(57)【要約】【課題】寄生容量の増大幅が小さく、かつしきい値電圧の制御性の高いバックゲート電極を設けた、酸化物半導体膜を用いたトランジスタを提供する。また、当該トランジスタを用いた半導体装置を提供する。【解決手段】バックゲート電極を、ドレイン電極と重畳し、かつソース電極と重畳しないで設けた酸化物半導体膜を用いたトランジスタである。バックゲート電極を、ドレイン電極と重畳し、かつソース電極と重畳しないで設けることにより、バックゲート電極をドレイン電極およびソース電極の両方と重畳して設けた場合と比べて、トランジスタのしきい値電圧の制御性を低下させずに、動作速度が高めることができる。【選択図】図１
2014187374.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素部を有し、
前記画素部は、第１の導電膜を有し、
前記画素部は、前記第１の導電膜上方の第１の絶縁膜を有し、
前記画素部は、前記第１の絶縁膜上方の酸化物半導体膜を有し、
前記画素部は、前記酸化物半導体膜上方のソース電極を有し、
前記画素部は、前記酸化物半導体膜上方のドレイン電極を有し、
前記画素部は、前記ソース電極上方、前記ドレイン電極上方、及び前記酸化物半導体膜上方の第２の絶縁膜を有し、
前記画素部は、前記第２の絶縁膜上方の第２の導電膜を有し、
前記酸化物半導体膜は、第１の領域と、第２の領域と、チャネル領域と、を有し、
前記第１の領域は、前記ソース電極又は前記ドレイン電極の一方と重なり、前記第１の導電膜と重なり、且つ前記第２の導電膜と重なる領域であり、
前記第２の領域は、前記ソース電極又は前記ドレイン電極の他方と重なり、前記第１の導電膜と重なり、且つ前記第２の導電膜と重ならない領域であり、
前記チャネル領域は、第３の領域と、第４の領域と、を有し、
前記第３の領域は、前記チャネル領域の中心位置を含む領域であり、
前記第３の領域は、前記第１の導電膜と重なり、且つ前記第２の導電膜と重なる領域であり、
前記第４の領域は、前記第１の導電膜と重なり、且つ前記第２の導電膜と重ならない領域であり、
前記第３の領域は、前記第１の領域と前記第４の領域との間にあり、
前記第４の領域は、前記第２の領域と前記第３の領域との間にあることを特徴とする表示装置。
【請求項２】
画素部を有し、
前記画素部は、第１の導電膜を有し、
前記画素部は、前記第１の導電膜上方の第１の絶縁膜を有し、
前記画素部は、前記第１の絶縁膜上方の酸化物半導体膜を有し、
前記画素部は、前記酸化物半導体膜上方のソース電極を有し、
前記画素部は、前記酸化物半導体膜上方のドレイン電極を有し、
前記画素部は、前記ソース電極上方、前記ドレイン電極上方、及び前記酸化物半導体膜上方の第２の絶縁膜を有し、
前記画素部は、前記第２の絶縁膜上方の第２の導電膜を有し、
前記酸化物半導体膜は、第１の領域と、第２の領域と、チャネル領域と、を有し、
前記第１の領域は、前記ソース電極又は前記ドレイン電極の一方と重なり、前記第１の導電膜と重なり、且つ前記第２の導電膜と重なる領域であり、
前記第２の領域は、前記ソース電極又は前記ドレイン電極の他方と重なり、前記第１の導電膜と重なり、且つ前記第２の導電膜と重ならない領域であり、
前記チャネル領域は、第３の領域と、第４の領域と、を有し、
前記第３の領域は、前記ソース電極の端部から前記ドレイン電極の端部までの距離の中間地点を含む領域であり、
前記第３の領域は、前記第１の導電膜と重なり、且つ前記第２の導電膜と重なる領域であり、
前記第４の領域は、前記第１の導電膜と重なり、且つ前記第２の導電膜と重ならない領域であり、
前記第３の領域は、前記第１の領域と前記第４の領域との間にあり、
前記第４の領域は、前記第２の領域と前記第３の領域との間にあることを特徴とする表示装置。
【請求項３】
画素部を有し、
前記画素部は、第１の導電膜を有し、
前記画素部は、前記第１の導電膜上方の第１の絶縁膜を有し、
前記画素部は、前記第１の絶縁膜上方の酸化物半導体膜を有し、
前記画素部は、前記酸化物半導体膜上方のソース電極を有し、
前記画素部は、前記酸化物半導体膜上方のドレイン電極を有し、
前記画素部は、前記ソース電極上方、前記ドレイン電極上方、及び前記酸化物半導体膜上方の第２の絶縁膜を有し、
前記画素部は、前記第２の絶縁膜上方の第２の導電膜を有し、
前記画素部は、前記第２の導電膜上方の第３の絶縁膜を有し、
前記画素部は、前記第３の絶縁膜上方の第３の導電膜を有し、
前記酸化物半導体膜は、第１の領域と、第２の領域と、チャネル領域と、を有し、
前記第１の領域は、前記ソース電極又は前記ドレイン電極の一方と重なり、前記第１の導電膜と重なり、且つ前記第２の導電膜と重なる領域であり、
前記第２の領域は、前記ソース電極又は前記ドレイン電極の他方と重なり、前記第１の導電膜と重なり、且つ前記第２の導電膜と重ならない領域であり、
前記チャネル領域は、第３の領域と、第４の領域と、を有し、
前記第３の領域は、前記チャネル領域の中心位置を含む領域であり、
前記第３の領域は、前記第１の導電膜と重なり、且つ前記第２の導電膜と重なる領域であり、
前記第４の領域は、前記第１の導電膜と重なり、且つ前記第２の導電膜と重ならない領域であり、
前記第３の領域は、前記第１の領域と前記第４の領域との間にあり、
前記第４の領域は、前記第２の領域と前記第３の領域との間にあり、
