JP6253947B2

JP6253947B2 - 半導体装置

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Publication number: JP6253947B2
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Authority: JP
Inventors: 山崎　舜平; 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Filing date: 2013-10-23
Publication date: 2017-12-27
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Description

半導体装置および半導体装置の作製方法に関する。

なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、電気光学装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。

半導体薄膜を用いてトランジスタ（薄膜トランジスタ（ＴＦＴともいう。））を構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。

例えば、トランジスタのチャネル形成領域として、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、および亜鉛（Ｚｎ）を含む非晶質酸化物を用いたトランジスタが開示されている（特許文献１参照）。

また、酸化物半導体は製造プロセス中において酸素が脱離し、酸素欠損を形成することが知られている（特許文献２参照）。

特開２００６−１６５５２８号公報特開２０１１−２２２７６７号公報

製造プロセス中における、酸素脱離または酸素欠損は特に酸化物半導体層の側面において生じやすい。酸化物半導体層の側面に酸素欠損が生じると、側面が低抵抗化され、トランジスタの見かけ上のしきい値電圧が変動し、しきい値電圧のばらつきが増大するといった問題が生じる。また、しきい値電圧が変動することで、ソース、ドレイン間に意図しない電流が流れ、トランジスタのオフ電流が増大することや、トランジスタの電気特性が劣化することがある。

このような問題に鑑み、本発明の一態様は、酸化物半導体層を用いた半導体装置において、電気特性のばらつきの小さい半導体装置を提供することを目的の一とする。また、酸化物半導体層を用いた半導体装置において、信頼性が高く安定した電気特性を示す半導体装置を提供することを目的の一とする。また、安定した電気特性を有する半導体装置を提供することを目的の一とする。また、信頼性の高い半導体装置を提供することを目的の一とする。また、消費電力の小さい半導体装置を提供することを目的の一とする。また、形状不良の少ない半導体装置を提供することを目的の一とする。また、該半導体装置の作製方法を提供することを目的の一とする。また、生産性高く半導体装置を作製する方法を提供することを目的の一とする。また、歩留まり高く半導体装置を作製する方法を提供することを目的の一とする。

本発明の一態様は、チャネル形成領域に酸化物半導体層、および酸化物半導体層を囲む酸化物層を含む多層膜を用いる半導体装置である。

酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する場合、酸素欠損に起因してキャリアが生成される場合がある。トランジスタのチャネル形成領域を含む酸化物半導体層に酸素欠損が多く存在すると、チャネル形成領域中に電子を生じさせてしまい、トランジスタのノーマリオン化、リーク電流の増大、ストレス印加によるしきい値電圧のシフトなど、電気特性の不良を引き起こす要因となる。また、酸化物半導体層において、水素、シリコン、窒素、炭素および主成分以外の金属元素は不純物となる。例えば、酸化物半導体層中で水素は、ドナー準位を形成し、キャリア密度を増大させる。また、酸化物半導体層中でシリコンは、不純物準位を形成し、該不純物準位がトラップとなって、トランジスタの電気特性を劣化させることがある。

そのため、酸化物半導体層を用いた半導体装置において安定した電気特性を得るためには、該酸化物半導体層の酸素欠損を低減し、かつ、水素およびシリコン等の不純物濃度を低減する措置を講じることが求められる。

そこで、本発明の一態様の半導体装置では、チャネルを形成する酸化物半導体層を取り囲むように、上面、下面および側面に接して、酸化物半導体層を構成する元素一種以上、または二種以上から構成され、かつ酸化物半導体層より酸素欠損を生じにくい酸化物層を設ける。これにより、チャネルを形成する酸化物半導体層中に生じうる酸素欠損を低減することが可能となる。よって、トランジスタのしきい値電圧などの電気特性のばらつきを低減することができる。

酸化物半導体層および酸化物層は少なくともインジウムを含み、酸化物層は酸化物半導体層よりもエネルギーギャップが大きく、酸化物半導体層中のインジウムの含有割合は、酸化物層中のインジウムの含有割合よりも高い。代表的には、酸化物半導体層および酸化物層としては、インジウム、亜鉛および元素Ｍを含む酸化物を用いればよい。さらに、酸化物層の元素Ｍの含有割合は酸化物半導体層よりも高いとよい。

酸化物層は、元素Ｍとして、ガリウム、アルミニウム、シリコン、チタン、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、スズ、ランタン、セリウムまたはハフニウム等の含有割合が高い酸化物を用いるとよい。これらの元素は、酸素と強く結合し、酸素欠損の形成エネルギーが大きいため酸素欠損が生じにくい。そのため、これらの元素を高い原子数比で有する酸化物層は、酸素欠損が生じにくく安定した特性を備える酸化物層である。したがって、酸化物半導体層の表面を酸化物層によって囲むことで、酸化物半導体層の端部において酸素欠損が形成されにくく、安定した特性を有する半導体装置とすることができる。

また、多層膜の一断面において、端部が曲率を有する場合、多層膜上に形成される膜の被覆性を向上させることができる。このようにすることによって、多層膜上に形成された膜を均一に形成することができ、膜密度の低い領域や、膜が形成されていない領域から多層膜中に不純物元素が入り込み、半導体装置の特性を劣化させることを抑制し、安定した特性の半導体装置とすることができる。なお、特に多層膜の端部全体、下端部、または下端部および上端部に曲面を有するとよい。

また、酸化物層は酸化物半導体層の下の第１の酸化物層と、酸化物半導体層上の第２の酸化物層と、酸化物半導体層の側面を覆う第３の酸化物層とを含む構成としてもよい。また、酸化物半導体層表面と酸化物層表面の間隔は、多層膜の上部よりも側部において広くてもよい。また、多層膜の膜厚が側面に有する曲面の曲率半径の５０分の１以上５０倍以下であってもよい。このような構成とすることによって、酸化物半導体層を包む酸化物層を用いた半導体装置の信頼性の低下を抑制することができる。

また、多層膜の下に下地絶縁膜を有していてもよい。下地絶縁膜の多層膜と重畳する領域の膜厚は、他の領域よりも大きい。また、下地絶縁膜は、多層膜と重畳する第１の領域と、第１の領域を囲む第２の領域と、第２の領域を囲む第３の領域と、を含み、第２の領域の膜厚は第１の領域よりも小さく、第３の領域の膜厚は第２の領域よりも小さいとよい。下地絶縁膜がこのように、段差を有する形状（階段状ともいう。）となっていることで、下地絶縁膜および多層膜上に形成される膜の段差被覆性を向上し、半導体装置の形状不良等を抑制することができる。

また、多層膜上に形成された膜を均一に形成することができ、膜密度の低い領域や、膜が形成されていない領域から多層膜中に不純物元素が入り込み、半導体装置の特性を劣化させることを抑制し、安定した特性の半導体装置とすることができる。なお、特に多層膜の下端部または下端部および上端部の両方に曲面を有するとよい。

本発明の一態様に係る半導体装置は、上述の構成を有することで、チャネルとして機能する（キャリアの主な経路となる）酸化物半導体層を高純度真性化することができる。なお、本明細書等において高純度真性とは、真性フェルミレベルとの差が０．５ｅＶより小さいフェルミレベルを有することをいう。この場合、酸化物半導体層のキャリア密度は、１×１０^１７／ｃｍ^３未満、１×１０^１５／ｃｍ^３未満、または１×１０^１３／ｃｍ^３未満である。酸化物半導体層を高純度真性化することで、トランジスタに安定した電気特性を付与することができる。

より具体的には、例えば以下の構成とすることができる。

本発明の一態様は、酸化物半導体層、および酸化物半導体層を囲んで設けられた酸化物層を有する多層膜と、多層膜上に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜を介して多層膜と重ねて設けられたゲート電極と、を有する半導体装置である。

また、本発明の一態様は、ゲート電極と、ゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜を介してゲート電極と重ねて設けられた多層膜と、を有し、多層膜は、酸化物半導体層、および前記酸化物半導体層を囲んで設けられた酸化物層を有する半導体装置である。

また、本発明の一態様は、ゲート電極と、ゲート電極上のゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜を介してゲート電極と重畳し、酸化物半導体層、および酸化物半導体層を取り囲む酸化物層を含む多層膜と、酸化物半導体層と電気的に接続するソース電極およびドレイン電極と、を有し、酸化物半導体層、酸化物層はそれぞれインジウムと、亜鉛と、インジウムおよび亜鉛とは異なる金属元素と、を構成元素として含み、酸化物層は、酸化物半導体層よりもインジウムおよび亜鉛とは異なる金属元素の含有割合が高い半導体装置である。

また、本発明の一態様は、ゲート電極と、ゲート電極上のゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜を介してゲート電極と重畳し、酸化物半導体層、酸化物半導体層の下面に接する第１の酸化物層、酸化物半導体層の上面に接する第２の酸化物層、および酸化物半導体層の側面に接する第３の酸化物層を含む多層膜と、酸化物半導体層と電気的に接続するソース電極およびドレイン電極と、を有し、酸化物半導体層、第１の酸化物層、第２の酸化物層、および第３の酸化物層はそれぞれＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であり、第１の酸化物層、第２の酸化物層および第３の酸化物層は、酸化物半導体層よりも元素Ｍの含有割合が高い半導体装置である。

また、本発明の一態様は、ゲート電極と、ゲート電極上のゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜を介してゲート電極と重畳し、酸化物半導体層、酸化物半導体層の下面に接する第１の酸化物層、酸化物半導体層の上面に接する第２の酸化物層、および酸化物半導体層の側面に接する第３の酸化物層を含む多層膜と、酸化物半導体層と電気的に接続するソース電極およびドレイン電極と、ソース電極およびドレイン電極上に設けられ、多層膜と接し、酸素を含む保護絶縁膜と、を有し、酸化物半導体層、第１の酸化物層、第２の酸化物層、および第３の酸化物層はそれぞれＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であり、第１の酸化物層、第２の酸化物層および第３の酸化物層は、酸化物半導体層よりも元素Ｍの含有割合が高い半導体装置である。

なお、多層膜の一定光電流測定法（ＣＰＭ：ＣｏｎｓｔａｎｔＰｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔＭｅｔｈｏｄ）による欠陥準位（ＤＯＳ：ＤｅｎｓｉｔｙｏｆＳｔａｔｅ）の吸収係数が１×１０^−３ｃｍ^−１未満であると好ましい。

また、多層膜を囲んで、過剰酸素を含む絶縁膜が設けられると好ましい。

また、酸化物層は、酸化物半導体層の下面と接して設けられた第１の領域と、酸化物半導体層の上面と接して設けられた第２の領域と、酸化物半導体層の側面と接して設けられた第３の領域と、を有し、第３の領域は、第１の領域と同じ種類の元素からなると好ましい。

本発明の一態様によって、酸化物半導体層を用いた半導体装置の電気特性のばらつきを低減することができる。また、半導体装置の信頼性を向上し、安定した電気特性を示す半導体装置を提供することができる。また、該半導体装置を作製することができる。

酸化物半導体層を用いたトランジスタの断面図とバンド構造。酸化物半導体層を用いたトランジスタのバンド構造。酸化物半導体層を用いたトランジスタのバンド構造。計算モデルの断面構造。計算モデルのバンド構造。酸化物半導体層を用いたトランジスタのバンド構造。酸化物半導体層を用いたトランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性。酸化物半導体層を用いたトランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性。本発明の一態様に係る多層膜の断面図。曲率半径を説明する図。本発明の一態様に係る多層膜の形成機構を示す断面図。本発明の一態様に係る多層膜の形成機構を示す断面図。本発明の一態様に係る多層膜の形成機構を示す断面図。本発明の一態様に係る多層膜の形成機構を示す断面図。本発明の一態様に係る多層膜の形成機構を示す断面図。酸化物半導体層を単層で用いた場合の断面図およびバンド構造。多層膜を用いた場合の断面図およびバンド構造。本発明の一態様に係る多層膜における酸素の拡散を示す図。本発明の一態様に係る多層膜のＣＰＭ測定結果を示す図。本発明の一態様に係る多層膜のＴｏＦ−ＳＩＭＳの結果を示す図。本発明の一態様に係る半導体装置を説明する上面図および断面図。本発明の一態様に係る半導体装置を説明する上面図および断面図。ソース電極およびドレイン電極の形状を説明する断面図。本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を説明する断面図。本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を説明する断面図。成膜装置の一例を示す上面図。成膜室の一例を示す断面図。加熱処理室の一例を示す図。本発明の一態様に係る半導体装置を説明する上面図および断面図。本発明の一態様に係る半導体装置を説明する上面図および断面図。本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を説明する断面図。多層膜の断面観察像および組成を示す図。

以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。なお、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。

なお、実際の製造工程において、エッチングなどの処理によりレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易にするため省略して示すことがある。

第１、第２として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名称を示すものではない。

また、電圧は、ある電位と、基準の電位（例えば接地電位（ＧＮＤ）またはソース電位）との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能である。

また、「電気的に接続する」と表現される場合であっても、現実の回路においては、物理的な接続部分がなく、配線が延在しているだけの場合もある。

また、ソースおよびドレインの機能は、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書においては、ソースおよびドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。

なお、本実施の形態に記載の内容は、適宜組み合わせて用いることができる。

＜１．酸化物半導体層を用いたトランジスタの劣化機構＞
まず、酸化物半導体層を用いたトランジスタの劣化機構のモデルについて説明し、酸化物半導体層を用いたトランジスタの信頼性を向上させるために、ＤＯＳをなくすこと、または少なくすることが有効であることを示す。

酸化物半導体層を用いたトランジスタの一例を図１（Ａ）に示す。図１（Ａ）中のＯＳは酸化物半導体層を示し、Ｓはソース電極を示し、Ｄはドレイン電極を示し、ＧＩはゲート絶縁膜を示し、ＧＥはゲート電極を示す。なお、酸化物半導体層と、ソース電極、ドレイン電極との間には、酸化物半導体層よりもキャリア密度の高いｎ層（図中ではｎと表記）を有する。

図１（Ｂ）に、図１（Ａ）に示した一点鎖線Ｅ１−Ｅ２におけるバンド構造を示す。図１（Ｂ）より、ＤＯＳには、浅い準位（ｓｈａｌｌｏｗｌｅｖｅｌＤＯＳ）と、深い準位（ｄｅｅｐｌｅｖｅｌＤＯＳ）の２種類が存在する。浅い準位、深い準位を形成する共通の要因は、酸素欠損（Ｖｏ）である。特にインジウムを含む酸化物半導体層中では、インジウムに隣接する酸素が抜けて、酸素欠損を形成する。なお、Ｅｃは酸化物半導体層の伝導帯下端のエネルギーを示し、Ｅｖは酸化物半導体層の価電子帯上端のエネルギーを示し、Ｅｆは酸化物半導体層のフェルミエネルギーを示し、ｍｉｄｇａｐは酸化物半導体層のエネルギーギャップの中間のエネルギー（真性準位）を示す。なお、酸化物半導体層としては、真性（ｉ型）または実質的に真性を仮定している。このとき、フェルミエネルギーはｍｉｄｇａｐと一致するが、図中では見やすさのため、僅かにずらして示す。なお、ＤＯＳはエネルギー軸方向に分布を持っており、その高さ（電子エネルギーの軸と直交する方向）はＤＯＳの密度を示す。

ゲート電極に電圧を印加しない場合、ＤＯＳは中性であり、プラスにもマイナスにも帯電しない。

また、ゲート電極にプラスの電圧を印加した場合、図２（Ａ）に示すように酸化物半導体層のバンドは曲がる。そして、ゲート電極からの電界によってフェルミエネルギーよりも、浅い準位のエネルギーが低くなったときに、浅い準位にマイナスの電荷（電子など）が捕獲される。

同様に、ゲート電極にマイナスの電圧を印加した場合、図２（Ｂ）に示すように酸化物半導体層のバンドは曲がる。そして、ゲート電極からの電界によってフェルミエネルギーよりも深い準位のエネルギーが高くなったときに、深い準位にプラスの電荷（ホールなど）が捕獲される。

なお、酸化物半導体層のＤＯＳに捕獲された電荷は極めて長い緩和時間（τ）を有するため、ゲート電極からの電界を止めても長時間にわたって電荷が保持される。したがって、ＤＯＳに捕獲された電荷はあたかも固定電荷のように振る舞う。例えば、浅い準位にマイナスの電荷が捕獲された場合、マイナスの固定電荷によって電界が生じた場合と同じように作用し、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向に変動する。また、深い準位にプラスの電荷が捕獲された場合、プラスの固定電荷によって電界が生じた場合と同じように作用し、トランジスタのしきい値電圧はマイナス方向に変動する。

上述したように、酸化物半導体層を用いたトランジスタは、酸化物半導体層中のＤＯＳによって、しきい値電圧がプラス方向にもマイナス方向にも変動する劣化機構を有する。したがって、酸化物半導体層を用いたトランジスタの信頼性を向上させるために、ＤＯＳをなくすこと、または少なくすることが有効であることがわかる。

次に、トランジスタのドレイン電極にプラスの電圧を印加した場合の劣化について説明する。

図３（Ａ）に、図１（Ａ）に示した一点鎖線Ｅ３−Ｅ４におけるバンド構造を示す。なお、図３（Ａ）では、ｎ層との対比で、酸化物半導体層（ＯＳ）をｉ層（ｉと表記）と呼ぶ。

図３（Ａ）に示すように、酸化物半導体層のフェルミエネルギーはｍｉｄｇａｐよりも高いエネルギーとなる。これは、ソース電極およびドレイン電極間の距離が十分小さいとき、ソース電極およびドレイン電極の影響で伝導帯下端のエネルギー（Ｅｃ）が、低くなり、伝導帯下端のエネルギーとフェルミエネルギーが近づくためである。この現象を、ＣＢＬ効果（Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎｂａｎｄｌｏｗｅｒｉｎｇｅｆｆｅｃｔ）と呼ぶ。ＣＢＬ効果は、酸化物半導体層の空乏層が極めて広いことに起因する酸化物半導体特有の現象である。

ここで、ＣＢＬ効果について詳述する。

酸化物半導体層として真性または実質的に真性の酸化物半導体層を用いた場合、直観的には、ソース電極およびドレイン電極と酸化物半導体層との間には、酸化物半導体層のエネルギーギャップの半分程度の障壁が形成されると考えられる。ところが、実際には、酸化物半導体層を用いたトランジスタは、Ｖｇ−Ｉｄ特性において、ゲート電圧が０Ｖ付近からドレイン電流が流れ始める。

そこで、図４に示すように、酸化物半導体層（ＯＳ）と、酸化物半導体層上に設けられたソース電極（Ｓ）およびドレイン電極（Ｄ）と、酸化物半導体層、ソース電極およびドレイン電極上に設けられたゲート絶縁膜（ＧＩ）を有する構造を仮定し、チャネル長（Ｌ）を変更した場合の一点鎖線Ｈ１−Ｈ２におけるバンド構造を計算により導出した。なお、図４では、ソース電極およびドレイン電極と接する酸化物半導体層の領域にｎ層を設けている。

ポアソン方程式を解くことによりバンドの曲がり幅を見積もると、バンドの曲がり幅は下式よりデバイの遮蔽長λ_Ｄで特徴付けられる長さであることがわかった。なお、下式において、ｋ_Ｂはボルツマン定数である。

上式に酸化物半導体層の真性キャリア密度ｎｉを６．６×１０^−９ｃｍ^−３とし、酸化物半導体層の比誘電率εを１５とし、温度Ｔに３００Ｋを代入すると、デバイの遮蔽長λ_Ｄは、５．７×１０^１０μｍと、非常に大きな値であることがわかった。したがって、チャネル長がデバイの遮蔽長λ_Ｄの２倍である１．１４×１０^１１μｍよりも大きければｎ層とｉ層の障壁高さは酸化物半導体層のエネルギーギャップの半分となることがわかる。

図５では、チャネル長を０．０３μｍ、０．３μｍ、１μｍ、１０μｍ、１００μｍおよび１×１０^１２μｍのときのバンド構造の計算結果を示す。なお、図５中の、ｎはｎ層を示し、ｉはｎ層に挟まれた酸化物半導体層の領域（ｉ層）を示し、一点鎖線は酸化物半導体層のフェルミエネルギーを示し、破線は酸化物半導体層のｍｉｄｇａｐを示す。

図５より、チャネル長が十分大きい１×１０^１２μｍの場合、ｉ層とｎ層の電子エネルギーの差が、酸化物半導体層のエネルギーギャップの半分となることがわかった。ところが、チャネル長を小さくしていくと、徐々にｉ層とｎ層の電子エネルギーの差が小さくなり、チャネル長が１μｍ以下ではほとんど障壁がなくなることがわかった。なお、ｎ層の電子エネルギーはソース電極およびドレイン電極によって固定される。

上述したように、チャネル長が小さいとき、ｎ層とｉ層との障壁は十分小さくなることがわかる。

ＣＢＬ効果があることにより、酸化物半導体層を用いたトランジスタは、ソース電極、ドレイン電極と酸化物半導体層との間に障壁があっても、サブスレッショルド値が理論限界近くまで小さくなり、優れたスイッチング特性を有する。

