌ ｗｉｄｔｈ ａｔ ｈａｌｆ ｍａｘｉｍｕｍ）は、例えば、大体２５～１２０ｃｍ－１ほどにもなる。
【0039】
ナノ結晶質グラフェンは、真性グラフェンより小サイズ、例えば、大体０．５ｎｍ～１００ｎｍほどの大きさを有する結晶を含む。ナノ結晶質グラフェンにおいては、全体炭素に対するｓｐ２結合構造を有する炭素の比率は、例えば、大体５０％～９９％ほどにもなる。そして、ナノ結晶質グラフェンは、例えば、大体１～２０ａｔ％（ａｔｏｍｉｃ ｐｅｒｃｅｎｔ）ほどの水素を含んでいる。また、ナノ結晶質グラフェンの密度は、例えば、大体１．６～２．１ｇ／ｃｃほどにもなり、ナノ結晶質グラフェンの面抵抗は、例えば、大体１，０００Ω／ｓｑよりも大きくなる。
【0040】
図２Ｃは、非晶質炭素層を示すラマンスペクトルを例示的に図示したものである。
【0041】
図２Ｃを参照すれば、非晶質炭素層は、Ｄ ｐｅａｋの半値幅（ＦＷＨＭ）が、例えば、大体１２０ｃｍ－１よりも大きくなる。非晶質炭素層においては、全体炭素に対するｓｐ２結合構造を有する炭素の比率は、例えば、大体３０％～５０％ほどにもなる。そして、非晶質炭素層には、大体２０ａｔ％より多い含量の水素を含んでいる。
【0042】
最近では、半導体素子の高集積化のために、半導体素子の大きさが段々と小さくなっており、それにより、導電性配線の線幅も狭くなっている。しかし、導電性配線の線幅が狭くなれば、導電性配線内の電流密度は増大することにより、導電性配線の電気抵抗が大きくなる。そのような電気抵抗の増大は、エレクトロマイグレーション現象を発生させ、導電性配線内に欠陥が生じ、それにより、導電性配線が損傷してしまう。ここで、エレクトロマイグレーションは、伝導性電子と、金属内の原子核との間の運動量伝達によって生じる導体内イオンの持続的な動きによる物質の移動を言う。
【0043】
本実施形態のように、導電性配線１２５の上面を覆うように設けられるキャップ層１２７を、ナノ結晶質グラフェンで形成することになれば、導電性配線１２５の電気抵抗を低減させることができる。具体的な例として、銅配線の上面に、コバルト（Ｃｏ）からなるキャップ層を形成する場合、銅配線の上面にキャップ層を形成しない場合に比べ、銅配線の電気抵抗を大体４％ほど低減させることができる。それに反し、銅配線の上面に、ナノ結晶質グラフェンからなるキャップ層を形成する場合には、銅配線の上面にキャップ層を形成しない場合に比べ、銅配線の電気抵抗を大体１０％ほど低減させることができる。
【0044】
そのように、導電性配線１２５の上面に、ナノ結晶質グラフェンからなるキャップ層１２７を形成することにより、導電性配線１２５の電気抵抗を低減させることができ、エレクトロマイグレーション抵抗を向上させることができる。従って、導電性配線１２５内における欠陥発生を低減させることができるので、導電性配線１２５の損傷を防止することができる。
【0045】
【0046】
図３Ａを参照すれば、基板１１０に、少なくとも１つのトレンチ１２１ａを含む誘電体層１２１を形成する。具体的には、まず、基板１１０に、誘電体層１２１を形成する。ここで、誘電体層１２１は、一般的な半導体製造工程で使用される蒸着工程、例えば、化学気相蒸着（ＣＶＤ：ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、プラズマ化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ：ｐｌａｓｍａ ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）、スピンコーティング（ｓｐｉｎ ｃｏａｔｉｎｇ）などの工程を介して形成される。
【0047】
基板１１０は、半導体基板にもなる。例えば、基板１１０は、ＩＶ族半導体物質、ＩＩＩ／Ｖ族半導体化合物またはＩＩ／ＶＩ族半導体化合物を含み得る。基板１１０は、単一層、または互いに異なる物質が積層された複数層を含んでもよい。また、基板１１０は、例えば、ＳＯＩ基板またはＳＧＯＩ基板を含んでもよい。基板１１０は、ドーピングされていない半導体物質、またはドーピングされた半導体物質を含んでもよい。
【0048】
基板１１０には、少なくとも１つの半導体素子（図示せず）が含まれてもよい。例えば、半導体素子は、トランジスタ、キャパシタ、ダイオード及び抵抗器のうち少なくとも一つを含んでもよいが、それらに限定されるものではない。
【0049】
