数量，所以是优选的。
[0119] 然后，以覆盖源电极层210a、漏电极层210b及第二栅电极层216的方式在绝缘层 206上形成绝缘层212 (参照图4C)。绝缘层212至少包含含有过剩的氧的氧化铝膜，并且 可以使用与绝缘层206同样的结构及制造方法来形成。
[0120] 另外，在形成绝缘层212后也可以进行加热处理。加热处理的条件可以与上述形 成氧化物半导体膜后的加热处理相同。
[0121] 通过上述步骤，可以形成本实施方式的晶体管260。
[0122] 在本实施方式所示的半导体装置中，通过以包围氧化物半导体层的方式设置包含 含有过剩的氧的氧化铝膜的绝缘层，能够对氧化物半导体层供应氧，并且抑制氧从氧化物 半导体层脱离以及氢等杂质混入氧化物半导体层。
[0123] 因此，可以抑制因沟道形成区的氧空位可能引起的阈值电压变动等电特性变动。 具体而言，例如，可以实现稳定的常关闭状态。因此，可以提供一种呈现良好的电特性且长 期可靠性高的半导体装置。
[0124] 另外，在本实施方式所示的半导体装置中，从氧化物半导体层的下侧的第一栅电 极层及氧化物半导体层的上侧的第二栅电极层对氧化物半导体层施加垂直方向的电场。由 此，可以良好地控制晶体管的阈值电压。
[0125] 并且，以在沟道宽度方向上与沟道形成区的侧面及底面重叠的方式来设置隔着第 二栅极绝缘层与氧化物半导体层重叠的第二栅电极层，由此形成与氧化物半导体层的侧面 及底面重叠的栅电极层。由此，从侧面方向及底面方向对沟道形成区施加电场，因此可以更 加良好地控制晶体管的阈值电压，并且减小S值。
[0126] 本实施方式可以与本说明书所示的其他实施方式适当地组合。
[0127] 实施方式2
[0128] 在本实施方式中，参照图5A至图6C说明与实施方式1不同的半导体装置的结构。 注意，关于与实施方式1相同的构成要素可以参照实施方式1，并且有时省略其重复的描 述。
[0129] 图5A至图?示出晶体管270的结构例子。图5A是晶体管270的俯视图，图5B 是沿着图5A中的V3-W3的截面图，图5C是沿着图5A中的X3-Y3的截面图。另外，图?是 示意性地示出晶体管270所包括的叠层结构的导带底的能量的能带图。
[0130] 与实施方式1中的晶体管260同样地，图5A至图5C所示的晶体管270包括：设置 在衬底200上的绝缘层205 ;被埋入绝缘层205中且露出顶面的第一栅电极层202 ;以与第 一栅电极层202的顶面接触的方式设置在绝缘层205上的绝缘层206 ;隔着绝缘层206与 第一栅电极层202重叠的氧化物半导体层208 ;与氧化物半导体层208电连接的源电极层 210a及漏电极层210b ;位于源电极层210a及漏电极层210b上且与氧化物半导体层208重 叠的绝缘层214 ;隔着绝缘层214与氧化物半导体层208重叠的第二栅电极层216 ;以及以 覆盖源电极层210a、漏电极层210b及第二栅电极层216的方式设置在绝缘层206上的绝缘 层 212。
[0131] 另外，本实施方式的晶体管270除了上述晶体管260的结构之外还包括：设置在绝 缘层206与氧化物半导体层208之间，且作为构成元素包含构成氧化物半导体层208的金 属元素中的至少一个金属元素的第一氧化物层207 ;以及设置在绝缘层214与氧化物半导 体层208之间，且作为构成元素包含构成氧化物半导体层208的金属元素中的至少一个金 属元素的第二氧化物层209。
[0132] 在晶体管270中，在实施方式1所示的晶体管260的制造工序中，在以在绝缘层 205上并与其接触的方式形成绝缘层206后，连续地形成将成为第一氧化物层207的第一氧 化物膜、氧化物半导体膜以及将成为第二氧化物层209的第二氧化物膜，然后，通过光刻工 序形成抗蚀剂掩模，使用抗蚀剂掩模对第二氧化物膜、氧化物半导体膜及第一氧化物膜进 行蚀刻以将它们加工成岛状，由此可以形成第一氧化物层207、氧化物半导体层208及第二 氧化物层209的叠层结构。
[0133] 另外，如上所述，由于晶体管270所包括的第一氧化物层207、氧化物半导体层208 及第二氧化物层209是使用同一个抗蚀剂掩模被进行加工的，所以第一氧化物层207的上 端部分与氧化物半导体层208的下端部分大致对齐，氧化物半导体层208的上端部分与第 二氧化物层209的下端部分大致对齐。或者，第一氧化物层207、氧化物半导体层208及第 二氧化物层209具有大致相同的顶面形状。
