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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】P2024000908
(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 29/41 20060101ALI20231226BHJP
H01L 21/28 20060101ALI20231226BHJP
H01L 29/423 20060101ALI20231226BHJP
H01L 29/417 20060101ALI20231226BHJP
H10B 12/00 20230101ALI20231226BHJP
【ＦＩ】
H01L29/78 626A
H01L29/78 618B
H01L29/78 616V
H01L29/78 617U
H01L29/78 613B
H01L29/78 617K
H01L29/78 616U
H01L29/44 P
H01L21/28 301R
H01L21/28 301B
H01L29/58 G
H01L29/50 M
H01L27/108 671A
H01L27/108 621B
H01L27/108 671Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】30
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022099891
(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】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】側瀬 聡文
(72)【発明者】
【氏名】山下 俊太郎
【テーマコード（参考）】
4M104
5F083
5F110
【Ｆターム（参考）】
4M104AA03
4M104AA08
4M104AA09
4M104BB18
4M104BB36
4M104CC01
4M104CC05
4M104DD08
4M104DD16
4M104DD43
4M104DD75
4M104EE16
4M104EE17
4M104FF04
4M104FF06
4M104FF11
4M104FF17
4M104FF18
4M104GG09
4M104GG16
5F083AD02
5F083AD06
5F083AD24
5F083HA02
5F083JA02
5F083JA03
5F083JA19
5F083JA36
5F083JA37
5F083JA39
5F083JA42
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5F083LA16
5F083LA19
5F083MA05
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5F083MA16
5F083MA18
5F083PR21
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5F110AA06
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5F110NN23
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5F110NN35
5F110NN72
5F110QQ19
(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、金属酸化物を含む第１の電極と、金属酸化物を含む第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間の酸化物半導体層と、酸化物半導体層を囲むゲート電極と、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含むゲート絶縁層と、第１の電極とゲート電極との間の第１の絶縁層と、第２の電極とゲート電極との間に設けられた第２の絶縁層と、第１の電極の酸化物半導体層と反対側の面に接する第１の導電層と、第２の電極の酸化物半導体層と反対側の面に接する第２の導電層と、第１の電極を囲み第１の導電層に接する第１の層と、第２の電極を囲み第２の導電層に接する第２の層と、第１の電極と第１の絶縁層との間の、ゲート絶縁層及び第１の層に接する第３の絶縁層と、第２の電極と第２の絶縁層との間の、ゲート絶縁層及び第２の層に接する第４の絶縁層と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】実施形態の半導体装置は、金属酸化物を含む第１の電極と、金属酸化物を含む第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間の酸化物半導体層と、酸化物半導体層を囲むゲート電極と、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含むゲート絶縁層と、第１の電極とゲート電極との間の第１の絶縁層と、第２の電極とゲート電極との間に設けられた第２の絶縁層と、第１の電極の酸化物半導体層と反対側の面に接する第１の導電層と、第２の電極の酸化物半導体層と反対側の面に接する第２の導電層と、第１の電極を囲み第１の導電層に接する第１の層と、第２の電極を囲み第２の導電層に接する第２の層と、第１の電極と第１の絶縁層との間の、ゲート絶縁層及び第１の層に接する第３の絶縁層と、第２の電極と第２の絶縁層との間の、ゲート絶縁層及び第２の層に接する第４の絶縁層と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
金属酸化物を含む第１の電極と、
金属酸化物を含む第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た酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層を囲むゲート電極と、
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、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含むゲート絶縁層と、
前記第１の電極と前記ゲート電極との間に設けられた第１の絶縁層と、
前記第２の電極と前記ゲート電極との間に設けられた第２の絶縁層と、
前記第１の電極の前記酸化物半導体層と反対側の面に接し、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第１の導電層と、
前記第２の電極の前記酸化物半導体層と反対側の面に接し、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第２の導電層と、
前記第１の電極から前記第２の電極に向かう第１の方向に垂直な第１の断面において前記第１の電極を囲み、前記第１の導電層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体、又は、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第１の層と、
前記第１の方向に垂直な第２の断面において前記第２の電極を囲み、前記第２の導電層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体、又は、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第２の層と、
前記第１の電極と前記第１の絶縁層との間に設けられ、前記ゲート絶縁層及び前記第１の層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体を含む第３の絶縁層と、
前記第２の電極と前記第２の絶縁層との間に設けられ、前記ゲート絶縁層及び前記第２の層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体を含む第４の絶縁層と、
を備える半導体装置。
金属酸化物を含む第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た酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層を囲むゲート電極と、
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、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含むゲート絶縁層と、
前記第１の電極と前記ゲート電極との間に設けられた第１の絶縁層と、
前記第２の電極と前記ゲート電極との間に設けられた第２の絶縁層と、
前記第１の電極の前記酸化物半導体層と反対側の面に接し、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第１の導電層と、
前記第２の電極の前記酸化物半導体層と反対側の面に接し、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第２の導電層と、
前記第１の電極から前記第２の電極に向かう第１の方向に垂直な第１の断面において前記第１の電極を囲み、前記第１の導電層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体、又は、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第１の層と、
前記第１の方向に垂直な第２の断面において前記第２の電極を囲み、前記第２の導電層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体、又は、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第２の層と、
前記第１の電極と前記第１の絶縁層との間に設けられ、前記ゲート絶縁層及び前記第１の層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体を含む第３の絶縁層と、
前記第２の電極と前記第２の絶縁層との間に設けられ、前記ゲート絶縁層及び前記第２の層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体を含む第４の絶縁層と、
を備える半導体装置。
【請求項2】
前記第１の電極に含まれる前記金属酸化物及び前記第２の電極に含まれる前記金属酸化物は、インジウム（Ｉｎ）及びスズ（Ｓｎ）を含む請求項１記載の半導体装置。
【請求項3】
前記第１の導電層及び前記第２の導電層は、チタン（Ｔｉ）及び窒素（Ｎ）を含む請求項１記載の半導体装置。
【請求項4】
前記第１の層は、チタン（Ｔｉ）及び窒素（Ｎ）を含む請求項１記載の半導体装置。
【請求項5】
前記第１の層は前記第１の導電層と同一の材料を含み、前記第１の導電層及び前記第１の層はチタン（Ｔｉ）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３の絶縁層及び前記第４の絶縁層は、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7】
前記ゲート絶縁層は、シリコン（Ｓｉ）及び酸素（Ｏ）を含む第１の膜と、前記第１の膜と前記ゲート電極との間に設けられシリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含む第２の膜と、を含む請求項１記載の半導体装置。
【請求項8】
前記第２の膜は前記第３の絶縁層及び前記第４の絶縁層と接する請求項７記載の半導体装置。
【請求項9】
前記第２の導電層の前記第２の電極と反対側の面に接する金属層を、更に備える請求項１記載の半導体装置。
【請求項10】
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。
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11】
金属酸化物を含む第１の電極と、
金属酸化物を含む第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た酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層を囲むゲート電極と、
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、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含むゲート絶縁層と、
前記第１の電極と前記ゲート電極との間に設けられた第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層との間に前記ゲート電極が設けられた第２の絶縁層と、
前記第１の電極の前記酸化物半導体層と反対側の面に接し、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第１の導電層と、
前記第２の電極の前記酸化物半導体層と反対側の面に接し、前記第１の電極から前記第２の電極に向かう第１の方向に垂直な第１の断面において前記第２の電極に囲まれ、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第２の導電層と、
前記第１の断面において前記第２の導電層に囲まれた金属層と、
前記第１の方向に垂直な第２の断面において前記第１の電極を囲み、前記第１の導電層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体、又は、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第１の層と、
前記第１の電極と前記第１の絶縁層との間に設けられ、前記ゲート絶縁層及び前記第１の層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体を含む第３の絶縁層と、
前記ゲート電極との間に前記第２の絶縁層が設けられ、前記第１の方向に垂直な第３の断面において前記金属層を囲み、前記第２の導電層、及び前記ゲート絶縁層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体を含む第４の絶縁層と、
を備える半導体装置。
金属酸化物を含む第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た酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層を囲むゲート電極と、
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、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含むゲート絶縁層と、
前記第１の電極と前記ゲート電極との間に設けられた第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層との間に前記ゲート電極が設けられた第２の絶縁層と、
前記第１の電極の前記酸化物半導体層と反対側の面に接し、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第１の導電層と、