誘電体層１２１は、一般的な半導体製造工程で使用される誘電物質を含み得る。例えば、誘電体層１２１は、シリコン酸化物、窒化物、シリコン窒化物、シリコンカーバイド、シリケートなどを含み得る。しかし、それらは単に例示的なものであり、それら以外にも、他の多様な誘電物質が誘電体層１２１として使用される。また、誘電体層１２１は、有機誘電物質を含んでもよい。そのような誘電体層１２１は、単一層構造、または互いに異なる物質が積層された多層構造を有することができる。
【0050】
次に、誘電体層１２１に、少なくとも１つのトレンチ１２１ａを所定深さに形成する。そのような少なくとも１つのトレンチ１２１ａは、例えば、フォトリソグラフィ（ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）工程及びエッチング工程を介して形成される。ここで、少なくとも１つのトレンチ１２１ａは、基板１１０に接触しないように形成されたり、基板１１０に接触するように形成されたりする。図３Ａには、誘電体層１２１に、２個のトレンチ１２１ａが形成されており、そのうち１つのトレンチ１２１ａは、基板１１０に接触しないように形成され、他の１つのトレンチ１２１ａは、基板１１０に接触するように形成された場合が図示されている。
【0051】
図３Ｂを参照すれば、誘電体層１２１に形成された少なくとも１つのトレンチ１２１ａ内部に、導電性配線１２５及びバリア層１２６を形成する。まず、誘電体層１２１の表面を覆うように、バリア層１２６を形成する。ここで、バリア層１２６は、一般的な半導体製造工程で使用される蒸着工程を介して形成される。バリア層１２６は、例えば、金属、金属の合金、または金属窒化物などを含んでもよい。しかし、それらに限定されるものではない。バリア層１２６は、単一層構造、または互いに異なる物質が積層された多層構造を含んでもよい。
【0052】
次に、少なくとも１つのトレンチ１２１ａ内部を充填するように、バリア層１２６の表面に、導電性配線１２５を形成する。そのような導電性配線１２５は、例えば、化学気相蒸着（ＣＶＤ）、プラズマ化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ）、物理気相蒸着（ＰＶＤ：ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、電気メッキ（ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇ）、化学溶液沈澱（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）または無電解メッキ（ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ ｐｌａｔｉｎｇ）などを介して形成される。一方、導電性配線１２５を、電気メッキを介して形成する場合には、導電性配線１２５を形成する前に、バリア層１２６の表面に電気メッキを促進させるためのメッキシード層（図示せず）を形成することもできる。そのようなメッキシード層は、例えば、銅（Ｃｕ）、銅合金、イリジウム（Ｉｒ）、イリジウム合金、ルテニウム（Ｒｕ）またはルテチウム合金などを含んでもよいが、それらは、単に例示的なものである。
【0053】
導電性配線１２５は、電気伝導度に優れる金属または金属合金を含み得る。例えば、導電性配線１２５は、Ｃｕ、Ｒｕ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｒ、またはそれらの合金を含み得る。しかし、それらに限定されるものではなく、他の多様な金属が導電性配線１２５として使用される。
【0054】
次に、平坦化工程を介して、図３Ｂに図示されているように、誘電体層１２１の上面、バリア層１２６の上面、及び導電性配線１２５の上面が同一平面になるように加工する。ここで、平坦化工程は、例えば、化学的機械的研磨（ＣＭＰ：ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）工程またはグラインディング工程などを含んでもよいが、それらに限定されるものではない。
【0055】
図３Ｃを参照すれば、導電性配線１２５の上面に、ナノ結晶質グラフェンからなるキャップ層１２７を形成する。そのキャップ層１２７は、導電性配線１２５の露出された上面を覆うようにも形成される。ここで、ナノ結晶質グラフェンからなるキャップ層１２７は、単一層構造または多層構造に形成される。
【0056】
