(57)【要約】【課題】紫外線に対する受光感度を高めることができるセンサ回路。【解決手段】酸化物半導体にチャネル形成領域を有するトランジスタと、トランジスタのゲートに、トランジスタのソースまたはドレインよりも低い第１電位と、トランジスタのソースまたはドレインよりも高い第２電位のいずれか一方を供給する第１回路と、トランジスタのゲートに第２電位が与えられているときに、トランジスタのソースとドレインを電気的に接続し、トランジスタのゲートに第１電位が与えられているときに、トランジスタのソースとドレインを電気的に分離する第１スイッチと、第２スイッチと、トランジスタのゲートに第１電位が与えられているときに、トランジスタのソースとドレインの間に流れる電流が、第２スイッチを介して与えられる第２回路と、を有し、第２回路は、電流の値に対応する電圧を生成する機能を有するセンサ回路。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物半導体にチャネル形成領域を有するトランジスタと、
前記トランジスタのゲートに、前記トランジスタのソースまたはドレインよりも低い第１電位と、前記トランジスタの前記ソースまたは前記ドレインよりも高い第２電位のいずれか一方を供給する第１回路と、
前記トランジスタの前記ゲートに前記第１電位が与えられているときに、前記トランジスタの前記ソースと前記ドレインの間に流れる電流が与えられることで、前記電流の値を情報として含む信号を生成する第２回路と、を有するセンサ回路。
【請求項２】
酸化物半導体にチャネル形成領域を有するトランジスタと、
前記トランジスタのゲートに、前記トランジスタのソースまたはドレインよりも低い第１電位と、前記トランジスタの前記ソースまたは前記ドレインよりも高い第２電位のいずれか一方を供給する第１回路と、
前記トランジスタの前記ゲートに前記第２電位が与えられているときに、前記トランジスタの前記ソースと前記ドレインを電気的に接続し、前記トランジスタの前記ゲートに前記第１電位が与えられているときに、前記トランジスタの前記ソースと前記ドレインを電気的に分離する第１スイッチと、
第２スイッチと、
前記トランジスタの前記ゲートに前記第１電位が与えられているときに、前記トランジスタの前記ソースと前記ドレインの間に流れる電流が、前記第２スイッチを介して与えられる第２回路と、を有し、
前記第２回路は、前記電流の値に対応する電圧を生成する機能を有するセンサ回路。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記酸化物半導体は、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含むセンサ回路。
【請求項４】
センサ回路と、出力装置と、前記センサ回路から出力される信号を用いて前記出力装置の動作を制御する信号処理回路と、を有し、
前記センサ回路は、酸化物半導体にチャネル形成領域を有するトランジスタと、
前記トランジスタのゲートに、前記トランジスタのソースまたはドレインよりも低い第１電位と、前記トランジスタの前記ソースまたは前記ドレインよりも高い第２電位のいずれか一方を供給する第１回路と、
前記トランジスタの前記ゲートに前記第１電位が与えられているときに、前記トランジスタの前記ソースと前記ドレインの間に流れる電流が与えられることで、前記電流の値を情報として含む前記信号を生成する第２回路と、を有する半導体装置。
【請求項５】
センサ回路と、出力装置と、前記センサ回路から出力される信号を用いて前記出力装置の動作を制御する信号処理回路と、を有し、
前記センサ回路は、酸化物半導体にチャネル形成領域を有するトランジスタと、
前記トランジスタのゲートに、前記トランジスタのソースまたはドレインよりも低い第１電位と、前記トランジスタのソースまたはドレインよりも高い第２電位のいずれか一方を供給する第１回路と、
前記トランジスタのゲートに前記第２電位が与えられているときに、前記トランジスタのソースとドレインを電気的に接続し、前記トランジスタのゲートに前記第１電位が与えられているときに、前記トランジスタのソースとドレインを電気的に分離する第１スイッチと、
第２スイッチと、
前記トランジスタの前記ゲートに前記第１電位が与えられているときに、前記トランジスタの前記ソースと前記ドレインの間に流れる電流が、前記第２スイッチを介して与えられる第２回路と、を有し、
前記第２回路は、前記電流の値に対応する電圧を生成する機能を有し、当該電圧を用いて前記信号を生成する半導体装置。
【請求項６】
請求項４または請求項５において、
前記酸化物半導体は、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
半導体装置に関する。例えば、本発明は半導体素子を用いたセンサ回路と、当該センサ回路を用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地表に到達する紫外線量が増加しており、紫外線の対策の１つとして、携帯用電子機器に紫外線量を測定できるセンサ回路を搭載する動きがある。携帯用電子機器に紫外線量を測定できるセンサ回路を搭載することで、紫外線量の把握を所望の場所で行いたいという使用者のニーズを満たすことができる。
【０００３】
下記の特許文献１には、シリコンフォトダイオードを用いた紫外線センサについて記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−６７３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
紫外線量を測定できるセンサ回路の携帯用電子機器への搭載を想定すると、センサ回路を使用できる環境の条件を広げることが重要である。当該条件を広げることで、センサ回路を、携帯用電子機器を含めた様々な電子機器へ搭載することが可能となり、センサ回路の用途の幅を広げることができる。
【０００６】
特許文献１の場合、シリコンのようなバンドギャップが１．１ｅＶ程度の半導体をフォトダイオードに用いている。そのため、温度の上昇に対する暗電流の増加が著しく、使用できる環境の温度範囲が狭い。また、シリコンを用いたフォトダイオードの場合、紫外線が連続して照射されると、フォトダイオードが著しく劣化するため、信頼性が低いという問題がある。
【０００７】
また、シリコンを用いたフォトダイオードの場合、可視光領域の光に対する受光感度が比較的高い場合が多い。そこで、紫外線に対する受光感度を高めるために、紫外線を選択的に透過するフィルタの設置、或いは、シリコン膜の膜厚の制御や不純物領域の位置制御などのフォトダイオードの構造に対する工夫、などが行われている。しかし、いずれも紫外線を測定するためのセンサ回路の製造コストを高める要因になっている。
【０００８】
上述したような技術的背景のもと、本発明の一態様は、使用可能な温度範囲の広いセンサ回路の提供を課題の一つとする。或いは、本発明の一態様は、信頼性の高いセンサ回路の提供を課題の一つとする。或いは、本発明の一態様は、紫外線に対する受光感度を高めることができるセンサ回路の提供を課題の一つとする。
【０００９】
また、本発明の一態様は、使用可能な温度範囲の広い半導体装置の提供を、課題の一つとする。或いは、本発明の一態様は、信頼性の高い半導体装置の提供を、課題の一つとする。或いは、本発明の一態様は、高性能な半導体装置の提供を、課題の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様では、バンドギャップがシリコンよりも広い酸化物半導体、特にＩｎ、Ｇａ、Ｚｎを含むＩＧＺＯ系の酸化物半導体を、紫外線の検出に用いる。例えば、ＩＧＺＯ系の酸化物半導体のバンドギャップは約３．２ｅＶであり、当該バンドギャップは、約１．１ｅＶであるシリコンのバンドギャップの３倍程度に相当する。そして、本発明の一態様では、上記酸化物半導体にチャネル形成領域を有するトランジスタを用い、紫外線の照射時における当該トランジスタのオフ電流を測定することで、紫外線の強度を情報として得るものとする。
【００１１】
シリコンよりもバンドギャップの広い酸化物半導体を用いることで、光の吸収端がシリコンの場合よりも短波長側にあるセンサ回路を実現することができる。具体的に、バンドギャップが約３．２ｅＶであるＩＧＺＯ系の酸化物半導体をセンサ回路に用いる場合、光の吸収端は約４百数十ｎｍであるため、紫外領域に波長を有する光に対し、受光感度を高めることができる。また、シリコンよりもバンドギャップの広い酸化物半導体を用いることで、センサ回路の温度の上昇に対する暗電流の増加を抑え、使用できる環境の温度範囲を広げることができる。
【００１２】
なお、酸化物半導体にチャネル形成領域を有するトランジスタでは、ソースまたはドレインに対してゲートの電位が低い状態において、光が照射されると、閾値電圧が負の方向にシフトしやすい。そこで、本発明の一態様では、紫外線の強度を測定する合間に、ソースまたはドレインに対してゲートの電位が高くなるように、上記トランジスタに与えられる電位を制御するものとする。
【００１３】
本発明の一態様では、上記構成により、酸化物半導体にチャネル形成領域を有するトランジスタの閾値電圧がシフトするのを防ぐことができ、それによって、センサ回路の信頼性を高めることができる。
【００１４】
具体的に、本発明の一態様に係るセンサ回路は、酸化物半導体にチャネル形成領域を有するトランジスタと、上記トランジスタのゲートに、上記トランジスタのソースまたはドレインよりも低い第１電位と、上記トランジスタのソースまたはドレインよりも高い第２電位のいずれか一方を供給する第１回路と、上記トランジスタのゲートに上記第１電位が与えられているときに、上記トランジスタの上記ソースと上記ドレインの間に流れる電流が与えられることで、上記電流の値を情報として含む信号を生成する第２回路と、を有する。
【００１５】
また、具体的に、本発明の一態様に係るセンサ回路は、酸化物半導体にチャネル形成領域を有するトランジスタと、上記トランジスタのゲートに、上記トランジスタのソースまたはドレインよりも低い第１電位と、上記トランジスタのソースまたはドレインよりも高い第２電位のいずれか一方を供給する第１回路と、上記トランジスタのゲートに上記第２電位が与えられているときに、上記トランジスタのソースとドレインを電気的に接続し、上記トランジスタのゲートに上記第１電位が与えられているときに、上記トランジスタのソースとドレインを電気的に分離する第１スイッチと、第２スイッチと、上記トランジスタのゲートに上記第１電位が与えられているときに、上記トランジスタの上記ソースと上記ドレインの間に流れる電流が、上記第２スイッチを介して与えられる第２回路と、を有し、上記第２回路は、上記電流の値に対応する電圧を生成する機能を有する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の一態様により、使用可能な温度範囲の広いセンサ回路を提供することができる。或いは、本発明の一態様により、信頼性の高いセンサ回路を提供することができる。或いは、本発明の一態様により、紫外線に対する受光感度を高めることができるセンサ回路を提供することができる。また、本発明の一態様により、使用可能な温度範囲の広い半導体装置を提供することができる。或いは、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。或いは、本発明の一態様により、高性能な半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】センサ回路の構成例を示す図。
【図２】センサ回路の構成例を示す図。
【図３】センサ回路の構成例を示す図。
【図４】センサ回路の動作を示す図。
【図５】センサ回路の構成例を示す図。
【図６】センサ回路の構成例を示す図。
