(57)【要約】【課題】無線信号が供給されない場合でも情報を表示することが可能な半導体装置を提供する。【解決手段】アンテナと、バッテリと、センサと、不揮発性メモリと、第１及び第２回路と、を有する半導体装置である。アンテナが供給する電力は、第１回路を介して、第１電力に変換される。バッテリは、第１電力を充電して、第２電力を供給する。センサは第２電力を用いてセンシングを行う。不揮発性メモリは第２電力を用いてセンサが取得したアナログデータを記憶する。第２回路は第１電力を用いてアナログデータをデジタルデータに変換する。不揮発性メモリは、酸化物半導体トランジスタを有することが好ましい。【選択図】図１
2020024748.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナと、バッテリと、センサと、アナログメモリと、論理回路と、アナログデジタルコンバータと、を有し、
前記アンテナが供給する電力は、前記論理回路を介して、第１電力に変換され、
前記バッテリは、前記第１電力を充電して、第２電力を供給する機能を有し、
前記不揮発性メモリは、前記第２電力を用いて、前記センサが取得したアナログデータを記憶する機能を有し、
前記アナログデジタルコンバータは、前記第１電力を用いて、前記アナログデータをデジタルデータに変換する機能を有する半導体装置。
【請求項２】
アンテナと、バッテリと、電源回路と、アナログ回路と、論理回路と、不揮発性メモリと、電力制御回路と、発光ダイオードと、を有し、
前記電力制御回路は、前記アンテナが受信する無線信号の強度に応じて、前記バッテリの充放電を制御する機能を有し、
前記不揮発性メモリは、前記発光ダイオードに表示される画像信号を記憶する機能を有する表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一態様は、半導体装置、無線センサ、及び電子機器に関する。
【０００２】
なお、本発明の一態様は上記の技術分野に限定されない。本発明は、物、方法、又は製造
方法に関する。又は、本発明は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、又は組成物（コ
ンポジション・オブ・マター）に関する。また、本発明の一態様は、半導体装置、表示装
置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、それらの駆動方法又はそれらの製造方法に関する。
【０００３】
なお、本明細書等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
全般を指す。表示装置、電気光学装置、半導体回路及び電子機器は、半導体装置を有する
場合がある。
【背景技術】
【０００４】
近年、センサを備えたＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）タグを被測定物に接触さ
せ（または埋め込み）、無線通信によって、センサが感知したデータを読み取る技術が提
案されている。例えば、特許文献１には、建築構造物のコンクリートに、センサを有する
電子回路等を埋め込み、無線通信によって、建築構造物の損傷を検知する技術が開示され
ている。
【０００５】
また、ＲＦタグは、安価にできること、また、恒久的に作動することから、バッテリを持
たないパッシブタグが普及している。パッシブタグを作動させるためには、電磁波を発し
て電力を供給するリーダーが常に必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６‐２９９３１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
橋やトンネルなどの建造物の損傷評価のように、測定箇所が膨大な場合、パッシブタグを
用いた測定では、常に、無線信号を供給するリーダーを現地まで運ぶ必要があり不便であ
る。
【０００８】
また、心拍数や脈拍などの生体情報の監視など、測定頻度が高い場合、パッシブタグを用
いた測定では、常に、無線信号を供給するリーダーをタグの近くに配置する必要があり不
便である。
【０００９】
また、センシングで取得したデータを表示させるために、タグに表示装置を設けた場合、
無線信号によって得られる電力だけでは、表示装置を駆動できない場合が多い。
【００１０】
本発明の一態様は、無線信号が供給されない場合でもセンシングが可能な半導体装置の提
供を課題の一とする。無線信号が供給されない場合でも情報を表示することが可能な半導
体装置の提供を課題の一とする。本発明の一態様は、消費電力が少ない半導体装置の提供
を課題の一とする。本発明の一態様は、新規な半導体装置を提供することを課題の一とす
る。
【００１１】
なお、複数の課題の記載は、互いの課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一
態様は、これらの課題の全て解決する必要はない。また、列記した以外の課題が、明細書
、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、これらの課題も、本発
明の一形態の課題となり得る。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様は、アンテナと、バッテリと、センサと、不揮発性メモリと、第１回路と
、第２回路と、を有する半導体装置である。アンテナが供給する電力は、第１回路を介し
て、第１電力に変換される。バッテリは、第１電力を充電して、第２電力を供給する機能
を有する。不揮発性メモリは、第２電力を用いて、センサが取得したアナログデータを記
憶する機能を有する。第２回路は、第１電力を用いて、アナログデータをデジタルデータ
に変換する機能を有する。
【００１３】
上記態様において、センサは、第２電力を用いて、アナログデータを取得する機能を有す
る。
【００１４】
上記態様において、不揮発性メモリは、チャネルに酸化物半導体を有するトランジスタを
含む。
【００１５】
本発明の一態様は、アンテナと、バッテリと、センサと、不揮発性メモリと、第１乃至第
４回路と、を有する半導体装置である。アンテナが供給する電力は、第１回路を介して、
第１電力に変換される。バッテリは、第１電力を充電して、第２電力を供給する機能を有
する。第２回路は、第１クロック信号を生成する機能を有する。第３回路は、第２クロッ
ク信号を生成する機能を有する。第１クロック信号は、第２クロック信号よりも周波数が
高い。不揮発性メモリは、第２電力及び第２クロック信号を用いて、センサが取得したア
ナログデータを記憶する機能を有する。第４回路は、第１電力及び第１クロック信号を用
いて、アナログデータをデジタルデータに変換する機能を有する。
【００１６】
上記態様において、センサは、第２電力を用いて、アナログデータを取得する機能を有す
る。
【００１７】
上記態様において、不揮発性メモリは、チャネルに酸化物半導体を有するトランジスタを
含む。
【００１８】
本発明の一態様は、アンテナと、バッテリと、センサと、第１不揮発性メモリと、第２不
揮発性メモリと、第１回路と、第２回路と、を有する半導体装置である。アンテナが供給
する電力は、第１回路を介して、第１電力に変換される。バッテリは、第１電力を充電し
て、第２電力を供給する機能を有する。第１不揮発性メモリは、第２電力を用いて、セン
サが取得したアナログデータを記憶する機能を有する。第２不揮発性メモリは、第２電力
を用いて、センサがアナログデータを取得した時刻を記憶する機能を有する。第２回路は
、第１電力を用いて、アナログデータをデジタルデータに変換する機能を有する。
【００１９】
上記態様において、センサは、第２電力を用いて、アナログデータを取得する機能を有す
る。
【００２０】
上記態様において、不揮発性メモリは、チャネルに酸化物半導体を有するトランジスタを
含む。
【００２１】
本発明の一態様は、アンテナと、バッテリと、センサと、第１不揮発性メモリと、第２不
揮発性メモリと、第１乃至第４回路と、を有する半導体装置である。アンテナが供給する
電力は、第１回路を介して、第１電力に変換される。バッテリは、第１電力を充電して、
第２電力を供給する機能を有する。第２回路は、第１クロック信号を生成する機能を有す
る。第３回路は、第２クロック信号を生成する機能を有する。第１クロック信号は、第２
クロック信号よりも周波数が高い。第１不揮発性メモリは、第２電力及び第２クロック信
号を用いて、センサが取得したアナログデータを記憶する機能を有する。第２不揮発性メ
モリは、第２電力を用いて、センサがアナログデータを取得した時刻を記憶する機能を有
する。第４回路は、第１電力及び第１クロック信号を用いて、アナログデータをデジタル
データに変換する機能を有する。
【００２２】
上記態様において、センサは、第２電力を用いて、アナログデータを取得する機能を有す
る。
【００２３】
上記態様において、不揮発性メモリは、チャネルに酸化物半導体を有するトランジスタを
含む。
【００２４】
本発明の一態様の半導体装置は、アンテナと、バッテリと、電源回路と、アナログ回路と
、論理回路と、不揮発性メモリと、電力制御回路と、表示部と、を有する半導体装置であ
る。前記電力制御回路は、前記アンテナが受信する無線信号の強度に応じて、前記バッテ
リの充放電を制御する機能を有する。前記不揮発性メモリは、前記表示部に画像を表示す
るための画像信号を記憶する機能を有する。
【００２５】
上記態様において、前記バッテリには、イオン液体電解液を有するリチウムイオン二次電
池を用いても良い。
【００２６】
上記態様において、前記不揮発性メモリは、チャネル領域に酸化物半導体を有するトラン
ジスタを含むことが好ましい。
【００２７】
上記態様において、前記表示部には、発光ダイオードを用いても良い。
【００２８】
本発明の一態様は、上記態様に記載の半導体装置と、太陽電池と、可撓性の支持体と、を
有する表示装置である。
【００２９】
本明細書等において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係
を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。構成同士の位置関係は、各構成
を描写する方向に応じて適宜変化する。そのため、配置を示す語句は、明細書で説明した
記載に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
【００３０】
また本明細書等において、ブロック図では、構成要素を機能毎に分類し、互いに独立した
ブロックとして示している。しかしながら実際の回路等においては、構成要素を機能毎に
切り分けることが難しく、一つの回路に複数の機能が係わる場合や、複数の回路にわたっ
て一つの機能が関わる場合があり得る。そのため、ブロック図のブロックは、明細書で説
明した構成要素に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
【００３１】
また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、説明の便宜上任意の大きさに示し
たものである。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は明確性を期す
ために模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。例えば、
ノイズによる信号、電圧、若しくは電流のばらつき、又は、タイミングのずれによる信号
、電圧、若しくは電流のばらつきなどを含むことが可能である。
【００３２】
本明細書等において、トランジスタの接続関係を説明する際、ソースとドレインとの一方
を、「ソース又はドレインの一方」（又は第１電極、又は第１端子）と表記し、ソースと
ドレインとの他方を「ソース又はドレインの他方」（又は第２電極、又は第２端子）と表
記している。これは、トランジスタのソースとドレインは、トランジスタの構造又は動作
条件等によって変わるためである。なおトランジスタのソースとドレインの呼称について
は、ソース（ドレイン）端子や、ソース（ドレイン）電極等、状況に応じて適切に言い換
えることができる。
【００３３】
また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限
定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、
その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配
線」が一体となって形成されている場合なども含む。
【００３４】
また、本明細書等において、電圧と電位は、適宜言い換えることができる。電圧は、基準
となる電位からの電位差のことであり、例えば基準となる電位をグラウンド電位（接地電
位）とすると、電圧を電位に言い換えることができる。グラウンド電位は必ずしも０Ｖを
意味するとは限らない。なお電位は相対的なものであり、基準となる電位によっては、配
線等に与える電位を変化させる場合がある。
【００３５】
なお本明細書等において、「膜」、「層」などの語句は、場合によっては、または、状況
に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導
電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」とい
う用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。
【００３６】
本明細書等において、スイッチとは、導通状態（オン状態）、または、非導通状態（オフ
状態）になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有するものをいう。または、ス
イッチとは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有するものをいう。
【００３７】
一例としては、電気的スイッチ又は機械的なスイッチなどを用いることができる。つまり
、スイッチは、電流を制御できるものであればよく、特定のものに限定されない。
【００３８】
電気的なスイッチの一例としては、トランジスタ（例えば、バイポーラトランジスタ、Ｍ
ＯＳトランジスタなど）、ダイオード（例えば、ＰＮダイオード、ＰＩＮダイオード、シ
ョットキーダイオード、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｍｅｔａｌ）ダイオ
ード、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）ダイオ
ード、ダイオード接続のトランジスタなど）、又はこれらを組み合わせた論理回路などが
ある。
【００３９】
なお、スイッチとしてトランジスタを用いる場合、トランジスタの「導通状態」とは、ト
ランジスタのソースとドレインが電気的に短絡されているとみなせる状態をいう。また、
トランジスタの「非導通状態」とは、トランジスタのソースとドレインが電気的に遮断さ
れているとみなせる状態をいう。なおトランジスタを単なるスイッチとして動作させる場
合には、トランジスタの極性（導電型）は特に限定されない。
【００４０】
機械的なスイッチの一例としては、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）のように
、ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）技術を用いたスイッチがあ
る。そのスイッチは、機械的に動かすことが可能な電極を有し、その電極が動くことによ
って、導通と非導通とを制御して動作する。
【００４１】
例えば、本明細書等において、ＸとＹとが接続されている、と明示的に記載されている場
合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合と、ＸとＹとが機能的に接続されている場
合と、ＸとＹとが直接接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする
。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず
、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に記載されているものと
する。
【００４２】
ここで、Ｘ、Ｙは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層
、など）であるとする。
【００４３】
ＸとＹとが直接的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能
とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイ
オード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に接続されていない場合であ
り、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量
素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）を介さずに
、ＸとＹとが、接続されている場合である。
【００４４】
ＸとＹとが電気的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能
とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイ
オード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが
可能である。なお、スイッチは、オン・オフが制御される機能を有している。つまり、ス
イッチは、導通状態（オン状態）、または、非導通状態（オフ状態）になり、電流を流す
か流さないかを制御する機能を有している。または、スイッチは、電流を流す経路を選択
して切り替える機能を有している。なお、ＸとＹとが電気的に接続されている場合は、Ｘ
とＹとが直接的に接続されている場合を含むものとする。
【００４５】
ＸとＹとが機能的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの機能的な接続を可能
とする回路（例えば、論理回路（インバータ、ＮＡＮＤ回路、ＮＯＲ回路など）、信号変
換回路（ＤＡ変換回路、ＡＤ変換回路、ガンマ補正回路など）、電位レベル変換回路（電
源回路（昇圧回路、降圧回路など）、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など）
、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路（信号振幅または電流量などを大きく出来る
回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など）、信号生成
回路、記憶回路、制御回路など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能であ
る。なお、一例として、ＸとＹとの間に別の回路を挟んでいても、Ｘから出力された信号
がＹへ伝達される場合は、ＸとＹとは機能的に接続されているものとする。なお、ＸとＹ
とが機能的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合と、ＸとＹ
とが電気的に接続されている場合とを含むものとする。
【００４６】
なお、ＸとＹとが電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹと
が電気的に接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の素子又は別の回路を挟んで
接続されている場合）と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合（つまり、ＸとＹとの
間に別の回路を挟んで機能的に接続されている場合）と、ＸとＹとが直接接続されている
場合（つまり、ＸとＹとの間に別の素子又は別の回路を挟まずに接続されている場合）と
が、本明細書等に開示されているものとする。つまり、電気的に接続されている、と明示
的に記載されている場合は、単に、接続されている、とのみ明示的に記載されている場合
と同様な内容が、本明細書等に開示されているものとする。
【００４７】
なお、例えば、トランジスタのソース（又は第１の端子など）が、Ｚ１を介して（又は介
さず）、Ｘと電気的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）が、Ｚ
２を介して（又は介さず）、Ｙと電気的に接続されている場合や、トランジスタのソース
（又は第１の端子など）が、Ｚ１の一部と直接的に接続され、Ｚ１の別の一部がＸと直接
的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）が、Ｚ２の一部と直接的
に接続され、Ｚ２の別の一部がＹと直接的に接続されている場合では、以下のように表現
することが出来る。
【００４８】
例えば、「ＸとＹとトランジスタのソース（又は第１の端子など）とドレイン（又は第２
の端子など）とは、互いに電気的に接続されており、Ｘ、トランジスタのソース（又は第
１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙの順序で電気的に
接続されている。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース（又は第
１の端子など）は、Ｘと電気的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子な
ど）はＹと電気的に接続され、Ｘ、トランジスタのソース（又は第１の端子など）、トラ
ンジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙは、この順序で電気的に接続されている
」と表現することができる。または、「Ｘは、トランジスタのソース（又は第１の端子な
ど）とドレイン（又は第２の端子など）とを介して、Ｙと電気的に接続され、Ｘ、トラン
ジスタのソース（又は第１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など
）、Ｙは、この接続順序で設けられている」と表現することができる。これらの例と同様
な表現方法を用いて、回路構成における接続の順序について規定することにより、トラン
ジスタのソース（又は第１の端子など）と、ドレイン（又は第２の端子など）とを、区別
して、技術的範囲を決定することができる。
【００４９】
または、別の表現方法として、例えば、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）
は、少なくとも第１の接続経路を介して、Ｘと電気的に接続され、前記第１の接続経路は
、第２の接続経路を有しておらず、前記第２の接続経路は、トランジスタを介した、トラ
ンジスタのソース（又は第１の端子など）とトランジスタのドレイン（又は第２の端子な
ど）との間の経路であり、前記第１の接続経路は、Ｚ１を介した経路であり、トランジス
タのドレイン（又は第２の端子など）は、少なくとも第３の接続経路を介して、Ｙと電気
的に接続され、前記第３の接続経路は、前記第２の接続経路を有しておらず、前記第３の
接続経路は、Ｚ２を介した経路である。」と表現することができる。または、「トランジ
スタのソース（又は第１の端子など）は、少なくとも第１の接続経路によって、Ｚ１を介
して、Ｘと電気的に接続され、前記第１の接続経路は、第２の接続経路を有しておらず、
前記第２の接続経路は、トランジスタを介した接続経路を有し、トランジスタのドレイン
（又は第２の端子など）は、少なくとも第３の接続経路によって、Ｚ２を介して、Ｙと電
気的に接続され、前記第３の接続経路は、前記第２の接続経路を有していない。」と表現
することができる。または、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、少なく
とも第１の電気的パスによって、Ｚ１を介して、Ｘと電気的に接続され、前記第１の電気
的パスは、第２の電気的パスを有しておらず、前記第２の電気的パスは、トランジスタの
ソース（又は第１の端子など）からトランジスタのドレイン（又は第２の端子など）への
電気的パスであり、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）は、少なくとも第３
の電気的パスによって、Ｚ２を介して、Ｙと電気的に接続され、前記第３の電気的パスは
、第４の電気的パスを有しておらず、前記第４の電気的パスは、トランジスタのドレイン
