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特開2024-137422半導体装置及び半導体記憶装置

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024137422

(43)【公開日】2024-10-07

(54)【発明の名称】半導体装置及び半導体記憶装置

(51)【国際特許分類】

H10B 12/00 20230101AFI20240927BHJP

H01L 29/786 20060101ALI20240927BHJP

H01L 21/316 20060101ALI20240927BHJP

【ＦＩ】

H10B12/00 671A

H10B12/00 621B

H01L29/78 618B

H01L29/78 626A

H01L29/78 617U

H01L29/78 617T

H01L21/316 X

【審査請求】未請求

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023048944

(22)【出願日】2023-03-24

(71)【出願人】

【識別番号】318010018

【氏名又は名称】キオクシア株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100119035

【弁理士】

【氏名又は名称】池上徹真

(74)【代理人】

【識別番号】100141036

【弁理士】

【氏名又は名称】須藤章

(74)【代理人】

【識別番号】100178984

【弁理士】

【氏名又は名称】高下雅弘

(72)【発明者】

【氏名】戸田将也

(72)【発明者】

【氏名】松尾和展

(72)【発明者】

【氏名】高橋恒太

(72)【発明者】

【氏名】虎谷健一郎

(72)【発明者】

【氏名】藤井章輔

(72)【発明者】

【氏名】株柳翔一

(72)【発明者】

【氏名】田中正幸

(72)【発明者】

【氏名】森山和歌子

【テーマコード（参考）】

5F058

5F083

5F110

【Ｆターム（参考）】

5F058BA01

5F058BB01

5F058BC03

5F058BD05

5F058BJ04

5F083AD02

5F083AD03

5F083AD21

5F083AD28

5F083AD31

5F083AD69

5F083GA06

5F083GA10

5F083JA03

5F083JA05

5F083JA12

5F083JA19

5F083JA32

5F083JA39

5F083JA42

5F083KA01

5F083KA05

5F083KA11

5F110AA04

5F110AA06

5F110BB06

5F110CC09

5F110DD05

5F110EE04

5F110EE22

5F110FF01

5F110FF02

5F110FF03

5F110FF04

5F110FF09

5F110FF10

5F110FF12

5F110FF29

5F110GG01

5F110GG22

5F110GG23

5F110HJ01

5F110HK01

5F110HK04

5F110HK07

5F110HK09

5F110HK21

5F110HK22

5F110HM02

5F110HM12

5F110NN03

5F110NN22

5F110NN23

5F110NN24

5F110NN72

(57)【要約】

【課題】トランジスタ特性の優れた半導体装置を提供する。
【解決手段】実施形態の半導体装置は、第１の電極と、第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に設けられ、第１の領域と、第２の領域と、第１の領域と第２の領域との間に位置する第３の領域と、を含む酸化物半導体層と、第３の領域に対向するゲート電極と、第１の領域に対向する第１の絶縁層と、第２の領域に対向する第２の絶縁層と、ゲート電極と酸化物半導体層との間、第１の絶縁層と酸化物半導体層との間、及び、第２の絶縁層と酸化物半導体層との間に設けられ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｙ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、及びＧａから成る群から選ばれる少なくとも一つの金属元素と、酸素（Ｏ）とを含み、酸化物半導体層と異なる化学組成を有するゲート絶縁層と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の電極と、
第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に設けられ、第１の領域と、第２の領域と、前記第１の領域と前記第２の領域との間に位置する第３の領域と、を含む酸化物半導体層と、
前記第３の領域に対向するゲート電極と、
前記第１の領域に対向する第１の絶縁層と、
前記第２の領域に対向する第２の絶縁層と、
前記ゲート電極と前記酸化物半導体層との間、前記第１の絶縁層と前記酸化物半導体層との間、及び、前記第２の絶縁層と前記酸化物半導体層との間に設けられ、アルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、及びガリウム（Ｇａ）から成る群から選ばれる少なくとも一つの金属元素と、酸素（Ｏ）とを含み、前記酸化物半導体層と異なる化学組成を有するゲート絶縁層と、
を備える、半導体装置。

【請求項2】

前記第１の領域及び前記第２の領域の少なくともいずれか一方は、前記第３の領域の電気抵抗よりも電気抵抗の高い高抵抗部分を含む、請求項１記載の半導体装置。

【請求項3】

前記第１の領域が前記高抵抗部分と前記第１の電極との間に設けられた低抵抗部分を含むか、又は、前記第２の領域が前記高抵抗部分と前記第２の電極との間に設けられた低抵抗部分を含み、
前記低抵抗部分の電気抵抗は、前記第３の領域の電気抵抗よりも低い、請求項２記載の半導体装置。

【請求項4】

前記ゲート絶縁層は、シリコン（Ｓｉ）を含む、請求項１記載の半導体装置。

【請求項5】

前記ゲート絶縁層は、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含む、請求項１記載の半導体装置。

【請求項6】

前記第１の絶縁層と前記酸化物半導体層との間に設けられた前記ゲート絶縁層の中の窒素の原子濃度は前記ゲート電極と前記酸化物半導体層との間に設けられた前記ゲート絶縁層の中の窒素の原子濃度よりも低い、又は、
前記第２の絶縁層と前記酸化物半導体層との間に設けられた前記ゲート絶縁層の中の窒素の原子濃度は前記ゲート電極と前記酸化物半導体層との間に設けられた前記ゲート絶縁層の中の前記窒素の原子濃度よりも低い、請求項５記載の半導体装置。

【請求項7】

前記第１の絶縁層と前記酸化物半導体層との間に設けられた前記ゲート絶縁層の中の前記少なくとも一つの金属元素の原子濃度の窒素の原子濃度に対する比は、前記ゲート電極と前記酸化物半導体層との間に設けられた前記ゲート絶縁層の中の前記少なくとも一つの金属元素の原子濃度の窒素の原子濃度に対する比よりも高い、又は、
前記第２の絶縁層と前記酸化物半導体層との間に設けられた前記ゲート絶縁層の中の前記少なくとも一つの金属元素の原子濃度の窒素の原子濃度に対する比は、前記ゲート電極と前記酸化物半導体層との間に設けられた前記ゲート絶縁層の中の前記少なくとも一つの金属元素の原子濃度の窒素の原子濃度に対する比よりも高い、請求項５記載の半導体装置。

【請求項8】

前記ゲート絶縁層は、シリコン（Ｓｉ）及び酸素（Ｏ）を含む第１の部分と、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含む第２の部分と、前記第１の部分と前記第２の部分との間に設けられ前記少なくとも一つの金属元素と酸素（Ｏ）を含む第３の部分を含み、
前記第１の部分は前記酸化物半導体層と前記第２の部分との間に設けられる、請求項１記載の半導体装置。

【請求項9】

前記第３の部分の前記少なくとも一つの金属元素の原子濃度は、前記第１の部分及び前記第２の部分の前記少なくとも一つの金属元素の原子濃度よりも高く、
前記第２の部分の窒素（Ｎ）の原子濃度は、前記第１の部分及び前記第３の部分の窒素（Ｎ）の原子濃度よりも高い、請求項８記載の半導体装置。

【請求項10】

前記第３の部分の前記酸化物半導体層から前記ゲート電極に向かう方向の厚さは３ｎｍ以下である、請求項８記載の半導体装置。

【請求項11】

前記ゲート絶縁層は、窒素（Ｎ）、炭素（Ｃ）、水素（Ｈ）、及び塩素（Ｃｌ）からなる群から選ばれる少なくとの一つの元素を含む、請求項１記載の半導体装置。

【請求項12】

前記ゲート電極は前記第３の領域を囲み、前記第１の絶縁層は前記第１の領域を囲み、前記第２の絶縁層は前記第２の領域を囲む、請求項１記載の半導体装置。

【請求項13】

請求項１記載の半導体装置と、
前記第１の電極又は前記第２の電極に電気的に接続されたキャパシタと、
を備える半導体記憶装置。

【請求項14】

第１の電極と、
第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に設けられ、前記第１の電極及び前記第２の電極に電気的に接続された酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層に囲まれたゲート電極と、
前記ゲート電極と前記酸化物半導体層との間に設けられ、アルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、及びガリウム（Ｇａ）から成る群から選ばれる少なくとも一つの金属元素と、酸素（Ｏ）とを含み、前記酸化物半導体層と異なる化学組成のゲート絶縁層と、
を備える、半導体装置。

【請求項15】

前記ゲート絶縁層は、シリコン（Ｓｉ）を含む、請求項１４記載の半導体装置。

【請求項16】

前記ゲート絶縁層は、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含む、請求項１４記載の半導体装置。

【請求項17】

【請求項18】

前記第３の部分の前記少なくとも一つの金属元素の原子濃度は、前記第１の部分及び前記第２の部分の前記少なくとも一つの金属元素の原子濃度よりも高く、
前記第２の部分の窒素（Ｎ）の原子濃度は、前記第１の部分及び前記第２の部分の窒素（Ｎ）の原子濃度よりも高い、請求項１７記載の半導体装置。

