特開 2024-648 半導体装置及び半導体記憶装置

(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】P2024000648

(43)【公開日】2024-01-09

(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】

   H01L 29/786 20060101AFI20231226BHJP

   H01L 21/28 20060101ALI20231226BHJP

   H01L 29/417 20060101ALI20231226BHJP

   H10B 12/00 20230101ALI20231226BHJP

   H01L 21/8234 20060101ALI20231226BHJP

【ＦＩ】

H01L29/78 616V

H01L29/78 618B

H01L29/78 616U

H01L29/78 617K

H01L29/78 613B

H01L29/78 626A

H01L21/28 301B

H01L21/28 301R

H01L29/50 M

H01L27/108 671Z

H01L27/108 671A

H01L27/06 102A

H01L27/088 A

H01L27/108 651

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022099458

(22)【出願日】2022-06-21

(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】110001092

【氏名又は名称】弁理士法人サクラ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】河合 宏樹

【テーマコード（参考）】

4M104

5F048

5F083

5F110

【Ｆターム（参考）】

4M104AA03

4M104AA09

4M104BB02

4M104BB04

4M104BB16

4M104BB17

4M104BB18

4M104BB30

4M104BB32

4M104BB36

4M104CC01

4M104CC05

4M104EE03

4M104EE17

4M104FF04

4M104FF11

4M104FF18

4M104GG09

4M104GG16

4M104HH20

5F048AA01

5F048AB01

5F048AC10

5F048BA01

5F048BA14

5F048BB01

5F048BB09

5F048BB11

5F048BC03

5F048BD01

5F048BD07

5F048BF02

5F048BF07

5F083AD02

5F083AD06

5F083AD21

5F083AD60

5F083GA06

5F083GA09

5F083GA25

5F083GA27

5F083JA02

5F083JA12

5F083JA39

5F083JA42

5F083JA60

5F110AA06

5F110BB06

5F110CC09

5F110EE01

5F110EE02

5F110EE03

5F110EE04

5F110EE06

5F110EE24

5F110FF02

5F110FF03

5F110GG01

5F110GG23

5F110HK04

5F110HK06

5F110HK07

5F110HK22

5F110HM12

5F110NN02

5F110NN72

(57)【要約】

【課題】酸化物半導体からの酸素の引き抜きによる特性の低下を抑制することを可能にした半導体装置を提供することにある。
【解決手段】実施形態の半導体装置１１は、酸化物半導体層１５と、酸化物半導体層１５上に設けられた酸化物導電体層１７と、酸化物導電体層１７上に設けられ、バナジウム酸化物を含む第１酸化物層１８と、第１酸化物層１８上に設けられた金属配線層１９とを具備する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上に設けられた酸化物導電体層と、
前記酸化物導電体層上に設けられ、バナジウム酸化物を含む第１酸化物層と、
前記第１酸化物層上に設けられた金属配線層と
を具備する半導体装置。

【請求項2】

前記第１酸化物層は、
一般式：ＶＯ_ｘ
（式中、ｘは０＜ｘ≦３．５を満足する数である。）
で表される組成を有するバナジウム酸化物を含む、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記バナジウム酸化物は、１≦ｘ≦２．５を満足する組成を有する、請求項２に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記第１酸化物層は、さらにＨｆ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｔａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｅｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｄｙ、Ｓｍ、Ｓｉ、Ｇｄ、Ｐｒ、Ｌａ、Ｗ、Ａｌ、Ｅｕ、及びＭｏからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を含む、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記第１酸化物層は、
一般式：Ｖ_１－ａＭ_ａＯ_ｙ
（式中、ＭはＨｆ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｔａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｅｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｄｙ、Ｓｍ、Ｓｉ、Ｇｄ、Ｐｒ、Ｌａ、Ｗ、Ａｌ、Ｅｕ、及びＭｏからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素、ａは０≦ａ＜０．５を満足する数、ｙは０＜ｙ≦３．５を満足する数である。）
で表される組成を有するバナジウム含有酸化物を含む、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項6】

前記バナジウム含有酸化物は、０＜ａ＜０．５を満足する組成を有する、請求項５に記載の半導体装置。

【請求項7】

前記バナジウム含有酸化物は、１≦ｙ≦２．５を満足する組成を有する、請求項５に記載の半導体装置。

【請求項8】

前記第１酸化物層は、０．３ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚さを有する、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項9】