前記第２の電極の前記酸化物半導体層と反対側の面に接し、前記第１の電極から前記第２の電極に向かう第１の方向に垂直な第１の断面において前記第２の電極に囲まれ、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第２の導電層と、
前記第１の断面において前記第２の導電層に囲まれた金属層と、
前記第１の方向に垂直な第２の断面において前記第１の電極を囲み、前記第１の導電層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体、又は、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第１の層と、
前記第１の電極と前記第１の絶縁層との間に設けられ、前記ゲート絶縁層及び前記第１の層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体を含む第３の絶縁層と、
前記ゲート電極との間に前記第２の絶縁層が設けられ、前記第１の方向に垂直な第３の断面において前記金属層を囲み、前記第２の導電層、及び前記ゲート絶縁層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体を含む第４の絶縁層と、
を備える半導体装置。
【請求項12】
前記第４の絶縁層と前記酸化物半導体層との間に前記第２の電極が設けられる請求項１１記載の半導体装置。
【請求項13】
前記第１の電極に含まれる前記金属酸化物及び前記第２の電極に含まれる前記金属酸化物は、インジウム（Ｉｎ）及びスズ（Ｓｎ）を含む請求項１１記載の半導体装置。
【請求項14】
前記第１の導電層及び前記第２の導電層は、チタン（Ｔｉ）及び窒素（Ｎ）を含む請求項１１記載の半導体装置。
【請求項15】
前記第１の層は、チタン（Ｔｉ）及び窒素（Ｎ）を含む請求項１１記載の半導体装置。
【請求項16】
前記第１の層は前記第１の導電層と同一の材料を含み、前記第１の導電層及び前記第１の層はチタン（Ｔｉ）及び窒素（Ｎ）を含む請求項１１記載の半導体装置。
【請求項17】
前記第３の絶縁層及び前記第４の絶縁層は、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含む請求項１１記載の半導体装置。
【請求項18】
前記ゲート絶縁層は、シリコン（Ｓｉ）及び酸素（Ｏ）を含む第１の膜と、前記第１の膜と前記ゲート電極との間に設けられシリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含む第２の膜と、を含む請求項１１記載の半導体装置。
【請求項19】
前記第２の膜は前記第３の絶縁層及び前記第４の絶縁層と接する請求項１８記載の半導体装置。
【請求項20】
請求項１１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。
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21】
金属酸化物を含む第１の電極と、
金属酸化物を含む第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た酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層を囲むゲート電極と、
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、前記第１の電極から前記第２の電極に向かう第１の方向に垂直な第１の断面において前記第２の電極を囲み、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含むゲート絶縁層と、
前記第１の電極と前記ゲート電極との間に設けられた第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層との間に前記ゲート電極が設けられた第２の絶縁層と、
前記第１の電極の前記酸化物半導体層と反対側の面に接し、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第１の導電層と、
前記第２の電極の前記酸化物半導体層と反対側の面に接し、前記ゲート絶縁層に接し、前記ゲート電極との間に前記第２の絶縁層が設けられ、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第２の導電層と、
前記第１の方向に垂直な第２の断面において前記第１の電極を囲み、前記第１の導電層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体、又は、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第１の層と、
前記第１の電極と前記第１の絶縁層との間に設けられ、前記ゲート絶縁層及び前記第１の層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体を含む第３の絶縁層と、
を備える半導体装置。
金属酸化物を含む第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た酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層を囲むゲート電極と、
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、前記第１の電極から前記第２の電極に向かう第１の方向に垂直な第１の断面において前記第２の電極を囲み、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含むゲート絶縁層と、
前記第１の電極と前記ゲート電極との間に設けられた第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層との間に前記ゲート電極が設けられた第２の絶縁層と、
前記第１の電極の前記酸化物半導体層と反対側の面に接し、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第１の導電層と、
前記第２の電極の前記酸化物半導体層と反対側の面に接し、前記ゲート絶縁層に接し、前記ゲート電極との間に前記第２の絶縁層が設けられ、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第２の導電層と、
前記第１の方向に垂直な第２の断面において前記第１の電極を囲み、前記第１の導電層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体、又は、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第１の層と、
前記第１の電極と前記第１の絶縁層との間に設けられ、前記ゲート絶縁層及び前記第１の層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体を含む第３の絶縁層と、
を備える半導体装置。
【請求項22】
前記第１の電極に含まれる前記金属酸化物及び前記第２の電極に含まれる前記金属酸化物は、インジウム（Ｉｎ）及びスズ（Ｓｎ）を含む請求項２１記載の半導体装置。
【請求項23】
前記第１の導電層及び前記第２の導電層は、チタン（Ｔｉ）及び窒素（Ｎ）を含む請求項２１記載の半導体装置。
【請求項24】
前記第１の層は、チタン（Ｔｉ）及び窒素（Ｎ）を含む請求項２１記載の半導体装置。
【請求項25】
前記第１の層は前記第１の導電層と同一の材料を含み、前記第１の導電層及び前記第１の層はチタン（Ｔｉ）及び窒素（Ｎ）を含む請求項２１記載の半導体装置。
【請求項26】
前記第３の絶縁層は、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含む請求項２１記載の半導体装置。
【請求項27】
前記ゲート絶縁層は、シリコン（Ｓｉ）及び酸素（Ｏ）を含む第１の膜と、前記第１の膜と前記ゲート電極との間に設けられシリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含む第２の膜と、を含む請求項２１記載の半導体装置。
【請求項28】
前記第２の膜は前記第３の絶縁層及び前記第２の導電層と接する請求項２７記載の半導体装置。
【請求項29】
前記第２の導電層の前記第２の電極と反対側の面に接する金属層を、更に備える請求項２１記載の半導体装置。
【請求項30】
請求項２１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。
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、Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ（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】特開２０１９－１１７８８２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、金属酸化物を含む第１の電極と、金属酸化物を含む第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た酸化物半導体層と、前記酸化物半導体層を囲むゲート電極と、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、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含むゲート絶縁層と、前記第１の電極と前記ゲート電極との間に設けられた第１の絶縁層と、前記第２の電極と前記ゲート電極との間に設けられた第２の絶縁層と、前記第１の電極の前記酸化物半導体層と反対側の面に接し、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第１の導電層と、前記第２の電極の前記酸化物半導体層と反対側の面に接し、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第２の導電層と、前記第１の電極から前記第２の電極に向かう第１の方向に垂直な第１の断面において前記第１の電極を囲み、前記第１の導電層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体、又は、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第１の層と、前記第１の方向に垂直な第２の断面において前記第２の電極を囲み、前記第２の導電層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体、又は、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第２の層と、前記第１の電極と前記第１の絶縁層との間に設けられ、前記ゲート絶縁層及び前記第１の層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体を含む第３の絶縁層と、前記第２の電極と前記第２の絶縁層との間に設けられ、前記ゲート絶縁層及び前記第２の層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体を含む第４の絶縁層と、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模式断面図。
【図4】第１の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【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製造方法の一例を示す模式断面図。
【図9】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10】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11】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12】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13】比較例の半導体装置の模式断面図。
【図14】比較例の半導体装置の課題の説明図。
【図15】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16】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17】第１の実施形態の第３の変形例の半導体装置の模式断面図。
【図18】第２の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【図19】第２の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【図20】第２の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【図21】第２の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【図22】第２の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【図23】第２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24】第２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25】第２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26】第２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27】第２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28】第２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29】第２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30】第２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31】第２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32】第２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33】第２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34】第３の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【図35】第３の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【図36】第３の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【図37】第３の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【図38】第３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39】第３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40】第３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41】第３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42】第３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43】第３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44】第３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45】第３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46】第３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47】第４の実施形態の半導体記憶装置の等価回路図。