【図７】カレントミラー回路の構成例を示す図。
【図８】半導体装置の構成例を示す図。
【図９】半導体装置の構成例を示す図。
【図１０】照射した光の波長と、トランジスタのオフ電流との関係を示す図。
【図１１】放射照度と、トランジスタのオフ電流との関係を示す図。
【図１２】測定によって得られたトランジスタのゲート電圧Ｖｇとドレイン電流Ｉｄの関係を示す図。
【図１３】測定によって得られたトランジスタのゲート電圧Ｖｇとドレイン電流Ｉｄの関係を示す図。
【図１４】測定によって得られたトランジスタのゲート電圧Ｖｇとドレイン電流Ｉｄの関係を示す図。
【図１５】センサ回路の断面構造を示す図。
【図１６】トランジスタの構造を示す図。
【図１７】モジュールの構成を示す図。
【図１８】電子機器の図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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、本発明の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。
【００１９】
なお、本発明の一態様に係るセンサ回路は、集積回路、ＲＦタグ、半導体表示装置など、あらゆる半導体装置に用いることができる。また、本発明は、センサ回路が用いられた上記半導体装置を、その範疇に含む。なお、集積回路には、マイクロプロセッサ、画像処理回路、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、マイクロコントローラを含むＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）やＣＰＬＤ（Ｃｏｍｐｌｅｘ  ＰＬＤ）などのプログラマブル論理回路（ＰＬＤ：Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅ）が、その範疇に含まれる。また、半導体表示装置には、液晶表示装置、有機発光素子に代表される発光素子を各画素に備えた発光装置、電子ペーパー、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）、ＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｐａｎｅｌ）、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ）などが、その範疇に含まれる。
【００２０】
〈センサ回路の構成例〉
図１に、本発明の一態様に係るセンサ回路１０の構成例を示す。図１に示すセンサ回路１０は、トランジスタ１１と、回路１２と、回路１５とを有する。
【００２１】
トランジスタ１１は、センサとしての機能を有しており、バンドギャップがシリコンよりも広い酸化物半導体にチャネル形成領域を有する。具体的に、ＩＧＺＯ系の酸化物半導体のバンドギャップは約３．２ｅＶであり、当該バンドギャップは、約１．１ｅＶであるシリコンのバンドギャップの３倍程度に相当する。よって、バンドギャップの広い酸化物半導体にチャネル形成領域を有するトランジスタ１１は、シリコンにチャネル形成領域を有するトランジスタに比べて、温度の上昇に対する、オフ電流の増加が小さく抑えられる。
【００２２】
なお、特に断りがない限り、本明細書でオフ電流とは、遮断領域においてトランジスタのソースとドレイン間に流れる電流を意味する。
【００２３】
また、酸化物半導体のバンドギャップはシリコンのバンドギャップよりも広いことから、酸化物半導体は、シリコンに比べて光の吸収端を短波長側に有する。例えば、ＩＧＺＯ系の酸化物半導体のバンドギャップは約３．２ｅＶであるので、ＩＧＺＯ系の酸化物半導体は光の吸収端が約４百数十ｎｍである。よって、４００ｎｍよりも高い波長領域に含まれる可視光線の受光感度に対する、約１ｎｍ乃至約４００ｎｍの波長領域に含まれる紫外線の受光感度の比は、酸化物半導体にチャネル形成領域を有するトランジスタ１１の方が、シリコンにチャネル形成領域を有するトランジスタよりも高いと言える。
【００２４】
なお、図１では、一のトランジスタ１１をセンサとして用いる場合を例示しているが、直列または並列に接続された複数のトランジスタ１１をセンサとして用いても良い。なお、本明細書において、トランジスタが直列に接続されている状態とは、例えば、第１のトランジスタのソース及びドレインの一方のみが、第２のトランジスタのソース及びドレインの一方のみに接続されている状態を意味する。また、トランジスタが並列に接続されている状態とは、第１のトランジスタのソース及びドレインの一方が第２のトランジスタのソース及びドレインの一方に接続され、第１のトランジスタのソース及びドレインの他方が第２のトランジスタのソース及びドレインの他方に接続されている状態を意味する。
【００２５】
また、本明細書において接続とは電気的な接続を意味しており、電流、電圧または電位が、供給可能、或いは伝送可能な状態に相当する。従って、接続している状態とは、直接接続している状態を必ずしも指すわけではなく、電流、電圧または電位が、供給可能、或いは伝送可能であるように、配線、抵抗、ダイオード、トランジスタなどの回路素子を介して電気的に接続している状態も、その範疇に含む。
【００２６】
回路１２は、トランジスタ１１のゲートに第１電位または上記第１電位よりも高い第２電位を供給することで、トランジスタ１１のゲートの電位を制御する機能を有する。第１電位は、トランジスタ１１のゲートがソースよりも低くなるような電位とする。具体的には、トランジスタ１１が遮断領域にて動作するように、上記第１電位を定める。また、第２電位は、トランジスタ１１のゲートがソースよりも高くなるような電位とする。具体的には、トランジスタ１１が弱反転領域または強反転領域にて動作するように、上記第２電位を定める。
【００２７】
なお、トランジスタのソースとは、活性層として機能する半導体膜の一部であるソース領域、或いは上記半導体膜に電気的に接続されたソース電極を意味する。同様に、トランジスタのドレインとは、活性層として機能する半導体膜の一部であるドレイン領域、或いは上記半導体膜に電気的に接続されたドレイン電極を意味する。また、ゲートはゲート電極を意味する。
【００２８】
また、トランジスタが有するソースとドレインは、トランジスタの導電型及び各端子に与えられる電位の高低によって、その呼び方が入れ替わる。一般的に、ｎチャネル型トランジスタでは、低い電位が与えられる端子がソースと呼ばれ、高い電位が与えられる端子がドレインと呼ばれる。また、ｐチャネル型トランジスタでは、低い電位が与えられる端子がドレインと呼ばれ、高い電位が与えられる端子がソースと呼ばれる。本明細書では、便宜上、ソースとドレインとが固定されているものと仮定して、トランジスタの接続関係を説明する場合があるが、実際には上記電位の関係に従ってソースとドレインの呼び方が入れ替わる。
【００２９】
回路１５は、第１電位がトランジスタ１１のゲートに与えられている際に、トランジスタ１１のソースとドレインの間に流れる電流、すなわちオフ電流を用いて、トランジスタ１１に照射された紫外線の強度を情報として含む信号を、生成する機能を有する。
【００３０】
また、回路１５には、ローレベルの電位Ｖ１とハイレベルの電位Ｖ２とが供給されている。回路１５に含まれる回路群には、上記電位Ｖ１と電位Ｖ２の電位差が電源電圧として与えられている。また、電位Ｖ１は、トランジスタ１１のソース及びドレインの一方に与えられる。或いは、電位Ｖ１の与えられる配線と、トランジスタ１１のソース及びドレインの一方との間にバイアス回路が設けられていても良い。
【００３１】
トランジスタ１１のソースまたはドレインに対してゲートの電位が低い状態において、トランジスタ１１に光が照射されていると、トランジスタ１１の閾値電圧が負の方向にシフトしやすい。しかし、図１に示すセンサ回路１０では、トランジスタ１１のソースまたはドレインに対してゲートの電位が低い状態と、トランジスタ１１のソースまたはドレインに対してゲートの電位が高い状態とを、交互に実現することができる。よって、図１に示すセンサ回路１０では、トランジスタ１１のソースまたはドレインに対してゲートの電位が低くなる状態が連続的に続くのを防ぐことができる。それにより、トランジスタ１１の閾値電圧がシフトするのを防ぐことができ、センサ回路１０の信頼性を高めることができる。
【００３２】
次いで、図２に、図１に示した本発明の一態様に係るセンサ回路１０の、より具体的な構成例を示す。図２に示すセンサ回路１０は、トランジスタ１１、回路１２、及び回路１５に加えて、スイッチ１３及びスイッチ１６をさらに有する。
【００３３】
スイッチ１３は、トランジスタ１１のソースとドレインの電気的な接続を制御する機能を有する。よって、スイッチ１３が導通状態にあるとき、トランジスタ１１のソースとドレインには概略同じ電位が与えられる。また、スイッチ１３が非導通状態にあるとき、トランジスタ１１のソースとドレインは電気的に分離される。
【００３４】
スイッチ１６は、トランジスタ１１と回路１５との電気的な接続を制御する機能を有している。スイッチ１６が導通状態にあるとき、トランジスタ１１のソースとドレインの間に流れる電流の、回路１５への供給が行われる。また、スイッチ１６が非導通状態にあるとき、トランジスタ１１のソースとドレインの間に流れる電流の、回路１５への供給が停止される。
【００３５】
トランジスタ１１のソースまたはドレインに対してゲートの電位が高い状態において、ゲート電圧が閾値電圧よりも高くなることでトランジスタ１１が導通状態となっても、スイッチ１３が導通状態になることで、トランジスタ１１のソースとドレイン間の電位差が０に近づく。よって、トランジスタ１１が導通状態にあったとしても、トランジスタ１１のソースとドレイン間に流れる電流はほぼ０となる。また、スイッチ１６が非導通状態になることで、トランジスタ１１と回路１５とは電気的に分離される。そのため、例えば、スイッチ１３を導通状態とする前にスイッチ１６を非導通状態とすることで、トランジスタ１１のソースとドレインの間に流れる電流が回路１５へ供給されるのを停止することができる。
【００３６】
図３に、図１に示した本発明の一態様に係るセンサ回路１０の、より具体的な構成例を示す。図３に示すセンサ回路１０は、トランジスタ１１、回路１２、及び回路１５に加えて、スイッチ１３及びスイッチ１６をさらに有する。また、回路１５は、抵抗素子１４を有する。
【００３７】
回路１５は、トランジスタ１１のソースとドレインの間に流れる電流を用いて、トランジスタ１１に照射された紫外線の強度を情報として含む信号を、生成する機能を有する。具体的には、回路１５において、紫外線の照射時におけるトランジスタ１１のオフ電流に対応する電圧が、抵抗素子１４において生成されることで、上記信号を生成することができる。
【００３８】
また、回路１５には、ローレベルの電位Ｖ１とハイレベルの電位Ｖ２とが供給されている。回路１５に含まれる抵抗素子１４以外の回路群には、上記電位Ｖ１と電位Ｖ２の電位差が電源電圧として与えられている。
【００３９】
次いで、図３に示したセンサ回路１０の動作例について、トランジスタ１１がｎチャネル型である場合を例に挙げて説明する。
【００４０】
図４（Ａ）に、紫外線の強度を測定する期間１における、センサ回路１０の動作を模式的に示す。ただし、図４（Ａ）では、回路１２を省略してセンサ回路１０の構成を示しており、トランジスタ１１のゲートは配線１７に接続されているものとする。
【００４１】
期間１では、回路１２から配線１７を介してトランジスタ１１のゲートに第１電位（ＶＬ）が供給される。また、期間１では、スイッチ１３は非導通状態、スイッチ１６は導通状態となる。上記状態において、トランジスタ１１に紫外線が照射されると、紫外線の強度に見合った値のオフ電流Ｉｃ１が、トランジスタ１１のソースとドレインの間に流れる。上記オフ電流Ｉｃ１は、スイッチ１６を介して回路１５に供給される。