前記第２の絶縁膜は、第１の開口部を有し、
前記第３の絶縁膜は、第２の開口部を有し、
前記第３の導電膜は、前記第１の開口部及び前記第２の開口部を介して前記ソース電極又は前記ドレイン電極と電気的に接続されることを特徴とする表示装置。
【請求項４】
画素部を有し、
前記画素部は、第１の導電膜を有し、
前記画素部は、前記第１の導電膜上方の第１の絶縁膜を有し、
前記画素部は、前記第１の絶縁膜上方の酸化物半導体膜を有し、
前記画素部は、前記酸化物半導体膜上方のソース電極を有し、
前記画素部は、前記酸化物半導体膜上方のドレイン電極を有し、
前記画素部は、前記ソース電極上方、前記ドレイン電極上方、及び前記酸化物半導体膜上方の第２の絶縁膜を有し、
前記画素部は、前記第２の絶縁膜上方の第２の導電膜を有し、
前記画素部は、前記第２の導電膜上方の第３の絶縁膜を有し、
前記画素部は、前記第３の絶縁膜上方の第３の導電膜を有し、
前記酸化物半導体膜は、第１の領域と、第２の領域と、チャネル領域と、を有し、
前記第１の領域は、前記ソース電極又は前記ドレイン電極の一方と重なり、前記第１の導電膜と重なり、且つ前記第２の導電膜と重なる領域であり、
前記第２の領域は、前記ソース電極又は前記ドレイン電極の他方と重なり、前記第１の導電膜と重なり、且つ前記第２の導電膜と重ならない領域であり、
前記チャネル領域は、第３の領域と、第４の領域と、を有し、
前記第３の領域は、前記ソース電極の端部から前記ドレイン電極の端部までの距離の中間地点を含む領域であり、
前記第３の領域は、前記第１の導電膜と重なり、且つ前記第２の導電膜と重なる領域であり、
前記第４の領域は、前記第１の導電膜と重なり、且つ前記第２の導電膜と重ならない領域であり、
前記第３の領域は、前記第１の領域と前記第４の領域との間にあり、
前記第４の領域は、前記第２の領域と前記第３の領域との間にあり、
前記第２の絶縁膜は、第１の開口部を有し、
前記第３の絶縁膜は、第２の開口部を有し、
前記第３の導電膜は、前記第１の開口部及び前記第２の開口部を介して前記ソース電極又は前記ドレイン電極と電気的に接続されることを特徴とする表示装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
前記酸化物半導体膜は、Ｉｎと、Ｍ（Ｍは、はＡｌ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｈｆ、ＴａまたはＷ）と、Ｚｎと、を有することを特徴とする表示装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、
前記酸化物半導体膜は、水素濃度が２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域を有することを特徴とする表示装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項において、
前記酸化物半導体膜は、ｃ軸が前記酸化物半導体膜の被形成面の法線ベクトルに沿うように配向する領域を有することを特徴とする表示装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の表示装置と、
操作スイッチ、マイクロフォン、カメラ、及び／又は、スピーカと、
を有することを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
半導体装置およびその作製方法に関する。
【０００２】
なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能し得る装置
全般をいい、電気光学装置、半導体回路および電子機器などは全て半導体装置である。
【背景技術】
【０００３】
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体膜を用いて、トランジスタを構成する技術が
注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（表示装置）のよう
な半導体装置に広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体膜としてシリコン
膜が知られているが、近年では酸化物系半導体膜が注目されている。
【０００４】
例えば、トランジスタに、電子キャリア濃度が１０１８／ｃｍ３未満であるインジウム、
ガリウムおよび亜鉛を含む非晶質酸化物半導体膜を用いたトランジスタが開示されている
（特許文献１参照。）。
【０００５】
酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、非晶質シリコン膜を用いたトランジスタと比べ
て酸化物半導体膜中のキャリア移動度が高いため、動作速度を大幅に向上させることがで
きる。また、非晶質シリコン膜を用いたトランジスタの生産設備の一部を改良して利用す
ることが可能であるため、設備投資を抑えられるメリットもある。
【０００６】
酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、シリコン膜を用いたトランジスタで用いられて
いるような、不純物注入などによるしきい値電圧の制御方法を適用することが困難である