【図48】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」、「下」、「上部」、「下部」、「上方」、又は「下方」という用語を用いる場合がある。「上」、「下」、「上部」、「下部」、「上方」、又は「下方」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（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＳＩＭＳ）、エネルギー分散型Ｘ線分光法（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＥＤＸ）、ラザフォード後方散乱分析法（Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋ－Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：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（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）を用いることが可能である。
【0010】
（第１の実施形態）
第１の実施形態の半導体装置は、金属酸化物を含む第１の電極と、金属酸化物を含む第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に設けられた酸化物半導体層と、酸化物半導体層を囲むゲート電極と、ゲート電極と酸化物半導体層との間に設けられ、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含むゲート絶縁層と、第１の電極とゲート電極との間に設けられた第１の絶縁層と、第２の電極とゲート電極との間に設けられた第２の絶縁層と、第１の電極の酸化物半導体層と反対側の面に接し、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第１の導電層と、第２の電極の酸化物半導体層と反対側の面に接し、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第２の導電層と、第１の電極から第２の電極に向かう第１の方向に垂直な第１の断面において第１の電極を囲み、第１の導電層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体、又は、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第１の層と、第１の方向に垂直な第２の断面において第２の電極を囲み、第２の導電層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体、又は、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第２の層と、第１の電極と第１の絶縁層との間に設けられ、ゲート絶縁層及び第１の層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体を含む第３の絶縁層と、第２の電極と第２の絶縁層との間に設けられ、ゲート絶縁層及び第２の層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体を含む第４の絶縁層と、を備える。
第１の実施形態の半導体装置は、金属酸化物を含む第１の電極と、金属酸化物を含む第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に設けられた酸化物半導体層と、酸化物半導体層を囲むゲート電極と、ゲート電極と酸化物半導体層との間に設けられ、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含むゲート絶縁層と、第１の電極とゲート電極との間に設けられた第１の絶縁層と、第２の電極とゲート電極との間に設けられた第２の絶縁層と、第１の電極の酸化物半導体層と反対側の面に接し、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第１の導電層と、第２の電極の酸化物半導体層と反対側の面に接し、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第２の導電層と、第１の電極から第２の電極に向かう第１の方向に垂直な第１の断面において第１の電極を囲み、第１の導電層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体、又は、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第１の層と、第１の方向に垂直な第２の断面において第２の電極を囲み、第２の導電層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体、又は、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第２の層と、第１の電極と第１の絶縁層との間に設けられ、ゲート絶縁層及び第１の層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体を含む第３の絶縁層と、第２の電極と第２の絶縁層との間に設けられ、ゲート絶縁層及び第２の層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体を含む第４の絶縁層と、を備える。
【0011】
図１、図２、図３、及び図４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３は、図１のＢＢ’断面図である。図４は、図１のＣＣ’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】
ＢＢ’断面は、第１の断面の一例である。ＣＣ’断面は第２の断面の一例である。
【0013】
第１の実施形態の半導体装置は、トランジスタ１００である。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において、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Ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ Ｇａｔｅ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（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。
【0014】
トランジスタ１００は、下部電極１２、上部電極１４、酸化物半導体層１６、ゲート電極１８、ゲート絶縁層２０、下部絶縁層２２、上部絶縁層２４、下部バリア導電層２６、上部バリア導電層２８、第１の側壁バリア層３０、第２の側壁バリア層３２、下部バリア絶縁層３４、上部バリア絶縁層３６、金属層３８、下部層間絶縁層４０、及び上部層間絶縁層４２を備える。ゲート絶縁層２０は、第１のゲート絶縁膜２０ａ及び第２のゲート絶縁膜２０ｂを含む。
【0015】
下部電極１２は、第１の電極の一例である。上部電極１４は、第２の電極の一例である。下部絶縁層２２は、第１の絶縁層の一例である。上部絶縁層２４は、第２の絶縁層の一例である。下部バリア導電層２６は、第１の導電層の一例である。上部バリア導電層２８は、第２の導電層の一例である。第１の側壁バリア層３０は、第１の層の一例である。第２の側壁バリア層３２は、第２の層の一例である。下部バリア絶縁層３４は、第３の絶縁層の一例である。上部バリア絶縁層３６は、第４の絶縁層の一例である。第１のゲート絶縁膜２０ａは、第１の膜の一例である。第２のゲート絶縁膜２０ｂは、第２の膜の一例である。
【0016】
下部電極１２は、酸化物半導体層１６の下に設けられる。下部電極１２は、酸化物半導体層１６に電気的に接続される。下部電極１２は、例えば、酸化物半導体層１６に接する。下部電極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。
【0017】
下部電極１２は、導電体である。下部電極１２は、導電性の金属酸化物を含む。下部電極１２は、例えば、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、及び酸素（Ｏ）を含む。下部電極１２は、例えば、酸化インジウムスズを含む。下部電極１２は、例えば、酸化インジウムスズ層である。
【0018】
上部電極１４は、酸化物半導体層１６の上に設けられる。上部電極１４は、酸化物半導体層１６に電気的に接続される。上部電極１４は、例えば、酸化物半導体層１６に接する。上部電極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。
【0019】
上部電極１４は、導電体である。上部電極１４は、導電性の金属酸化物を含む。上部電極１４は、例えば、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、及び酸素（Ｏ）を含む。上部電極１４は、例えば、酸化インジウムスズを含む。上部電極１４は、例えば、酸化インジウムスズ層である。
【0020】
下部電極１２と上部電極１４とは、例えば、同一の材料を含む。下部電極１２及び上部電極１４に含まれる金属酸化物は、例えば、インジウム（Ｉｎ）及びスズ（Ｓｎ）を含む。下部電極１２及び上部電極１４は、例えば、酸化インジウムスズを含む。下部電極１２及び上部電極１４は、例えば、酸化インジウムスズ層である。
【0021】
酸化物半導体層１６は、下部電極１２と上部電極１４との間に設けられる。酸化物半導体層１６は、例えば、下部電極１２に接する。酸化物半導体層１６は、例えば、上部電極１４に接する。
【0022】
酸化物半導体層１６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。
【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）、亜鉛（Ｚｎ）及び酸素（Ｏ）を含む。酸化物半導体層１６は、例えば、酸化インジウムガリウム亜鉛を含む。酸化物半導体層１６は、例えば、酸化インジウムガリウム亜鉛層である。
【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と、酸素（Ｏ）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。酸化物半導体層１６は、例えば、酸化チタン層、酸化亜鉛層、又は酸化タングステン層である。
【0026】
酸化物半導体層１６は、例えば、下部電極１２の化学組成、及び、上部電極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、酸素空孔を含む。酸化物半導体層１６の中の酸素空孔は、ドナーとして機能する。
【0028】
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の方向の長さは、例えば、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
【0029】
第１の方向は、下部電極１２から上部電極１４に向かう方向である。第２の方向は、第１の方向に垂直な方向である。
【0030】
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、その第１の方向における位置座標が下部電極１２と上部電極１４それぞれの第１の方向における位置座標の間の値となるように設けられる。
【0031】
図２に示すように、ゲート電極１８は、第１の方向に垂直な断面において、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。
【0032】
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。ゲート電極１８は、例えば、タングステン層である。
【0033】
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。
【0034】
ゲート絶縁層２０は、酸化物半導体層１６とゲート電極１８との間に設けられる。ゲート絶縁層２０は、第１の方向に垂直な断面において、酸化物半導体層１６を囲む。ゲート絶縁層２０は、下部電極１２と上部電極１４との間に設けられる。ゲート絶縁層２０は、下部バリア絶縁層３４及び上部バリア絶縁層３６と接する。ゲート絶縁層２０は、例えば、下部電極１２及び上部電極１４と接する。
【0035】
ゲート絶縁層２０は、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含む。ゲート絶縁層２０は、例えば、窒化シリコンを含む。
【0036】
ゲート絶縁層２０は、例えば、第１のゲート絶縁膜２０ａ及び第２のゲート絶縁膜２０ｂを含む。第２のゲート絶縁膜２０ｂは、第１のゲート絶縁膜２０ａとゲート電極１８との間に設けられる。
【0037】
第２のゲート絶縁膜２０ｂは、例えば、下部電極１２及び上部電極１４と接する。第２のゲート絶縁膜２０ｂは、例えば、下部バリア絶縁層３４及び上部バリア絶縁層３６と接する。
【0038】
第１のゲート絶縁膜２０ａは、例えば、酸化物である。第１のゲート絶縁膜２０ａは、例えば、シリコン（Ｓｉ）及び酸素（Ｏ）を含む。第１のゲート絶縁膜２０ａは、例えば、酸化シリコンを含む。第１のゲート絶縁膜２０ａは、例えば、酸化シリコン膜である。
【0039】
第２のゲート絶縁膜２０ｂは、例えば、窒化物である。第２のゲート絶縁膜２０ｂは、例えば、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含む。第２のゲート絶縁膜２０ｂは、例えば、窒化シリコンを含む。第２のゲート絶縁膜２０ｂは、例えば、窒化シリコン膜である。
【0040】
ゲート絶縁層２０の厚さは、例えば、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
【0041】
下部絶縁層２２は、下部電極１２の上に設けられる。下部絶縁層２２は、下部電極１２とゲート電極１８との間に設けられる。
【0042】