（又は第２の端子など）からトランジスタのソース（又は第１の端子など）への電気的パ
スである。」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成
における接続経路について規定することにより、トランジスタのソース（又は第１の端子
など）と、ドレイン（又は第２の端子など）とを、区別して、技術的範囲を決定すること
ができる。
【００５０】
なお、これらの表現方法は、一例であり、これらの表現方法に限定されない。ここで、Ｘ
、Ｙ、Ｚ１、Ｚ２は、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、
層、など）であるとする。
【００５１】
なお、回路図上は独立している構成要素同士が電気的に接続しているように図示されてい
る場合であっても、１つの構成要素が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合もあ
る。例えば配線の一部が電極としても機能する場合は、一の導電膜が、配線の機能、及び
電極の機能の両方の構成要素の機能を併せ持っている。したがって、本明細書における電
気的に接続とは、このような、一の導電膜が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場
合も、その範疇に含める。
【００５２】
例えば、本明細書等において、表示素子、表示素子を有する装置である表示装置、発光素
子、及び発光素子を有する装置である発光装置は、様々な形態を用いること、又は様々な
素子を有することが出来る。表示素子、表示装置、発光素子又は発光装置は、例えば、Ｅ
Ｌ（エレクトロルミネッセンス）素子（有機物及び無機物を含むＥＬ素子、有機ＥＬ素子
、無機ＥＬ素子）、ＬＥＤ（白色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤなど）、
トランジスタ（電流に応じて発光するトランジスタ）、電子放出素子、液晶素子、電子イ
ンク、電気泳動素子、グレーティングライトバルブ（ＧＬＶ）、プラズマディスプレイパ
ネル（ＰＤＰ）、ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）を用いた表
示素子、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、ＤＭＳ（デジタル・マイクロ・シ
ャッター）、ＭＩＲＡＳＯＬ（登録商標）、ＩＭＯＤ（インターフェアレンス・モジュレ
ーション）素子、シャッター方式のＭＥＭＳ表示素子、光干渉方式のＭＥＭＳ表示素子、
エレクトロウェッティング素子、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチューブを
用いた表示素子などの少なくとも一つを有している。これらの他にも、電気的または磁気
的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率などが変化する表示媒体を有してい
ても良い。ＥＬ素子を用いた表示装置の一例としては、ＥＬディスプレイなどがある。電
子放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ（Ｆ
ＥＤ）又はＳＥＤ方式平面型ディスプレイ（ＳＥＤ：Ｓｕｒｆａｃｅ−ｃｏｎｄｕｃｔｉ
ｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｅｍｉｔｔｅｒ  Ｄｉｓｐｌａｙ）などがある。液晶素子を用
いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ（透過型液晶ディスプレイ、半透過型液
晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディス
プレイ）などがある。電子インク、電子粉流体（登録商標）、又は電気泳動素子を用いた
表示装置の一例としては、電子ペーパーなどがある。なお、半透過型液晶ディスプレイや
反射型液晶ディスプレイを実現する場合には、画素電極の一部、または、全部が、反射電
極としての機能を有するようにすればよい。例えば、画素電極の一部、または、全部が、
アルミニウム、銀、などを有するようにすればよい。さらに、その場合、反射電極の下に
、ＳＲＡＭなどの記憶回路を設けることも可能である。これにより、さらに、消費電力を
低減することができる。なお、ＬＥＤを用いる場合、ＬＥＤの電極や窒化物半導体の下に
、グラフェンやグラファイトを配置してもよい。グラフェンやグラファイトは、複数の層
を重ねて、多層膜としてもよい。このように、グラフェンやグラファイトを設けることに
より、その上に、窒化物半導体、例えば、結晶を有するｎ型ＧａＮ半導体層などを容易に
成膜することができる。さらに、その上に、結晶を有するｐ型ＧａＮ半導体層などを設け
て、ＬＥＤを構成することができる。なお、グラフェンやグラファイトと、結晶を有する
ｎ型ＧａＮ半導体層との間に、ＡｌＮ層を設けてもよい。なお、ＬＥＤが有するＧａＮ半
導体層は、ＭＯＣＶＤで成膜してもよい。ただし、グラフェンを設けることにより、ＬＥ
Ｄが有するＧａＮ半導体層は、スパッタ法で成膜することも可能である。
【発明の効果】
【００５３】
本発明の一態様により、無線信号が供給されない場合でもセンシングが可能な半導体装置
を提供することが可能になる。本発明の一態様により、無線信号が供給されない場合でも
情報を表示することが可能な半導体装置の提供が可能になる。本発明の一態様は、新規な
半導体装置を提供することを課題の一とする。
【００５４】
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一
態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、
図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項な
どの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】半導体装置の構成例を示すブロック図。
【図２】半導体装置の構成例を示すブロック図。
【図３】半導体装置の動作例を示すタイミングチャート。
【図４】半導体装置の構成例を示すブロック図。
【図５】半導体装置の動作例を示すタイミングチャート。
【図６】半導体装置の構成例を示す回路図。
【図７】半導体装置の構成例を示す回路図。
【図８】記憶装置の構成例を示すブロック図。
【図９】記憶装置の構成例を示す回路図。
【図１０】記憶装置の構成例を示す回路図。
【図１１】記憶装置の構成例を示す回路図。
【図１２】記憶装置の動作例を示すタイミングチャート。
【図１３】記憶装置の構成例を示す回路図。
【図１４】記憶装置の動作例を示すタイミングチャート。
【図１５】トランジスタの構成例を示す上面図及び断面図。
【図１６】トランジスタの構成例を示す断面図及びエネルギーバンド図。
【図１７】トランジスタの作製方法を示す断面図。
【図１８】トランジスタの作製方法を示す断面図。
【図１９】トランジスタの構成例を示す断面図。
【図２０】トランジスタの構成例を示す断面図。
【図２１】トランジスタの構成例を示す断面図。
【図２２】トランジスタの構成例を示す上面図及び断面図。
【図２３】半導体装置の構成例を示す断面図。
【図２４】無線センサの構成例を示す斜視図。
【図２５】無線センサの構成例を示す斜視図。
【図２６】無線センサの応用例を示す模式図。
【図２７】無線センサの応用例を示す模式図。
【図２８】無線センサの応用例を示す模式図。
【図２９】電子機器の一例を示す図。
【図３０】半導体装置の構成例を示すブロック図。
【図３１】表示装置の構成例を示す外観図。
【図３２】試作した半導体装置の構成例を示すブロック図。
【図３３】試作した半導体装置の外観写真。
【図３４】試作した半導体装置の顕微鏡写真。
【図３５】試作した半導体装置の保持試験結果。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異な
る態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及
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。したがって、本発明
は、以下の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。
【００５７】
なお本明細書等において、「第１」、「第２」、「第３」という序数詞は、構成要素の混
同を避けるために付したものである。したがって、構成要素の数を限定するものではない
。また、構成要素の順序を限定するものではない。また例えば、本明細書等の実施の形態
の一において「第１」に言及された構成要素が、他の実施の形態、あるいは特許請求の範
囲において「第２」に言及された構成要素とすることもありうる。また例えば、本明細書
等の実施の形態の一において「第１」に言及された構成要素を、他の実施の形態、あるい
は特許請求の範囲において省略して言及することもありうる。
【００５８】
なお図面において、同一の要素または同様な機能を有する要素、同一の材質の要素、ある
いは同時に形成される要素等には同一の符号を付す場合があり、その繰り返しの説明は省
略する場合がある。
【００５９】
また、本明細書は、以下の実施の形態および実施例を適宜組み合わせることが可能である
。また、１つの実施の形態や実施例の中に、複数の構成例が示される場合は、互い構成例
を適宜組み合わせることが可能である。
【００６０】
（実施の形態１）
本発明の一態様の半導体装置の構成について、図１乃至図５を用いて説明する。
【００６１】
〈半導体装置１の構成例〉
図１に示す半導体装置１は、アンテナ１０と、バッテリ１３と、論理回路１８と、センサ
１９と、アナログメモリ２０と、ＡＤＣ（アナログデジタルコンバーター）２２と、を有
している。
【００６２】
アンテナ１０は、無線信号を電気信号に、または電気信号を無線信号にして、例えばリー
ダーなどの外部装置と信号の送受信を行う機能を有する。アンテナ１０は、無線信号の周
波数帯に応じて複数設けられていてもよい。なお無線信号は、変調された搬送波である。
変調方式には、例えばアナログ変調またはデジタル変調であり、振幅変調、位相変調、周
波数変調及びスペクトラム拡散のいずれかを用いればよい。
【００６３】
無線信号の周波数帯は、法令等に基づいて適宜選択すればよく、例えば１３５ｋＨｚ帯の
長波帯、１３．５６ＭＨｚ帯の短波帯、９００ＭＨｚ帯のＵＨＦ帯、２．４５ＧＨｚ帯の
マイクロ波帯等を用いることができる。無線信号の周波数帯に応じて、アンテナ１０の構
造を選択すればよい。なお、以下では上述の無線信号を無線信号ＲＦと呼ぶことにする。
【００６４】
アンテナ１０は、無線信号ＲＦを受信して、半導体装置１の各回路に電力を供給する機能
を有する。アンテナ１０から供給された電力は電圧ＶＤＤを有する。
【００６５】
バッテリ１３は、電圧ＶＤＤにより充電し、電圧ＶＢＡＴとして放電する機能を有する。
電圧ＶＢＡＴは、半導体装置１が有する各回路に供給される。バッテリ１３は、繰り返し
充放電が可能な二次電池又は電気二重層キャパシタを用いればよい。上記構成にすること
で、半導体装置１は、無線信号ＲＦの電力を蓄え、繰り返し動作することが可能になる。
なお、電圧ＶＢＡＴは電圧ＶＤＤよりも小さいことが好ましい。
【００６６】
センサ１９は、感知したデータを信号ＳＳＮＳとして出力する機能を有する。信号ＳＳＮ
Ｓはアナログデータである。センサ１９は、必要に応じて各種センサを用いることができ
る。例えば、センサ１９は、ひずみセンサ、温度センサ、光センサ、ガスセンサ、炎セン
サ、煙センサ、湿度センサ、圧力センサ、流量センサ、振動センサ、タッチセンサ、音声
センサ、磁気センサ、放射線センサ、匂いセンサ、花粉センサ、加速度センサ、傾斜角セ
ンサ、ジャイロセンサ、方位センサ、電力センサなどを用いることができる。
【００６７】
アナログメモリ２０は、センサ１９が感知したアナログデータを記憶し、信号ＳＡＭとし
て出力する機能を有する。例えば、アナログメモリ２０は、不揮発性メモリを用いること
が好ましい。また、アナログメモリ２０は、チャネル領域に酸化物半導体を有する酸化物
半導体トランジスタを用いた不揮発性メモリを用いることが好ましい。なお、酸化物半導
体トランジスタを用いた不揮発性メモリの詳細は、実施の形態２で説明を行う。
【００６８】
ＡＤＣ２２は、アナログメモリ２０に記憶されたアナログデータを、デジタルデータに変
換し、信号ＳＡＤＣとして出力する機能を有する。
【００６９】
論理回路１８は、半導体装置１が有する各回路を制御する機能を有する。例えば、論理回
路１８は、アナログメモリ２０を読み出すための制御信号を生成する機能を有する。また
、論理回路１８は、無線信号ＲＦに含まれるコマンドを実行する機能を有する。また、論
理回路１８は、ＡＤＣ２２から信号ＳＡＤＣを受け取り、アンテナ１０に出力する機能を
有する。
【００７０】
論理回路１８は、スイッチ３２を介して電圧ＶＤＤが供給され、スイッチ３１を介して電
圧ＶＢＡＴが供給される。また、論理回路１８は、スイッチ４２を介してクロック信号Ｃ
ＬＫ１が入力され、スイッチ４１を介してクロック信号ＣＬＫ２が入力される。
【００７１】
センサ１９は、スイッチ３４を介して電圧ＶＤＤが供給され、スイッチ３３を介して電圧
ＶＢＡＴが供給される。
【００７２】
アナログメモリ２０は、スイッチ３６を介して電圧ＶＤＤが供給され、スイッチ３５を介
して電圧ＶＢＡＴが供給される。また、アナログメモリ２０は、スイッチ４４を介してク
ロック信号ＣＬＫ１が入力され、スイッチ４３を介してクロック信号ＣＬＫ２が入力され
る。
【００７３】
ＡＤＣ２２は、スイッチ３８を介して電圧ＶＤＤが供給され、スイッチ３７を介して電圧
ＶＢＡＴが供給される。また、ＡＤＣ２２は、スイッチ４６を介してクロック信号ＣＬＫ
１が入力され、スイッチ４５を介してクロック信号ＣＬＫ２が入力される。
【００７４】
電圧ＶＤＤは電圧ＶＢＡＴよりも高いことが好ましい。また、クロック信号ＣＬＫ１は、
クロック信号ＣＬＫ２よりも周波数が高いことが好ましい。
【００７５】
半導体装置１は、無線信号ＲＦが供給されない場合でも、バッテリ１３に蓄えられた電力
（電圧ＶＢＡＴ）によって、センサ１９を駆動させ、センシングを行うことができる。ま
た、半導体装置１は、バッテリ１３に蓄えられた電力によって、論理回路１８及びアナロ
グメモリ２０を駆動させて、センサ１９が取得したデータ（信号ＳＳＮＳ）をアナログメ
モリ２０に記憶させることができる。
【００７６】
このとき半導体装置１は、周波数が低いクロック信号ＣＬＫ２を用いて論理回路１８及び
アナログメモリ２０を駆動させる。そのため、半導体装置１は、論理回路１８及びアナロ
グメモリ２０で消費される電力を低減し、バッテリ１３の電力を節約することができる。
その結果、半導体装置１は長期間動作することができる。
【００７７】
アナログメモリ２０に不揮発性メモリを用いることで、アナログメモリ２０に電力が供給
されていなくても、センサ１９が取得したデータは保持され続ける。
【００７８】
リーダーなどの外部装置から、アンテナ１０に無線信号ＲＦが供給されるときに、半導体
装置１はセンシングで取得したデータを読み取ることができる。半導体装置１は、電圧Ｖ
ＤＤ及びクロック信号ＣＬＫ１を用いて、論理回路１８、アナログメモリ２０及びＡＤＣ
２２を駆動させる。ＡＤＣ２２は他の回路よりも高速で動作させる必要があるが、高電圧
の電圧ＶＤＤと、高周波数のクロック信号ＣＬＫ１を用いることで、ＡＤＣ２２を駆動さ
せることができる。ＡＤＣ２２が生成した信号ＳＡＤＣは搬送波に乗せられ、無線信号Ｒ
Ｆとして、外部装置に送信される。
【００７９】
アンテナ１０に無線信号ＲＦが供給されると、バッテリ１３は充電を行う。半導体装置１
は、センシングデータの取得とバッテリの充電を同時に行うことが可能になり、充電のた
めの手間を別に設ける必要がない。半導体装置１は、簡便にバッテリの充電を行うことが
可能になる。
【００８０】
半導体装置１のさらに詳細な構成例について、図２を用いて説明を行う。
【００８１】
図２に示す半導体装置１は、図１に示す半導体装置１に、整流回路１１と、定電圧回路１
２と、発振回路１４と、発振回路１５と、クロック制御回路１６と、電源制御回路１７と
、復調回路２３と、変調回路２４と、を追加したものである。
【００８２】
整流回路１１は、アンテナ１０からの電気信号を整流及び平滑化する機能を有する回路で
ある。整流及び平滑化された信号は、定電圧回路１２に出力される。
【００８３】
なお整流回路１１は、保護回路（リミッター回路）を有していてもよい。保護回路は、ア
ンテナ１０からの電気信号が大電圧の場合に半導体装置１の各回路が破壊されることを防
止する機能を有する。
【００８４】
定電圧回路１２は、整流回路１１が出力した電圧を基に電圧を生成する機能を有する回路
である。定電圧回路１２で生成される電圧ＶＤＤは、半導体装置１が有する各回路に与え
られる。なお、定電圧回路１２が生成する電圧は、一つに限らず複数であってもよい。
【００８５】
また、図示されていないが、電圧ＶＢＡＴを安定させる目的で、バッテリ１３にも定電圧
回路を設けても良い。
【００８６】
発振回路１４は、クロック信号ＣＬＫ１を生成する機能を有する。発振回路１４は、電圧
ＶＤＤによって駆動する。発振回路１４は、水晶発振器でクロック信号ＣＬＫ１を生成し
てもよいし、リングオシレータ―でクロック信号ＣＬＫ１を生成してもよい。
【００８７】
発振回路１５は、クロック信号ＣＬＫ２を生成する機能を有する。発振回路１５は、電圧
ＶＤＤまたは電圧ＶＢＡＴによって駆動する。発振回路１５は、水晶発振器でクロック信
号ＣＬＫ２を生成してもよいし、リングオシレータ―でクロック信号ＣＬＫ２を生成して
もよい。
【００８８】
また、発振回路１５は、時刻を表すデータを生成する機能を有する。
【００８９】
クロック制御回路１６は、論理回路１８、アナログメモリ２０及びＡＤＣ２２に入力され
るクロック信号を制御する機能を有する。より具体的には、クロック制御回路１６は、信
号ＳＣＬＫ＿ＣＯＮを生成し、スイッチ４１乃至４６のオン・オフを制御する機能を有す
る。
【００９０】
電源制御回路１７は、論理回路１８、センサ１９、アナログメモリ２０及びＡＤＣ２２に
供給される電力を制御する機能を有する。より具体的には、電源制御回路１７は、信号Ｓ
ＰＯＷ＿ＣＯＮを生成し、スイッチ３１乃至３８のオン・オフを制御する機能を有する。
【００９１】
また、アナログメモリ２０は、アナログデータが記憶される複数のアドレスＡＭ［ｋ−１
］（ｋは１以上の自然数）を有する。
【００９２】
復調回路２３は、アンテナ１０からの電気信号を復調する機能を有する回路である。復調
された信号は、論理回路１８に出力される。
【００９３】
変調回路２４は、論理回路１８で生成された信号に基づいて、電気信号を変調する機能を
有する回路である。変調された電気信号は、搬送波によって、アンテナ１０を介して無線
信号ＲＦとして送信される。
【００９４】
〈半導体装置１の動作例〉
次に、半導体装置１の動作の一例について、図３を用いて説明を行う。
【００９５】
図３は、半導体装置１の動作例を示したタイミングチャートである。図３は上から順に、
無線信号ＲＦの強度、電圧ＶＤＤの電圧、電圧ＶＢＡＴの電圧、信号ＳＰＯＷ＿ＣＯＮの
電位、クロック信号ＣＬＫ１の電位、クロック信号ＣＬＫ２の電位、信号ＳＣＬＫ＿ＣＯ
Ｎの電位、信号ＳＳＮＳの電位、アドレスＡＭ［０］の電位、アドレスＡＭ［１］の電位
、信号ＳＡＭの電位、信号ＳＡＤＣの電位、を示している。なお、クロック信号ＣＬＫ１
及びクロック信号ＣＬＫ２は、実際にはパルス状の信号であるが、図３では、連続した信
号として図示されている。
【００９６】
図３では、アドレスＡＭ［０］及びアドレスＡＭ［１］の動作例のみを示しているが、ア
ナログメモリ２０が有する他のアドレスの動作についても同様に説明することが可能であ
る。
【００９７】
図３に示す時刻Ｔ１乃至Ｔ１３は、動作のタイミングを示すために付したものである。
【００９８】
また、時刻Ｔ１乃至Ｔ２で表される期間を期間Ｐ１とし、時刻Ｔ２乃至Ｔ７で表される期
間を期間Ｐ２とし、時刻Ｔ７乃至Ｔ１３で表される期間を期間Ｐ３とした。
【００９９】
期間Ｐ１において、半導体装置１は、無線信号ＲＦが供給され、バッテリ１３の充電が行
われる。
【０１００】
また、期間Ｐ１において、半導体装置１の各回路は、定電圧回路１２で生成された電圧Ｖ
ＤＤで駆動する。また、期間Ｐ１において、半導体装置１の各回路は、発振回路１４で生
成されたクロック信号ＣＬＫ１が与えられる。
【０１０１】
期間Ｐ２において、半導体装置１は、センサ１９によるセンシングを行い、取得したデー
タをアナログメモリ２０に格納する。
【０１０２】
また、期間Ｐ２において、半導体装置１の各回路は、バッテリ１３で生成された電圧ＶＢ
ＡＴで駆動する。また、期間Ｐ２において、半導体装置１の各回路は、発振回路１５で生
成されたクロック信号ＣＬＫ２が与えられる。クロック信号ＣＬＫ２はクロック信号ＣＬ
Ｋ１と比べて周波数が低いため、半導体装置１は、低消費電力で駆動し、バッテリ１３の
電力を節約することが可能になる。その結果、無線信号ＲＦが供給されない期間Ｐ２が長
期間に渡っても、半導体装置１は動作が可能になる。
【０１０３】
期間Ｐ３において、半導体装置１は再び無線信号ＲＦが供給される。この時、半導体装置
１は、アナログメモリ２０に格納したデータをＡＤＣ２２によってデジタルデータに変換
し、搬送波に乗せて無線信号ＲＦとして送信する。また、期間Ｐ３において、半導体装置
１は、期間Ｐ１と同様に、バッテリ１３の充電を行う。
【０１０４】
また、期間Ｐ３において、半導体装置１の各回路は、定電圧回路１２で生成された電圧Ｖ
ＤＤで駆動する。また、期間Ｐ３において、半導体装置１の各回路は、発振回路１４で生
成されたクロック信号ＣＬＫ１が与えられる。クロック信号ＣＬＫ１はクロック信号ＣＬ
Ｋ２と比べて周波数が高いため、半導体装置１は、ＡＤＣ２２のように高速動作が必要な
回路を駆動することが可能になる。
【０１０５】
また、時刻Ｔ１から時刻Ｔ１３にかけて、信号ＳＰＯＷ＿ＣＯＮを、信号Ａ１乃至信号Ａ
７に分割する。それぞれの信号はスイッチ３１乃至３８のオン・オフを制御し、表１に示
すように、論理回路１８、センサ１９、アナログメモリ２０及びＡＤＣ２２に供給される
電圧を制御する。
【０１０６】
【表１】
2020024748.tif 000003
【０１０７】
また、時刻Ｔ１から時刻Ｔ１３にかけて、信号ＳＣＬＫ＿ＣＯＮを、信号Ｂ１乃至信号Ｂ
７に分割する。それぞれの信号はスイッチ４１乃至４６のオン・オフを制御し、表２に示
すように、論理回路１８、アナログメモリ２０及びＡＤＣ２２に入力されるクロック信号
を制御する。
【０１０８】
【表２】
2020024748.tif 000004
【０１０９】
以下、半導体装置１の動作を、時刻Ｔ１から順を追って説明する。
【０１１０】
まず、時刻Ｔ１において、アンテナ１０に無線信号ＲＦが供給され、定電圧回路１２は電
圧ＶＤＤを供給し、バッテリ１３は充電を開始する。電圧ＶＢＡＴは、充電時間とともに
増加し、充電が完了すると一定の電圧となる。
【０１１１】
信号ＳＰＯＷ＿ＣＯＮとして信号Ａ１が与えられる。その結果、論理回路１８、アナログ
メモリ２０及びＡＤＣ２２は電圧ＶＤＤで駆動し、センサ１９はオフ（休止状態）になる
（表１）。
【０１１２】
信号ＳＣＬＫ＿ＣＯＮとして信号Ｂ１が与えられる。その結果、論理回路１８、アナログ
メモリ２０及びＡＤＣ２２に、クロック信号ＣＬＫ１が入力される（表２）。
【０１１３】
次に、時刻Ｔ２において、無線信号ＲＦの供給が止まり、定電圧回路１２は電圧ＶＤＤの
供給を停止し、バッテリ１３は電圧ＶＢＡＴの放電を開始する。電圧ＶＤＤの供給が止め
られたことで、発振回路１４は停止し、クロック信号ＣＬＫ１の供給も止まる。バッテリ
１３から電圧ＶＢＡＴが供給され、発振回路１５はクロック信号ＣＬＫ２を生成する。
【０１１４】
信号ＳＰＯＷ＿ＣＯＮとして信号Ａ２が与えられる。その結果、論理回路１８、センサ１
９、アナログメモリ２０及びＡＤＣ２２がオフになる（表１）。
【０１１５】
信号ＳＣＬＫ＿ＣＯＮとして信号Ｂ２が与えられる。その結果、論理回路１８、アナログ
メモリ２０及びＡＤＣ２２に対して、クロック信号の入力が停止する（オフになる）（表
２）。
【０１１６】
次に、時刻Ｔ３において、信号ＳＰＯＷ＿ＣＯＮとして信号Ａ３が与えられる。その結果
、論理回路１８、センサ１９及びアナログメモリ２０に電圧ＶＢＡＴが供給され、ＡＤＣ
２２はオフになる（表１）。
【０１１７】
信号ＳＣＬＫ＿ＣＯＮとして信号Ｂ３が与えられる。その結果、論理回路１８及びアナロ
グメモリ２０にクロック信号ＣＬＫ２が入力され、ＡＤＣ２２に対してクロック信号の入
力が停止する（表２）。
【０１１８】
この時に、センサ１９はセンシングを開始し、取得された信号ＳＳＮＳは、アナログメモ