前記第１酸化物層は、アモルファス構造を有する、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項10】

さらに、前記第１酸化物層と前記金属配線層との間に配置され、窒化チタン、窒化タングステン、および窒化タンタルから選ばれる少なくとも１つを含む窒化物層を具備する、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項11】

さらに、前記窒化物層と前記金属配線層との間に配置され、バナジウム酸化物を含む第２酸化物層を具備する、請求項１０に記載の半導体装置。

【請求項12】

前記酸化物半導体層は、第１方向に延伸していると共に、前記第１方向における第１端部と該第１端部とは反対側の第２端部とを有し、
前記酸化物半導体層の前記第１方向に延伸する外周面に沿って、絶縁膜を介して設けられた第１電極と、
前記酸化物半導体層の前記第１端部と電気的に接続するように設けられた第２電極と、
前記酸化物半導体層の前記第２端部と電気的に接続するように設けられ、前記酸化物導電体層を含む第３電極とを具備する、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項13】

請求項１２に記載の半導体装置と、
前記半導体装置の前記第２電極又は前記第３電極と電気的に接続されたキャパシタと
を具備する半導体記憶装置。

【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】

インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）等の金属元素の１種又は２種以上を含む金属酸化物からなる酸化物半導体をチャネル領域に用いた酸化物半導体トランジスタは、チャネルリーク電流が小さいという特性を有する。このような酸化物半導体トランジスタにおいては、熱工程により周辺の金属配線の還元反応で酸化物半導体から酸素が引き抜かれるという難点がある。酸化物半導体中の酸素の欠乏は、例えばトランジスタを微細化した際にトランジスタ動作に悪影響を及ぼす。そこで、酸化物半導体からの酸素の引き抜きを抑制することが求められている。

【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２０１５／０２７９９１３号明細書

【特許文献2】米国特許第８６６４０９７号明細書

【特許文献3】特開２０２０－１１５５５６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、酸化物半導体からの酸素の引き抜きによる特性の低下を抑制することを可能にした半導体装置及び半導体記憶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、酸化物半導体層と、前記酸化物半導体層上に設けられた酸化物導電体層と、前記酸化物導電体層上に設けられ、バナジウム酸化物を含む第１酸化物層と、前記第１酸化物層上に設けられた金属配線層とを具備する。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】第１の実施形態の半導体装置を示す断面図である。

【図2】比較例の半導体装置の一部を示す断面図である。

【図3】第１の実施形態の半導体装置の一部を拡大して示す断面図である。

【図4】各種金属の酸素スカベンジ能の指標（ｄ_ａｖ（Ｉｎ－Ｏ））を示す図である。

【図5】各種金属の酸素スカベンジ能の指標（ｄ_ａｖ（Ｉｎ－Ｏ））と各種金属の酸化物標準生成エンタルピー値（Δ_ｆＨ^０）との関係を示す図である。

【図6】酸化バナジウム（ＶＯ及びＶ_２Ｏ_３）とタングステンとの積層モデルの電子状態を示す図である。

【図7】酸化バナジウム（ＶＯ_２及びＶ_２Ｏ_５）とタングステンとの積層モデルの電子状態を示す図である。

【図8】Ｗ中の酸素スカベンジ耐性（Ｅ_ｉｎｔ）とＶ中の酸素スカベンジ耐性（Ｅ_ｉｎｔ）を示す図である。

【図9】酸化バナジウム（ＶＯ及びＶ_２Ｏ_３）とタングステンとの積層モデルにおける酸素スカベンジ能（ｄ_ａｖ（Ｏ－Ｖ））を示す図である。

【図10】酸化バナジウム（ＶＯ_２及びＶ_２Ｏ_５）とタングステンとの積層モデルにおける酸素スカベンジ能（ｄ_ａｖ（Ｏ－Ｖ））を示す図である。

【図11】タングステンと酸化インジウムとの積層モデルにおける酸素スカベンジ能（ｄ_ａｖ（Ｏ－Ｉｎ））を示す図である。

【図12】各種金属の酸化物標準生成エンタルピー値（Δ_ｆＨ^０）を示す図である。

【図13】第２の実施形態の半導体装置を示す断面図である。

【図14】第２の実施形態の半導体装置の変形例を示す断面図である。

【図15】第３の実施形態の半導体記憶装置の回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、実施形態の半導体装置及び半導体記憶装置について、図面を参照して説明する。各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。