前述のように、ナノ結晶質グラフェンは、一般的な結晶質グラフェンである真性グラフェンに比べ、小サイズの結晶、例えば、大体１００ｎｍ以下の大きさ、さらに具体的には、大体０．５ｎｍ～１００ｎｍほどの大きさを有する結晶を含む。ナノ結晶質グラフェンにおいては、全体炭素に対するｓｐ２結合構造を有する炭素の比率は、例えば、大体５０％～９９％ほどにもなる。そして、ナノ結晶質グラフェンは、例えば、大体１～２０ａｔ％ほどの水素を含んでいる。また、ナノ結晶質グラフェンの密度は、例えば、大体１．６～２．１ｇ／ｃｃほどにもなり、ナノ結晶質グラフェンの面抵抗は、例えば、大体１，０００Ω／ｓｑよりも大きくなる。
【0057】
キャップ層１２７は、導電性配線１２５の上面に、例えば、化学気相蒸着またはプラズマ化学気相蒸着などの蒸着工程を介して、ナノ結晶質グラフェンを成長させることによって形成される。具体的な例を挙げれば、キャップ層１２７は、プラズマ化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ）を利用し、比較的低い温度、例えば、大体７００℃以下の温度で、導電性配線１２５の上面に、ナノ結晶質グラフェンを成長させることによって形成される。また、キャップ層１２７は、蒸着工程以外にも、導電性配線１２５の上面に、ナノ結晶質グラフェンを転写させる（ｔｒａｎｓｆｅｒ）ことによって形成される。
【0058】
図４は、他の例示的な実施形態によるインターコネクト構造体２２０を含む電子素子２００を図示したものである。以下においては、前述の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【0059】
図４を参照すれば、電子素子２００は、基板１１０と、その基板１１０に設けられるインターコネクト構造体２２０と、を含む。ここで、インターコネクト構造体２００は、誘電体層１２１、導電性配線１２５、バリア層１２６及びキャップ層２２７を含む。
【0060】
基板１１０及び誘電体層１２１については上で説明したので、それに係わる説明は省略する。誘電体層１２１には、少なくとも１つのトレンチ１２１ａが、所定深さに形成される。導電性配線１２５は、トレンチ１２１ａの内部を充填するように設けられている。ここで、導電性配線１２５は、電気伝導度に優れる金属または金属合金、例えば、Ｃｕ、Ｒｕ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｒ、またはそれらの合金を含み得る。しかし、それらは単に例示的なものである。トレンチ１２１ａの内壁には、バリア層１２６が設けられている。ここで、バリア層１２６は、誘電体層１２１と導電性配線１２５との間において、導電性配線１２５を覆うように設けられる。具体的には、バリア層１２６は、導電性配線１２５の側面及び下面を覆うように、トレンチ１２１ａの内壁に設けられてもよい。導電性配線１２５の上面は、バリア層１２６から露出される。
【0061】
導電性配線１２５の上面及びバリア層１２６の上面には、キャップ層２２７が設けられている。具体的には、キャップ層２２７は、導電性配線１２５の露出された上面、及びバリア層１２６の露出された上面を覆うように設けられている。
【0062】
キャップ層２２７は、ナノ結晶質グラフェンを含む。ナノ結晶質グラフェンは、前述のように、一般的な結晶質グラフェンである真性グラフェンに比べ、小サイズの結晶、例えば、大体１００ｎｍ以下の大きさを有する結晶を含む。ナノ結晶質グラフェンについては、前述の実施形態で詳細に説明したので、それに係わる説明は省略する。
【0063】
図５は、さらに他の例示的な実施形態によるインターコネクト構造体３２０を含む電子素子３００を図示したものである。以下では、前述の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【0064】
図５を参照すれば、電子素子３００は、基板１１０と、その基板１１０に設けられるインターコネクト構造体３２０と、を含む。ここで、インターコネクト構造体３２０は、誘電体層１２１、導電性配線１２５、バリア層１２６及びキャップ層３２７を含む。
【0065】
基板１１０及び誘電体層１２１については上で説明したので、それに係わる説明は省略する。誘電体層１２１には、少なくとも１つのトレンチ１２１ａが、所定深さに形成される。導電性配線１２５は、トレンチ１２１ａの内部を充填するように設けられている。そして、トレンチ１２１ａの内壁には、バリア層１２６が設けられている。具体的には、バリア層１２６は、導電性配線１２５の側面及び下面を覆うように、トレンチ１２１ａの内壁に設けられてもよい。導電性配線１２５の上面は、バリア層１２６から露出される。
【0066】