リ２０のアドレスＡＭ［０］に記憶される。
【０１１９】
次に、時刻Ｔ４において、センサ１９はセンシングを終了する。
【０１２０】
信号ＳＰＯＷ＿ＣＯＮとして信号Ａ４が与えられる。論理回路１８、センサ１９、アナロ
グメモリ２０及びＡＤＣ２２はオフになる（表１）。
【０１２１】
信号ＳＣＬＫ＿ＣＯＮとして信号Ｂ４が与えられる。論理回路１８、アナログメモリ２０
及びＡＤＣ２２に対して、クロック信号の入力が停止する（表２）。
【０１２２】
アナログメモリ２０は不揮発性メモリであるため、アドレスＡＭ［０］に記憶されたデー
タは、電源が遮断された状態でも、保持され続ける。
【０１２３】
次に、時刻Ｔ５において、信号ＳＰＯＷ＿ＣＯＮとして信号Ａ５が与えられる。その結果
、論理回路１８、センサ１９及びアナログメモリ２０に電圧ＶＢＡＴが供給され、ＡＤＣ
２２はオフになる（表１）。
【０１２４】
信号ＳＣＬＫ＿ＣＯＮとして信号Ｂ５が与えられる。その結果、論理回路１８及びアナロ
グメモリ２０にクロック信号ＣＬＫ２が入力され、ＡＤＣ２２に対してクロック信号の入
力が停止する（表２）。
【０１２５】
この時に、センサ１９はセンシングを開始し、取得された信号ＳＳＮＳは、アナログメモ
リ２０のアドレスＡＭ［１］に記憶される。
【０１２６】
次に、時刻Ｔ６において、センサ１９はセンシングを終了する。
【０１２７】
信号ＳＰＯＷ＿ＣＯＮとして信号Ａ６が与えられる。論理回路１８、センサ１９、アナロ
グメモリ２０及びＡＤＣ２２はオフになる（表１）。
【０１２８】
信号ＳＣＬＫ＿ＣＯＮとして信号Ｂ６が与えられる。論理回路１８、アナログメモリ２０
及びＡＤＣ２２に対して、クロック信号の入力が停止する（表２）。
【０１２９】
アナログメモリ２０は不揮発性メモリであるため、アドレスＡＭ［１］に記憶されたデー
タは、電源が遮断された状態でも、保持され続ける。
【０１３０】
次に、時刻Ｔ７において、無線信号ＲＦが再び供給され、定電圧回路１２は電圧ＶＤＤを
供給し、バッテリ１３の充電が開始される。無線信号ＲＦは、アナログメモリ２０に格納
されたデータの読み出しを行うコマンドを含んでいる。
【０１３１】
信号ＳＰＯＷ＿ＣＯＮとして信号Ａ７が与えられる。その結果、論理回路１８、アナログ
メモリ２０及びＡＤＣ２２は電圧ＶＤＤで駆動し、センサ１９はオフになる（表１）。
【０１３２】
信号ＳＣＬＫ＿ＣＯＮとして信号Ｂ７が与えられる。その結果、論理回路１８、アナログ
メモリ２０及びＡＤＣ２２に、クロック信号ＣＬＫ１が入力される（表２）。
【０１３３】
次に、時刻Ｔ８において、アナログメモリ２０はアドレスＡＭ［０］に保持されたデータ
を、信号ＳＡＭとして出力する。
【０１３４】
次に、時刻Ｔ９において、ＡＤＣ２２は信号ＳＡＭをデジタルデータに変換し、信号ＳＡ
ＤＣとして出力する。
【０１３５】
次に、時刻Ｔ１０において、アナログメモリ２０はアドレスＡＭ［１］に保持されたデー
タを、信号ＳＡＭとして出力する。
【０１３６】
次に、時刻Ｔ１１において、ＡＤＣ２２は信号ＳＡＭをデジタルデータに変換し、信号Ｓ
ＡＤＣとして出力する。
【０１３７】
時刻Ｔ９から時刻Ｔ１２にかけて出力された信号ＳＡＤＣは、最終的には搬送波に乗せら
れ、アンテナ１０から無線信号ＲＦとして送信される。
【０１３８】
次に、時刻Ｔ１３において、無線信号ＲＦの供給が止まり、定電圧回路１２は電圧ＶＤＤ
の供給を停止する。以降、半導体装置１は、時刻Ｔ２からの動作を再び繰り返す。
【０１３９】
以上、上記動作によって、半導体装置１は、無線信号ＲＦが供給されない場合でも、セン
シングを行うことが可能になる。また、センシングによって取得したデータを、不揮発性
メモリに一時保存しておくことで、無線信号ＲＦが供給されたときに、まとめてデータを
読み出すことが可能になる。
【０１４０】
また、アナログメモリ２０は、センサ１９が取得したアナログデータを、デジタルデータ
に変換することなく記憶することができるので、データ変換に要する消費電力を削減する
ことが可能になる。そのため、半導体装置１は、期間Ｐ２における、バッテリ１３の電力
を節約することが可能になる。
【０１４１】
また、電源制御回路１７によるパワーゲーティング、及び、クロック制御回路１６による
クロックゲーティングにより、半導体装置１は、低消費電力による駆動が可能になる。
【０１４２】
以上のことから、半導体装置１は、長期間に渡るセンシングを可能にすることができる。
【０１４３】
なお、図３に示す動作例では、期間Ｐ１及び期間Ｐ３においてセンサ１９をオフにしたが
、無線信号ＲＦが供給される期間Ｐ１及び期間Ｐ３においても、センサ１９に電圧ＶＤＤ
を与えて、センシングを行ってもよい。
【０１４４】
図６に、スイッチ３１乃至３８及びスイッチ４１乃至４６をトランジスタで表した場合の
回路図の一例を示す。図６は、全てのスイッチをｎチャネル型トランジスタで置き換えた
場合の回路図であるが、全てのスイッチをｐチャネル型トランジスタに置き換えることも
可能である。
【０１４５】
図６において、スイッチ３２、３６、３８のトランジスタのゲートは、配線８１に接続さ
れ、スイッチ３４のトランジスタのゲートは配線８２に接続され、スイッチ３１、３３、
３５のトランジスタのゲートは、配線８３に接続され、スイッチ３７のトランジスタのゲ
ートは、配線８４に接続されている。それぞれのスイッチを上記構成にすることで、半導
体装置１は、表１に示す動作を実現することが可能になる。
【０１４６】
図６において、スイッチ４２、４４、４６のトランジスタのゲートは、配線８５に接続さ
れ、スイッチ４１、４３のトランジスタのゲートは配線８６に接続され、スイッチ４５の
トランジスタのゲートは、配線８７に接続されている。それぞれのスイッチを上記構成に
することで、半導体装置１は、表２に示す動作を実現することが可能になる。
【０１４７】
なお、図７に示すように、スイッチ３４及び配線８２を省略してセンサ１９に電圧ＶＤＤ
が入力されないようにしても良い。また、スイッチ３７及び配線８４を省略して、ＡＤＣ
２２に電圧ＶＢＡＴが入力されないようにしても良い。また、スイッチ４５及び配線８７
を省略して、ＡＤＣ２２にクロック信号ＣＬＫ２が入力されないようにしても良い。
【０１４８】
〈半導体装置２の構成例〉
次に、本発明の一態様の半導体装置の別の構成例について図４を用いて説明を行う。
【０１４９】
図４に示す半導体装置２は、図２に示す半導体装置１にデジタルメモリ２１を追加したも
のである。
【０１５０】
また、デジタルメモリ２１は、デジタルデータが記憶される複数のアドレスＤＭ［ｋ−１
］（ｋは１以上の自然数）を有する。
【０１５１】
デジタルメモリ２１は、センサ１９がセンシングを行った時刻を、デジタルデータ（時刻
データ）として記憶する機能を有する。論理回路１８は、デジタルメモリ２１に記憶され
た時刻データを、信号ＳＡＤＣに付加し、出力する機能を有する。最終的に、アンテナ１
０から送信された無線信号ＲＦは、センサ１９が取得したデータと、センシングが行われ
た時刻の両方を含んでいる。
【０１５２】
例えば、デジタルメモリ２１は、不揮発性メモリを用いることが好ましい。不揮発性メモ
リとしては、例えば、フラッシュメモリの他、強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ）、磁気抵抗
メモリ（ＭＲＡＭ）、相変化メモリ（ＰＲＡＭ）、抵抗変化型メモリ（ＲｅＲＡＭ）等を
用いることができる。また、デジタルメモリ２１は、酸化物半導体を用いた不揮発性メモ
リを用いることが好ましい。なお、酸化物半導体を用いた不揮発性メモリの詳細は、実施
の形態２で説明を行う。
【０１５３】
なお、半導体装置２が有する他の構成要素の詳細については、半導体装置１の記載を参照
すればよい。
【０１５４】
〈半導体装置２の動作例〉
半導体装置２の動作の一例について、図５のタイミングチャートを用いて説明を行う。
【０１５５】
図５のタイミングチャートは、図３の半導体装置１のタイミングチャートに、デジタルメ
モリのアドレスＤＭ［０］及びＤＭ［１］の電位を追加したものである。
【０１５６】
図５では、アドレスＤＭ［０］及びアドレスＤＭ［１］の動作例のみを示しているが、デ
ジタルメモリ２１が有する他のアドレスの動作についても同様に説明することが可能であ
る。
【０１５７】
アドレスＡＭ［０］に信号ＳＳＮＳが書き込まれたと同時に、アドレスＤＭ［０］に、時
刻データが書き込まれ、アドレスＡＭ［１］に信号ＳＳＮＳが書き込まれたと同時に、ア
ドレスＤＭ［１］に、時刻データが書き込まれる。
【０１５８】
デジタルメモリに書き込まれたデータは、期間Ｐ３の間に、搬送波に乗せられ、無線信号
ＲＦとして送信される。
【０１５９】
その他の図５のタイミングチャートの詳細は、図３のタイミングチャートの記載を参照す
ればよい。
【０１６０】
なお、図５に示す動作例では、期間Ｐ１及び期間Ｐ３においてセンサ１９をオフにしたが
、無線信号ＲＦが供給される期間Ｐ１及び期間Ｐ３においても、センサ１９に電圧ＶＤＤ
を与えて、センシングを行ってもよい。
【０１６１】
半導体装置２が有するスイッチ３１乃至３８及びスイッチ４１乃至４６は、図６及び図７
と同様に、トランジスタに置き換えることが可能である。
【０１６２】
以上、半導体装置２を用いることで、測定者が、センサ１９がセンシングを行った時刻を
取得することが可能になり、測定データの管理又は解析が容易になる。
【０１６３】
例えば、橋やトンネルなどの建造物の損傷評価のように、測定箇所が膨大な場合、上述の
半導体装置を用いて測定を行えば、データをまとめて読み出すときだけ、測定者とリーダ
ーを手配すれば良い。そのため、人手を節約することが可能になり、データの取得も効率
良く行うことができる。
【０１６４】
例えば、心拍数や脈拍などの生体情報の監視など、測定頻度が高い場合、上述の半導体装
置を用いて測定を行えば、データをまとめて読み出すときだけ、リーダーを用意すれば良
いので、測定者の負担を軽減することが可能になる。
【０１６５】
これまでに、半導体装置１及び半導体装置２に用いるバッテリ１３として、繰り返し充放
電が可能な二次電池を用いた例を示したが、本実施の形態ではこれに限定されない。例え
ば、バッテリ１３として放電のみを行う一次電池を用いてもよい。その場合、バッテリ１
３は、電圧ＶＤＤによって充電されることはないが、本実施の形態で示した電源制御回路
１７によるパワーゲーティング、及び、クロック制御回路１６によるクロックゲーティン
グにより、半導体装置１及び半導体装置２は、長期間の動作が可能になる。
【０１６６】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１で示したアナログメモリ２０またはデジタルメモリ２１
に適用可能な、酸化物半導体トランジスタ（Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  
トランジスタ、以下、ＯＳトランジスタ）を用いた不揮発性メモリについて説明を行う。
【０１６７】
図８は、メモリ回路３００の構成の一例を示すブロック図である。メモリ回路３００は、
ロー・デコーダー回路３６１、ロー・ドライバ回路３６２、カラム・ドライバ回路３６３
、およびメモリセルアレイ３７０を有する。
【０１６８】
メモリセルアレイ３７０は、複数のメモリセルがアレイ状に配列された回路である。図９
は、メモリセルアレイ３７０の構成の一例を示す回路図である。図９には、［２ｊ−１，
２ｋ−１］−［２ｊ，２ｋ］（ｊ、ｋは１以上の整数）の４つのメモリセル３８０を代表
的に示す。
【０１６９】
メモリセル３８０は、トランジスタＭ７０−Ｍ７２、およびキャパシタＣ７０を有する。
ここでは、トランジスタＭ７０は、ＯＳトランジスタとし、ｎチャネル型トランジスタで
ある。また、トランジスタＭ７１、Ｍ７２は、Ｓｉトランジスタであり、ｎチャネル型ト
ランジスタである。ノードＦＮがデータを電荷として保持するメモリセルアレイ３７０の
データ格納部であり、この例では、トランジスタＭ７２のゲートに対応する。
【０１７０】
なおＭ７１、Ｍ７２は、ｐチャネル型トランジスタでもよい。この場合のメモリセルアレ
イの回路図の一例を図１０に示す。またＭ７１、Ｍ７２がｐチャネル型トランジスタのと
き、キャパシタＣ７０に接続する配線ＣＷＬを無くし、配線ＳＬに接続することもできる
。この場合の回路図を図１１に示す。図１１に示すメモリ回路３７３は、配線ＣＷＬを省
略できるため、回路面積の縮小を図ることができる。
【０１７１】
再び図９に戻る。メモリセルアレイ３７０は、メモリセル３８０の配列に対応して配線（
ＷＷＬ、ＲＷＬ、ＣＷＬ、ＳＬ、ＷＢＬ、ＲＢＬ）が設けられている。メモリセル３８０
は、対応する列および行のこれら配線に接続されている。また、配線ＢＧＬがメモリセル
アレイ３７０の共通の配線として設けられている。配線ＢＧＬには、メモリセル３８０の
トランジスタＭ７０のバックゲートが接続されている。
【０１７２】
配線ＷＷＬは書き込み用ワード線として機能し、配線ＲＷＬは読み出し用ワード線として
機能し、それぞれ、ロー・ドライバ回路３６２に接続されている。配線ＣＷＬは、キャパ
シタＣ７０に印加する電圧を供給する配線として機能する。
【０１７３】
配線ＳＬはソース線として機能し、２列ごとに設けられている。配線ＷＢＬは書き込み用
ビット線として機能し、メモリセル３８０に書き込むメモリデータがカラム・ドライバ回
路３６３から供給される配線である。配線ＲＢＬは読み出し用のビット線として機能し、
メモリセル３８０から読み出したメモリデータが出力される配線である。配線ＳＬ、配線
ＷＢＬおよび配線ＲＢＬは、カラム・ドライバ回路３６３に接続されている。
【０１７４】
キャパシタＣ７０は、ノードＦＮの電荷保持用の容量として機能する。キャパシタＣ７０
の一方の端子はノードＦＮに接続され、他方の端子は配線ＣＷＬに接続されている。配線
ＣＷＬはロー・ドライバ回路３６２に接続されている。なお、メモリセル３８０の配線間
容量によりノードＦＮの電荷を保持できる場合は、キャパシタＣ７０と配線ＣＷＬは設け
なくてもよい。
【０１７５】
トランジスタＭ７０をオンにすることで、データ値に対応する電圧がノードＦＮに印加さ
れる。そして、トランジスタＭ７０をオフ状態にすることで、ノードＦＮが電気的に浮遊
状態となり、メモリセル３８０はデータ保持状態となる。トランジスタＭ７０はＯＳトラ
ンジスタであるので、トランジスタＭ７０のオフ状態でのソースードレイン間を流れるリ
ーク電流が極めて小さい。このため、メモリセル３８０は、リフレッシュ動作をせず、年
単位の期間（例えば１０年間程度）データを保持することが可能であり、メモリセル３８
０を不揮発性メモリセルとして用いることができる。また、バックゲートにＶＢＧを印加
することでトランジスタＭ７０のＶｔｈをプラスシフトさせているために、データ保持状
態でトランジスタＭ７０のゲートにＶｔｈよりも小さい電圧をより確実に印加することが
できるため、データ保持エラーが抑えられたメモリセル３８０を得ることができる。
【０１７６】
したがって、実施の形態１に示す半導体装置１及び半導体装置２は、メモリ回路３００を
アナログメモリ２０及びデジタルメモリ２１に適用することで、信号ＲＦを受信していな
い状態でも、データを保持することが可能である。以下、図１２を参照して、メモリセル
アレイ３７０（メモリ回路３００）の動作についてより詳細に説明する。
【０１７７】
なお、ＯＳトランジスタにおいて、オフ電流が極めて低いということを利用するメモリ回
路の場合には、情報を保持する期間において、トランジスタには、所定の電圧が供給され
続けている場合がある。例えば、トランジスタのゲートには、トランジスタが完全にオフ
状態となるような電圧が供給され続けている場合がある。または、トランジスタのバック
ゲートには、トランジスタの閾値電圧がシフトして、トランジスタがノーマリオフ状態に
なるような電圧が供給され続けている場合がある。そのような場合には、情報を保持する
期間において、メモリ回路に電圧が供給されていることになるが、電流がほとんど流れな
いため、電力をほとんど消費しない。したがって、電力をほとんど消費しないことから、
仮に、所定の電圧がメモリ回路に供給されているとしても、実質的には、メモリ回路は不
揮発性であると表現することができる。
【０１７８】
図１２は、メモリセルアレイ３７０（メモリ回路３００）の動作の一例を示すタイミング
チャートである。図１２には、具体的には、メモリセルアレイ３７０に入力される信号波
形を示しており、メモリセルアレイ３７０に含まれる配線およびノードのハイレベル（”
Ｈ”）とロウレベル（”Ｌ”）の電圧も示している。この例では、配線ＣＷＬ、配線ＳＬ
および配線ＢＧＬには一定電圧が印加される。なお、図１２に示す電圧は、以下の大小関
係が成り立つ。
【０１７９】
ＶＤＤ＿ＯＳ  ＞  ＶＤＤ＿ＭＥＭ  ＞  ＶＤＤ＿ＬＯＧＩＣ  ＞  ＧＮＤ  ＞  ＶＢＧ
。
【０１８０】
期間Ｔｐ１では、メモリ回路３００はスタンバイ状態（Ｓｔｄｂｙ）である。スタンバイ
状態とは、メモリ回路３００において、データが保持されている状態である。配線ＷＷＬ
、配線ＷＢＬおよび配線ＲＢＬは”Ｌ”であり、配線ＲＷＬは”Ｈ”である。
【０１８１】
期間Ｔｐ２は、書き込み動作期間である。データを書き込む行の配線ＷＷＬが”Ｈ”とな
るので、トランジスタＭ７０がオンとなり、ノードＦＮが配線ＷＢＬに接続される。配線
ＷＢＬはＶ＿ＷＢＬが与えられているので、ノードＦＮもＶ＿ＷＢＬが与えられる。配線
ＷＷＬを”Ｌ”にして、トランジスタＭ７０をオフ状態にすることで、データ書き込み動
作が終了し、メモリセル３８０はスタンバイ状態になる。
【０１８２】
期間Ｔｐ３はスタンバイ期間である。上述したように、負電圧ＶＢＧをバックゲートに印
加することにより、トランジスタＭ７０のＶｔｈをプラスシフトさせているため、トラン
ジスタＭ７０リーク電流は極めて小さくなり、ノードＦＮにおいて、年単位の期間（例え
ば、１０年程度）、Ｖ＿ＷＢＬとして認識される電圧を保持することが可能である。
【０１８３】
期間Ｔｐ４は、読み出し動作期間である。まず、配線ＲＢＬを電気的に浮遊状態にした後
に、データを読み出す行の配線ＲＷＬが”Ｈ”となり、その行のトランジスタＭ７１がオ
ンになる。また、Ｖ＿ＷＢＬがトランジスタＭ７２のＶｔｈより大きい場合、トランジス
タＭ７２もオンになる。配線ＳＬと配線ＲＢＬとの間には、トランジスタＭ７１、Ｍ７２
を介して電流が流れ、配線ＲＢＬの電位は上昇する。やがて、トランジスタＭ７２のゲー
ト（ノードＦＮ）と配線ＲＢＬの電位差が、トランジスタＭ７２のＶｔｈに達し、トラン
ジスタＭ７２はオフになる。配線ＲＢＬの電位の上昇は止まり、配線ＲＢＬの電位は一定
に落ち着く。このときの配線ＲＢＬの電位（Ｖ＿ＲＢＬ）を読み出すことで、メモリセル
３８０に書き込まれたデータを読み出すことができる。
【０１８４】
期間Ｔｐ５では、メモリ回路３００はスタンバイ状態であり、ノードＦＮや配線の電圧の
レベルは期間Ｔｐ１と同様である。
【０１８５】
以上の動作により、メモリセルアレイ３７０は、データの書き込みと読み出しが可能にな
る。
【０１８６】
図１３に、メモリセルアレイの他の構成例を示す。図１３に示すメモリセルアレイ３７２
は、メモリセルアレイ３７０の変形例である。メモリセルアレイ３７２では、配線ＷＢＬ
と配線ＲＢＬが共通化され１つの配線ＢＬで構成されている点がメモリセルアレイ３７０
と異なる。つまり、図９の例ではビット線を書き込み用と読み出し用で２本設けており、
図１３の例では１本のビット線にしている。
【０１８７】
図１４は、メモリセルアレイ３７２の動作例を示すタイミングチャートである。図１４に
示すように、メモリセルアレイ３７２も、メモリセルアレイ３７０と同様に駆動させるこ
とができる。配線ＢＬが配線ＷＢＬおよび配線ＲＢＬ双方の機能を果たす。
【０１８８】
メモリ回路３００をアナログメモリとして扱う場合、上述の説明において、Ｖ＿ＷＢＬ及
びＶ＿ＲＢＬを、アナログデータとして扱えばよい。メモリ回路３００をデジタルメモリ
として扱う場合、上述の説明において、Ｖ＿ＷＢＬ及びＶ＿ＲＢＬを、”Ｈ”または”Ｌ
”のデジタルデータとして扱えばよい。
【０１８９】
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態２で示した、ＯＳトランジスタの構成例について説明を行
う。
【０１９０】
〈トランジスタの構成例１〉
図１５（Ａ）乃至図１５（Ｄ）は、トランジスタ６００の上面図および断面図である。図
１５（Ａ）は上面図であり、図１５（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向の断面が図１５
（Ｂ）に相当し、図１５（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向の断面が図１５（Ｃ）に相
当し、図１５（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ３−Ｘ４方向の断面が図１５（Ｄ）に相当する。な
お、図１５（Ａ）乃至図１５（Ｄ）では、図の明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、
または省略して図示している。また、一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向をチャネル長方向、一点鎖
線Ｘ１−Ｘ２方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
【０１９１】
なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトラン
ジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが重なる領域
、またはチャネルが形成される領域における、ソース（ソース領域またはソース電極）と
ドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）との間の距離をいう。なお、一つのトラン
ジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのト
ランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では
、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値
または平均値とする。
【０１９２】
チャネル幅とは、例えば、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で
電流の流れる部分）とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域にお
ける、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトランジ
スタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのト
ランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では
、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値
または平均値とする。
【０１９３】
なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネ
ル幅（以下、実効的なチャネル幅と呼ぶ。）と、トランジスタの上面図において示される
チャネル幅（以下、見かけ上のチャネル幅と呼ぶ。）と、が異なる場合がある。例えば、
立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面図
において示される見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる
場合がある。例えば、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、半導体の側面に
形成されるチャネル領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、上面図において示
される見かけ上のチャネル幅よりも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅の
方が大きくなる。
【０１９４】
ところで、立体的な構造を有するトランジスタにおいては、実効的なチャネル幅の、実測
による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積
もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状
が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。
【０１９５】
そこで、本明細書では、トランジスタの上面図において、半導体とゲート電極とが重なる