【0008】

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態の半導体装置としてのトランジスタ１１を示している。トランジスタ１１は、縦型トランジスタであって、ゲート電極がチャネル層を囲んで設けられている、いわゆるＳｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ Ｇａｔｅ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＳＧＴ）である。図１に示すトランジスタ１１は、基板１２、第１電極１３としてのゲート電極、ゲート絶縁膜１４、チャネル層としての酸化物半導体層１５、第２電極１６としてのソース電極、第３電極１７としての酸化物導電体層からなるドレイン電極、第１酸化物層１８、及び金属配線層１９を備えている。図１において、基板１２の表面と平行に、かつ互いに交差（例えば直交）する２つの方向をＸ方向（第２方向）及びＹ方向（第３方向）、基板１２の表面と交差（例えば直交）する方向をＺ方向（第１方向）とする。

【0009】

図１に示すトランジスタ１１において、半導体基板等の基板１２上にはソース電極（第２電極）１６が設けられている。ソース電極１６上には、基板１２の表面と交差するＺ方向に延伸する酸化物半導体層１５が設けられている。酸化物半導体層１５は例えば円柱形状を有する。チャネル層としての酸化物半導体層１５の底部がソース電極１６と電気的に接している。ゲート絶縁膜１４は、Ｚ方向に延伸する酸化物半導体層１５の外周面に沿って設けられている。ゲート電極（第１電極）１３は、酸化物半導体層１５の外周面を覆うように、ゲート絶縁膜１４を介して設けられている。ドレイン電極（第３電極）１７は、酸化物半導体層１５の底部とは反対側の端部と電気的に接続するように設けられている。

【0010】

ドレイン電極１７上には、第１酸化物層１８が設けられている。第１酸化物層１８上には、金属配線層１９が設けられている。第１酸化物層１８は、後に詳述するように、金属配線層１９による酸化物半導体層１５中の酸素の引き抜きを抑制する酸素バリア層であり、バナジウム酸化物（ＶＯ_ｘ）を含んでいる。ゲート電極１３の周囲には、層間絶縁膜２０が設けられている。なお、円柱形状の酸化物半導体層１５に代えて、底部を有する円筒形状の酸化物半導体層１５を適用してもよい。この構造では、底部を有する円筒形状の酸化物半導体層１５の内部に酸化シリコン等の絶縁膜が充填される。酸化物半導体層１５は、ソース電極１６とドレイン電極１７との間にＺ方向、すなわちトランジスタ１１の上下方向（各部の製造時における厚さ方向）に延伸するように設けられていればよく、これにより縦型トランジスタが構成される。

【0011】

チャネル層としての酸化物半導体層１５には、各種の半導体特性を示す酸化物を用いることができ、特に限定されるものではない。酸化物半導体層１５を構成する酸化物としては、例えばインジウム（Ｉｎ）及び錫（Ｓｎ）からなる群より選ばれる少なくとも１つの第１金属元素（ＭＥ１元素）と、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、及びケイ素（Ｓｉ）からなる群より選ばれる少なくとも１つの第２金属元素（ＭＥ２元素）とを含む金属酸化物（ＭＥ１－ＭＥ２－Ｏ）が挙げられるが、これらに限定されるものではない。そのような酸化物半導体の代表例としては、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ（ＩＧＺＯ）やＩｎ－Ｚｎ－Ｏ（ＩＺＯ）等が挙げられる。