【００４２】
回路１５では、供給されたオフ電流Ｉｃ１、若しくは供給されたオフ電流の値に対応する値の電流Ｉｃ２を、抵抗素子１４に供給する。図４（Ａ）では、電流Ｉｃ２が抵抗素子１４に供給される場合を例示している。抵抗素子１４では、当該抵抗素子１４が有する抵抗値に従って、供給された電流の値に対応する電圧を生成する。抵抗素子１４において生成された上記電圧には、トランジスタ１１に照射された紫外線の強度が反映されている。回路１５は上記電圧を用いて、紫外線の強度を情報として含む信号を、配線１８に出力する。
【００４３】
次いで、図４（Ｂ）に、期間１の後に設けられる期間２における、センサ回路１０の動作を模式的に示す。ただし、図４（Ｂ）では、図４（Ａ）と同様に、回路１２を省略してセンサ回路１０の構成を示しており、トランジスタ１１のゲートは配線１７に接続されているものとする。
【００４４】
期間２では、回路１２から配線１７を介してトランジスタ１１のゲートに第２電位（ＶＨ）が供給される。よって、トランジスタ１１のゲート電圧は、閾値電圧よりも高くなり、導通状態となる。また、期間２では、スイッチ１３は導通状態、スイッチ１６は非導通状態となる。
【００４５】
期間１では、トランジスタ１１のソースまたはドレインに対してゲートの電位が低い状態において、トランジスタ１１に光が照射されているため、閾値電圧が負の方向にシフトしやすい。しかし、期間２では、トランジスタ１１のゲートに第２電位（ＶＨ）が供給されることで、トランジスタ１１ではソースまたはドレインに対してゲートの電位が高くなる。よって、期間１の後に期間２を設けることで、トランジスタ１１のソースまたはドレインに対してゲートの電位が低くなる状態が連続的に続くのを防ぐことができる。それにより、トランジスタ１１の閾値電圧がシフトするのを防ぐことができ、センサ回路１０の信頼性を高めることができる。
【００４６】
また、トランジスタ１１のソースまたはドレインに対してゲートの電位が高い状態において、ゲート電圧が閾値電圧よりも高くなることでトランジスタ１１が導通状態となっても、スイッチ１３が導通状態になることで、トランジスタ１１のソースとドレイン間の電位差が０に近づく。よって、トランジスタ１１が導通状態にあったとしても、トランジスタ１１のソースとドレイン間に流れる電流はほぼ０となる。また、スイッチ１６が非導通状態になることで、トランジスタ１１と回路１５とは電気的に分離される。そのため、例えば、スイッチ１３を導通状態とする前にスイッチ１６を非導通状態とすることで、トランジスタ１１のソースとドレインの間に流れる電流が回路１５へ供給されるのを停止することができる。
【００４７】
〈センサ回路の具体的な構成例１〉
図５に、図１に示したセンサ回路１０の、具体的な構成の一例を示す。
【００４８】
図５に示すセンサ回路１０は、図１に示したセンサ回路１０と同様に、トランジスタ１１と、回路１２と、スイッチ１３と、抵抗素子１４を有する回路１５と、スイッチ１６と、を有する。さらに、図５に示すセンサ回路１０は、バイアス電源２０及びバイアス電源２１と、回路１５に含まれるバイアス電源２２及びアンプ２３とを有する。
【００４９】
バイアス電源２０は、配線２４の電位Ｖ１にバイアス電圧を加えた電位を、トランジスタ１１のソース及びドレインの一方に供給する機能を有する。また、バイアス電源２１は、配線２４の電位Ｖ１にバイアス電圧を加えた電位を、スイッチ１３を介してトランジスタ１１のソース及びドレインの他方に供給する機能を有する。また、バイアス電源２２は、配線２４の電位Ｖ１にバイアス電圧を加えた電位を、アンプ２３の非反転入力端子（＋）に供給する機能を有する。アンプ２３の反転入力端子（−）は、スイッチ１６を介して、トランジスタ１１のソース及びドレインの他方に接続されている。また、抵抗素子１４は、第１端子がアンプ２３の反転入力端子（−）に接続されており、第２端子がアンプ２３の出力端子に接続されている。アンプ２３の出力端子は、配線１８に接続されている。また、配線２４は、アンプ２３の第１電源端子に接続されており、電位Ｖ２が与えられる配線２５は、アンプ２３の第２電源端子に接続されている。
【００５０】
図５に示すセンサ回路１０では、期間１において、トランジスタ１１のオフ電流が回路１５に供給されると、当該オフ電流は抵抗素子１４に流れる。アンプ２３及び抵抗素子１４は反転増幅回路を構成しているので、アンプ２３の出力端子には、抵抗素子１４の抵抗値と上記オフ電流とが積算されることで得られる電圧が、与えられる。よって、紫外線の照射の有無によって生じるオフ電流の変化が小さくても、抵抗素子１４の抵抗値を調整することで、アンプ２３の出力端子にかかる電圧を増幅させることができる。
【００５１】
また、アンプ２３を有する反転増幅回路を回路１５に用いることで、温度によって電気的特性が変化する割合（温度特性）を、回路１５において小さくすることができる。よって、アンプ２３を有する反転増幅回路を回路１５に用いることで、温度の変化によって配線１８に与えられる電圧が変化するのを防ぐことができる。
【００５２】
なお、図５では、アンプ２３を有する反転増幅回路を回路１５に用いる場合について例示しているが、アンプ２３を有する非反転増幅回路を回路１５に用いていても良い。アンプ２３を有する非反転増幅回路を回路１５に用いる場合、アンプ２３の反転入力端子（＋）に、トランジスタ１１のオフ電流が供給される構成とする。
【００５３】
〈センサ回路の具体的な構成例２〉
図６に、図１に示したセンサ回路１０の具体的な構成について、別の一例を示す。
【００５４】
図６に示すセンサ回路１０は、図１に示したセンサ回路１０と同様に、トランジスタ１１と、回路１２と、スイッチ１３と、抵抗素子１４を有する回路１５と、スイッチ１６と、を有する。さらに、図６に示すセンサ回路１０は、バイアス電源２０及びバイアス電源２１と、回路１５に含まれるカレントミラー回路２６とを有する。
【００５５】
バイアス電源２０は、配線２４の電位Ｖ１にバイアス電圧を加えた電位を、トランジスタ１１のソース及びドレインの一方に供給する機能を有する。また、バイアス電源２１は、配線２４の電位Ｖ１にバイアス電圧を加えた電位を、スイッチ１３を介してトランジスタ１１のソース及びドレインの他方に供給する機能を有する。カレントミラー回路２６の第１端子は、スイッチ１６を介してトランジスタ１１のソース及びドレインの他方に接続されている。また、抵抗素子１４は、その第１端子がカレントミラー回路２６の第２端子、及び配線１８に接続されており、その第２端子が配線２４に接続されている。カレントミラー回路２６の第３端子は、配線２５に接続されている。
【００５６】
図６に示すセンサ回路１０では、期間１においてトランジスタ１１のオフ電流が回路１５に供給されると、当該オフ電流は、カレントミラー回路２６の第１端子と第３端子の間に流れる。カレントミラー回路２６は、第１端子と第３端子の間に流れるオフ電流に比例した値の電流を、第３端子と第２端子の間に流す機能を有する。よって、上記オフ電流に比例した値の電流が、カレントミラー回路２６の第１端子と第３端子を経由して、抵抗素子１４に供給される。そして、抵抗素子１４では、供給された電流の値に対応する電圧、言い換えるとオフ電流の値に対応する電圧が、生成される。
【００５７】
〈カレントミラー回路の構成例〉
次いで、カレントミラー回路２６の具体的な構成の一例について説明する。
【００５８】
図７（Ａ）に、カレントミラー回路２６の具体的な構成を、一例として示す。図７（Ａ）に示すカレントミラー回路２６は、ｐチャネル型のトランジスタ３０及びｐチャネル型のトランジスタ３１を有する。トランジスタ３０は、ドレインが第１端子２７に接続されており、ソースが第３端子を介して配線２５に接続されている。また、トランジスタ３０のドレインは、トランジスタ３０のゲート、及びトランジスタ３１のゲートに接続されている。トランジスタ３１のソースは、第３端子を介して配線２５に接続されており、トランジスタ３１のドレインは、第２端子を介して配線１８、及び抵抗素子１４の第１端子（図示せず）に接続されている。
【００５９】
トランジスタ３０は飽和領域で動作するので、第１端子２７と、第３端子に接続された配線２５の間にトランジスタ１１のオフ電流が流れると、当該オフ電流の値に見合ったゲート電圧がトランジスタ３０のゲートとソース間に生じる。そして、トランジスタ３０のゲートとソース間に生じたゲート電圧は、トランジスタ３１のゲートとソース間に与えられる。よって、上記ゲート電圧に見合った電流が、トランジスタ３１のソースとドレインの間に生じ、当該電流は、第３端子に接続された配線２５と、第２端子に接続された配線１８の間に流れる。そして、配線２５と配線１８の間に流れる電流は、抵抗素子１４に供給される。
【００６０】
図７（Ｂ）に、カレントミラー回路２６の具体的な構成の、別の一例を示す。図７（Ｂ）に示すカレントミラー回路２６は、ダイオード３２及びｐチャネル型のトランジスタ３３を有する。ダイオード３２は、陰極が第１端子２７に接続されており、陽極が第３端子を介して配線２５に接続されている。また、ダイオード３２の陰極は、トランジスタ３３のゲートに接続されている。トランジスタ３３のソースは、第３端子を介して配線２５に接続されており、トランジスタ３３のドレインは、第２端子を介して配線１８、及び抵抗素子１４の第１端子（図示せず）に接続されている。
【００６１】
第１端子２７と、第３端子に接続された配線２５の間にトランジスタ１１のオフ電流が流れると、当該オフ電流の値に見合った電圧がダイオード３２の陽極と陰極の間に生じる。そして、ダイオード３２の陽極と陰極の間に生じた電圧は、トランジスタ３３のゲートとソース間に与えられる。よって、上記ゲート電圧に見合った電流が、トランジスタ３３のソースとドレインの間に生じ、当該電流は、第３端子に接続された配線２５と、第２端子に接続された配線１８の間に流れる。そして、配線２５と配線１８の間に流れる電流は、抵抗素子１４に供給される。
【００６２】
〈半導体装置の構成例〉
次いで、本発明の一態様に係る半導体装置４０の構成を、図８にブロック図で一例として示す。図８に示す半導体装置４０は、センサ回路１０と、信号処理回路４１と、出力装置４２とを有する。
【００６３】
センサ回路１０から出力された信号は、信号処理回路４１に与えられる。信号処理回路４１は、上記信号を用いて、出力装置４２の動作を制御するための信号を生成する。具体的に、出力装置４２の動作を制御するための信号としては、センサ回路１０から出力された信号に含まれる紫外線の強度の情報を、出力装置４２において出力するための信号、或いは、センサ回路１０から出力された信号に情報として含まれる紫外線の強度の情報に従って、出力装置４２の動作を変更するための信号などが挙げられる。
【００６４】
出力装置４２の具体例として、表示装置、照明装置、プリンタ、プロッター、音声出力装置などが挙げられる。例えば、出力装置４２として表示装置を用いる場合、当該表示装置に上記紫外線の強度の情報を表示させることができる。或いは、出力装置４２として水銀ランプなどの照明装置を用いる場合、照明装置から照射される紫外線の強度が変化したときに、センサ回路１０からの紫外線の強度の情報を用いて、照明装置から照射される紫外線の強度を調整することができる。
【００６５】
次いで、図９に、図８に示した半導体装置４０の、より詳細な構成の一例を示す。
【００６６】
図９に示す半導体装置４０は、図８に示す半導体装置４０と同様に、センサ回路１０と、信号処理回路４１と、出力装置４２とを有する。そして、図９に示す半導体装置４０では、信号処理回路４１が、ＡＤＣ（アナログデジタル変換回路）４３と、Ｉ／Ｏ（インターフェース）４４と、プロセッサ４５とを有する。
【００６７】