領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さである見かけ上のチャ
ネル幅を、「囲い込みチャネル幅（ＳＣＷ：Ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ  Ｃｈａｎｎｅｌ  Ｗ
ｉｄｔｈ）」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合に
は、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細
書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。な
お、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチ
ャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを取得して、その画像を解析することなどによって、
値を決定することができる。
【０１９６】
なお、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求め
る場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャ
ネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。
【０１９７】
トランジスタ６００は、基板６４０と、基板６４０上の絶縁膜６５１と、絶縁膜６５１上
に形成された導電膜６７４と、絶縁膜６５１及び導電膜６７４上に形成された絶縁膜６５
６と、絶縁膜６５６上に形成された絶縁膜６５２と、絶縁膜６５２上に、半導体６６１、
半導体６６２の順で形成された積層と、半導体６６２の上面と接する導電膜６７１および
導電膜６７２と、半導体６６１、半導体６６２、導電膜６７１および導電膜６７２と接す
る半導体６６３と、半導体６６３上の絶縁膜６５３および導電膜６７３と、導電膜６７３
および絶縁膜６５３上の絶縁膜６５４と、絶縁膜６５４上の絶縁膜６５５を有する。なお
、半導体６６１、半導体６６２および半導体６６３をまとめて、半導体６６０と呼称する
。
【０１９８】
導電膜６７１は、トランジスタ６００のソース電極としての機能を有する。導電膜６７２
は、トランジスタ６００のドレイン電極としての機能を有する。
【０１９９】
導電膜６７３は、トランジスタ６００の第１のゲート電極としての機能を有する。
【０２００】
絶縁膜６５３は、トランジスタ６００の第１のゲート絶縁膜としての機能を有する。
【０２０１】
導電膜６７４は、トランジスタ６００の第２のゲート電極としての機能を有する。
【０２０２】
絶縁膜６５６及び絶縁膜６５２は、トランジスタ６００の第２のゲート絶縁膜としての機
能を有する。
【０２０３】
導電膜６７３と導電膜６７４は同じ電位が与えられてもよいし、異なる電位が与えられて
もよい。また導電膜６７４は、場合によっては省略することもできる。
【０２０４】
図１５（Ｃ）に示すように、半導体６６２の側面は、導電膜６７３に囲まれている。上記
構成をとることで、導電膜６７３の電界によって、半導体６６２を電気的に取り囲むこと
ができる（導電膜（ゲート電極）の電界によって、半導体を電気的に取り囲むトランジス
タの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ  ｃｈａｎｎｅｌ（ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ
。）。そのため、半導体６６２の全体（バルク）にチャネルが形成される場合がある。ｓ
−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、トランジスタのソース−ドレイン間に大電流を流すことができ
、導通時の電流（オン電流）を高くすることができる。また、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は
、高周波でも動作可能なトランジスタを提供することができる。
【０２０５】
ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、高いオン電流が得られるため、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａ
ｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）など微細化されたトランジスタが要求される半導体装置
に適した構造といえる。トランジスタを微細化できるため、該トランジスタを有する半導
体装置は、集積度の高い、高密度化された半導体装置とすることが可能となる。例えば、
トランジスタは、チャネル長が好ましくは１０ｎｍ以上、１μｍ未満、さらに好ましくは
１０ｎｍ以上、１００ｎｍ未満、さらに好ましくは１０ｎｍ以上、７０ｎｍ未満、さらに
好ましくは１０ｎｍ以上、６０ｎｍ未満、さらに好ましくは１０ｎｍ以上、３０ｎｍ未満
の領域を有する。例えば、トランジスタは、チャネル幅が好ましくは１０ｎｍ以上、１μ
ｍ未満、さらに好ましくは１０ｎｍ以上、１００ｎｍ未満、さらに好ましくは１０ｎｍ以
上、７０ｎｍ未満、さらに好ましくは１０ｎｍ以上、６０ｎｍ未満、さらに好ましくは１
０ｎｍ以上、３０ｎｍ未満の領域を有する。
【０２０６】
ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、高いオン電流が得られるため、高周波での動作が要求される
トランジスタに適した構造といえる。該トランジスタを有する半導体装置は、高周波で動
作可能な半導体装置とすることが可能となる。
【０２０７】
絶縁膜６５１は、基板６４０と導電膜６７４を電気的に分離させる機能を有する。
【０２０８】
絶縁膜６５２は、酸化物を含むことが好ましい。特に加熱により一部の酸素が脱離する酸
化物材料を含むことが好ましい。好適には、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸
素を含む酸化物を用いることが好ましい。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素
を含む酸化物膜は、加熱により一部の酸素が脱離する。絶縁膜６５２から脱離した酸素は
酸化物半導体である半導体６６０に供給され、酸化物半導体中の酸素欠損を低減すること
が可能となる。その結果、トランジスタの電気特性の変動を抑制し、信頼性を高めること
ができる。
【０２０９】
化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物膜は、例えば、ＴＤＳ（Ｔｈ
ｅｒｍａｌ  Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて、膜の表面温
度が１００℃以上７００℃以下、酸素原子に換算した場合の酸素の脱離量が１．０×１０
１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であ
る酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上
７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。
【０２１０】
絶縁膜６５６は、絶縁膜６５２に含まれる酸素が、導電膜６７４に含まれる金属と結びつ
き、絶縁膜６５２に含まれる酸素が減少することを防ぐ機能を有する。
【０２１１】
絶縁膜６５４は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキングで
きる機能を有する。絶縁膜６５４を設けることで、半導体６６０からの酸素の外部への拡
散と、外部から半導体６６０への水素、水等の入り込みを防ぐことができる。
【０２１２】
次に、半導体６６１、半導体６６２、半導体６６３などに適用可能な半導体について説明
する。
【０２１３】
トランジスタ６００は、非導通状態においてソースとドレインとの間を流れる電流（オフ
電流）が低いことが好適である。ここでは、オフ電流が低いとは、室温において、ソース
とドレインとの間の電圧を１０Ｖとし、チャネル幅１μｍあたりの規格化されたオフ電流
が１０×１０−２１Ａ以下であることをいう。このようにオフ電流が低いトランジスタと
しては、半導体に酸化物半導体を有するトランジスタが挙げられる。
【０２１４】
半導体６６２は、例えば、インジウム（Ｉｎ）を含む酸化物半導体である。半導体６６２
は、例えば、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。また、半
導体６６２は、元素Ｍを含むと好ましい。元素Ｍは、好ましくは、アルミニウム（Ａｌ）
、ガリウム（Ｇａ）またはスズ（Ｓｎ）などとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素
としては、シリコン（Ｓｉ）、ホウ素（Ｂ）、チタン（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（
Ｎｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、モリブデ
ン（Ｍｏ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、ネオジム（Ｎｄ）、ハフニウム（Ｈ
ｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）などがある。ただし、元素Ｍとして、前述
の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。元素Ｍは、例えば、酸素との結合エネ
ルギーが高い元素である。例えば、酸素との結合エネルギーがインジウムよりも高い元素
である。または、元素Ｍは、例えば、酸化物半導体のエネルギーギャップを大きくする機
能を有する元素である。また、半導体６６２は、亜鉛（Ｚｎ）を含むと好ましい。酸化物
半導体は、亜鉛を含むと結晶化しやすくなる場合がある。
【０２１５】
ただし、半導体６６２は、インジウムを含む酸化物半導体に限定されない。半導体６６２
は、例えば、亜鉛スズ酸化物、ガリウムスズ酸化物などの、インジウムを含まず、亜鉛を
含む酸化物半導体、ガリウムを含む酸化物半導体、スズを含む酸化物半導体などであって
も構わない。
【０２１６】
半導体６６２は、例えば、エネルギーギャップが大きい酸化物を用いる。半導体６６２の
エネルギーギャップは、例えば、２．５ｅＶ以上４．２ｅＶ以下、好ましくは２．８ｅＶ
以上３．８ｅＶ以下、さらに好ましくは３ｅＶ以上３．５ｅＶ以下とする。
【０２１７】
半導体６６２は、後述するＣＡＡＣ−ＯＳ膜であることが好ましい。
【０２１８】
例えば、半導体６６１および半導体６６３は、半導体６６２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である。半導体６６２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半導体６６１および半導体６６３が構成され
るため、半導体６６１と半導体６６２との界面、および半導体６６２と半導体６６３との
界面において、界面準位が形成されにくい。
【０２１９】
なお、半導体６６１がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍ
ｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％
より高く、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％よ
り高いとする。半導体６６１をスパッタリング法で成膜する場合、上記の組成を満たすス
パッタリングターゲットを用いることが好ましい。例えば、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：２
が好ましい。
【０２２０】
また、半導体６６２がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍ
ｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが７５ａｔｏｍｉ
ｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ
％未満とする。半導体６６２をスパッタリング法で成膜する場合、上記の組成を満たすス
パッタリングターゲットを用いることが好ましい。例えば、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１
、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３
：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：４．１が好ましい。特に、スパッタリングターゲッ
トとして、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１を用いる場合、成膜される半導
体６６２の原子数比は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３近傍となる場合がある。
【０２２１】
また、半導体６６３がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍ
ｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％
より高く、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％よ
り高くする。なお、半導体６６３は、半導体６６１と同種の酸化物を用いても構わない。
ただし、半導体６６１または／および半導体６６３がインジウムを含まなくても構わない
場合がある。例えば、半導体６６１または／および半導体６６３が酸化ガリウムであって
も構わない。
【０２２２】
次に、半導体６６１、半導体６６２、および半導体６６３の積層により構成される半導体
６６０の機能およびその効果について、図１６（Ｂ）に示すエネルギーバンド構造図を用
いて説明する。図１６（Ａ）は、図１５（Ｂ）に示すトランジスタ６００のチャネル部分
を拡大した図で、図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）にＡ１−Ａ２の鎖線で示した部位のエネ
ルギーバンド構造を示している。また、図１６（Ｂ）は、トランジスタ６００のチャネル
形成領域のエネルギーバンド構造を示している。
【０２２３】
図１６（Ｂ）中、Ｅｃ６５２、Ｅｃ６６１、Ｅｃ６６２、Ｅｃ６６３、Ｅｃ６５３は、そ
れぞれ、絶縁膜６５２、半導体６６１、半導体６６２、半導体６６３、絶縁膜６５３の伝
導帯下端のエネルギーを示している。
【０２２４】
ここで、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差（「電子親和力」ともいう。）は、真
空準位と価電子帯上端のエネルギーとの差（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いた値となる。なお、エネルギーギャップは、分光エリプソメータを
用いて測定できる。また、真空準位と価電子帯上端のエネルギー差は、紫外線光電子分光
分析（ＵＰＳ：Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏ
ｓｃｏｐｙ）装置を用いて測定できる。
【０２２５】
絶縁膜６５２と絶縁膜６５３は絶縁体であるため、Ｅｃ６５３とＥｃ６５２は、Ｅｃ６６
１、Ｅｃ６６２、およびＥｃ６６３よりも真空準位に近い（電子親和力が小さい）。
【０２２６】
半導体６６２は、半導体６６１および半導体６６３よりも電子親和力の大きい酸化物を用
いる。例えば、半導体６６２として、半導体６６１および半導体６６３よりも電子親和力
の０．０７ｅＶ以上１．３ｅＶ以下、好ましくは０．１ｅＶ以上０．７ｅＶ以下、さらに
好ましくは０．１５ｅＶ以上０．４ｅＶ以下大きい酸化物を用いる。なお、電子親和力は
、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差である。
【０２２７】
なお、インジウムガリウム酸化物は、小さい電子親和力と、高い酸素ブロック性を有する
。そのため、半導体６６３がインジウムガリウム酸化物を含むと好ましい。ガリウム原子
割合［Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）］は、例えば、７０％以上、好ましくは８０％以上、さらに
好ましくは９０％以上とする。
【０２２８】
このとき、ゲート電圧を印加すると、半導体６６１、半導体６６２、半導体６６３のうち
、電子親和力の大きい半導体６６２にチャネルが形成される。
【０２２９】
ここで、半導体６６１と半導体６６２との間には、半導体６６１と半導体６６２との混合
領域を有する場合がある。また、半導体６６２と半導体６６３との間には、半導体６６２
と半導体６６３との混合領域を有する場合がある。混合領域は、界面準位密度が低くなる
。そのため、半導体６６１、半導体６６２および半導体６６３の積層体は、それぞれの界
面近傍において、エネルギーが連続的に変化する（連続接合ともいう。）バンド構造とな
る。
【０２３０】
このとき、電子は、半導体６６１中および半導体６６３中ではなく、半導体６６２中を主
として移動する。上述したように、半導体６６１および半導体６６２の界面における界面
準位密度、半導体６６２と半導体６６３との界面における界面準位密度を低くすることに
よって、半導体６６２中で電子の移動が阻害されることが少なく、トランジスタのオン電
流を高くすることができる。
【０２３１】
トランジスタのオン電流は、電子の移動を阻害する要因を低減するほど、高くすることが
できる。例えば、電子の移動を阻害する要因のない場合、効率よく電子が移動すると推定
される。電子の移動は、例えば、チャネル形成領域の物理的な凹凸が大きい場合にも阻害
される。
【０２３２】
トランジスタのオン電流を高くするためには、例えば、半導体６６２の上面または下面（
被形成面、ここでは半導体６６１）の、１μｍ×１μｍの範囲における二乗平均平方根（
ＲＭＳ：Ｒｏｏｔ  Ｍｅａｎ  Ｓｑｕａｒｅ）粗さが１ｎｍ未満、好ましくは０．６ｎｍ
未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未満とすればよい。
また、１μｍ×１μｍの範囲における平均面粗さ（Ｒａともいう。）が１ｎｍ未満、好ま
しくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未
満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における最大高低差（Ｐ−Ｖともいう。）
が１０ｎｍ未満、好ましくは９ｎｍ未満、さらに好ましくは８ｎｍ未満、より好ましくは
７ｎｍ未満とすればよい。ＲＭＳ粗さ、ＲａおよびＰ−Ｖは、エスアイアイ・ナノテクノ
ロジー株式会社製走査型プローブ顕微鏡システムＳＰＡ−５００などを用いて測定するこ
とができる。
【０２３３】
または、例えば、チャネルの形成される領域中の欠陥準位密度が高い場合にも、電子の移
動は阻害される。
【０２３４】
例えば、半導体６６２が酸素欠損（ＶＯとも表記。）を有する場合、酸素欠損のサイトに
水素が入り込むことでドナー準位を形成することがある。以下では酸素欠損のサイトに水
素が入り込んだ状態をＶＯＨと表記する場合がある。ＶＯＨは電子を散乱するため、トラ
ンジスタのオン電流を低下させる要因となる。なお、酸素欠損のサイトは、水素が入るよ
りも酸素が入る方が安定する。したがって、半導体６６２中の酸素欠損を低減することで
、トランジスタのオン電流を高くすることができる場合がある。
【０２３５】
例えば、半導体６６２のある深さにおいて、または、半導体６６２のある領域において、
二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔ
ｒｏｍｅｔｒｙ）で測定される水素濃度は、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、２×
１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５
×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以
上、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／
ｃｍ３以上、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【０２３６】
半導体６６２の酸素欠損を低減するために、例えば、絶縁膜６５２に含まれる過剰酸素を
、半導体６６１を介して半導体６６２まで移動させる方法などがある。この場合、半導体
６６１は、酸素透過性を有する層（酸素を通過または透過させる層）であることが好まし
い。
【０２３７】
なお、トランジスタがｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有する場合、半導体６６２の全体にチャ
ネルが形成される。したがって、半導体６６２が厚いほどチャネル領域は大きくなる。即
ち、半導体６６２が厚いほど、トランジスタのオン電流を高くすることができる。
【０２３８】
また、トランジスタのオン電流を高くするためには、半導体６６３の厚さは小さいほど好
ましい。半導体６６３は、例えば、１０ｎｍ未満、好ましくは５ｎｍ以下、さらに好まし
くは３ｎｍ以下の領域を有していればよい。一方、半導体６６３は、チャネルの形成され
る半導体６６２へ、隣接する絶縁体を構成する酸素以外の元素（水素、シリコンなど）が
入り込まないようブロックする機能を有する。そのため、半導体６６３は、ある程度の厚
さを有することが好ましい。半導体６６３は、例えば、０．３ｎｍ以上、好ましくは１ｎ
ｍ以上、さらに好ましくは２ｎｍ以上の厚さの領域を有していればよい。また、半導体６
６３は、絶縁膜６５２などから放出される酸素の外方拡散を抑制するために、酸素をブロ
ックする性質を有すると好ましい。
【０２３９】
また、信頼性を高くするためには、半導体６６１は厚く、半導体６６３は薄いことが好ま
しい。半導体６６１は、例えば、１０ｎｍ以上、好ましくは２０ｎｍ以上、さらに好まし
くは４０ｎｍ以上、より好ましくは６０ｎｍ以上の厚さの領域を有していればよい。半導
体６６１の厚さを、厚くすることで、隣接する絶縁体と半導体６６１との界面からチャネ
ルの形成される半導体６６２までの距離を離すことができる。ただし、半導体装置の生産
性が低下する場合があるため、半導体６６１は、例えば、２００ｎｍ以下、好ましくは１
２０ｎｍ以下、さらに好ましくは８０ｎｍ以下の厚さの領域を有していればよい。
【０２４０】
例えば、半導体６６２と半導体６６１との間に、例えば、ＳＩＭＳ分析において、１×１
０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×
１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好まし
くは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満のシリ
コン濃度となる領域を有する。また、半導体６６２と半導体６６３との間に、ＳＩＭＳに
おいて、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、
好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満
、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ３未満のシリコン濃度となる領域を有する。
【０２４１】
また、半導体６６２の水素濃度を低減するために、半導体６６１および半導体６６３の水
素濃度を低減すると好ましい。半導体６６１および半導体６６３は、ＳＩＭＳにおいて、
１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましく
は１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好
ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、
さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３以下の水素濃度となる領域を有する。また、半導体６６２の窒素濃度を低減するために