図３（Ａ）から、ドレイン電極にプラスの電圧Ｖｄｄを印加すると、バンド構造は図３（Ｂ）のようになる。ここで、ゲート電極にプラスの電圧を印加するとトランジスタの順方向に電流が流れる。このとき、フェルミエネルギーよりも低いエネルギーにある浅い準位には、さらにマイナスの電荷が蓄積される。したがって、ドレイン電極にプラスの電圧を印加することで、浅い準位のエネルギーはさらにフェルミエネルギーよりも低くなりやすいことがわかる。そのため、ゲート電極にプラスの電圧を印加した場合も、マイナスの電圧を印加した場合も、ドレイン電極に印加する電圧次第ではしきい値電圧をプラス方向に変動させることがある。

また、ゲート電極にプラスの電圧を印加した後、ソース電位（接地電位（ＧＮＤ））と同電位とすると、図６（Ａ）または図６（Ｂ）のようになる。このとき、トラップされた電荷により、表面のバンドが逆方向に曲がる。例えば、図６（Ａ）に示すように、マイナスの電荷がトラップされていた場合には、よりノーマリオフの方向にバンドが曲がり、しきい値電圧はプラス方向に変動する。また、図６（Ｂ）に示すように、プラスの電荷がトラップされていた場合には、よりノーマリオンの方向にバンドが曲がり、しきい値電圧はマイナス方向に変動する。

また、チャネルがｎ型化（ｎ⁻化）していると、電子がソースからドレインに通りやすくなることで、ソースとドレイン間にパスが形成されてしまい、スイッチング特性が得られにくくなる。これを防ぐためには、チャネルのｎ型化を徹底的に防ぎ、真性化（ｉ型化）する必要がある。

ここで、ＤＯＳを作る原因と対策について説明する。

ＤＯＳを作る原因の一つにシリコンによる酸素欠損の形成が挙げられる。具体的には、シリコンによりインジウムと酸素の結合が切断されて、下記化学式（１）で示すように、酸素欠損が形成される。

シリコンによる酸素欠損の形成を抑制するためには、ＤＯＳの形成を誘導する物質であるシリコンを酸化物半導体層と接させない、または、酸化物半導体層中にシリコンを混入させないことが重要である。特に、インジウムを含む酸化物半導体層とシリコンを含む層とを離すことが重要である。

また、ＤＯＳを作る原因の他の一つに、プラズマによる損傷が挙げられる。酸化物半導体層の成膜、または酸化物半導体層の上層に設けられる層の成膜にプラズマを使用する場合、プラズマによって酸化物半導体層が損傷して結合力の最も弱いＩｎ−Ｏ−Ｉｎが切断され、酸素欠損を形成することがある（下記、化学式（２）参照）。さらに、脱離した酸素は水素と結合して、水となる。

ＤＯＳを低減するためには、プラズマによる酸化物半導体層の損傷を抑制することに加えて、加熱処理によって酸化物半導体層に酸素を供給して酸素欠損を補填することが重要である。

また、酸化物半導体層に生じうる２種類のＤＯＳについて、以下に説明する。

ＤＯＳの一つである、深い準位について詳述する。深い準位は、価電子帯上端のエネルギー（Ｅｖ）とｍｉｄｇａｐの間の禁止帯（ｆｉｅｌｄｂａｎｄ）にできる深い準位（伝導帯下端のエネルギー（Ｅｃ）と比較してエネルギー的に深い位置）のＤＯＳである。上述したように、酸化物半導体層に含まれるＩｎ−Ｏ−Ｉｎの結合が切れた時に酸素欠損が作られるが、この酸素欠損が中性の深い準位となる。深い準位は、ホールに対して捕獲中心となり、フェルミエネルギーより高いエネルギーではプラスの電荷（ｐｏｓｉｔｉｖｅｃｈａｒｇｅ）が捕獲される。

なお、深い準位は、ＣＰＭによって定量化することができる。

また、ＤＯＳの他の一つである、浅い準位について詳述する。浅い準位は、伝導帯下端のエネルギーの近くの禁止帯にできるとされている。

ここでは、浅い準位をＩｎ−ＶｏＨと仮定している。即ち、酸素欠損に酸化物半導体層中に多量に存在する水素が接近してできるＮｅｕｔｒａｌ（中性）は、電子に対して捕獲中心となり、フェルミエネルギーより低いエネルギーではマイナスの電荷（ｎｅｇａｔｉｖｅｃｈａｒｇｅ）が捕獲される。

酸素欠損を減らすには、該チャネルを形成する酸化物半導体層をＩｎの少ない（Ｍ、例えばＧａの多い）酸化物半導体層で囲む（包む、覆う）ことにより、電流の流れるチャネルを、酸化物半導体層と接する絶縁膜から混入しうる不純物から離せばよい。酸化物半導体層と接する絶縁膜としては、例えば酸化シリコン膜などがある。シリコンは、Ｖｏの形成を誘導する物質となる。

Ｉｎの少ない（Ｍ、例えばＧａの多い）酸化物半導体層は、ＤＯＳを作りにくいため、チャネルを囲む酸化物半導体層と、酸化シリコンとの界面にはＤＯＳが形成されにくくなる。チャネルを囲む酸化物半導体層においてＭ（例えば、Ｇａ）の原子数比を高くして、酸化物半導体層のＩｎ−Ｏ面のＩｎに代えてＭ（例えば、Ｇａ）を含ませることで、結合力の弱いＩｎ−Ｏ結合が低減するためＶｏが形成されにくくなり、トランジスタに安定した電気特性（高い信頼性）を与えることができる。

図７に、Ｖｇ−Ｉｄ特性とＤＯＳの関係を示す。図７に示すように、深い準位にプラスの電荷が捕獲されると、Ｖｇ−Ｉｄ特性においてしきい値電圧がマイナス方向に変動する。また、浅い準位にマイナスの電荷が捕獲されると、Ｖｇ−Ｉｄ特性においてしきい値電圧がプラス方向に変動する。

ドレインにプラスの電圧が加わり、浅い準位がフェルミエネルギーよりも低いエネルギーをとると、ＤＯＳはマイナスに帯電しやすい。即ち、しきい値電圧がプラス方向に変動しやすい。この変動を防ぐためには、浅い準位を減らす必要がある。

さらに、ドレインに一定のプラスの電圧を印加し、ゲート電圧を可変にすると、そのドレイン電圧、ゲート電圧にしたがって浅い準位がフェルミエネルギーよりも低いエネルギーとなり、ＤＯＳがマイナスに帯電する。このマイナスの帯電は見かけ上、ゲート電圧にマイナスの電圧を印加させた場合と同等の効果を有する。よって、ゲート電圧が低いところで、ドレイン電流（Ｉｄ）の低下、即ち、Ｖｇ−Ｉｄ特性のグラフに肩（ショルダー）ができる（図８参照）。

図８に示すショルダーは、ドレインにプラスの電圧が印加されたときに起こる。より電界が加わるゲート電極側のＤＯＳ（特に浅い準位）を低減することで、図８に示すショルダーを緩和することができると考えられる。

上述したように、酸化物半導体層を用いたトランジスタの信頼性を向上させるために、ＤＯＳをなくすこと、または少なくすることが有効であることがわかる。

＜２．酸化物半導体層を含む多層膜について＞
以下では、安定した電気特性を有する酸化物半導体層を用いたトランジスタを実現可能な、ＤＯＳの小さい多層膜について説明する。

＜２−１．多層膜の構造＞
本項では、多層膜の構造について説明する。

ＤＯＳの小さい多層膜は、チャネルが形成される酸化物半導体層を囲むように、酸化物半導体層よりもＤＯＳを形成しにくい酸化物層を設ける構造を有する。なお、酸化物半導体層を酸化物層で囲む構造について、様々な形成方法が考えられるが、以下ではその一例を示す。

図９（Ａ）乃至図９（Ｄ）に、多層膜１０８の断面構造を示す。多層膜１０８は、酸化物層１０５ａと、酸化物層１０５ａ上に設けられた酸化物半導体層１０６と、酸化物半導体層１０６上に設けられた酸化物層１０５ｂと、少なくとも酸化物半導体層１０６の側面に接して設けられた酸化物層１０５ｃと、を有する。なお、酸化物層１０５ｃは曲面を有する。

図９（Ａ）および図９（Ｂ）に示す多層膜１０８の一断面の一側面において、酸化物層１０５ｃは、一つの接触円（曲率円ともいう。）からなる曲率（曲面）を有する。また、図９（Ｃ）および図９（Ｄ）に示す多層膜１０８の一断面の一側面において、酸化物層１０５ｃは上端部および下端部にそれぞれ一つの接触円からなる曲率を有する。

多層膜１０８は、図９（Ａ）および図９（Ｃ）に示すように、酸化物層１０５ａ、酸化物半導体層１０６および酸化物層１０５ｂの側面と酸化物層１０５ａの下面との為す角度がほぼ垂直であってもよく、図９（Ｂ）および図９（Ｄ）に示すように傾斜（テーパー角）を有してもよい。

このように、多層膜１０８の一部である側面に曲面を有する酸化物層１０５ｃを有することにより、多層膜１０８を用いたトランジスタの形状不良の発生を抑制することができる。

＜２−１−１．多層膜の端部を構成する酸化物層＞
酸化物層１０５ｃが有する曲面について図１０を用いて説明する。

図１０（Ａ）は、図９（Ａ）および図９（Ｂ）に示した多層膜１０８の一断面の一側面に対応する酸化物層１０５ｃの断面図である。図１０（Ａ）に示す酸化物層１０５ｃは、曲率半径がｒである接触円からなる曲率を有する。なお、曲率半径とは、曲線の接触円の半径と等しい。

図１０（Ｂ）は、図９（Ｃ）および図９（Ｄ）に示した多層膜１０８の一断面の一側面に対応する酸化物層１０５ｃの断面図である。図１０（Ｂ）に示す酸化物層１０５ｃは、曲率半径がｒである接触円からなる曲率を上端部および下端部にそれぞれ有する。なお、上端部、下端部の曲率は、それぞれ異なる曲率半径を有しても構わない。

図１０（Ｃ）に示す酸化物層１０５ｃは、曲率半径がｒである接触円からなる曲率を有する。なお、酸化物層１０５ｃは、異なる接触円からなる曲率を二カ所または三カ所有しても構わない。

このとき、曲率半径ｒは、多層膜１０８の厚さｔ（酸化物層１０５ａ、酸化物半導体層１０６および酸化物層１０５ｂの合計の厚さ）に対し、５０分の１以上５０倍以下、好ましくは２０分の１以上２０倍以下、さらに好ましくは１０分の１以上１０倍以下、より好ましくは５分の１以上５倍以下とする。

＜２−１−２．多層膜の形成機構＞
曲面を有する酸化物層１０５ｃを有する多層膜１０８の形成機構について説明する。

＜２−１−３．形成機構（１）＞
曲面を有する酸化物層１０５ｃを有する多層膜１０８の形成機構の一例を、図１１乃至図１３を用いて説明する。

まず、下地絶縁膜１３２上に設けられた酸化物層１３５ａと、酸化物層１３５ａ上に設けられた酸化物半導体層１３６と、酸化物半導体層１３６上に設けられた酸化物層１３５ｂと、を有する多層膜を準備する（図１１（Ａ）参照。）。

次に、酸化物層１３５ｂ上の一部にレジストマスク１４０を形成する（図１１（Ｂ）参照。）。

次に、ドライエッチング法によって、レジストマスク１４０の設けられていない領域の酸化物層１３５ｂおよび酸化物半導体層１３６をエッチングし、酸化物層１３５ａを露出させる（図１１（Ｃ）参照。）。

次に、ドライエッチング法によって、露出した酸化物層１３５ａをエッチングしていく（図１２（Ａ）参照。）。このとき、酸化物層１３５ａの反応生成物が、多層膜の少なくとも酸化物半導体層１０６の側面に再付着し、側壁保護膜（ラビットイヤーとも呼べる。）である酸化物層を形成する。なお、酸化物層１３５ａの反応生成物は、スパッタリング現象によって再付着するほか、ドライエッチング時のプラズマ１５０を介して再付着する。ドライエッチングの条件は、例えば、エッチングガスとして三塩化ホウ素ガスおよび塩素ガスを用い、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）電力および基板バイアス電力を印加して行えばよい。

続けて酸化物層１３５ａをエッチングしていくことで、酸化物層１０５ａおよび酸化物層１７５ｃを形成する。この際、下地絶縁膜１３２も一部がエッチングされて、下地絶縁膜１３３となる（図１２（Ｂ）参照。）。

なお、酸化物層１７５ｃは、酸化物層１３５ａの反応生成物であるため、エッチング時に用いたエッチングガス由来の成分（塩素、ホウ素など）が残存する。当該成分が大気中などの水分などと反応すると、酸化物層１７５ｃはさらにエッチングされる。

次に、エッチングされた酸化物層１７５ｃに残存するエッチングガス由来の成分をアッシング処理によって除去することで酸化物層１０５ｃとなる酸化物層を形成する。

次に、レジストマスク１４０を除去する。

次に、酸化性ガスを含む雰囲気で加熱処理を行い、酸化物層１０５ａ、酸化物半導体層１０６、酸化物層１０５ｂおよび酸化物層１０５ｃとなる酸化物層の酸素欠損を低減する。特に、酸化物層１０５ｃとなる酸化物層は、エッチング時の反応生成物から形成されるため、酸素欠損が生じやすい。したがって、酸化物層１０５ｃとなる酸化物層は、前述のアッシング処理および当該加熱処理によって、キャリア密度の極めて小さな酸化物層１０５ｃとする（図１２（Ｃ）参照。）。なお、酸化性ガスとは、酸素、亜酸化窒素、オゾンなどのガスをいう。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下で行えばよい。加熱処理の雰囲気は、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。または、加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。

以上のようにして、曲面を有する酸化物層１０５ｃを有する多層膜１０８を形成することができる。したがって、曲面を有する酸化物層１０５ｃを有する多層膜１０８を形成するためには、酸化物層１０５ｃを形成するために専用のフォトマスクなどは必要ないことがわかる。

また、このようにして形成された酸化物層１０５ａ、酸化物層１０５ｂおよび酸化物層１０５ｃは厳密に区別のつかない場合がある。そのため、酸化物層１０５ａ、酸化物層１０５ｂおよび酸化物層１０５ｃをまとめて酸化物層１０５と呼んでもよい。図１３（Ａ）に示すように、酸化物半導体層１０６を包む酸化物層１０５をあわせて多層膜１０８としてもよい。

次に、下地絶縁膜１３３をエッチングすることで、複数の段差（ここでは２段）を有する下地絶縁膜１０２を形成しても構わない（図１３（Ｂ）参照。）。下地絶縁膜１０２が２段の段差を有する、を換言すると、下地絶縁膜１０２が厚さの異なる三つの領域を有する、となる。

＜２−１−４．形成機構（２）＞
曲面を有する酸化物層１０５ｃを有する多層膜１０８の形成機構の一例を、図１４および図１５を用いて説明する。

まず、下地絶縁膜１３２上に設けられた酸化物層１３５ａと、酸化物層１３５ａ上に設けられた酸化物半導体層１３６と、酸化物半導体層１３６上に設けられた酸化物層１３５ｂと、を有する多層膜を準備する（図１４（Ａ）参照。）。

次に、酸化物層１３５ｂ上の一部にレジストマスク１４０を形成する（図１４（Ｂ）参照。）。

次に、ドライエッチング法によって、レジストマスク１４０の設けられていない領域の酸化物層１３５ｂ、酸化物半導体層１３６および酸化物層１３５ａをエッチングし、それぞれ酸化物層１５５ｂ、酸化物半導体層１５６および酸化物層１５５ａとする。このとき、下地絶縁膜１３２も一部がエッチングされて下地絶縁膜１５２となる（図１４（Ｃ）参照。）。なお、酸化物層１５５ｂ、酸化物半導体層１５６および酸化物層１５５ａはテーパー角を有する。

次に、ドライエッチング法によって、酸化物層１５５ｂ、酸化物半導体層１５６および酸化物層１５５ａをエッチングし、それぞれ酸化物層１０５ｂ、酸化物半導体層１０６および酸化物層１０５ａを形成する。このとき、酸化物層１５５ａの反応生成物が、多層膜の側面に再付着し、側壁保護膜（ラビットイヤーとも呼べる。）である酸化物層１０５ｃとなる酸化物層を形成する。なお、酸化物層１５５ａの反応生成物は、スパッタリング現象によって再付着するほか、ドライエッチング時のプラズマを介して再付着する。この際、下地絶縁膜１５２も一部がエッチングされて、下地絶縁膜１０２となる（図１５（Ａ）参照。）。

なお、酸化物層１０５ｃとなる酸化物層は、酸化物層１５５ａの反応生成物であるため、エッチング時に用いたエッチングガス由来の成分（塩素、ホウ素など）が残存する。

次に、酸化物層１０５ｃとなる酸化物層に残存するエッチングガス由来の成分をアッシング処理によって除去する。

次に、レジストマスク１４０を除去する。

次に、酸化性ガスを含む雰囲気で加熱処理を行い、酸化物層１０５ａ、酸化物半導体層１０６、酸化物層１０５ｂおよび酸化物層１０５ｃとなる酸化物層の酸素欠損を低減すると好ましい。特に、酸化物層１０５ｃとなる酸化物層は、エッチング時の反応生成物から形成されるため、酸素欠損が生じやすい。したがって、酸化物層１０５ｃとなる酸化物層は、前述のアッシング処理および当該加熱処理によって、キャリア密度の極めて小さな酸化物層１０５ｃとする（図１５（Ｂ）参照。）。

上述したように、酸化物層１０５ｃは、酸化物層１０５ａとなる酸化物層１５５ａの反応生成物から形成される。したがって、酸化物層１０５ｃは酸化物層１０５ａとは、その形成過程のために、異なる組成、異なる物性となることがある。ただし、酸化物層１０５ａと酸化物層１０５ｃとは、分析などによって区別がつかない場合もある。その場合、酸化物層１０５ｃは酸化物層１０５ａと同様の物性を有する酸化物層となり、酸化物層１０５ｃの物性について特に記載がない場合、酸化物層１０５ａについての記載を参照することができる。また、酸化物層１０５ｂについても、酸化物層１０５ａと同様の構成である場合に、酸化物層１０５ｃと区別がつかないことがある。そのため、酸化物層１０５ａ、酸化物層１０５ｂおよび酸化物層１０５ｃをまとめて酸化物層１０５と呼んでもよい。図１５（Ｃ）に示すように、酸化物半導体層１０６を包む酸化物層１０５をあわせて多層膜１０８としてもよい。

多層膜１０８は、酸化物層１０５ａ、酸化物層１０５ｂおよび酸化物層１０５ｃによって、酸化物半導体層１０６が囲まれている（包まれているまたは覆われている）構造を有する。したがって、酸化物半導体層１０６への不純物の混入を小さくできる。また、酸化物半導体層１０６は他の酸化物層との間に準位を有さないため、キャリア移動度（電子移動度）を高くすることができる。

＜２−２．多層膜の物性＞
本項では、多層膜の物性について説明する。

＜２−２−１．多層膜の組成＞
以下では、多層膜１０８、ならびに多層膜１０８を構成する酸化物層１０５ａ、酸化物半導体層１０６、酸化物層１０５ｂおよび酸化物層１０５ｃの組成について説明する。

酸化物半導体層１０６は、少なくともインジウムを含む酸化物半導体層である。また、インジウムに加えて、元素Ｍ（アルミニウム、チタン、シリコン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、スズ、ランタン、セリウムまたはハフニウム）を含むと好ましい。なお、酸化物半導体層１０６は、少なくともインジウムを含むと、キャリア移動度（電子移動度）が高くなるため好ましい。

酸化物層１０５ａは、酸化物半導体層１０６を構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から構成される酸化物層である。そのため、酸化物半導体層１０６と酸化物層１０５ａとの界面において、界面散乱が起こりにくい。したがって、該界面においてはキャリアの動きが阻害されないため、トランジスタの電界効果移動度が高くなる。

酸化物層１０５ａは、例えば、アルミニウム、チタン、シリコン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、スズ、ランタン、セリウムまたはハフニウムをインジウムよりも高い原子数比で含む酸化物層とすればよい。具体的には、酸化物層１０５ａとして、インジウムよりも前述の元素を１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上高い原子数比で含む酸化物層を用いる。前述の元素は酸素と強く結合するため、酸素欠損が酸化物層に生じることを抑制する機能を有する。即ち、酸化物層１０５ａは酸素欠損が生じにくい酸化物層である。また、酸化物層１０５ａは、前述の元素を酸化物半導体層１０６よりも高い原子数比で含む酸化物層である。