【請求項19】

前記第３の部分の前記酸化物半導体層から前記ゲート電極に向かう方向の厚さは３ｎｍ以下である請求項１７記載の半導体装置。

【請求項20】

請求項１４記載の半導体装置と、
前記第１の電極又は前記第２の電極に電気的に接続されたキャパシタと、
を備える半導体記憶装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、半導体装置及び半導体記憶装置に関する。

【背景技術】

【0002】

酸化物半導体層にチャネルを形成する酸化物半導体トランジスタは、オフ動作時のチャネルリーク電流が極めて小さいという優れた特性を備える。このため、例えば、酸化物半導体トランジスタを、ＤｙｎａｍｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ（ＤＲＡＭ）のメモリセルのスイッチングトランジスタに適用することが可能である。

【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２０２１／０４０８２９３明細書

【特許文献2】特開２０２２－１４７８７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明が解決しようとする課題は、トランジスタ特性の優れた半導体装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

実施形態の半導体装置は、第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に設けられ、第１の領域と、第２の領域と、前記第１の領域と前記第２の領域との間に位置する第３の領域と、を含む酸化物半導体層と、前記第３の領域に対向するゲート電極と、前記第１の領域に対向する第１の絶縁層と、前記第２の領域に対向する第２の絶縁層と、前記ゲート電極と前記酸化物半導体層との間、前記第１の絶縁層と前記酸化物半導体層との間、及び、前記第２の絶縁層と前記酸化物半導体層との間に設けられ、アルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、及びガリウム（Ｇａ）から成る群から選ばれる少なくとも一つの金属元素と、酸素（Ｏ）とを含み、前記酸化物半導体層と異なる化学組成を有するゲート絶縁層と、を備える。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】第１の実施形態の半導体装置の模式断面図。

【図2】第１の実施形態の半導体装置の模式断面図。

【図3】第１の実施形態の半導体装置の製造方法の一例を示す模式断面図。

【図4】第１の実施形態の半導体装置の製造方法の一例を示す模式断面図。

【図5】第１の実施形態の半導体装置の製造方法の一例を示す模式断面図。

【図6】第１の実施形態の半導体装置の製造方法の一例を示す模式断面図。

【図7】第１の実施形態の半導体装置の製造方法の一例を示す模式断面図。

【図8】第１の実施形態の半導体装置の作用及び効果の説明図。

【図9】第１の実施形態の第１の変形例の半導体装置の模式断面図。

【図10】第１の実施形態の第２の変形例の半導体装置の模式断面図。

【図11】第２の実施形態の半導体記憶装置の等価回路図。

【図12】第２の実施形態の半導体記憶装置の模式断面図。

【図13】第３の実施形態の半導体装置の模式断面図。

【図14】第３の実施形態の半導体装置の模式断面図。

【図15】第３の実施形態の半導体装置の模式断面図。

【図16】第４の実施形態の半導体記憶装置の模式断面図。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一又は類似の部材などには同一の符号を付し、一度説明した部材などについては適宜その説明を省略する場合がある。

【0008】

また、本明細書中、便宜上「上」、又は、「下」という用語を用いる場合がある。「上」、又は、「下」とはあくまで図面内での相対的位置関係を示す用語であり、重力に対する位置関係を規定する用語ではない。

【0009】

本明細書中の半導体装置及び半導体記憶装置を構成する部材の化学組成の定性分析及び定量分析は、例えば、二次イオン質量分析法（ＳｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＳＩＭＳ）、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ－ｒａｙＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＥＤＸ）、ラザフォード後方散乱分析法（ＲｕｔｈｅｒｆｏｒｄＢａｃｋ－ＳｃａｔｔｅｒｉｎｇＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＲＢＳ）により行うことが可能である。また、半導体装置及び半導体記憶装置を構成する部材の材料の同定は、例えば、Ｘ線光電子分光法（Ｘ－ｒａｙＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＸＰＳ）により行うことが可能である。また、半導体装置及び半導体記憶装置を構成する部材の厚さ、部材間の距離、結晶粒径等の測定には、例えば、透過型電子顕微鏡（ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）を用いることが可能である。また、本明細書中の半導体装置及び半導体記憶装置を構成する部材の電気抵抗の測定は、例えば、走査型拡がり抵抗顕微鏡法（ＳｃａｎｎｎｉｎｇＳｐｒｅａｄｉｎｇＲｅｓｉｓｔａｎｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＳＲＭ）により行うことが可能である。

【0010】

（第１の実施形態）
第１の実施形態の半導体装置は、第１の電極と、第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に設けられ、第１の領域と、第２の領域と、第１の領域と第２の領域との間に位置する第３の領域と、を含む酸化物半導体層と、第３の領域に対向するゲート電極と、第１の領域に対向する第１の絶縁層と、第２の領域に対向する第２の絶縁層と、ゲート電極と酸化物半導体層との間、第１の絶縁層と酸化物半導体層との間、及び、第２の絶縁層と酸化物半導体層との間に設けられ、アルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、及びガリウム（Ｇａ）から成る群から選ばれる少なくとも一つの金属元素と、酸素（Ｏ）とを含み、酸化物半導体層と異なる化学組成を有するゲート絶縁層と、を備える。

【0011】

図１及び図２は、第１の実施形態の半導体装置の模式断面図である。図２は、図１のＡＡ’断面図である。図１において、上下方向を第１の方向と称する。図１において、左右方向を第２の方向と称する。第２の方向は、第１の方向に垂直である。

【0012】

第１の実施形態の半導体装置は、トランジスタ１００を備える。トランジスタ１００は、酸化物半導体にチャネルが形成される酸化物半導体トランジスタである。トランジスタ１００は、ゲート電極が、チャネルが形成される酸化物半導体層を囲んで設けられる。トランジスタ１００は、いわゆるＳｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇＧａｔｅＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＳＧＴ）である。トランジスタ１００は、いわゆる縦型トランジスタである。

【0013】

トランジスタ１００は、第１の電極１２、第２の電極１４、酸化物半導体層１６、ゲート電極１８、ゲート絶縁層２０、第１の絶縁層２２、及び第２の絶縁層２４を備える。酸化物半導体層１６は、第１の領域１６ａ、第２の領域１６ｂ、及び第３の領域１６ｃを含む。ゲート絶縁層２０は、第１の部分２０ａ、第２の部分２０ｂ、及び第３の部分２０ｃを含む。

【0014】

第１の電極１２は、トランジスタ１００のソース電極又はドレイン電極として機能する。

【0015】

第１の電極１２は、導電体である。第１の電極１２は、例えば、酸化物導電体又は金属を含む。第１の電極１２は、例えば、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、及び酸素（Ｏ）を含む酸化物導電体である。第１の電極１２は、例えば、酸化インジウムスズである。第１の電極１２は、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、プラチナ（Ｐｔ）、又はタンタル（Ｔａ）を含む金属である。第１の電極１２は、例えば、窒化チタン又は硫化ニッケルである。

【0016】

第１の電極１２は、例えば、複数の導電体が積層された積層構造を有していても構わない。

【0017】

第２の電極１４は、トランジスタ１００のソース電極又はドレイン電極として機能する。第１の電極１２から第２の電極１４に向かう方向は第１の方向である。

【0018】

第２の電極１４は、導電体である。第２の電極１４は、例えば、酸化物導電体又は金属を含む。第２の電極１４は、例えば、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、及び酸素（Ｏ）を含む酸化物導電体である。第２の電極１４は、例えば、酸化インジウムスズである。第２の電極１４は、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、プラチナ（Ｐｔ）、又はタンタル（Ｔａ）を含む金属である。第２の電極１４は、例えば、窒化チタン又は硫化ニッケルである。

【0019】

第２の電極１４は、例えば、複数の導電体が積層された積層構造を有していても構わない。

【0020】

第１の電極１２と第２の電極１４とは、例えば、同一の材料で形成される。第１の電極１２及び第２の電極１４は、例えば、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、及び酸素（Ｏ）を含む酸化物導電体である。第１の電極１２及び第２の電極１４は、例えば、酸化インジウムスズである。

【0021】

酸化物半導体層１６は、第１の電極１２と第２の電極１４との間に設けられる。酸化物半導体層１６は、第１の電極１２に接する。酸化物半導体層１６は、第２の電極１４に接する。酸化物半導体層１６は、第１の電極１２及び第２の電極１４に電気的に接続される。

【0022】

酸化物半導体層１６の第１の方向の長さは、例えば、８０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。酸化物半導体層１６の第２の方向の幅は、例えば、２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。

【0023】

酸化物半導体層１６は、酸化物半導体である。酸化物半導体層１６は、例えば、アモルファスである。

【0024】

酸化物半導体層１６は、例えば、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びスズ（Ｓｎ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素と、亜鉛（Ｚｎ）と、酸素（Ｏ）を含む。酸化物半導体層１６は、例えば、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含む。酸化物半導体層１６は、例えば、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含む。