、半導体６６１および半導体６６３の窒素濃度を低減すると好ましい。半導体６６１およ
び半導体６６３は、ＳＩＭＳにおいて、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５×１０
１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５×１
０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、
１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３以上、５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の窒素濃度となる領域を有する。
【０２４２】
上述の３層構造は一例である。例えば、半導体６６１または半導体６６３のない２層構造
としても構わない。または、半導体６６１の上もしくは下、または半導体６６３上もしく
は下に、半導体６６１、半導体６６２および半導体６６３として例示した半導体のいずれ
か一を有する４層構造としても構わない。または、半導体６６１の上、半導体６６１の下
、半導体６６３の上、半導体６６３の下のいずれか二箇所以上に、半導体６６１、半導体
６６２および半導体６６３として例示した半導体のいずれか一を有するｎ層構造（ｎは５
以上の整数）としても構わない。
【０２４３】
〈トランジスタの作製方法〉
以下では、図１５で示したトランジスタ６００の作製方法について、図１７及び図１８で
説明を行う。なお、図１７及び図１８の左側には、トランジスタのチャネル長方向の断面
図（図１５（Ａ）における、一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向の断面図）を示し、図１７及び図１
８の右側には、トランジスタのチャネル幅方向の断面図（図１５（Ａ）における、一点鎖
線Ｘ１−Ｘ２方向の断面図）を示している。
【０２４４】
まず、基板６４０上に、絶縁膜６５１ａを成膜し、導電膜６７４を形成した後、絶縁膜６
５１ｂを成膜する（図１７（Ａ））。
【０２４５】
基板６４０としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい
。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコ
ニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体
基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリ
コン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウ
ムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域
を有する半導体基板、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板
などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板など
がある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さ
らには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または
絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある
。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子
としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
【０２４６】
また、基板６４０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６４０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。なお、基板６４０として
、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。また、基板６４０が
伸縮性を有してもよい。また、基板６４０は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形
状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板６
４０の厚さは、例えば、５μｍ以上７００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上５００μｍ
以下、さらに好ましくは１５μｍ以上３００μｍ以下とする。基板６４０を薄くすると、
半導体装置を軽量化することができる。また、基板６４０を薄くすることで、ガラスなど
を用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に
戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板６４０上の半導体装置に
加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができ
る。
【０２４７】
可とう性基板である基板６４０としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、ま
たはそれらの繊維などを用いることができる。可とう性基板である基板６４０は、線膨張
率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可とう性基板である基板６４０とし
ては、例えば、線膨張率が１×１０−３／Ｋ以下、５×１０−５／Ｋ以下、または１×１
０−５／Ｋ以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリ
オレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、
アクリル、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などがある。特に、アラミドは、線
膨張率が低いため、可とう性基板である基板６４０として好適である。
【０２４８】
絶縁膜６５１ａ及び絶縁膜６５１ｂに用いる材料として、酸化シリコン、窒化シリコン、
酸化窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンを含む材料を用いることが好ましい。または、
酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イッ
トリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等の金属酸化物
を用いる事ができる。なお、本明細書中において、酸化窒化物とは、その組成として窒素
よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化物とは、その組成として、酸素よりも窒
素の含有量が多い材料を示す。
【０２４９】
また、絶縁膜６５１ａ及び絶縁膜６５１ｂとして、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ−Ｅｔｈｙｌ−
Ｏｒｔｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ）若しくはシラン等と、酸素若しくは亜酸化窒素等とを反
応させて形成した段差被覆性の良い酸化シリコンを用いてもよい。
【０２５０】
絶縁膜６５１ａ及び絶縁膜６５１ｂは、スパッタリング法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  
Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法（熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇ
ａｎｉｃ  ＣＶＤ）法、ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  ＣＶＤ）法等を
含む）、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＡＬＤ（Ａｔｏ
ｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、またはＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓ
ｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等で成膜してもよい。特に、当該絶縁膜をＣＶＤ法、好
ましくはプラズマＣＶＤ法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好
ましい。またプラズマによるダメージを減らすには、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法あるいは
ＡＬＤ法が好ましい。
【０２５１】
また、基板６４０に半導体基板を用いた場合、熱酸化膜で絶縁膜６５１ａを形成してもよ
い。
【０２５２】
導電膜６７４は、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、金（Ａｕ）、
アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ニッケ
ル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）
、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、ストロンチウム（Ｓｒ）の
低抵抗材料からなる単体、もしくは合金、またはこれらを主成分とする化合物を含む導電
膜の単層または積層とすることが好ましい。特に、耐熱性と導電性を両立するタングステ
ンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましい。また、アルミニウムや銅など
の低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。さらに、Ｃｕ−Ｍｎ合金を用いると、酸
素を含む絶縁体との界面に酸化マンガンを形成し、酸化マンガンがＣｕの拡散を抑制する
機能を持つので好ましい。
【０２５３】
導電膜６７４の形成は、例えばスパッタリング法、ＣＶＤ法（熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法
、ＰＥＣＶＤ法等を含む）、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法などを用いて形成するこ
とができる。
【０２５４】
次に、絶縁膜６５１ｂの表面をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏ
ｌｉｓｈｉｎｇ）法で平坦化する（図１７（Ｂ）参照）。
【０２５５】
また、絶縁膜６５１ｂとして平坦化膜を用いてもよい。その場合は、必ずしもＣＭＰ法等
で平坦化しなくともよい。平坦化膜の形成には、例えば常圧ＣＶＤ法や、塗布法などを用
いることができる。常圧ＣＶＤ法を用いて形成できる膜としては例えば、ＢＰＳＧ（Ｂｏ
ｒｏｎ  Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）等が挙げられる。また
、塗布法を用いて形成できる膜としては例えば、ＨＳＱ（水素シルセスキオキサン）等が
挙げられる。
【０２５６】
なお、以降では、絶縁膜６５１ａ及び絶縁膜６５１ｂをまとめて絶縁膜６５１と記載する
ことにする。
【０２５７】
次に、絶縁膜６５６、絶縁膜６５２、半導体６６１ｉ及び半導体６６２ｉを成膜する（図
１７（Ｃ）参照）。
【０２５８】
絶縁膜６５６及び絶縁膜６５２は、スパッタリング法、ＣＶＤ法（熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶ
Ｄ法、ＰＥＣＶＤ法等を含む）、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法、またはＰＬＤ法等で成膜してもよ
い。
【０２５９】
絶縁膜６５６は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキング効
果を有することが好ましい。絶縁膜６５６としては、例えば、窒化物絶縁膜を用いること
ができる。該窒化物絶縁膜としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウ
ム、窒化酸化アルミニウム等がある。なお、窒化物絶縁膜の代わりに、酸素、水素、水等
のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜を設けてもよい。先述の酸化物絶縁膜としては
、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イ
ットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等がある。
【０２６０】
絶縁膜６５２は、半導体６６０に酸素を供給することができる酸化物を含むことが好まし
い。例えば、絶縁膜６５２として、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む材料を用
いることが好ましい。または、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム
、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化
窒化ハフニウム等の金属酸化物を用いることもできる。
【０２６１】
絶縁膜６５２に酸素を過剰に含有させるためには、例えば酸素雰囲気下にて絶縁膜６５２
の成膜を行えばよい。または、成膜後の絶縁膜６５２に酸素を導入して酸素を過剰に含有
する領域を形成してもよく、双方の手段を組み合わせてもよい。
【０２６２】
例えば、成膜後の絶縁膜６５２に酸素（少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオン
のいずれかを含む）を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する。酸素の導入方法と
しては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラ
ズマ処理などを用いることができる。
【０２６３】
酸素導入処理には、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、例
えば酸素、亜酸化窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる
。また、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよい。または、水
素等を含ませてもよい。例えば、二酸化炭素、水素及びアルゴンの混合ガスを用いるとよ
い。
【０２６４】
また、絶縁膜６５２を成膜した後、その上面の平坦性を高めるためにＣＭＰ法等を用いた
平坦化処理を行ってもよい。
【０２６５】
半導体６６１ｉと半導体６６２ｉとは、大気に触れさせることなく連続して成膜すること
が好ましい。半導体６６１ｉ及び半導体６６２ｉは、スパッタリング法、ＣＶＤ法（熱Ｃ
ＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法等を含む）、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法な
どを用いて成膜すればよい。
【０２６６】
半導体６６１ｉ及び半導体６６２ｉに用いることができる材料は、図１５及び図１６の半
導体６６１及び半導体６６２の記載を参照すればよい。
【０２６７】
なお、半導体６６１ｉ及び半導体６６２ｉとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物層をＭＯＣＶ
Ｄ法によって成膜する場合、原料ガスとしてトリメチルインジウム、トリメチルガリウム
及びジメチル亜鉛などを用いればよい。なお、上記原料ガスの組み合わせに限定されず、
トリメチルインジウムに代えてトリエチルインジウムなどを用いてもよい。また、トリメ
チルガリウムに代えてトリエチルガリウムなどを用いてもよい。また、ジメチル亜鉛に代
えてジエチル亜鉛などを用いてもよい。
【０２６８】
ここで、半導体６６１ｉを形成した後に、半導体６６１ｉに酸素を導入してもよい。例え
ば、成膜後の半導体６６１ｉに酸素（少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンの
いずれかを含む）を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する。酸素の導入方法とし
ては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズ
マ処理などを用いることができる。
【０２６９】
酸素導入処理には、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、例
えば酸素、亜酸化窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる
。また、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよい。または、水
素等を含ませてもよい。例えば、二酸化炭素、水素及びアルゴンの混合ガスを用いるとよ
い。
【０２７０】
半導体６６１ｉ及び半導体６６２ｉを成膜後、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理
は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下の温度で、不活性
ガス雰囲気、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。ま
た、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以上含む雰囲気で行ってもよい。加熱処理は、半導体膜を成
膜した直後に行ってもよいし、半導体膜を加工して島状の半導体６６１及び半導体６６２
を形成した後に行ってもよい。加熱処理により、絶縁膜６５２や酸化物膜から半導体に酸
素が供給され、半導体中の酸素欠損を低減することができる。
【０２７１】
その後、レジストマスクを形成し、不要な部分をエッチングにより除去する。その後レジ
ストマスクを除去することにより、島状の半導体６６１及び島状の半導体６６２の積層構
造を形成することができる（図１７（Ｄ）参照）。なお、半導体膜のエッチングの際に、
絶縁膜６５２の一部がエッチングされ、半導体６６１及び半導体６６２に覆われていない
領域における絶縁膜６５２が薄膜化することがある。したがって、当該エッチングにより
絶縁膜６５２が消失しないよう、予め厚く形成しておくことが好ましい。
【０２７２】
なお、半導体膜のエッチング条件によっては、レジストがエッチング時に消失してしまう
場合があるため、エッチングの耐性が高い材料、例えば無機膜または金属膜からなるいわ
ゆるハードマスクを用いてもよい。ここでハードマスク６７８として、導電膜を用いる例
を示す。ハードマスク６７８を用いて半導体膜を加工し、半導体６６１及び半導体６６２
を形成する例を示す。（図１７（Ｅ）参照）。
【０２７３】
ハードマスク６７８として、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、金
（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ
）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバル
ト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、ストロンチウム
（Ｓｒ）の低抵抗材料からなる単体、もしくは合金、またはこれらを主成分とする化合物
を含む導電膜の単層または積層とすることが好ましい。特に、耐熱性と導電性を両立する
タングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましい。また、アルミニウ
ムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。さらに、Ｃｕ−Ｍｎ合金を用
いると、酸素を含む絶縁体との界面に酸化マンガンを形成し、酸化マンガンがＣｕの拡散
を抑制する機能を持つので好ましい。
【０２７４】
また、ハードマスク６７８には、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、ストロンチウムルテ
ナイトなど、貴金属を含む導電性酸化物を用いることが好ましい。これらの導電性酸化物
は、酸化物半導体と接しても酸化物半導体から酸素を奪うことが少なく、酸化物半導体の
酸素欠損を作りにくい。
【０２７５】
ハードマスク６７８の形成は、例えばスパッタリング法、ＣＶＤ法（熱ＣＶＤ法、ＭＯＣ
ＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法等を含む）、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法などを用いて形成
することができる。
【０２７６】
次に、レジストマスクを形成し、エッチングにより、ハードマスク６７８を、導電膜６７
１及び導電膜６７２に加工する（図１８（Ａ）参照）。ここで、ハードマスク６７８のエ
ッチングの際に、半導体６６２や絶縁膜６５２の上部の一部がエッチングされ、導電膜６
７１及び導電膜６７２と重ならない部分が薄膜化することがある。したがって、半導体６
６２の厚さを、エッチングされる深さを考慮して予め厚く形成しておくことが好ましい。
【０２７７】
次に、半導体６６３及び絶縁膜６５３を成膜する。その後、レジストマスクを形成し、エ
ッチングにより加工し、その後レジストマスクを除去する（図１８（Ｂ）参照）。
【０２７８】
次に導電膜６７３を成膜し、レジストマスクを形成し、エッチングにより該導電膜６７３
を加工し、その後レジストマスクを除去してゲート電極を形成する（図１８（Ｃ）参照）
。
【０２７９】
半導体６６３、絶縁膜６５３及び導電膜６７３は、スパッタリング法、ＣＶＤ法（熱ＣＶ
Ｄ法、ＭＯＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法等を含む）、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法など
を用いて成膜すればよい。特に、ＣＶＤ法、好ましくはプラズマＣＶＤ法によって成膜す
ると、被覆性を向上させることができるため好ましい。またプラズマによるダメージを減
らすには、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法あるいはＡＬＤ法が好ましい。
【０２８０】
半導体６６３及び絶縁膜６５３は、導電膜６７３形成後にエッチングしてもよい。エッチ
ングは、例えばレジストマスクを用いて行えばよい。または、形成した導電膜６７３をマ
スクとして絶縁膜６５３及び半導体６６３をエッチングしてもよい。
【０２８１】
また半導体６６３を形成した後に、半導体６６３に酸素を導入してもよい。例えば、成膜
後の半導体６６３に酸素（少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを
含む）を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する。酸素の導入方法としては、イオ
ン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理など
を用いることができる。
【０２８２】
酸素導入処理には、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、例
えば酸素、亜酸化窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる
。また、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよい。または、水
素等を含ませてもよい。例えば、二酸化炭素、水素及びアルゴンの混合ガスを用いるとよ
い。