また、酸化物層１０５ｂは、酸化物半導体層１０６を構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から構成される。酸化物半導体層１０６を構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から酸化物層１０５ｂが構成されるため、酸化物半導体層１０６と酸化物層１０５ｂとの界面に界面準位を形成しにくい。該界面が界面準位を有すると、該界面をチャネルとしたしきい値電圧の異なる第２のトランジスタが形成され、トランジスタの見かけ上のしきい値電圧が変動することがある。したがって、酸化物層１０５ｂを設けることにより、トランジスタのしきい値電圧などの電気特性のばらつきを低減することができる。

酸化物層１０５ｂは、例えば、アルミニウム、チタン、シリコン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、スズ、ランタン、セリウムまたはハフニウムをインジウムよりも高い原子数比で含む酸化物層とすればよい。具体的には、酸化物層１０５ｂとして、インジウムよりも前述の元素を１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上高い原子数比で含む酸化物層を用いる。前述の元素は酸素と強く結合するため、酸素欠損が酸化物層に生じることを抑制する機能を有する。即ち、酸化物層１０５ｂは酸素欠損が生じにくい酸化物層である。また、酸化物層１０５ｂは、前述の元素を酸化物半導体層１０６よりも高い原子数比で含む酸化物層である。

酸化物層１０５ｃは、酸化物層１０５ａの記載を参照する。酸化物層１０５ｃは、多層膜１０８の側面を形成する層である。そのため、酸化物層１０５ｃに酸素欠損が生じると、酸化物層１０５ｃと酸化物半導体層１０６との界面に、該界面をチャネルとしたしきい値電圧の異なる第２のトランジスタが形成され、トランジスタの見かけ上のしきい値電圧が変動することがある。したがって、酸素欠損の生じにくい酸化物層１０５ｃを設けることにより、トランジスタのしきい値電圧などの電気特性のばらつきを低減することができる。第２のトランジスタによる電気特性のばらつきは、チャネル長の小さいトランジスタほど顕著となる。したがって、微細化されたトランジスタほど、酸素欠損の生じにくい酸化物層１０５ｃを設けることにより高い効果を奏する。

なお、酸化物層１０５ｂに含まれるインジウムが外方拡散すると、トランジスタの電気特性を劣化させることがあるため、酸化物層１０５ｂは、酸化物半導体層１０６よりもインジウムの原子数比が小さいことが好ましい。

なお、酸化物層１０５ａおよび酸化物層１０５ｃは、酸化物層１０５ｂよりも酸素欠損の生じにくい酸化物層とすると好ましい。また、酸化物層１０５ａおよび酸化物層１０５ｃは、酸化物層１０５ｂよりも高い絶縁性を有する酸化物層であると好ましい。酸化物層１０５ａおよび酸化物層１０５ｃが、酸化物層１０５ｂよりも酸素欠損が生じにくく、高い絶縁性を有するためには、酸化物層１０５ａおよび酸化物層１０５ｃに含まれる、酸素欠損が酸化物層に生じることを抑制する元素、または酸素との結合力が強い金属元素を、酸化物層１０５ｂよりも高い濃度で含むとよい。

なお、酸化物層１０５ａがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＩｎとＭの原子数比率は好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％以上、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％以上とする。また、酸化物半導体層１０６がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＩｎとＭの原子数比率は好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。また、酸化物層１０５ｂがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＩｎとＭの原子数比率は好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％以上、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％以上とする。また、酸化物層１０５ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＩｎとＭの原子数比率は好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％以上、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％以上とする。

なお、酸化物層１０５ａの厚さは、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。また、酸化物半導体層１０６の厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。なお、酸化物層１０５ｂの厚さは、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上２０ｎｍ以下とする。ただし、酸化物層１０５ａおよび酸化物層１０５ｃの厚さは、酸化物層１０５ｂよりも大きい方が好ましい。換言すると、酸化物層１０５ｂの厚さは、酸化物層１０５ａおよび酸化物層１０５ｃよりも小さい方が好ましい。

なお、酸化物層１０５ａ、酸化物層１０５ｂをスパッタリング法で成膜する場合、パーティクル数を増大させないために、インジウムを含むターゲットを用いると好ましい。また、ガリウムの原子数比が比較的小さい酸化物ターゲットを用いることが好ましいとわかる。特に、インジウムを含むターゲットを用いる場合、ターゲットの導電率を高めることができ、ＤＣ放電およびＡＣ放電が容易となるため、大面積の基板へ対応しやすくなる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる。

＜２−２−２．多層膜のバンド構造＞
まずは、酸化物半導体層を含む多層膜のバンド構造について説明する。

まずは、比較例として酸化物半導体層１０６を単層で用いた場合の断面図を図１６（Ａ）に示し、図１６（Ａ）の一点鎖線Ｆ１−Ｆ２に対応するバンド構造を図１６（Ｂ）に示す。酸化物半導体層１０６の伝導帯下端のエネルギーをＥｃＳと表記する。なお、図１６では、酸化物半導体層１０６の上下に酸化物半導体層１０６よりも十分にエネルギーギャップが大きく、かつ十分に伝導帯下端のエネルギーが高い絶縁膜（例えば酸化シリコン膜）を設けた場合について示す。

図１６（Ｂ）より、酸化物半導体層１０６を単層で用いた場合、酸化物半導体層１０６と絶縁膜との間の伝導帯下端のエネルギーが不連続的に変化する（不連続接合）と考えられる。これは、当該絶縁膜が酸化物半導体層１０６よりも十分にエネルギーギャップが大きく、かつ十分に伝導帯下端のエネルギーが高い絶縁膜、即ち、酸化物半導体層１０６と全く物性の異なる絶縁膜であることに起因する。

したがって、酸化物半導体層１０６と絶縁膜との界面には多数のＤＯＳが存在することが示唆される。また、酸化物半導体層１０６を単層で用いたトランジスタにおいて、酸化物半導体層１０６と絶縁膜（ゲート絶縁膜や保護絶縁膜に相当）との界面にＤＯＳが存在すると、トランジスタの劣化を引き起こす場合がある。

次に、多層膜１０８の断面図を図１７（Ａ）に示し、図１７（Ａ）の一点鎖線Ｇ１−Ｇ２に対応するバンド構造を図１７（Ｂ）に、図１７（Ａ）の一点鎖線Ｇ３−Ｇ４に対応するバンド構造を図１７（Ｃ）に示す。酸化物層１０５ａ、酸化物層１０５ｂ、酸化物層１０５ｃの伝導帯下端のエネルギーは、それぞれＥｃＯ１、ＥｃＯ２、ＥｃＯ３と表記する。なお、図１７では、多層膜１０８を囲んで多層膜１０８のいずれの層よりも十分にエネルギーギャップが大きく、かつ十分に伝導帯下端のエネルギーが高い絶縁膜（例えば酸化シリコン膜）を設けた場合について示す。

なお、酸化物層１０５ａ、酸化物半導体層１０６、酸化物層１０５ｂおよび酸化物層１０５ｃの伝導帯下端のエネルギーが、それぞれＥｃＳ１、ＥｃＳ２、ＥｃＳ３およびＥｃＳ４のとき、数式（２）に示す関係を満たすように酸化物層１０５ａ、酸化物半導体層１０６、酸化物層１０５ｂおよび酸化物層１０５ｃを選択する。

図１７（Ｂ）より、多層膜１０８において、酸化物層１０５ａおよび酸化物層１０５ｂと、酸化物半導体層１０６との間の伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化する（連続接合）と考えられる。これは、酸化物層１０５ａおよび酸化物層１０５ｂと、酸化物半導体層１０６とが、物性の近い酸化物層であることに起因する。

したがって、酸化物半導体層１０６と、酸化物層１０５ａおよび酸化物層１０５ｂと、の界面にはそれぞれＤＯＳがほとんど存在しないことが示唆される。また、酸化物層１０５ａおよび酸化物層１０５ｂは、前述したように酸素欠損の生じにくい酸化物層であるため、酸素欠損に起因すると考えられるＤＯＳはほとんどないと考えられる。

なお、酸化物層１０５ａ、酸化物層１０５ｂ、酸化物層１０５ｃおよび酸化物半導体層１０６の真空準位と伝導帯下端のエネルギー差（電子親和力ともいう。）は、各層において真空準位と価電子帯上端のエネルギー差（イオン化ポテンシャルともいう。）からエネルギーギャップを引くことで求めることができる。

また、エネルギーギャップは、分光エリプソメータ（ＨＯＲＩＢＡＪＯＢＩＮＹＶＯＮ社ＵＴ−３００）を用いて測定することができる。また、イオン化ポテンシャルは、紫外線光電子分光分析（ＵＰＳ：ＵｌｔｒａｖｉｏｌｅｔＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）装置（ＰＨＩ社ＶｅｒｓａＰｒｏｂｅ）を用いて測定することができる。

図１７（Ｂ）および図１７（Ｃ）より、多層膜１０８の酸化物半導体層１０６がウェル（井戸）となり、多層膜１０８を用いたトランジスタにおいて、チャネルが酸化物半導体層１０６に形成されることがわかる。なお、多層膜１０８は伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化しているため、酸化物半導体層１０６と酸化物層１０５ｂとが連続接合している、ともいえる。

ここで、加熱処理によって多層膜１０８中の酸素が、３５０℃または４５０℃の加熱処理後に拡散する様子について図１８を用いて説明する。

図１８に、多層膜１０８のうち、いずれかの層を^１８Ｏ_２ガスを用いて成膜した試料について、ＳＩＭＳを行い、深さ方向における^１８Ｏの濃度分布を測定した結果を示す。

ここで、酸化物層１０５ａは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］）であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物層である。

また、酸化物半導体層１０６は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２［原子数比］）であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物半導体層である。

また、酸化物層１０５ｂは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］）であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物層である。

ここで、図１８（Ａ）は、酸化物層１０５ａに^１８Ｏ_２ガスを用い、そのほかの層には^１８Ｏ_２ガスを用いていない試料の酸化物層１０５ａおよび酸化物半導体層１０６の界面を含む深さ方向における^１８Ｏの濃度分布である。加熱処理なし（ａｓ−ｄｅｐｏと表記、点線）と比べ、３５０℃加熱処理後（３５０℃加熱後と表記、一点鎖線）および４５０℃加熱処理後（４５０℃加熱後と表記、実線）では、^１８Ｏが酸化物層１０５ａから酸化物半導体層１０６まで拡散していることがわかった。

また、図１８（Ｂ）は、酸化物半導体層１０６に^１８Ｏ_２ガスを用い、そのほかの層には^１８Ｏ_２ガスを用いていない試料の酸化物半導体層１０６および酸化物層１０５ｂの界面を含む深さ方向における^１８Ｏの濃度分布である。加熱処理なし（ａｓ−ｄｅｐｏと表記、点線）と比べ、３５０℃加熱処理後（３５０℃加熱後と表記、一点鎖線）および４５０℃加熱処理後（４５０℃加熱後と表記、実線）では、^１８Ｏが酸化物半導体層１０６から酸化物層１０５ｂまで拡散していることがわかった。

また、図１８（Ｃ）は、酸化物半導体層１０６に^１８Ｏ_２ガスを用い、そのほかの層には^１８Ｏ_２ガスを用いていない試料の酸化物層１０５ａおよび酸化物半導体層１０６の界面を含む深さ方向における^１８Ｏの濃度分布である。加熱処理なし（ａｓ−ｄｅｐｏと表記、点線）および３５０℃加熱処理後（３５０℃加熱後と表記、一点鎖線）と比べ、４５０℃加熱処理後（４５０℃加熱後と表記、実線）では、^１８Ｏが酸化物半導体層１０６から酸化物層１０５ａまで拡散していることがわかった。

図１８に示すように、多層膜１０８中で酸素は相互に拡散し合っている。即ち、酸化物層１０５ａ、酸化物半導体層１０６、酸化物層１０５ｂおよび酸化物層１０５ｃのいずれかの組み合わせにより形成される界面は、お互いの構成元素が混ざり合った層（混合層ともいう。）を形成しており、連続接合していることがわかる。なお、混合層は、混ざり合った層と層との中間の性質を有する。

次に、多層膜１０８中のＤＯＳについて、ＣＰＭによって評価した。

なお、トランジスタが高い電界効果移動度を有し、かつ安定した電気特性を有するためには、多層膜１０８中のＣＰＭ測定で得られる局在準位による吸収係数を、１×１０^−３ｃｍ^−１未満、好ましくは３×１０^−４ｃｍ^−１未満とすればよい。

ＣＰＭ測定を行った試料について以下に説明する。

酸化物層１０５ａは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］）であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物層である。なお、成膜ガスとしてアルゴンガスを３０ｓｃｃｍ、酸素ガスを１５ｓｃｃｍ用い、圧力を０．４Ｐａとし、基板の温度を２００℃とし、ＤＣ電力を０．５ｋＷ印加することで成膜した。

また、酸化物半導体層１０６は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］）であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物半導体層である。なお、成膜ガスとしてアルゴンガスを３０ｓｃｃｍ、酸素ガスを１５ｓｃｃｍ用い、圧力を０．４Ｐａとし、基板の温度を２００℃とし、ＤＣ電力を０．５ｋＷ印加することで成膜した。

また、酸化物層１０５ｂは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］）であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物層である。なお、成膜ガスとしてアルゴンガスを３０ｓｃｃｍ、酸素ガスを１５ｓｃｃｍ用い、圧力を０．４Ｐａとし、基板の温度を２００℃とし、ＤＣ電力を０．５ｋＷ印加することで成膜した。

ここで、ＣＰＭ測定の精度を高めるため、多層膜１０８はある程度の厚さが必要となる。具体的には、多層膜１０８に含まれる酸化物層１０５ａの厚さを３０ｎｍ、酸化物半導体層１０６の厚さを１００ｎｍ、酸化物層１０５ｂの厚さを３０ｎｍとした。

ＣＰＭ測定では、試料である多層膜１０８に接して設けられた第１の電極および第２の電極間に電圧を印加した状態で光電流値が一定となるように端子間の試料面に照射する光量を調整し、照射光量から吸収係数を導出することを各波長にて行うものである。ＣＰＭ測定において、試料に欠陥があるとき、欠陥の存在する準位に応じたエネルギー（波長より換算）における吸収係数が増加する。この吸収係数の増加分に定数を掛けることにより、試料の欠陥密度を導出することができる。

図１９（Ａ）に、分光光度計によって測定した吸収係数（点線）と、ＣＰＭによって測定した吸収係数（実線）とを多層膜１０８の各層のエネルギーギャップ以上のエネルギー範囲において、フィッティングした結果を示す。なお、ＣＰＭによって測定した吸収係数より得られたアーバックエネルギーは７８．７ｍｅＶであった。図１９（Ａ）の破線丸で囲んだエネルギー範囲においてＣＰＭによって測定した吸収係数からバックグラウンド（細点線）を差し引き、当該エネルギー範囲における吸収係数の積分値を導出した（図１９（Ｂ）参照。）。その結果、本試料のＤＯＳによる吸収係数は、２．０２×１０^−４ｃｍ^−１であることがわかった。

したがって、多層膜１０８は、ＤＯＳが極めて少ないことがわかった。即ち、多層膜１０８を用いたトランジスタは高い電界効果移動度を有し、かつ安定した電気特性を有することがわかる。

＜２−２−３．多層膜の不純物＞
以下では、多層膜１０８を構成する各層におけるシリコン濃度について、図２０を用いて説明する。

ここで、酸化物層１０５ａは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］）であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物層である。なお、成膜ガスとしてアルゴンガスを３０ｓｃｃｍ、酸素ガスを１５ｓｃｃｍ用い、圧力を０．４Ｐａとし、基板の温度を２００℃とし、ＤＣ電力を０．５ｋＷ印加することで成膜した。

また、酸化物半導体層１０６は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］）であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて成膜した酸化物半導体層である。なお、成膜ガスとしてアルゴンガスを３０ｓｃｃｍ、酸素ガスを１５ｓｃｃｍ用い、圧力を０．４Ｐａとし、基板の温度を３００℃とし、ＤＣ電力を０．５ｋＷ印加することで成膜した。

シリコンウェハ上に多層膜１０８を設け、加熱処理なしの試料と４５０℃にて２時間加熱処理を行った試料を準備し、飛行時間二次イオン質量分析（ＴｏＦ−ＳＩＭＳ：Ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔｓｅｃｏｎｄａｒｙｉｏｎｍａｓｓｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）によって、深さ方向のＩｎを示す二次イオン強度、Ｇａを示す二次イオン強度、Ｚｎを示す二次イオン強度およびＳｉＯ_３の二次イオン強度から換算したＳｉ濃度［ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３］を示す。多層膜１０８は、厚さが１０ｎｍの酸化物層１０５ａと、酸化物層１０５ａ上に設けられた厚さが１０ｎｍの酸化物半導体層１０６と、酸化物半導体層１０６上に設けられた厚さが１０ｎｍの酸化物層１０５ｂと、を有する。

図２０より、多層膜１０８を構成する各層の組成は、成膜時のターゲットの組成によって変化することがわかる。ただし、各層の組成について、図２０から単純な比較を行うことはできない。

図２０より、多層膜１０８のシリコンウェハと酸化物層１０５ａとの界面、および酸化物層１０５ｂの上面において、Ｓｉ濃度が高くなることがわかった。また、酸化物半導体層１０６のＳｉ濃度がＴｏＦ−ＳＩＭＳの検出下限である１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度であることがわかった。これは、酸化物層１０５ａおよび酸化物層１０５ｂがあることにより、シリコンウェハや表面汚染などに起因したシリコンが酸化物半導体層１０６にまで影響することがなくなったと考えられる。また、酸化物層１０５ａおよび酸化物層１０５ｂ中にはシリコンが混入しているものの、酸化物層１０５ａおよび酸化物層１０５ｂ自体がシリコンの混入によって酸素欠損を生じにくい酸化物層であるため、トランジスタの電気特性の劣化には寄与しないと考えられる。

また、図２０に示すａｓ−ｄｅｐｏ（加熱処理なしの試料）と加熱処理後の試料との比較により、加熱処理によってシリコンの拡散は起こりにくく、成膜時の混合が主であることがわかる。

多層膜１０８を用いたトランジスタに安定した電気特性を付与するためには、酸化物半導体層１０６を高純度真性化することが有効である。具体的には、酸化物半導体層１０６のキャリア密度を、１×１０^１７／ｃｍ^３未満、１×１０^１５／ｃｍ^３未満、または１×１０^１３／ｃｍ^３未満とすればよい。酸化物半導体層１０６において、水素、窒素、炭素、シリコン、および主成分以外の金属元素は不純物となる。酸化物半導体層１０６中の不純物濃度を低減するためには、近接する酸化物層１０５ａ中および酸化物層１０５ｂ中の不純物濃度も酸化物半導体層１０６と同程度まで低減することが好ましい。

特に、酸化物半導体層１０６にシリコンが高い濃度で含まれることにより、酸化物半導体層１０６にシリコンに起因する不純物準位が形成される。該不純物準位は、トラップとなり、トランジスタの電気特性を劣化させることがある。トランジスタの電気特性の劣化を小さくするためには、酸化物半導体層１０６のシリコン濃度を１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満とすればよい。また、酸化物層１０５ａと酸化物半導体層１０６との界面、および酸化物半導体層１０６と酸化物層１０５ｂとの界面のシリコン濃度についても、１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満とする。

また、酸化物半導体層１０６中で水素は、酸素欠損部に入り込むことでＤＯＳを形成する。酸化物半導体層１０６を真性または実質的に真性とするためには、酸化物半導体層１０６中の水素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、２×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。

なお、酸化物半導体層１０６にシリコンおよび炭素が高い濃度で含まれることにより、酸化物半導体層１０６の結晶性を低下させることがある。酸化物半導体層１０６の結晶性を低下させないためには、酸化物半導体層１０６のシリコン濃度を１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満とすればよい。また、酸化物半導体層１０６の結晶性を低下させないためには、酸化物半導体層１０６の炭素濃度を１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満とすればよい。多層膜１０８の結晶性については、後述する。

＜２−２−４．多層膜の結晶性＞
以下では、多層膜１０８に含まれる酸化物層１０５ａ、酸化物半導体層１０６、酸化物層１０５ｂおよび酸化物層１０５ｃの結晶性について説明する。

多層膜１０８において、酸化物層１０５ａ、酸化物半導体層１０６、酸化物層１０５ｂおよび酸化物層１０５ｃは非晶質構造または結晶質構造とする。

以下では、酸化物半導体層（酸化物層）の構造について説明する。

なお、本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。

また、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。

酸化物半導体層は、単結晶酸化物半導体層と非単結晶酸化物半導体層とに大別される。非単結晶酸化物半導体層とは、非晶質酸化物半導体層、微結晶酸化物半導体層、多結晶酸化物半導体層、ＣＡＡＣ−ＯＳ（ＣＡｘｉｓＡｌｉｇｎｅｄＣｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）層などをいう。

非晶質酸化物半導体層は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶成分を有さない酸化物半導体層である。微小領域においても結晶部を有さず、膜全体が完全な非晶質構造の酸化物半導体層が典型である。

微結晶酸化物半導体層は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ未満の大きさの微結晶（ナノ結晶ともいう。）を含む。したがって、微結晶酸化物半導体層は、非晶質酸化物半導体層よりも原子配列の規則性が高い。そのため、微結晶酸化物半導体層は、非晶質酸化物半導体層よりも欠陥準位密度が低いという特徴がある。

ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、複数の結晶部を有する酸化物半導体層の一つであり、ほとんどの結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさである。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳ層に含まれる結晶部は、一辺が１０ｎｍ未満、５ｎｍ未満または３ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさの場合も含まれる。ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、微結晶酸化物半導体層よりも欠陥準位密度が低いという特徴がある。以下、ＣＡＡＣ−ＯＳ層について詳細な説明を行う。

ＣＡＡＣ−ＯＳ層を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって観察すると、結晶部同士の明確な境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。

ＣＡＡＣ−ＯＳ層を、試料面と概略平行な方向からＴＥＭによって観察（断面ＴＥＭ観察）すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は、ＣＡＡＣ−ＯＳ層の膜を形成する面（被形成面ともいう。）または上面の凹凸を反映した形状であり、ＣＡＡＣ−ＯＳ層の被形成面または上面と平行に配列する。

一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ層を、試料面と概略垂直な方向からＴＥＭによって観察（平面ＴＥＭ観察）すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。

断面ＴＥＭ観察および平面ＴＥＭ観察より、ＣＡＡＣ−ＯＳ層の結晶部は配向性を有していることがわかる。

ＣＡＡＣ−ＯＳ層に対し、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ＲａｙＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）装置を用いて構造解析を行うと、例えばＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ層のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳ層の結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に概略垂直な方向を向いていることが確認できる。

一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ層に対し、ｃ軸に概略垂直な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎｅ法による解析では、２θが５６°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＩｎＧａＺｎＯ_４の単結晶酸化物半導体層であれば、２θを５６°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）として試料を回転させながら分析（φスキャン）を行うと、（１１０）面と等価な結晶面に帰属されるピークが６本観察される。これに対し、ＣＡＡＣ−ＯＳ層の場合は、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。

以上のことから、ＣＡＡＣ−ＯＳ層では、異なる結晶部間ではａ軸およびｂ軸の配向は不規則であるが、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていることがわかる。したがって、前述の断面ＴＥＭ観察で確認された層状に配列した金属原子の各層は、結晶のａｂ面に平行な面である。

なお、結晶部は、ＣＡＡＣ−ＯＳ層を成膜した際、または加熱処理などの結晶化処理を行った際に形成される。上述したように、結晶のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ層の被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。したがって、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ層の形状をエッチングなどによって変化させた場合、結晶のｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ層の被形成面または上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。

また、ＣＡＡＣ−ＯＳ層中の結晶化度が均一でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ層の結晶部が、ＣＡＡＣ−ＯＳ層の上面近傍からの結晶成長によって形成される場合、上面近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりも結晶化度が高くなることがある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ層に不純物を添加する場合、不純物が添加された領域の結晶化度が変化し、部分的に結晶化度の異なる領域が形成されることもある。

なお、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ層のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる場合がある。２θが３６°近傍のピークは、ＣＡＡＣ−ＯＳ層中の一部に、ｃ軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、２θが３１°近傍にピークを示し、２θが３６°近傍にピークを示さないことが好ましい。

ＣＡＡＣ−ＯＳ層を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。

なお、酸化物半導体層は、例えば、非晶質酸化物半導体層、微結晶酸化物半導体層、ＣＡＡＣ−ＯＳ層のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。

多層膜１０８において、少なくとも酸化物半導体層１０６は結晶質構造を有すると好ましい。特に、ＣＡＡＣ−ＯＳ層であると好ましい。

酸化物半導体層１０６をＣＡＡＣ−ＯＳ層とするためには、下地である酸化物層１０５ａがＣＡＡＣ−ＯＳ層と同様の結晶質構造であるか、非晶質構造であると好ましい。また、酸化物半導体層１０６がＣＡＡＣ−ＯＳ層であるとき、酸化物半導体層１０６を下地とする酸化物層１０５ｂはＣＡＡＣ−ＯＳ層と同様の結晶質構造となりやすい。ただし、酸化物層１０５ｂは結晶質構造に限定されず、非晶質構造であっても構わない。

なお、酸化物層１０５ｃは、非晶質構造または結晶質構造のいずれであっても構わない。

多層膜１０８を用いたトランジスタにおいて、酸化物半導体層１０６はチャネルとなる層であるため、酸化物半導体層１０６が高い結晶性を有すると、トランジスタに安定した電気特性を付与できるため好ましい。

＜３．多層膜を用いたトランジスタについて＞
以下では、酸化物半導体層１０６にチャネルが形成される、多層膜１０８を用いたトランジスタについて説明する。

＜３−１．トランジスタ構造（１）＞
ここでは、トップゲート型トランジスタの一種であるトップゲートトップコンタクト構造（ＴＧＴＣ構造）のトランジスタについて図２１を用いて説明する。

図２１に、ＴＧＴＣ構造であるトランジスタの上面図および断面図を示す。図２１（Ａ）は、トランジスタの上面図を示す。図２１（Ａ）において、一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図を図２１（Ｂ）に示す。また、図２１（Ａ）において、一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図を図２１（Ｃ）に示す。

図２１（Ｂ）に示すトランジスタは、基板１００上に設けられた下地絶縁膜１０２と、下地絶縁膜１０２上に設けられた酸化物半導体層１０６、および酸化物半導体層１０６を囲んで設けられた酸化物層１０５を含む多層膜１０８と、下地絶縁膜１０２および多層膜１０８上に設けられたソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂと、多層膜１０８、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂ上に設けられたゲート絶縁膜１１２と、ゲート絶縁膜１１２上に設けられたゲート電極１０４と、ゲート絶縁膜１１２およびゲート電極１０４上に設けられた保護絶縁膜１１８と、を有する。なお、トランジスタは、下地絶縁膜１０２または／および保護絶縁膜１１８を有さなくても構わない。

なお、図２２（Ａ）、図２２（Ｂ）および図２２（Ｃ）に示すトランジスタのように、多層膜１０８がソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂの幅（チャネル幅方向の長さ）より内側に設けられていてもよい。図２２に示すトランジスタは、ゲート電極１０４、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂなどによって多層膜１０８が遮光されるため、光による電気特性の変動が起こりにくい。

なお、図２１に示すトランジスタにおいて、チャネル形成領域は、ソース電極１１６ａとドレイン電極１１６ｂとに挟まれ、かつゲート電極１０４と重なる多層膜１０８である。ここでは、酸化物半導体層１０６に流れる電流の主経路をチャネルと呼ぶ。

なお、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂに用いる導電膜の種類によっては、多層膜１０８の一部から酸素を奪い、または混合層（導電膜の主成分である金属元素が多層膜１０８中に入り込んだ層）を形成し、チャネルとソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂとの間に、多層膜１０８中にソース領域およびドレイン領域を形成することがある。

なお、トランジスタのソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂ近傍の断面図を図２３に示す。ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂは、図２３に示すいずれの構造としても構わない。なお、図２３は、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂの形成によって生じる多層膜１０８の上面がえぐれたエッチング領域が生じることがあるが、理解を容易にするために省略して示す。

図２３（Ａ）は、図２１（Ｂ）に示すソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂと同様の構造である。このとき、多層膜１０８と、ソース電極１１６ａ、ドレイン電極１１６ｂとの間である破線で示す領域に、ソース領域１０８ａおよびドレイン領域１０８ｂが形成される。ソース領域１０８ａおよびドレイン領域１０８ｂは、多層膜１０８にソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂを形成する際のダメージや、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂである導電膜の作用で多層膜１０８に酸素欠損が生じることで形成される。なお、ソース領域１０８ａおよびドレイン領域１０８ｂは、多層膜１０８の酸化物半導体層１０６まで形成されているが、これに限定されるものではない。例えば、ソース領域１０８ａおよびドレイン領域１０８ｂが、多層膜１０８の酸化物層１０５のみに形成されていてもよい。このように、多層膜１０８に含まれる酸化物層１０５ｂおよび酸化物半導体層１０６と、ソース領域１０８ａおよびドレイン領域１０８ｂとは異なる物性を示す。具体的には、酸化物層１０５ｂおよび酸化物半導体層１０６よりもキャリア密度の高い（抵抗の低い）層となる。

図２３（Ｂ）は、ソース電極１１６ａとして、酸化されにくい導電層１１６ａ２と、導電層１１６ａ２上に設けられた導電層１１６ａ１を、ドレイン電極１１６ｂとして、酸化されにくい導電層１１６ｂ２と、導電層１１６ａ２上に設けられた導電層１１６ｂ１を、それぞれ有する構造である。なお、酸化されにくい導電層は、多層膜１０８を還元しにくい導電層である。ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂが、図２３（Ｂ）に示す構造を有することで、多層膜１０８に形成されるソース領域１０８ａおよびドレイン領域１０８ｂは酸化物層１０５のみに形成される。したがって、チャネル長方向への酸素欠損の広がりが小さく、チャネル形成領域がｎ化しにくい場合がある。また、導電層１１６ａ１および導電層１１６ｂ１を有するため、導電層１１６ａ２および導電層１１６ｂ２自体は導電性が低くてもよい。したがって、導電層１１６ａ２および導電層１１６ｂ２は、厚さが小さくてよく、微細加工にも有利となる。即ち、図２３（Ｂ）に示す構造は、チャネル長の小さい微細化されたトランジスタに好適な構造である。

図２３（Ｃ）は、ソース電極１１６ａとして、導電層１１６ａ３と、導電層１１６ａ３上に設けられた酸化されにくい導電層１１６ａ４を、ドレイン電極１１６ｂとして、導電層１１６ｂ３と、導電層１１６ｂ３上に設けられた酸化されにくい導電層１１６ｂ４を、それぞれ有する構造である。ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂが、図２３（Ｃ）に示す構造を有することで、多層膜１０８に形成されるソース領域１０８ａおよびドレイン領域１０８ｂは、多層膜１０８の酸化物半導体層まで形成される領域と、酸化物層１０５のみに形成される領域を有する。したがって、チャネル長方向への酸素欠損の広がりが小さく、チャネル形成領域がｎ化しにくい場合がある。また、導電層１１６ａ３および導電層１１６ｂ３の下部においては酸化物半導体層１０６までソース領域１０８ａおよびドレイン領域１０８ｂが形成されるため、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂ間の抵抗が小さくなり、トランジスタの電界効果移動度を高くすることができる。また、導電層１１６ａ３および導電層１１６ｂ３を有するため、導電層１１６ａ４および導電層１１６ｂ４自体は導電性が低くてもよい。したがって、導電層１１６ａ４および導電層１１６ｂ４は、厚さが小さくてよく、微細加工にも有利となる。即ち、図２３（Ｃ）に示す構造は、チャネル長の小さい微細化されたトランジスタに好適な構造である。

図２１（Ｃ）に示すように、トランジスタのチャネルを形成する酸化物半導体層１０６は、酸化物層１０５ｃが側面に設けられる構造となっている。酸化物半導体層１０６の側面は、保護膜がない場合、酸素欠損などが生じやすく、また不純物濃度が高くなりやすい領域である。当該側面において、酸素欠損や不純物が多く存在すると、当該側面においてしきい値電圧の異なる第２のトランジスタが形成されたように振る舞うことがあり、トランジスタの電気特性がばらついてしまう。図２１に示すトランジスタは、酸化物層１０５ｃが酸化物半導体層１０６の側面を保護していることにより、当該側面に、酸素欠損が生じることがなく、また不純物濃度が高くなることがない。したがって、電気特性の安定したトランジスタとなる。

また、図２１（Ｃ）において、下地絶縁膜１０２は、厚さの異なる三つの領域を有する。具体的には、酸化物層１０５ａと接する第１の領域が最も厚さが大きく、酸化物層１０５ｃの外周（図２１（Ａ）参照。）と同じか、酸化物層１０５ｃの外周よりも外側にある第２の領域が次に厚さが大きく、第２の領域のさらに外側にある第３の領域が最も厚さが小さい。

多層膜１０８は、前項で示した多層膜１０８についての記載を参照する。図２１に示すトランジスタは、酸化物層１０５に囲まれた酸化物半導体層１０６にチャネルが形成されるトランジスタである。酸化物層１０５を有することで、多層膜１０８はＤＯＳが極めて小さくでき、安定した電気特性を有するトランジスタとなる。また、酸化物半導体層１０６は、広いバンドギャップを有し、また実質的に真性であるため、トランジスタがオフ状態のときのリーク電流（オフ電流ともいう。）が極めて小さいトランジスタである。具体的には、チャネル長が３μｍ、チャネル幅が１０μｍのトランジスタにおいて、オフ電流を１×１０^−２０Ａ未満、好ましくは１×１０^−２２Ａ未満、さらに好ましくは１×１０^−２４Ａ未満とすることができる。即ち、オンオフ比が１５桁以上５０桁以下、好ましくは２０桁以上５０桁以下、さらに好ましくは２０桁以上１５０桁以下とすることができる。

図２１に示すトランジスタは、多層膜１０８の一部として側面に曲面を有する酸化物層１０５ｃが設けられており、また厚さの異なる三つの領域を有する下地絶縁膜１０２を有するため、上層に形成する膜の段差被覆性が高くなり、膜の割れや鬆の発生が抑制される。したがって、膜の割れや鬆によって外部から不純物が入り込むことがなく、安定した電気特性を有するトランジスタとなる。

基板１００に大きな制限はない。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを、基板１００として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などを適用することも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板１００として用いてもよい。

また、基板１００として、第５世代（１０００ｍｍ×１２００ｍｍまたは１３００ｍｍ×１５００ｍｍ）、第６世代（１５００ｍｍ×１８００ｍｍ）、第７世代（１８７０ｍｍ×２２００ｍｍ）、第８世代（２２００ｍｍ×２５００ｍｍ）、第９世代（２４００ｍｍ×２８００ｍｍ）、第１０世代（２８８０ｍｍ×３１３０ｍｍ）などの大型ガラス基板を用いる場合、半導体装置の作製工程における加熱処理などで生じる基板１００の縮みによって、微細な加工が困難になる場合ある。そのため、前述したような大型ガラス基板を基板１００として用いる場合、加熱処理による縮みの小さいものを用いることが好ましい。例えば、基板１００として、４００℃、好ましくは４５０℃、さらに好ましくは５００℃の温度で１時間加熱処理を行った後の縮み量が１０ｐｐｍ以下、好ましくは５ｐｐｍ以下、さらに好ましくは３ｐｐｍ以下である大型ガラス基板を用いればよい。

また、基板１００として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可とう性基板である基板１００に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。

下地絶縁膜１０２は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、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、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。

下地絶縁膜１０２は、例えば、１層目を窒化シリコン層とし、２層目を酸化シリコン層とした多層膜とすればよい。この場合、酸化シリコン層は酸化窒化シリコン層でも構わない。また、窒化シリコン層は窒化酸化シリコン層でも構わない。酸化シリコン層は、欠陥密度の小さい酸化シリコン層を用いると好ましい。具体的には、ＥＳＲにてｇ値が２．００１の信号に由来するスピンのスピン密度が３×１０^１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１６ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下である酸化シリコン層を用いる。酸化シリコン層は、過剰酸素を含む酸化シリコン層を用いる。窒化シリコン層は水素およびアンモニアの放出量が少ない窒化シリコン層を用いる。水素、アンモニアの放出量は、昇温脱離ガス分光法（ＴＤＳ：ＴｈｅｒｍａｌＤｅｓｏｒｐｔｉｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて測定すればよい。また、窒化シリコン層は、酸素を透過しない、またはほとんど透過しない窒化シリコン層を用いる。

なお、過剰酸素とは、加熱処理により酸化物層中、酸化物半導体層中、酸化シリコン層中、酸化窒化シリコン層中などを移動可能な酸素、化学量論的組成より過剰に存在する酸素、または酸素欠損に入り酸素欠損を低減する機能を有する酸素をいう。

過剰酸素を含む酸化シリコン層とは、加熱処理などによって酸素を放出することができる酸化シリコン層をいう。また、過剰酸素を含む絶縁膜は、加熱処理によって酸素を放出する機能を有する絶縁膜である。

ここで、加熱処理によって酸素を放出する膜は、ＴＤＳ分析によって、例えば基板温度が５０℃以上６５０℃以下において１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上または１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上の酸素（酸素原子数に換算）を放出することもある。

ここで、ＴＤＳ分析を用いた酸素の放出量の測定方法について、以下に説明する。

測定試料をＴＤＳ分析したときの気体の全放出量は、放出ガスのイオン強度の積分値に比例する。そして標準試料との比較により、気体の全放出量を計算することができる。

例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコンウェハのＴＤＳ分析結果、および測定試料のＴＤＳ分析結果から、測定試料の酸素分子の放出量（Ｎ_Ｏ２）は、数式（３）で求めることができる。ここで、ＴＤＳ分析で得られる質量数３２で検出されるガスの全てが酸素分子由来と仮定する。質量数３２のものとしてほかにＣＨ_３ＯＨがあるが、存在する可能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体である質量数１７の酸素原子および質量数１８の酸素原子を含む酸素分子についても、自然界における存在比率が極微量であるため考慮しない。

Ｎ_Ｈ２は、標準試料から脱離した水素分子を密度で換算した値である。Ｓ_Ｈ２は、標準試料をＴＤＳ分析したときのイオン強度の積分値である。ここで、標準試料の基準値を、Ｎ_Ｈ２／Ｓ_Ｈ２とする。Ｓ_Ｏ２は、測定試料をＴＤＳ分析したときのイオン強度の積分値である。αは、ＴＤＳ分析におけるイオン強度に影響する係数である。数式（３）の詳細に関しては、特開平６−２７５６９７公報を参照する。なお、上記酸素の放出量は、電子科学株式会社製の昇温脱離分析装置ＥＭＤ−ＷＡ１０００Ｓ／Ｗを用い、標準試料として１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２の水素原子を含むシリコンウェハを用いて測定した。

また、ＴＤＳ分析において、酸素の一部は酸素原子として検出される。酸素分子と酸素原子の比率は、酸素分子のイオン化率から算出することができる。なお、上述のαは酸素分子のイオン化率を含むため、酸素分子の放出量を評価することで、酸素原子の放出量についても見積もることができる。

なお、Ｎ_Ｏ２は酸素分子の放出量である。酸素原子に換算したときの放出量は、酸素分子の放出量の２倍となる。

または、加熱処理によって酸素を放出する膜は、過酸化ラジカルを含むこともある。具体的には、過酸化ラジカルに起因するスピン密度が、５×１０^１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以上であることをいう。なお、過酸化ラジカルを含む膜は、ＥＳＲにて、ｇ値が２．０１近傍に非対称の信号を有することもある。

または、過剰酸素を含む絶縁膜は、酸素が過剰な酸化シリコン（ＳｉＯ_Ｘ（Ｘ＞２））であってもよい。酸素が過剰な酸化シリコン（ＳｉＯ_Ｘ（Ｘ＞２））は、シリコン原子数の２倍より多い酸素原子を単位体積当たりに含むものである。単位体積当たりのシリコン原子数および酸素原子数は、ＲＢＳにより測定した値である。

ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂは、アルミニウム、チタン、クロム、コバルト、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電膜を、単層で、または積層で用いればよい。なお、ソース電極１１６ａとドレイン電極１１６ｂは同一組成であってもよいし、異なる組成であってもよい。

ここで、ソース電極１１６ａ、ドレイン電極１１６ｂに用いることのできる酸化されにくい導電層１１６ａ２、導電層１１６ａ４、導電層１１６ｂ２、導電層１１６ｂ４としては、窒化チタン、窒化タンタル、窒化モリブデンなどが挙げられ、好ましくは、窒化チタンを用いる。

また、ソース電極１１６ａ、ドレイン電極１１６ｂに用いることのできる導電層１１６ａ１、導電層１１６ａ３、導電層１１６ｂ１、導電層１１６ｂ３としては、アルミニウム、チタン、クロム、コバルト、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、タンタルおよびタングステンを用いる。

ゲート絶縁膜１１２は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、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、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。

ゲート絶縁膜１１２は、例えば、１層目を窒化シリコン層とし、２層目を酸化シリコン層とした多層膜とすればよい。この場合、酸化シリコン層は酸化窒化シリコン層でも構わない。また、窒化シリコン層は窒化酸化シリコン層でも構わない。酸化シリコン層は、欠陥密度の小さい酸化シリコン層を用いると好ましい。具体的には、電子スピン共鳴（ＥＳＲ：ＥｌｅｃｔｒｏｎＳｐｉｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）にてｇ値が２．００１の信号に由来するスピンのスピン密度が３×１０^１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１６ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下である酸化シリコン層を用いる。酸化シリコン層は、過剰酸素を含む酸化シリコン層を用いると好ましい。窒化シリコン層は水素およびアンモニアの放出量が少ない窒化シリコン層を用いる。水素、アンモニアの放出量は、ＴＤＳ分析にて測定すればよい。