センサ回路１０から出力される信号の電圧Ｖｏｕｔは、センサ回路１０に照射される紫外線の強度が時間の経過に従い連続的に変化するのに合わせて、その値が変化する。ＡＤＣ４３は、上記電圧Ｖｏｕｔの値を、所定の期間において取得し、保持する機能、すなわちサンプリングを行う機能を有する。そして、ＡＤＣ４３は、サンプリングされた電圧Ｖｏｕｔの値を、アナログからデジタルに変換する機能を有する。
【００６８】
Ｉ／Ｏ４４は、ＡＤＣ４３においてデジタルに変換された電圧Ｖｏｕｔを含む信号の、ＡＤＣ４３からプロセッサ４５への入力を制御する機能を有する。
【００６９】
プロセッサ４５は、Ｉ／Ｏ４４を介してＡＤＣ４３から入力された信号を用い、出力装置４２の規格に合わせて、紫外線の強度の情報を含む信号を、演算処理により生成する機能を有する。
【００７０】
なお、紫外線の強度の情報を含む信号は、ＡＤＣ４３においてデジタルに変換された電圧Ｖｏｕｔの値と、紫外線の強度の情報とが関連づけられたデータを参照することで、生成することができる。
【００７１】
なお、信号処理回路４１は、電圧Ｖｏｕｔに信号処理を施す回路を、さらに有していても良い。上記回路として、例えば、フィルタ回路、リニアライズ回路などを有していても良い。フィルタ回路は、電圧Ｖｏｕｔに含まれるノイズを除去する機能を有する。リニアライズ回路は、電圧Ｖｏｕｔの値と、紫外線の強度との関係が直線となるように、電圧Ｖｏｕｔに補正をかける機能を有する。
【００７２】
〈トランジスタのオフ電流について〉
次いで、酸化物半導体膜にチャネル形成領域を有するトランジスタに光を照射したときの、オフ電流の値を測定した結果について述べる。
【００７３】
まず、測定に用いたトランジスタの構造について説明する。用いたトランジスタは、絶縁表面上に、膜厚１００ｎｍのタングステン膜を用いたゲート電極と、上記ゲート電極上において、膜厚５０ｎｍの窒化珪素膜と膜厚２００ｎｍの酸化窒化珪素膜とが順に積層されたゲート絶縁膜とを有していた。さらに、上記トランジスタは、ゲート絶縁膜上においてゲート電極と重なる位置に、膜厚３５ｎｍのＩＧＺＯ系の酸化物半導体膜を有していた。ＩＧＺＯ系の酸化物半導体膜は、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの組成が１：１：１であるターゲットを用い、スパッタリング法により形成された。また、トランジスタは、酸化物半導体膜上に、膜厚が５０ｎｍのタングステン膜と、膜厚が４００ｎｍのアルミニウム膜と、膜厚が１００ｎｍのチタン膜とが順に積層されたソース電極及びドレイン電極を有していた。また、酸化物半導体膜及びソース電極及びドレイン電極上には、膜厚が４００ｎｍの酸化窒化珪素膜が設けられていた。
【００７４】
また、測定に用いたトランジスタは、チャネル長Ｌが３μｍ、チャネル幅Ｗが５０μｍで、ゲート電極とソース電極及びドレイン電極とが重なる領域におけるチャネル長Ｌ方向の長さが２μｍであった。測定は、室温、及び乾燥雰囲気下にて、３００Ｗのキセノン光源（商品名：朝日分光ＭＡＸ−３０２）を用い、バンドパスフィルターにより波長が制御された光を、トランジスタに照射した状態で行った。また、分光放射照度計（ウシオ電機ＵＳＲ−４５）を用いて単位波長あたりの放射照度を測定しながら、当該放射照度が一定になるように、トランジスタへの光の照射を行った。
【００７５】
図１０に、測定により得られた、照射した光の波長と、トランジスタのオフ電流との関係を示す。測定は、ゲート電圧を−１０Ｖとし、ソースに対するドレインの電圧Ｖｄｓが１Ｖの場合と、１０Ｖの場合とに分けて行った。図１０に示すように、波長が４５０ｎｍ以上の可視光領域に含まれる光が照射されたとき、電圧Ｖｄｓが１Ｖと１０Ｖの両方の場合において、トランジスタのオフ電流は、測定下限である１×１０−１３Ａよりも低い値となった。一方、波長が４００ｎｍ以下の紫外領域に含まれる光が照射されたとき、電圧Ｖｄｓが１Ｖと１０Ｖの両方の場合において、トランジスタのオフ電流は、測定下限である１×１０−１３Ａの１０２倍から１０４倍となった。よって、ＩＧＺＯ系の酸化物半導体を含むトランジスタは、可視光領域の光に対する受光感度よりも、紫外領域の光に対する受光感度が著しく高いことが分かった。
【００７６】
次いで、波長が紫外領域に含まれる光の照度と、オフ電流との関係を測定により調べた結果について述べる。
【００７７】
測定に用いたトランジスタの構造は、図１０に示した測定において用いられたトランジスタと同じであった。ただし、チャネル長Ｌが３μｍ、チャネル幅Ｗが１０４μｍで、ゲート電極とソース電極及びドレイン電極とが重なる領域におけるチャネル長Ｌ方向の長さが２μｍであった。測定は、図１０の場合と同様に、室温、及び乾燥雰囲気下にて、３００Ｗのキセノン光源（商品名：朝日分光ＭＡＸ−３０２）を用い、バンドパスフィルターにより波長３５０ｎｍに制御された光を、トランジスタに照射した状態で行った。また、分光放射照度計（ウシオ電機ＵＳＲ−４５）を用いて単位波長あたりの放射照度を測定しながら、トランジスタにおける光の放射照度を制御した。
【００７８】
図１１に、測定により得られた、放射照度（単位：ｍＷ／ｃｍ２）と、トランジスタのオフ電流（単位：Ａ）との関係を示す。測定は、ゲート電圧を−１０Ｖとし、ソースに対するドレインの電圧Ｖｄｓが１Ｖの場合と、１０Ｖの場合とに分けて行った。図１１に示すように、電圧Ｖｄｓが１Ｖと１０Ｖの両方の場合において、放射照度が上昇すると、トランジスタのオフ電流も上昇することが確認された。そして、放射照度の対数と、トランジスタのオフ電流の対数とは、ほぼ比例の関係にあることが分かった。
【００７９】
次いで、３５０ｎｍの波長を有する光の照射の有無による、トランジスタの電気的特性の違いを評価した結果について述べる。
【００８０】
まず、測定に用いたトランジスタの構造について説明する。測定には３つのトランジスタを用いた。いずれのトランジスタも構造は同じであり、厚さ１００ｎｍの熱酸化膜に覆われたＳｉ基板上に、スパッタリング法で形成された膜厚１００ｎｍの酸化珪素膜の上に設けられた。そして、上記トランジスタは、膜厚１５０ｎｍのタングステン膜を用いたゲート電極と、上記ゲート電極上において、膜厚２０ｎｍの酸化窒化珪素膜を用いたゲート絶縁膜を有していた。さらに、上記トランジスタは、ゲート絶縁膜上においてゲート電極と重なる位置に、膜厚１５ｎｍのＩＧＺＯ系の酸化物半導体膜を有していた。ＩＧＺＯ系の酸化物半導体膜は、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの組成が１：１：１であるターゲットを用い、スパッタリング法により形成された。また、トランジスタは、酸化物半導体膜上に、膜厚が１００ｎｍのタングステン膜を用いたソース電極及びドレイン電極を有していた。また、酸化物半導体膜及びソース電極及びドレイン電極上には、膜厚が４００ｎｍの酸化珪素膜が設けられていた。酸化珪素膜上には、膜厚が１．５μｍのポリイミド膜が設けられていた。
【００８１】
また、測定に用いたトランジスタは、チャネル長Ｌが３μｍ、チャネル幅Ｗが１０μｍであった。電気的特性の評価は、暗状態でのドレイン電流の測定（測定１）、紫外線照射状態でのドレイン電流の測定（測定２）、紫外線照射状態での電圧の印加（ストレス印加工程）、紫外線照射状態でのドレイン電流の測定（測定３）、暗状態でのドレイン電流の測定（測定４）の順序で行われた。
【００８２】
具体的に、測定１及び測定４における暗状態でのドレイン電流の測定は、暗室内の光の照射が行われない環境下において、基板温度４０℃、及び乾燥雰囲気下で行った。また、測定時は、ゲート電圧Ｖｇを−５Ｖと５Ｖの間において０．１Ｖずつ変化させ、電圧Ｖｄｓは０．１Ｖまたは３Ｖとした。
【００８３】
また、測定２及び測定３における紫外線照射状態でのドレイン電流の測定は、波長が３５０ｎｍの光を２．５ｍＷ／ｃｍ２の放射照度にてトランジスタに照射した状態とし、基板温度４０℃、及び乾燥雰囲気下で行った。また、測定時は、ゲート電圧Ｖｇを−５Ｖと５Ｖの間において０．１Ｖずつ変化させ、電圧Ｖｄｓは０．１Ｖまたは３Ｖとした。
【００８４】
また、ストレス印加工程では、基板温度１２５℃、及び乾燥雰囲気下で、波長が３５０ｎｍの光を２．５ｍＷ／ｃｍ２の放射照度にてトランジスタに照射した状態を１時間保った。さらにストレス印加工程では、３つのトランジスタのうち、第１のトランジスタでは、ストレス印加工程の間、連続的にゲート電圧Ｖｇを−５Ｖ、電圧Ｖｄｓを５Ｖとした。また、第２のトランジスタでは、ストレス印加工程の間に、ゲート電圧Ｖｇを−５Ｖ、電圧Ｖｄｓを５Ｖとする第１の状態と、ゲート電圧Ｖｇを５Ｖ、電圧Ｖｄｓを０Ｖとする第２の状態とを繰り返した。そして、第１の状態を保つ期間は０．１秒、第２の状態を保つ期間は０．９秒とした。また、第３のトランジスタでは、ストレス印加工程の間、連続的にゲート電圧Ｖｇを５Ｖ、電圧Ｖｄｓを０Ｖとした。
【００８５】
なお、トランジスタへの紫外線の照射は、いずれも、３００Ｗのキセノン光源（商品名：朝日分光ＭＡＸ−３０２）を用い、バンドパスフィルターにより波長が制御された光を用いた。また、分光放射照度計（ウシオ電機ＵＳＲ−４５）を用いて３５０ｎｍの波長を有する光の放射照度を測定しながら、当該放射照度が２．５ｍＷ／ｃｍ２程度となるように、トランジスタへの光の照射を行った。
【００８６】
図１２（Ａ）に、測定１及び測定４によって得られた、第１のトランジスタのゲート電圧Ｖｇとドレイン電流Ｉｄの関係を示す。さらに、計算により得られた移動度μも併せて示す。また、図１２（Ｂ）に、測定２及び測定３によって得られた、第１のトランジスタのゲート電圧Ｖｇとドレイン電流Ｉｄの関係を示す。図１２（Ａ）では、ストレス印加工程により、閾値電圧が−０．３３Ｖ、シフト値が−０．４２Ｖシフトしたことが分かった。また、図１２（Ｂ）では、ストレス印加工程により、閾値電圧が−０．４５Ｖ、シフト値が−０．８２Ｖシフトしたことが分かった。
【００８７】
なお、各トランジスタの閾値電圧と移動度は、比誘電率が４．１、ゲート絶縁膜の膜厚が２０ｎｍであるものとし、算出した。また、シフト値とは、ドレイン電流が立ち上がるときのゲート電圧の値と定義する。具体的には、ゲート電圧に対するドレイン電流の関係を示すグラフにおいて、ドレイン電流の傾きの変化が最も急峻となる接線と、最低のドレイン電流に対応する目盛線と、が交差する点における電圧と、定義することができる。シフト値は、電圧Ｖｄｓが３Ｖであるときの値を用いた。
【００８８】
また、図１３（Ａ）に、測定１及び測定４によって得られた、第２のトランジスタのゲート電圧Ｖｇとドレイン電流Ｉｄの関係を示す。さらに、計算により得られた移動度μも併せて示す。また、図１３（Ｂ）に、測定２及び測定３によって得られた、第２のトランジスタのゲート電圧Ｖｇとドレイン電流Ｉｄの関係を示す。図１３（Ａ）では、ストレス印加工程により、閾値電圧が＋０．２８Ｖ、シフト値が＋０．２６Ｖシフトしたことが分かった。また、図１３（Ｂ）では、ストレス印加工程により、閾値電圧が＋０．２８Ｖ、シフト値が＋０．１７Ｖシフトしたことが分かった。
【００８９】
また、図１４（Ａ）に、測定１及び測定４によって得られた、第３のトランジスタのゲート電圧Ｖｇとドレイン電流Ｉｄの関係を示す。さらに、計算により得られた移動度μも併せて示す。また、図１４（Ｂ）に、測定２及び測定３によって得られた、第３のトランジスタのゲート電圧Ｖｇとドレイン電流Ｉｄの関係を示す。図１４（Ａ）では、ストレス印加工程により、閾値電圧が＋０．４２Ｖ、シフト値が＋０．４４Ｖシフトしたことが分かった。また、図１４（Ｂ）では、ストレス印加工程により、閾値電圧が＋０．４４Ｖ、シフト値が＋０．３０Ｖシフトしたことが分かった。
【００９０】