【０２８３】
半導体６６３に用いることができる材料は、図１５及び図１６の半導体６６３の記載を参
照すればよい。
【０２８４】
絶縁膜６５３には、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用いることができる。また、絶縁膜６５３は上記材料の積
層であってもよい。なお、絶縁膜６５３に、ランタン（Ｌａ）、窒素、ジルコニウム（Ｚ
ｒ）などを、不純物として含んでいてもよい。
【０２８５】
また、絶縁膜６５３の積層構造の一例について説明する。絶縁膜６５３は、例えば、酸素
、窒素、シリコン、ハフニウムなどを有する。具体的には、酸化ハフニウム、および酸化
シリコンまたは酸化窒化シリコンを含むと好ましい。
【０２８６】
酸化ハフニウムは、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率が高い。したがっ
て、酸化シリコンを用いた場合と比べて、絶縁膜６５３の膜厚を大きくできるため、トン
ネル電流によるリーク電流を小さくすることができる。即ち、オフ電流の小さいトランジ
スタを実現することができる。
【０２８７】
次に、絶縁膜６５４を形成する。絶縁膜６５４は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アル
カリ土類金属等のブロッキングできる機能を有する。絶縁膜６５４は、例えばスパッタリ
ング法、ＣＶＤ法（熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法等を含む）、ＭＢＥ法、Ａ
ＬＤ法またはＰＬＤ法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁膜をＣＶＤ法
、好ましくはプラズマＣＶＤ法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるた
め好ましい。またプラズマによるダメージを減らすには、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法ある
いはＡＬＤ法が好ましい。
【０２８８】
絶縁膜６５４は酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキング効果
を有することが好ましい。絶縁膜６５４としては、例えば、窒化物絶縁膜を用いることが
できる。該窒化物絶縁膜としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム
、窒化酸化アルミニウム等がある。なお、窒化物絶縁膜の代わりに、酸素、水素、水等の
ブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜を設けてもよい。酸化物絶縁膜としては、酸化ア
ルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウ
ム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等がある。
【０２８９】
酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、および酸素の両方に対して膜を透過さ
せない遮断効果が高いので絶縁膜６５４に適用するのに好ましい。また、酸化アルミニウ
ム膜に含まれる酸素を半導体６６０に拡散させることもできる。
【０２９０】
絶縁膜６５４の成膜後、加熱処理を行うことが好ましい。この加熱処理により、絶縁膜６
５２等から半導体６６０に対して酸素を供給し、半導体６６０中の酸素欠損を低減するこ
とができる。またこのとき、絶縁膜６５２から脱離した酸素は、絶縁膜６５６及び絶縁膜
６５４によってブロックされるため、当該酸素を効果的に閉じ込めることができる。その
ため半導体６６０に供給しうる酸素の量を増大させることができ、半導体６６０中の酸素
欠損を効果的に低減することができる。
【０２９１】
続いて、絶縁膜６５５を形成する。絶縁膜６５５は、例えばスパッタリング法、ＣＶＤ法
（熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法等を含む）、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬ
Ｄ法などを用いて形成することができる。特に、ＣＶＤ法、好ましくはプラズマＣＶＤ法
によって成膜すると、被覆性を良好なものとすることができるため好ましい。またプラズ
マによるダメージを減らすには、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法あるいはＡＬＤ法が好ましい
。また絶縁膜６５５として有機樹脂などの有機絶縁材料を用いる場合には、スピンコート
法などの塗布法を用いて形成してもよい。また、絶縁膜６５５を形成した後にその上面に
対して平坦化処理を行うことが好ましい。
【０２９２】
絶縁膜６５５には、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、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、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上含む絶縁体を用いることができる。
また、絶縁膜６５５には、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、シロキサン
樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の有機樹脂を用いることもできる。また、絶縁膜
６５５は上記材料の積層であってもよい。
【０２９３】
〈トランジスタの構成例２〉
図１５で示したトランジスタ６００は、導電膜６７３をエッチングで形成する際に、半導
体６６３及び絶縁膜６５３を、同時にエッチングしてもよい。一例を図１９に示す。図１
９は、図１５（Ｂ）において、導電膜６７３の下のみに、半導体６６３及び絶縁膜６５３
が存在する場合である。
【０２９４】
〈トランジスタの構成例３〉
図１５で示したトランジスタ６００は、導電膜６７１及び導電膜６７２が、半導体６６１
の側面及び半導体６６２の側面と接していてもよい。一例を図２０に示す。
【０２９５】
図２０は、図１５（Ｂ）において、導電膜６７１及び導電膜６７２が、半導体６６１の側
面及び半導体６６２の側面と接している場合である。
【０２９６】
〈トランジスタの構成例４〉
図１５で示したトランジスタ６００は、導電膜６７１が、導電膜６７１ａ及び導電膜６７
１ｂの積層構造としてもよい。また、導電膜６７２が、導電膜６７２ａ及び導電膜６７２
ｂの積層構造としてもよい。一例として、図２１に示す。
【０２９７】
図２１は、図１５（Ｂ）において、導電膜６７１が、導電膜６７１ａ及び導電膜６７１ｂ
の積層構造とし、導電膜６７２が、導電膜６７２ａ及び導電膜６７２ｂの積層構造とした
場合である。
【０２９８】
導電膜６７１ｂおよび導電膜６７２ｂとしては、例えば、透明導電体、酸化物半導体、窒
化物半導体または酸化窒化物半導体を用いればよい。導電膜６７１ｂおよび導電膜６７２
ｂとしては、例えば、インジウム、スズおよび酸素を含む膜、インジウムおよび亜鉛を含
む膜、インジウム、タングステンおよび亜鉛を含む膜、スズおよび亜鉛を含む膜、亜鉛お
よびガリウムを含む膜、亜鉛およびアルミニウムを含む膜、亜鉛およびフッ素を含む膜、
亜鉛およびホウ素を含む膜、スズおよびアンチモンを含む膜、スズおよびフッ素を含む膜
またはチタンおよびニオブを含む膜などを用いればよい。または、これらの膜が水素、炭
素、窒素、シリコン、ゲルマニウムまたはアルゴンを含んでも構わない。
【０２９９】
導電膜６７１ｂおよび導電膜６７２ｂは、可視光線を透過する性質を有しても構わない。
または、導電膜６７１ｂおよび導電膜６７２ｂは、可視光線、紫外線、赤外線もしくはＸ
線を、反射もしくは吸収することで透過させない性質を有しても構わない。このような性
質を有することで、迷光によるトランジスタの電気特性の変動を抑制できる場合がある。
【０３００】
また、導電膜６７１ｂおよび導電膜６７２ｂは、半導体６６２などとの間にショットキー
障壁を形成しない層を用いると好ましい場合がある。こうすることで、トランジスタのオ
ン特性を向上させることができる。
【０３０１】
導電膜６７１ａおよび導電膜６７２ａとしては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、
シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、
亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウ
ム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で
用いればよい。例えば、合金膜や化合物膜であってもよく、アルミニウムを含む導電体、
銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび
酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
【０３０２】
なお、導電膜６７１ｂおよび導電膜６７２ｂは、導電膜６７１ａおよび導電膜６７２ａよ
りも高抵抗の膜を用いると好ましい場合がある。また、導電膜６７１ｂおよび導電膜６７
２ｂは、トランジスタのチャネルよりも低抵抗の膜を用いると好ましい場合がある。例え
ば、導電膜６７１ｂおよび導電膜６７２ｂの抵抗率を、０．１Ωｃｍ以上１００Ωｃｍ以
下、０．５Ωｃｍ以上５０Ωｃｍ以下、または１Ωｃｍ以上１０Ωｃｍ以下とすればよい
。導電膜６７１ｂおよび導電膜６７２ｂの抵抗率を上述の範囲とすることにより、チャネ
ルとドレインとの境界部における電界集中を緩和することができる。そのため、トランジ
スタの電気特性の変動を低減することができる。また、ドレインから生じる電界に起因し
たパンチスルー電流を低減することができる。そのため、チャネル長の短いトランジスタ
においても、飽和特性を良好にすることができる。なお、ソースとドレインとが入れ替わ
らない回路構成であれば、導電膜６７１ｂおよび導電膜６７２ｂのいずれか一方のみ（例
えば、ドレイン側）を配置するほうが好ましい場合がある。
【０３０３】
〈トランジスタの構成例５〉
図２２（Ａ）及び図２２（Ｂ）は、トランジスタ６８０の上面図および断面図である。図
２２（Ａ）は上面図であり、図２２（Ａ）に示す一点鎖線Ａ−Ｂ方向の断面が図２２（Ｂ
）に相当する。なお、図２２（Ａ）及び図２２（Ｂ）では、図の明瞭化のために一部の要
素を拡大、縮小、または省略して図示している。また、一点鎖線Ａ−Ｂ方向をチャネル長
方向と呼称する場合がある。
【０３０４】
図２２（Ｂ）に示すトランジスタ６８０は、第１のゲートとして機能する導電膜６８９と
、第２のゲートとして機能する導電膜６８８と、半導体６８２と、ソース及びドレインと
して機能する導電膜６８３及び導電膜６８４と、絶縁膜６８１と、絶縁膜６８５と、絶縁
膜６８６と、絶縁膜６８７と、を有する。
【０３０５】
導電膜６８９は、絶縁表面上に設けられる。導電膜６８９と、半導体６８２とは、絶縁膜
６８１を間に挟んで、互いに重なる。また、導電膜６８８と、半導体６８２とは、絶縁膜
６８５、絶縁膜６８６及び絶縁膜６８７を間に挟んで、互いに重なる。また、導電膜６８
３及び導電膜６８４は、半導体６８２に、接続されている。
【０３０６】
導電膜６８９及び導電膜６８８の詳細は、図１５に示す導電膜６７３及び導電膜６７４の
記載を参照すればよい。
【０３０７】
導電膜６８９と導電膜６８８は、異なる電位が与えられてもよいし、同時に同じ電位が与
えられてもよい。トランジスタ６８０は、第２のゲート電極として機能する導電膜６８８
を設けることで、閾値を安定化させることが可能になる。なお、導電膜６８８は、場合に
よっては省略してもよい。
【０３０８】
半導体６８２の詳細は、図１５に示す半導体６６２の記載を参照すればよい。また、半導
体６８２は、一層でも良いし、複数の半導体層の積層でも良い。
【０３０９】
導電膜６８３及び導電膜６８４の詳細は、図１５に示す導電膜６７１及び導電膜６７２の
記載を参照すればよい。
【０３１０】
絶縁膜６８１の詳細は、図１５に示す絶縁膜６５３の記載を参照すればよい。
【０３１１】
なお、図２２（Ｂ）では、半導体６８２、導電膜６８３及び導電膜６８４上に、順に積層
された絶縁膜６８５乃至絶縁膜６８７が設けられている場合を例示しているが、半導体６
８２、導電膜６８３及び導電膜６８４上に設けられる絶縁膜は、一層でも良いし、複数の
絶縁膜の積層でも良い。
【０３１２】
半導体６８２に酸化物半導体を用いた場合、絶縁膜６８６は、化学量論的組成以上の酸素
が含まれており、加熱により上記酸素の一部を半導体６８２に供給する機能を有する絶縁
膜であることが望ましい。ただし、絶縁膜６８６を半導体６８２上に直接設けると、絶縁
膜６８６の形成時に半導体６８２にダメージが与えられる場合、図２２（Ｂ）に示すよう
に、絶縁膜６８５を半導体６８２と絶縁膜６８６の間に設けると良い。絶縁膜６８５は、
その形成時に半導体６８２に与えるダメージが絶縁膜６８６の場合よりも小さく、なおか
つ、酸素を透過する機能を有する絶縁膜であることが望ましい。ただし、半導体６８２に
与えられるダメージを小さく抑えつつ、半導体６８２上に絶縁膜６８６を直接形成するこ
とができるのであれば、絶縁膜６８５は必ずしも設けなくとも良い。
【０３１３】
例えば、絶縁膜６８６及び絶縁膜６８５として、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを
含む材料を用いることが好ましい。または、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、
酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフ
ニウム、酸化窒化ハフニウム等の金属酸化物を用いることもできる。
【０３１４】
絶縁膜６８７は、酸素、水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を有することが、望まし
い。或いは、絶縁膜６８７は、水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を有することが、
望ましい。
【０３１５】
絶縁膜は、密度が高くて緻密である程、また未結合手が少なく化学的に安定である程、よ
り高いブロッキング効果を示す。酸素、水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を示す絶
縁膜は、例えば、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガ
リウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウ
ム等を用いて、形成することができる。水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を示す絶
縁膜は、例えば、窒化シリコン、窒化酸化シリコン等を用いることができる。
【０３１６】
絶縁膜６８７が水、水素などの拡散を防ぐブロッキング効果を有する場合、パネル内の樹
脂や、パネルの外部に存在する水、水素などの不純物が、半導体６８２に侵入するのを防
ぐことができる。半導体６８２に酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体に侵入した水
または水素の一部は電子供与体（ドナー）となるため、上記ブロッキング効果を有する絶
縁膜６８７を用いることで、トランジスタ６８０の閾値電圧がドナーの生成によりシフト
するのを防ぐことができる。
【０３１７】
また、半導体６８２に酸化物半導体を用いる場合、絶縁膜６８７が酸素の拡散を防ぐブロ
ッキング効果を有することで、酸化物半導体からの酸素が外部に拡散するのを防ぐことが
できる。よって、酸化物半導体中において、ドナーとなる酸素欠損が低減されるので、ト
ランジスタ６８０の閾値電圧がドナーの生成によりシフトするのを防ぐことができる。
【０３１８】
〈チップのデバイス構造例〉
図２３は、メモリセル３８０（図９）の構造をより具体的に記載した図面である。図２３
は、メモリセル３８０を構成するトランジスタＭ７０、Ｍ７１、Ｍ７２及びキャパシタＣ
７０が、１つにチップに形成された例を示している。
【０３１９】
チップは基板２７０に形成されている。基板２７０としては、シリコンや炭化シリコンか
らなる単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムからなる化合物半導
体基板や、ＳＯＩ基板などを用いることができる。
【０３２０】
また、基板２７０として、例えば、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板、金属基板
、ステンレス・スチル基板、ステンレス・スチル・ホイルを有する基板、タングステン基
板、タングステン・ホイルを有する基板、可撓性基板、貼り合わせフィルム、繊維状の材
料を含む紙、又は基材フィルム、などを用いてもよい。ガラス基板の一例としては、バリ
ウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、又はソーダライムガラスなどがある
。可撓性基板の一例としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナ
フタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）に代表されるプラスチック、
又はアクリル等の可撓性を有する合成樹脂などがある。貼り合わせフィルムの一例として
は、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリフッ化ビニル、又はポリ塩化ビニルなどがある
。基材フィルムの一例としては、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、アラミド、エ
ポキシ、無機蒸着フィルム、又は紙類などがある。
【０３２１】
なお、ある基板を用いて半導体素子を形成し、その後、別の基板に半導体素子を転置して
もよい。半導体素子が転置される基板の一例としては、上述した基板に加え、紙基板、セ
ロファン基板、アラミドフィルム基板、ポリイミドフィルム基板、石材基板、木材基板、
布基板（天然繊維（絹、綿、麻）、合成繊維（ナイロン、ポリウレタン、ポリエステル）
若しくは再生繊維（アセテート、キュプラ、レーヨン、再生ポリエステル）などを含む）
、皮革基板、又はゴム基板などがある。これらの基板を用いることにより、特性のよいト
ランジスタの形成、消費電力の小さいトランジスタの形成、壊れにくい装置の製造、耐熱
性の付与、軽量化、又は薄型化を図ることができる。
【０３２２】
図２３では一例として、基板２７０に単結晶シリコンウェハを用いた例を示している。
【０３２３】
ＦＥＴ層２６０には、トランジスタ、容量素子等の半導体素子が設けられている。図２３
には、代表的に、トランジスタＭ７１、トランジスタＭ７２を示す。ＦＥＴ層２６０上に
配線層Ｗ１−Ｗ４が積層されている。配線層Ｗ４上にＦＥＴ層２６１が積層されている。
【０３２４】
トランジスタＭ７１、Ｍ７２は、ウェル２７１に設けられたチャネル形成領域２７２と、
チャネル形成領域２７２を挟むように設けられた低濃度不純物領域２７３及び高濃度不純
物領域２７４（これらを合わせて単に不純物領域とも呼ぶ）と、該不純物領域に接して設
けられた導電性領域２７５と、チャネル形成領域２７２上に設けられたゲート絶縁膜２７
６と、ゲート絶縁膜２７６上に設けられたゲート電極２７７と、を有する。ゲート電極２
７７の側面には、サイドウォール絶縁膜２７８、２７９が設けられている。なお、導電性
領域２７５には、金属シリサイド等を用いることができる。
【０３２５】
ＦＥＴ層２６１はＯＳトランジスタが形成される層であり、トランジスタＭ７０が形成さ
れている。ここでは、トランジスタＭ７０構造は、図１９に示すトランジスタ６００と同
様である。トランジスタＭ７０の第２のゲート（バックゲート）として、配線層Ｗ４に導
電層２８０が形成されている。
【０３２６】
ＦＥＴ層２６１上に配線層Ｗ５、Ｗ６、Ｗ７が積層され、配線層Ｗ７上にキャパシタ層２
６２が積層され、キャパシタ層２６２上に配線層Ｗ８、Ｗ９が積層されている。キャパシ
タ層２６２は、キャパシタＣ７０が形成されている。キャパシタＣ７０は、導電層２８１
、２８２を有する。キャパシタ層２６２をＦＥＴ層２６１に積層して設けることで、キャ
パシタＣ７０の容量を大きくすることが容易である。また、キャパシタＣ７０の容量の大
きさによるが、キャパシタＣ７０をＦＥＴ層２６１に設けることも可能である。この場合
、トランジスタＭ７０のソース電極およびドレイン電極と同じ層の導電層と、同ゲート電
極と同じ層の導電層とで、キャパシタＣ７０の２つの電極を形成すればよい。ＦＥＴ層２
６１にキャパシタＣ７０を設けることで、工程数が削減できるため、製造コストの削減に
つながる。
【０３２７】
絶縁層２９１乃至２９３は、水素、水等に対するブロッキング効果を有する絶縁物で形成
されている層を少なくとも１層含むことが好ましい。水、水素等は酸化物半導体中にキャ
リアを生成する要因の一つであるので、水素、水等に対するブロッキング層を設けること
により、トランジスタＭ７０の信頼性を向上することができる。水素、水等に対するブロ
ッキング効果を有する絶縁物には、例えば、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、
酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフ
ニウム、酸化窒化ハフニウム、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等がある。
【０３２８】
図２３の符号及びハッチングパターンが与えられていない領域は、絶縁体で構成されてい
る。上記絶縁体には、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、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、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上の材料を含む絶縁体を用いること
ができる。また、当該絶縁体には、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、シ
ロキサン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の有機樹脂を用いることもできる。なお
、本明細書において、酸化窒化物とは、窒素よりも酸素の含有量が多い化合物をいい、窒
化酸化物とは、酸素よりも窒素の含有量が多い化合物をいう。
【０３２９】
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態１に示した半導体装置１または半導体装置２を適用した無
線センサについて、図２４及び図２５を用いて説明を行う。
【０３３０】
〈無線センサの構成例１〉
図２４（Ａ）および図２４（Ｂ）は、本発明の一態様の無線センサ８００の構成例を示す
外観図である。無線センサ８００は、回路基板８０１と、バッテリ８０２と、センサ８０
３と、を有する。バッテリ８０２には、ラベル８０４が貼られている。さらに、図２４（
Ｂ）に示すように、無線センサ８００は、端子８０６と、端子８０７と、アンテナ８０８
と、アンテナ８０９と、を有する。
【０３３１】
回路基板８０１は、端子８０５と、集積回路８１０と、を有する。端子８０５は、導線８
１３を介して、センサ８０３に接続される。なお、端子８０５の数は２個に限定されず、
必要に応じた数だけ設ければよい。
【０３３２】
また、回路基板８０１は、トランジスタやダイオードなどの半導体素子、抵抗素子または
配線などが形成されていてもよい。
【０３３３】
バッテリ８０２が発熱する熱、またはアンテナ８０８、８０９が発生する電磁界がセンサ
８０３の動作に悪影響を与える場合は、導線８１３の距離を長くして、センサ８０３を、
バッテリ８０２またはアンテナ８０８、８０９から離せばよい。例えば、導線８１３の長
さは、１ｃｍ以上、１ｍ以下、好ましくは、１ｃｍ以上５０ｃｍ以下、さらに好ましくは
１ｃｍ以上３０ｃｍ以下であればよい。
【０３３４】
また、上記発熱や電磁界がセンサ８０３に影響を与えなければ、センサ８０３は導線８１
３を設けずに回路基板８０１上に直接配置しても良い。
【０３３５】
アンテナ８０８およびアンテナ８０９は、コイル状に限定されず、例えば線状、板状であ
ってもよい。また、平面アンテナ、開口面アンテナ、進行波アンテナ、ＥＨアンテナ、磁