ゲート絶縁膜１１２の厚さは、酸化物層１０５ａおよび下地絶縁膜１０２の形状によって最適値を有する。ここで、酸化物層１０５ａの厚さをＨ_Ｓ１、下地絶縁膜１０２の第２の領域の厚さと第３の領域の厚さの差をＨ_Ｏ１とし、第１の領域と第２の領域の厚さの差をＨ_Ｏ２とする。このとき、ゲート絶縁膜１１２の厚さは、（Ｈ_Ｓ１＋Ｈ_Ｏ２＋Ｈ_Ｏ１）以下、好ましくは（Ｈ_Ｓ１＋Ｈ_Ｏ２）以下、さらに好ましくはＨ_Ｓ１以下とする。具体的には、ゲート絶縁膜１１２の厚さは、１００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以下、さらに好ましくは３０ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以下とする。ゲート絶縁膜１１２の厚さを前述の範囲にすることで、酸化物層１０５ｃを介して酸化物半導体層１０６にゲート電極１０４からの電界を印加することができるため、トランジスタのオンオフの切り替えが速やかに行われ、トランジスタを高速動作させることができる。

ゲート電極１０４は、アルミニウム、チタン、クロム、コバルト、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電膜を、単層で、または積層で用いればよい。

なお、図２１（Ａ）に示すように、ゲート電極１０４の外側まで多層膜１０８が設けられる構成に限定されず、多層膜１０８がゲート電極１０４の内側に含まれるように設けられてもよい。こうすることで、基板１００側から光が入射した際に、多層膜１０８中で光によってキャリアが生成されることを抑制することができる。

なお、図２１（Ａ）では、多層膜１０８がゲート電極１０４よりも外側まで形成されているが、多層膜１０８中で光によってキャリアが生成されることを抑制するために、ゲート電極１０４の内側に多層膜１０８が形成されていても構わない。

保護絶縁膜１１８は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、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、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。

保護絶縁膜１１８は、例えば、１層目を酸化シリコン層とし、２層目を窒化シリコン層とした多層膜とすればよい。この場合、酸化シリコン層は酸化窒化シリコン層でも構わない。また、窒化シリコン層は窒化酸化シリコン層でも構わない。酸化シリコン層は、欠陥密度の小さい酸化シリコン層を用いると好ましい。具体的には、ＥＳＲにてｇ値が２．００１の信号に由来するスピンのスピン密度が３×１０^１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１６ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下である酸化シリコン層を用いる。窒化シリコン層は水素およびアンモニアの放出量が少ない窒化シリコン層を用いる。水素、アンモニアの放出量は、ＴＤＳ分析にて測定すればよい。また、窒化シリコン層は、酸素を透過しない、またはほとんど透過しない窒化シリコン層を用いる。

または、保護絶縁膜１１８は、例えば、１層目を第１の酸化シリコン層とし、２層目を第２の酸化シリコン層とし、３層目を窒化シリコン層とした多層膜とすればよい。この場合、第１の酸化シリコン層または／および第２の酸化シリコン層は酸化窒化シリコン層でも構わない。また、窒化シリコン層は窒化酸化シリコン層でも構わない。第１の酸化シリコン層は、欠陥密度の小さい酸化シリコン層を用いると好ましい。具体的には、ＥＳＲにてｇ値が２．００１の信号に由来するスピンのスピン密度が３×１０^１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１６ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下である酸化シリコン層を用いる。第２の酸化シリコン層は、過剰酸素を含む酸化シリコン層を用いる。窒化シリコン層は水素およびアンモニアの放出量が少ない窒化シリコン層を用いる。また、窒化シリコン層は、酸素を透過しない、またはほとんど透過しない窒化シリコン層を用いる。

下地絶縁膜１０２およびゲート絶縁膜１１２、または下地絶縁膜１０２および保護絶縁膜１１８が過剰酸素を含む絶縁膜を含むことで、多層膜１０８が過剰酸素を含む絶縁膜に囲まれた構造とすることができる。多層膜１０８が過剰酸素を含む絶縁膜に囲まれた構造とすることで、酸化物半導体層１０６の酸素欠損を効果的に低減することができる。

以上のようにして構成されたトランジスタは、酸化物半導体層１０６を酸化物層１０５で囲んだ多層膜１０８を用いることで、安定した電気特性を有し、高い電界効果移動度を有する。また、多層膜１０８の一部として側面に曲面を有する酸化物層１０５が設けられており、厚さの異なる三つの領域を有する下地絶縁膜１０２を有するため、上層の段差被覆性が高く、さらに安定した電気特性を有するトランジスタとなる。

＜３−２．トランジスタ構造（１）の作製方法＞
ここで、図２１に示したトランジスタの作製方法について図２４および図２５を用いて説明する。

まずは、基板１００を準備する。

次に、下地絶縁膜１０２となる絶縁膜を成膜する。

ここで、下地絶縁膜１０２となる絶縁膜を３層構造とする場合について説明する。まず、窒化シリコン層を成膜する。次に、第１の酸化シリコン層を成膜する。次に、酸化シリコン層に酸素イオンを添加する処理を行ってもよい。酸素イオンを添加する処理は、イオンドーピング装置またはプラズマ処理装置を用いればよい。イオンドーピング装置として、質量分離機能を有するイオンドーピング装置を用いてもよい。酸素イオンの原料として、^１６Ｏ_２もしくは^１８Ｏ_２などの酸素ガス、亜酸化窒素ガスまたはオゾンガスなどを用いればよい。次に、第２の酸化シリコン層を成膜することで下地絶縁膜１０２となる絶縁膜を形成すればよい。

窒化シリコン層は、プラズマＣＶＤ法によって成膜すると好ましい。具体的には、基板温度を１８０℃以上４００℃以下、好ましくは２００℃以上３７０℃以下とし、シリコンを含む堆積性ガス、窒素ガスおよびアンモニアガスを用いて圧力２０Ｐａ以上２５０Ｐａ以下、好ましくは４０Ｐａ以上２００Ｐａ以下として、高周波電力を供給することで成膜すればよい。

なお、窒素ガスはアンモニアガスの流量の５倍以上５０倍以下、好ましくは１０倍以上５０倍以下とする。なお、アンモニアガスを用いることで、シリコンを含む堆積性ガスおよび窒素ガスの分解を促すことができる、これは、アンモニアガスがプラズマエネルギーおよび熱エネルギーによって解離し、解離することで生じるエネルギーが、シリコンを含む堆積性ガスの結合、および窒素ガスの結合の分解に寄与するためである。

したがって、上述の方法によって、水素ガスおよびアンモニアガスの放出量が少ない窒化シリコン層を成膜することができる。また、水素の含有量が少ないため、緻密となり、水素、水および酸素を透過しない、またはほとんど透過しない窒化シリコン層とすることができる。

第１の酸化シリコン層は、プラズマＣＶＤ法によって成膜すると好ましい。具体的には、基板温度を１６０℃以上３５０℃以下、好ましくは１８０℃以上２６０℃以下とし、シリコンを含む堆積性ガスおよび酸化性ガスを用いて圧力１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下、好ましくは１００Ｐａ以上２００Ｐａ以下として、電極に０．１７Ｗ／ｃｍ^２以上０．５Ｗ／ｃｍ^２以下、好ましくは０．２５Ｗ／ｃｍ^２以上０．３５Ｗ／ｃｍ^２以下の高周波電力を供給することで成膜すればよい。

上述の方法によって、プラズマ中でのガスの分解効率が高まり、酸素ラジカルが増加し、ガスの酸化が進むため、過剰酸素を含む第１の酸化シリコン層を成膜することができる。

第２の酸化シリコン層は、ＣＶＤ法の一種であるプラズマＣＶＤ法によって成膜すると好ましい。具体的には、基板温度を１８０℃以上４００℃以下、好ましくは２００℃以上３７０℃以下とし、シリコンを含む堆積性ガスおよび酸化性ガスを用いて圧力２０Ｐａ以上２５０Ｐａ以下、好ましくは４０Ｐａ以上２００Ｐａ以下として、電極に高周波電力を供給することで成膜すればよい。なお、シリコンを含む堆積性ガスの代表例としては、シラン、ジシラン、トリシラン、フッ化シラン、などがある。酸化性ガスとしては、酸素、オゾン、亜酸化窒素、二酸化窒素などがある。

なお、シリコンを含む堆積性ガスに対する酸化性ガスの流量を１００倍以上とすることで、第２の酸化シリコン層中の水素含有量を低減し、かつダングリングボンドを低減することができる。

以上のようにして、欠陥密度の小さい第２の酸化シリコン層を成膜する。即ち、第２の酸化シリコン層は、ＥＳＲにてｇ値が２．００１の信号に由来するスピンの密度が３×１０^１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下、または５×１０^１６ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下とすることができる。

次に、酸化物半導体層１０６と、酸化物半導体層１０６を囲んで設けられた酸化物層１０５と、を有する多層膜１０８を形成する。このとき、下地絶縁膜１０２となる絶縁膜は、一部がエッチングされて下地絶縁膜１３３となる（図２４（Ａ）参照。）。下地絶縁膜１３３および多層膜１０８の形成方法については、図１１乃至図１５の記載を参照する。

次に、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂとなる導電膜を成膜する。ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂとなる導電膜は、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂとして示した導電膜をスパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ：ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）法、原子層堆積（ＡＬＤ：ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法またはパルスレーザ堆積（ＰＬＤ：ＰｕｌｓｅｄＬａｓｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて成膜すればよい。

次に、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂとなる導電膜の一部をエッチングし、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂを形成するとともに、下地絶縁膜１３３の一部がエッチングされ、下地絶縁膜１０２となる（図２４（Ｂ）参照。）。下地絶縁膜１０２は、２回に分けて一部がエッチングされることにより、厚さの異なる三つの領域を有する。

なお、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂとなる導電膜をスパッタリング法によって成膜する場合、成膜時に多層膜１０８の表面にプラズマによるダメージが生じ、酸素欠損が形成されることがある。また、形成された酸素欠損には水素が入り込むことがある。

多層膜１０８として、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を用いるとき、プラズマダメージによってＩｎ、Ｍ、Ｚｎと結合する酸素が脱離する。酸素が脱離することで生じたＩｎ、Ｍ、Ｚｎのダングリングボンドが水素終端することによって、Ｉｎ−Ｈ、Ｍ−Ｈ、Ｚｎ−Ｈが形成されうる。特に、イオン半径が最も大きく、酸素との結合力が最も弱いＩｎからの酸素の脱離が起こりやすく、Ｉｎ−Ｏ−Ｉｎが切断されて、Ｉｎ−Ｖｏが形成され、さらにＨが入り込むことで、Ｉｎ−ＶｏＨが形成されやすい。

したがって、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂとなる導電膜を形成後では、該導電膜と接する多層膜１０８の面がｎ型化されうる。

なお、プラズマダメージが与えられ、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂを形成するためのエッチングにより多層膜１０８までオーバーエッチされても、Ｇａ（Ｚｎ）−Ｏ−Ｇａ（Ｚｎ）は、結合力が強いため切れずに結晶性を保つことができる。

そこで、ｎ型化した多層膜１０８の一部と接して過剰酸素を含むゲート絶縁膜１１２を形成し、多層膜１０８においてゲート絶縁膜１１２と接する領域に酸素を供給する加熱処理を行うことは有効である。

当該加熱処理を行うことで、多層膜１０８のチャネル形成領域においてｎ型化した領域に含まれるＩｎ−ＶｏＨに酸素が補填されて、再びＩｎ−Ｏ−Ｉｎを形成することができる。これは、Ｇａ（Ｚｎ）−Ｏ−Ｇａ（Ｚｎ）の結合が切れないことで、歪みエネルギーにより初期の結合状態に戻ろうとするためである。また、加熱処理により、酸素欠損部に取り込まれた水素は、水として外部に放出することができる。即ち、加熱処理によって多層膜１０８へ酸素を供給することで、ｎ型化したチャネル領域を再びｉ型化することが可能となる。

また、加熱処理の温度および時間を適宜調整することで、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂと接する領域ではＩｎ−ＶｏＨを残存させながら、チャネル領域においてはｉ型化を図ることができる。この場合、ソース領域１０８ａまたはドレイン領域１０８ｂとして機能するｎ層を含み、かつチャネル形成領域は真性化または実質的に真性化した多層膜１０８を形成することができる。

なお、ｎ型化したチャネル形成領域への酸素の供給は、加熱処理に代えて（または加熱処理に加えて）、当該領域へのＮ_２Ｏプラズマ処理、または、レジストをアッシングするためのプラズマ処理によって行ってもよい。

以上のようにして、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂと接する多層膜１０８の面にソース領域１０８ａおよびドレイン領域１０８ｂを形成し、かつ多層膜１０８のチャネル形成領域は真性または実質的に真性とすることができる。

次に、ゲート絶縁膜１１２を成膜する（図２４（Ｃ）参照。）。ゲート絶縁膜１１２は、ゲート絶縁膜１１２として示した絶縁膜をスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。ゲート絶縁膜１１２は、多層膜１０８の一部として側面に曲面を有する酸化物層１０５ｃが設けられており、下地絶縁膜１０２が厚さの異なる三つの領域を有することにより、段差被覆性が高く、形状不良が発生しにくい。

次に、ゲート電極１０４となる導電膜を成膜する。ゲート電極１０４となる導電膜は、ゲート電極１０４として示した導電膜をスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。

次に、ゲート電極１０４となる導電膜の一部をエッチングし、ゲート電極１０４を形成する（図２５（Ａ）参照。）。

次に、保護絶縁膜１１８を成膜する（図２５（Ｂ）参照。）。保護絶縁膜１１８は、保護絶縁膜１１８として示した絶縁膜をスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。保護絶縁膜１１８は、多層膜１０８の一部として側面に曲面を有する酸化物層１０５ｃが設けられており、下地絶縁膜１０２が厚さの異なる三つの領域を有することにより、段差被覆性が高く、形状不良が発生しにくい。

ここで、保護絶縁膜１１８を３層構造とする場合について説明する。まず、第１の酸化シリコン層を成膜する。次に、第２の酸化シリコン層を成膜する。次に、第２の酸化シリコン層に酸素イオンを添加する処理を行うと好ましい。酸素イオンを添加する処理は、イオンドーピング装置またはプラズマ処理装置を用いればよい。イオンドーピング装置として、質量分離機能を有するイオンドーピング装置を用いてもよい。酸素イオンの原料として、^１６Ｏ_２もしくは^１８Ｏ_２などの酸素ガス、亜酸化窒素ガスまたはオゾンガスなどを用いればよい。次に、窒化シリコン層を成膜することで、保護絶縁膜１１８を形成すればよい。

第１の酸化シリコン層は、ＣＶＤ法の一種であるプラズマＣＶＤ法によって成膜すると好ましい。具体的には、基板温度を１８０℃以上４００℃以下、好ましくは２００℃以上３７０℃以下とし、シリコンを含む堆積性ガスおよび酸化性ガスを用いて圧力２０Ｐａ以上２５０Ｐａ以下、好ましくは４０Ｐａ以上２００Ｐａ以下として、電極に高周波電力を供給することで成膜すればよい。なお、シリコンを含む堆積性ガスの代表例としては、シラン、ジシラン、トリシラン、フッ化シラン、などがある。酸化性ガスとしては、酸素、オゾン、亜酸化窒素、二酸化窒素などがある。

なお、シリコンを含む堆積性ガスに対する酸化性ガスの流量を１００倍以上とすることで、第１の酸化シリコン層中の水素含有量を低減し、かつダングリングボンドを低減することができる。

以上のようにして、欠陥密度の小さい第１の酸化シリコン層を成膜する。即ち、第１の酸化シリコン層は、ＥＳＲにてｇ値が２．００１の信号に由来するスピンの密度が３×１０^１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下、または５×１０^１６ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下とすることができる。

第２の酸化シリコン層は、プラズマＣＶＤ法によって成膜すると好ましい。具体的には、基板温度を１６０℃以上３５０℃以下、好ましくは１８０℃以上２６０℃以下とし、シリコンを含む堆積性ガスおよび酸化性ガスを用いて圧力１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下、好ましくは１００Ｐａ以上２００Ｐａ以下として、電極に０．１７Ｗ／ｃｍ^２以上０．５Ｗ／ｃｍ^２以下、好ましくは０．２５Ｗ／ｃｍ^２以上０．３５Ｗ／ｃｍ^２以下の高周波電力を供給することで成膜すればよい。

上述の方法によって、プラズマ中でのガスの分解効率が高まり、酸素ラジカルが増加し、ガスの酸化が進むため、過剰酸素を含む第２の酸化シリコン層を成膜することができる。

次に、加熱処理を行うと好ましい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下で行えばよい。加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上もしくは１０％以上含む雰囲気、または減圧状態で行う。または、加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理により、下地絶縁膜１０２、ゲート絶縁膜１１２、保護絶縁膜１１８の少なくともいずれかから過剰酸素が放出され、多層膜１０８の酸素欠損を低減することができる。なお、多層膜１０８中では、酸素欠損が隣接する酸素原子を捕獲していくことで、見かけ上移動する。したがって、過剰酸素は、酸化物層１０５ａ、酸化物層１０５ｂ、酸化物層１０５ｃなどを介して酸化物半導体層１０６に達することができる。

以上のようにして、トランジスタを作製することができる。

当該トランジスタは、多層膜１０８の酸素欠損が低減されているため、ＤＯＳが少なく、安定した電気特性を有する。また、多層膜１０８の一部として側面に曲面を有する酸化物層１０５が設けられており、下地絶縁膜１０２が厚さの異なる三つの領域を有することにより、ゲート絶縁膜１１２、保護絶縁膜１１８などの段差被覆性が高く、形状不良が起こりにくいため、生産性を高めることができる。

＜３−２−１．製造装置について＞
酸化物半導体層１０６に含まれる不純物濃度が低いことによって、トランジスタの電気特性は安定となる。また、酸化物半導体層１０６が高い結晶性を有することで、酸化物半導体層１０６が非晶質構造である場合と比べて、トランジスタの電気特性は安定となる。以下では、不純物濃度が低く、結晶性の高い酸化物半導体層１０６となる酸化物半導体層１３６を成膜するための成膜装置について説明する。

まずは、成膜時に不純物の入り込みが少ない成膜装置の構成について図２６を用いて説明する。

図２６（Ａ）は、マルチチャンバーの成膜装置の上面図である。該成膜装置は、基板を収容するカセットポート７４を３つ有する大気側基板供給室７１と、ロードロック室７２ａおよびアンロードロック室７２ｂと、搬送室７３と、搬送室７３ａと、搬送室７３ｂと、基板加熱室７５と、成膜室７０ａと、成膜室７０ｂと、を有する。大気側基板供給室７１は、ロードロック室７２ａおよびアンロードロック室７２ｂと接続する。ロードロック室７２ａおよびアンロードロック室７２ｂは、搬送室７３ａおよび搬送室７３ｂを介して搬送室７３と接続する。基板加熱室７５、成膜室７０ａおよび成膜室７０ｂは、搬送室７３とのみ接続する。なお、各室の接続部にはゲートバルブ（ＧＶ）が設けられており、大気側基板供給室７１を除き、各室を独立して真空状態に保持することができる。また、大気側基板供給室７１および搬送室７３は、一以上の基板搬送ロボット７６を有し、基板を搬送することができる。ここで、基板加熱室７５は、プラズマ処理室を兼ねると好ましい。マルチチャンバーの成膜装置は、処理と処理の間で基板を大気暴露することなく搬送可能なため、基板に不純物が吸着することを抑制できる。また、成膜や熱処理などの順番を自由に構築することができる。なお、搬送室、成膜室、ロードロック室、アンロードロック室および基板加熱室の数は、上述の数に限定されるわけではなく、設置スペースやプロセスに併せて適宜決めればよい。

図２６（Ｂ）は、図２６（Ａ）と構成の異なるマルチチャンバーの成膜装置の上面図である。該成膜装置は、カセットポート８４を有する大気側基板供給室８１と、ロード／アンロードロック室８２と、搬送室８３と、基板加熱室８５と、成膜室８０ａと、成膜室８０ｂと、成膜室８０ｃと、成膜室８０ｄと、を有する。大気側基板供給室８１、基板加熱室８５、成膜室８０ａ、成膜室８０ｂ、成膜室８０ｃおよび成膜室８０ｄは、搬送室８３を介してそれぞれ接続される。

なお、各室の接続部にはゲートバルブ（ＧＶ）が設けられており、大気側基板供給室８１を除き各室を独立して真空状態に保持することができる。また、大気側基板供給室８１および搬送室８３は一以上の基板搬送ロボット８６を有し、ガラス基板を搬送することができる。

ここで、図２７（Ａ）を用いて図２６（Ｂ）に示す成膜室（スパッタリング室）の詳細について説明する。成膜室８０ｂは、ターゲット８７と、防着板８８と、基板ステージ９０と、を有する。なお、ここでは基板ステージ９０には、ガラス基板８９が設置されている。基板ステージ９０は、図示しないが、ガラス基板８９を保持する基板保持機構や、ガラス基板８９を裏面から加熱する裏面ヒーターなどを備えていてもよい。また、防着板８８によって、ターゲット８７からスパッタされる粒子が不要な領域に堆積することを抑制できる。