導電性配線１２５の上面、バリア層１２６の上面、及び誘電体層１２１の一部上面には、キャップ層３２７が設けられている。具体的には、キャップ層３２７は、導電性配線１２５の露出された上面、バリア層１２６の露出された上面、及びバリア層１２６周囲にある誘電体層１２１の露出された上面を覆うように設けられている。
【0067】
キャップ層３２７は、ナノ結晶質グラフェンを含む。ナノ結晶質グラフェンは、前述のように、一般的な結晶質グラフェンである真性グラフェンに比べ、小サイズの結晶、例えば、大体１００ｎｍ以下の大きさを有する結晶を含む。ナノ結晶質グラフェンについては、前述の実施形態で詳細に説明したので、それに係わる説明は、省略する。
【0068】
図６は、さらに他の例示的な実施形態によるインターコネクト構造体４２０を含む電子素子４００を図示したものである。以下では、前述の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【0069】
図６を参照すれば、電子素子４００は、基板１１０と、その基板１１０に設けられるインターコネクト構造体４２０と、を含む。ここで、インターコネクト構造体４２０は、誘電体層１２１、導電性配線１２５、バリア層１２６及びキャップ層４２７を含む。
【0070】
基板１１０及び誘電体層１２１については上で説明したので、それに係わる説明は省略する。誘電体層１２１には、少なくとも１つのトレンチ１２１ａが、所定深さに形成される。導電性配線１２５は、トレンチ１２１ａの内部を充填するように設けられている。トレンチ１２１ａの内壁には、バリア層１２６が設けられている。具体的には、バリア層１２６は、導電性配線１２５の側面及び下面を覆うように、トレンチ１２１ａの内壁に設けられてもよい。導電性配線１２５の上面は、バリア層１２６から露出される。
【0071】
導電性配線１２５の上面には、金属含有層４２８及びキャップ層４２７が順次に設けられている。ここで、金属含有層４２８は、キャップ層４２７を構成するナノ結晶質グラフェンの成長及び形成を促進する役割を行う。
【0072】
金属含有層４２８は、導電性配線１２５をなす物質より優秀な耐食性または耐酸化性を有する金属または金属合金を含み得る。例えば、金属含有層４２８は、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、コバルト（Ｃｏ）、ロジウム（Ｒｈ）、ＣｏＷ、ＣｏＷＰ、またはそれらの合金を含み得る。しかし、それらは単に例示的なものである。金属含有層４２８は、単一層構造または多層構造に形成される。そのような金属含有層４２８は、例えば、化学気相蒸着（ＣＶＤ）、プラズマ化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ）、原子層蒸着（ＡＬＤ：ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの方法を介して、導電性配線１２５の上面に選択的に形成される。
【0073】
金属含有層４２８の上面には、キャップ層４２７が形成されている。キャップ層４２７は、ナノ結晶質グラフェンを含む。ナノ結晶質グラフェンは、前述のように、一般的な結晶質グラフェンである真性グラフェンに比べ、小サイズの結晶、例えば、大体１００ｎｍ以下の大きさを有する結晶を含む。ナノ結晶質グラフェンについては、前述の実施形態で詳細に説明したので、それに係わる説明は省略する。前述のように、金属含有層４２８は、ナノ結晶質グラフェンの成長及び形成を促進する役割を行うので、キャップ層４２７は、金属含有層４２８の上面において、さらに効果的に形成される。
【0074】
図７は、さらに他の例示的な実施形態によるインターコネクト構造体５２０を含む電子素子５００を図示したものである。
【0075】
図７を参照すれば、電子素子５００は、基板１１０と、その基板１１０に設けられるインターコネクト構造体５２０と、を含む。ここで、インターコネクト構造体５２０は、誘電体層１２１、導電性配線５２５、バリア層５２６及びキャップ層５２７を含む。
【0076】
基板１１０は、半導体基板にもなる。例えば、基板１１０は、ＩＶ族半導体物質、ＩＩＩ／Ｖ族半導体化合物またはＩＩ／ＶＩ族半導体化合物を含み得る。しかし、それらに限定されるものではない。基板１１０は、単一層、または互いに異なる物質が積層された複数層を含んでもよい。また、基板１１０は、ドーピングされていない半導体物質、またはドーピングされた半導体物質を含んでもよい。基板１１０には、少なくとも１つの半導体素子（図示せず）が含まれてもよい。ここで、半導体素子は、例えば、トランジスタ、キャパシタ、ダイオード及び抵抗器のうち少なくとも一つを含んでもよいが、それらは単に例示的なものである。