界アンテナ、誘電体アンテナ等のアンテナを用いてもよい。または、アンテナ８０８若し
くはアンテナ８０９は、平板状の導体でもよい。この平板状の導体は、電界結合用の導体
の一つとして機能することができる。つまり、コンデンサの有する２つの導体のうちの一
つの導体として、アンテナ８０８若しくはアンテナ８０９を機能させてもよい。これによ
り、電磁界、磁界だけでなく、電界で電力のやり取りを行うこともできる。
【０３３６】
集積回路８１０は、ＳｉトランジスタまたはＯＳトランジスタで構成される回路を有する
。
【０３３７】
アンテナ８０８の線幅は、アンテナ８０９の線幅よりも大きいことが好ましい。これによ
り、アンテナ８０８により受電する電力量を大きくできる。
【０３３８】
センサ８０３は、熱的、力学的、あるいは電磁気学的等の諸情報をアナログデータとして
出力する機能を有する回路である。
【０３３９】
無線センサ８００は、アンテナ８０８およびアンテナ８０９と、バッテリ８０２との間に
層８１２を有する。層８１２は、例えばバッテリ８０２による電磁界を遮蔽する機能を有
する。層８１２としては、例えば磁性体を用いることができる。
【０３４０】
〈無線センサの構成例２〉
図２５は、本発明の一態様の無線センサ８８０の構成例を示す外観図である。無線センサ
８８０は、支持体８５０と、アンテナ８５１と、集積回路８５２と、回路基板８５３と、
センサ８５５と、バッテリ８５４と、を有する。
【０３４１】
回路基板８５３には、集積回路８５２が配置されている。また、回路基板８５３は、トラ
ンジスタやダイオードなどの半導体素子、抵抗素子または配線などが形成されていてもよ
い。
【０３４２】
集積回路８５２は、ＳｉトランジスタまたはＯＳトランジスタで構成される回路を有する
。
【０３４３】
アンテナ８５１は、導線８６０を介して、集積回路８５２に接続されている。アンテナ８
５１の詳細は、無線センサ８００のアンテナ８０８またはアンテナ８０９の記載を参照す
ればよい。
【０３４４】
センサ８５５は、導線８５６を介して、集積回路８５２に接続されている。また、センサ
８５５は、支持体８５０の外に形成しても良いし、支持体８５０の上に形成しても良い。
【０３４５】
センサ８５５は、熱的、力学的、あるいは電磁気学的等の諸情報をアナログデータとして
出力する機能を有する回路である。
【０３４６】
バッテリ８５４は、正極及び負極の一方としての機能を有する端子８５８、および正極及
び負極の他方としての機能を有する端子８５９を有する。それぞれの端子は導線８５７及
び回路基板８５３を介して、集積回路８５２に接続されている。
【０３４７】
支持体８５０として、例えば、ガラス、石英、プラスチック、金属、ステンレス・スチル
・ホイル、タングステン・ホイル、可撓性基板、貼り合わせフィルム、基材フィルム、繊
維状の材料を含む紙、又は木材などを用いればよい。可撓性基板の一例としては、ポリエ
チレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテル
サルフォン（ＰＥＳ）に代表されるプラスチック、又はアクリル等の可撓性を有する合成
樹脂などがある。貼り合わせフィルムの一例としては、ポリプロピレン、ポリエステル、
ポリフッ化ビニル、又はポリ塩化ビニルなどがある。基材フィルムの一例としては、ポリ
エステル、ポリアミド、ポリイミド、アラミド、エポキシ、無機蒸着フィルム、又は紙類
などがある。
【０３４８】
無線センサ８８０は、薄型であることが好ましい。特にバッテリ８５４及び支持体８５０
を含めた厚さは、０．１ｍｍ以上、５ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ以上、３ｍｍ以下
、さらに好ましくは０．１ｍｍ以上、１ｍｍ以下であることが好ましい。無線センサ８８
０を上記構成にすることで、ポスターや段ボールなどの紙類に無線センサ８８０を埋め込
むことが可能になる。
【０３４９】
また、無線センサ８８０は、可撓性を有することが好ましい。特に、支持体８５０及びバ
ッテリ８５４は、曲率半径３０ｍｍ以上好ましくは曲率半径１０ｍｍ以上の範囲で変形す
ることができることが好ましい。無線センサ８８０を上記構成にすることで、衣服や人体
などに無線センサ８８０を貼ることが可能になる。
【０３５０】
上記構成を満たすために、バッテリ８５４は薄型で且つ可撓性を有することが好ましい。
バッテリ８５４の外装体として、例えば、第１の薄膜、第２の薄膜、第３の薄膜の順に形
成された三層構造のフィルムを用いればよい。なお、第３の薄膜は外装体の外面としての
機能を有する。第１の薄膜としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート
、アイオノマー、ポリアミド等の材料を用いればよい。第２の薄膜としては、アルミニウ
ム、ステンレス、銅、ニッケル等の可撓性に優れた金属薄膜を用いればよい。第３の薄膜
としては、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂等の絶縁性合成樹脂膜を用いればよい
。
【０３５１】
（実施の形態５）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した無線センサの応用例について、図２６乃至
図２８を用いて説明する。図２６乃至図２８に示す無線センサ９００は、実施の形態４に
示した無線センサ８００または無線センサ８８０を適用することが可能である。
【０３５２】
例えば、無線センサ９００を物品９２１に貼付、あるいは内部に設置し、外部のリーダー
９２２から無線信号９１１を送信する。無線信号９１１を受信した無線センサ９００は、
センサによって物品９２１に触れることなく、温度等の情報を取得し、リーダー９２２に
送信することができる。
【０３５３】
また別の無線センサの応用形態としては、図２７（Ａ）に示す模式図で説明することがで
きる。例えば、トンネル壁面に無線センサ９００を埋め込み、外部から無線信号９１１を
送信する。無線信号９１１を受信した無線センサ９００は、センサによってトンネル壁面
の情報を取得し、送信することができる。無線センサ９００に、実施の形態１で示した半
導体装置１または半導体装置２を用いることで、トンネル壁面の破損状況を効率よく調査
することが可能になる。
【０３５４】
また別の無線センサの応用形態としては、図２７（Ｂ）に示す模式図で説明することがで
きる。例えば、橋梁の支柱の壁面に無線センサ９００を埋め込み、外部から無線信号９１
１を送信する。無線信号９１１を受信した無線センサ９００は、センサによって橋梁の支
柱内の情報を取得し、送信することができる。無線センサ９００に、実施の形態１で示し
た半導体装置１または半導体装置２を用いることで、橋梁の支柱内の破損状況を効率よく
調査することが可能になる。
【０３５５】
また別の無線センサの応用形態としては、図２８に示す模式図で説明することができる。
例えば、接着パッド等を用いて人体に無線センサ９００を取り付け、リーダー９２２から
無線信号９１１を送信する。無線信号９１１を受信した無線センサ９００は、配線９３２
を介して人体に取り付けられた電極９３１等に信号を与えて生体情報等の情報を取得し、
送信することができる。取得した情報は、リーダー９２２の表示部９３３で確認すること
ができる。無線センサ９００に、実施の形態１で示した半導体装置１または半導体装置２
を用いることで、人体の生体情報を効率よく取得することが可能になる。
【０３５６】
（実施の形態６）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した半導体装置を具備する電子機器について説
明する。電子機器の一例としては、コンピュータ、各種携帯情報端末（携帯電話、携帯型
ゲーム機、音響再生装置なども含む）、電子書籍端末、ワイヤレスキーボードなど、無線
通信手段を有する機器を挙げることができる。また、冷蔵庫、エアコン、自動車、洗濯機
、調理機器（電子レンジ等）においても、上記実施の形態で説明した信号処理装置を有す
る無線通信手段を設け、コンピュータ、各種携帯情報端末より遠隔操作することも可能で
ある。
【０３５７】
図２９（Ａ）は、携帯型の情報端末であり、筐体７０１、筐体７０２、第１の表示部７０
３ａ、第２の表示部７０３ｂなどによって構成されている。筐体７０１と筐体７０２の少
なくとも一部には、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。そのため、低消
費電力の携帯型の情報端末が実現される。
【０３５８】
なお、第１の表示部７０３ａはタッチ入力機能を有するパネルとなっており、例えば図２
９（Ａ）の左図のように、第１の表示部７０３ａに表示される選択ボタン７０４により「
タッチ入力」を行うか、「キーボード入力」を行うかを選択できる。選択ボタンは様々な
大きさで表示できるため、幅広い世代の人が使いやすさを実感できる。ここで、例えば「
キーボード入力」を選択した場合、図２９（Ａ）の右図のように第１の表示部７０３ａに
はキーボード７０５が表示される。これにより、従来の情報端末と同様に、キー入力によ
る素早い文字入力などが可能となる。
【０３５９】
また、図２９（Ａ）に示す携帯型の情報端末は、図２９（Ａ）の右図のように、第１の表
示部７０３ａ及び第２の表示部７０３ｂのうち、一方を取り外すことができる。第２の表
示部７０３ｂもタッチ入力機能を有するパネルとし、持ち運びの際、さらなる軽量化を図
ることができ、一方の手で筐体７０２を持ち、他方の手で操作することができるため便利
である。
【０３６０】
図２９（Ａ）は、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示する機能、カレ
ンダー、日付又は時刻などを表示部に表示する機能、表示部に表示した情報を操作又は編
集する機能、様々なソフトウェア（プログラム）によって処理を制御する機能、等を有す
ることができる。また、筐体の裏面や側面に、外部接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端
子など）、記録媒体挿入部などを備える構成としてもよい。
【０３６１】
また、図２９（Ａ）に示す携帯型の情報端末は無線により、電子書籍サーバから、所望の
書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすることも可能である。更に、図２９
（Ａ）に示す筐体７０２にアンテナやマイク機能や無線機能を持たせ、携帯電話として用
いてもよい。なお、筐体７０１と筐体７０２が分離された状態においては、相互に無線通
信を介して情報をやり取りできる構成でもある。
【０３６２】
図２９（Ｂ）は、電子ペーパーを実装した電子書籍端末であり、筐体７１１と筐体７１２
の２つの筐体で構成されている。筐体７１１及び筐体７１２には、それぞれ表示部７１３
及び表示部７１４が設けられている。例えば、表示部７１４は電子ペーパーにより構成さ
れ、表示部７１３は液晶表示装置や有機発光型表示装置のように応答が速く動画を表示す
るのに好ましい表示装置で構成されてもよい。
【０３６３】
筐体７１１と筐体７１２は、軸部７１５により接続されており、該軸部７１５を軸として
開閉動作を行うことができる。また、筐体７１１は、電源スイッチ７１６、操作キー７１
７、スピーカー７１８などを備えている。筐体７１１、筐体７１２の少なくとも一には、
先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。そのため、低消費電力の電子書籍端
末が実現される。
【０３６４】
また、筐体７１１と筐体７１２のそれぞれに二次電池を設けることで、例えば、図２９（
Ｂ）の右図のように、それぞれの筐体を分離して駆動できるようにしてもよい。例えば、
筐体７１２には、携帯電話回線に接続できる通信機器と、近距離無線通信規格（例えば、
無線ＬＡＮやブルートゥース（登録商標））に適合した機器を設け、筐体７１１には近距
離の無線通信機器を設ける構成としてもよい。この場合、筐体７１２が携帯電話回線から
受信したデータは、近距離無線通信規格で、筐体７１１に転送される。筐体７１１に入力
されたデータは、近距離無線通信規格で、筐体７１２に送信され、筐体７１２から携帯電
話回線に送信される。すなわち、筐体７１２は無線モデムとして機能する。
【０３６５】
なお、筐体７１１および筐体７１２の距離が離れて、意図せずに通信が途絶する（あるい
は途絶することが予想される）場合には、双方が警報音を発する、あるいは表示部７１３
にメッセージを表示する構成とすると、これらを紛失するリスクが減る。
【０３６６】
このような使用方法においては、例えば、筐体７１２は通常、かばんに入れておき、一方
、筐体７１１を手に持つか、取り出しやすい位置（例えば、衣類のポケット等）に置くこ
とで、簡単な操作は、筐体７１１で実行できる。例えば、データの一部あるいは全部を筐
体７１２に保存し、必要に応じて、近距離無線通信規格で、筐体７１１に送信し、筐体７
１１で閲覧あるいは視聴することもできる。
【０３６７】
図２９（Ｃ）は、スマートフォンであり、筐体７２１には、表示部７２２と、スピーカー
７２３と、マイク７２４と、操作ボタン７２５等が設けられている。筐体７２１内には、
先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。そのため、低消費電力のスマートフ
ォンが実現される。
【０３６８】
図２９（Ｄ）は、腕輪型表示装置であり、筐体７３１、表示部７３２などによって構成さ
れている。筐体７３１内には、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。その
ため、低消費電力の腕輪型表示装置が実現される。
【０３６９】
（実施の形態７）
本実施の形態では、実施の形態３で示したＯＳトランジスタに適用可能な酸化物半導体膜
の構造について説明する。
【０３７０】
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。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、
「略平行」とは、二つの直線が−３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態をい
う。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、「略垂直」と
は、二つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。
【０３７１】
また、本明細書において、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
。
【０３７２】
酸化物半導体膜は、非単結晶酸化物半導体膜と単結晶酸化物半導体膜とに分けられる。ま
たは、酸化物半導体は、例えば、結晶性酸化物半導体と非晶質酸化物半導体とに分けられ
る。
【０３７３】
なお、非単結晶酸化物半導体としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ
Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物
半導体、微結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体などがある。また、結晶性酸化物半導
体としては、単結晶酸化物半導体、ＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶酸化物半導体、微結晶酸化物
半導体などがある。
【０３７４】
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜について説明する。
【０３７５】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、ｃ軸配向した複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つである。
【０３７６】
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏ
ｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の明視野像および回折パターンの複合解析像（
高分解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察することで複数の結晶部を確認することができる。
一方、高分解能ＴＥＭ像によっても明確な結晶部同士の境界、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膜は、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。
【０３７７】
試料面と略平行な方向から、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の断面の高分解能ＴＥＭ像を観察すると、
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膜の膜を形成する面（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膜の被形成面または上面と平行に配列する。
【０３７８】
一方、試料面と略垂直な方向から、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の平面の高分解能ＴＥＭ像を観察す
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。
【０３７９】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）装
置を用いて構造解析を行うと、例えばＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜
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、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属される
ことから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略
垂直な方向を向いていることが確認できる。
【０３８０】
なお、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜の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膜中の一部に、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膜は、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。
【０３８１】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、不純物濃度の低い酸化物半導体膜である。不純物は、水素、炭素、
シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体膜の主成分以外の元素である。特に、シリコ
ンなどの、酸化物半導体膜を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化
物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる
要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径
（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体膜内部に含まれると、酸化物半導体膜の
原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体膜に含まれる不純
物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。
【０３８２】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜である。例えば、酸化物
半導体膜中の酸素欠損は、キャリアトラップとなることや、水素を捕獲することによって
キャリア発生源となることがある。
【０３８３】
不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い（酸素欠損の少ない）ことを、高純度真性または
実質的に高純度真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜
は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。したがって、
当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、閾値電圧がマイナスとなる電気特性（ノー
マリーオンともいう。）になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真
性である酸化物半導体膜は、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半導体膜
を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。
なお、酸化物半導体膜のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出するまでに要する時
間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、不純物濃度が高く
、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる
場合がある。
【０３８４】
なお、本明細書等において実質的に真性という場合、酸化物半導体膜のキャリア密度は、
８×１０１１／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１
×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０−９／ｃｍ３以上である。酸化物半導体膜を高
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。
【０３８５】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜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。
【０３８６】
次に、微結晶酸化物半導体膜について説明する。
【０３８７】
微結晶酸化物半導体膜は、高分解能ＴＥＭ像において、結晶部を確認することのできる領
域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。微結晶酸化物半導体膜
に含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の大き
さであることが多い。特に、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の微
結晶であるナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）を有する酸化物半導体膜を、ｎｃ
−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）
膜と呼ぶ。また、ｎｃ−ＯＳ膜は、例えば、高分解能ＴＥＭ像では、結晶粒界を明確に確
認できない場合がある。
【０３８８】
ｎｃ−ＯＳ膜は、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上
３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳ膜は、異なる
結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。し
たがって、ｎｃ−ＯＳ膜は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体膜と区別が付かな
い場合がある。例えば、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部よりも大きい径のＸ線を用いるＸＲ
Ｄ装置を用いて構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面
を示すピークが検出されない。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部よりも大きいプローブ