図１２乃至図１４から、紫外線照射状態でのドレイン電流の測定（測定２及び測定３）の方が、暗状態でのドレイン電流の測定（測定１及び測定４）よりも、シフト値の変化が小さいことが分かった。また、図１２乃至図１４から、第１のトランジスタは、ストレス印加工程により、閾値電圧及びシフト値がマイナス方向にシフトしており、逆に、第３のトランジスタは、ストレス印加工程により、閾値電圧及びシフト値がプラス方向にシフトしていることが分かった。そして、第２のトランジスタにおける閾値電圧及びシフト値の変化は、第１のトランジスタ及び第３のトランジスタよりも小さいことが分かった。すなわち、ソースまたはドレインよりもゲートの電位が低い第１の状態と、ソースまたはドレインよりもゲートの電位が高い第２の状態とを繰り返す駆動方法の場合、連続的に第１の状態を保つ駆動方法、及び連続的に第２の状態を保つ駆動方法に比べて、閾値電圧やシフト値などの電気的特性の変化を小さく抑えられることが分かった。特に、第１の状態と第２の状態とを繰り返す駆動方法において、全期間における第１の状態の期間の割合を、０％より大きく１０％以下とすることで、電気的特性の変化を抑える効果が大きいことが分かった。
【００９１】
〈センサ回路の断面構造例〉
図１５に、本発明の一態様に係るセンサ回路の、断面構造の一例を示す。そして、図１５では、酸化物半導体膜にチャネル形成領域を有するトランジスタ１１が、単結晶のシリコン基板にチャネル形成領域を有するトランジスタ５０上に形成されている場合を例示している。
【００９２】
なお、トランジスタ５０は、図３に示したセンサ回路１０のスイッチ１３、スイッチ１６、または回路１５などに含まれるトランジスタの一例に相当する。トランジスタ５０は、非晶質、微結晶、多結晶または単結晶である、シリコン又はゲルマニウムなどの半導体膜を活性層に用いることもできる。或いは、トランジスタ５０は、酸化物半導体膜にチャネル形成領域を有していても良い。
【００９３】
薄膜のシリコンを用いてトランジスタ５０を形成する場合、プラズマＣＶＤ法などの気相成長法若しくはスパッタリング法で作製された非晶質シリコン、非晶質シリコンをレーザーアニールなどの処理により結晶化させた多結晶シリコン、単結晶シリコンウェハに水素イオン等を注入して表層部を剥離した単結晶シリコンなどを用いることができる。
【００９４】
トランジスタ５０が形成される半導体基板４００は、例えば、ｎ型またはｐ型の導電型を有するシリコン基板、ゲルマニウム基板、シリコンゲルマニウム基板、化合物半導体基板（ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＰ基板、ＧａＩｎＡｓＰ基板、ＺｎＳｅ基板等）等を用いることができる。図１５では、ｎ型の導電型を有する単結晶シリコン基板を用いた場合を例示している。
【００９５】
また、トランジスタ５０は、素子分離用絶縁膜４０１により、他のトランジスタと、電気的に分離されている。素子分離用絶縁膜４０１の形成には、選択酸化法（ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）法）またはトレンチ分離法等を用いることができる。
【００９６】
なお、ｐチャネル型のトランジスタを半導体基板４００に形成する場合、ｐチャネル型のトランジスタが形成される領域には、ｐ型の導電型を付与する不純物元素を選択的に導入することにより、ｎウェルと呼ばれる領域を形成すれば良い。
【００９７】
具体的に、トランジスタ５０は、半導体基板４００に形成された、ソース領域またはドレイン領域として機能する不純物領域４０２及び不純物領域４０３と、ゲート電極４０４と、半導体基板４００とゲート電極４０４の間に設けられたゲート絶縁膜４０５とを有する。ゲート電極４０４は、ゲート絶縁膜４０５を間に挟んで、不純物領域４０２と不純物領域４０３の間に形成されるチャネル形成領域と重なる。
【００９８】
また、素子分離用絶縁膜４０１上には、抵抗素子５１が設けられている。抵抗素子５１として、例えば、多結晶、微結晶、非晶質のシリコンを含む半導体膜を用いることができる。
【００９９】
トランジスタ５０上には、絶縁膜４０９が設けられている。絶縁膜４０９には開口部が形成されている。そして、上記開口部には、不純物領域４０２、不純物領域４０３にそれぞれ接する配線４１０、配線４１１と、抵抗素子５１に接する配線４１２、配線４１３とが形成されている。
【０１００】
そして、配線４１０は、絶縁膜４０９上に形成された配線４１５に接続されており、配線４１１及び配線４１２は、絶縁膜４０９上に形成された配線４１６に接続されており、配線４１３は、絶縁膜４０９上に形成された配線４１７に接続されている。
【０１０１】
配線４１５乃至配線４１７上には、絶縁膜４２０が形成されている。絶縁膜４２０には開口部が形成されており、上記開口部に、配線４１５に電気的に接続された配線４２２が形成されている。
【０１０２】
そして、図１５では、絶縁膜４２０上にトランジスタ１１と、配線４２２に電気的に接続された導電膜４５０が形成されている。
【０１０３】
トランジスタ１１は、絶縁膜４２０上に、ゲート電極４３４と、ゲート電極４３４上のゲート絶縁膜４３１と、ゲート絶縁膜４３１上においてゲート電極４３４と重なる位置にあり、なおかつ酸化物半導体を含む半導体膜４３０と、半導体膜４３０上の、ソース電極またはドレイン電極として機能する導電膜４３２及び導電膜４３３と、を有する。なお、導電膜４３２は、ゲート絶縁膜４３１に形成された開口部を介して、導電膜４５０に電気的に接続されている。
【０１０４】
そして、トランジスタ１１上に、絶縁膜４４１が設けられている。絶縁膜４４１には開口部が設けられており、上記開口部において導電膜４３３に接する導電膜４４２が、絶縁膜４４１上に設けられている。
【０１０５】
また、絶縁膜４４１、導電膜４４２上には絶縁膜４４５が設けられている。絶縁膜４４５には開口部が設けられており、開口部を介して導電膜４４２に接する導電膜４４７が、絶縁膜４４５上に設けられている。導電膜４４７は、後に、バイアス回路などに接続させるために、その表面の平坦性が高いことが望ましい。よって、導電性を有する粒子が分散された樹脂は、導電膜４４７の材料として適している。ただし、樹脂はハンダとの密着性が乏しいので、導電膜４４７に接するように、ハンダとの密着性が高い導電材料で形成された導電膜４４９を、導電膜４４７上に設ける。
【０１０６】
なお、図１５において、トランジスタ１１は、ゲート電極４３４を半導体膜４３０の片側において少なくとも有していれば良いが、半導体膜４３０を間に挟んで存在する一対のゲート電極を有していても良い。
【０１０７】
トランジスタ１１が、半導体膜４３０を間に挟んで存在する一対のゲート電極を有している場合、一方のゲート電極には導通状態または非導通状態を制御するための信号が与えられ、他方のゲート電極は、電位が他から与えられている状態であっても良い。この場合、一対の電極に、同じ高さの電位が与えられていても良いし、他方のゲート電極にのみ接地電位などの固定の電位が与えられていても良い。他方のゲート電極に与える電位の高さを制御することで、トランジスタの閾値電圧を制御することができる。
【０１０８】
また、図１５では、トランジスタ１１が、一のゲート電極４３４に対応した一のチャネル形成領域を有する、シングルゲート構造である場合を例示している。しかし、トランジスタ１１は、電気的に接続された複数のゲート電極を有することで、一の活性層にチャネル形成領域を複数有する、マルチゲート構造であっても良い。
【０１０９】
〈半導体膜について〉
なお、電子供与体（ドナー）となる水分または水素などの不純物が低減され、なおかつ酸素欠損が低減されることにより高純度化された酸化物半導体（ｐｕｒｉｆｉｅｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）は、ｉ型（真性半導体）又はｉ型に限りなく近い。そのため、高純度化された酸化物半導体膜にチャネル形成領域を有するトランジスタは、オフ電流が著しく小さく、信頼性が高い。
【０１１０】
なお、半導体膜として酸化物半導体膜を用いる場合、酸化物半導体としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）あるいは亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気的特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム（Ｇａ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ（Ｓｎ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム（Ｈｆ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてアルミニウム（Ａｌ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてジルコニウム（Ｚｒ）を含むことが好ましい。
【０１１１】
酸化物半導体の中でもＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物などは、炭化シリコン、窒化ガリウム、または酸化ガリウムとは異なり、スパッタリング法や湿式法により電気的特性の優れたトランジスタを作製することが可能であり、量産性に優れるといった利点がある。また、炭化シリコン、窒化ガリウム、または酸化ガリウムとは異なり、上記Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物は、ガラス基板上に、電気的特性の優れたトランジスタを作製することが可能である。また、基板の大型化にも対応が可能である。
【０１１２】
また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）のいずれか一種または複数種を含んでいてもよい。
【０１１３】
例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化スズ、酸化亜鉛、Ｉｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。
【０１１４】
なお、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを含む酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素を含んでいてもよい。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物は、無電界時の抵抗が十分に高くオフ電流を十分に小さくすることが可能であり、また、移動度も高い。
【０１１５】
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：２：１（＝２／５：２／５：１／５）の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。あるいは、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３（＝１／３：１／６：１／２）あるいはＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：５（＝１／４：１／８：５／８）の原子数比のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。
【０１１６】
例えば、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物では比較的容易に高い移動度が得られる。しかしながら、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物でも、バルク内欠陥密度を低減することにより移動度を上げることができる。
【０１１７】
