及y 3/χ3为y 2八2的!.5倍以上，优选为YiA2的2倍以上，更优选为y 2/?的3倍以上。此时，当在氧化物半导体层106中X 2以上时，可以使晶体管的电特性稳定。然而，当y 2为X 2的3倍以上时，晶体管的场效应迀移率会变低，所以优选小于X 2的3倍。
[0047]注意，在第一氧化物层104为In — M — Zn氧化物时，在In和M的总和为10atomic %的情况下，优选为In低于50at.%且M为50at.%以上，更优选为In低于25at.%且]?为75at.%以上。此外，当氧化物半导体层106是In — M — Zn氧化物时，在In和M的总和为10atomic %的情况下，优选为In为25at.%以上且M低于75at.%，更优选为In为34at.%以上且M低于66at.%。在第二氧化物层108为In — M — Zn氧化物时，在In和M的总和为100atomic%的情况下，优选为In低于50at.%且]\1为50at.%以上，更优选为In低于25at.%且M为75at.%以上。
[0048]此外，第一氧化物层104及第二氧化物层108既可以是包含不同的构成元素的层，又可以是以相同的原子个数比或以不同的原子个数比包含相同的构成元素的层。
[0049]作为第一氧化物层104、氧化物半导体层106以及第二氧化物层108，例如可以使用包含铟、锌及镓的氧化物半导体。
[0050]第一氧化物层104的厚度优选为可以抑制产生在基底绝缘层102与第一氧化物层104之间的界面的陷阱能级影响到沟道的程度。但是，第一氧化物层104是用作从基底绝缘层102供应到氧化物半导体层106的氧的路径的层，其厚度过大会导致氧的供应被阻碍，所以是不优选的。
[0051]另外，将第二氧化物层108的厚度设定为可以抑制成为氧化物半导体的杂质的栅极绝缘层114的构成元素混入到氧化物半导体层106的厚度。此外，由于第二氧化物层108是设置在栅电极层116与用作沟道的氧化物半导体层106之间的层，所以优选为了提高晶体管的通态电流而尽可能地减薄第二氧化物层108。具体而言，第二氧化物层108的厚度例如可以为0.3nm以上且小于10nm，优选为0.3nm以上且5nm以下。
[0052]第一氧化物层104及第二氧化物层108优选包含构成氧化物半导体层106的金属元素中的一种以上，并且，第一氧化物层104及第二氧化物层108优选使用导带底的能量比氧化物半导体层106的导带底的能量更接近真空能级0.05eV以上、0.07eV以上、0.1eV以上或0.15eV以上且2eV以下、IeV以下、0.5eV以下或0.4eV以下的氧化物半导体形成。
[0053]在上述结构中，当对栅电极层116施加电场时，在包括氧化物半导体层的叠层结构中的作为导带底的能量最小的层的氧化物半导体层106中形成沟道。由此，通过在氧化物半导体层106和栅极绝缘层114之间形成有第二氧化物层108，可以防止晶体管的沟道接触于栅极绝缘层114。
[0054]此外，通过以接触于形成沟道的氧化物半导体层106的上侧及下侧的方式设置比氧化物半导体层106不容易产生氧缺损的氧化物层，可以抑制氧缺损形成在晶体管的沟道中。
[0055]<晶体管所具有的叠层结构的带结构>
在此，参照图2说明包括在晶体管200中的基底绝缘层102、第一氧化物层104、氧化物半导体层106、第二氧化物层108及栅极绝缘层114所具有的带结构。
[0056]在图2中，EcIU EcSU EcS2、EcS3及EcI2分别示意性地示出基底绝缘层102、第一氧化物层104、氧化物半导体层106、第二氧化物层108及栅极绝缘层114的导带底的能量。注意，在此为了方便起见而不考虑图1A至图1C中的层的厚度。
[0057]这里，真空能级和导带底的能量之间的能量差(该差也称为电子亲和能)是真空能级与价带顶之间的能量差(该差也称为电离电位)减去能隙的值。注意，可以利用光谱椭偏仪(例如，HORIBA JOBIN YVON公司制造的UT — 300)测量能隙。注意，真空能级与价带顶的能量差可以利用紫外线光电子能谱(UPS:Ultrav1let Photoelectron Spectroscopy)装置(例如，ULVAC - PHI公司制造的VersaProbe)测量。