下部絶縁層２２は、第１の方向に垂直な面において、酸化物半導体層１６を囲む。下部絶縁層２２は、第１の方向に垂直な面において、ゲート絶縁層２０を囲む。
【0043】
下部絶縁層２２は、絶縁体である。下部絶縁層２２は、例えば、酸化物、窒化物、又は酸窒化物である。下部絶縁層２２は、例えば、シリコン（Ｓｉ）及び酸素（Ｏ）を含む。下部絶縁層２２は、例えば、酸化シリコンを含む。下部絶縁層２２は、例えば、酸化シリコン層である。
【0044】
上部絶縁層２４は、ゲート電極１８の上に設けられる。上部絶縁層２４は、例えば、ゲート電極１８と上部電極１４との間に設けられる。
【0045】
上部絶縁層２４は、第１の方向に垂直な面において、酸化物半導体層１６を囲む。上部絶縁層２４は、第１の方向に垂直な面において、ゲート絶縁層２０を囲む。
【0046】
上部絶縁層２４は、絶縁体である。上部絶縁層２４は、例えば、酸化物、窒化物、又は酸窒化物である。上部絶縁層２４は、例えば、シリコン（Ｓｉ）及び酸素（Ｏ）を含む。上部絶縁層２４は、例えば、酸化シリコンを含む。上部絶縁層２４は、例えば、酸化シリコン層である。
【0047】
下部バリア導電層２６は、下部電極１２の下に設けられる。下部バリア導電層２６は、下部電極１２の酸化物半導体層１６と反対側の面に接する。
【0048】
下部バリア導電層２６は、下部電極１２からの酸素の脱離、又は、下部電極１２への酸素の侵入を抑制する機能を有する。下部バリア導電層２６は、例えば、下部バリア導電層２６の下に設けられる図示しない金属層の酸化を抑制する機能を有する。
【0049】
下部バリア導電層２６は、導電体である。下部バリア導電層２６は、下部電極１２と異なる材料を含む。下部バリア導電層２６は、下部電極１２と異なる材料で形成される。下部バリア導電層２６は、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む。
【0050】
下部バリア導電層２６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）、及びタンタル（Ｔａ）からなる群から選ばれる一つの金属元素を含む。下部バリア導電層２６は、例えば、タングステン層、モリブデン層、銅層、アルミニウム層、チタン層、又はタンタル層である。
【0051】
下部バリア導電層２６は、例えば、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、及びタンタル（Ｔａ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの金属元素と、窒素（Ｎ）を含む。下部バリア導電層２６は、例えば、窒化チタン、窒化タングステン、窒化モリブデン、又は窒化タンタルを含む。下部バリア導電層２６は、例えば、窒化チタン層、窒化タングステン層、窒化モリブデン層、又は窒化タンタル層である。
【0052】
下部バリア導電層２６は、例えば、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、及びタンタル（Ｔａ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの金属元素と、炭素（Ｃ）を含む。下部バリア導電層２６は、例えば、炭化チタン、炭化タングステン、炭化モリブデン、又は炭化タンタルを含む。下部バリア導電層２６は、例えば、炭化チタン層、炭化タングステン層、炭化モリブデン層、又は炭化タンタル層である。
【0053】
下部バリア導電層２６は、例えば、下部電極１２よりも酸素透過率の低い材料で形成される。下部バリア導電層２６は、例えば、酸化インジウムスズよりも酸素透過率の低い材料で形成される。
【0054】
下部バリア導電層２６は、例えば、下部層間絶縁層４０よりも酸素透過率の低い材料で形成される。下部バリア導電層２６は、例えば、酸化シリコンよりも酸素透過率の低い材料で形成される。
【0055】
上部バリア導電層２８は、上部電極１４の上に設けられる。上部バリア導電層２８は、上部電極１４の酸化物半導体層１６と反対側の面に接する。
【0056】
上部バリア導電層２８は、上部電極１４からの酸素の脱離、又は、上部電極１４への酸素の侵入を抑制する機能を有する。上部バリア導電層２８は、例えば、上部電極１４の上に設けられる金属層３８の酸化を抑制する機能を有する。
【0057】
上部バリア導電層２８は、導電体である。上部バリア導電層２８は、上部電極１４と異なる材料を含む。上部バリア導電層２８は、上部電極１４と異なる材料で形成される。上部バリア導電層２８は、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む。
【0058】
上部バリア導電層２８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）、及びタンタル（Ｔａ）からなる群から選ばれる一つの金属元素を含む。上部バリア導電層２８は、例えば、タングステン層、モリブデン層、銅層、アルミニウム層、チタン層、又はタンタル層である。
【0059】
上部バリア導電層２８は、例えば、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、及びタンタル（Ｔａ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの金属元素と、窒素（Ｎ）を含む。上部バリア導電層２８は、例えば、窒化チタン、窒化タングステン、窒化モリブデン、又は窒化タンタルを含む。上部バリア導電層２８は、例えば、窒化チタン層、窒化タングステン層、窒化モリブデン層、又は窒化タンタル層である。
【0060】
上部バリア導電層２８は、例えば、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、及びタンタル（Ｔａ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの金属元素と、炭素（Ｃ）を含む。上部バリア導電層２８は、例えば、炭化チタン、炭化タングステン、炭化モリブデン、又は炭化タンタルを含む。上部バリア導電層２８は、例えば、炭化チタン層、炭化タングステン層、炭化モリブデン層、又は炭化タンタル層である。
【0061】
上部バリア導電層２８は、例えば、上部電極１４よりも酸素透過率の低い材料で形成される。上部バリア導電層２８は、例えば、酸化インジウムスズよりも酸素透過率の低い材料で形成される。
【0062】
上部バリア導電層２８は、例えば、上部層間絶縁層４２よりも酸素透過率の低い材料で形成される。上部バリア導電層２８は、例えば、酸化シリコンよりも酸素透過率の低い材料で形成される。
【0063】
【0064】
第１の側壁バリア層３０は、下部バリア導電層２６及び下部バリア絶縁層３４に接する。第１の側壁バリア層３０は、例えば、下部電極１２に接する。第１の側壁バリア層３０は、例えば、下部電極１２の側面に接する。
【0065】
第１の側壁バリア層３０は、下部電極１２からの酸素の脱離、又は、下部電極１２への酸素の侵入を抑制する機能を有する。
【0066】
第１の側壁バリア層３０は、例えば、導電体である。第１の側壁バリア層３０は、下部電極１２と異なる材料を含む。第１の側壁バリア層３０は、下部電極１２と異なる材料で形成される。
【0067】
第１の側壁バリア層３０は、例えば、下部バリア導電層２６と同一の材料を含む。第１の側壁バリア層３０は、例えば、下部バリア導電層２６と同一の材料で形成される。第１の側壁バリア層３０は、例えば、下部バリア導電層２６と連続する。第１の側壁バリア層３０は、例えば、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む。
【0068】
第１の側壁バリア層３０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）、及びタンタル（Ｔａ）からなる群から選ばれる一つの金属元素を含む。第１の側壁バリア層３０は、例えば、タングステン層、モリブデン層、銅層、アルミニウム層、チタン層、又はタンタル層である。
【0069】
第１の側壁バリア層３０は、例えば、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、及びタンタル（Ｔａ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの金属元素と、窒素（Ｎ）を含む。第１の側壁バリア層３０は、例えば、窒化チタン、窒化タングステン、窒化モリブデン、又は窒化タンタルを含む。第１の側壁バリア層３０は、例えば、窒化チタン層、窒化タングステン層、窒化モリブデン層、又は窒化タンタル層である。
【0070】
第１の側壁バリア層３０は、例えば、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、及びタンタル（Ｔａ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの金属元素と、炭素（Ｃ）を含む。下部バリア導電層２６は、例えば、炭化チタン、炭化タングステン、炭化モリブデン、又は炭化タンタルを含む。第１の側壁バリア層３０は、例えば、炭化チタン層、炭化タングステン層、炭化モリブデン層、又は炭化タンタル層である。
【0071】
第１の側壁バリア層３０は、例えば、下部電極１２よりも酸素透過率の低い材料で形成される。第１の側壁バリア層３０は、例えば、酸化インジウムスズよりも酸素透過率の低い材料で形成される。
【0072】
第１の側壁バリア層３０は、例えば、下部層間絶縁層４０よりも酸素透過率の低い材料で形成される。第１の側壁バリア層３０は、例えば、酸化シリコンよりも酸素透過率の低い材料で形成される。
【0073】
【0074】
第２の側壁バリア層３２は、上部バリア導電層２８及び上部バリア絶縁層３６に接する。第２の側壁バリア層３２は、例えば、上部電極１４に接する。第２の側壁バリア層３２は、例えば、上部電極１４の側面及び上部バリア導電層２８の側面に接する。
【0075】
第２の側壁バリア層３２は、上部電極１４からの酸素の脱離、又は、上部電極１４への酸素の侵入を抑制する機能を有する。
【0076】
第２の側壁バリア層３２は、例えば、絶縁体である。第２の側壁バリア層３２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体を含む。第２の側壁バリア層３２は、例えば、酸化アルミニウム層、酸化マグネシウム層、酸化ガリウム層、酸化ゲルマニウム層、酸化イットリウム層、酸化ジルコニウム層、酸化ランタン層、酸化ハフニウム層、酸化タンタル層、窒化シリコン層、窒化アルミニウム層、酸窒化シリコン層、又は酸窒化アルミニウム層である。
【0077】
第２の側壁バリア層３２は、例えば、上部電極１４よりも酸素透過率の低い材料で形成される。第２の側壁バリア層３２は、例えば、酸化インジウムスズよりも酸素透過率の低い材料で形成される。
【0078】
第２の側壁バリア層３２は、例えば、上部層間絶縁層４２よりも酸素透過率の低い材料で形成される。第２の側壁バリア層３２は、例えば、酸化シリコンよりも酸素透過率の低い材料で形成される。
【0079】
下部バリア絶縁層３４は、下部電極１２と下部絶縁層２２との間に設けられる。下部バリア絶縁層３４は、例えば、第１の方向に垂直な断面において、酸化物半導体層１６及びゲート絶縁層２０を囲む。
【0080】
下部バリア絶縁層３４は、ゲート絶縁層２０及び第１の側壁バリア層３０に接する。下部バリア絶縁層３４は、例えば、第２のゲート絶縁膜２０ｂに接する。下部バリア絶縁層３４は、例えば、下部電極１２に接する。
【0081】
下部バリア絶縁層３４は、下部電極１２からの酸素の脱離、又は、下部電極１２への酸素の侵入を抑制する機能を有する。
【0082】
下部バリア絶縁層３４は、絶縁体である。下部バリア絶縁層３４は、下部絶縁層２２と異なる材料を含む。下部バリア絶縁層３４は、下部絶縁層２２と異なる材料で形成される。
【0083】
下部バリア絶縁層３４は、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体を含む。下部バリア絶縁層３４は、例えば、酸化アルミニウム層、酸化マグネシウム層、酸化ガリウム層、酸化ゲルマニウム層、酸化イットリウム層、酸化ジルコニウム層、酸化ランタン層、酸化ハフニウム層、酸化タンタル層、窒化シリコン層、窒化アルミニウム層、酸窒化シリコン層、又は酸窒化アルミニウム層である。
【0084】
下部バリア絶縁層３４は、例えば、下部電極１２よりも酸素透過率の低い材料で形成される。下部バリア絶縁層３４は、例えば、酸化インジウムスズよりも酸素透過率の低い材料で形成される。
【0085】
下部バリア絶縁層３４は、例えば、下部絶縁層２２よりも酸素透過率の低い材料で形成される。下部バリア絶縁層３４は、例えば、酸化シリコンよりも酸素透過率の低い材料で形成される。
【0086】
上部バリア絶縁層３６は、上部電極１４と上部絶縁層２４との間に設けられる。上部バリア絶縁層３６は、例えば、第１の方向に垂直な断面において、酸化物半導体層１６及びゲート絶縁層２０を囲む。
【0087】
上部バリア絶縁層３６は、ゲート絶縁層２０及び第２の側壁バリア層３２に接する。上部バリア絶縁層３６は、例えば、第２のゲート絶縁膜２０ｂに接する。上部バリア絶縁層３６は、例えば、上部電極１４に接する。
【0088】
上部バリア絶縁層３６は、上部電極１４からの酸素の脱離、又は、上部電極１４への酸素の侵入を抑制する機能を有する。
【0089】
上部バリア絶縁層３６は、絶縁体である。上部バリア絶縁層３６は、上部絶縁層２４と異なる材料を含む。上部バリア絶縁層３６は、上部絶縁層２４と異なる材料で形成される。
【0090】
上部バリア絶縁層３６は、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体を含む。上部バリア絶縁層３６は、例えば、酸化アルミニウム層、酸化マグネシウム層、酸化ガリウム層、酸化ゲルマニウム層、酸化イットリウム層、酸化ジルコニウム層、酸化ランタン層、酸化ハフニウム層、酸化タンタル層、窒化シリコン層、窒化アルミニウム層、酸窒化シリコン層、又は酸窒化アルミニウム層である。
【0091】
上部バリア絶縁層３６は、例えば、上部電極１４よりも酸素透過率の低い材料で形成される。上部バリア絶縁層３６は、例えば、酸化インジウムスズよりも酸素透過率の低い材料で形成される。
【0092】
上部バリア絶縁層３６は、例えば、上部絶縁層２４よりも酸素透過率の低い材料で形成される。上部バリア絶縁層３６は、例えば、酸化シリコンよりも酸素透過率の低い材料で形成される。
【0093】
金属層３８は、上部バリア導電層２８の上に設けられる。金属層３８と上部電極１４との間に、上部バリア導電層２８が設けられる。金属層３８は、例えば、上部バリア導電層２８に接する。
【0094】
金属層３８は、導電体である。金属層３８は、上部バリア導電層２８と異なる材料を含む。金属層３８は、上部バリア導電層２８と異なる材料で形成される。金属層３８は、金属を含む。
【0095】
金属層３８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）、及びタンタル（Ｔａ）からなる群から選ばれる一つの金属元素を含む。金属層３８は、例えば、タングステン層、モリブデン層、銅層、アルミニウム層、チタン層、又はタンタル層である。
【0096】
下部層間絶縁層４０は、下部バリア絶縁層３４の下に設けられる。下部層間絶縁層４０は、下部電極１２の側方に設けられる。
【0097】