。そのため、バックゲート電極によるしきい値電圧の制御技術が提案されている。
【０００７】
バックゲート電極を有するトランジスタは、しきい値電圧が制御されるが、一方で寄生容
量が増大し、バックゲート電極を有さないトランジスタと比べて動作速度が低下すること
がある。そのため、バックゲート電極面積を縮小し、寄生容量を低減する技術が提案され
ている（特許文献２、特許文献３参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１６５５２８号公報
【特許文献２】特開２０１０−１２３９３８号公報
【特許文献３】特開２０１０−１２３９３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、バックゲート電極を有する酸化物半導体膜を用いたトランジスタにおいて
、バックゲート電極面積を縮小することで寄生容量は低減させた場合、しきい値電圧の制
御性も低下する場合がある。
【００１０】
そこで、本発明の一態様は、例えば、寄生容量の増大幅が小さく、かつしきい値電圧の制
御性の高いバックゲート電極を設けた、酸化物半導体膜を用いたトランジスタを提供する
ことを課題の一とする。
【００１１】
また、本発明の一態様は、例えば、当該トランジスタを用いた半導体装置を提供すること
を課題の一とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様は、例えば、バックゲート電極を、ドレイン電極と重畳し、かつソース電
極と重畳しないで設けた酸化物半導体膜を用いたトランジスタである。
【００１３】
ここで、バックゲート電極を有するトランジスタは、例えば、チャネル領域を挟んで上下
にゲート電極を有するトランジスタである。バックゲート電極は、例えば、等価酸化膜厚
が大きい側のゲート絶縁膜と接して設けられるゲート電極である。
【００１４】
発明者らは、バックゲート電極を、ドレイン電極と重畳し、かつソース電極と重畳しない
で設けることにより、バックゲート電極をドレイン電極およびソース電極の両方と重畳し
て設けた場合と比べて、トランジスタのしきい値電圧の制御性を低下させずに、動作速度
を高めることができることを見出した。
【００１５】
トランジスタは、チャネル領域のドレイン電極端近傍において、ドレイン電極の電界によ
って空乏層が広がる。その結果、例えば、ＤＩＢＬ（Ｄｒａｉｎ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｂａ
ｒｒｉｅｒ  Ｌｏｗｅｒｉｎｇ）と呼ばれる現象が起き、トランジスタのオフ電流を増大
させ、しきい値電圧を変動させる要因となり得る。チャネル領域におけるドレイン電極端
近傍と重畳するバックゲート電極は、当該空乏層の広がりを抑制することができるため、
オフ電流の増大を抑制し、しきい値電圧の制御性を高くできる。
【００１６】
従って、バックゲート電極が、チャネル領域におけるソース電極端近傍と重畳するよりも
、ドレイン電極端近傍と重畳する方が、オフ電流の増大の抑制としきい値電圧の制御には
有効である。
【００１７】
本発明の一態様によれば、バックゲート電極によるしきい値電圧の制御性が高いまま、ソ
ース電極と重畳しないことによる寄生容量の増大幅を小さくできる。また、トランジスタ
のオフ電流の増大を抑制することができる。
【００１８】
または、本発明の一態様は、例えば、絶縁表面を有する基板上に設けられた第１のゲート
電極と、第１のゲート電極上に設けられた第１のゲート絶縁膜と、第１のゲート絶縁膜上
にあり、第１のゲート電極と重畳して設けられた酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜と接
して設けられたソース電極およびドレイン電極と、酸化物半導体膜、ソース電極およびド
レイン電極上に設けられた第２のゲート絶縁膜と、第２のゲート絶縁膜上に設けられた第
２のゲート電極と、を有し、酸化物半導体膜は、ソース電極およびドレイン電極に挟まれ
た領域にチャネル領域を有し、第２のゲート電極は、チャネル領域およびドレイン電極と
重畳し、かつソース電極と重畳しない半導体装置である。
【００１９】
また、例えば、第２のゲート絶縁膜は、第１のゲート絶縁膜よりも等価酸化膜厚が大きい
半導体装置である。
【００２０】
また、例えば、第２のゲート電極とドレイン電極との重なり幅が１μｍ以上３μｍ以下で
ある半導体装置である。
【００２１】
また、例えば、第２のゲート電極とチャネル領域の中心位置とが重畳する半導体装置であ
る。
【００２２】
または、本発明の一態様は、例えば、絶縁表面を有する基板上に設けられた第１のゲート
電極と、第１のゲート電極上に設けられた第１のゲート絶縁膜と、第１のゲート絶縁膜上
にあり、第１のゲート電極と重畳して設けられた酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜と接
して設けられたソース電極およびドレイン電極と、酸化物半導体膜、ソース電極およびド
レイン電極上に設けられた第２のゲート絶縁膜と、第２のゲート絶縁膜上に設けられた第
２のゲート電極と、を有し、酸化物半導体膜は、ソース電極およびドレイン電極に挟まれ