[0058]如图2所示，导带底的能量从第一氧化物层104经过氧化物半导体层106到第二氧化物层108以没有势皇的方式连续地变化。可以推测这是因为:由于第一氧化物层104、氧化物半导体层106及第二氧化物层108的组成相似，因此在第一氧化物层104、氧化物半导体层106及第二氧化物层108中氧容易在层与层之间相互扩散而形成有混合层。
[0059]虽然图2示出第一氧化物层104及第二氧化物层108是具有同样的能隙的氧化物层的情况，但是也可以是具有不同能隙的氧化物层。
[0060]如图2所示，在包括氧化物半导体层106的氧化物叠层110中氧化物半导体层106成为阱(well)，在具有氧化物叠层110的晶体管中沟道形成在氧化物半导体层106中。注意，由于在氧化物叠层110中导带底的能量连续地变化，因此也可以将氧化物叠层110的结构称为U字形阱(U — shaped Well)。另外，也可以将具有上述结构的沟道称为埋入沟道。
[0061]第一氧化物层104和第二氧化物层108为包含一种以上的构成氧化物半导体层106的金属元素的氧化物层，因此可以说包括这些层的叠层结构是主要成分相同的氧化物层所层叠的氧化物叠层。主要成分相同的氧化物层所层叠的氧化物叠层不是仅将各层层叠，而是以形成连续结合(在此，尤其是指各层之间的导带底的能量连续变化的U字形阱结构)的方式形成。这是因为:当形成陷阱中心或复合中心等缺陷态的杂质混杂于各层之间的界面时，能带失去连续性，因此载流子在界面被俘获或者因复合而消失。
[0062]为了形成连续结合，需要使用具备装载闭锁室的多室成膜装置(溅射装置)以不使各层暴露于大气的方式连续地层叠。在溅射装置中的各处理室中，优选使用低温栗等吸附式真空栗进行高真空抽气(抽空到5X10_7Pa至lX10_4Pa左右)来尽可能地去除有可能成为氧化物半导体的杂质的水等。或者，优选组合涡轮分子栗和冷阱来防止气体从排气系统倒流到处理室内。
[0063]为了获得高纯度本征氧化物半导体，不仅需要对室内进行高真空蒸镀，而且需要进行溅射气体的高度纯化。作为用作溅射气体的氧气体或氩气体，优选使用露点为一 40°C以下，优选为一 80°C以下，更优选为一 100°C以下的高纯度气体，由此能够尽可能地防止水分等混入氧化物半导体。
[0064]设置在氧化物半导体层106的上层或下层的第一氧化物层104及第二氧化物层108用作阻挡层，其可以抑制在接触于氧化物叠层110的绝缘层(基底绝缘层102及栅极绝缘层114)与氧化物叠层110之间的界面形成的陷阱能级影响到用作晶体管的载流子的主要路径(载流子路径)的氧化物半导体层106。
[0065]例如，包含在氧化物半导体层中的氧缺损作为存在于氧化物半导体的能隙内的深的能量位置的局域能级而出现。当载流子被这种局域能级俘获时，晶体管的可靠性下降。因此需要减少包含在氧化物半导体层中的氧缺损。在本实施方式的晶体管200中，通过以与氧化物半导体层106的上表面及下表面接触的方式设置与氧化物半导体层106相比不容易产生氧缺损的氧化物层，可以减少氧化物半导体层106中的氧缺损。例如，可以使氧化物半导体层106的利用恒定光电流法(也称为CPM:Constant Photocurrent Method)测定出的起因于局域能级的吸收系数低于lX10_3/cm，优选低于lX10_4/cm。
[0066]另外，在氧化物半导体层106接触于其构成要素与氧化物半导体层106不同的绝缘层(例如，包含氧化硅膜的基底绝缘层)的情况下，有时在两层之间的界面会形成界面能级，该界面能级有可能形成沟道。在此情况下，有可能形成具有不同阈值电压的第二晶体管，而使晶体管的视在阈值电压发生变动。然而，由于在本实施方式的晶体管200中第一氧化物层104包含一种以上的构成氧化物半导体层106的金属元素，因此在第一氧化物层104与氧化物半导体层106之间的界面不容易形成界面能级。因而，通过设置第一氧化物层104，可以降低晶体管的阈值电压等电特性的偏差。
[0067]另外，当在栅极绝缘层114与氧化物半导体层106之间的界面形成沟道时，在该界面产生界面散射而使晶体管的场效应迀移率下降。然而，由于在本实施方式的晶体管200中第二氧化物层108包含一种以上的构成氧化物半导体层106的金属元素，因此在氧化物半导体层106与第二氧化物层108之间的界面不容易产生载流子散射，而可以提高晶体管的场效应迀移率。