【0025】

酸化物半導体層１６は、例えば、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、及びタングステン（Ｗ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。酸化物半導体層１６は、例えば、酸化チタン、酸化亜鉛、又は酸化タングステンを含む。

【0026】

酸化物半導体層１６は、第１の電極１２の化学組成、及び、第２の電極１４の化学組成と異なる化学組成を有する。

【0027】

酸化物半導体層１６は、例えば、酸素空孔（ＯｘｇｅｎＶａｃａｎｃｙ）を含む。酸化物半導体層１６の中の酸素空孔は、酸化物半導体層１６に電子を供給するドナーとして機能する。酸化物半導体層１６の酸素空孔密度が高いほど、酸化物半導体層１６の電気抵抗は低くなる。

【0028】

酸化物半導体層１６は、第１の領域１６ａ、第２の領域１６ｂ、及び第３の領域１６ｃを含む。第３の領域１６ｃは、第１の領域１６ａと第２の領域１６ｂとの間に設けられる。

【0029】

第１の領域１６ａは、第３の領域１６ｃと第１の電極１２との間に設けられる。第１の領域１６ａは、例えば、第１の電極１２に接する。

【0030】

第２の領域１６ｂは、第３の領域１６ｃと第２の電極１４との間に設けられる。第２の領域１６ｂは、例えば、第２の電極１４に接する。

【0031】

第１の領域１６ａ及び第２の領域１６ｂは、トランジスタ１００のソース領域又はドレイン領域として機能する。第３の領域１６ｃには、トランジスタ１００のオン動作時に、電流経路となるチャネルが形成される。

【0032】

第１の領域１６ａ及び第２の領域１６ｂの少なくともいずれか一方は、第３の領域１６ｃの電気抵抗よりも電気抵抗の高い高抵抗部分を含む。例えば、第１の領域１６ａは、第３の領域１６ｃの電気抵抗よりも電気抵抗の高い高抵抗部分を含む。また、例えば、第２の領域１６ｂは、第３の領域１６ｃの電気抵抗よりも電気抵抗の高い高抵抗部分を含む。

【0033】

第１の領域１６ａ、第２の領域１６ｂ、又は第３の領域１６ｃの電気抵抗とは、第１の電極１２、第２の電極１４、及びゲート電極１８に電圧が印加されていない状態での電気抵抗を意味する。

【0034】

例えば、第１の領域１６ａの任意の位置での電気抵抗は、第３の領域１６ｃの任意の位置での電気抵抗よりも高い。また、例えば、第２の領域１６ｂの任意の位置での電気抵抗は、第３の領域１６ｃの任意の位置での電気抵抗よりも高い。

【0035】

例えば、第１の領域１６ａの全体が高抵抗部分の一例である。また、例えば、第２の領域１６ｂの全体が高抵抗部分の一例である。

【0036】

例えば、第１の領域１６ａの中のゲート絶縁層２０に接する部分が高抵抗部分である。例えば、第１の領域１６ａの中のゲート絶縁層２０に接する部分の電気抵抗は、第３の領域１６ｃのゲート絶縁層２０に接する部分の電気抵抗より高い。

【0037】

例えば、第２の領域１６ｂの中のゲート絶縁層２０に接する部分が高抵抗部分である。例えば、第２の領域１６ｂの中のゲート絶縁層２０に接する部分の電気抵抗は、第３の領域１６ｃのゲート絶縁層２０に接する部分の電気抵抗より高い。

【0038】

高抵抗部分の電気抵抗は、例えば、第３の領域１６ｃの電気抵抗の１．１倍以上２倍以下である。

【0039】

第１の領域１６ａ及び第２の領域１６ｂの少なくともいずれか一方は、第３の領域１６ｃの酸素空孔密度よりも酸素空孔密度の低い低酸素空孔密度部分を含む。例えば、第１の領域１６ａは、第３の領域１６ｃの酸素空孔密度よりも酸素空孔密度の低い低酸素空孔密度部分を含む。また、例えば、第２の領域１６ｂは、第３の領域１６ｃの酸素空孔密度よりも酸素空孔密度の低い低酸素空孔密度部分を含む。

【0040】

酸化物半導体の中の酸素空孔はドナーとして機能するため、酸素空孔密度が低くなると酸化物半導体の電気抵抗が高くなる。第１の領域１６ａ及び第２の領域１６ｂの低酸素空孔密度部分は、例えば、第１の領域１６ａ及び第２の領域１６ｂの高抵抗部分に対応する。

【0041】

例えば、第１の領域１６ａの任意の位置での酸素空孔密度は、第３の領域１６ｃの任意の位置での酸素空孔密度よりも低い。また、例えば、第２の領域１６ｂの任意の位置での酸素空孔密度は、第３の領域１６ｃの任意の位置での酸素空孔密度よりも低い。

【0042】

例えば、第１の領域１６ａの中のゲート絶縁層２０に接する部分が低酸素空孔密度部分である。例えば、第１の領域１６ａの中のゲート絶縁層２０に接する部分の酸素空孔密度は、第３の領域１６ｃのゲート絶縁層２０に接する部分の酸素空孔密度より低い。

【0043】

例えば、第２の領域１６ｂの中のゲート絶縁層２０に接する部分が低酸素空孔密度部分である。例えば、第２の領域１６ｂの中のゲート絶縁層２０に接する部分の酸素空孔密度は、第３の領域１６ｃのゲート絶縁層２０に接する部分の酸素空孔密度より低い。

【0044】

ゲート電極１８は、酸化物半導体層１６に対向する。ゲート電極１８は、酸化物半導体層１６の第３の領域１６ｃに対向する。

【0045】

図２に示すように、ゲート電極１８は、酸化物半導体層１６を囲む。ゲート電極１８は、酸化物半導体層１６の周囲に設けられる。ゲート電極１８は、第３の領域１６ｃを囲む。

【0046】

ゲート電極１８は、導電体である。ゲート電極１８は、例えば、金属、金属化合物、又は半導体である。ゲート電極１８は、例えば、タングステン（Ｗ）を含む。

【0047】

ゲート電極１８の第１の方向の長さは、例えば、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。

【0048】

ゲート絶縁層２０は、ゲート電極１８と酸化物半導体層１６との間に設けられる。ゲート絶縁層２０は、第１の絶縁層２２と酸化物半導体層１６との間に設けられる。ゲート絶縁層２０は、第２の絶縁層２４と酸化物半導体層１６との間に設けられる。

【0049】

ゲート絶縁層２０は、酸化物半導体層１６を囲んで設けられる。ゲート絶縁層２０は、第１の領域１６ａ、第２の領域１６ｂ、及び第３の領域１６ｃを囲む。

【0050】

ゲート絶縁層２０は、酸化物半導体層１６に接する。ゲート絶縁層２０は、第１の領域１６ａ、第２の領域１６ｂ、及び第３の領域１６ｃに接する。

【0051】

ゲート絶縁層２０は、酸化物半導体層１６と異なる化学組成を有する。

【0052】

ゲート絶縁層２０は、アルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、及びガリウム（Ｇａ）から成る群から選ばれる少なくとも一つの金属元素と、酸素（Ｏ）とを含む。ゲート絶縁層２０は、例えば、上記少なくとも一つの金属元素の酸化物である金属酸化物を含む。

【0053】

ゲート絶縁層２０は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化イットリウム、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化スズ、及び酸化ガリウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの金属酸化物を含む。

【0054】

以下、上記少なくとも一つの金属元素がアルミニウム（Ａｌ）である場合を例に説明する。

【0055】

ゲート絶縁層２０は、例えば、シリコン（Ｓｉ）を含む。ゲート絶縁層２０は、例えば、酸化シリコンを含む。

【0056】

ゲート絶縁層２０は、例えば、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含む。ゲート絶縁層２０は、例えば、窒化シリコン又は酸窒化シリコンを含む。

【0057】

例えば、第１の絶縁層２２と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の窒素の原子濃度は、ゲート電極１８と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の窒素の原子濃度よりも低い。

【0058】

例えば、第１の絶縁層２２と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の窒素の原子濃度は、ゲート電極１８と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の窒素の原子濃度の０．１倍以上０．８倍以下である。

【0059】

また、例えば、第２の絶縁層２４と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の窒素の原子濃度は、ゲート電極１８と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の窒素の原子濃度よりも低い。

【0060】

また、例えば、第２の絶縁層２４と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の窒素の原子濃度は、ゲート電極１８と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の窒素の原子濃度の０．１倍以上０．８倍以下である。

【0061】

ゲート絶縁層２０は、例えば、第１の部分２０ａ、第２の部分２０ｂ、及び第３の部分２０ｃを含む。第３の部分２０ｃは、第１の部分２０ａと第２の部分２０ｂとの間に設けられる。第１の部分２０ａは、酸化物半導体層１６と第２の部分２０ｂとの間に設けられる。