【0077】
基板１１０には、誘電体層１２１が形成されている。そのような誘電体層１２１は、単一層構造、または互いに異なる物質が積層された多層構造を有することができる。誘電体層１２１は、一般的な半導体製造工程で使用される誘電物質を含み得る。例えば、誘電体層１２１は、無機誘電物質または有機誘電物質を含み得る。
【0078】
誘電体層１２１には、少なくとも１つのトレンチ１２１ａが、所定深さに形成される。ここで、少なくとも１つのトレンチ１２１ａは、基板１１０に接触しないように形成されるか、あるいは基板１１０に接触するように形成される。図７には、誘電体層１２１に、２個のトレンチ１２１ａが形成されており、そのうち１つのトレンチ１２１ａは、基板１１０に接触しないように形成され、他の１つのトレンチ１２１ａは、基板１１０に接触するように形成された場合が図示されている。
【0079】
導電性配線５２５は、トレンチ１２１ａの内部を充填するように設けられている。ここで、導電性配線５２５は、電気伝導度に優れる金属または金属合金を含み得る。例えば、導電性配線５２５は、Ｃｕ、Ｒｕ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｒ、またはそれらの合金を含み得る。しかし、それらに限定されるものではなく、他の多様な金属が導電性配線５２５としても使用される。キャップ層５２７は、導電性配線５２５の全表面を覆うように設けられている。キャップ層は、第１キャップ層５２７ａ及び第２キャップ層５２７ｂを含む。ここで、第１キャップ層５２７ａは、導電性配線５２５の上面、及び第２キャップ層５２７ｂの上面を覆うように設けられ、第２キャップ層５２７ｂは、トレンチ１２１ａの内部において、導電性配線５２５の外面、すなわち、側面及び下面を覆うように設けられる。
【0080】
キャップ層５２７は、ナノ結晶質グラフェンを含む。キャップ層５２７は、単一層構造、または複層が積層された多層構造を有することができる。ナノ結晶質グラフェンは、一般的な結晶質グラフェンである真性グラフェンに比べ、小サイズの結晶、例えば、１００ｎｍ以下の大きさを有する結晶を含む。
【0081】
このように、導電性配線５２５の全表面にナノ結晶質グラフェンからなるキャップ層５２７を設けることにより、導電性配線５２５の電気抵抗を低減させることができ、それにより、エレクトロマイグレーション抵抗を増大させることができる。具体的には、第１キャップ層５２７ａは、導電性配線５２５の上面で生じうるエレクトロマイグレーションの抵抗を増大させることができ、第２キャップ層５２７ｂは、トレンチ１２１ａの内部に設けられて、導電性配線５２５の側面及び下面で生じうるエレクトロマイグレーションの抵抗を増大させることができる。また、第２キャップ層５２７ｂは、導電性配線５２５をなす物質の拡散を防止する拡散バリアの役割も行う。
【0082】
バリア層５２６は、トレンチ１２１ａの内部において、第２キャップ層５２７ｂを覆うように設けられている。具体的には、バリア層５２６は、第２キャップ層５２７ｂの側面及び下面を覆うように設けられている。そのようなバリア層５２６は、導電性配線５２５をなす物質の拡散を防止する役割を行う。バリア層５２６は、単一層構造、または互いに異なる物質が積層された多層構造を含んでもよい。バリア層５２６は、例えば、金属、金属の合金、または金属窒化物などを含み得る。具体的な例として、バリア層５２６は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｒｕ、ＲｕＴａ、ＩｒＴａ、Ｗ、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＲｕＮ、ＩｒＴａＮ、またはＷＮなどを含み得る。しかし、それらは単に例示的なものであり、それら以外にも他の多様な物質がバリア層５２６として使用される。
【0083】
本実施形態においては、導電性配線５２５とバリア層５２６との間に拡散バリアの役割も遂行することができる第２キャップ層５２７ｂを設けることにより、バリア層５２６に要求される層厚や層数を低減させることができる。
【0084】
一方、図７には、第１キャップ層５２７ａが導電性配線５２５の上面、及び第２キャップ層５２７ｂの上面を覆うように設けられる場合が例示的に図示されている。しかし、第１キャップ層５２７ａは、導電性配線５２５の上面だけ覆うようにも設けられる。また、第１キャップ層５２７ａは、導電性配線５２５の上面、第２キャップ層５２７ｂの上面、及び第２キャップ層５２７ｂ周囲にある誘電体層１２１の上面を覆うようにも設けられる。