[0134] 另外，在上述工序中，若以不暴露于大气的方式连续形成第一氧化物膜、氧化物半 导体膜及第二氧化物膜，则可以防止氢或水分等杂质附着到各层的界面，所以是优选的。
[0135] 晶体管270所包括的氧化物半导体层208包括至少包含铟、锌及M(M为Al、Ga、Ge、 ￥、21'、3]1、]^1、〇6或!^等金属元素）的以111-]/[-211氧化物表示的层。当氧化物半导体层208 包含铟时，晶体管的载流子迀移率得到提高，所以是优选的。
[0136] 氧化物半导体层208的下侧的第一氧化物层207包含以In-M-Zn氧化物（M为A1、 Ti、Ga、Ge、Y、Zr、Sn、La、Ce或Hf等金属元素）表示的Μ的原子比比氧化物半导体层208 高的氧化物层。具体地，第一氧化物层207中的元素Μ的原子比为氧化物半导体层208的 1. 5倍以上，优选为2倍以上，更优选为3倍以上。元素Μ与氧的键合比铟与氧的键合更坚 固，所以具有抑制氧空位产生在氧化物层中的功能。也就是说，与氧化物半导体层208相 比，在第一氧化物层207中不容易产生氧空位。
[0137] 此外，与第一氧化物层207同样，氧化物半导体层208的上侧的第二氧化物层209 包含以In-M-Zn氧化物（Μ为Al、Ti、Ga、Ge、Y、Zr、Sn、La、Ce或Hf等金属元素）表示的Μ 的原子比比氧化物半导体层208高的氧化物层。具体地，第二氧化物层209中的元素Μ的 原子比为氧化物半导体层208的1. 5倍以上，优选为2倍以上，更优选为3倍以上。
[0138] 就是说，在第一氧化物层207、氧化物半导体层208以及第二氧化物层209是至少 包含铟、锌及1〇?为41、11、63、66、￥、2厂311、1^、〇6或!^等金属元素）的111-]\1-211氧化物 的情况下，当将第一氧化物层207设定为In:M:Zn = x1:y1:Zl[原子比]、将氧化物半导体 层208设定为In:M:Zn = x2:y2:z2[原子比]以及将第二氧化物层209设定为In:M:Zn = x3:y3:z3[原子比]时，优选 yi/xjys/x；^ 比 y2/x2 大。y/xjys/x；^ 为 y2/x2 的 1· 5 倍以上， 优选为Υ；?/χ；?的2倍以上，更优选为y 2/Χ2的3倍以上。此时，当在氧化物半导体层208中y 2 为x2以上时，可以使晶体管的电特性稳定。注意，当y 2为X 2的3倍以上时，晶体管的场效 应迀移率变低，所以72优选小于X 2的3倍。
[0139] 注意，当将In-M-Zn氧化物用于第一氧化物层207时，除了 Zn和0以外的In和Μ 的比例优选为In低于50atomic%且Μ为50atomic%以上，更优选为In低于25atomic%且 Μ为75atomic%以上。此外，当将In-M-Zn氧化物用于氧化物半导体层208时，除了 Zn和0 以外的In和Μ的比例优选为In为25atomic%以上且Μ低于75atomic%，更优选为In为 34atomic%以上且Μ低于66atomic%。当将In-M-Zn氧化物用于第二氧化物层209时，除 了 Zn和0以外的In和Μ的比例优选为In低于50atomic%且Μ为50atomic%以上，更优 选为In低于25atomic%且Μ为75atomic%以上。
[0140] 此外，第一氧化物层207及第二氧化物层209既可以包含不同构成元素，又可以以 相同的原子比或以不同的原子比包含相同的构成元素。
[0141] 例如可以将包含铟、锌及镓的氧化物半导体用于第一氧化物层207、氧化物半导体 层208以及第二氧化物层209。
[0142] 第一氧化物层207及第二氧化物层209优选包含构成氧化物半导体层208的金属 元素中的一种以上，并且，第一氧化物层207及第二氧化物层209优选使用导带底的能量比 氧化物半导体层208的导带底的能量更接近真空能级0. 05eV以上、0. 07eV以上、0. leV以 上或0. 15eV以上且2eV以下、leV以下、0. 5eV以下或0. 4eV以下的氧化物半导体形成。