下部層間絶縁層４０は、第１の方向に垂直な断面において、下部電極１２を囲む。下部層間絶縁層４０は、第１の方向に垂直な断面において、第１の側壁バリア層３０を囲む。
【0098】
下部層間絶縁層４０は、例えば、図示しない配線層と、下部電極１２との間を電気的に絶縁する機能を有する。
【0099】
下部層間絶縁層４０は、絶縁体である。下部層間絶縁層４０は、例えば、酸化物、窒化物、又は酸窒化物である。下部層間絶縁層４０は、例えば、シリコン（Ｓｉ）及び酸素（Ｏ）を含む。下部層間絶縁層４０は、例えば、酸化シリコンを含む。下部層間絶縁層４０は、例えば、酸化シリコン層である。
【0100】
上部層間絶縁層４２は、上部バリア絶縁層３６の上に設けられる。上部層間絶縁層４２は、上部電極１４の側方に設けられる。
【0101】
上部層間絶縁層４２は、第１の方向に垂直な断面において、上部電極１４を囲む。上部層間絶縁層４２は、第１の方向に垂直な断面において、第２の側壁バリア層３２を囲む。
【0102】
上部層間絶縁層４２は、例えば、図示しない配線層と、上部電極１４との間を電気的に絶縁する機能を有する。
【0103】
上部層間絶縁層４２は、絶縁体である。上部層間絶縁層４２は、例えば、酸化物、窒化物、又は酸窒化物である。上部層間絶縁層４２は、例えば、シリコン（Ｓｉ）及び酸素（Ｏ）を含む。下部層間絶縁層４０は、例えば、酸化シリコンを含む。上部層間絶縁層４２は、例えば、酸化シリコン層である。
【0104】
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。
【0105】
図５、図６、図７、図８、図９、図１０、図１１、及び図１２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５～図１２は、それぞれ、図１に対応する断面を示す。図５～図１２は、トランジスタ１００の製造方法の一例を示す図である。
【0106】
以下、下部電極１２が酸化インジウムスズ層、上部電極１４が酸化インジウムスズ層、酸化物半導体層１６が酸化インジウムガリウム亜鉛層、ゲート電極１８がタングステン層、ゲート絶縁層２０が酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の積層構造、下部絶縁層２２が酸化シリコン層、上部絶縁層２４が酸化シリコン層、下部バリア導電層２６が窒化チタン層、上部バリア導電層２８が窒化チタン層、第１の側壁バリア層３０が窒化チタン層、第２の側壁バリア層３２が窒化シリコン層、下部バリア絶縁層３４が窒化シリコン層、上部バリア絶縁層３６が窒化シリコン層、金属層３８がタングステン層、下部層間絶縁層４０が酸化シリコン層、上部層間絶縁層４２が酸化シリコン層である場合を例に説明する。
【0107】
最初に、図示しない基板の上に、第１の酸化シリコン膜５１を形成する。第１の酸化シリコン膜５１は、例えば、Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法（ＣＶＤ法）により形成する。
【0108】
次に、第１の酸化シリコン膜５１に図示しない開口部を形成する。第１の酸化シリコン膜５１の開口部は、例えば、リソグラフィ法、及び、Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ法（ＲＩＥ法）を用いて形成する。
【0109】
次に、第１の酸化シリコン膜５１の開口部の中に、第１の窒化チタン膜５２及び第１の酸化インジウムスズ膜５３を形成する。第１の窒化チタン膜５２及び第１の酸化インジウムスズ膜５３は、例えば、ＣＶＤ法を用いて形成する。
【0110】
次に、第１の酸化シリコン膜５１の表面の、第１の窒化チタン膜５２及び第１の酸化インジウムスズ膜５３を除去する（図５）。第１の窒化チタン膜５２及び第１の酸化インジウムスズ膜５３の除去には、例えば、Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ法（ＣＭＰ法）を用いる。
【0111】
第１の酸化シリコン膜５１は、最終的に下部層間絶縁層４０となる。第１の窒化チタン膜５２は、最終的に下部バリア導電層２６及び第１の側壁バリア層３０となる。第１の酸化インジウムスズ膜５３は、最終的に下部電極１２となる。
【0112】
次に、第１の酸化インジウムスズ膜５３の上に、第１の窒化シリコン膜５４、第２の酸化シリコン膜５５、第１のタングステン膜５６、第３の酸化シリコン膜５７、及び第２の窒化シリコン膜５８を、この順に第１の方向に積層する（図６）。第１の窒化シリコン膜５４、第２の酸化シリコン膜５５、第１のタングステン膜５６、第３の酸化シリコン膜５７、及び第２の窒化シリコン膜５８は、例えば、ＣＶＤ法を用いて形成する。
【0113】
第１の窒化シリコン膜５４の一部は、最終的に下部バリア絶縁層３４となる。第２の酸化シリコン膜５５の一部は、最終的に下部絶縁層２２となる。第１のタングステン膜５６の一部は、最終的にゲート電極１８となる。第３の酸化シリコン膜５７の一部は、最終的に上部絶縁層２４となる。第２の窒化シリコン膜５８の一部は、最終的に上部バリア絶縁層３６となる。
【0114】
次に、第２の窒化シリコン膜５８の表面から、第２の窒化シリコン膜５８、第３の酸化シリコン膜５７、第１のタングステン膜５６、第２の酸化シリコン膜５５、及び第１の窒化シリコン膜５４を貫通し、第１の酸化インジウムスズ膜５３に達する開口部６０を形成する（図７）。開口部６０は、例えば、リソグラフィ法、及び、ＲＩＥ法を用いて形成する。
【0115】
次に、開口部６０の内部の側面に、第３の窒化シリコン膜６１及び第４の酸化シリコン膜６２を形成する（図８）。第３の窒化シリコン膜６１及び第４の酸化シリコン膜６２は、例えば、ＣＶＤ法による堆積と、ＲＩＥ法によるエッチングにより形成する。第３の窒化シリコン膜６１は、最終的に第２のゲート絶縁膜２０ｂとなる。また、第４の酸化シリコン膜６２は、最終的に第１のゲート絶縁膜２０ａとなる。
【0116】
次に、開口部６０を酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３で埋め込む（図９）。酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３は、最終的に酸化物半導体層１６となる。酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３は、例えば、ＣＶＤ法で堆積した後に、ＣＭＰ法を用いて上部の一部が除去される。
【0117】
次に、酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３の上に、第２の酸化インジウムスズ膜６４、第２の窒化チタン膜６５、及び第２のタングステン膜６６を、この順に形成する。第２の酸化インジウムスズ膜６４、第２の窒化チタン膜６５、及び第２のタングステン膜６６は、例えば、ＣＶＤ法を用いて形成する。
【0118】
次に、第２の酸化インジウムスズ膜６４、第２の窒化チタン膜６５、及び第２のタングステン膜６６をパターニングする（図１０）。第２の酸化インジウムスズ膜６４、第２の窒化チタン膜６５、及び第２のタングステン膜６６のパターニングは、例えば、リソグラフィ法、及び、ＲＩＥ法を用いて行う。
【0119】
第２の酸化インジウムスズ膜６４は、最終的に上部電極１４となる。第２の窒化チタン膜６５は、最終的に上部バリア導電層２８となる。また、第２のタングステン膜６６は、最終的に金属層３８となる。
【0120】
次に、酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３中の酸素空孔の量を調整する熱処理を行う。例えば、酸素空孔の量を多くしたい場合は、非酸化性雰囲気での熱処理を行い、酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３からの酸素の離脱を促進させる。また、例えば、酸素空孔の量を少なくしたい場合は、酸化性雰囲気での熱処理を行い、酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３への酸素の供給を促進させる。
【0121】
第２の酸化インジウムスズ膜６４が、酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３からの酸素の離脱の経路、又は、酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３への酸素の供給の経路となる。酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３中の酸素空孔の量を調整することで、例えば、トランジスタの閾値電圧を所望の値に設定できる。
【0122】
次に、第２の酸化インジウムスズ膜６４、第２の窒化チタン膜６５、及び第２のタングステン膜６６の側面に、第４の窒化シリコン膜６７を形成する（図１１）。第４の窒化シリコン膜６７は、ＣＶＤ法による堆積とＲＩＥ法によるエッチングにより形成する。第４の窒化シリコン膜６７は、最終的に第２の側壁バリア層３２となる。
【0123】
次に、第４の窒化シリコン膜６７の側面に第５の酸化シリコン膜６８を形成する（図１２）。第５の酸化シリコン膜６８は、例えば、ＣＶＤ法により形成する。第５の酸化シリコン膜６８は、最終的に上部層間絶縁層４２となる。
【0124】
【0125】
次に、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。
【0126】
酸化物半導体トランジスタでは、トランジスタ構造を形成した後の熱処理により、トランジスタ特性が変動する場合がある。例えば、トランジスタのチャネルが形成される酸化物半導体層から酸素が離脱したり、酸化物半導体層に酸素が供給されたりすることで、トランジスタの閾値電圧が変化する場合がある。
【0127】
トランジスタの閾値電圧の変化は、酸化物半導体層の中でドナーとして寄与する酸素空孔の量が変化することに起因する。例えば、酸素空孔の量が変化することで、トランジスタのチャネル長が変化して、トランジスタの閾値電圧が変化する。
【0128】
【0129】
比較例の半導体装置はトランジスタ９００である。比較例のトランジスタ９００は、第１の側壁バリア層３０、第２の側壁バリア層３２、下部バリア絶縁層３４、及び上部バリア絶縁層３６を備えない点で、第１の実施形態のトランジスタ１００と異なる。
【0130】
図１４は、比較例の半導体装置の課題の説明図である。
【0131】
例えば、図１４に示す比較例のトランジスタ９００の構造が形成された後に、熱処理が加わる場合を想定する。例えば、非酸化性の雰囲気中での熱処理が行われると、酸化物半導体層１６から下部電極１２や上部電極１４を通って酸素が離脱する。また、例えば、酸化性の雰囲気中での熱処理が行われると、酸化物半導体層１６へ下部電極１２や上部電極１４を通って酸素が供給される。
【0132】
比較例のトランジスタ９００では、図１４に点線の両矢印で示されるような酸素の移動経路が存在するため、酸化物半導体層１６からの酸素の離脱や、酸化物半導体層１６への酸素の供給が生じやすい。酸化物半導体層１６からの酸素の離脱や、酸化物半導体層１６への酸素の供給が生じやすいことで、トランジスタ特性の変動が生じやすくなる。
【0133】
第１の実施形態のトランジスタ１００は、第１の側壁バリア層３０、第２の側壁バリア層３２、下部バリア絶縁層３４、及び上部バリア絶縁層３６を備える。第１の実施形態のトランジスタ１００は、下部電極１２、酸化物半導体層１６、及び上部電極１４が、ゲート絶縁層２０、下部バリア導電層２６、上部バリア導電層２８、第１の側壁バリア層３０、第２の側壁バリア層３２、下部バリア絶縁層３４、及び上部バリア絶縁層３６によって囲まれる。
【0134】
ゲート絶縁層２０、下部バリア導電層２６、上部バリア導電層２８、第１の側壁バリア層３０、第２の側壁バリア層３２、下部バリア絶縁層３４、及び上部バリア絶縁層３６は、酸素に対するバリア性が高い。言い換えれば、ゲート絶縁層２０、下部バリア導電層２６、上部バリア導電層２８、第１の側壁バリア層３０、第２の側壁バリア層３２、下部バリア絶縁層３４、及び上部バリア絶縁層３６は、酸素透過率が低い。
【0135】
例えば、ゲート絶縁層２０、下部バリア導電層２６、上部バリア導電層２８、第１の側壁バリア層３０、第２の側壁バリア層３２、下部バリア絶縁層３４、及び上部バリア絶縁層３６は、下部絶縁層２２、上部絶縁層２４、下部層間絶縁層４０、及び上部層間絶縁層４２よりも酸素透過率が低い。また、例えば、ゲート絶縁層２０、下部バリア導電層２６、上部バリア導電層２８、第１の側壁バリア層３０、第２の側壁バリア層３２、下部バリア絶縁層３４、及び上部バリア絶縁層３６は、下部電極１２や上部電極１４よりも酸素透過率が低い。
【0136】
例えば、ゲート絶縁層２０、下部バリア導電層２６、上部バリア導電層２８、第１の側壁バリア層３０、第２の側壁バリア層３２、下部バリア絶縁層３４、及び上部バリア絶縁層３６は、酸化シリコンよりも酸素透過率が低い。また、例えば、ゲート絶縁層２０、下部バリア導電層２６、上部バリア導電層２８、第１の側壁バリア層３０、第２の側壁バリア層３２、下部バリア絶縁層３４、及び上部バリア絶縁層３６は、酸化インジウムスズよりも酸素透過率が低い。
【0137】
第１の実施形態のトランジスタ１００は、下部電極１２、酸化物半導体層１６、及び上部電極１４が、ゲート絶縁層２０、下部バリア導電層２６、上部バリア導電層２８、第１の側壁バリア層３０、第２の側壁バリア層３２、下部バリア絶縁層３４、及び上部バリア絶縁層３６によって囲まれる。言い換えれば、第１の実施形態のトランジスタ１００は、下部電極１２、酸化物半導体層１６、及び上部電極１４が、酸素に対するバリア性を有する層で囲まれる。このため、トランジスタ構造が形成された後の、熱処理に伴う酸化物半導体層１６からの酸素の離脱や、酸化物半導体層１６への酸素の供給が抑制される。
【0138】
したがって、熱処理に伴うトランジスタ特性の変動が抑制される。よって、第１の実施形態によれば、トランジスタ特性の優れたトランジスタ１００が実現できる。
【0139】
酸素に対する高いバリア性を実現する観点から、下部バリア導電層２６、上部バリア導電層２８、及び第１の側壁バリア層３０は、金属窒化物であることが好ましい。酸素に対する高いバリア性を実現する観点から、下部バリア導電層２６、上部バリア導電層２８、及び第１の側壁バリア層３０は、チタン（Ｔｉ）及び窒素（Ｎ）を含むことが好ましい。酸素に対する高いバリア性を実現する観点から、下部バリア導電層２６、上部バリア導電層２８、及び第１の側壁バリア層３０は、窒化チタンを含むことが好ましい。
【0140】
酸素に対する高いバリア性を実現する観点から、ゲート絶縁層２０、第２の側壁バリア層３２、下部バリア絶縁層３４、及び上部バリア絶縁層３６は、窒化物又は酸窒化物であることが好ましい。酸素に対する高いバリア性を実現する観点から、ゲート絶縁層２０、第２の側壁バリア層３２、下部バリア絶縁層３４、及び上部バリア絶縁層３６は、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含むことが好ましい。酸素に対する高いバリア性を実現する観点から、ゲート絶縁層２０、第２の側壁バリア層３２、下部バリア絶縁層３４、及び上部バリア絶縁層３６は、窒化シリコンを含むことが好ましい。
【0141】
（第１の変形例）
第１の実施形態の第１の変形例の半導体装置は、第１の側壁バリア層３０が絶縁体であり、第２の側壁バリア層３２が導電体である点で、第１の実施形態の半導体装置と異なる。