【0012】

ドレイン電極１７には、酸化物導電体層が用いられる。ソース電極１６についても、酸化物導電体層を用いることが好ましいが、これに限定されるものではない。ドレイン電極１７やソース電極１６に適用される酸化物導電体層の構成材料としては、例えばＩｎ酸化物（Ｉｎ_２Ｏ_３）、Ｓｎ酸化物（ＳｎＯ_２）、ＩｎＳｎ酸化物（ＩｎＳｎＯ_ｘ／ＩＴＯ）、Ｚｎ酸化物（ＺｎＯ）、ＡｌドープＺｎ酸化物（ＺｎＯ：Ａｌ／ＡＺＯ）、ＧａドープＺｎ酸化物（ＺｎＯ：Ｇａ／ＧＺＯ）、ＩｎドープＺｎ酸化物（ＺｎＯ：Ｉｎ／ＩＺＯ）、ＳｉドープＺｎ酸化物（ＺｎＯ：Ｓｉ／ＳＺＯ）、ＦドープＺｎ酸化物（ＺｎＯ：Ｆ／ＦＺＯ）、Ｓｂ（Ａｎｔｉｍｏｎｙ）ドープＳｎ酸化物（ＳｎＯ_２：Ｓｂ／ＡＴＯ）、ＦドープＳｎ酸化物（ＳｎＯ_２：Ｆ／ＦＴＯ）、ＮｂドープＴｉ酸化物（ＴｉＯ_２：Ｎｂ／ＴＮＯ）等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

【0013】

金属配線層１９の構成材料としては、例えばタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）等やこれらを含む合金（Ｗ合金、Ｍｏ合金、Ｔｉ合金）等が用いられるが、これらに限定されるものではない。ゲート電極１３は、金属、金属化合物、導電性酸化物、半導体等を含む。ゲート電極１３は、例えばタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）等から選ばれる少なくとも１つの元素を含むことができる。ゲート電極１３は、アルミニウムを主成分とするアルミニウム合金を含んでいてもよい。ゲート電極１３は、窒化チタン（ＴｉＮ）や窒化タンタル（ＴａＮ）等を含んでいてもよい。ゲート絶縁膜１４は、シリコン酸化物（ＳｉＯ）やシリコン窒化物（ＳｉＮ）等を含むことができる。

【0014】

ところで、図２に示すように、例えばＩＧＺＯ（酸化物半導体層）１５Ｘ上に設けられたＩＴＯ（ドレイン電極）１７Ｘ上に、Ｗ（金属配線層）１９Ｘを直接配置した構造に対して、半導体装置の製造工程等で熱工程を施した場合、Ｗ１９Ｘが酸化されやすいため、Ｗ１９ＸがＩＴＯ１７Ｘを介してＩＧＺＯ１５Ｘから酸素を奪うことになる。ＩＴＯ１７Ｘ自体はＩＧＺＯ１５Ｘから酸素を奪わないものの、酸素を通しやすいため、Ｗ１９ＸによりＩＴＯ１７Ｘを介してＩＧＺＯ１５Ｘから酸素が奪われる。ＩＧＺＯ１５ＸのＩＴＯ１７Ｘとの界面領域に、ＩＧＺＯ１５Ｘから酸素が奪われることによる酸素欠損領域が生じる。酸素欠損領域（低抵抗領域）の発生は、ＩＧＺＯ（酸化物半導体層）１５Ｘの特性の低下要因となり、トランジスタの特性等を低下させることになる。

【0015】

上記したような状態に対して、例えばＷ１９Ｘを予め酸化することによりＩＧＺＯ１５Ｘからの酸素の欠損を抑制することが可能になると考えられる。この際、Ｗ１９Ｘを酸素量が少ない酸素含有雰囲気中で微酸化した場合には、ＩＧＺＯ１５Ｘからの酸素の吸い込みを十分に抑制することができない。一方、Ｗ１９Ｘを強力に酸化した場合、ＩＧＺＯ１５Ｘからの酸素の吸い込みを抑制することが可能となる。ただし、そのような強力に酸化したＷＯ_ｘは電気抵抗値が増加し、Ｗ（金属配線層）１９Ｘとしての特性を損なうことになる。そこで、図３に示すように、ＩＴＯ１７ＸとＷ１９Ｘとの間に、ＩＧＺＯ１５Ｘからの酸素の吸い込み（捕捉）を抑制するバリア膜１８Ｘを配置することが考えられる。バリア膜１８Ｘには、例えばそれ自体が酸化し、それ以上のＷ１９Ｘの酸化によるＩＧＺＯ１５Ｘから酸素の引き抜きを抑制することが求められる。