【0062】

第１の部分２０ａ、第２の部分２０ｂ、及び第３の部分２０ｃは、例えば、三層構造を形成する。第１の部分２０ａ、第２の部分２０ｂ、及び第３の部分２０ｃは、例えば、積層構造（ｓｔａｃｋｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を形成する。

【0063】

第１の部分２０ａは、例えば、酸化物半導体層１６に接する。第２の部分２０ｂは、例えば、ゲート電極１８に接する。

【0064】

第１の部分２０ａは、シリコン（Ｓｉ）及び酸素（Ｏ）を含む。第１の部分２０ａは、例えば、酸化シリコンを含む。第１の部分２０ａは、例えば、酸化シリコンである。

【0065】

第２の部分２０ｂは、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含む。第２の部分２０ｂは、例えば、窒化シリコン又は酸窒化シリコンを含む。第２の部分２０ｂは、例えば、窒化シリコン又は酸窒化シリコンである。

【0066】

第３の部分２０ｃは、アルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、及びガリウム（Ｇａ）から成る群から選ばれる少なくとも一つの金属元素と、酸素（Ｏ）とを含む。ゲート絶縁層２０は、例えば、上記少なくとも一つの金属元素の酸化物である金属酸化物を含む。

【0067】

第３の部分２０ｃは、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化イットリウム、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化スズ、及び酸化ガリウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの金属酸化物を含む。第３の部分２０ｃは、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化イットリウム、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化スズ、又は酸化ガリウムである。

【0068】

例えば、第３の部分２０ｃの上記少なくとも一つの金属元素の原子濃度は、第１の部分２０ａ及び第２の部分の上記少なくとも一つの金属元素の原子濃度よりも高い。例えば、上記少なくとも一つの金属元素がアルミニウム（Ａｌ）の場合、第３の部分２０ｃのアルミニウム（Ａｌ）の原子濃度は、第１の部分２０ａ及び第２の部分のアルミニウム（Ａｌ）の原子濃度よりも高い。

【0069】

例えば、第２の部分２０ｂの窒素（Ｎ）の原子濃度は、第１の部分２０ａ及び第３の部分２０ｃの窒素（Ｎ）の原子濃度よりも高い。

【0070】

例えば、第１の絶縁層２２と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の上記少なくとも一つの金属元素の原子濃度の窒素の原子濃度に対する比は、ゲート電極１８と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の上記少なくとも一つの金属元素の原子濃度の窒素の原子濃度に対する比よりも高い。例えば、上記少なくとも一つの金属元素がアルミニウム（Ａｌ）の場合、第１の絶縁層２２と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中のアルミニウム（Ａｌ）の原子濃度の窒素（Ｎ）の原子濃度に対する比（Ａｌ／Ｎ）は、ゲート電極１８と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中のアルミニウム（Ａｌ）の原子濃度の窒素（Ｎ）の原子濃度に対する比（Ａｌ／Ｎ）よりも高い。

【0071】

例えば、第１の絶縁層２２と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の上記少なくとも一つの金属元素の原子濃度の窒素の原子濃度に対する比は、ゲート電極１８と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の上記少なくとも一つの金属元素の原子濃度の窒素の原子濃度に対する比の１．２倍以上１０倍以下である。

【0072】

例えば、第２の絶縁層２４と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の上記少なくとも一つの金属元素の原子濃度の窒素の原子濃度に対する比は、ゲート電極１８と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の上記少なくとも一つの金属元素の原子濃度の窒素の原子濃度に対する比よりも高い。例えば、上記少なくとも一つの金属元素がアルミニウム（Ａｌ）の場合、第２の絶縁層２４と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中のアルミニウム（Ａｌ）の原子濃度の窒素（Ｎ）の原子濃度に対する比（Ａｌ／Ｎ）は、ゲート電極１８と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中のアルミニウム（Ａｌ）の原子濃度の窒素（Ｎ）の原子濃度に対する比（Ａｌ／Ｎ）よりも高い。

【0073】

例えば、第２の絶縁層２４と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の上記少なくとも一つの金属元素の原子濃度の窒素の原子濃度に対する比は、ゲート電極１８と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の上記少なくとも一つの金属元素の原子濃度の窒素の原子濃度に対する比の１．２倍以上１０倍以下である。

【0074】

ゲート絶縁層２０は、例えば、窒素（Ｎ）、炭素（Ｃ）、水素（Ｈ）、及び塩素（Ｃｌ）からなる群から選ばれる少なくとの一つの元素を含む。

【0075】

ゲート絶縁層２０の酸化物半導体層１６からゲート電極１８に向かう方向の厚さは、例えば、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。例えば、ゲート絶縁層２０の第２の方向の厚さは、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。

【0076】

第３の部分２０ｃの酸化物半導体層１６からゲート電極１８に向かう方向の厚さは、例えば、０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下である。例えば、第３の部分２０ｃの第２の方向の厚さは、０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下である。

【0077】

第１の絶縁層２２は、第１の電極１２とゲート電極１８との間に設けられる。第１の絶縁層２２は、酸化物半導体層１６に対向する。第１の絶縁層２２は、第１の領域１６ａに対向する。

【0078】

第１の絶縁層２２は、酸化物半導体層１６を囲む。第１の絶縁層２２は、第１の領域１６ａを囲む。

【0079】

第１の絶縁層２２と酸化物半導体層１６との間に、ゲート絶縁層２０が設けられる。第１の絶縁層２２と第１の領域１６ａとの間に、ゲート絶縁層２０が設けられる。第１の絶縁層２２は、例えば、ゲート絶縁層２０に接する。

【0080】

第１の絶縁層２２は、例えば、ゲート絶縁層２０を囲む。

【0081】

第１の絶縁層２２は、例えば、酸素（Ｏ）を含む。第１の絶縁層２２は、例えば、酸化物を含む。

【0082】

第１の絶縁層２２は、例えば、シリコン（Ｓｉ）及び酸素（Ｏ）を含む。第１の絶縁層２２は、例えば、酸化シリコンを含む。第１の絶縁層２２は、例えば、酸化シリコンである。

【0083】

第２の絶縁層２４は、第２の電極１４とゲート電極１８との間に設けられる。第２の絶縁層２４は、酸化物半導体層１６に対向する。第２の絶縁層２４は、第２の領域１６ｂに対向する。

【0084】

第２の絶縁層２４は、酸化物半導体層１６を囲む。第２の絶縁層２４は、第２の領域１６ｂを囲む。

【0085】

第２の絶縁層２４と酸化物半導体層１６との間にゲート絶縁層２０が設けられる。第２の絶縁層２４と第２の領域１６ｂとの間に、ゲート絶縁層２０が設けられる。第２の絶縁層２４は、例えば、ゲート絶縁層２０に接する。

【0086】

第２の絶縁層２４は、例えば、ゲート絶縁層２０を囲む。

【0087】

第２の絶縁層２４は、例えば、酸素（Ｏ）を含む。第２の絶縁層２４は、例えば、酸化物を含む。

【0088】

第２の絶縁層２４は、例えば、シリコン（Ｓｉ）及び酸素（Ｏ）を含む。第２の絶縁層２４は、例えば、酸化シリコンを含む。第２の絶縁層２４は、例えば、酸化シリコンである。

【0089】

次に、第１の実施形態の半導体装置の製造方法の一例について説明する。

【0090】

図３、図４、図５、図６、及び図７は、第１の実施形態の半導体装置の製造方法の一例を示す模式断面図である。図３～図７は、それぞれ、図１に対応する断面を示す。図３～図７は、トランジスタ１００の製造方法の一例を示す図である。

【0091】

最初に、図示しない基板の上に、第１の酸化インジウムスズ膜３１、第１の酸化シリコン膜３２、タングステン層３３、及び第２の酸化シリコン膜３４を、この順に第１の方向に積層する。第１の酸化インジウムスズ膜３１、第１の酸化シリコン膜３２、タングステン層３３、及び第２の酸化シリコン膜３４は、例えば、ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法（ＣＶＤ法）により形成する。

【0092】

第１の酸化インジウムスズ膜３１は、最終的に第１の電極１２となる。第１の酸化シリコン膜３２の一部は、最終的に第１の絶縁層２２となる。タングステン層３３の一部は、最終的にゲート電極１８となる。第２の酸化シリコン膜３４の一部は、最終的に第２の絶縁層２４となる。

【0093】

次に、第２の酸化シリコン膜３４の表面から、第２の酸化シリコン膜３４、タングステン層３３、及び第１の酸化シリコン膜３２を貫通する開口部３５を形成する（図３）。開口部３５は、例えば、リソグラフィ法、及び、ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ法（ＲＩＥ法）を用いて形成する。