第１の実施形態の第１の変形例の半導体装置は、第１の側壁バリア層３０が絶縁体であり、第２の側壁バリア層３２が導電体である点で、第１の実施形態の半導体装置と異なる。
【0142】
【0143】
第１の側壁バリア層３０は、絶縁体である。第１の側壁バリア層３０は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体を含む。第２の側壁バリア層３２は、例えば、酸化アルミニウム層、酸化マグネシウム層、酸化ガリウム層、酸化ゲルマニウム層、酸化イットリウム層、酸化ジルコニウム層、酸化ランタン層、酸化ハフニウム層、酸化タンタル層、窒化シリコン層、窒化アルミニウム層、酸窒化シリコン層、又は酸窒化アルミニウム層である。
【0144】
第２の側壁バリア層３２は、導電体である。第２の側壁バリア層３２は、例えば、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む。
【0145】
第２の側壁バリア層３２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）、及びタンタル（Ｔａ）からなる群から選ばれる一つの金属元素を含む。第２の側壁バリア層３２は、例えば、タングステン層、モリブデン層、銅層、アルミニウム層、チタン層、又はタンタル層である。
【0146】
第２の側壁バリア層３２は、例えば、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、及びタンタル（Ｔａ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの金属元素と、窒素（Ｎ）を含む。第２の側壁バリア層３２は、例えば、窒化チタン、窒化タングステン、窒化モリブデン、又は窒化タンタルを含む。第２の側壁バリア層３２は、例えば、窒化チタン層、窒化タングステン層、窒化モリブデン層、又は窒化タンタル層である。
【0147】
第２の側壁バリア層３２は、例えば、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、及びタンタル（Ｔａ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの金属元素と、炭素（Ｃ）を含む。下部バリア導電層２６は、例えば、炭化チタン、炭化タングステン、炭化モリブデン、又は炭化タンタルを含む。第２の側壁バリア層３２は、例えば、炭化チタン層、炭化タングステン層、炭化モリブデン層、又は炭化タンタル層である。
【0148】
第１の実施形態の第１の変形例のトランジスタ１０１は、下部電極１２、酸化物半導体層１６、及び上部電極１４が、酸素に対するバリア性を有する層で囲まれる。したがって、第１の実施形態のトランジスタ１００と同様、熱処理に伴うトランジスタ特性の変動が抑制される。
【0149】
（第２の変形例）
第１の実施形態の第２の変形例の半導体装置は、酸化物半導体層に囲まれたコア絶縁層を、更に備える点で、第１の実施形態の半導体装置と異なる。
第１の実施形態の第２の変形例の半導体装置は、酸化物半導体層に囲まれたコア絶縁層を、更に備える点で、第１の実施形態の半導体装置と異なる。
【0150】
【0151】
トランジスタ１０２は、コア絶縁層７０を備える。コア絶縁層７０は、下部電極１２と上部電極１４との間に設けられる。コア絶縁層７０は、酸化物半導体層１６に囲まれる。コア絶縁層７０は、第１の方向に垂直な断面において、酸化物半導体層１６に囲まれる。
【0152】
第１の実施形態の第２の変形例のトランジスタ１０２は、下部電極１２、酸化物半導体層１６、及び上部電極１４が、酸素に対するバリア性を有する層で囲まれる。したがって、第１の実施形態のトランジスタ１００と同様、熱処理に伴うトランジスタ特性の変動が抑制される。
【0153】
（第３の変形例）
第１の実施形態の第３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。
第１の実施形態の第３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。
【0154】
【0155】
トランジスタ１０３は、酸化物半導体層１６がテーパ形状を有する。酸化物半導体層１６は、第１の方向に平行な断面において、順テーパ形状を有する。言い換えれば、酸化物半導体層１６の第２の方向の幅は、上部電極１４から下部電極１２向かって狭くなる。
【0156】
第１の実施形態の第３の変形例のトランジスタ１０３は、下部電極１２、酸化物半導体層１６、及び上部電極１４が、酸素に対するバリア性を有する層で囲まれる。したがって、第１の実施形態のトランジスタ１００と同様、熱処理に伴うトランジスタ特性の変動が抑制される。
【0157】
以上、第１の実施形態及び変形例によれば、熱処理に伴うトランジスタ特性の変動が抑制され、トランジスタ特性の優れた半導体装置が実現できる。
【0158】
（第２の実施形態）
第２の実施形態の半導体装置は、金属酸化物を含む第１の電極と、金属酸化物を含む第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に設けられた酸化物半導体層と、酸化物半導体層を囲むゲート電極と、ゲート電極と酸化物半導体層との間に設けられ、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含むゲート絶縁層と、第１の電極とゲート電極との間に設けられた第１の絶縁層と、第１の絶縁層との間にゲート電極が設けられた第２の絶縁層と、第１の電極の酸化物半導体層と反対側の面に接し、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第１の導電層と、第２の電極の酸化物半導体層と反対側の面に接し、第１の電極から第２の電極に向かう第１の方向に垂直な第１の断面において第１の電極に囲まれ、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第２の導電層と、第１の断面において第２の導電層に囲まれた金属層と、第１の方向に垂直な第２の断面において第１の電極を囲み、第１の導電層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体、又は、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第１の層と、第１の電極と第１の絶縁層との間に設けられ、ゲート絶縁層及び第１の層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体を含む第３の絶縁層と、ゲート電極との間に第２の絶縁層が設けられ、第１の方向に垂直な第３の断面において金属層を囲み、第２の導電層、及びゲート絶縁層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体を含む第４の絶縁層と、を備える。
第２の実施形態の半導体装置は、金属酸化物を含む第１の電極と、金属酸化物を含む第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に設けられた酸化物半導体層と、酸化物半導体層を囲むゲート電極と、ゲート電極と酸化物半導体層との間に設けられ、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含むゲート絶縁層と、第１の電極とゲート電極との間に設けられた第１の絶縁層と、第１の絶縁層との間にゲート電極が設けられた第２の絶縁層と、第１の電極の酸化物半導体層と反対側の面に接し、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第１の導電層と、第２の電極の酸化物半導体層と反対側の面に接し、第１の電極から第２の電極に向かう第１の方向に垂直な第１の断面において第１の電極に囲まれ、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第２の導電層と、第１の断面において第２の導電層に囲まれた金属層と、第１の方向に垂直な第２の断面において第１の電極を囲み、第１の導電層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体、又は、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第１の層と、第１の電極と第１の絶縁層との間に設けられ、ゲート絶縁層及び第１の層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体を含む第３の絶縁層と、ゲート電極との間に第２の絶縁層が設けられ、第１の方向に垂直な第３の断面において金属層を囲み、第２の導電層、及びゲート絶縁層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体を含む第４の絶縁層と、を備える。
【0159】
第２の実施形態の半導体装置は、第２の導電層が上部電極に囲まれ、金属層が第２の導電層に囲まれる点で、第１の実施形態の半導体装置と異なる。また、第２の実施形態の半導体装置は、第２の層を備えない点で、第１の実施形態の半導体装置と異なる。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場合がある。
【0160】
図１８、図１９、図２０、図２１、及び図２２は、第２の実施形態の半導体装置の模式断面図である。図１９は、図１８のＤＤ’断面図である。図２０は、図１８のＥＥ’断面図である。図２１は、図１８のＦＦ’断面図である。図２２は、図１８のＧＧ’断面図である。図１８において、上下方向を第１の方向と称する。図１８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。
【0161】
ＥＥ’断面は、第２の断面の一例である。ＦＦ’断面は第１の断面の一例である。ＧＧ’断面は第３の断面の一例である。
【0162】
第２の実施形態の半導体装置は、トランジスタ２００である。トランジスタ２００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２００において、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２００は、いわゆるＳＧＴである。トランジスタ２００は、いわゆる縦型トランジスタである。
【0163】
トランジスタ２００は、下部電極１２、上部電極１４、酸化物半導体層１６、ゲート電極１８、ゲート絶縁層２０、下部絶縁層２２、上部絶縁層２４、下部バリア導電層２６、上部バリア導電層２８、第１の側壁バリア層３０、下部バリア絶縁層３４、上部バリア絶縁層３６、金属層３８、及び下部層間絶縁層４０を備える。ゲート絶縁層２０は、第１のゲート絶縁膜２０ａ及び第２のゲート絶縁膜２０ｂを含む。
【0164】
下部電極１２は、第１の電極の一例である。上部電極１４は、第２の電極の一例である。下部絶縁層２２は、第１の絶縁層の一例である。上部絶縁層２４は、第２の絶縁層の一例である。下部バリア導電層２６は、第１の導電層の一例である。上部バリア導電層２８は、第２の導電層の一例である。第１の側壁バリア層３０は、第１の層の一例である。下部バリア絶縁層３４は、第３の絶縁層の一例である。上部バリア絶縁層３６は、第４の絶縁層の一例である。第１のゲート絶縁膜２０ａは、第１の膜の一例である。第２のゲート絶縁膜２０ｂは、第２の膜の一例である。
【0165】
上部電極１４は、酸化物半導体層１６の上に設けられる。上部電極１４は、酸化物半導体層１６に電気的に接続される。上部電極１４は、例えば、酸化物半導体層１６に接する。上部電極１４は、トランジスタ２００のソース電極又はドレイン電極として機能する。
【0166】
上部電極１４は、図２１に示されるように、上部絶縁層２４及びゲート絶縁層２０に囲まれる。上部電極１４は、第１の方向に垂直な第１の断面において、上部絶縁層２４及びゲート絶縁層２０に囲まれる。上部電極１４は、例えば、ゲート絶縁層２０に接する。図２１に示すＦＦ’断面は第１の断面の一例である。
【0167】
図１９に示すように、ゲート電極１８は、第１の方向に垂直な断面において、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。
【0168】
上部バリア導電層２８は、上部電極１４の上に設けられる。上部バリア導電層２８は、上部電極１４の酸化物半導体層１６と反対側の面に接する。
【0169】
上部バリア導電層２８は、図２１に示されるように、上部電極１４に囲まれる。上部バリア導電層２８は、第１の方向に垂直な第１の断面において、上部電極１４に囲まれる。
【0170】
第１の側壁バリア層３０は、下部電極１２の側面を囲む。図２０に示すように、第１の側壁バリア層３０は、第１の方向に垂直な第２の断面において下部電極１２を囲む。図２０に示すＥＥ’断面は第２の断面の一例である。
【0171】
上部バリア絶縁層３６は、上部絶縁層２４の上に設けられる。ゲート電極１８と上部バリア絶縁層３６との間に、上部絶縁層２４が設けられる。図２２に示すように、上部バリア絶縁層３６は、第１の方向に垂直な第３の断面において金属層３８を囲む。図２２に示すＧＧ’断面は第３の断面の一例である。
【0172】
上部バリア絶縁層３６は、上部バリア導電層２８、及びゲート絶縁層２０に接する。上部バリア絶縁層３６は、例えば、第２のゲート絶縁膜２０ｂに接する。上部バリア絶縁層３６は、例えば、上部電極１４に接する。
【0173】
上部バリア絶縁層３６と酸化物半導体層１６との間に、上部電極１４が設けられる。
【0174】
金属層３８は、上部バリア導電層２８の上に設けられる。金属層３８と上部電極１４との間に、上部バリア導電層２８が設けられる。金属層３８は、例えば、上部バリア導電層２８に接する。
【0175】
金属層３８は、図２１に示されるように、上部バリア導電層２８に囲まれる。金属層３８は、第１の方向に垂直な第１の断面において、上部バリア導電層２８に囲まれる。
【0176】
次に、第２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。
【0177】
図２３、図２４、図２５、図２６、図２７、図２８、図２９、図３０、図３１、図３２、及び図３３は、第２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２３～図３３は、それぞれ、図１８に対応する断面を示す。図２３～図３３は、トランジスタ２００の製造方法の一例を示す図である。
【0178】
以下、下部電極１２が酸化インジウムスズ層、上部電極１４が酸化インジウムスズ層、酸化物半導体層１６が酸化インジウムガリウム亜鉛層、ゲート電極１８がタングステン層、ゲート絶縁層２０が酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の積層構造、下部絶縁層２２が酸化シリコン層、上部絶縁層２４が酸化シリコン層、下部バリア導電層２６が窒化チタン層、上部バリア導電層２８が窒化チタン層、第１の側壁バリア層３０が窒化チタン層、下部バリア絶縁層３４が窒化シリコン層、上部バリア絶縁層３６が窒化シリコン層、金属層３８がタングステン層、下部層間絶縁層４０が酸化シリコン層である場合を例に説明する。
【0179】
最初に、図示しない基板の上に、第１の酸化シリコン膜５１を形成する。第１の酸化シリコン膜５１は、例えば、ＣＶＤ法により形成する。
【0180】
次に、第１の酸化シリコン膜５１に図示しない開口部を形成する。第１の酸化シリコン膜５１の開口部は、例えば、リソグラフィ法、及び、ＲＩＥ法を用いて形成する。