[0143] 在上述结构中，当对第一栅电极层202及/或第二栅电极层216施加电场时，沟道 形成在氧化物半导体层208中，这是因为在被用作第一栅极绝缘层的一部分的绝缘层206 与用作第二栅电极层的绝缘层214夹着的由第一氧化物层207、氧化物半导体层208及第二 氧化物层209形成的叠层结构中，氧化物半导体层208的导带底的能量最小。也就是说，通 过形成有第一氧化物层207及第二氧化物层209,可以使晶体管的沟道不接触于其构成元 素（但不包括氧）与氧化物半导体层208不同的绝缘层206及绝缘层214。
[0144] 图?示意性地示出包括绝缘层206、第一氧化物层207、氧化物半导体层208、第二 氧化物层209及绝缘层214的叠层结构的能带结构。在图?中，Evac表示真空能级的能 量，Ec表示导带底的能量。
[0145] 由图f5D可知，被氧化物层夹着的氧化物半导体层形成阱（well)，在采用该叠层结 构的晶体管中，沟道形成在氧化物半导体层中。另外，由于在第一氧化物层207、氧化物半导 体层208及第二氧化物层209中导带底的能量连续地变化，所以也可以被认为形成有U字 形讲（U-shape Well)或弧形讲（round well)。另外，也可以将具有上述结构的沟道称为埋 入沟道。
[0146] 如图?所示，在第一氧化物层207与氧化物半导体层208的界面以及氧化物半导 体层208与第二氧化物层209的界面附近，导带底的能量如画曲线那样连续地变化。在以 In-M-Zn氧化物表示的氧化物层中，元素Μ的比例越高，该氧化物层的能量带隙越大，因此 在第一氧化物层207与氧化物半导体层208的界面以及氧化物半导体层208与第二氧化物 层209的界面附近形成各个层的混合区域（混合层），由于在该混合区域中元素Μ的比例 渐渐地变化，由此形成图f5D所示的弧形阱。另外，由于第一氧化物层207、氧化物半导体层 208及第二氧化物层209的组成相似，所以氧容易相互扩散。另一方面，在组成不同的绝缘 层206与第一氧化物层207之间以及第二氧化物层209与绝缘层214之间不容易形成上述 混合区域，因此在能带图中也没有连续的变化。
[0147] 当导带底的能量在第一氧化物层207与氧化物半导体层208的界面以及氧化物半 导体层208与第二氧化物层209的界面附近具有弧形阱时，可以缓减该界面附近的电场集 中。
[0148] 另外，虽然在图f5D中例示了第一氧化物层207的导带底的能量比第二氧化物层 209的导带底的能量更接近真空能级的情况，但是两者既可以是具有相同的导带底的能量 的氧化物层，也可以第二氧化物层209的导带底的能量比第一氧化物层207的导带底的能 量更接近真空能级。
[0149] 第一氧化物层207和第二氧化物层209为包含一种以上的构成氧化物半导体层 208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而层叠的 氧化物叠层。主要成分相同而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（弧形）阱结构）的方式形 成。这是因为：当有可能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。
[0150] 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（抽空到大约5 X 10 7Pa至1 X 10 4Pa)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。
[0151] 另外，为了获得高纯度本征氧化物半导体，不仅需要对处理室内进行高真空抽气， 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，通过使用露点 为-40°C以下，优选为_80°C以下，更优选为-100°C以下的高纯度气体，能够尽可能地防止 水分等混入氧化物半导体。
[0152] 设置在氧化物半导体层208的上侧或下侧的第一氧化物层207及第二氧化物层 209用作阻挡层，其可以抑制在接触于氧化物叠层的绝缘层（绝缘层206及绝缘层214)与 氧化物叠层之间的界面形成的陷阱能级影响到用作晶体管的主要载流子路径的氧化物半 导体层208。
[0153] 具体地，通过以与氧化物半导体层208的上侧及下侧接触的方式设置与氧化物半 导体层208相比不容易产生氧空位的第一氧化物层207及第二氧化物层209,可以减少氧 化物半导体层208中的氧空位。由此抑制起因于氧空位的陷阱能级形成在氧化物半导体层 208的界面。例如，可以使氧化物半导体层208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1X10 3/cm，优选低于 1X10 4/cm〇