[0068]另外，第一氧化物层104及第二氧化物层108还用作阻挡层，该阻挡层用来抑制基底绝缘层102及栅极绝缘层114的构成元素混入氧化物半导体层106而形成因杂质引起的杂质能级。
[0069]例如，当作为接触于第一氧化物层104或第二氧化物层108的基底绝缘层102或栅极绝缘层114使用包含硅的绝缘层时，有时该绝缘层中的硅或者有可能混入该绝缘层的碳混入第一氧化物层104或第二氧化物层108的从界面深入到几nm左右的区域。当硅、碳等杂质混入氧化物半导体层时，形成杂质能级，该杂质能级有可能成为电子的生成要因而使氧化物半导体层η型化。
[0070]然而，在第一氧化物层104及第二氧化物层108的厚度大于几nm的情况下，混入的硅、碳等杂质不到达氧化物半导体层106，因此杂质能级的影响得到抑制。
[0071]注意，为了使氧化物半导体层106实现本征或实质上本征，在利用S頂S的分析中，将娃浓度设定为低于IX 1019atoms/cm3,优选低于5X 1018atoms/cm3,更优选低于3 X 1018atoms/cm3，进一步优选低于 I X 1018atoms/cm3。另外，将氢浓度设定为 2 X 1020atoms/cm3以下，优选为5X 10 19atoms/cm3以下，更优选为I X 10 19atoms/cm3以下，进一步优选为5 X 1018atoms/cm3以下。另外，将氮浓度设定为低于5 X 1019atoms/cm3，优选为5 X 1018atoms/cm3以下，更优选为I X 10 18atoms/cm3以下，进一步优选为5 X 10 17atoms/cm3以下。
[0072]注意，氧化物半导体层中的杂质浓度可以通过利用二次离子质谱分析法(sms:Secondary 1n Mass Spectrometry)来测定。
[0073]此外，当氧化物半导体层106包含结晶时，如果以高浓度包含硅或碳，氧化物半导体层106的结晶性则有可能降低。为了不使氧化物半导体层106的结晶性下降，将硅浓度设定为低于I X 1019atoms/cm3，优选为低于5 X 1018atoms/cm3，更优选为低于I X 1018atoms/cm3即可。此外，将碳浓度设定为低于1X10 19atoms/cm3，更优选低于5 X 1018atoms/cm3，进一步优选低于 I X 1018atoms/cm3o
[0074]此外，将被高度纯化的氧化物半导体层106用于沟道形成区的晶体管的关态电流(off — state current)极小。例如，使用被高度纯化的氧化物半导体层的晶体管处于关闭状态时的漏极电流在室温(25°C左右)下可以为IX 10_ 18A以下，优选为1X10_21A以下，更优选为I X KT24A以下，或者，85°C下的漏极电流可以为I X 10-15A以下，优选为I X 1(Γ18A以下，更优选为IXlO-21A以下。注意，η沟道型晶体管的关闭状态是指其栅电压充分小于阈值电压的状态。具体而言，在栅电压比阈值电压小IV以上、2V以上或3V以上时，晶体管成为关闭状态。
[0075]<半导体装置的制造方法>
参照图3Α1至图4C2说明图1A至图1C所示的晶体管200的制造方法的一个例子。
[0076]注意，图3Α1、图3Α2、图4Α1和图4Α2示出晶体管的制造工序中的平面图。图3Β1、图3Β2、图4Β1和图4Β2示出沿着线Vl — Wl的截面图。图3C1、图3C2、图4C1和图4C2示出沿着线Xl - Yl的截面图。例如，图3Β1是图3Α1的沿着线Vl — Wl的截面图，图3C1是图3Α1的沿着线Xl - Yl的截面图。
[0077]首先，在具有绝缘表面的衬底100上形成基底绝缘层102。
[0078]衬底100不局限于支撑构件，也可以是形成有晶体管等器件的衬底。此时，晶体管200的栅电极层116、源电极层112a和漏电极层112b中的至少一个也可以与上述器件电连接。
[0079]基底绝缘层102除了具有防止杂质从衬底100扩散的功能以外，还具有将氧供应到后面形成的第一氧化物层104及/或氧化物半导体层106的功能。由此，作为基底绝缘层102使用包含氧的绝缘层。另外，基底绝缘层102优选包含过剩的氧。通过将氧从基底绝缘层102供应到氧化物半导体层106，可以减少氧化物半导体层106中的氧缺损。此外，基底绝缘层102可以具有单层结构或叠层结构。注意，基底绝缘层102可以通过溅射法、等离子体 CVD (Chemical Vapor Deposit1n:化学气相沉积)法、MOCVD (Metal Organic ChemicalVapor Deposit1n:有机金属化学气相沉积)法或ALD (Atomic Layer Deposit1n:原子层沉积)法等热CVD法等形成。