酸化物半導体膜は、単結晶酸化物半導体膜と非単結晶酸化物半導体膜とに大別される。非単結晶酸化物半導体膜とは、非晶質酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、多結晶酸化物半導体膜、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜などをいう。
【０１１８】
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、結晶成分を有さない酸化物半導体膜である。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膜が典型である。
【０１１９】
微結晶酸化物半導体膜は、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。従って、微結晶酸化物半導体膜は、非晶質酸化物半導体膜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膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低いという特徴がある。
【０１２０】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つであり、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。従って、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜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膜は、微結晶酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低いという特徴がある。以下、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜について詳細な説明を行う。
【０１２１】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）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。
【０１２２】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を、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。
【０１２３】
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。従って、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。
【０１２４】
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を、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。
【０１２５】
断面ＴＥＭ観察および平面ＴＥＭ観察より、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶部は配向性を有していることがわかる。
【０１２６】
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概略垂直な方向を向いていることが確認できる。
【０１２７】
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、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、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＩｎＧａＺｎＯ４の単結晶酸化物半導体膜であれば、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膜の場合は、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。
【０１２８】
以上のことから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜では、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。従って、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。
【０１２９】
なお、結晶部は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜した際、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膜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。従って、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜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膜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。
【０１３０】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中の結晶化度が均一でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶部が、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜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膜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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
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的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。
【０１３３】
なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、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。
【０１３４】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、例えば、多結晶である金属酸化物ターゲットを用い、スパッタリング法によって成膜する。当該ターゲットにイオンが衝突すると、ターゲットに含まれる結晶領域がａ−ｂ面から劈開し、ａ−ｂ面に平行な面を有する平板状またはペレット状のスパッタリング粒子として剥離することがある。この場合、当該平板状またはペレット状のスパッタリング粒子が、結晶状態を維持したまま基板に到達することで、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜することができる。
【０１３５】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜するために、以下の条件を適用することが好ましい。
【０１３６】
成膜時の不純物混入を低減することで、不純物によって結晶状態が崩れることを抑制できる。例えば、処理室内に存在する不純物濃度（水素、水、二酸化炭素、及び窒素など）を低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物濃度を低減すればよい。具体的には、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下である成膜ガスを用いる。
【０１３７】
また、成膜時の基板加熱温度を高めることで、基板到達後にスパッタリング粒子のマイグレーションが起こる。具体的には、基板加熱温度を１００℃以上７４０℃以下、好ましくは２００℃以上５００℃以下として成膜する。成膜時の基板加熱温度を高めることで、平板状またはペレット状のスパッタリング粒子が基板に到達した場合、基板上でマイグレーションが起こり、スパッタリング粒子の平らな面が基板に付着する。
【０１３８】
また、成膜ガス中の酸素割合を高め、電力を最適化することで成膜時のプラズマダメージを軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、３０体積％以上、好ましくは１００体積％とする。
【０１３９】
ターゲットの一例として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物ターゲットについて以下に示す。
【０１４０】
ＩｎＯＸ粉末、ＧａＯＹ粉末及びＺｎＯＺ粉末を所定のｍｏｌ数比で混合し、加圧処理後、１０００℃以上１５００℃以下の温度で加熱処理をすることで多結晶であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物ターゲットとする。なお、Ｘ、Ｙ及びＺは任意の正数である。ここで、所定のｍｏｌ数比は、例えば、ＩｎＯＸ粉末、ＧａＯＹ粉末及びＺｎＯＺ粉末が、２：２：１、８：４：３、３：１：１、１：１：１、４：２：３または３：１：２である。なお、粉末の種類、及びその混合するｍｏｌ数比は、作製するターゲットによって適宜変更すればよい。
【０１４１】
なお、アルカリ金属は酸化物半導体を構成する元素ではないため、不純物である。アルカリ土類金属も、酸化物半導体を構成する元素ではない場合において、不純物となる。特に、アルカリ金属のうちＮａは、酸化物半導体膜に接する絶縁膜が酸化物である場合、当該絶縁膜中に拡散してＮａ＋となる。また、Ｎａは、酸化物半導体膜内において、酸化物半導体を構成する金属と酸素の結合を分断する、或いは、その結合中に割り込む。その結果、例えば、閾値電圧がマイナス方向にシフトすることによるノーマリオン化、移動度の低下等の、トランジスタの電気的特性の劣化が起こり、加えて、特性のばらつきも生じる。具体的に、二次イオン質量分析法によるＮａ濃度の測定値は、５×１０１６／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１６／ｃｍ３以下、更に好ましくは１×１０１５／ｃｍ３以下とするとよい。同様に、Ｌｉ濃度の測定値は、５×１０１５／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５／ｃｍ３以下とするとよい。同様に、Ｋ濃度の測定値は、５×１０１５／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５／ｃｍ３以下とするとよい。
【０１４２】
また、インジウムを含む金属酸化物が用いられている場合に、酸素との結合エネルギーがインジウムよりも大きいシリコンや炭素が、インジウムと酸素の結合を切断し、酸素欠損を形成することがある。そのため、シリコンや炭素が酸化物半導体膜に混入していると、アルカリ金属やアルカリ土類金属の場合と同様に、トランジスタの電気的特性の劣化が起こりやすい。よって、酸化物半導体膜中におけるシリコンや炭素の濃度は低いことが望ましい。具体的に、二次イオン質量分析法によるＣ濃度の測定値、またはＳｉ濃度の測定値は、１×１０１８／ｃｍ３以下とするとよい。上記構成により、トランジスタの電気的特性の劣化を防ぐことができ、センサ回路または半導体装置の信頼性を高めることができる。
【０１４３】