また、図２７（Ａ）に示す成膜室８０ｂは、ゲートバルブを介して、搬送室８３と接続しており、搬送室８３はゲートバルブを介してロード／アンロードロック室８２と接続されている。搬送室８３には、基板搬送ロボット８６が設けられており、成膜室８０ｂとロード／アンロードロック室８２とのガラス基板の受け渡しを行うことができる。また、ロード／アンロードロック室８２は、一つの真空チャンバー内で上下に分かれており、いずれか一方をロード室として用い、他方をアンロード室として用いることができる。このような構造とすることで、スパッタリング装置の設置面積を縮小することができるため、好適である。

また、図２７（Ａ）に示す成膜室８０ｂは、マスフローコントローラ９７を介して精製機９４と接続される。なお、精製機９４およびマスフローコントローラ９７は、ガス種の数だけ設けられるが、簡単のため一つのみを示す。成膜室８０ｂなどに用いるガスは、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下であるガスを用いる。露点の低い酸素ガス、希ガス（アルゴンガスなど）などを用いることで、成膜時に混入する水分を低減することができる。

また、図２７（Ａ）に示す成膜室８０ｂは、バルブを介してクライオポンプ９５ａと接続され、搬送室８３は、ゲートバルブを介してクライオポンプ９５ｂと接続され、ロード／アンロードロック室８２は、ゲートバルブを介して真空ポンプ９６と接続される。なお、ロード／アンロードロック室８２は、ロードロック室、アンロードロック室をそれぞれ独立して真空ポンプと接続してもよい。また、成膜室８０ｂおよび搬送室８３は、それぞれゲートバルブを介して真空ポンプ９６と接続される。

なお、真空ポンプ９６は、例えば、ドライポンプおよびメカニカルブースターポンプが直列に接続されたものとすればよい。このような構成とすることで、成膜室８０ｂおよび搬送室８３は、大気圧から低真空（０．１Ｐａ〜１０Ｐａ程度）までは真空ポンプ９６を用いて排気し、バルブを切り替えて低真空から高真空（１×１０^−４Ｐａ〜１×１０^−７Ｐａ）まではクライオポンプ９５ａまたはクライオポンプ９５ｂを用いて排気される。

次に、図２７（Ｂ）を用いて図２６（Ｂ）に示す成膜室の他の一例について説明する。

図２７（Ｂ）に示す成膜室８０ｂはゲートバルブを介して、搬送室８３と接続しており、搬送室８３はゲートバルブを介してロード／アンロードロック室８２と接続されている。

図２７（Ｂ）に示す成膜室８０ｂは、ガス加熱機構９８を介してマスフローコントローラ９７と接続され、ガス加熱機構９８はマスフローコントローラ９７を介して精製機９４と接続される。ガス加熱機構９８により、成膜室８０ｂに用いるガスを４０℃以上４００℃以下、または５０℃以上２００℃以下に加熱することができる。なお、ガス加熱機構９８、精製機９４およびマスフローコントローラ９７は、ガス種の数だけ設けられるが、簡単のため一つのみを示す。

図２７（Ｂ）に示す成膜室８０ｂは、バルブを介してターボ分子ポンプ９５ｃおよび真空ポンプ９６ｂと接続される。なお、ターボ分子ポンプ９５ｃは、補助ポンプとしてバルブを介して真空ポンプ９６ａが設けられる。真空ポンプ９６ａおよび真空ポンプ９６ｂは真空ポンプ９６と同様の構成とすればよい。

また、図２７（Ｂ）に示す成膜室８０ｂは、クライオトラップ９９が設けられる。

ターボ分子ポンプ９５ｃは大きいサイズの分子（原子）を安定して排気し、かつメンテナンスの頻度が低いため、生産性に優れる一方、水素や水の排気能力が低いことが知られる。そこで、水などの比較的融点の高い分子（原子）に対する排気能力が高い、クライオトラップ９９が成膜室８０ｂに接続された構成としている。クライオトラップ９９の冷凍機の温度は１００Ｋ以下、好ましくは８０Ｋ以下とする。また、クライオトラップ９９が複数の冷凍機を有する場合、冷凍機ごとに温度を変えると、効率的に排気することが可能となるため好ましい。例えば、１段目の冷凍機の温度を１００Ｋ以下とし、２段目の冷凍機の温度を２０Ｋ以下とすればよい。

また、図２７（Ｂ）に示す搬送室８３は、真空ポンプ９６ｂ、クライオポンプ９５ｄおよびクライオポンプ９５ｅとそれぞれバルブを介して接続される。クライオポンプが１台の場合、クライオポンプをリジェネしている間は排気することができないが、クライオポンプを２台以上並列に接続することで、１台がリジェネ中であっても残りのクライオポンプを使って排気することが可能となる。なお、クライオポンプのリジェネとは、クライオポンプ内にため込まれた分子（原子）を放出する処理をいう。クライオポンプは、分子（原子）をため込みすぎると排気能力が低下してくるため、定期的にリジェネが行われる。

また、図２７（Ｂ）に示すロード／アンロードロック室８２は、クライオポンプ９５ｆおよび真空ポンプ９６ｃとそれぞれバルブを介して接続される。なお、真空ポンプ９６ｃは真空ポンプ９６と同様の構成とすればよい。

成膜室８０ｂに、ターゲット対向式スパッタリング装置を適用してもよい。

なお、成膜室８０ｂに、平行平板型スパッタリング装置、イオンビームスパッタリング装置を適用しても構わない。

次に、図２８を用いて図２６（Ｂ）に示す基板加熱室の一例の排気について説明する。

図２８に示す基板加熱室８５はゲートバルブを介して、搬送室８３と接続している。なお、搬送室８３はゲートバルブを介してロード／アンロードロック室８２と接続されている。なお、ロード／アンロードロック室８２の構成は図２７（Ａ）または図２７（Ｂ）の構成と同様である。

図２８に示す基板加熱室８５は、マスフローコントローラ９７を介して精製機９４と接続される。なお、精製機９４およびマスフローコントローラ９７は、ガス種の数だけ設けられるが、簡単のため一つのみを示す。また、基板加熱室８５は、バルブを介して真空ポンプ９６ｂと接続される。

また、基板加熱室８５は、基板ステージ９２を有する。基板ステージ９２は、少なくとも１枚の基板が設置できればよく、複数の基板を設置可能な基板ステージとしても構わない。また、基板加熱室８５は、加熱機構９３を有する。加熱機構９３は、例えば、抵抗発熱体などを用いて加熱する加熱機構としてもよい。または、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導または熱輻射によって、加熱する加熱機構としてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（ＧａｓＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌ）、ＬＲＴＡ（ＬａｍｐＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌ）などのＲＴＡ（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌ）を用いることができる。ＬＲＴＡは、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する。ＧＲＴＡは、高温のガスを用いて熱処理を行う。ガスとしては、不活性ガスが用いられる。

なお、成膜室８０ｂおよび基板加熱室８５の背圧は、１×１０^−４Ｐａ以下、好ましくは３×１０^−５Ｐａ以下、さらに好ましくは１×１０^−５Ｐａ以下である。

また、成膜室８０ｂおよび基板加熱室８５は、ｍ／ｚが１８である気体分子（原子）の分圧が３×１０^−５Ｐａ以下、好ましくは１×１０^−５Ｐａ以下、さらに好ましくは３×１０^−６Ｐａ以下である。

また、成膜室８０ｂおよび基板加熱室８５は、ｍ／ｚが２８である気体分子（原子）の分圧が３×１０^−５Ｐａ以下、好ましくは１×１０^−５Ｐａ以下、さらに好ましくは３×１０^−６Ｐａ以下である。

また、成膜室８０ｂおよび基板加熱室８５は、ｍ／ｚが４４である気体分子（原子）の分圧が３×１０^−５Ｐａ以下、好ましくは１×１０^−５Ｐａ以下、さらに好ましくは３×１０^−６Ｐａ以下である。

なお、成膜室８０ｂおよび基板加熱室８５は、リークレートが３×１０^−６Ｐａ・ｍ^３／ｓ以下、好ましくは１×１０^−６Ｐａ・ｍ^３／ｓ以下である。

また、成膜室８０ｂおよび基板加熱室８５は、ｍ／ｚが１８である気体分子（原子）のリークレートが１×１０^−７Ｐａ・ｍ^３／ｓ以下、好ましくは３×１０^−８Ｐａ・ｍ^３／ｓ以下である。

また、成膜室８０ｂおよび基板加熱室８５は、ｍ／ｚが２８である気体分子（原子）のリークレートが１×１０^−５Ｐａ・ｍ^３／ｓ以下、好ましくは１×１０^−６Ｐａ・ｍ^３／ｓ以下である。

また、成膜室８０ｂおよび基板加熱室８５は、ｍ／ｚが４４である気体分子（原子）のリークレートが３×１０^−６Ｐａ・ｍ^３／ｓ以下、好ましくは１×１０^−６Ｐａ・ｍ^３／ｓ以下である。

なお、成膜室、基板加熱室、搬送室などの真空室内の全圧および分圧は、質量分析計を用いて測定することができる。例えば、株式会社アルバック製四重極形質量分析計（Ｑ−ｍａｓｓともいう。）ＱｕｌｅｅＣＧＭ−０５１を用いればよい。なお、リークレートに関しては、前述の質量分析計を用いて測定した全圧および分圧から導出すればよい。

リークレートは、外部リークおよび内部リークに依存する。外部リークは、微小な穴やシール不良などによって真空系外から気体が流入することである。内部リークは、真空系内のバルブなどの仕切りからの漏れや内部の部材からの放出ガスに起因する。リークレートを上述の数値以下とするために、外部リークおよび内部リークの両面から対策をとる必要がある。

例えば、成膜室の開閉部分はメタルガスケットでシールするとよい。メタルガスケットは、フッ化鉄、酸化アルミニウム、または酸化クロムによって被覆された金属を用いると好ましい。メタルガスケットはＯリングと比べ密着性が高く、外部リークを低減できる。また、フッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどによって被覆された金属の不動態を用いることで、メタルガスケットから放出される不純物を含む放出ガスが抑制され、内部リークを低減することができる。

成膜装置を構成する部材として、不純物を含む放出ガスの少ないアルミニウム、クロム、チタン、ジルコニウム、ニッケルまたはバナジウムを用いる。また、前述の部材を鉄、クロムおよびニッケルなどを含む合金に被覆して用いてもよい。鉄、クロムおよびニッケルなどを含む合金は、剛性があり、熱に強く、また加工に適している。ここで、表面積を小さくするために部材の表面凹凸を研磨などによって低減しておくと、放出ガスを低減できる。

または、前述の成膜装置の部材をフッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで被覆してもよい。

成膜装置の部材は、極力金属のみで構成することが好ましく、例えば石英などで構成される覗き窓などを設置する場合も、放出ガスを抑制するために表面をフッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで薄く被覆するとよい。

なお、成膜ガスを流す直前に精製機を設ける場合、精製機から成膜室までの配管の長さを１０ｍ以下、好ましくは５ｍ以下、さらに好ましくは１ｍ以下とする。配管の長さを１０ｍ以下、５ｍ以下または１ｍ以下とすることで、配管からの放出ガスの影響を長さに応じて低減できる。

さらに、成膜ガスの配管には、フッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで内部が被覆された金属配管を用いるとよい。前述の配管は、例えばＳＵＳ３１６Ｌ−ＥＰ配管と比べ、不純物を含むガスの放出量が少なく、成膜ガスへの不純物の入り込みを低減できる。また、配管の継手には、高性能超小型メタルガスケット継手（ＵＰＧ継手）を用いるとよい。また、配管を全て金属で構成することで、樹脂等を用いた場合と比べ、生じる放出ガスおよび外部リークの影響を低減できて好ましい。

成膜室に存在する吸着物は、内壁などに吸着しているために成膜室の圧力に影響しないが、成膜室を排気した際のガス放出の原因となる。そのため、リークレートと排気速度に相関はないものの、排気能力の高いポンプを用いて、成膜室に存在する吸着物をできる限り脱離し、あらかじめ排気しておくことは重要である。なお、吸着物の脱離を促すために、成膜室をベーキングしてもよい。ベーキングすることで吸着物の脱離速度を１０倍程度大きくすることができる。ベーキングは１００℃以上４５０℃以下で行えばよい。このとき、不活性ガスを成膜室に流しながら吸着物の除去を行うと、排気するだけでは脱離しにくい水などの脱離速度をさらに大きくすることができる。なお、不活性ガスをベーキングの温度と同程度に加熱することで、吸着物の脱離速度をさらに高めることができる。ここで不活性ガスとして希ガスを用いると好ましい。また、成膜する膜種によっては不活性ガスの代わりに酸素などを用いても構わない。例えば、酸化物半導体層を成膜する場合は、主成分である酸素を用いた方が好ましい場合もある。

または、加熱した希ガスなどの不活性ガスまたは酸素などを流すことで成膜室内の圧力を高め、一定時間経過後に再び成膜室を排気する処理を行うと好ましい。加熱したガスを流すことで成膜室内の吸着物を脱離させることができ、成膜室内に存在する不純物を低減することができる。なお、この処理は２回以上３０回以下、好ましくは５回以上１５回以下の範囲で繰り返し行うと効果的である。具体的には、温度が４０℃以上４００℃以下、または５０℃以上２００℃以下である不活性ガスまたは酸素などを流すことで成膜室内の圧力を０．１Ｐａ以上１０ｋＰａ以下、好ましくは１Ｐａ以上１ｋＰａ以下、さらに好ましくは５Ｐａ以上１００Ｐａ以下とし、圧力を保つ期間を１分以上３００分以下、好ましくは５分以上１２０分以下とすればよい。その後、成膜室を５分以上３００分以下、好ましくは１０分以上１２０分以下の期間排気する。

また、ダミー成膜を行うことでも吸着物の脱離速度をさらに高めることができる。ダミー成膜とは、ダミー基板に対してスパッタリング法などによる成膜を行うことで、ダミー基板および成膜室内壁に膜を堆積させ、成膜室内の不純物および成膜室内壁の吸着物を膜中に閉じこめることをいう。ダミー基板は、放出ガスの少ない基板が好ましく、例えば後述する基板１００と同様の基板を用いてもよい。ダミー成膜を行うことで、後に成膜される膜中の不純物濃度を低減することができる。なお、ダミー成膜はベーキングと同時に行ってもよい。

以上の成膜装置を用いて、酸化物半導体層を成膜することで、酸化物半導体層への不純物の入り込みを抑制できる。さらには、以上の成膜装置を用いて、酸化物半導体層に接する膜を成膜することで、酸化物半導体層に接する膜から酸化物半導体層へ不純物の入り込みを抑制できる。

次に、上述した成膜装置を用いて、酸化物層１０５ａとなる酸化物層１３５ａ、酸化物半導体層１０６となる酸化物半導体層１３６および酸化物層１０５ｂとなる酸化物層１３５ｂを成膜する方法について説明する。

まず、酸化物層１３５ａを成膜する。酸化物層１３５ａは、基板加熱温度を室温（２５℃）以上６００℃以下、好ましくは７０℃以上５５０℃以下、さらに好ましくは１００℃以上５００℃以下とし、酸素ガス雰囲気で成膜する。成膜時の加熱温度が高いほど、酸化物層１３５ａの不純物濃度は低くなる。また、被成膜面でスパッタ粒子のマイグレーションが起こりやすくなるため、原子配列が整い、高密度化され、酸化物層１３５ａの結晶性は高くなる。さらに、酸素ガス雰囲気で成膜することで、プラズマダメージが軽減され、また希ガスなどの余分な原子が含まれないため、結晶性の高い酸化物層１３５ａが成膜される。ただし、酸素ガスと希ガスの混合雰囲気としてもよく、その場合は酸素ガスの割合は３０体積％以上、好ましくは５０体積％以上、より好ましくは８０体積％以上とする。酸化物層１３５ａは、基板を成膜室に搬送した後、成膜ガスを流し、成膜圧力を０．８Ｐａ以下、好ましくは０．４Ｐａ以下とし、圧力を安定させるために１０秒以上１０００秒以下、好ましくは１５秒以上７２０秒以下保持してから成膜する。圧力を安定させるために上述の時間保持することで、酸化物層１３５ａを成膜する際の不純物の混入量を低減できる。ただし、酸化物層１３５ａは、非晶質構造であってもよいため、意図的に７０℃未満の低温、酸素ガスの割合が３０体積％未満として成膜しても構わない。

次に、酸化物半導体層１３６を成膜する。ターゲットは、表面温度が１００℃以下、好ましくは５０℃以下、さらに好ましくは室温程度（代表的には２０℃または２５℃）とする。大面積の基板に対応するスパッタリング装置では大面積のターゲットを用いることが多い。ところが、大面積に対応した大きさのターゲットをつなぎ目なく作製することは困難である。現実には複数のターゲットをなるべく隙間のないように並べて大きな形状としているが、どうしても僅かな隙間が生じてしまう。こうした僅かな隙間から、ターゲットの表面温度が高まることでＺｎなどが揮発し、徐々に隙間が広がっていくことがある。隙間が広がると、バッキングプレートや接着に用いている金属がスパッタリングされることがあり、不純物濃度を高める要因となる。したがって、ターゲットは、十分に冷却されていることが好ましい。

具体的には、バッキングプレートとして、高い導電性および高い放熱性を有する金属（具体的にはＣｕ）を用いる。また、バッキングプレート内に水路を形成し、水路に十分な量の冷却水を流すことで、効率的にターゲットを冷却できる。ここで、十分な量の冷却水は、ターゲットの大きさにもよるが、例えば直径が３００ｍｍである正円形のターゲットの場合、３Ｌ／ｍｉｎ以上、５Ｌ／ｍｉｎ以上または１０Ｌ／ｍｉｎ以上とすればよい。

酸化物半導体層１３６は、基板加熱温度を１００℃以上６００℃以下、好ましくは１５０℃以上５５０℃以下、さらに好ましくは２００℃以上５００℃以下とし、酸素ガス雰囲気で成膜する。成膜時の加熱温度が高いほど、酸化物半導体層１３６の不純物濃度は低くなる。また、被成膜面でスパッタ粒子のマイグレーションが起こりやすくなるため、原子配列が整い、高密度化され、酸化物半導体層１３６の結晶性は高くなる。さらに、酸素ガス雰囲気で成膜することで、プラズマダメージが軽減され、また希ガスなどの余分な原子が含まれないため、結晶性の高い酸化物半導体層１３６が成膜される。ただし、酸素ガスと希ガスの混合雰囲気としてもよく、その場合は酸素ガスの割合は３０体積％以上、好ましくは５０体積％以上、より好ましくは８０体積％以上とする。

なお、ターゲットがＺｎを含む場合、酸素ガス雰囲気で成膜することにより、プラズマダメージが軽減され、Ｚｎの揮発が起こりにくい酸化物半導体層１３６を得ることができる。

酸化物半導体層１３６は、基板を成膜室に搬送した後、成膜ガスを流し、成膜圧力を０．８Ｐａ以下、好ましくは０．４Ｐａ以下とし、圧力を安定させるために１０秒以上１０００秒以下、好ましくは１５秒以上７２０秒以下保持してから成膜する。圧力を安定させるために上述の時間保持することで、酸化物半導体層１３６を成膜する際の不純物の混入量を低減できる。このとき、ターゲットと基板との距離を４０ｍｍ以下、好ましくは２５ｍｍ以下とする。このような条件で酸化物半導体層１３６を成膜することで、スパッタ粒子と、別のスパッタ粒子、ガス分子またはイオンとが衝突する頻度を下げることができる。即ち、成膜圧力に応じてターゲットと基板との距離をスパッタ粒子、ガス分子またはイオンの平均自由行程よりも小さくすることで膜中に取り込まれる不純物濃度を低減できる。

例えば、圧力を０．４Ｐａ、温度を２５℃（絶対温度を２９８Ｋ）における平均自由行程は、水素分子（Ｈ_２）が４８．７ｍｍ、ヘリウム原子（Ｈｅ）が５７．９ｍｍ、水分子（Ｈ_２Ｏ）が３１．３ｍｍ、メタン分子（ＣＨ_４）が１３．２ｍｍ、ネオン原子（Ｎｅ）が４２．３ｍｍ、窒素分子（Ｎ_２）が２３．２ｍｍ、一酸化炭素分子（ＣＯ）が１６．０ｍｍ、酸素分子（Ｏ_２）が２６．４ｍｍ、アルゴン原子（Ａｒ）が２８．３ｍｍ、二酸化炭素分子（ＣＯ_２）が１０．９ｍｍ、クリプトン原子（Ｋｒ）が１３．４ｍｍ、キセノン原子（Ｘｅ）が９．６ｍｍである。なお、圧力が２倍になれば平均自由行程は２分の１になり、絶対温度が２倍になれば平均自由行程は２倍になる。