【0094】

次に、開口部３５の内部に、窒化シリコン膜３６、酸化アルミニウム膜３７、及び酸化シリコン膜３８をこの順に形成する（図４）。窒化シリコン膜３６、酸化アルミニウム膜３７、及び酸化シリコン膜３８は、例えば、ＣＶＤ法及びＲＩＥ法を用いて形成する。

【0095】

窒化シリコン膜３６は、最終的にゲート絶縁層２０の第２の部分２０ｂとなる。酸化アルミニウム膜３７は、最終的にゲート絶縁層２０の第３の部分２０ｃとなる。酸化シリコン膜３８は、最終的にゲート絶縁層２０の第１の部分２０ａとなる。

【0096】

次に、開口部３５を酸化物半導体膜３９で埋め込む（図５）。酸化物半導体膜３９は、最終的に酸化物半導体層１６となる。

【0097】

酸化物半導体膜３９は、例えば、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び、亜鉛（Ｚｎ）を含む。酸化物半導体膜３９は、例えば、ＣＶＤ法で形成する。その後、例えば、ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ法（ＣＭＰ法）を用いて、第２の酸化シリコン膜３４の上の酸化物半導体膜３９を除去する。

【0098】

次に、第２の酸化インジウムスズ膜４０を形成する（図６）。第２の酸化インジウムスズ膜４０は、例えば、ＣＶＤ法により形成する。第２の酸化インジウムスズ膜４０は、最終的に第２の電極１４となる。

【0099】

次に、酸化性雰囲気中で熱処理を行う（図７）。熱処理により、第１の低酸素空孔密度領域３９ａ、第２の低酸素空孔密度領域３９ｂ、及び高酸素空孔密度領域３９ｃが形成される。

【0100】

酸化性雰囲気中での熱処理の際に、第１の酸化シリコン膜３２及び第２の酸化シリコン膜３４を通って、酸化物半導体膜３９に酸素が供給される。酸化物半導体膜３９に酸素が供給されることで、酸素空孔密度の低い第１の低酸素空孔密度領域３９ａ及び第２の低酸素空孔密度領域３９ｂが形成される。

【0101】

第１の低酸素空孔密度領域３９ａは、最終的に第１の領域１６ａとなる。第２の低酸素空孔密度領域３９ｂは、最終的に第２の領域１６ｂとなる。高酸素空孔密度領域３９ｃは、最終的に第３の領域１６ｃとなる。

【0102】

以上の製造方法により、図１及び図２に示すトランジスタ１００が製造される。

【0103】

以下、第１の実施形態の半導体装置の作用及び効果について説明する。

【0104】

酸化物半導体層にチャネルを形成する酸化物半導体トランジスタは、オフ動作時のチャネルリーク電流が極めて小さいという優れた特性を備える。このため、例えば、酸化物半導体トランジスタをＤＲＡＭのメモリセルのスイッチングトランジスタに適用できる。酸化物半導体トランジスタをスイッチングトランジスタに適用することで、ＤＲＡＭの電荷保持特性が向上する。

【0105】

例えば、ＤＲＡＭの書き込み・読み出し速度を向上させるためには、スイッチングトランジスタのオン電流の増加が望まれる。酸化物半導体トランジスタの閾値電圧とオン電流との間にはトレードオフの関係がある。言い換えれば、酸化物半導体トランジスタの閾値電圧が高くなればオン電流は低減し、閾値電圧が低くなればオン電流は増加する。

【0106】

第１の実施形態のトランジスタ１００のゲート絶縁層２０は、アルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、及びガリウム（Ｇａ）から成る群から選ばれる少なくとも一つの金属元素と、酸素（Ｏ）とを含む。

【0107】

第１の実施形態のトランジスタ１００は、ゲート絶縁層２０が上記少なくとも一つの金属元素と、酸素（Ｏ）とを含むことにより、閾値電圧とオン電流との間のトレードオフが改善される。したがって、所望の閾値電圧におけるオン電流を増加させることが可能となる。

【0108】

ゲート絶縁層２０が上記少なくとも一つの金属元素と酸素（Ｏ）を含むことにより、閾値電圧とオン電流との間のトレードオフが改善されるのは、ゲート絶縁層２０の中に固定電荷又はダイポールが形成され、トランジスタ１００の閾値電圧が高くなるためであると考えられる。

【0109】

また、ゲート絶縁層２０が上記少なくとも一つの金属元素と酸素（Ｏ）を含むことにより、閾値電圧とオン電流との間のトレードオフが改善されるのは、第１の領域１６ａ又は第２の領域１６ｂが、第３の領域１６ｃの電気抵抗よりも電気抵抗の高い高抵抗部分を含む構造となるためであると考えられる。

【0110】

発明者らの検討により、酸化物半導体層１６のドレイン電極側の領域のゲート電極１８の端部に近い部分は、ドレイン電圧の影響により、局所的にチャネルが形成されにくくなることが明らかとなった。したがって、酸化物半導体層１６のドレイン電極側の領域に酸素空孔密度が低く電気抵抗の高い高抵抗部分を設けることで、トランジスタ１００の閾値電圧を高くできる。酸化物半導体層１６のドレイン電極側の領域に高抵抗部分を設けて、トランジスタ１００の閾値電圧を高くすることで、閾値電圧とオン電流との間のトレードオフが改善されると考えられる。

【0111】

例えば、第１の電極１２がソース電圧が印加されるソース電極、第２の電極１４がドレイン電圧が印加されるドレイン電極として機能する場合、第２の領域１６ｂに高抵抗部分を設けることでトランジスタ１００の閾値電圧が高くなる。また、例えば、第２の電極１４がソース電極、第１の電極１２がドレイン電圧が印加されるドレイン電極として機能する場合、第１の領域１６ａに高抵抗部分を設けることでトランジスタ１００の閾値電圧が高くなる。

【0112】

ゲート絶縁層２０が上記少なくとも一つの金属元素と酸素（Ｏ）を含むことにより、第１の領域１６ａ又は第２の領域１６ｂに電気抵抗の高い高抵抗部分を含む構造が形成される理由は以下のように考えられる。半導体基板の上に、上記少なくとも一つの金属元素と酸素（Ｏ）を含む膜を形成し、酸化性雰囲気中で熱処理した場合、半導体基板の増速酸化が起こる。言い換えれば、上記少なくとも一つの金属元素と酸素（Ｏ）を含む膜を設けることにより、半導体基板への酸素（Ｏ）の供給が促進される。

【0113】

図８は、第１の実施形態の半導体装置の作用及び効果の説明図である。図８は、図１及び図７に対応する断面図である。図８に示すように、第２の酸化インジウムスズ膜４０を形成した後の酸化性雰囲気中での熱処理の際に、酸化アルミニウム膜３７が設けられることで、酸化物半導体膜３９への酸素（Ｏ）の供給が促進される。なお、酸化物半導体膜３９の中のタングステン層３３に対向する領域への酸素（Ｏ）の供給は、タングステン層３３によって抑制される。

【0114】

したがって、図７及び図８に示すように、酸化物半導体膜３９中に第１の低酸素空孔密度領域３９ａ、第２の低酸素空孔密度領域３９ｂ、及び高酸素空孔密度領域３９ｃが形成される。第１の低酸素空孔密度領域３９ａ及び第２の低酸素空孔密度領域３９ｂの酸素空孔密度は、高酸素空孔密度領域３９ｃの酸素空孔密度より低い。したがって、第１の低酸素空孔密度領域３９ａ及び第２の低酸素空孔密度領域３９ｂの電気抵抗は、高酸素空孔密度領域３９ｃの電気抵抗より高い。よって、トランジスタ１００は、ゲート絶縁層２０が上記少なくとも一つの金属元素と酸素（Ｏ）を含むことにより、第１の領域１６ａ又は第２の領域１６ｂに電気抵抗の高い高抵抗部分を含む構造を備えることになる。

【0115】

ゲート絶縁層２０の第３の部分２０ｃの酸化物半導体層１６からゲート電極１８に向かう方向の厚さは、例えば、０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが好ましい。第３の部分２０ｃの厚さが０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下であることで、酸化物半導体膜３９への酸素（Ｏ）の供給が促進され、第１の領域１６ａ又は第２の領域１６ｂに電気抵抗の高い高抵抗部分を形成することが容易となる。

【0116】

第１の実施形態のトランジスタ１００のゲート絶縁層２０は、シリコン（Ｓｉ）及び酸素（Ｏ）を含む第１の部分２０ａを含むことが好ましい。第１の部分２０ａを設けることにより、例えば、ゲート絶縁層２０中のトラップ準位が低減できる。したがって、例えば、トランジスタ１００のゲートリーク電流を低減できる。

【0117】

また、例えば、第１の部分２０ａを設けることにより、ゲート絶縁層２０と酸化物半導体層１６の界面の界面準位が低減できる。したがって、例えば、キャリアの移動度が向上し、トランジスタ１００のオン電流が増加する。