径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子回折（制限視野電子回折ともいう。）を
行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ−ＯＳ膜に対し
、結晶部の大きさと近いか結晶部より小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子
回折を行うと、スポットが観測される。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対しナノビーム電子回折を
行うと、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される場合がある。また、
ｎｃ−ＯＳ膜に対しナノビーム電子回折を行うと、リング状の領域内に複数のスポットが
観測される場合がある。
【０３８９】
ｎｃ−ＯＳ膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも規則性の高い酸化物半導体膜である。その
ため、ｎｃ−ＯＳ膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、
ｎｃ−ＯＳ膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、ｎｃ−Ｏ
Ｓ膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜と比べて欠陥準位密度が高くなる。
【０３９０】
次に、非晶質酸化物半導体膜について説明する。
【０３９１】
非晶質酸化物半導体膜は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶部を有さない酸化
物半導体膜である。石英のような無定形状態を有する酸化物半導体膜が一例である。
【０３９２】
非晶質酸化物半導体膜は、高分解能ＴＥＭ像において結晶部を確認することができない。
【０３９３】
非晶質酸化物半導体膜に対し、ＸＲＤ装置を用いた構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐ
ｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、非晶質酸化物半
導体膜に対し、電子回折を行うと、ハローパターンが観測される。また、非晶質酸化物半
導体膜に対し、ナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測されず、ハローパターンが
観測される。
【０３９４】
なお、酸化物半導体膜は、ｎｃ−ＯＳ膜と非晶質酸化物半導体膜との間の物性を示す構造
を有する場合がある。そのような構造を有する酸化物半導体膜を、特に非晶質ライク酸化
物半導体（ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉ
ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜と呼ぶ。
【０３９５】
ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ膜は、高分解能ＴＥＭ像において鬆（ボイドともいう。）が観察され
る場合がある。また、高分解能ＴＥＭ像において、明確に結晶部を確認することのできる
領域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ膜は、
ＴＥＭによる観察程度の微量な電子照射によって、結晶化が起こり、結晶部の成長が見ら
れる場合がある。一方、良質なｎｃ−ＯＳ膜であれば、ＴＥＭによる観察程度の微量な電
子照射による結晶化はほとんど見られない。
【０３９６】
なお、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ膜およびｎｃ−ＯＳ膜の結晶部の大きさの計測は、高分解能Ｔ
ＥＭ像を用いて行うことができる。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶は層状構造を有し、
Ｉｎ−Ｏ層の間に、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層を２層有する。ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の単位格子
は、Ｉｎ−Ｏ層を３層有し、またＧａ−Ｚｎ−Ｏ層を６層有する、計９層がｃ軸方向に層
状に重なった構造を有する。よって、これらの近接する層同士の間隔は、（００９）面の
格子面間隔（ｄ値ともいう。）と同程度であり、結晶構造解析からその値は０．２９ｎｍ
と求められている。そのため、高分解能ＴＥＭ像における格子縞に着目し、格子縞の間隔
が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所においては、それぞれの格子縞がＩｎＧ
ａＺｎＯ４の結晶のａ−ｂ面に対応する。
【０３９７】
また、酸化物半導体膜は、構造ごとに密度が異なる場合がある。例えば、ある酸化物半導
体膜の組成がわかれば、該組成と同じ組成における単結晶の密度と比較することにより、
その酸化物半導体膜の構造を推定することができる。例えば、単結晶の密度に対し、ａ−
ｌｉｋｅ  ＯＳ膜の密度は７８．６％以上９２．３％未満となる。また、例えば、単結晶
の密度に対し、ｎｃ−ＯＳ膜の密度およびＣＡＡＣ−ＯＳ膜の密度は９２．３％以上１０
０％未満となる。なお、単結晶の密度に対し密度が７８％未満となる酸化物半導体膜は、
成膜すること自体が困難である。
【０３９８】
上記について、具体例を用いて説明する。例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子
数比］を満たす酸化物半導体膜において、菱面体晶構造を有する単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４
の密度は６．３５７ｇ／ｃｍ３となる。よって、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１
［原子数比］を満たす酸化物半導体膜において、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ膜の密度は５．０ｇ
／ｃｍ３以上５．９ｇ／ｃｍ３未満となる。また、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：
１［原子数比］を満たす酸化物半導体膜において、ｎｃ−ＯＳ膜の密度およびＣＡＡＣ−
ＯＳ膜の密度は５．９ｇ／ｃｍ３以上６．３ｇ／ｃｍ３未満となる。
【０３９９】
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合がある。その場合、任意の割合で組成の異なる
単結晶を組み合わせることにより、所望の組成の単結晶に相当する密度を算出することが
できる。所望の組成の単結晶の密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して
、加重平均を用いて算出すればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を
組み合わせて算出することが好ましい。
【０４００】
なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ膜、微結
晶酸化物半導体膜、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
【０４０１】
（実施の形態８）
本実施の形態では、本発明の一態様である、表示部を有する半導体装置について、図３０
及び図３１を用いて説明を行う。
【０４０２】
本実施の形態に示す半導体装置５は、実施の形態１に示した半導体装置１または半導体装
置２と組み合わせることで、センサが取得したデータを表示部に表示する機能を有する。
【０４０３】
図３０（Ａ）には、本発明の一態様を示す半導体装置５の回路ブロック図を示している。
【０４０４】
半導体装置５は、アンテナ５０と、ＲＦデバイス６０と、電力制御回路５５と、表示部６
１と、バッテリ５９と、を有している。また、ＲＦデバイス６０は、電源回路５１と、ア
ナログ回路５２と、メモリ５３と、論理回路５４と、を有している。
【０４０５】
アンテナ５０は、無線信号ＲＦを電気信号に、または電気信号を無線信号ＲＦにして、例
えばリーダーなどの外部装置と信号の送受信を行う機能を有する。アンテナ５０は、無線
信号ＲＦの周波数帯に応じて複数設けられていてもよい。なお無線信号ＲＦは、変調され
た搬送波である。変調方式には、例えばアナログ変調またはデジタル変調であり、振幅変
調、位相変調、周波数変調及びスペクトラム拡散のいずれかを用いればよい。
【０４０６】
無線信号ＲＦの周波数帯は、法令等に基づいて適宜選択すればよく、例えば１３５ｋＨｚ
帯の長波帯、１３．５６ＭＨｚ帯の短波帯、９００ＭＨｚ帯のＵＨＦ帯、２．４５ＧＨｚ
帯のマイクロ波帯等を用いることができる。無線信号ＲＦの周波数帯に応じて、アンテナ
５０の構造を選択すればよい。
【０４０７】
電源回路５１は、無線信号ＲＦを基に電圧を生成する機能を有する回路である。電源回路
５１で生成される電圧は、半導体装置５が有する各回路に与えられる。なお、電源回路５
１が生成する電圧は、一つに限らず複数であってもよい。
【０４０８】
アナログ回路５２は、無線信号ＲＦを、変調または復調する機能を有する。
【０４０９】
論理回路５４は、無線信号ＲＦが有するコマンドを実行する機能を有する。例えば、コマ
ンドに従って、表示部６１の発光状態を制御する機能を有する。
【０４１０】
表示部６１には、様々な種類の表示デバイスを用いることが可能である。例えば、ＥＬ素
子（有機物及び無機物を含むＥＬ素子、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子）、ＬＥＤ（白色Ｌ
ＥＤ、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤなど）、トランジスタ（電流に応じて発光す
るトランジスタ）、電子放出素子、液晶素子、電子インク、電気泳動素子、ＭＥＭＳを用
いた表示素子、ＤＭＤ、ＤＭＳ、ＭＩＲＡＳＯＬ（登録商標）、ＩＭＯＤ素子、シャッタ
ー方式のＭＥＭＳ表示素子、光干渉方式のＭＥＭＳ表示素子、エレクトロウェッティング
素子、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチューブを用いた表示素子、などが挙
げられる。
【０４１１】
メモリ５３は、表示部６１に表示されるデータを記憶する機能を有する。なお、図３０（
Ｂ）に示すように、メモリ５３と論理回路５４との間に配線を設け、論理回路５４を介し
て、メモリ５３に記憶されたデータを表示部６１に供給してもよい。
【０４１２】
メモリ５３は、電源の供給が間欠的に行われた場合でもデータの消失を防ぐために、不揮
発性メモリを用いることが好ましい。特に、メモリ５３は、実施の形態２で説明した酸化
物半導体を用いた不揮発性メモリを用いることが好ましい。酸化物半導体を用いた不揮発
性メモリを用いることで、メモリ５３は、高温でのデータ保持が可能になる。また、酸化
物半導体を用いた不揮発性メモリを用いることで、メモリ５３は、低電圧でデータを書き
込むことが可能になる。また、酸化物半導体を用いた不揮発性メモリを用いることで、メ
モリ５３は、デジタルデータだけでなく、アナログデータも記憶することが可能になる。
【０４１３】
なお、メモリ５３がデジタルデータのみを記憶する場合、メモリ５３は、例えば、フラッ
シュメモリの他、強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ）、磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ）、相変化
メモリ（ＰＲＡＭ）、抵抗変化型メモリ（ＲｅＲＡＭ）等を用いることができる。
【０４１４】
バッテリ５９には、繰り返し充放電が可能な二次電池又は電気二重層キャパシタを用いれ
ばよい。特に、バッテリ５９は、無線信号ＲＦの電力で充電されることが好ましい。
【０４１５】
電力制御回路５５は、電力の供給を制御する機能を有する。例えば、無線信号ＲＦの強度
が強いとき、電力制御回路５５はバッテリ５９を充電する機能を有する。また、無線信号
ＲＦの強度が弱いとき、電力制御回路５５はバッテリ５９を放電し、ＲＦデバイス６０の
電力を補う機能を有する。
【０４１６】
なお、バッテリ５９には、放電のみを行う一次電池を用いても良い。その場合、電力制御
回路５５は、無線信号ＲＦの強度が強いときは、バッテリ５９の放電を停止する機能を有
し、無線信号ＲＦの強度が弱いときは、バッテリ５９を放電し、ＲＦデバイス６０の電力
を補う機能を有する。
【０４１７】
半導体装置５を上記構成にすることで、半導体装置５は、表示部６１など、無線信号ＲＦ
の電力だけでは駆動できない回路を駆動することが可能になる。
【０４１８】
また、半導体装置５を上記構成にすることで、半導体装置５は、無線信号ＲＦが供給され
ていない期間でも、動作することが可能になる。また、半導体装置５は、無線信号ＲＦが
供給されていない期間でも、表示部６１に情報を表示することが可能になる。また、半導
体装置５は、バッテリ５９の充放電を効率よく行うことが可能になり、長期間に渡って動
作することが可能になる。
【０４１９】
次に半導体装置５を具備する表示装置の一例について、図３１を用いて説明を行う。
【０４２０】
図３１は表示装置７０の外観図を示している。表示装置７０は、回路基板７１と、バッテ
リ７２と、太陽電池７３と、表示部７４と、支持体７５と、を有する。
【０４２１】
回路基板７１は、アンテナ５０と、ＲＦデバイス６０と、電力制御回路５５と、を有して
いる。
【０４２２】
太陽電池７３は、バッテリ７２を充電する機能を有する。表示装置７０は、無線信号が供
給されていない場合でも、太陽電池７３によって、バッテリ７２を充電する機能を有する
。
【０４２３】
支持体７５には、可撓性をもつ薄膜状の材料を用いることが好ましい。支持体７５が可撓
性をもつことで、例えば、表示装置７０を壁などに張ることが可能になる。また、表示装
置７０を天井などから吊るすことが可能になる。
【０４２４】
支持体７５としては、例えば、プラスチック、ステンレス・スチル・ホイル、タングステ
ン・ホイル、可撓性基板、貼り合わせフィルム、基材フィルム、繊維状の材料を含む紙、
又は木材などを用いればよい。可撓性基板の一例としては、ポリエチレンテレフタレート
（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）
に代表されるプラスチック、又はアクリル等の可撓性を有する合成樹脂などがある。貼り
合わせフィルムの一例としては、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリフッ化ビニル、又
はポリ塩化ビニルなどがある。基材フィルムの一例としては、ポリエステル、ポリアミド
、ポリイミド、アラミド、エポキシ、無機蒸着フィルム、又は紙類などがある。
【０４２５】
表示装置７０は、無線信号によって、外部から供給された画像情報を、表示部７４に表示
する機能を有する。そのため、表示装置７０は画像情報の更新を容易に行うことが可能で
ある。
【０４２６】
例えば、表示装置７０を、街頭のポスターとして使用した場合、表示装置７０は、スマー
トフォンなど、通行人が所持する携帯端末から発せられた無線信号を受信し、その人の嗜
好に合わせた広告を、表示部７４に表示する機能を有する。
【実施例１】
【０４２７】
本実施例は、図３０（Ａ）に示す半導体装置５を試作し、その動作確認を行った。
【０４２８】
本実施例で試作した半導体装置の回路ブロック図を図３２に示す。図３２は、図３０（Ａ
）の表示部６１を、抵抗素子５６、発光ダイオード５７及びスイッチ５８で表したもので
ある。
【０４２９】
スイッチ５８は、発光ダイオード５７に流れる電流を制御し、発光ダイオード５７の発光
状態を制御する機能を有する。また、スイッチ５８のオン・オフは、論理回路５４で制御
される。
【０４３０】
図３３は試作した半導体装置５の外観写真である。発光ダイオード５７は、無線信号の電
力だけでは発光させることが難しいが、半導体装置５は、バッテリ５９を搭載することで
、発光ダイオード５７を発光させることに成功した。
【０４３１】
バッテリ５９として、引火点が３００℃以上のイオン液体電解液を有するリチウムイオン
二次電池を用いた。
【０４３２】
イオン液体電解液を有するリチウムイオン二次電池は、従来の電解液（引火点は約３５℃
）を用いたリチウムイオン二次電池と比較して、より高温での動作が可能である。例えば
、１００℃以上の環境下でも安全に使用することが可能である。
【０４３３】
図３４は、ＲＦデバイス６０の光学顕微鏡写真である。
【０４３４】
メモリ５３には、ＯＳトランジスタを有するメモリセルアレイ３７０（図９）を用いた。
なお、ＯＳトランジスタの酸化物半導体には、ＣＡＡＣ−ＯＳを有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ
酸化物（ＩＧＺＯ）を用いた。
【０４３５】
表３に、ＲＦデバイス６０及びメモリ５３の主な仕様を示す。キャリア周波数は９２０Ｍ
Ｈｚ（ＵＨＦ帯）であり、通信プロトコルはＩＳＯ／ＩＥＣ１８０００−６  Ｔｙｐｅ  
Ｃである。ダイサイズは５．０×５．０ｍｍ２である。
【０４３６】
【表３】
2020024748.tif 000005
【０４３７】
図３５に、１３０℃環境下におけるＲＦデバイス６０の保持試験の結果を示す。図３５の
縦軸に示す「Ｐａｓｓ  ｒａｔｉｏ」とは、メモリ５３に書き込まれたデータが、時間経
過とともに消えずに残っている割合を表す。図３５に示すように、１３０℃で２５４時間
後、ＲＦデバイス６０が書き込みデータを保持していることが確認できた。
【０４３８】
メモリ５３は、低電圧（３Ｖ）での書き込みが可能であることが確認された。
【０４３９】
以上、本実施例で試作した半導体装置５は、高温環境下でもデータ保持が可能であること
が確認された。特に、１３０℃、２５４時間においてデータ保持が可能であることが確認
された。これは、医療現場において、オートクレーブを使用した１３０℃滅菌処理５０８
回に相当する。そのため、半導体装置５は、医療での高温滅菌処理に使用することが可能
である。
【０４４０】
また、半導体装置５を用いて、高温環境下に曝される物品の個体識別管理システムを構築
することが可能である。このような物品として、例えば、手術器具、食器、料理器具、実
験器具、衣服など、高温での滅菌処理が行われる物品が挙げられる。
【０４４１】
例えば、手術器具（例えば、メス、摂子、鉗子などの鋼製小物）に半導体装置５を取り付
ける。そして、取り付ける器具の種類などの個体識別情報、使用履歴情報、洗浄／滅菌に
関する情報などを、リーダー／ライタにより半導体装置５に書き込む。手術器具を高圧水
蒸気によって滅菌処理しても、半導体装置５のデータは失われない。したがって、半導体
装置５を用いた個体識別管理システムにより、手術器具を効率良く、かつ適切に管理し、
また適切に廃棄することが可能になる。
【符号の説明】
【０４４２】
Ａ１−Ａ７    信号
Ｂ１−Ｂ７    信号
ＢＬ    配線
ＢＧＬ    配線
Ｃ７０    キャパシタ
ＣＬＫ１    クロック信号
ＣＬＫ２    クロック信号
ＣＷＬ    配線
Ｍ７０    トランジスタ
Ｍ７１    トランジスタ
Ｍ７２    トランジスタ
Ｐ１    期間
Ｐ２    期間
Ｐ３    期間
ＲＢＬ    配線
ＲＦ    無線信号
ＲＷＬ    配線
ＳＡＤＣ    信号
ＳＡＭ    信号
ＳＣＬＫ＿ＣＯＮ    信号
ＳＬ    配線
ＳＰＯＷ＿ＣＯＮ    信号
ＳＳＮＳ    信号
Ｔ１−Ｔ１３    時刻
Ｔｐ１−Ｔｐ５    期間
Ｗ１−Ｗ９    配線層
ＷＢＬ    配線
ＷＷＬ    配線
１    半導体装置
２    半導体装置
５    半導体装置
１０    アンテナ
１１    整流回路
１２    定電圧回路
１３    バッテリ
１４    発振回路
１５    発振回路
１６    クロック制御回路
１７    電源制御回路
１８    論理回路
１９    センサ
２０    アナログメモリ
２１    デジタルメモリ
２２    ＡＤＣ
２３    復調回路
２４    変調回路
３１    スイッチ
３２    スイッチ
３３    スイッチ
３４    スイッチ
３５    スイッチ
３６    スイッチ
３７    スイッチ
３８    スイッチ
４１    スイッチ
４２    スイッチ
４３    スイッチ
４４    スイッチ
４５    スイッチ
４６    スイッチ
５０    アンテナ
５１    電源回路
５２    アナログ回路
５３    メモリ
５４    論理回路
５５    電力制御回路
５６    抵抗素子
５７    発光ダイオード
５８    スイッチ
５９    バッテリ
６０    ＲＦデバイス
６１    表示部
７０    表示装置
７１    回路基板
７２    バッテリ
７３    太陽電池
７４    表示部
７５    支持体
８１    配線
８２    配線
８３    配線
８４    配線
８５    配線
８６    配線
８７    配線
２６０    ＦＥＴ層
２６１    ＦＥＴ層
２６２    キャパシタ層
２７０    基板
２７１    ウェル
２７２    チャネル形成領域
２７３    低濃度不純物領域
２７４    高濃度不純物領域
２７５    導電性領域
２７６    ゲート絶縁膜
２７７    ゲート電極
２７８    サイドウォール絶縁膜
２７９    サイドウォール絶縁膜
２８０    導電層
２８１    導電層
２８２    導電層
２９１    絶縁層
２９３    絶縁層
３００    メモリ回路
３６１    ロー・デコーダー回路
３６２    ロー・ドライバ回路
３６３    カラム・ドライバ回路
３７０    メモリセルアレイ
３７２    メモリセルアレイ
３７３    メモリ回路
３８０    メモリセル
６００    トランジスタ
６４０    基板
６５１    絶縁膜
６５１ａ    絶縁膜
６５１ｂ    絶縁膜
６５２    絶縁膜
６５３    絶縁膜
６５４    絶縁膜
６５５    絶縁膜
６５６    絶縁膜
６６０    半導体
６６１    半導体
６６１ｉ    半導体
６６２    半導体
６６２ｉ    半導体
６６３    半導体
６７１    導電膜
６７１ａ    導電膜
６７１ｂ    導電膜
６７２    導電膜
６７２ａ    導電膜
６７２ｂ    導電膜
６７３    導電膜
６７４    導電膜
６７８    ハードマスク
６８０    トランジスタ
６８１    絶縁膜
６８２    半導体
６８３    導電膜
６８４    導電膜
６８５    絶縁膜
６８６    絶縁膜
６８７    絶縁膜
６８８    導電膜
６８９    導電膜
７０１    筐体
７０２    筐体
７０３ａ    表示部
７０３ｂ    表示部
７０４    選択ボタン
７０５    キーボード
７１１    筐体
７１２    筐体
７１３    表示部
７１４    表示部
７１５    軸部
７１６    電源スイッチ
７１７    操作キー
７１８    スピーカー
７２１    筐体
７２２    表示部
７２３    スピーカー
７２４    マイク
７２５    操作ボタン
７３１    筐体
７３２    表示部
８００    無線センサ
８０１    回路基板
８０２    バッテリ
８０３    センサ
８０４    ラベル
８０５    端子
８０６    端子
８０７    端子
８０８    アンテナ
８０９    アンテナ
８１０    集積回路
８１２    層
８１３    導線
８５０    支持体
８５１    アンテナ
８５２    集積回路
８５３    回路基板
８５４    バッテリ
８５５    センサ
８５６    導線
８５７    導線
８５８    端子
８５９    端子
８６０    導線
８８０    無線センサ
９００    無線センサ
９１１    無線信号
９２１    物品
９２２    リーダー
９３１    電極
９３２    配線
９３３    表示部
【図１】
2020024748.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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