【0085】
図８は、さらに他の例示的な実施形態によるインターコネクト構造体６２０を含む電子素子６００を図示したものである。以下では、前述の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【0086】
図８を参照すれば、電子素子６００は、基板１１０と、その基板１１０に設けられるインターコネクト構造体６２０と、を含む。ここで、インターコネクト構造体６２０は、誘電体層１２１、導電性配線６２５、バリア層６２６及びキャップ層６２７を含む。
【0087】
基板１１０は、半導体基板にもなる。基板１１０は、単一層、または互いに異なる物質が積層された複数層を含んでもよい。また、基板１１０は、ドーピングされていない半導体物質、またはドーピングされた半導体物質を含んでもよい。そのような基板１１０には、少なくとも１つの半導体素子（図示せず）が含まれてもよい。
【0088】
基板１１０には、誘電体層１２１が形成されている。その誘電体層１２１は、単一層構造、または互いに異なる物質が積層された多層構造を有することができる。誘電体層１２１は、一般的な半導体製造工程で使用される誘電物質を含み得る。例えば、誘電体層１２１は、無機誘電物質または有機誘電物質を含み得る。誘電体層１２１には、少なくとも１つのトレンチ１２１ａが、所定深さに形成される。ここで、少なくとも１つのトレンチ１２１ａは、基板１１０に接触しないように形成されるか、あるいは基板１１０に接触するように形成される。
【0089】
導電性配線６２５は、トレンチ１２１ａの内部を充填するように設けられている。導電性配線６２５は、電気伝導度に優れる金属または金属合金を含み得る。例えば、導電性配線６２５は、Ｃｕ、Ｒｕ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｒ、またはそれらの合金を含み得る。しかし、それらは単に例示的なものである。
【0090】
バリア層６２６は、トレンチ１２１ａの内部において、導電性配線６２５の外面、すなわち、側面及び下面を覆うように設けられている。導電性配線６２５の上面は、バリア層６２６から露出される。バリア層６２６は、導電性配線６２５をなす物質の拡散を防止する役割を行う。バリア層６２６は、単一層構造、または互いに異なる物質が積層された多層構造を含んでもよい。バリア層６２６は、例えば、金属、金属の合金、または金属窒化物などを含み得る。
【0091】
キャップ層６２７は、導電性配線６２５及びバリア層６２６を覆うように設けられている。キャップ層６２７は、第１キャップ層６２７ａ及び第２キャップ層６２７ｂを含む。ここで、第１キャップ層６２７ａは、導電性配線６２５の上面、バリア層６２６の上面、及び第２キャップ層６２７ｂの上面を覆うように設けられ、第２キャップ層６２７ｂは、トレンチ１２１ａの内部において、バリア層６２６の外面、すなわち、側面及び下面を覆うように設けられる。
【0092】
キャップ層６２７は、ナノ結晶質グラフェンを含む。キャップ層６２７は、単一層構造、または複層が積層された多層構造を有することができる。ナノ結晶質グラフェンは、一般的な結晶質グラフェンである真性グラフェンに比べ、小サイズの結晶、例えば、１００ｎｍ以下の大きさを有する結晶を含む。
【0093】
第１キャップ層６２７ａは、導電性配線６２５の上面で生じうるエレクトロマイグレーションの抵抗を増大させることができ、第２キャップ層６２７ｂは、トレンチ１２１ａの内部に設けられて、導電性配線６２５の側面及び下面で生じうるエレクトロマイグレーションの抵抗を増大させることができる。また、第２キャップ層６２７ｂは、導電性配線６２５をなす物質の拡散を防止する拡散バリアの役割も行う。
【0094】
本実施形態においては、バリア層６２６の側面及び下面に、バリアの役割も遂行することができる第２キャップ層６２７ｂを設けることにより、バリア層６２６に要求される層厚や層数を低減させることができる。
【0095】
一方、図８には、第１キャップ層６２７ａが、導電性配線６２５の上面、バリア層６２６の上面、及び第２キャップ層６２７ｂの上面を覆うように設けられる場合が例示的に図示されている。しかし、第１キャップ層６２７ａは、導電性配線６２５の上面だけ覆うようにも設けられるか、あるいは第１キャップ層６２７ａは、導電性配線６２５の上面、及びバリア層６２６の上面を覆うようにも設けられる。また、第１キャップ層６２７ａは、導電性配線６２５の上面、バリア層６２６の上面、第２キャップ層６２７ｂの上面、及び第２キャップ層６２７ｂ周囲にある誘電体層１２１の上面を覆うようにも設けられる。