【0118】

第１の実施形態のトランジスタ１００のゲート絶縁層２０は、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含む第２の部分２０ｂを含むことが好ましい。第２の部分２０ｂを設けることにより、例えば、ゲート電極１８に含まれる金属がゲート絶縁層２０に拡散し、ゲート絶縁層２０のリーク電流が増大したり、ゲート絶縁層２０の信頼性が低下したりすることを抑制できる。

【0119】

第１の絶縁層２２と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の窒素の原子濃度は、ゲート電極１８と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の窒素の原子濃度よりも低いことが好ましい。ゲート電極１８と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の窒素の原子濃度が高いことで、ゲート電極１８に含まれる金属がゲート絶縁層２０に拡散することを抑制できる。また、第１の絶縁層２２と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の窒素の原子濃度が低いことで、酸化物半導体膜３９への酸素（Ｏ）の供給が促進され、第１の領域１６ａに電気抵抗の高い高抵抗部分を形成することが容易となる。

【0120】

第２の絶縁層２４と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の窒素の原子濃度は、ゲート電極１８と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の窒素の原子濃度よりも低いことが好ましい。ゲート電極１８と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の窒素の原子濃度が高いことで、ゲート電極１８に含まれる金属がゲート絶縁層２０に拡散することを抑制できる。また、第２の絶縁層２４と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の窒素の原子濃度が低いことで、酸化物半導体膜３９への酸素（Ｏ）の供給が促進され、第２の領域１６ｂに電気抵抗の高い高抵抗部分を形成することが容易となる。

【0121】

第１の絶縁層２２と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の上記少なくとも一つの金属元素の原子濃度の窒素の原子濃度に対する比は、ゲート電極１８と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の上記少なくとも一つの金属元素の原子濃度の窒素の原子濃度に対する比よりも高いことが好ましい。第１の絶縁層２２と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の上記少なくとも一つの金属元素の原子濃度の窒素の原子濃度に対する比が高いことで、酸化物半導体膜３９への酸素（Ｏ）の供給が促進され、第１の領域１６ａに電気抵抗の高い高抵抗部分を形成することが容易となる。

【0122】

第２の絶縁層２４と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の上記少なくとも一つの金属元素の原子濃度の窒素の原子濃度に対する比は、ゲート電極１８と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の上記少なくとも一つの金属元素の原子濃度の窒素の原子濃度に対する比よりも高いことが好ましい。第２の絶縁層２４と酸化物半導体層１６との間に設けられたゲート絶縁層２０の中の上記少なくとも一つの金属元素の原子濃度の窒素の原子濃度に対する比が高いことで、酸化物半導体膜３９への酸素（Ｏ）の供給が促進され、第２の領域１６ｂに電気抵抗の高い高抵抗部分を形成することが容易となる。

【0123】

なお、ゲート絶縁層２０の中の窒素の原子濃度や、上記少なくとも一つの金属元素の原子濃度の窒素の原子濃度に対する比は、例えば、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含む膜を、開口部３５の内部に形成する際の成膜条件を制御することで制御することができる。例えば、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含む膜が窒化シリコン膜３６の場合、タングステン層３３の上の膜厚と、第１の酸化シリコン膜３２及び第２の酸化シリコン膜３４の上の膜厚とを異なる膜厚とする条件で窒化シリコン膜３６を成膜することで、ゲート絶縁層２０の中の窒素の原子濃度や、上記少なくとも一つの金属元素の原子濃度の窒素の原子濃度に対する比を変化させることができる。窒化シリコン膜３６の膜厚の下地層に依存した変化は、例えば、成膜時のインキュベーションタイムが下地層によって異なる条件を適用することで実現できる。

【0124】

ゲート絶縁層２０は、窒素（Ｎ）、炭素（Ｃ）、水素（Ｈ）、及び塩素（Ｃｌ）からなる群から選ばれる少なくとの一つの元素を含むことが好ましい。

【0125】

ゲート絶縁層２０が窒素（Ｎ）又は炭素（Ｃ）を含むことで、例えば、ゲート電極１８に含まれる金属がゲート絶縁層２０に拡散することが抑制され、ゲート絶縁層２０のリーク電流の低減やゲート絶縁層２０の信頼性の向上が実現できる。

【0126】

ゲート絶縁層２０が水素（Ｈ）又は塩素（Ｃｌ）を含むことで、例えば、ゲート絶縁層２０の中のトラップ準位が低減し、ゲート絶縁層２０のリーク電流の低減やゲート絶縁層２０の信頼性の向上が実現できる。

【0127】

なお、ゲート絶縁層２０に含まれる上記少なくとも一つの金属元素がアルミニウム（Ａｌ）である場合を主に説明したが、上記少なくとも一つの金属元素がアルミニウム（Ａｌ）以外であっても、アルミニウム（Ａｌ）と同様の作用及び効果が実現できる。

【0128】

また、ゲート電極１８が第３の領域１６ｃを囲むＳＧＴの場合を例に説明したが、第３の領域１６ｃの領域の一部とゲート電極１８が対向する構造とすることも可能である。

【0129】

また、ゲート絶縁層２０が、第１の部分２０ａ、第２の部分２０ｂ、及び第３の部分２０ｃを含む三層構造の場合を例に説明したが、ゲート絶縁層２０は、上記三層構造に限定されない。例えば、ゲート絶縁層２０は、単層構造であっても構わないし、二層構造又は四層以上の構造であっても構わない。

【0130】

第１の実施形態のトランジスタ１００によれば、所望の閾値電圧におけるオン電流を増加させることが可能となる。

【0131】

（第１の変形例）
図９は、第１の実施形態の第１の変形例の半導体装置の模式断面図である。第１の実施形態の第１の変形例の半導体装置は、第１の領域が高抵抗部分と第１の電極との間に設けられた低抵抗部分を含むか、又は、第２の領域が高抵抗部分と第２の電極との間に設けられた低抵抗部分を含み、低抵抗部分の電気抵抗は、第３の領域の電気抵抗よりも低い点で、第１の実施形態の半導体装置と異なる。

【0132】

第１の実施形態の第１の変形例の半導体装置は、トランジスタ１０１を備える。

【0133】

【0134】

例えば、第１の領域１６ａは高抵抗部分１６ａｘと低抵抗部分１６ａｙを含む。低抵抗部分１６ａｙは、高抵抗部分１６ａｘと第１の電極１２との間に設けられる。

【0135】

高抵抗部分１６ａｘの電気抵抗は、低抵抗部分１６ａｙの電気抵抗よりも高い。高抵抗部分１６ａｘの電気抵抗は、第３の領域１６ｃの電気抵抗よりも高い。また、低抵抗部分１６ａｙの電気抵抗は、第３の領域１６ｃの電気抵抗よりも低い。

【0136】

高抵抗部分１６ａｘの電気抵抗は、例えば、第３の領域１６ｃの電気抵抗の１．１倍以上２倍以下である。また、低抵抗部分１６ａｙの電気抵抗は、例えば、第３の領域１６ｃの電気抵抗の０．５倍以上０．９倍以下である。

【0137】

また、例えば、第２の領域１６ｂは高抵抗部分１６ｂｘと低抵抗部分１６ｂｙを含む。低抵抗部分１６ｂｙは、高抵抗部分１６ｂｘと第１の電極１２との間に設けられる。

【0138】

高抵抗部分１６ｂｘの電気抵抗は、低抵抗部分１６ｂｙの電気抵抗よりも高い。高抵抗部分１６ｂｘの電気抵抗は、第３の領域１６ｃの電気抵抗よりも高い。また、低抵抗部分１６ｂｙの電気抵抗は、第３の領域１６ｃの電気抵抗よりも低い。

【0139】

高抵抗部分１６ｂｘの電気抵抗は、例えば、第３の領域１６ｃの電気抵抗の１．１倍以上２倍以下である。また、低抵抗部分１６ｂｙの電気抵抗は、例えば、第３の領域１６ｃの電気抵抗の０．５倍以上０．９倍以下である。

【0140】

第１の実施形態の第１の変形例の半導体装置は、例えば、第１の電極１２又は第２の電極１４に、酸化物半導体層１６から酸素を引き抜きやすい材料を適用することで実現できる。酸化物半導体層１６から酸素を引き抜くことで、第１の電極１２又は第２の電極１４に接する部分の酸素空孔密度を高くし、低抵抗部分１６ａｙ又は低抵抗部分１６ｂｙを形成することができる。

【0141】

第１の変形例のトランジスタ１０１によれば、低抵抗部分１６ａｙ又は低抵抗部分１６ｂｙを備えることで、トランジスタ１０１の寄生抵抗が低減する。したがって、所望の閾値電圧におけるオン電流を更に増加させることが可能となる。

【0142】

（第２の変形例）
図１０は、第１の実施形態の第２の変形例の半導体装置の模式断面図である。第１の実施形態の第２の変形例の半導体装置は、酸化物半導体層がテーパ形状を有する点で、第１の実施形態の半導体装置と異なる。