た領域にチャネル領域を有し、第１のゲート電極は、チャネル領域およびドレイン電極と
重畳し、かつソース電極と重畳しない半導体装置である。
【００２３】
また、例えば、第１のゲート絶縁膜が、第２のゲート絶縁膜よりも等価酸化膜厚が大きい
半導体装置である。
【００２４】
また、例えば、第１のゲート電極とドレイン電極との重なり幅が１μｍ以上３μｍ以下で
ある半導体装置である。
【００２５】
また、例えば、第１のゲート電極と、チャネル領域の中心位置とが重畳する半導体装置で
ある。
【００２６】
なお、上述した本発明の一態様は、一例である。例えば、半導体膜は、酸化物半導体膜に
限定されない場合がある。例えば、酸化物半導体膜に代えて、シリコン膜、有機半導体膜
、そのほかの化合物半導体膜（ヒ化ガリウム、炭化シリコン、窒化ガリウムなど）に適用
しても構わない場合がある。
【発明の効果】
【００２７】
しきい値電圧の制御性が高く、かつ動作速度が高い酸化物半導体膜を用いたトランジスタ
を提供することができる。または、しきい値電圧の制御性が高いトランジスタを提供する
ことができる。または、動作速度が高いトランジスタを提供することができる。または、
安定した電気特性を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流の小
さいトランジスタを提供することができる。
【００２８】
また、当該トランジスタを用いた半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す上面図および断面図。
【図２】本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す上面図および断面図。
【図３】本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す上面図および断面図。
【図４】本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す上面図および断面図。
【図５】本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法の一例を示す断面図。
【図６】本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法の一例を示す断面図。
【図７】本発明の一態様に係るＥＬ表示装置の一例を示す回路図および断面図。
【図８】本発明の一態様に係るインバータの一例を示す回路図。
【図９】本発明の一態様に係る半導体装置の一例を示す回路図。
【図１０】本発明の一態様に係るＣＰＵの具体例を示すブロック図。
【図１１】本発明の一態様に係る電子機器の一例を示す斜視図。
【図１２】トランジスタの断面図。
【図１３】リングオシレータの回路図。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説
明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に
理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるもの
ではない。なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異
なる図面間でも共通して用いる。なお、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じく
し、特に符号を付さない場合がある。
【００３１】
また、電圧は、ある電位と、基準の電位（例えば接地電位（ＧＮＤ）またはソース電位）
との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能である
。
【００３２】
本明細書においては、「電気的に接続する」と表現される場合であっても、現実の回路に
おいては、物理的な接続部分がなく、配線が延在しているだけの場合もある。
【００３３】
なお、第１、第２として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順または積層順
を示すものではない。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名
称を示すものではない。
【００３４】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様に係るトランジスタについて説明する。
【００３５】
図１（Ａ）は本発明の一態様に係るトランジスタの上面図である。図１（Ａ）に示す一点
鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図を図１（Ｂ）に示す。また、図１（Ａ）に示す一点鎖線
Ａ３−Ａ４に対応する断面図を図１（Ｃ）に示す。なお、簡単のため、図１（Ａ）におい
ては、下地絶縁膜１０２などを省略して示す。
【００３６】
図１（Ｂ）は、基板１００上に設けられた下地絶縁膜１０２と、下地絶縁膜１０２上に設
けられたゲート電極１０４と、ゲート電極１０４上に設けられたゲート絶縁膜１１２と、
ゲート絶縁膜１１２上にあり、ゲート電極１０４と重畳して設けられた酸化物半導体膜１