【0096】
図９は、さらに他の例示的な実施形態によるインターコネクト構造体７００を含む電子素子を図示したものである。以下では、前述の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【0097】
図９を参照すれば、電子素子７００は、基板１１０と、その基板１１０に設けられるインターコネクト構造体７２０と、を含む。インターコネクト構造体７２０は、誘電体層１２１、導電性配線７２５、バリア層７２６及びキャップ層７２７を含む。
【0098】
基板１１０には、誘電体層１２１が設けられており、その誘電体層１２１には、少なくとも１つのトレンチ１２１ａが、所定深さに形成される。ここで、少なくとも１つのトレンチ１２１ａは、基板１１０に接触しないように形成されるか、あるいは基板１１０に接触するようにも形成される。
【0099】
導電性配線７２５は、トレンチ１２１ａの内部を充填するように設けられている。導電性配線７２５は、電気伝導度に優れる金属または金属合金を含み得る。バリア層７２６は、導電性配線７２５の全表面（すなわち、上面、側面及び下面）を覆うように設けられている。そのようなバリア層７２６は、例えば、金属、金属の合金、または金属窒化物などを含み得る。
【0100】
キャップ層７２７は、バリア層７２６を覆うように設けられている。キャップ層７２７は、第１キャップ層７２７ａ及び第２キャップ層７２７ｂを含む。ここで、第１キャップ層７２７ａは、バリア層７２５の上面、及び第２キャップ層７２７ｂの上面を覆うように設けられ、第２キャップ層７２７ｂは、トレンチ１２１ａの内部において、バリア層７２６の外面（すなわち、側面及び下面）を覆うように設けられる。
【0101】
キャップ層７２７は、ナノ結晶質グラフェンを含む。キャップ層７２７は、単一層構造、または複層が積層された多層構造を有することができる。ナノ結晶質グラフェンは、一般的な結晶質グラフェンである真性グラフェンに比べ、小サイズの結晶、例えば、１００ｎｍ以下の大きさを有する結晶を含む。
【0102】
第１キャップ層７２７ａ及び第２キャップ層７２７ｂは、導電性配線７２５で生じうるエレクトロマイグレーションの抵抗を増大させることができる。また、第１キャップ層７２７ａ及び第２キャップ層７２７ｂは、導電性配線７２５をなす物質の拡散を防止する拡散バリアの役割も行う。それにより、バリア層７２６に要求される層厚や層数を低減させることができる。
【0103】
以上の例示的な実施形態によれば、導電性配線にナノ結晶質グラフェンからなるキャップ層を設けることにより、導電性配線の電気抵抗を低減させることができ、それにより、エレクトロマイグレーション抵抗を向上させることができる。その結果、導電性配線内に欠陥が生じることを低減させることができるので、導電性配線の損傷を防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【0104】
本発明の、ナノ結晶質グラフェンキャップ層を含むインターコネクト構造体、及びそのインターコネクト構造体を含む電子素子は、例えば、半導体素子関連の技術分野に効果的に適用可能である。
【符号の説明】
【0105】
１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００ 電子素子
１１０ 基板
１２０，２２０，３２０，４２０，５２０，６２０，７２０ インターコネクト構造体
１２１ 誘電体層
１２１ａ トレンチ
１２５，５２５，６２５，７２５ 導電性配線
１２６，５２６，７２６ バリア層
１２７，２２７，３２７，４２７，５２７，６２７，７２７ キャップ層
５２７ａ，６２７ａ，７２７ａ 第１キャップ層
５２７ｂ，６２７ｂ，７２７ｂ 第２キャップ層
１１０ 基板
１２０，２２０，３２０，４２０，５２０，６２０，７２０ インターコネクト構造体
１２１ 誘電体層
１２１ａ トレンチ
１２５，５２５，６２５，７２５ 導電性配線
１２６，５２６，７２６ バリア層
１２７，２２７，３２７，４２７，５２７，６２７，７２７ キャップ層
５２７ａ，６２７ａ，７２７ａ 第１キャップ層
５２７ｂ，６２７ｂ，７２７ｂ 第２キャップ層
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】