[0154] 另外，在其构成元素与氧化物半导体层208不同的绝缘层214(例如，包含氧化硅 膜的绝缘层）接触于氧化物半导体层208的背沟道一侧的情况下，在两层之间的界面会形 成界面态，该界面态有可能形成沟道。在此情况下，有可能出现具有不同阈值电压的第二晶 体管，而使晶体管的外观上的阈值电压发生变动。然而，由于在晶体管280中第二氧化物层 209包含一种以上的构成氧化物半导体层208的金属元素，因此在氧化物半导体层208的背 沟道一侧的界面不容易形成界面态。因而，通过设置第二氧化物层209,可以降低晶体管的 阈值电压等电特性的偏差。
[0155] 另外，当在用作栅极绝缘层的绝缘层206与氧化物半导体层208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，由于在晶体管280 中第一氧化物层207包含一种以上的构成氧化物半导体层208的金属元素，因此在氧化物 半导体层208的前沟道一侧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。
[0156] 另外，第一氧化物层207及第二氧化物层209还用作阻挡层，该阻挡层用来抑制绝 缘层206及绝缘层212的构成元素混入氧化物半导体层208而形成杂质态。
[0157] 例如，包含在氧化物半导体层208中的硅的浓度为3X10ls/cm3以下，优选为 3X1017/cm3以下。另外，包含在氧化物半导体层208中的碳的浓度为3X10ls/cm 3以下，优 选为3X 1017/cm3以下。
[0158] 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（SHIS : Secondary Ion Mass Spectrometry)来测定。
[0159] 另外，将第一氧化物层207及第二氧化物层209的厚度设定为能够抑制对于氧化 物半导体来说是杂质的绝缘层206及绝缘层214的构成元素混入氧化物半导体层208的厚 度。另外，通过增加氧化物半导体层208的厚度可以提高晶体管280的通态电流，所以氧化 物半导体层208的厚度优选至少大于第一氧化物层207及第二氧化物层209的厚度。
[0160] 另外，由于第一氧化物层207设置在栅电极层与用作沟道的氧化物半导体层208 之间，所以优选尽可能地将其减薄以提高晶体管的通态电流。具体而言，第一氧化物层207 的厚度例如为〇. 3nm以上且低于10nm，优选为0. 3nm以上且5nm以下。
[0161] 另外，若杂质的氢或水分包含在氧化物半导体层中，则作为施主而形成η型区，所 以从实现阱结构的角度来看，在第一氧化物层207下侧设置包含防止氢或水分从外部侵入 的氧化铝膜的绝缘层206,并且在第二氧化物层209上侧设置包含防止氢或水分从外部侵 入的氧化铝膜的绝缘层212是有效的。
[0162] 另外，在第一氧化物层207或第二氧化物层209的导带底与氧化物半导体层208 的导带底的能量差小的情况下，有时氧化物半导体层208的电子越过该能量差到达陷阱能 级。电子被陷阱能级俘获，使得绝缘膜的界面产生负的固定电荷，这导致晶体管的阈值电压 向正方向变动。
[0163] 因此，第一氧化物层207或第二氧化物层209的导带底与氧化物半导体层208的 导带底的能量差优选为〇. leV以上，更优选为0. 15eV以上，由此可以减少晶体管的阈值电 压的变动，得到稳定的电特性。
[0164] 图6A至图6C示出本实施方式的晶体管的另一个结构例子。图6A是晶体管280的 俯视图，图6B是沿着图6A中的V4-W4的截面图，图6C是沿着图6A中的X4-Y4的截面图。
[0165] 图6A至图6C所示的晶体管280与图5A至图?所示的晶体管270的不同之处在 于：第二氧化物层209以覆盖不被源电极层210a及漏电极层210b覆盖的氧化物半导体层 208的方式设置在源电极层210a及漏电极层210b上。其他构成要素可以与晶体管270相 同。
[0166] 在晶体管280中，在绝缘层206上连续地形成将成为第一氧化物层2