０６と、酸化物半導体膜１０６上に設けられたソース電極１１６ａおよびドレイン電極１
１６ｂと、酸化物半導体膜１０６、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂ上に
設けられたゲート絶縁膜１１８と、ゲート絶縁膜１１８上にあり、酸化物半導体膜１０６
およびドレイン電極１１６ｂと重畳し、かつソース電極１１６ａと重畳しないで設けられ
たゲート電極１１４と、を有するトランジスタの断面図である。
【００３７】
なお、酸化物半導体膜１０６において、ゲート電極１０４と重畳し、ソース電極１１６ａ
およびドレイン電極１１６ｂに挟まれた領域がチャネル領域である。従って、チャネル領
域の中心位置とは、チャネル領域におけるソース電極１１６ａとドレイン電極１１６ｂと
の距離の中間地点をいう。従って、図１では、チャネル領域の中心位置を一点鎖線Ａ３−
Ａ４が通る。
【００３８】
ここで、ゲート電極１０４は、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂと重畳す
る。また、ゲート電極１１４はチャネル領域の中心位置と重畳する。また、ゲート電極１
１４とドレイン電極１１６ｂとの、チャネル長方向の重なり幅を１μｍ以上３μｍ以下と
する。
【００３９】
ゲート絶縁膜１１８は、ゲート絶縁膜１１２よりも等価酸化膜厚が大きい。なお、等価酸
化膜厚とは、物理的な膜の厚さをＳｉＯ２と等価な電気的膜厚に換算した値をいう。
【００４０】
なお、ゲート電極１１４はバックゲート電極として機能し、ゲート絶縁膜１１８はゲート
電極１１４に対するゲート絶縁膜として機能する。
【００４１】
ゲート電極１１４が、チャネル領域におけるドレイン電極１１６ｂ端近傍と重畳するため
、当該トランジスタはしきい値電圧の制御性が高い。これは、トランジスタは、チャネル
領域のドレイン電極１１６ｂ端近傍において、ドレイン電極の電界によって空乏層が広が
ることに起因する。当該空乏層の広がりは、トランジスタのオフ電流を増大させ、しきい
値電圧を変動させる要因となり得る。チャネル領域におけるドレイン電極１１６ｂ端近傍
と重畳するゲート電極１１４の電界により、当該空乏層の広がりを抑制することができる
ため、オフ電流の増大を抑制し、しきい値電圧の制御性を高くできる。
【００４２】
別の側面から見ると、ゲート電極１１４は、チャネル領域におけるドレイン電極１１６ｂ
端近傍と重畳していれば、オフ電流の増大が抑制され、しきい値電圧の制御性が高いこと
になる。
【００４３】
また、ゲート電極１１４は、ドレイン電極１１６ｂと重畳し、かつソース電極１１６ａと
重畳しないため、ソース電極およびドレイン電極の両方と重畳してバックゲート電極が設
けられる場合と比べて寄生容量を小さくすることができる。従って、動作速度の高いトラ
ンジスタとすることができる。
【００４４】
このように、ゲート電極１０４、ゲート電極１１４、ソース電極１１６ａ、ドレイン電極
１１６ｂおよび酸化物半導体膜１０６を設けることで、しきい値電圧の制御性が高く、か
つ動作速度が高いトランジスタを提供することができる。
【００４５】
なお、酸化物半導体膜１０６としては、例えば、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物膜を用いればよい
。ここで、金属元素Ｍは酸素との結合エネルギーがＩｎおよびＺｎよりも高い元素である
。または、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物膜から酸素が脱離することを抑制する機能を有する元素
である。金属元素Ｍの作用によって、酸化物半導体膜１０６中の酸素欠損の生成が抑制さ
れる。なお、酸化物半導体膜１０６の酸素欠損はキャリアを生成することがある。そのた
め、金属元素Ｍの作用によって、酸化物半導体膜１０６中のキャリア密度が増大し、オフ
電流が増大することを抑制できる。また、酸素欠損に起因するトランジスタの電気特性の
変動を低減することができ、信頼性の高いトランジスタを得ることができる。
【００４６】
金属元素Ｍは、具体的にはＡｌ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ
、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄ
ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｈｆ、ＴａまたはＷとすればよく、好ましくはＡｌ
、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、ＣｅまたはＨｆとする。金属元素Ｍは、前述の元素から一種ま
たは二種以上選択すればよい。また、金属元素Ｍの代わりにＳｉまたはＧｅを用いても構
わない。
【００４７】
また、酸化物半導体膜１０６中の水素濃度を、２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好
ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１９ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ３以下とする。これは、酸化物半導体膜１０６に含まれる水素が意図しないキャ