【0143】

第１の実施形態の第２の変形例の半導体装置は、トランジスタ１０２を備える。

【0144】

酸化物半導体層１６は、テーパ形状を有する。酸化物半導体層１６の第２の方向の幅は、第１の電極１２から第２の電極１４に向かって大きくなる。

【0145】

以上、第１の実施形態及び変形例によれば、所望の閾値電圧におけるトランジスタのオン電流が増加し、トランジスタ特性の優れた半導体装置が実現される。

【0146】

（第２の実施形態）
第２の実施形態の半導体記憶装置は、第１の実施形態の半導体装置と、第１の電極又は第２の電極に電気的に接続されたキャパシタと、を備える。

【0147】

第２の実施形態の半導体記憶装置は、半導体メモリ２００である。第２の実施形態の半導体記憶装置は、ＤＲＡＭである。半導体メモリ２００は、第１の実施形態のトランジスタ１００を、ＤＲＡＭのメモリセルのスイッチングトランジスタとして使用する。

【0148】

以下、第１の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。

【0149】

図１１は、第２の実施形態の半導体記憶装置の等価回路図である。図１１は、メモリセルＭＣが１個の場合を例示しているが、メモリセルＭＣは、例えばアレイ状に複数個設けられていても構わない。また、メモリセルＭＣは、例えば３次元状に複数個配列されていても構わない。

【0150】

半導体メモリ２００は、メモリセルＭＣ、ワード線ＷＬ、ビット線ＢＬ、及びプレート線ＰＬを備える。メモリセルＭＣは、スイッチングトランジスタＴＲ及びキャパシタＣＡを含む。図１１で、破線で囲まれた領域がメモリセルＭＣである。

【0151】

ワード線ＷＬは、スイッチングトランジスタＴＲのゲート電極に電気的に接続される。ビット線ＢＬは、スイッチングトランジスタＴＲのソース・ドレイン電極の一方に電気的に接続される。キャパシタＣＡの一方の電極は、スイッチングトランジスタＴＲのソース・ドレイン電極の他方に電気的に接続される。キャパシタＣＡの他方の電極は、プレート線ＰＬに接続される。

【0152】

メモリセルＭＣは、キャパシタＣＡに電荷を蓄積することで、データを記憶する。データの書き込み及び読出しは、スイッチングトランジスタＴＲをオン動作させることにより行う。

【0153】

例えば、ビット線ＢＬに所望の電圧を印加した状態でスイッチングトランジスタＴＲをオン動作させ、メモリセルＭＣへのデータの書き込みを行う。

【0154】

また、例えば、スイッチングトランジスタＴＲをオン動作させ、キャパシタに蓄積された電荷量に応じたビット線ＢＬの電圧変化を検知し、メモリセルＭＣのデータの読み出しを行う。

【0155】

図１２は、第２の実施形態の半導体記憶装置の模式断面図である。図１２は、半導体メモリ２００のメモリセルＭＣの断面を示す。

【0156】

半導体メモリ２００は、シリコン基板１０、スイッチングトランジスタＴＲ、キャパシタＣＡ、第１の層間絶縁層５０、及び第２の層間絶縁層５２を含む。

【0157】

シリコン基板１０は、例えば、単結晶シリコンである。基板は、例えば、シリコン基板以外の半導体基板であっても構わない。基板は、例えば、絶縁基板であっても構わない。

【0158】

スイッチングトランジスタＴＲは、第１の電極１２、第２の電極１４、酸化物半導体層１６、ゲート電極１８、ゲート絶縁層２０、第１の絶縁層２２、及び第２の絶縁層２４を備える。ゲート絶縁層２０は、第１の部分２０ａ、第２の部分２０ｂ、及び第３の部分２０ｃを含む。

【0159】

スイッチングトランジスタＴＲは、第１の実施形態のトランジスタ１００と同様の構造を有する。

【0160】

キャパシタＣＡは、シリコン基板１０とスイッチングトランジスタＴＲとの間に設けられる。キャパシタＣＡは、シリコン基板１０と第１の電極１２との間に設けられる。キャパシタＣＡは、第１の電極１２に電気的に接続される。

【0161】

キャパシタＣＡは、セル電極７１、プレート電極７２、キャパシタ絶縁膜７３を備える。セル電極７１は、第１の電極１２に電気的に接続される。セル電極７１は、例えば、第１の電極１２に接する。

【0162】

セル電極７１及びプレート電極７２は、例えば、窒化チタンである。キャパシタ絶縁膜７３は、例えば、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムの積層構造を有する。

【0163】

ゲート電極１８は、例えば、図示しないワード線ＷＬに電気的に接続される。第２の電極１４は、例えば、図示しないビット線ＢＬに電気的に接続される。プレート電極７２は、例えば、図示しないプレート線ＰＬに電気的に接続される。

【0164】

半導体メモリ２００は、オフ動作時のチャネルリーク電流が極めて小さい酸化物半導体トランジスタをスイッチングトランジスタＴＲに適用する。したがって、電荷保持特性に優れたＤＲＡＭが実現する。

【0165】

また、半導体メモリ２００は、オン電流の増加したスイッチングトランジスタＴＲを備える。したがって、例えば、書き込み・読み出し速度の向上したＤＲＡＭが実現する。

【0166】

以上、第１の実施形態のトランジスタが適用される半導体メモリ２００を例に説明したが、半導体メモリは、第１の実施形態の第１の変形例又は第２の変形例のトランジスタが適用される半導体メモリであっても構わない。

【0167】

なお、キャパシタＣＡは、スイッチングトランジスタＴＲの上に設けられる構造であっても構わない。キャパシタＣＡは、第２の電極１４に電気的に接続されても構わない。シリコン基板１０とキャパシタＣＡとの間に、スイッチングトランジスタＴＲが設けられる構造であっても構わない。

【0168】

以上、第２の実施形態の半導体メモリ２００によれば、スイッチングトランジスタＴＲのオン電流が増加し、動作特性の優れた半導体記憶装置が実現できる。

【0169】

（第３の実施形態）
第３の実施形態の半導体装置は、第１の電極と、第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に設けられ、第１の電極及び第２の電極に電気的に接続された酸化物半導体層と、酸化物半導体層に囲まれたゲート電極と、ゲート電極と酸化物半導体層との間に設けられ、アルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、及びガリウム（Ｇａ）から成る群から選ばれる少なくとも一つの金属元素と、酸素（Ｏ）とを含み、酸化物半導体層と異なる化学組成のゲート絶縁層と、を備える。

【0170】

図１３、図１４、及び図１５は、第３の実施形態の半導体装置の模式断面図である。図１４は、図１３のＢＢ’断面図である。図１５は、図１３のＣＣ’断面図である。

【0171】

図１３において、上下方向を第１の方向と称する。図１３において、左右方向を第２の方向と称する。図１４において、上下方向を第３の方向と称する。第３の方向は、第１の方向及び第２の方向に垂直な方向である。

【0172】

第３の実施形態の半導体装置は、トランジスタ３００を備える。トランジスタ３００は、酸化物半導体にチャネルが形成される酸化物半導体トランジスタである。トランジスタ３００は、チャネルが形成される酸化物半導体層がゲート電極を囲んで設けられる。

【0173】

トランジスタ３００は、第１の電極１２、第２の電極１４、酸化物半導体層１６、ゲート電極１８、ゲート絶縁層２０、及び絶縁層２５を備える。ゲート絶縁層２０は、第１の部分２０ａ、第２の部分２０ｂ、及び第３の部分２０ｃを含む。

【0174】

第１の電極１２は、トランジスタ３００のソース電極又はドレイン電極として機能する。

【0175】

【0176】

第１の電極１２は、例えば、複数の導電体が積層された積層構造を有していても構わない。

【0177】

第２の電極１４は、トランジスタ３００のソース電極又はドレイン電極として機能する。第１の電極１２から第２の電極１４に向かう方向は第１の方向である。

【0178】

【0179】

第２の電極１４は、例えば、複数の導電体が積層された積層構造を有していても構わない。

【0180】

【0181】

【0182】

図１３に示すように、酸化物半導体層１６は、第１の方向及び第２の方向に平行な断面において、ゲート電極１８を囲む。

【0183】

酸化物半導体層１６は、酸化物半導体である。酸化物半導体層１６は、例えば、アモルファスである。

【0184】

【0185】

【0186】

酸化物半導体層１６は、例えば、第１の電極１２の化学組成、及び、第２の電極１４の化学組成と異なる化学組成を有する。

【0187】

酸化物半導体層１６は、例えば、酸素空孔（ＯｘｇｅｎＶａｃａｎｃｙ）を含む。酸化物半導体層１６の中の酸素空孔は、酸化物半導体層１６に電子を供給するドナーとして機能する。