[0080]注意，如上所述，当衬底100是形成有其他器件的衬底时，基底绝缘层102还用作层间绝缘膜。在此情况下，优选利用CMP (Chemical Mechanical Polishing:化学机械抛光)法等对基底绝缘层102进行平坦化处理，以使其表面平坦。
[0081]在本实施方式的晶体管200中，含有氧的基底绝缘层102设置在后面形成的包括氧化物半导体层的叠层结构的下方。通过采用上述结构，可以将基底绝缘层102所包含的氧供应到沟道形成区。基底绝缘层102优选包括含有超过化学计量组成的氧的区域。当基底绝缘层102含有过剩的氧时，对沟道形成区的氧的供应被促进。
[0082]注意，在本说明书等中，过剩的氧指的是:因热处理而可以在氧化物半导体层中、氧化硅中或氧氮化硅中移动的氧；超过原来的化学计量组成的氧；或者具有填充氧不足所造成的Vo (氧缺损)的功能的氧。
[0083]为了使基底绝缘层102含有过剩氧，例如，在氧气氛下形成基底绝缘层102即可。或者，可以以对成膜后的基底绝缘层102引入氧的方式使基底绝缘层102含有过剩氧。或者，还可以组合上述两个方法。
[0084]另外，由于基底绝缘层102是与第一氧化物层104接触的绝缘层，所以优选降低膜中的氢浓度。由此，在形成基底绝缘层102之后，优选进行以氢的去除为目的的热处理(脱水化处理或脱氢化处理)。
[0085]将热处理的温度设定为250°C以上且650°C以下，优选设定为350°C以上且600°C以下或低于衬底的应变点。例如，将衬底引入到热处理装置之一的电炉中，在真空(减压)气氛下以450°C对基底绝缘层102进行I小时的热处理。
[0086]注意，热处理装置不局限于电炉，也可以使用利用来自电阻发热体等发热体的热传导或热辐射对被处理物进行加热的装置。例如，可以使用GRTA(Gas Rapid ThermalAnneal:气体快速热退火)装置、LRTA (Lamp Rapid Thermal Anneal:灯快速热退火)装置等RTA(Rapid Thermal Anneal:快速热退火)装置。LRTA装置是利用从灯如卤素灯、金卤灯、氙弧灯、碳弧灯、高压钠灯或高压汞灯等发出的光(电磁波)的辐射加热被处理物的装置。GRTA装置是使用高温气体进行热处理的装置。作为高温气体，使用即使进行热处理也不与被处理物产生反应的惰性气体，如氩等稀有气体或氮。注意，当作为热处理装置使用GRTA装置时，其热处理时间很短，所以也可以在加热到650°C以上且700°C以下的高温的惰性气体中加热衬底。
[0087]热处理在氮、氧、超干燥空气(水的含量为20ppm以下，优选为Ippm以下，更优选为1ppb以下的空气)或稀有气体(氩、氦等)气氛下进行即可。注意，上述氮、氧、超干燥空气或稀有气体等的气氛优选不包含水、氢等。另外，优选将引入到加热处理装置中的氮、氧或稀有气体的纯度设定为6N(99.9999%)以上，优选设定为7N(99.99999% )以上(即，杂质浓度优选为Ippm以下，更优选为0.1ppm以下)。
[0088]注意，通过热处理，氧可以从基底绝缘层102脱离。因此，优选对经过脱水化或脱氢化处理的基底绝缘层102进行引入氧(至少包含氧自由基、臭氧、氧原子和氧离子(包含分子离子、簇离子)中的任一种)的处理。
[0089]作为对基底绝缘层102引入氧的方法，例如可以使用离子注入法、离子掺杂法、等离子体浸没式离子注入法、等离子体处理等。可以使用含有氧的气体进行氧的引入处理。作为含有氧的气体，可以使用氧、一氧化二氮、二氧化氮、二氧化碳、一氧化碳等。此外，在氧的引入处理中，也可以使含有氧的气体包含稀有气体。通过对基底绝缘层102进行引入氧的处理，可以填补因热处理而脱离的氧。
[0090]接着，利用派射法、CVD法、MBE (Molecular Beam Epitaxy:分子束外延)法、ALD法或PLD (Pulse Laser Deposit1n:脉冲激光沉积)法