【0016】

例えば、ＩＴＯ１７ＸとＷ１９Ｘとの間にチタン酸化物（ＴｉＯ_ｘ）膜等からなるバリア膜１８Ｘを配置することが考えられるが、ＴｉＯ_ｘ膜等はＷＯ_ｘと同様に電気抵抗値が高いため、トランジスタの特性を低下させるおそれがある。このような点に対して、ＩＴＯ（酸化物導電体層）１７ＸとＷ（金属配線層）１９Ｘとの間に配置するバリア膜１８Ｘの構成材料としては、酸化しやすい（酸素をスカベンジ（捕捉）しやすい）と共に、Ｗ１９Ｘの酸化によりＩＧＺＯ１５Ｘから酸素が奪われることを抑制しうる金属を用いることが好ましく、かつそのような金属の酸化物の電気抵抗値が小さい材料を用いることが好ましい。

【0017】

図４にＩｎ_２Ｏ_３（１１１）上に配置された各種金属の酸素スカベンジ能の指標（ｄ_ａｖ（Ｉｎ－Ｏ））を示す。酸素スカベンジ能の指標（ｄ_ａｖ（Ｉｎ－Ｏ））は、Ｉｎ－Ｏと金属酸化物との積層膜において、Ｉｎのｚ方向の平均座標（ｚ_ａｖ（Ｉｎ））とＯのｚ方向の平均座標（ｚ_ａｖ（Ｏ））とから、下記の式（１）に基づいて温度５００Ｋでアニールした後に評価した値である。この値を酸素スカベンジ能の指標とする。
ｄ_ａｖ（Ｉｎ－Ｏ）＝ｚ_ａｖ（Ｏ）－ｚ_ａｖ（Ｉｎ） …（１）
図４では、酸素スカベンジ能の指標（ｄ_ａｖ（Ｉｎ－Ｏ））の大きさに基づいて、各種金属を便宜的に（Ａ）群、（Ｂ）群、（Ｃ）群、（Ｄ）群の４つに分けている。

【0018】

図５に各種金属の酸化物標準生成エンタルピー値（Δ_ｆＨ^０）と酸素スカベンジ能の指標（ｄ_ａｖ（Ｉｎ－Ｏ））との関係を示す。図５に示すように、酸化物標準生成エンタルピー値（Δ_ｆＨ^０）と酸素スカベンジ能の指標（ｄ_ａｖ（Ｉｎ－Ｏ））との間には相関があるため、酸素スカベンジ能の指標（ｄ_ａｖ（Ｉｎ－Ｏ））は酸素の捕捉しやすさを示していることが分かる。従って、酸化物導電体層からなるドレイン電極１７とＷ等からなる金属配線層１９との間に配置するバリア膜には、図４における酸素スカベンジ能が大きい（Ａ）群の中から選ばれる金属を適用し、かつそのような金属の酸化物の電気抵抗値が小さい材料を用いることが好ましいことが分かる。

【0019】

図６及び図７に、Ｗ（１１０）とＶＯ_ｘ（ｘ＝１．０、１．５、２．０、２．５）との積層モデルの電子状態を示す。図６（Ａ）はＶＯ（ｘ＝１．０）とＷとの積層モデルの電子状態、図６（Ｂ）はＶ_２Ｏ_３（ｘ＝１．５）とＷとの積層モデルの電子状態、図７（Ａ）はＶＯ_２（ｘ＝２．０）とＷとの積層モデルの電子状態、図７（Ｂ）はＶ_２Ｏ_５（ｘ＝２．５）とＷとの積層モデルの電子状態を示している。これらの図に示すように、ＶＯ_ｘの高酸素濃度化にしたがってバンドギャップが開き、その伝導帯下端はＷのフェルミレベルに近づいていく。ただし、伝導帯下端がフェルミレベルよりも高いエネルギーになることはなく、ＶＯ_ｘはＷの電子からみてトンネルバリアとして機能しない。これは、ＶＯ_ｘの電子親和力が大きいという特性に由来する。例えば、Ｖ_２Ｏ_５の電子親和力は７ｅＶ以下程度であり、そのため電子に対してトンネルバリアとして機能せず、トランジスタ１１のオン抵抗の上昇に寄与しない。