【0181】
次に、第１の酸化シリコン膜５１の開口部の中に、第１の窒化チタン膜５２及び第１の酸化インジウムスズ膜５３を形成する。第１の窒化チタン膜５２及び第１の酸化インジウムスズ膜５３は、例えば、ＣＶＤ法を用いて形成する。
【0182】
次に、第１の酸化シリコン膜５１の表面の、第１の窒化チタン膜５２及び第１の酸化インジウムスズ膜５３を除去する（図２３）。第１の窒化チタン膜５２及び第１の酸化インジウムスズ膜５３の除去には、例えば、ＣＭＰ法を用いる。
【0183】
第１の酸化シリコン膜５１は、最終的に下部層間絶縁層４０となる。第１の窒化チタン膜５２は、最終的に下部バリア導電層２６及び第１の側壁バリア層３０となる。第１の酸化インジウムスズ膜５３は、最終的に下部電極１２となる。
【0184】
次に、第１の酸化インジウムスズ膜５３の上に、第１の窒化シリコン膜５４、第２の酸化シリコン膜５５、第１のタングステン膜５６、及び第３の酸化シリコン膜５７を、この順に第１の方向に積層する（図２４）。第１の窒化シリコン膜５４、第２の酸化シリコン膜５５、第１のタングステン膜５６、及び第３の酸化シリコン膜５７は、例えば、ＣＶＤ法を用いて形成する。
【0185】
第１の窒化シリコン膜５４の一部は、最終的に下部バリア絶縁層３４となる。第２の酸化シリコン膜５５の一部は、最終的に下部絶縁層２２となる。第１のタングステン膜５６の一部は、最終的にゲート電極１８となる。第３の酸化シリコン膜５７の一部は、最終的に上部絶縁層２４となる。
【0186】
次に、第３の酸化シリコン膜５７の表面から、第３の酸化シリコン膜５７、第１のタングステン膜５６、第２の酸化シリコン膜５５、及び第１の窒化シリコン膜５４を貫通し、第１の酸化インジウムスズ膜５３に達する開口部６０を形成する（図２５）。開口部６０は、例えば、リソグラフィ法、及び、ＲＩＥ法を用いて形成する。
【0187】
次に、開口部６０の内部の側面に、第２の窒化シリコン膜５８及び第４の酸化シリコン膜６２を形成する（図２６）。第２の窒化シリコン膜５８及び第４の酸化シリコン膜６２は、例えば、ＣＶＤ法による堆積と、ＲＩＥ法によるエッチングにより形成する。第２の窒化シリコン膜５８は、最終的に第２のゲート絶縁膜２０ｂとなる。また、第４の酸化シリコン膜６２は、最終的に第１のゲート絶縁膜２０ａとなる。
【0188】
次に、開口部６０を酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３で埋め込む（図２７）。酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３は、最終的に酸化物半導体層１６となる。酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３は、例えば、ＣＶＤ法で堆積した後に、ＣＭＰ法を用いて上部の一部を除去する。
【0189】
次に、酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３の上部の一部を選択的にエッチバックする（図２８）。酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３のエッチバックは、例えば、ＲＩＥ法を用いて行う。
【0190】
次に、酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３の上に、第２の酸化インジウムスズ膜６４、第２の窒化チタン膜６５、及び第２のタングステン膜６６を、この順に形成する（図２９）。第２の酸化インジウムスズ膜６４、第２の窒化チタン膜６５、及び第２のタングステン膜６６は、例えば、ＣＶＤ法を用いて形成する。
【0191】
第２の酸化インジウムスズ膜６４の一部は、最終的に上部電極１４となる。第２の窒化チタン膜６５の一部は、最終的に上部バリア導電層２８となる。また、第２のタングステン膜６６の一部は、最終的に金属層３８となる。
【0192】
次に、第２の酸化インジウムスズ膜６４、第２の窒化チタン膜６５、及び第２のタングステン膜６６の上部を除去し平坦化する（図３０）。第２の酸化インジウムスズ膜６４、第２の窒化チタン膜６５、及び第２のタングステン膜６６の上部は、例えば、ＣＭＰ法を用いて平坦化する。
【0193】
次に、第２の酸化インジウムスズ膜６４、第２の窒化チタン膜６５、第４の酸化シリコン膜６２、及び第２の窒化シリコン膜５８、第３の酸化シリコン膜５７を第２のタングステン膜６６に対して選択的にエッチバックする（図３１）。第２のタングステン膜６６が突出した状態で残存する。選択的なエッチバックは、例えば、ＲＩＥ法により行う。
【0194】
次に、酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３中の酸素空孔の量を調整する熱処理を行う。例えば、酸素空孔の量を多くしたい場合は、非酸化性雰囲気での熱処理を行い、酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３からの酸素の離脱を促進させる。また、例えば、酸素空孔の量を少なくしたい場合は、酸化性雰囲気での熱処理を行い、酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３への酸素の供給を促進させる。
【0195】
第２の酸化インジウムスズ膜６４が、酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３からの酸素の離脱の経路、又は、酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３への酸素の供給の経路となる。酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３中の酸素空孔の量を調整することで、例えば、トランジスタの閾値電圧を所望の値に設定できる。
【0196】
次に、第２の酸化インジウムスズ膜６４、第２の窒化チタン膜６５、及び第２のタングステン膜６６の上に、第３の窒化シリコン膜６１を形成する（図３２）。第３の窒化シリコン膜６１は、例えば、ＣＶＤ法を用いて形成する。第３の窒化シリコン膜６１の一部は、最終的に上部バリア絶縁層３６となる。
【0197】
次に、第３の窒化シリコン膜６１の上面を平坦化し、第２のタングステン膜６６の表面を露出させる（図３３）。第３の窒化シリコン膜６１の上面の平坦化は、例えば、ＣＭＰ法を用いて行う。
【0198】
【0199】
次に、第２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。
【0200】
第２の実施形態のトランジスタ２００は、下部電極１２、酸化物半導体層１６、及び上部電極１４が、ゲート絶縁層２０、下部バリア導電層２６、上部バリア導電層２８、第１の側壁バリア層３０、下部バリア絶縁層３４、及び上部バリア絶縁層３６によって囲まれる。言い換えれば、第２の実施形態のトランジスタ２００は、下部電極１２、酸化物半導体層１６、及び上部電極１４が、酸素に対するバリア性を有する層で囲まれる。このため、トランジスタ構造が形成された後の、熱処理に伴う酸化物半導体層１６からの酸素の離脱や、酸化物半導体層１６への酸素の供給が抑制される。
【0201】
したがって、第１の実施形態の半導体装置と同様の作用により、熱処理に伴うトランジスタ特性の変動が抑制される。よって、第２の実施形態によれば、トランジスタ特性の優れたトランジスタ２００が実現できる。
【0202】
また、トランジスタ２００では、金属層３８を、酸化物半導体層１６の上方に、酸化物半導体層１６に対してセルフアラインで形成することができる。したがって、例えば、金属層３８を形成する際に酸化物半導体層１６に対する合わせ余裕を確保する必要がない。よって、例えば、トランジスタ２００をアレイ状に配置する際に、トランジスタ２００の間隔を小さくすることができる。
【0203】
以上、第２の実施形態によれば、熱処理に伴うトランジスタ特性の変動が抑制され、トランジスタ特性の優れた半導体装置が実現できる。
【0204】
（第３の実施形態）
第３の実施形態の半導体装置は、金属酸化物を含む第１の電極と、金属酸化物を含む第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に設けられた酸化物半導体層と、酸化物半導体層を囲むゲート電極と、ゲート電極と酸化物半導体層との間に設けられ、第１の電極から第２の電極に向かう第１の方向に垂直な第１の断面において第２の電極を囲み、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含むゲート絶縁層と、第１の電極とゲート電極との間に設けられた第１の絶縁層と、第１の絶縁層との間にゲート電極が設けられた第２の絶縁層と、第１の電極の酸化物半導体層と反対側の面に接し、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第１の導電層と、第２の電極の酸化物半導体層と反対側の面に接し、ゲート絶縁層に接し、ゲート電極との間に第２の絶縁層が設けられ、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第２の導電層と、第１の方向に垂直な第２の断面において第１の電極を囲み、第１の導電層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体、又は、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第１の層と、第１の電極と第１の絶縁層との間に設けられ、ゲート絶縁層及び第１の層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体を含む第３の絶縁層と、を備える。
第３の実施形態の半導体装置は、金属酸化物を含む第１の電極と、金属酸化物を含む第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に設けられた酸化物半導体層と、酸化物半導体層を囲むゲート電極と、ゲート電極と酸化物半導体層との間に設けられ、第１の電極から第２の電極に向かう第１の方向に垂直な第１の断面において第２の電極を囲み、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）を含むゲート絶縁層と、第１の電極とゲート電極との間に設けられた第１の絶縁層と、第１の絶縁層との間にゲート電極が設けられた第２の絶縁層と、第１の電極の酸化物半導体層と反対側の面に接し、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第１の導電層と、第２の電極の酸化物半導体層と反対側の面に接し、ゲート絶縁層に接し、ゲート電極との間に第２の絶縁層が設けられ、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第２の導電層と、第１の方向に垂直な第２の断面において第１の電極を囲み、第１の導電層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体、又は、金属、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群から選ばれる少なくとも一つの導電体を含む第１の層と、第１の電極と第１の絶縁層との間に設けられ、ゲート絶縁層及び第１の層に接し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化シリコン、及び酸窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの絶縁体を含む第３の絶縁層と、を備える。
【0205】
第３の実施形態の半導体装置は、第２の電極がゲート絶縁層に囲まれ、第２の層及び第４の絶縁層を備えない点で、第１の実施形態の半導体装置と異なる。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場合がある。
【0206】
図３４、図３５、図３６、及び図３７は、第３の実施形態の半導体装置の模式断面図である。図３５は、図３４のＨＨ’断面図である。図３６は、図３４のＩＩ’断面図である。図３７は、図３４のＪＪ’断面図である。図３４において、上下方向を第１の方向と称する。図３４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。
【0207】
ＩＩ’断面は、第２の断面の一例である。ＪＪ’断面は第１の断面の一例である。
【0208】
第３の実施形態の半導体装置は、トランジスタ３００である。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において、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３００は、いわゆるＳＧＴである。トランジスタ３００は、いわゆる縦型トランジスタである。
【0209】
トランジスタ３００は、下部電極１２、上部電極１４、酸化物半導体層１６、ゲート電極１８、ゲート絶縁層２０、下部絶縁層２２、上部絶縁層２４、下部バリア導電層２６、上部バリア導電層２８、第１の側壁バリア層３０、下部バリア絶縁層３４、金属層３８、下部層間絶縁層４０、及び上部層間絶縁層４２を備える。ゲート絶縁層２０は、第１のゲート絶縁膜２０ａ及び第２のゲート絶縁膜２０ｂを含む。
【0210】
下部電極１２は、第１の電極の一例である。上部電極１４は、第２の電極の一例である。下部絶縁層２２は、第１の絶縁層の一例である。上部絶縁層２４は、第２の絶縁層の一例である。下部バリア導電層２６は、第１の導電層の一例である。上部バリア導電層２８は、第２の導電層の一例である。第１の側壁バリア層３０は、第１の層の一例である。下部バリア絶縁層３４は、第３の絶縁層の一例である。第１のゲート絶縁膜２０ａは、第１の膜の一例である。第２のゲート絶縁膜２０ｂは、第２の膜の一例である。
【0211】
上部電極１４は、酸化物半導体層１６の上に設けられる。上部電極１４は、酸化物半導体層１６に電気的に接続される。上部電極１４は、例えば、酸化物半導体層１６に接する。上部電極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。
【0212】
上部電極１４は、図３７に示されるように、上部絶縁層２４及びゲート絶縁層２０に囲まれる。上部電極１４は、第１の方向に垂直な第１の断面において、上部絶縁層２４及びゲート絶縁層２０に囲まれる。図３７に示すＪＪ’断面は第１の断面の一例である。
【0213】
図３５に示すように、ゲート電極１８は、第１の方向に垂直な断面において、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。
【0214】
上部バリア導電層２８は、上部電極１４の上に設けられる。上部バリア導電層２８は、上部バリア導電層２８の酸化物半導体層１６と反対側の面に接する。
【0215】
上部バリア導電層２８は、ゲート絶縁層２０に接する。上部バリア導電層２８は、例えば、第２のゲート絶縁膜２０ｂに接する。
【0216】
上部バリア導電層２８とゲート電極との間に、上部絶縁層２４が設けられる。
【0217】
第１の側壁バリア層３０は、下部電極１２の側面を囲む。図３６に示すように、第１の側壁バリア層３０は、第１の方向に垂直な第２の断面において下部電極１２を囲む。図３６に示すＩＩ’断面は第２の断面の一例である。
【0218】