平均自由行程は、圧力、温度および分子（原子）の直径から決まる。圧力および温度を一定とした場合は、分子（原子）の直径が大きいほど平均自由行程は短くなる。なお、各分子（原子）の直径は、Ｈ_２が０．２１８ｎｍ、Ｈｅが０．２００ｎｍ、Ｈ_２Ｏが０．２７２ｎｍ、ＣＨ_４が０．４１９ｎｍ、Ｎｅが０．２３４ｎｍ、Ｎ_２が０．３１６ｎｍ、ＣＯが０．３８０ｎｍ、Ｏ_２が０．２９６ｎｍ、Ａｒが０．２８６ｎｍ、ＣＯ_２が０．４６０ｎｍ、Ｋｒが０．４１５ｎｍ、Ｘｅが０．４９１ｎｍである。

したがって、分子（原子）の直径が大きいほど、平均自由行程が短くなり、かつ膜中に取り込まれた際には、分子（原子）の直径が大きいために結晶性を低下させる。そのため、例えば、Ａｒ以上の直径を有する分子（原子）は結晶性を低下させる不純物になりやすいといえる。

次に、酸化物層１３５ｂを成膜する。酸化物層１３５ｂは、基板加熱温度を室温（２５℃）以上６００℃以下、好ましくは７０℃以上５５０℃以下、さらに好ましくは１００℃以上５００℃以下とし、酸素ガス雰囲気で成膜する。成膜時の加熱温度が高いほど、酸化物層１３５ｂの不純物濃度は低くなる。また、被成膜面でスパッタ粒子のマイグレーションが起こりやすくなるため、原子配列が整い、高密度化され、酸化物層１３５ｂの結晶性は高くなる。さらに、酸素ガス雰囲気で成膜することで、プラズマダメージが軽減され、また希ガスなどの余分な原子が含まれないため、結晶性の高い酸化物層１３５ｂが成膜される。ただし、酸素ガスと希ガスの混合雰囲気としてもよく、その場合は酸素ガスの割合は３０体積％以上、好ましくは５０体積％以上、より好ましくは８０体積％以上とする。酸化物層１３５ｂは、基板を成膜室に搬送した後、成膜ガスを流し、成膜圧力を０．８Ｐａ以下、好ましくは０．４Ｐａ以下とし、圧力を安定させるために１０秒以上１０００秒以下、好ましくは１５秒以上７２０秒以下保持してから成膜する。圧力を安定させるために上述の時間保持することで、酸化物層１３５ｂを成膜する際の不純物の混入量を低減できる。

次に、加熱処理を行う。加熱処理は、減圧下、不活性雰囲気または酸化性雰囲気で行う。加熱処理により、酸化物半導体層１３６中の不純物濃度を低減することができる。

加熱処理は、減圧下または不活性雰囲気で加熱処理を行った後、温度を保持しつつ酸化性雰囲気に切り替えてさらに加熱処理を行うと好ましい。これは、減圧下または不活性雰囲気にて加熱処理を行うと、酸化物半導体層１３６中の不純物濃度を低減することができるが、同時に酸素欠損も生じてしまうためであり、このとき生じた酸素欠損を、酸化性雰囲気での加熱処理により低減することができる。

酸化物半導体層１３６は、成膜時の基板加熱に加え、加熱処理を行うことで、膜中の不純物濃度を低減することが可能となる。

具体的には、酸化物半導体層１３６中の水素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、２×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とすることができる。

また、酸化物半導体層１３６中の窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とすることができる。

また、酸化物半導体層１３６層中の炭素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とすることができる。

また、酸化物半導体層１３６は、ＴＤＳ分析によるｍ／ｚが２（水素分子など）である気体分子（原子）、ｍ／ｚが１８である気体分子（原子）、ｍ／ｚが２８である気体分子（原子）およびｍ／ｚが４４である気体分子（原子）の放出量が、それぞれ１×１０^１９個／ｃｍ^３以下、好ましくは１×１０^１８個／ｃｍ^３以下とすることができる。

なお、ＴＤＳ分析にて放出量を測定する方法については、後述の酸素原子の放出量の測定方法についての記載を参照する。

以上のようにして、酸化物半導体層１３６および酸化物層１３５ｂを成膜することで、酸化物半導体層１３６の結晶性を高くでき、かつ酸化物半導体層１３６、酸化物層１３５ｂ、および酸化物半導体層１３６と酸化物層１３５ｂとの界面における不純物濃度を低減することができる。

＜３−３．トランジスタ構造（２）＞
ここでは、ボトムゲート型トランジスタの一種であるボトムゲートトップコンタクト構造（ＢＧＴＣ構造）のトランジスタについて図２９を用いて説明する。

図２９にトランジスタ３１０の構成例を示す。図２９（Ａ）はトランジスタ３１０の平面図であり、図２９（Ｂ）は図２９（Ａ）のＸ１−Ｙ１における断面図であり、図２９（Ｃ）は、図２９（Ａ）のＶ１−Ｗ１における断面図である。また、図２９（Ｄ）は、図２９（Ｂ）の部分拡大図である。なお、図２９（Ａ）では、煩雑になることを避けるため、トランジスタ３１０の構成要素の一部（例えば、ゲート絶縁膜４０４等）を省略して図示している。

図２９に示すトランジスタ３１０は、基板４００上に形成されたゲート電極４０２と、ゲート電極４０２上のゲート絶縁膜４０４と、ゲート絶縁膜４０４を介してゲート電極４０２と重畳し、酸化物半導体層４０６ｂ、酸化物半導体層４０６ｂの下面に接する第１の酸化物層４０６ａ、酸化物半導体層４０６ｂの上面に接する第２の酸化物層４０６ｃ、および酸化物半導体層４０６ｂの側面に接する第３の酸化物層４０６ｄを含む多層膜４０６と、酸化物半導体層４０６ｂと電気的に接続するソース電極４０８ａおよびドレイン電極４０８ｂと、を有する。なお、ソース電極４０８ａおよびドレイン電極４０８ｂ上に設けられた酸素を含む保護絶縁膜４１０をトランジスタ３１０の構成要素としてもよい。

トランジスタ３１０において、チャネル形成領域は、ソース電極４０８ａおよびドレイン電極４０８ｂに挟まれ、かつゲート電極４０２と重畳する多層膜４０６である。ここでは、酸化物半導体層４０６ｂに流れる電流の主経路をチャネルとよぶ。

トランジスタ３１０は、上述した多層膜４０６を含む。即ち、トランジスタ３１０において、チャネルを形成する酸化物半導体層４０６ｂは、酸化物半導体層４０６ｂを構成する元素一種以上、または二種以上から構成され、かつ酸化物半導体層４０６ｂより酸素欠損を生じにくい酸化物層（第１の酸化物層４０６ａ、第２の酸化物層４０６ｃおよび第３の酸化物層４０６ｄ）によって囲まれた構成を有する。これにより、チャネルを形成する酸化物半導体層４０６ｂ中に生じうる酸素欠損を低減することが可能となる。また、シリコンを含む絶縁膜である、ゲート絶縁膜４０４および保護絶縁膜４１０と酸化物半導体層４０６ｂとを離す構成とすることができる。

なお、多層膜４０６と接する絶縁膜（ゲート絶縁膜４０４および保護絶縁膜４１０）は、過剰酸素を含む絶縁膜であることが好ましい。過剰酸素を含む絶縁膜によって、多層膜４０６を囲む構成とすることで、第１の酸化物層４０６ａ、第２の酸化物層４０６ｃまたは第３の酸化物層４０６ｄに生じうる酸素欠損を補填することができる。したがって、多層膜４０６中の酸素欠損を徹底的に低減し、酸化物半導体層４０６ｂにおけるＤＯＳの形成を抑制することが可能となる。

トランジスタ３１０に含まれる各構成要素について以下に詳述する。

基板４００は、単なる支持材料に限らず、他のトランジスタなどのデバイスが形成された基板であってもよい。この場合、トランジスタ３１０のゲート電極４０２、ソース電極４０８ａまたはドレイン電極４０８ｂの少なくとも一つは、上記の他のデバイスと電気的に接続されていてもよい。

ゲート電極４０２は、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いて形成することができる。また、マンガン、ジルコニウムのいずれか一または複数から選択された金属元素を用いてもよい。または、インジウムスズ酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウムスズ酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化シリコンを添加したインジウムスズ酸化物等の透光性を有する導電性材料を適用することもできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属元素の積層構造とすることもできる。ゲート電極４０２は、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。

なお、ゲート電極４０２とゲート絶縁膜４０４との間に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸窒化物半導体層、Ｉｎ−Ｓｎ酸窒化物半導体層、Ｉｎ−Ｇａ酸窒化物半導体層、Ｉｎ−Ｚｎ酸窒化物半導体層、Ｓｎ酸窒化物半導体層、Ｉｎ酸窒化物半導体層、金属窒化膜（ＩｎＮ、ＺｎＮ等）等を設けてもよい。これらの膜は５ｅＶ以上、好ましくは５．５ｅＶ以上の仕事関数を有し、酸化物半導体の電子親和力よりも大きい値であるため、酸化物半導体を用いたトランジスタのしきい値電圧をプラスにシフトすることができ、所謂ノーマリオフ特性のスイッチング素子を実現できる。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸窒化物半導体層を用いる場合、少なくとも酸化物半導体層４０６ｂより高い窒素濃度、具体的には７ａｔｏｍｉｃ％以上のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸窒化物半導体層を用いる。

ゲート絶縁膜４０４は、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、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、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、ゲート絶縁膜４０４は上記材料の積層であってもよい。

また、ゲート絶縁膜４０４として、過剰酸素を含む酸化絶縁物を用いることが好ましい。ゲート絶縁膜４０４が過剰酸素を含むことで、ゲート絶縁膜４０４と接する第１の酸化物層４０６ａまたは第３の酸化物層４０６ｄが酸素欠損を有していたとしても、ゲート絶縁膜４０４から酸素を供給することができる。よって、酸化物半導体層４０６ｂに接する酸化物層の酸素欠損を補填することが可能となる。

ゲート絶縁膜４０４の厚さは、５ｎｍ以上４００ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下、より好ましくは５０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下とするとよい。

多層膜４０６は、少なくともチャネルを形成する酸化物半導体層４０６ｂと、酸化物半導体層４０６ｂとゲート絶縁膜４０４との間に設けられた第１の酸化物層４０６ａと、酸化物半導体層４０６ｂと保護絶縁膜４１０との間に設けられた第２の酸化物層４０６ｃと、第１の酸化物層４０６ａ、酸化物半導体層４０６ｂおよび第２の酸化物層４０６ｃの側面に接して設けられた第３の酸化物層４０６ｄと、を含んで構成される。また、第３の酸化物層４０６ｄは曲面を有する。

なお、上述したように、第３の酸化物層４０６ｄは、第１の酸化物層４０６ａとなる酸化物層の反応生成物から形成される。そのため、第１の酸化物層４０６ａと第３の酸化物層４０６ｄとは、境界が明確でない場合がある。また、第２の酸化物層４０６ｃについても、第１の酸化物層４０６ａと同様の構成である場合に、第３の酸化物層４０６ｄと区別がつかないことがある。

ここで、曲面を有する第３の酸化物層４０６ｄを含むことで、多層膜４０６の断面は曲面を有する。これによって、多層膜４０６上に形成される膜（例えば、ソース電極およびドレイン電極を構成する導電膜、保護絶縁膜）の被覆性を向上させることができる。よって、多層膜４０６上に形成された膜を均一に形成することができ、膜密度の低い領域や、膜が形成されていない領域から多層膜４０６中に不純物元素が入り込み、半導体装置の特性を劣化させることを抑制することができる。

さらに、図２９（Ｃ）に示すように、酸化物半導体層４０６ｂの端部（側面）は第３の酸化物層４０６ｄによって覆われている。これによって、島状の多層膜４０６のチャネル幅方向に生じうる寄生チャネルの発生を抑制することができる。

第１の酸化物層４０６ａおよび第２の酸化物層４０６ｃは、酸化物半導体層４０６ｂを構成する金属元素を一種以上含む酸化物層である。また、第３の酸化物層４０６ｄは、第１の酸化物層４０６ａと同一の構成元素でなる酸化物層である。但し、第３の酸化物層４０６ｄは、第１の酸化物層４０６ａに含まれる元素Ｍの含有割合が第１の酸化物層４０６ａより高いことが好ましい。多層膜４０６の詳細は、多層膜１０８についての記載を参酌することができる。

多層膜４０６において、チャネルを形成する酸化物半導体層４０６ｂを囲むように、酸化物半導体層４０６ｂと主成分が共通であり、かつ、酸化物半導体層４０６ｂよりも酸素欠損の生じにくい酸化物層（第１の酸化物層４０６ａ、第２の酸化物層４０６ｃおよび第３の酸化物層４０６ｄ）を設けることで、トランジスタのチャネルにおける酸素欠損の形成を抑制することができる。

酸化物半導体層４０６ｂ中の酸素欠損の増加を抑制して、不純物濃度を低減することで、酸化物半導体層４０６ｂを高純度真性化することができる。具体的には、酸化物半導体層４０６ｂのキャリア密度を、１×１０^１７／ｃｍ^３未満、１×１０^１５／ｃｍ^３未満、または１×１０^１３／ｃｍ^３未満とすることが好ましい。なお、酸化物半導体層４０６ｂにおいて、水素、窒素、炭素、シリコン、および主成分以外の金属元素は不純物となる。また、酸化物半導体層４０６ｂ中の不純物濃度を低減するためには、近接する酸化物層の不純物濃度も酸化物半導体層４０６ｂと同程度まで低減することが好ましい。酸化物半導体層４０６ｂを高純度真性化することで、トランジスタに安定した電気特性を付与することができる。

ソース電極４０８ａおよびドレイン電極４０８ｂには、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンからなる単体金属、またはこれを主成分とする合金を単層構造または積層構造として用いる。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、タングステン膜上にチタン膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。なお、酸化インジウム、酸化スズまたは酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。

なお、図２９（Ｄ）に、トランジスタ３１０のソース電極４０８ａまたはドレイン電極４０８ｂと多層膜４０６とが接する領域近傍の断面図を示す。図２９（Ｄ）に示すように、多層膜４０６においてソース電極４０８ａおよびドレイン電極４０８ｂと接する界面近傍には、ｎ型化した領域４０５が形成される。

ｎ型化した領域４０５は、チャネルとソース電極４０８ａおよびドレイン電極４０８ｂとの間に形成され、チャネルと比較して酸素欠損を有する領域である。ｎ型化した領域４０５は、ソース電極４０８ａおよびドレイン電極４０８ｂとなる導電膜を成膜する際に用いられるプラズマによって多層膜４０６が損傷し、酸素欠損が生じるために形成される。また、ソース電極４０８ａおよびドレイン電極４０８ｂに用いる導電膜の種類によっては、多層膜４０６の一部から酸素を奪うことでｎ型化した領域４０５が形成されることもある。多層膜４０６から酸素を奪う導電膜としては、例えばタングステン膜が挙げられる。ｎ型化した領域４０５はトランジスタ３１０のソースまたはドレインとして作用させることができる。ｎ型化した領域４０５は、第１の酸化物層４０６ａ、第２の酸化物層４０６ｃ、第３の酸化物層４０６ｄ、および酸化物半導体層４０６ｂよりもキャリア密度の高い（抵抗の低い）層となる。

なお、図２９では、ｎ型化した領域４０５の界面を模式的に点線で図示している。ただし、ｎ型化した領域４０５はトランジスタの作製条件によって膜厚方向の深さ、および／または、多層膜４０６の面方向における領域の広さが異なることがあるため、図２９（Ｄ）の構成に限られるものではない。

保護絶縁膜４１０は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、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、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。

また、保護絶縁膜４１０として、過剰酸素を含む酸化絶縁物を用いることが好ましい。保護絶縁膜４１０が過剰酸素を含むことで、該保護絶縁膜４１０と接する第２の酸化物層４０６ｃまたは第３の酸化物層４０６ｄが酸素欠損を有していたとしても、保護絶縁膜４１０から酸素を供給することができる。よって、酸化物半導体層４０６ｂに接する酸化物層の酸素欠損を補填することが可能となる。

また、保護絶縁膜４１０を多層膜として、過剰酸素を含む酸化絶縁物上に、酸素に対する透過性が低い（酸素に対するバリア性を有する）絶縁膜を設けることが好ましい。過剰酸素を含む酸化絶縁物上に酸素に対するバリア性を有する絶縁膜を設けることで、過剰酸素を含む酸化絶縁物から脱離した酸素を効果的に多層膜へ供給することができる。酸素に対するバリア性を有する絶縁膜として、例えば、窒化シリコン膜または窒化酸化シリコン膜を設けることができる。

保護絶縁膜４１０は、例えば、１層目を酸化シリコン層とし、２層目を窒化シリコン層とした多層膜とすればよい。この場合、酸化シリコン層は酸化窒化シリコン層でも構わない。また、窒化シリコン層は窒化酸化シリコン層でも構わない。酸化シリコン層は、欠陥密度の小さい酸化シリコン層を用いると好ましい。具体的には、ＥＳＲにてｇ値が２．００１の信号に由来するスピンのスピン密度が３×１０^１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１６ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下である酸化シリコン層を用いる。窒化シリコン層は水素およびアンモニアの放出量が少ない窒化シリコン層を用いる。水素、アンモニアの放出量は、ＴＤＳ分析にて測定すればよい。また、窒化シリコン層は、酸素を透過しない、またはほとんど透過しない窒化シリコン層を用いる。

または、保護絶縁膜４１０は、例えば、１層目を第１の酸化シリコン層とし、２層目を第２の酸化シリコン層とし、３層目を窒化シリコン層とした多層膜とすればよい。この場合、第１の酸化シリコン層および／または第２の酸化シリコン層は酸化窒化シリコン層でも構わない。また、窒化シリコン層は窒化酸化シリコン層でも構わない。第１の酸化シリコン層は、欠陥密度の小さい酸化シリコン層を用いると好ましい。具体的には、ＥＳＲにてｇ値が２．００１の信号に由来するスピンのスピン密度が３×１０^１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１６ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下である酸化シリコン層を用いる。第２の酸化シリコン層は、過剰酸素を含む酸化シリコン層を用いる。窒化シリコン層は水素およびアンモニアの放出量が少ない窒化シリコン層を用いる。また、窒化シリコン層は、酸素を透過しない、またはほとんど透過しない窒化シリコン層を用いる。

上記本発明の一態様におけるトランジスタの構成は、チャネルとして機能する酸化物半導体層の酸素欠損を低減することができる。したがって、良好な電気特性を示すとともに長期信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

＜３−４．トランジスタ構造（２）の変形例＞
図３０にトランジスタ３２０の構成例を示す。トランジスタ３２０は、図２９のトランジスタ３１０の変形例である。図３０（Ａ）はトランジスタ３２０の平面図であり、図３０（Ｂ）は図３０（Ａ）のＸ２−Ｙ２における断面図であり、図３０（Ｃ）は、図３０（Ａ）のＶ２−Ｗ２における断面図である。なお、図３０（Ａ）では、煩雑になることを避けるため、トランジスタ３２０の構成要素の一部（例えば、ゲート絶縁膜４０４等）を省略して図示している。

トランジスタ３１０とトランジスタ３２０の相違点は、多層膜４０７と、ソース電極４０８ａおよびドレイン電極４０８ｂの積層順である。即ち、トランジスタ３２０では、島状の酸化物半導体層４０７ｂの上面の一部と接するように、ソース電極４０８ａおよびドレイン電極４０８ｂが設けられており、ソース電極４０８ａおよびドレイン電極４０８ｂを覆うように第２の酸化物層４０７ｃが設けられている。そして、島状の第１の酸化物層４０７ａ、酸化物半導体層４０７ｂおよび第２の酸化物層４０７ｃの側面を覆うように、第３の酸化物層４０７ｄが設けられている。また、酸化物半導体層４０７ｂの上面において、ソース電極４０８ａおよびドレイン電極４０８ｂと接する領域以外の領域は、第２の酸化物層４０７ｃによって覆われている。

トランジスタ３２０において、ゲート絶縁膜４０４と保護絶縁膜４１０との間には、第１の酸化物層４０７ａ、酸化物半導体層４０７ｂおよび第２の酸化物層４０７ｃを含む多層膜４０７が形成される。

トランジスタ３２０の作製工程において、第１の酸化物層４０７ａおよび酸化物半導体層４０７ｂを島状に加工する前に、酸化物半導体層４０７ｂ上にソース電極４０８ａおよびドレイン電極４０８ｂとなる導電膜を成膜する。その後、導電膜を加工してソース電極４０８ａおよびドレイン電極４０８ｂを形成した後、ソース電極４０８ａおよびドレイン電極４０８ｂを覆う第２の酸化物層４０７ｃを形成する。次に、第１の酸化物層４０７ａ、酸化物半導体層４０７ｂおよび第２の酸化物層４０７ｃを島状に加工することで多層膜４０７を形成する。このような作製工程によって、トランジスタ３１０と比較してフォトリソグラフィのマスク数を増加することなく、トランジスタ３２０の構成とすることができる。ここで、多層膜４０７に含まれる酸化物半導体層４０７ｂの、ソース電極４０８ａおよびドレイン電極４０８ｂと重畳しない領域は、ソース電極４０８ａおよびドレイン電極４０８ｂの加工時に一部がエッチングされて、膜厚の小さい領域となる場合がある。