【0020】

図８にＷとＶの酸素スカベンジ耐性を表すＷ中のエネルギー変化（Ｅ_ｉｎｔ）とＶ中のエネルギー変化（Ｅ_ｉｎｔ）とを示す。図８（Ａ）はどちらも体心立方（ｂｃｃ）構造を有するＷとＶについて、安定な（１１０）面を切り出して積層した状態を示している。図８（Ｂ）は、そのようなＷ及びＶのランダムな位置に格子間酸素を存在させた際に、酸素がラジカルで存在するときを基準として、Ｗ及びＶ中におけるＥ_ｉｎｔを示している。図８（Ｂ）に示されるように、Ｗ中のＥ_ｉｎｔの絶対値の最大値が２．４ｅＶであるのに対し、Ｖ中のＥ_ｉｎｔの絶対値の最大値は７．３ｅＶであり、Ｖ中の酸素はＷ中の酸素より安定であることが分かる。

【0021】

図９及び図１０に、酸化バナジウム（ＶＯ_ｘ）とタングステンとの積層モデル（下層にＷ、上層にＶＯ_ｘを積層）における酸素スカベンジ能（平均ｚ座標の変位／ｄ_ａｖ（Ｏ－Ｖ））を示す。ここでのｄ_ａｖ（Ｏ－Ｖ）は、温度５００Ｋでアニールを実施した時間に対して評価されており、ｄ_ａｖ（Ｏ－Ｖ）が時間の経過とともに減少する傾向である場合、ＶＯ_ｘのＯはＷにスカベンジされることを意味する。図９は酸化バナジウム（ＶＯ及びＶ_２Ｏ_３）とタングステンとの積層モデルにおける酸素スカベンジ能（ｄ_ａｖ（Ｏ－Ｖ））を、図１０は酸化バナジウム（ＶＯ_２及びＶ_２Ｏ_５）とタングステンとの積層モデルにおける酸素スカベンジ能（ｄ_ａｖ（Ｏ－Ｖ））を示す。図１１に図９及び図１０との比較のために、タングステンと酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）との積層モデルにおける酸素スカベンジ能（ｄ_ａｖ（Ｏ－Ｉｎ）を示す。図９及び図１０に示すように、ＶＯ_ｘは酸素が高濃度化しても、Ｉｎ_２Ｏ_３に比べてＷ側への酸素スカベンジが軽微であることが分かる。例えば、図１０（Ｂ）と図１１との比較から明らかなように、酸素が高濃度のＶ_２Ｏ_５（ｘ＝２．５）は僅かに酸素をスカベンジするが、Ｉｎ_２Ｏ_３と比較するとその量は小さいことが分かる。

【0022】

上述したように、酸化バナジウム（ＶＯ_ｘ）は酸化しやすいことに加えて、バナジウム（Ｖ）中の酸素はタングステン（Ｗ）中の酸素より安定であり、かつ酸化バナジウム（ＶＯ_ｘ）は酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）に比べてＷ側への酸素スカベンジが軽微であることが分かる。さらに、酸化バナジウム（ＶＯ_ｘ）は高酸素濃度化にしたがってバンドギャップが開いていく。ただし、そのＶＯ_ｘの伝導帯下端はＷのフェルミレベルより低く、Ｗ側の電子からみてトンネルバリアが生じるほどではないため、トランジスタ１１のオン抵抗の上昇に寄与しない。従って、酸化バナジウム（ＶＯ_ｘ）は酸素バリア膜としての第１酸化物層１８の構成材料として好適であることが分かる。また、酸化バナジウム（ＶＯ_ｘ）は配線金属と比べて体積が小さいため、酸化バナジウム（ＶＯ_ｘ）が存在しない場合と比較して、酸化物半導体層１５から酸素が引き抜かれる量を少なくすることができる。

【0023】

第１酸化物層１８の構成材料としての酸化バナジウム（ＶＯ_ｘ）は、下記の式（２）で表される組成を有することが好ましい。
一般式：ＶＯ_ｘ …（２）
（式中、ｘは０＜ｘ≦３．５を満足する数である）
式（２）において、ｘが３．５を超えると酸化バナジウムが不安定になり、酸素バリア機能が低下するおそれがある。酸素バリア機能と低抵抗性とを高める上で、ｘは１以上２．５以下であることがより好ましい。