金属層３８は、上部バリア導電層２８の上に設けられる。金属層３８と上部電極１４との間に、上部バリア導電層２８が設けられる。金属層３８は、例えば、上部バリア導電層２８に接する。
【0219】
次に、第３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。
【0220】
図３８、図３９、図４０、図４１、図４２、図４３、図４４、図４５、及び図４６は、第３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３８～図４６は、それぞれ、図３４に対応する断面を示す。図３８～図４６は、トランジスタ３００の製造方法の一例を示す図である。
【0221】
以下、下部電極１２が酸化インジウムスズ層、上部電極１４が酸化インジウムスズ層、酸化物半導体層１６が酸化インジウムガリウム亜鉛層、ゲート電極１８がタングステン層、ゲート絶縁層２０が酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の積層構造、下部絶縁層２２が酸化シリコン層、上部絶縁層２４が酸化シリコン層、下部バリア導電層２６が窒化チタン層、上部バリア導電層２８が窒化チタン層、第１の側壁バリア層３０が窒化チタン層、下部バリア絶縁層３４が窒化シリコン層、金属層３８がタングステン層、下部層間絶縁層４０が酸化シリコン層、上部層間絶縁層４２が酸化シリコン層である場合を例に説明する。
【0222】
最初に、図示しない基板の上に、第１の酸化シリコン膜５１を形成する。第１の酸化シリコン膜５１は、例えば、ＣＶＤ法により形成する。
【0223】
次に、第１の酸化シリコン膜５１に図示しない開口部を形成する。第１の酸化シリコン膜５１の開口部は、例えば、リソグラフィ法、及び、ＲＩＥ法を用いて形成する。
【0224】
次に、第１の酸化シリコン膜５１の開口部の中に、第１の窒化チタン膜５２及び第１の酸化インジウムスズ膜５３を形成する。第１の窒化チタン膜５２及び第１の酸化インジウムスズ膜５３は、例えば、ＣＶＤ法を用いて形成する。
【0225】
次に、第１の酸化シリコン膜５１の表面の、第１の窒化チタン膜５２及び第１の酸化インジウムスズ膜５３を除去する（図３８）。第１の窒化チタン膜５２及び第１の酸化インジウムスズ膜５３の除去には、例えば、ＣＭＰ法を用いる。
【0226】
第１の酸化シリコン膜５１は、最終的に下部層間絶縁層４０となる。第１の窒化チタン膜５２は、最終的に下部バリア導電層２６及び第１の側壁バリア層３０となる。第１の酸化インジウムスズ膜５３は、最終的に下部電極１２となる。
【0227】
次に、第１の酸化インジウムスズ膜５３の上に、第１の窒化シリコン膜５４、第２の酸化シリコン膜５５、第１のタングステン膜５６、及び第３の酸化シリコン膜５７を、この順に第１の方向に積層する（図３９）。第１の窒化シリコン膜５４、第２の酸化シリコン膜５５、第１のタングステン膜５６、及び第３の酸化シリコン膜５７は、例えば、ＣＶＤ法を用いて形成する。
【0228】
第１の窒化シリコン膜５４の一部は、最終的に下部バリア絶縁層３４となる。第２の酸化シリコン膜５５の一部は、最終的に下部絶縁層２２となる。第１のタングステン膜５６の一部は、最終的にゲート電極１８となる。第３の酸化シリコン膜５７の一部は、最終的に上部絶縁層２４となる。
【0229】
次に、第３の酸化シリコン膜５７の表面から、第３の酸化シリコン膜５７、第１のタングステン膜５６、第２の酸化シリコン膜５５、及び第１の窒化シリコン膜５４を貫通し、第１の酸化インジウムスズ膜５３に達する開口部６０を形成する（図４０）。開口部６０は、例えば、リソグラフィ法、及び、ＲＩＥ法を用いて形成する。
【0230】
次に、開口部６０の内部の側面に、第２の窒化シリコン膜５８及び第４の酸化シリコン膜６２を形成する（図４１）。第２の窒化シリコン膜５８及び第４の酸化シリコン膜６２は、例えば、ＣＶＤ法による堆積と、ＲＩＥ法によるエッチングにより形成する。第２の窒化シリコン膜５８は、最終的に第２のゲート絶縁膜２０ｂとなる。また、第４の酸化シリコン膜６２は、最終的に第１のゲート絶縁膜２０ａとなる。
【0231】
次に、開口部６０を酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３で埋め込む（図４２）。酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３の一部は、最終的に酸化物半導体層１６となる。酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３は、例えば、ＣＶＤ法で堆積した後に、ＣＭＰ法を用いて上部の一部を除去する。
【0232】
次に、酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３の上部の一部を選択的にエッチバックする（図４３）。酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３のエッチバックは、例えば、ＲＩＥ法を用いて行う。
【0233】
次に、酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３の上に、第２の酸化インジウムスズ膜６４を形成する（図４４）。第２の酸化インジウムスズ膜６４は、例えば、ＣＶＤ法で堆積した後に、ＣＭＰ法を用いて第３の酸化シリコン膜５７表面の部分を除去する。第２の酸化インジウムスズ膜６４は、最終的に上部電極１４となる。
【0234】
次に、酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３中の酸素空孔の量を調整する熱処理を行う。例えば、酸素空孔の量を多くしたい場合は、非酸化性雰囲気での熱処理を行い、酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３からの酸素の離脱を促進させる。また、例えば、酸素空孔の量を少なくしたい場合は、酸化性雰囲気での熱処理を行い、酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３への酸素の供給を促進させる。
【0235】
第２の酸化インジウムスズ膜６４が、酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３からの酸素の離脱の経路、又は、酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３への酸素の供給の経路となる。酸化インジウムガリウム亜鉛膜６３中の酸素空孔の量を調整することで、例えば、トランジスタの閾値電圧を所望の値に設定できる。
【0236】
次に、第２の酸化インジウムスズ膜６４の上に、第２の窒化チタン膜６５、及び第２のタングステン膜６６を形成する。第２の窒化チタン膜６５、及び第２のタングステン膜６６は、例えば、ＣＶＤ法を用いて形成する。
【0237】
次に、第２の窒化チタン膜６５及び第２のタングステン膜６６をパターニングする（図４５）。第２の窒化チタン膜６５及び第２のタングステン膜６６のパターニングは、例えば、リソグラフィ法、及び、ＲＩＥ法を用いて行う。
【0238】
第２の窒化チタン膜６５は、最終的に上部バリア導電層２８となる。また、第２のタングステン膜６６は、最終的に金属層３８となる。
【0239】
次に、第２の窒化チタン膜６５及び第２のタングステン膜６６の側面に第５の酸化シリコン膜６８を形成する（図４６）。第５の酸化シリコン膜６８は、例えば、ＣＶＤ法により形成する。第５の酸化シリコン膜６８は、最終的に上部層間絶縁層４２となる。
【0240】
【0241】
次に、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。
【0242】
第３の実施形態のトランジスタ３００は、下部電極１２、酸化物半導体層１６、及び上部電極１４が、ゲート絶縁層２０、下部バリア導電層２６、上部バリア導電層２８、第１の側壁バリア層３０、及び下部バリア絶縁層３４によって囲まれる。言い換えれば、第３の実施形態のトランジスタ３００は、下部電極１２、酸化物半導体層１６、及び上部電極１４が、酸素に対するバリア性を有する層で囲まれる。このため、トランジスタ構造が形成された後の、熱処理に伴う酸化物半導体層１６からの酸素の離脱や、酸化物半導体層１６への酸素の供給が抑制される。
【0243】
したがって、第１の実施形態の半導体装置と同様の作用により、熱処理に伴うトランジスタ特性の変動が抑制される。よって、第３の実施形態によれば、トランジスタ特性の優れたトランジスタ３００が実現できる。
【0244】
また、トランジスタ３００では、上部電極１４がゲート絶縁層２０に囲まれる。したがって、例えば、第１の実施形態のトランジスタ１００が備える第２の側壁バリア層３２及び上部バリア絶縁層３６が不要となる。したがって、例えば、第１の実施形態のトランジスタ１００と比較して、製造工程が簡略化できる。
【0245】
以上、第３の実施形態によれば、熱処理に伴うトランジスタ特性の変動が抑制され、トランジスタ特性の優れた半導体装置が実現できる。
【0246】
（第４の実施形態）
第４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。
第４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。
【0247】
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。
【0248】
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。
【0249】
【0250】
半導体メモリ４００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４７で、破線で囲まれた領域がメモリセルＭＣである。
【0251】
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。
【0252】
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み出しは、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。
【0253】
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。
【0254】
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。
【0255】
【0256】
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を含む。
【0257】
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。
【0258】
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と下部電極１２との間に設けられる。キャパシタＣＡは、下部電極１２に電気的に接続される。
【0259】
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、下部電極１２に電気的に接続される。セル電極７１は、例えば、下部バリア導電層２６に接する。
【0260】
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。
【0261】
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。上部電極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。
【0262】
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。
【0263】
また、半導体メモリ４００のスイッチングトランジスタＴＲは、熱処理に伴うトランジスタ特性の変動が抑制される。したがって、例えば、メモリセルＭＣの動作特性が安定する。よって、動作特性の優れた半導体メモリ４００が実現できる。
【0264】
第４の実施形態においては、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を例に説明したが、本発明の実施形態の半導体メモリは、第１の実施形態の変形例のトランジスタ、第２の実施形態のトランジスタ、又は第３の実施形態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。
【0265】
第４の実施形態においては、セル電極が下部電極１２に電気的に接続される半導体メモリを例に説明したが、本発明の実施形態の半導体メモリは、セル電極が上部電極１４に電気的に接続される半導体メモリであっても構わない。
【0266】
また、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。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。
【0267】
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】
【0268】
１２ 下部電極（第１の電極）
１４ 上部電極（第２の電極）
１６ 酸化物半導体層
１８ ゲート電極
２０ ゲート絶縁層
２０ａ 第１のゲート絶縁膜（第１の膜）
２０ｂ 第２のゲート絶縁膜（第２の膜）
２２ 下部絶縁層（第１の絶縁層）
２４ 上部絶縁層（第２の絶縁層）
２６ 下部バリア導電層（第１の導電層）
２８ 上部バリア導電層（第２の導電層）
３０ 第１の側壁バリア層（第１の層）
３２ 第２の側壁バリア層（第２の層）
３４ 下部バリア絶縁層（第３の絶縁層）
３６ 上部バリア絶縁層（第４の絶縁層）
３８ 金属層
１００ トランジスタ（半導体装置）
２００ トランジスタ（半導体装置）
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
１４ 上部電極（第２の電極）
１６ 酸化物半導体層
１８ ゲート電極
２０ ゲート絶縁層
２０ａ 第１のゲート絶縁膜（第１の膜）
２０ｂ 第２のゲート絶縁膜（第２の膜）
２２ 下部絶縁層（第１の絶縁層）
２４ 上部絶縁層（第２の絶縁層）
２６ 下部バリア導電層（第１の導電層）
２８ 上部バリア導電層（第２の導電層）
３０ 第１の側壁バリア層（第１の層）
３２ 第２の側壁バリア層（第２の層）
３４ 下部バリア絶縁層（第３の絶縁層）
３６ 上部バリア絶縁層（第４の絶縁層）
３８ 金属層
１００ トランジスタ（半導体装置）
２００ トランジスタ（半導体装置）
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】
【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】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
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【図31】
【図32】
【図33】
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【図37】
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【図39】
【図40】
【図41】
【図42】
【図43】
【図44】
【図45】
【図46】
【図47】
【図48】