【0188】

ゲート電極１８は、酸化物半導体層１６に対向する。図１３に示すように、ゲート電極１８は、酸化物半導体層１６に囲まれる。

【0189】

ゲート電極１８は、例えば、金属、金属化合物、又は半導体である。ゲート電極１８は、例えば、タングステン（Ｗ）を含む。

【0190】

ゲート絶縁層２０は、ゲート電極１８と酸化物半導体層１６との間に設けられる。図１３に示すように、ゲート絶縁層２０は、酸化物半導体層１６に囲まれる。ゲート絶縁層２０は、酸化物半導体層１６に接する。

【0191】

ゲート絶縁層２０は、酸化物半導体層１６と異なる化学組成を有する。

【0192】

【0193】

【0194】

ゲート絶縁層２０は、例えば、シリコン（Ｓｉ）を含む。ゲート絶縁層２０は、例えば、酸化シリコンを含む。

【0195】

ゲート絶縁層２０は、例えば、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含む。ゲート絶縁層２０は、例えば、窒化シリコン又は酸窒化シリコンを含む。

【0196】

【0197】

【0198】

第１の部分２０ａは、例えば、酸化物半導体層１６に接する。第２の部分２０ｂは、例えば、ゲート電極１８に接する。

【0199】

【0200】

【0201】

【0202】

【0203】

【0204】

例えば、第２の部分２０ｂの窒素（Ｎ）の原子濃度は、第１の部分２０ａ及び第３の部分２０ｃの窒素（Ｎ）の原子濃度よりも高い。

【0205】

ゲート絶縁層２０は、例えば、窒素（Ｎ）、炭素（Ｃ）、水素（Ｈ）、及び塩素（Ｃｌ）からなる群から選ばれる少なくとの一つの元素を含む。

【0206】

【0207】

【0208】

絶縁層２５は、例えば、酸素（Ｏ）を含む。絶縁層２５は、例えば、酸化物を含む。

【0209】

絶縁層２５は、例えば、シリコン（Ｓｉ）及び酸素（Ｏ）を含む。絶縁層２５は、例えば、酸化シリコンを含む。絶縁層２５は、例えば、酸化シリコンである。

【0210】

以下、第３の実施形態の半導体装置の作用及び効果について説明する。

【0211】

【0212】

【0213】

第３の実施形態のトランジスタ３００のゲート絶縁層２０は、アルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、及びガリウム（Ｇａ）から成る群から選ばれる少なくとも一つの金属元素と、酸素（Ｏ）とを含む。

【0214】

第３の実施形態のトランジスタ３００は、ゲート絶縁層２０が上記少なくとも一つの金属元素と、酸素（Ｏ）とを含むことにより、閾値電圧とオン電流との間のトレードオフが改善される。したがって、所望の閾値電圧におけるオン電流を増加させることが可能となる。

【0215】

ゲート絶縁層２０が上記少なくとも一つの金属元素と酸素（Ｏ）を含むことにより、閾値電圧とオン電流との間のトレードオフが改善されるのは、ゲート絶縁層２０の中に固定電荷又はダイポールが形成され、トランジスタ３００の閾値電圧が高くなるためであると考えられる。

【0216】

第３の実施形態のトランジスタ３００のゲート絶縁層２０は、シリコン（Ｓｉ）及び酸素（Ｏ）を含む第１の部分２０ａを含むことが好ましい。第１の部分２０ａを設けることにより、例えば、ゲート絶縁層２０中のトラップ準位が低減できる。したがって、例えば、トランジスタ３００のゲートリーク電流を低減できる。

【0217】

また、例えば、第１の部分２０ａを設けることにより、例えば、ゲート絶縁層２０と酸化物半導体層１６の界面の界面準位が低減できる。したがって、例えば、キャリアの移動度が向上し、トランジスタ３００のオン電流が増加する。

【0218】

第３の実施形態のトランジスタ３００のゲート絶縁層２０は、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含む第２の部分２０ｂを含むことが好ましい。第２の部分２０ｂを設けることにより、例えば、ゲート電極１８に含まれる金属がゲート絶縁層２０に拡散し、ゲート絶縁層２０のリーク電流が増大したり、ゲート絶縁層２０の信頼性が低下したりすることを抑制できる。

【0219】

第３の実施形態のトランジスタ３００のゲート絶縁層２０は、窒素（Ｎ）、炭素（Ｃ）、水素（Ｈ）、及び塩素（Ｃｌ）からなる群から選ばれる少なくとの一つの元素を含むことが好ましい。

【0220】

【0221】

【0222】

【0223】

【0224】

第３の実施形態のトランジスタ３００によれば、所望の閾値電圧におけるオン電流を増加させることが可能となる。

【0225】

以上、第３の実施形態によれば、所望の閾値電圧におけるトランジスタのオン電流が増加し、トランジスタ特性の優れた半導体装置が実現される。

【0226】

（第４の実施形態）
第４の実施形態の半導体記憶装置は、第３の実施形態の半導体装置と、第１の電極又は第２の電極に電気的に接続されたキャパシタと、を備える。

【0227】

第４の実施形態の半導体記憶装置は、半導体メモリ４００である。第４の実施形態の半導体記憶装置は、ＤＲＡＭである。半導体メモリ４００は、第３の実施形態のトランジスタ３００を、ＤＲＡＭのメモリセルのスイッチングトランジスタとして使用する。

【0228】

以下、第３の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。

【0229】

第４の実施形態の半導体記憶装置の等価回路図は、第２の実施形態で示した図１１と同様である。図１１は、メモリセルＭＣが１個の場合を例示しているが、メモリセルＭＣは、例えばアレイ状に複数個設けられていても構わない。また、メモリセルＭＣは、例えば３次元状に複数個配列されていても構わない。

【0230】

半導体メモリ４００は、図１１に示すように、メモリセルＭＣ、ワード線ＷＬ、ビット線ＢＬ、及びプレート線ＰＬを備える。メモリセルＭＣは、スイッチングトランジスタＴＲ及びキャパシタＣＡを含む。

【0231】

【0232】

【0233】

【0234】

【0235】

図１６は、第４の実施形態の半導体記憶装置の模式断面図である。図１６は、半導体メモリ４００のメモリセルＭＣの断面を示す。

【0236】

半導体メモリ４００は、シリコン基板１０、スイッチングトランジスタＴＲ、キャパシタＣＡ、及び層間絶縁層５４を含む。

【0237】

【0238】

スイッチングトランジスタＴＲは、第１の電極１２、第２の電極１４、酸化物半導体層１６、ゲート電極１８、ゲート絶縁層２０を備える。ゲート絶縁層２０は、第１の部分２０ａ、第２の部分２０ｂ、及び第３の部分２０ｃを含む。

【0239】

スイッチングトランジスタＴＲは、第３の実施形態のトランジスタ３００と同様の構造を有する。

【0240】

第１の電極１２から第２の電極１４に向かう第１の方向は、例えば、シリコン基板１０の表面に平行である。ゲート電極１８は、例えば、シリコン基板１０の表面に垂直な第３の方向に延びる。

【0241】

キャパシタＣＡは、スイッチングトランジスタＴＲの第１の方向に設けられる。キャパシタＣＡは、第１の電極１２に電気的に接続される。

【0242】

【0243】

【0244】

ゲート電極１８は、例えば、図示しないワード線ＷＬに電気的に接続される。第２の電極１４は、例えば、図示しないビット線ＢＬに電気的に接続される。プレート電極７２は、例えば、図示しないプレート線ＰＬに接続される。

【0245】

半導体メモリ４００は、オフ動作時のチャネルリーク電流が極めて小さい酸化物半導体トランジスタをスイッチングトランジスタＴＲに適用する。したがって、電荷保持特性に優れたＤＲＡＭが実現する。

【0246】

また、半導体メモリ４００は、オン電流の増加したスイッチングトランジスタＴＲを備える。したがって、例えば、書き込み・読み出し速度の向上したＤＲＡＭが実現する。

【0247】

なお、例えば、図１６において、シリコン基板１０の表面に垂直な第３の方向に、ゲート電極１８及びプレート電極７２が共通化された複数のメモリセルＭＣを、積層させても構わない。

【0248】

以上、第４の実施形態の半導体メモリ４００によれば、スイッチングトランジスタＴＲのオン電流が増加し、動作特性の優れた半導体記憶装置が実現できる。

【0249】

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換え又は変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0250】

１２第１の電極
１４第２の電極
１６酸化物半導体層
１６ａ第１の領域
１６ａｘ高抵抗部分
１６ａｙ低抵抗部分
１６ｂ第２の領域
１６ｂｘ高抵抗部分
１６ｂｙ低抵抗部分
１６ｃ第３の領域
１８ゲート電極
２０ゲート絶縁層
２０ａ第１の部分
２０ｂ第２の部分
２０ｃ第３の部分
２２第１の絶縁層
２４第２の絶縁層
１００トランジスタ（半導体装置）
２００半導体メモリ（半導体記憶装置）
３００トランジスタ（半導体装置）
４００半導体メモリ（半導体記憶装置）
ＣＡキャパシタ

【図1】