また、ソース電極及びドレイン電極に用いられる導電性材料によっては、ソース電極及びドレイン電極中の金属が、酸化物半導体膜から酸素を引き抜くことがある。この場合、酸化物半導体膜のうち、ソース電極及びドレイン電極に接する領域が、酸素欠損の形成によりｎ型化される。
【０１４４】
ｎ型化された領域は、ソース領域またはドレイン領域として機能するため、酸化物半導体膜とソース電極及びドレイン電極との間におけるコンタクト抵抗を下げることができる。よって、ｎ型化された領域が形成されることで、トランジスタの移動度及びオン電流を高めることができ、それにより、トランジスタを用いたスイッチ回路の高速動作を実現することができる。
【０１４５】
なお、ソース電極及びドレイン電極中の金属による酸素の引き抜きは、ソース電極及びドレイン電極をスパッタリング法などにより形成する際に起こりうるし、ソース電極及びドレイン電極を形成した後に行われる加熱処理によっても起こりうる。
【０１４６】
また、ｎ型化される領域は、酸素と結合し易い導電性材料をソース電極及びドレイン電極に用いることで、より形成されやすくなる。上記導電性材料としては、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗなどが挙げられる。
【０１４７】
また、酸化物半導体膜は、単数の金属酸化物膜で構成されているとは限らず、積層された複数の金属酸化物膜で構成されていても良い。例えば、第１乃至第３の金属酸化物膜が順に積層されている半導体膜の場合、第１の金属酸化物膜及び第３の金属酸化物膜は、第２の金属酸化物膜を構成する金属元素の少なくとも１つを、その構成要素に含み、伝導帯下端のエネルギーが第２の金属酸化物膜よりも０．０５ｅＶ以上、０．０７ｅＶ以上、０．１ｅＶ以上または０．１５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、１ｅＶ以下、０．５ｅＶ以下または０．４ｅＶ以下、真空準位に近い酸化物膜である。さらに、第２の金属酸化物膜は、少なくともインジウムを含むと、キャリア移動度が高くなるため好ましい。
【０１４８】
上記構成の半導体膜をトランジスタが有する場合、ゲート電極に電圧を印加することで、半導体膜に電界が加わると、半導体膜のうち、伝導帯下端のエネルギーが小さい第２の金属酸化物膜にチャネル領域が形成される。即ち、第２の金属酸化物膜とゲート絶縁膜との間に第３の金属酸化物膜が設けられていることによって、ゲート絶縁膜と離隔している第２の金属酸化物膜に、チャネル領域を形成することができる。
【０１４９】
また、第３の金属酸化物膜は、第２の金属酸化物膜を構成する金属元素の少なくとも１つをその構成要素に含むため、第２の金属酸化物膜と第３の金属酸化物膜の界面では、界面散乱が起こりにくい。従って、当該界面においてキャリアの動きが阻害されにくいため、トランジスタの電界効果移動度が高くなる。
【０１５０】
また、第２の金属酸化物膜と第１の金属酸化物膜の界面に界面準位が形成されると、界面近傍の領域にもチャネル領域が形成されるために、トランジスタの閾値電圧が変動してしまう。しかし、第１の金属酸化物膜は、第２の金属酸化物膜を構成する金属元素の少なくとも１つをその構成要素に含むため、第２の金属酸化物膜と第１の金属酸化物膜の界面には、界面準位が形成されにくい。よって、上記構成により、トランジスタの閾値電圧等の電気的特性のばらつきを、低減することができる。
【０１５１】
また、金属酸化物膜間に不純物が存在することによって、各膜の界面にキャリアの流れを阻害する界面準位が形成されることがないよう、複数の酸化物半導体膜を積層させることが望ましい。積層された金属酸化物膜の膜間に不純物が存在していると、金属酸化物膜間における伝導帯下端のエネルギーの連続性が失われ、界面近傍において、キャリアがトラップされるか、あるいは再結合により消滅してしまうからである。膜間における不純物を低減させることで、主成分である一の金属を少なくとも共に有する複数の金属酸化物膜を、単に積層させるよりも、連続接合（ここでは特に伝導帯下端のエネルギーが各膜の間で連続的に変化するＵ字型の井戸構造を有している状態）が形成されやすくなる。
【０１５２】
連続接合を形成するためには、ロードロック室を備えたマルチチャンバー方式の成膜装置（スパッタリング装置）を用いて各膜を大気に触れさせることなく連続して積層することが必要となる。スパッタリング装置における各チャンバーは、酸化物半導体にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべくクライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて高真空排気（５×１０−７Ｐａ乃至１×１０−４Ｐａ程度まで）することが好ましい。または、ターボ分子ポンプとコールドトラップを組み合わせて排気系からチャンバー内に気体が逆流しないようにしておくことが好ましい。
【０１５３】
高純度の真性な酸化物半導体を得るためには、各チャンバー内を高真空排気するのみならず、スパッタリングに用いるガスの高純度化も重要である。上記ガスとして用いる酸素ガスやアルゴンガスの露点を、−４０℃以下、好ましくは−８０℃以下、より好ましくは−１００℃以下とし、使用するガスの高純度化を図ることで、酸化物半導体膜に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
【０１５４】
例えば、第１の金属酸化物膜または第３の金属酸化物膜は、アルミニウム、シリコン、チタン、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、第２の金属酸化物膜よりも高い原子数比で含む酸化物膜であればよい。具体的に、第１の金属酸化物膜または第３の金属酸化物膜として、第２の金属酸化物膜よりも上述の元素を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膜を用いると良い。前述の元素は酸素と強く結合するため、酸素欠損が酸化物膜に生じることを抑制する機能を有する。よって、上記構成により、第１の金属酸化物膜または第３の金属酸化物膜を、第２の金属酸化物膜よりも酸素欠損が生じにくい酸化物膜にすることができる。
【０１５５】
具体的に、第２の金属酸化物膜と、第１の金属酸化物膜または第３の金属酸化物膜とが、共にＩｎ−Ｍ−Ｚｎ系酸化物を含む場合、第１の金属酸化物膜または第３の金属酸化物膜の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１、第２の金属酸化物膜の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２とすると、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも大きくなるように、その原子数比を設定すれば良い。なお、元素ＭはＩｎよりも酸素との結合力が強い金属元素であり、例えばＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ等が挙げられる。好ましくは、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも１．５倍以上大きくなるように、その原子数比を設定すれば良い。さらに好ましくは、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも２倍以上大きくなるように、その原子数比を設定すれば良い。より好ましくは、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも３倍以上大きくなるように、その原子数比を設定すれば良い。さらに、第２の金属酸化物膜において、ｙ２がｘ２以上であると、トランジスタに安定した電気的特性を付与できるため好ましい。ただし、ｙ２がｘ２の３倍以上になると、トランジスタの電界効果移動度が低下してしまうため、ｙ２は、ｘ２の３倍未満であると好ましい。
【０１５６】
なお、第１の金属酸化物膜及び第３の金属酸化物膜の厚さは、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。また、第２の金属酸化物膜の厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
【０１５７】
３層構造の半導体膜において、第１の金属酸化物膜乃至第３の金属酸化物膜は、非晶質または結晶質の両方の形態を取りうる。ただし、チャネル領域が形成される第２の金属酸化物膜が結晶質であることにより、トランジスタに安定した電気的特性を付与することができるため、第２の金属酸化物膜は結晶質であることが好ましい。
【０１５８】
なお、チャネル形成領域とは、トランジスタの半導体膜のうち、ゲート電極と重なり、かつソース電極とドレイン電極に挟まれる領域を意味する。また、チャネル領域とは、チャネル形成領域において、電流が主として流れる領域をいう。
【０１５９】
例えば、第１の金属酸化物膜及び第３の金属酸化物膜として、スパッタリング法により形成したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜を用いる場合、第１の金属酸化物膜及び第３の金属酸化物膜の成膜には、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］）であるターゲットを用いることができる。成膜条件は、例えば、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０．４Ｐａとし、基板温度を２００℃とし、ＤＣ電力０．５ｋＷとすればよい。
【０１６０】
また、第２の金属酸化物膜をＣＡＡＣ−ＯＳ膜とする場合、第２の金属酸化物膜の成膜には、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］）であり、多結晶のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物を含むターゲットを用いることが好ましい。成膜条件は、例えば、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３００℃とし、ＤＣ電力０．５ｋＷとすることができる。
【０１６１】
上記で開示された、酸化物半導体膜はスパッタ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（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を使っても良い。
【０１６２】
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。
【０１６３】
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、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。
【０１６４】
例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜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、及びジメチル亜鉛を用いる。なお、トリメチルインジウムの化学式は、Ｉｎ（ＣＨ３）３である。また、トリメチルガリウムの化学式は、Ｇａ（ＣＨ３）３である。また、ジメチル亜鉛の化学式は、Ｚｎ（ＣＨ３）２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Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３）を用いることもでき、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛（化学式Ｚｎ（Ｃ２Ｈ５）２）を用いることもできる。