リアを生成することがあるためである。生成されたキャリアは、トランジスタのオフ電流
を増大させ、かつトランジスタの電気特性を変動させる要因となる。従って、酸化物半導
体膜１０６中の水素濃度を上述の範囲とすることで、トランジスタのオフ電流の増大を抑
制し、かつトランジスタの電気特性の変動を抑制することができる。
【００４８】
酸化物半導体膜１０６は、例えば非単結晶を有してもよい。非単結晶は、例えば、ＣＡＡ
Ｃ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）、多結晶、微結晶、非晶質を有す
る。非晶質は、微結晶、ＣＡＡＣよりも欠陥準位密度が高い。また、微結晶は、ＣＡＡＣ
よりも欠陥準位密度が高い。なお、ＣＡＡＣを有する酸化物半導体を、ＣＡＡＣ−ＯＳ（
Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎ
ｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶ。
【００４９】
酸化物半導体膜１０６は、例えばＣＡＡＣ−ＯＳを有してもよい。ＣＡＡＣ−ＯＳは、例
えば、ｃ軸配向し、ａ軸または／およびｂ軸はマクロに揃っていない酸化物半導体を有し
ている。
【００５０】
酸化物半導体膜１０６は、例えば微結晶を有してもよい。なお、微結晶を有する酸化物半
導体を、微結晶酸化物半導体と呼ぶ。微結晶酸化物半導体膜は、例えば、１ｎｍ以上１０
ｎｍ未満のサイズの微結晶（ナノ結晶ともいう。）を膜中に含む。または、微結晶酸化物
半導体膜は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ未満の結晶部を有する結晶−非晶質混相構造の
酸化物半導体を有している。
【００５１】
酸化物半導体膜１０６は、例えば非晶質部を有してもよい。なお、非晶質部を有する酸化
物半導体を、非晶質酸化物半導体と呼ぶ。非晶質酸化物半導体膜は、例えば、原子配列が
無秩序であり、結晶成分を有さない。または、非晶質酸化物半導体膜は、例えば、完全な
非晶質であり、結晶部を有さない。
【００５２】
なお、酸化物半導体膜１０６が、ＣＡＡＣ−ＯＳ、微結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半
導体の混合膜であってもよい。混合膜は、例えば、非晶質酸化物半導体の領域と、微結晶
酸化物半導体の領域と、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域と、を有する。また、混合膜は、例えば、
非晶質酸化物半導体の領域と、微結晶酸化物半導体の領域と、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域と、
の積層構造を有してもよい。
【００５３】
なお、酸化物半導体膜１０６は、例えば、単結晶を有してもよい。
【００５４】
酸化物半導体膜１０６は、複数の結晶部を有し、当該結晶部のｃ軸が被形成面の法線ベク
トルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃っていることが好ましい。なお、異なる
結晶部間で、それぞれａ軸およびｂ軸の向きが異なっていてもよい。そのような酸化物半
導体膜の一例としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜がある。
【００５５】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、完全な非晶質ではない。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、例えば結晶部および
非晶質部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体を有している。なお、当該結晶部
は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過型電
子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐ
ｅ）による観察像では、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる非晶質部と結晶部との境界、結晶部
と結晶部との境界は明確ではない。また、ＴＥＭによってＣＡＡＣ−ＯＳ膜には明確な粒
界（グレインバウンダリーともいう。）は確認できない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は
、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。
【００５６】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、例えば、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法
線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃い、かつａｂ面に垂直