【0024】

実施形態のトランジスタ１１においては、酸化物導電体層からなるドレイン電極１７と金属配線層１９との間に、酸素バリア膜として機能するバナジウム酸化物（ＶＯ_ｘ：０＜ｘ≦３．５）を含む第１酸化物層１８を配置している。酸化物導電体層からなるドレイン電極１７と金属配線層１９との間に配置されたＶＯ_ｘを含む第１酸化物層１８は、それ自体が酸化し、かつＶＯ_ｘ中の酸素が安定であるため、Ｗ等からなる金属配線層１９の酸化によるＩＧＺＯ等からなる酸化物半導体層１５からの酸素の引き抜きを抑制することができる。ＶＯ_ｘを含む第１酸化物層１８自体は低抵抗であるため、ドレイン電極１７と金属配線層１９との間に配置してもオン抵抗の上昇によるトランジスタ１１特性の低下を抑制することができる。これらによって、酸化物半導体層１５の酸化物導電体層１７との界面領域に、酸化物半導体層１５から酸素が奪われることによる酸素欠損領域の生成を抑えることができ、トランジスタ１１の特性等の低下を抑制することが可能になる。

【0025】

酸素バリア膜として機能する第１酸化物層１８は、バナジウム酸化物（ＶＯ_ｘ：０＜ｘ≦３．５）に加えて、それ以外の金属酸化物を含んでいてもよい。そのような金属酸化物としては、電子親和力への影響が小さい範囲で、酸素との親和性を高めることができ、かつＶＯ_ｘの低抵抗性を妨げない特性を有する材料を用いることが好ましい。図１２に各種金属の酸化物標準生成エンタルピー値（Δ_ｆＨ^０）を示す。図１２に示す金属は酸化物標準生成エンタルピー（Δ_ｆＨ^０）の絶対値がＶより大きいか、もしくはＶと同等のΔ_ｆＨ^０を有している。第１酸化物層１８は、バナジウム酸化物（ＶＯ_ｘ：０＜ｘ≦３．５）に加えて、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、セリウム（Ｃｅ）、タンタル（Ｔａ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、エルビウム（Ｅｒ）、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、サマリウム（Ｓｍ）、ケイ素（Ｓｉ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、プラセオジウム（Ｐｒ）、ランタン（Ｌａ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、及びモリブデン（Ｍｏ）からなる群より選ばれる少なくとも１つの元素の酸化物を含んでいてもよい。

【0026】

第１酸化物層１８を構成する金属酸化物には、下記の式（３）で表される組成を有するバナジウム含有酸化物を用いることが好ましい。
一般式：Ｖ_１－ａＭ_ａＯ_ｙ …（３）
（式中、ＭはＨｆ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｔａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｅｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｄｙ、Ｓｍ、Ｓｉ、Ｇｄ、Ｐｒ、Ｌａ、Ｗ、Ａｌ、Ｅｕ、及びＭｏからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素である）
式（３）において、ａは０≦ａ＜０．５を満足する数であり、さらに０＜ａ＜０．５を満足する数であってもよい。ａが０．５以上であると、ＶＯ_ｘによる低抵抗性等が損なわれるおそれがある。ａは０．２以下であることがより好ましい。ｙは０＜ｙ≦３．５を満足する数であり、１≦ｙ≦２．５を満足することがより好ましい。

【0027】

上記した式（３）を満足する組成を有するバナジウム含有酸化物を含む第１酸化物層１８は、０．３ｎｍ以上５ｎｍ以下の膜厚を有することが好ましい。第１酸化物層１８の膜厚が０．３ｎｍ未満であると、酸素バリア膜としての機能が低下するおそれがある。第１酸化物層１８の膜厚が５ｎｍを超えると、第１酸化物層１８による酸素のスカベンジ量が増大しすぎ、酸素バリア膜としての機能が低下するおそれがある。さらに、バナジウム含有酸化物を含む第１酸化物層１８は、アモルファス構造を有することが好ましい。第１酸化物層１８が多結晶構造を有すると、結晶粒界を介して酸素が透過して酸素バリア機能が低下するおそれがあるのに対し、一様なアモルファス構造は酸素バリア機能に優れる。