【０１６５】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化物半導体膜、例えばＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を成膜する場合には、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを順次繰り返し導入してＩｎ−Ｏ層を形成し、その後、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを同時に導入してＧａ−Ｏ層を形成し、更にその後Ｚｎ（ＣＨ３）２とＯ３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−Ｚｎ−Ｏ層などの混合化合物層を形成しても良い。なお、Ｏ３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たＨ２Ｏガスを用いても良いが、Ｈを含まないＯ３ガスを用いる方が好ましい。また、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスにかえて、Ｉｎ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いても良い。また、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスにかえて、Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いても良い。また、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスにかえて、Ｉｎ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いても良い。また、Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスを用いても良い。
【０１６６】
なお、トランジスタは、半導体膜の端部が傾斜している構造を有していても良いし、半導体膜の端部が丸みを帯びる構造を有していても良い。
【０１６７】
また、複数の積層された金属酸化物膜を有する半導体膜をトランジスタに用いる場合においても、ソース電極及びドレイン電極に接する領域が、ｎ型化されていても良い。上記構成により、トランジスタの移動度及びオン電流を高め、トランジスタを用いたセンサ回路または半導体装置の高速動作を実現することができる。さらに、複数の積層された金属酸化物膜を有する半導体膜をトランジスタに用いる場合、ｎ型化される領域は、チャネル領域となる第２の金属酸化物膜にまで達していることが、トランジスタの移動度及びオン電流を高め、センサ回路または半導体装置の高速動作を実現する上で、より好ましい。
【０１６８】
また、図１６に、トランジスタ１１の断面構造の、別の一例を示す。図１６に示すトランジスタ１１は、絶縁膜８２０などの上に設けられたゲート電極８３４と、ゲート電極８３４上のゲート絶縁膜８３１と、ゲート絶縁膜８３１上においてゲート電極８３４と重なる位置にある半導体膜８３０と、半導体膜８３０と電気的に接続されている導電膜８３２、及び導電膜８３３と、を有する。
【０１６９】
半導体膜８３０は、単膜の酸化物半導体膜で構成されているとは限らず、積層された複数の酸化物半導体膜で構成されていても良い。図１６では、半導体膜８３０が、３層の積層された酸化物半導体膜で構成されている場合を、例示している。具体的に、図１６に示すトランジスタ１１では、半導体膜８３０として、酸化物半導体膜８３０ａ乃至酸化物半導体膜８３０ｃが、絶縁膜８２０側から順に積層されている。
【０１７０】
そして、酸化物半導体膜８３０ａ及び酸化物半導体膜８３０ｃは、酸化物半導体膜８３０ｂを構成する金属元素の少なくとも１つを、その構成要素に含み、伝導帯下端のエネルギーが酸化物半導体膜８３０ｂよりも０．０５ｅＶ以上、０．０７ｅＶ以上、０．１ｅＶ以上又は０．１５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、１ｅＶ以下、０．５ｅＶ以下又は０．４ｅＶ以下、真空準位に近い酸化物膜である。さらに、酸化物半導体膜８３０ｂは、少なくともインジウムを含むと、キャリア移動度が高くなるため好ましい。
【０１７１】
〈モジュールの構成例〉
センサ回路を、熱、圧力、振動などの周囲の環境から保護するために、パッケージに収めた状態であるモジュールも、本発明の一態様に係る半導体装置の範疇に含まれる。図１７に、本発明の一態様に係るセンサ回路１０を有するモジュール８０の構成例を示す。
【０１７２】
図１７に示すモジュール８０では、センサ回路１０が、ワイヤボンディング法などにより、インターポーザ８１上にマウントされている。インターポーザ８１は端子８２乃至端子８４に電気的に接続されている。また、センサ回路１０及びインターポーザ８１は筐体８５に覆われており、筐体８５には、光、特に紫外光を透過する窓８６が設けられている。筐体８５の窓８６以外の部分は、光、特に紫外光の透過を防ぐ素材で形成されていることが望ましい。窓８６には、光をセンサ回路１０に集光するためのレンズなどの光学系が付設されていても良い。インターポーザ８１に接続されている端子８２乃至端子８４の一部は、図１７に示すように、筐体８５の外部に露出している。
【０１７３】
〈電子機器の例〉
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置（代表的にはＤＶＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置）に用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯情報端末、電子書籍、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等）、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機（ＡＴＭ）、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図１８に示す。
【０１７４】
図１８（Ａ）は火災報知機であり、感知機９０１と、受信機９０２と、発信機９０３とを有する。
【０１７５】
感知機９０１は、本発明の一態様に係るセンサ回路９０４、窓９０５、操作キー９０６等を有する。窓９０５を通過した光は、センサ回路９０４に照射される。センサ回路９０４は、炎などの熱源から放射される紫外線を感知する。感知機９０１は、規定値以上の放射強度を有する紫外線がセンサ回路９０４にて感知されると、その情報を受信機９０２に送る。受信機９０２は、表示部９０７、操作キー９０８、操作キー９０９、配線９１０等を有する。受信機９０２は、感知機９０１からの情報に従って、発信機９０３の動作を制御する。発信機９０３は、スピーカ９１１、照明装置９１２などを有する。発信機９０３は、発信機９０３からの命令に従って、警報を発信する機能を有する。図１８（Ａ）では、発信機９０３が、スピーカ９１１を用いた音声による警報と、赤色灯などの照明装置９１２を用いた光による警報とを共に行う例を示しているが、いずれか一方のみの警報またはそれ以外の警報を、発信機９０３が行うようにしても良い。
【０１７６】
また、警報の発信に伴い、シャッターなどの防火設備に、所定の動作を行う旨の命令を受信機９０２が送るようにしても良い。また、図１８（Ａ）では、受信機９０２と感知機９０１との間において無線で信号の送受信が行われる場合を例示したが、配線等を介して信号の送受信が行われていても良い。また、図１８（Ａ）では、受信機９０２から発信機９０３へ、配線９１０を介して信号の送信が行われている場合を例示したが、無線で信号の送信が行われていても良い。
【０１７７】
図１８（Ｂ）は腕時計であり、筐体９２０、表示部９２１、操作ボタン９２２、窓９２３、センサ回路９２４、バンド９２５等を有する。窓９２３を通過した光は、センサ回路９２４に照射される。
【０１７８】
図１８（Ｃ）は携帯電話であり、筐体９３０、表示部９３１、マイク９３２、スピーカ９３３、カメラ９３４、窓９３５、センサ回路９３６、操作用のボタン９３７及び操作用のボタン９３８が設けられている。窓９３５を通過した光は、センサ回路９３６に照射される。
【符号の説明】
【０１７９】
１０    センサ回路
１１    トランジスタ
１２    回路
１３    スイッチ
１４    抵抗素子
１５    回路
１６    スイッチ
１７    配線
１８    配線
２０    バイアス電源
２１    バイアス電源
２２    バイアス電源
２３    アンプ
２４    配線
２５    配線
２６    カレントミラー回路
２７    端子
３０    トランジスタ
３１    トランジスタ
３２    ダイオード
３３    トランジスタ
４０    半導体装置
４１    信号処理回路
４２    出力装置
４３    ＡＤＣ
４５    プロセッサ
５０    トランジスタ
５１    抵抗素子
８０    モジュール
８１    インターポーザ
８２    端子
８４    端子
８５    筐体
８６    窓
４００    半導体基板
４０１    素子分離用絶縁膜
４０２    不純物領域
４０３    不純物領域
４０４    ゲート電極
４０５    ゲート絶縁膜
４０９    絶縁膜
４１０    配線
４１１    配線
４１２    配線
４１３    配線
４１５    配線
４１６    配線
４１７    配線
４２０    絶縁膜
４２２    配線
４３０    半導体膜
４３１    ゲート絶縁膜
４３２    導電膜
４３３    導電膜
４３４    ゲート電極
４４１    絶縁膜
４４２    導電膜
４４５    絶縁膜
４４７    導電膜
４４９    導電膜
４５０    導電膜
８２０    絶縁膜
８３０    半導体膜
８３０ａ    酸化物半導体膜
８３０ｂ    酸化物半導体膜
８３０ｃ    酸化物半導体膜
８３１    ゲート絶縁膜
８３２    導電膜
８３３    導電膜
８３４    ゲート電極
９０１    感知機
９０２    受信機
９０３    発信機
９０４    センサ回路
９０５    窓
９０６    操作キー
９０７    表示部
９０８    操作キー
９０９    操作キー
９１０    配線
９１１    スピーカ
９１２    照明装置
９２０    筐体
９２１    表示部
９２２    操作ボタン
９２３    窓
９２４    センサ回路
９２５    バンド
９３０    筐体
９３１    表示部
９３２    マイク
９３３    スピーカ
９３４    カメラ
９３５    窓
９３６    センサ回路
９３７    ボタン
９３８    ボタン
【図１】
2014195060.tif 000003
【図２】
2014195060.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2014195060.tif 000007
【図６】
2014195060.tif 000008
【図７】
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【図８】
2014195060.tif 000010
【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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