トランジスタ３２０に含まれる酸化物半導体層４０７ｂにおいて、ソース電極４０８ａおよびドレイン電極４０８ｂと接する界面近傍の領域に酸素欠損が発生し、ｎ型化した領域が形成される。ｎ型化した領域はトランジスタ３２０のソースまたはドレインとして作用させることができる。

図３０（Ｂ）に示すように、トランジスタ３２０ではチャネル長方向の断面において、多層膜４０７の端部（例えば、第３の酸化物層４０７ｄ）も保護絶縁膜４１０と接する構成とすることができる。当該構成とすることで、多層膜４０７のチャネル長方向の端部において生じうる酸素欠損を保護絶縁膜４１０に含まれる酸素によって補填することができる。よって、トランジスタの信頼性を向上させることができる。

＜３−５．トランジスタ構造（２）の作製方法＞
トランジスタの作製方法の一例を示す。以下では、図３１を用いて図２９に示したトランジスタ３１０を作製する場合を例に説明する。

まず、ゲート電極４０２となる導電膜を成膜する。ゲート電極４０２となる導電膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。

次に、ゲート電極４０２となる導電膜の一部をエッチングし、ゲート電極４０２を形成する。

次に、ゲート絶縁膜４０４を成膜する（図３１（Ａ）参照）。ゲート絶縁膜４０４は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。

次いで、多層膜４０６を形成する（図３１（Ｂ）参照）。多層膜４０６の形成方法の詳細は、多層膜１０８の記載を参酌することができる。

なお、第１の酸化物層４０６ａ、酸化物半導体層４０６ｂおよび第２の酸化物層４０６ｃとなる酸化物層は、大気曝露することなく連続で成膜すると、各界面に不純物が取り込まれることが少なくなり好ましい。

多層膜４０６を形成後、第１の加熱処理を行うと好ましい。第１の加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下で行えばよい。第１の加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上もしくは１０％以上含む雰囲気、または減圧状態で行う。または、第１の加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。第１の加熱処理によって、酸化物半導体層４０６ｂの結晶性を高め、さらにゲート絶縁膜４０４および／または多層膜４０６から水素や水などの不純物を除去することができる。

次に、ソース電極４０８ａおよびドレイン電極４０８ｂとなる導電膜を成膜し、該導電膜を加工してソース電極４０８ａおよびドレイン電極４０８ｂを形成する（図３１（Ｃ）参照）。該導電膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。

次に、第２の加熱処理を行うと好ましい。第２の加熱処理は、第１の加熱処理の記載を参酌して行えばよい。第２の加熱処理により、多層膜４０６から水素や水などの不純物を除去することができる。

次に、保護絶縁膜４１０を成膜する（図３１（Ｄ）参照）。保護絶縁膜４１０は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。

ここで、保護絶縁膜４１０を３層構造とする場合について説明する。まず、第１の酸化シリコン層を成膜する。次に、第２の酸化シリコン層を成膜する。次に、第２の酸化シリコン層に酸素イオンを添加する処理を行うと好ましい。酸素イオンを添加する処理は、イオンドーピング装置またはプラズマ処理装置を用いればよい。イオンドーピング装置として、質量分離機能を有するイオンドーピング装置を用いてもよい。酸素イオンの原料として、^１６Ｏ_２もしくは^１８Ｏ_２などの酸素ガス、亜酸化窒素ガスまたはオゾンガスなどを用いればよい。次に、窒化シリコン層を成膜することで、保護絶縁膜４１０を形成すればよい。

保護絶縁膜４１０を形成後、第３の加熱処理を行うと好ましい。第３の加熱処理は、第１の加熱処理の記載を参酌して行えばよい。第３の加熱処理により、ゲート絶縁膜４０４および／または保護絶縁膜４１０から過剰酸素が放出され、多層膜４０６の酸素欠損を低減することができる。

なお、ソース電極４０８ａおよびドレイン電極４０８ｂとなる導電膜をスパッタリング法によって成膜する場合、成膜時に多層膜４０６の表面にプラズマによる損傷が生じ、酸素欠損（Ｖｏ）が形成されることがある。また、形成された酸素欠損には水素（Ｈ）が入り込むことがある。

多層膜４０６として、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を用いるとき、プラズマによる損傷による酸素欠損の形成、および酸素欠損への水素の移動によって、Ｉｎ−Ｈ、Ｍ−Ｈ、Ｚｎ−Ｈが形成されうる。特に、イオン半径が最も大きく、酸素との結合力が最も弱いインジウム（Ｉｎ）からの酸素の脱離が起こりやすく、Ｉｎ−Ｏ−Ｉｎが切断されて、Ｉｎ−Ｖｏが形成され、さらにＨが入り込むことで、Ｉｎ−ＶｏＨが形成されやすい。

したがって、ソース電極４０８ａおよびドレイン電極４０８ｂとなる導電膜を形成後では、該導電膜と接する多層膜４０６の全面がｎ型化されうる。

そこで、ｎ型化した多層膜４０６の一部と接して酸素を含む保護絶縁膜４１０を形成し、多層膜４０６において保護絶縁膜４１０と接する領域に酸素を供給する第３の加熱処理を行うことは有効である。

なお、導電膜の成膜によるプラズマダメージが与えられても、多層膜４０６に含まれるＧａ（Ｚｎ）−Ｏ−Ｇａ（Ｚｎ）は、結合力が強いため結合が切断されない。また、ソース電極４０８ａおよびドレイン電極４０８ｂを形成する際に、多層膜４０６の一部がエッチングされて膜厚の小さい領域が形成されることがあるが、エッチングされる多層膜４０６がＣＡＡＣ−ＯＳ層である場合、エッチング後においても結晶部は非晶質化せずにＣＡＡＣ−ＯＳ層の構造が保存される。換言すると、プラズマダメージが与えられてもＣＡＡＣ−ＯＳ層の構造は保存される。

第３の加熱処理を行うことで、多層膜４０６のバックチャネル側においてｎ型化した領域に含まれるＩｎ−ＶｏＨに酸素が補填されて、再びＩｎ−Ｏ−Ｉｎを形成することができる。これは、Ｇａ（Ｚｎ）−Ｏ−Ｇａ（Ｚｎ）の結合が切れないことで、歪みエネルギーにより初期の結合状態に戻ろうとするためである。また、加熱処理により、酸素欠損部に取り込まれた水素（Ｈ）は、水（Ｈ_２Ｏ）として外部に放出することができる。即ち、第３の加熱処理によって多層膜４０６へ酸素を供給することで、ｎ型化したチャネル領域を再びｉ型化することが可能となる。

また、第３の加熱処理の温度および時間を適宜調整することで、ソース電極４０８ａおよびドレイン電極４０８ｂと接する領域ではＩｎ−ＶｏＨを残存させながら、チャネル領域においてはｉ型化を図ることができる。この場合、ソース領域またはドレイン領域として機能するｎ型化した領域４０５を含み、かつ、真性化または実質的に真性化したチャネル領域を有する多層膜４０６を形成することができる。

なお、ｎ型化したチャネル領域への酸素の供給は、第３の加熱処理に代えて（または第３の加熱処理に加えて）、当該領域へのＮ_２Ｏプラズマ処理、または、レジストをアッシングするためのプラズマ処理によって行ってもよい。

以上によって、トランジスタ３１０を作製することができる。

ここで示すトランジスタは、チャネルを形成する酸化物半導体層が、当該酸化物半導体層と主成分が共通しており、かつ酸素欠損の生じにくい酸化物層によって囲まれた構成を有する。当該トランジスタの構成は、酸化物半導体層中の酸素欠損の増加を抑制して、不純物濃度を低減することができ、酸化物半導体層を高純度真性化することができる。

よって、チャネル形成領域の酸素欠損に起因して起こりうるしきい値電圧の変動等の電気特性の変動を抑制することができる。具体的には、例えば、安定したノーマリオフ特性のトランジスタを成就することができる。したがって、良好な電気特性を示すとともに長期信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

上記実施の形態で開示された酸化物半導体層はスパッタリング法により形成することができるが、他の方法、例えば、熱ＣＶＤ法により形成してもよい。熱ＣＶＤ法の例としてＭＯＣＶＤ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＡＬＤ法を使ってもよい。

熱ＣＶＤ法は、プラズマを使わない成膜方法のため、プラズマダメージにより欠陥が生成されることが無いという利点を有する。

熱ＣＶＤ法は、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送りながら、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を行ってもよい。

また、ＡＬＤ法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、反応のための原料ガスが順次にチャンバーに導入され、そのガス導入の順序を繰り返すことで成膜を行ってもよい。例えば、それぞれのスイッチングバルブ（高速バルブとも呼ぶ）を切り替えて２種類以上の原料ガスを順番にチャンバーに供給し、複数種の原料ガスが混ざらないように第１の原料ガスと同時またはその後に不活性ガス（アルゴンまたは窒素など）などを導入し、第２の原料ガスを導入する。なお、同時に不活性ガスを導入する場合には、不活性ガスはキャリアガスとなり、また、第２の原料ガスの導入時にも同時に不活性ガスを導入してもよい。また、不活性ガスを導入する代わりに真空排気によって第１の原料ガスを排出した後、第２の原料ガスを導入してもよい。第１の原料ガスが基板の表面に吸着して第１の単原子層を成膜し、後から導入される第２の原料ガスと反応して、第２の単原子層が第１の単原子層上に積層されて薄膜が形成される。このガス導入順序を制御しつつ所望の厚さになるまで複数回繰り返すことで、段差被覆性に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の厚さは、上述したガス導入の順序を繰り返す回数によって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能であり、微細なトランジスタを作製する場合に適している。

ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ法などの熱ＣＶＤ法で、これまでに記載した実施の形態に開示された半導体層を形成することができ、例えば、ＭＯＣＶＤ法で、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物層を成膜する場合には、トリメチルインジウム、トリメチルガリウム、およびジエチル亜鉛を用いる。なお、トリメチルインジウムの化学式は、（ＣＨ_３）_３Ｉｎである。また、トリメチルガリウムの化学式は、（ＣＨ_３）_３Ｇａである。また、ジエチル亜鉛の化学式は、（ＣＨ_３）_２Ｚｎである。また、これらの組み合わせに限定されず、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウム（化学式（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｇａ）を用いることもでき、ジエチル亜鉛に代えてジメチル亜鉛（化学式（Ｃ_２Ｈ_５）_２Ｚｎ）を用いることもできる。

例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化物半導体層、例えばＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物層を成膜する場合には、Ｉｎ（ＣＨ_３）_３ガスとＯ_３ガスを順次繰り返し導入してＩｎ−Ｏ層を形成し、その後、Ｇａ（ＣＨ_３）_３ガスとＯ_３ガスを同時に導入してＧａ−Ｏ層を形成し、更にその後Ｚｎ（ＣＨ_３）_２とＯ_３ガスを同時に導入してＺｎ−Ｏ層を形成する。なお、これらの層の順番はこの例に限らない。また、これらのガスを混ぜてＩｎ−Ｇａ−Ｏ層やＩｎ−Ｚｎ−Ｏ層、Ｇａ−Ｉｎ−Ｏ層、Ｚｎ−Ｉｎ−Ｏ層、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層などの混合化合物層を形成してもよい。なお、Ｏ_３ガスに変えてＡｒ等の不活性ガスでバブリングして得られたＨ_２Ｏガスを用いてもよいが、Ｈを含まない酸化性ガスを用いる方が好ましい。また、Ｉｎ（ＣＨ_３）_３ガスにかえて、Ｉｎ（Ｃ_２Ｈ_５）_３ガスを用いてもよい。また、Ｇａ（ＣＨ_３）_３ガスにかえて、Ｇａ（Ｃ_２Ｈ_５）_３ガスを用いてもよい。また、Ｉｎ（ＣＨ_３）_３ガスにかえて、Ｉｎ（Ｃ_２Ｈ_５）_３ガスを用いてもよい。また、Ｚｎ（ＣＨ_３）_２ガスを用いてもよい。

本実施例では、酸化物半導体層を含む多層膜を用いたトランジスタを作製し、電子顕微鏡による断面観察および電気特性の測定を行った。

実施例試料は以下のようにして準備した。なお、実施例試料は、図２１に示すＴＧＴＣ構造のトランジスタである。

基板１００としては、ガラス基板を用いた。

下地絶縁膜１０２としては、酸化窒化シリコン膜を用いた。

以下に、酸化物層１０５ａ、酸化物半導体層１０６、酸化物層１０５ｂおよび酸化物層１０５ｃの形成方法を説明する。

まず、酸化物層１３５ａとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］）であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて厚さが５ｎｍの酸化物層を成膜した。なお、成膜ガスとしてアルゴンガスを３０ｓｃｃｍ、酸素ガスを１５ｓｃｃｍ用い、圧力を０．４Ｐａとし、基板の温度を２００℃とし、ＤＣ電力を０．５ｋＷ印加することで成膜した。

また、酸化物半導体層１３６として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２［原子数比］）であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて厚さが５ｎｍの酸化物半導体層を成膜した。なお、成膜ガスとしてアルゴンガスを３０ｓｃｃｍ、酸素ガスを１５ｓｃｃｍ用い、圧力を０．４Ｐａとし、基板の温度を２００℃とし、ＤＣ電力を０．５ｋＷ印加することで成膜した。

また、酸化物層１３５ｂとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］）であるターゲットを用いて、スパッタリング法にて厚さが５ｎｍの酸化物層を成膜した。なお、成膜ガスとしてアルゴンガスを３０ｓｃｃｍ、酸素ガスを１５ｓｃｃｍ用い、圧力を０．４Ｐａとし、基板の温度を３００℃とし、ＤＣ電力を０．５ｋＷ印加することで成膜した。

次に、酸化物層１３５ｂ上にレジストマスク１４０を形成し、ドライエッチング法によって酸化物層１３５ｂ、酸化物半導体層１３６および酸化物層１３５ａをエッチングすることで、それぞれ酸化物層１０５ｂ、酸化物半導体層１０６および酸化物層１０５ａを形成するとともに、少なくとも酸化物半導体層１０６の側面に接して、側壁保護膜である酸化物層１０５ｃを形成した。

なお、ドライエッチングの条件は、エッチングガスとして三塩化ホウ素ガスを６０ｓｃｃｍおよび塩素ガスを２０ｓｃｃｍ用い、圧力を１．９Ｐａとし、ＩＣＰ電力を４５０Ｗおよび基板バイアス電力を１００Ｗとし、基板温度を７０℃として行った。また、アッシング処理として、酸素ガスを３００ｓｃｃｍ用い、圧力を６６．５Ｐａとし、ＩＣＰ電力を１８００Ｗとして３分間行った。次に、レジストマスク１４０を除去するために、ナガセケムテックス株式会社製「ナガセレジストストリップＮ−３００」を用い、８０℃にて３分間の処理を２回行った。

ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂとして、タングステン膜を用いた。

ゲート絶縁膜１１２として、酸化窒化シリコン膜を用いた。

ゲート電極１０４として、窒化タンタル層と、窒化タンタル層上に設けられたタングステン層の多層膜を用いた。

保護絶縁膜１１８として、酸化アルミニウム層と、酸化アルミニウム層上に設けられた酸化窒化シリコン膜を用いた。

以上のようにして実施例試料を準備した。

実施例試料の走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：ＳｃａｎｎｉｎｇＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による断面観察像を図３２（Ａ）および図３２（Ｂ）に示す。なお、図３２（Ａ）および図３２（Ｂ）は、実施例試料であるトランジスタのチャネル幅方向（図２１（Ａ）における一点鎖線Ａ３−Ａ４方向）のＳＴＥＭによる位相コントラスト像（透過電子像（ＴｒａｎｓｍｉｔｔｅｄＥｌｅｃｔｒｏｎ：ＴＥ像）ともいう。）である。

図３２（Ａ）に示す箇所において、多層膜１０８の端部のＥＤＸによる組成のライン分析を行った。ライン分析は２カ所行い、それぞれの結果を図３２（Ｃ）および図３２（Ｄ）に示す。なお、図３２（Ｃ）および図３２（Ｄ）において、白丸（○）は酸素（Ｏ）を示し、黒ひし形（◆）はシリコン（Ｓｉ）を示し、ばつ（×）はインジウム（Ｉｎ）を示し、黒丸（●）はガリウム（Ｇａ）を示し、白三角（△）は亜鉛（Ｚｎ）を示す。

図３２（Ｃ）および図３２（Ｄ）より、多層膜１０８の端部において、ガリウムの原子数比が高い、酸化物層１０５ｃが観察された。

７０ａ成膜室
７０ｂ成膜室
７１大気側基板供給室
７２ａロードロック室
７２ｂアンロードロック室
７３搬送室
７３ａ搬送室
７３ｂ搬送室
７４カセットポート
７５基板加熱室
７６基板搬送ロボット
８０ａ成膜室
８０ｂ成膜室
８０ｃ成膜室
８０ｄ成膜室
８１大気側基板供給室
８２ロード／アンロードロック室
８３搬送室
８４カセットポート
８５基板加熱室
８６基板搬送ロボット
８７ターゲット
８８防着板
８９ガラス基板
９０基板ステージ
９２基板ステージ
９３加熱機構
９４精製機
９５ａクライオポンプ
９５ｂクライオポンプ
９５ｃターボ分子ポンプ
９５ｄクライオポンプ
９５ｅクライオポンプ
９５ｆクライオポンプ
９６真空ポンプ
９６ａ真空ポンプ
９６ｂ真空ポンプ
９６ｃ真空ポンプ
９７マスフローコントローラ
９８ガス加熱機構
９９クライオトラップ
１００基板
１０２下地絶縁膜
１０４ゲート電極
１０５酸化物層
１０５ａ酸化物層
１０５ｂ酸化物層
１０５ｃ酸化物層
１０６酸化物半導体層
１０８多層膜
１０８ａソース領域
１０８ｂドレイン領域
１１２ゲート絶縁膜
１１６ａソース電極
１１６ａ１導電層
１１６ａ２導電層
１１６ａ３導電層
１１６ａ４導電層
１１６ｂドレイン電極
１１６ｂ１導電層
１１６ｂ２導電層
１１６ｂ３導電層
１１６ｂ４導電層
１１８保護絶縁膜
１３２下地絶縁膜
１３３下地絶縁膜
１３５ａ酸化物層
１３５ｂ酸化物層
１３６酸化物半導体層
１４０レジストマスク
１５０プラズマ
１５２下地絶縁膜
１５５ａ酸化物層
１５５ｂ酸化物層
１５６酸化物半導体層
１７５ｃ酸化物層
３１０トランジスタ
３２０トランジスタ
４００基板
４０２ゲート電極
４０４ゲート絶縁膜
４０５領域
４０６多層膜
４０６ａ酸化物層
４０６ｂ酸化物半導体層
４０６ｃ酸化物層
４０６ｄ酸化物層
４０７多層膜
４０７ａ酸化物層
４０７ｂ酸化物半導体層
４０７ｃ酸化物層
４０７ｄ酸化物層
４０８ａソース電極
４０８ｂドレイン電極
４１０保護絶縁膜

Claims

酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層の底面と側面と接する領域を有する第１の酸化物層と、
前記酸化物半導体層の上面と接する領域を有する第２の酸化物層と、
前記酸化物半導体層と重なる領域を有するゲート電極と、
前記酸化物半導体層と、前記ゲート電極との間に位置するゲート絶縁膜と、を有し、
前記酸化物半導体層は、インジウムを有し、
前記第１の酸化物層は、インジウムを有し、
前記第２の酸化物層は、インジウムを有し、
前記酸化物半導体層中のインジウムの含有割合は、前記第１の酸化物層中のインジウムの含有割合よりも高く、
前記酸化物半導体層中のインジウムの含有割合は、前記第２の酸化物層中のインジウムの含有割合よりも高いことを特徴とする半導体装置。
酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層の底面と側面と接する領域を有する第１の酸化物層と、
前記酸化物半導体層の上面と接する領域を有する第２の酸化物層と、
前記酸化物半導体層と重なる領域を有するゲート電極と、
前記酸化物半導体層と、前記ゲート電極との間に位置するゲート絶縁膜と、を有し、
前記酸化物半導体層は、インジウムとガリウムとを有し、
前記第１の酸化物層は、インジウムとガリウムとを有し、
前記第２の酸化物層は、インジウムとガリウムとを有し、
前記酸化物半導体層中のインジウムの含有割合は、前記第１の酸化物層中のインジウムの含有割合よりも高く、
前記酸化物半導体層中のガリウムの含有割合は、前記第１の酸化物層中のガリウムの含有割合よりも低く、
前記酸化物半導体層中のインジウムの含有割合は、前記第２の酸化物層中のインジウムの含有割合よりも高く、
前記酸化物半導体層中のガリウムの含有割合は、前記第２の酸化物層中のガリウムの含有割合よりも低いことを特徴とする半導体装置。
請求項１または請求項２において、
前記第２の酸化物層は、曲面を有することを特徴とする半導体装置。