【0028】

（第２の実施形態）
第２の実施形態の半導体装置について、図１３を参照して説明する。図１３は第２の実施形態の半導体装置としてのトランジスタ１１を示している。トランジスタ１１は、第１の実施形態のトランジスタ１１と同様に、縦型トランジスタであって、ゲート電極がチャネル層を囲んで設けられているＳＧＴであり、基本的な構成は第１の実施形態のトランジスタ１１と同様である。第２の実施形態のトランジスタ１１の第１の実施形態のトランジスタ１１との違いは、第１酸化物層１８と金属配線層１９との間にバリア層として窒化物層２１が配置されている点であり、これ以外は第１の実施形態と同様である。

【0029】

バリア層２１は、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タングステン（ＷＮ）、および窒化タンタル（ＴａＮ）から選ばれる少なくとも１つを含む窒化物層であり、Ｗ等からなる金属配線層１９の構成材料が第１酸化物層１８や酸化物導電体層１７に拡散することを抑制するものである。このようなバリア層２１を適用する場合、図１４に示すように、バリア層２１と金属配線層１９との間に第２酸化物層２２を配置してもよい。第２酸化物層２２には、第１酸化物層１８と同様に、バナジウム含有酸化物を用いることができる。具体的には、前述した式（３）で表される組成を有するバナジウム含有酸化物を用いることができる。その際、式（３）におけるａの値は０≦ａ＜０．５であってもよいし、０＜ａ＜０．５であってもよい。

【0030】

（第３の実施形態）
図１５は、第３の実施形態の半導体記憶装置を示している。図１５に示す半導体記憶装置は、複数のメモリセルアレイを有する。図１５はメモリセルアレイの回路構成例を説明するための回路図である。図１５に示す半導体記憶装置は、複数のメモリセルＭＣと、複数のワード線ＷＬ（ワード線ＷＬｎ、ワード線ＷＬｎ＋１、ワード線ＷＬｎ＋２、ｎは整数）と、複数のビット線ＢＬ（ビット線ＢＬｍ、ビット線ＢＬｍ＋１、ビット線ＢＬｍ＋２、ｍは整数）とを具備している。

【0031】

複数のメモリセルＭＣは、行列方向に配列され、メモリセルアレイを構成する。それぞれのメモリセルＭＣは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であるメモリトランジスタＭＴＲと、メモリキャパシタＭＣＰとを備える。メモリトランジスタＭＴＲは、第１の実施形態又は第２の実施形態によるトランジスタ１１を具備している。メモリトランジスタＭＴＲのゲートは対応するワード線ＷＬに接続され、ソース又はドレインの一方は対応するビット線ＢＬに接続される。メモリキャパシタＭＣＰの一方の電極はメモリトランジスタＭＴＲのソース又はドレインの他方に接続され、他方の電極は図示しないが特定の電位を供給する電源線に接続される。メモリセルＭＣは、ワード線ＷＬによるメモリトランジスタＭＴＲのスイッチングによりビット線ＢＬからメモリキャパシタＭＣＰに電荷を蓄積してデータを保持する。複数のメモリセルＭＣの数は、図１５に示す数に限定されない。

【0032】

メモリキャパシタＭＣＰは、いわゆるピラー型キャパシタ、シリンダー型キャパシタ等の３次元キャパシタであって、図示していないが、セル電極と絶縁膜と第１プレート電極と第２プレート電極とを有する。セル電極はメモリキャパシタＭＣＰの第１電極として機能する。絶縁膜はメモリキャパシタＭＣＰの誘電体層として機能し、セル電極と第１プレート電極との間に設けられる。第１プレート電極はメモリキャパシタＭＣＰの第２電極として機能し、セル電極に対向して設けられる。第２プレート電極は、第１プレート電極に接続される。３次元キャパシタによりメモリセルの面積を小さくできる。

【0033】

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し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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】

【0034】

１１…トランジスタ、１２…基板、１３…第１電極、１４…絶縁膜、１５…酸化物半導体層、１６…第２電極、１７…第３電極、１８…第１酸化物層、１９…金属配線層、２１…窒化物層、２２…第２酸化物層、ＭＣ…メモリセル、ＭＴＲ…メモリトランジスタ、ＭＣＰ…メモリキャパシタ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】