な方向から見て金属原子が三角形状または六角形状に配列し、ｃ軸に垂直な方向から見て
金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶部
間で、それぞれａ軸およびｂ軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂
直と記載する場合、８０°以上１００°以下、好ましくは８５°以上９５°以下の範囲も
含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−１０°以上１０°以下、好まし
くは−５°以上５°以下の範囲も含まれることとする。
【００５７】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜において、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、ＣＡＡ
Ｃ−ＯＳ膜の形成過程において、酸化物半導体膜の表面側から結晶成長させる場合、被形
成面の近傍に対し表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また、ＣＡ
ＡＣ−ＯＳ膜へ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部が非晶
質化することもある。
【００５８】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクト
ルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃うため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形
状（被形成面の断面形状または表面の断面形状）によっては互いに異なる方向を向くこと
がある。また、結晶部は、成膜したとき、または成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行
ったときに形成される。従って、結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されたときの
被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃う。
【００５９】
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。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
【００６０】
酸化物半導体膜１０６は、バンドギャップが２．８ｅＶ〜３．２ｅＶ程度であり、少数キ
ャリア密度が１０−９個／ｃｍ３程度と極めて少なく、多数キャリアはトランジスタのソ
ースから来るのみである。
【００６１】
酸化物半導体膜１０６は、シリコンと比べて１〜２ｅＶ程度バンドギャップが大きい。そ
のため、酸化物半導体膜１０６を用いたトランジスタは、衝突イオン化が起こりにくく、
アバランシェブレークダウンが起こりにくい。即ち、当該トランジスタは、ホットキャリ
ア劣化が起こりにくいといえる。
【００６２】
また、以上のような酸化物半導体膜１０６は、キャリアの生成が少ないため、酸化物半導
体膜１０６の厚さが厚い場合（例えば、１５ｎｍ以上１００ｎｍ未満）でも、当該トラン
ジスタは、ゲート電極１０４の電界によってチャネル領域を完全空乏化させることができ
る。従って、当該トランジスタは、パンチスルー現象によるオフ電流の増大およびしきい
値電圧の変動が起こらない。例えば、チャネル長が３μｍのとき、チャネル幅１μｍあた
りのオフ電流を、室温において１０−２１Ａ未満、または１０−２４Ａ未満とすることが
できる。
【００６３】
キャリア生成源の一つである、酸化物半導体膜中の酸素欠損は、電子スピン共鳴（ＥＳＲ
：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｉｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）によって評価できる。即ち、酸素
欠損の少ない酸化物半導体膜は、ＥＳＲによって、酸素欠損に起因する信号を有さない酸
化物半導体膜と言い換えることができる。具体的には、酸素欠損に起因するスピン密度が
、５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満の酸化物半導体膜である。なお、酸化物半導体膜
が酸素欠損を有すると、ＥＳＲにてｇ値が１．９３近傍に対称性を有する信号が現れる。
【００６４】
ここで、基板１００に大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐え得る程度の耐
熱性を有している必要がある。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファ
イア基板などを、基板１００として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンなどの
単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、
ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などを適用することも可能で
あり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板１００として用いてもよい
。
【００６５】
また、基板１００として、第５世代（１０００ｍｍ×１２００ｍｍまたは１３００ｍｍ×
１５００ｍｍ）、第６世代（１５００ｍｍ×１８００ｍｍ）、第７世代（１８７０ｍｍ×
２２００ｍｍ）、第８世代（２２００ｍｍ×２５００ｍｍ）、第９世代（２４００ｍｍ×
２８００ｍｍ）、第１０世代（２８８０ｍｍ×３１３０ｍｍ）などの大型ガラス基板を用
いる場合、半導体装置の作製工程における加熱処理などで生じる基板１００の縮みによっ
て、微細な加工が困難になる場合ある。そのため、前述したような大型ガラス基板を基板
１００として用いる場合、加熱処理による縮みの小さいものを用いることが好ましい。例
えば、基板１００として、４００℃、好ましくは４５０℃、さらに好ましくは５００℃の
温度で１時間加熱処理を行った後の縮み量が１０ｐｐｍ以下、好ましくは５ｐｐｍ以下、
さらに好ましくは３ｐｐｍ以下である大型ガラス基板を用いればよい。
【００６６】
また、基板１００として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトラン
ジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トラン
ジスタを剥離し、可とう性基板である基板１００に転置する方法もある。その場合には、
非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。
【００６７】
下地絶縁膜１０２は、基板１００に起因する不純物が、酸化物半導体膜１０６に影響しな
いようにするために設ける。ただし、基板１００が不純物を含まない場合は、下地絶縁膜
１０２を設けなくても構わない。または、ゲート絶縁膜１１２によって不純物の拡散が抑
制できる場合は、下地絶縁膜１０２を設けなくても構わない。
【００６８】
なお、下地絶縁膜１０２は、過剰酸素を含む絶縁膜であると好ましい。
【００６９】
下地絶縁膜１０２は、酸化物半導体膜１０６のチャネル領域と接していないが、例えば、
ゲート絶縁膜１１２などを介して酸素の供給源となり得る。そのため、下地絶縁膜１０２
が過剰酸素を含む絶縁膜である場合、酸化物半導体膜１０６の酸素欠損を低減することが
できる。
【００７０】
過剰酸素を含む絶縁膜とは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃ
ｔｒｏｓｃｏｐｙ：昇温脱離ガス分光法）分析にて放出される酸素が酸素原子に換算して
１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１×１０１９ａｔｏｍ／ｃｍ３以上または１×１
０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である絶縁膜をいう。
【００７１】
ここで、ＴＤＳ分析を用いた酸素の放出量の測定方法について、以下に説明する。
【００７２】
ＴＤＳ分析したときの気体の全放出量は、放出ガスのイオン強度の積分値に比例する。そ
してこの積分値と標準試料との比較により、気体の全放出量を計算することができる。
【００７３】
例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコンウェハのＴＤＳ分析結果、およ
び絶縁膜のＴＤＳ分析結果から、絶縁膜の酸素分子の放出量（ＮＯ２）は、数式（１）で
求めることができる。ここで、ＴＤＳ分析で得られる質量数３２で検出されるガスの全て
が酸素分子由来と仮定する。質量数３２のものとしてほかにＣＨ３ＯＨがあるが、存在す
る可能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体である質量数１
７の酸素原子および質量数１８の酸素原子を含む酸素分子についても、自然界における存
在比率が極微量であるため考慮しない。
【００７４】
【数１】
2014187374.tif 000003
【００７５】
ＮＨ２は、標準試料から脱離した水素分子を密度で換算した値である。ＳＨ２は、標準試
料をＴＤＳ分析したときのイオン強度の積分値である。ここで、標準試料の基準値を、Ｎ
Ｈ２／ＳＨ２とする。ＳＯ２は、絶縁膜をＴＤＳ分析したときのイオン強度の積分値であ
る。αは、ＴＤＳ分析におけるイオン強度に影響する係数である。数式（１）の詳細に関
しては、特開平６−２７５６９７公報を参照する。なお、上記絶縁膜の酸素の放出量は、
電子科学株式会社製の昇温脱離分析装置ＥＭＤ−ＷＡ１０００Ｓ／Ｗを用い、標準試料と
して１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２の水素原子を含むシリコンウェハを用いて測定した
。
【００７６】
また、ＴＤＳ分析において、酸素の一部は酸素原子として検出される。酸素分子と酸素原
子の比率は、酸素分子のイオン化率から算出することができる。なお、上述のαは酸素分
子のイオン化率を含むため、酸素分子の放出量を評価することで、酸素原子の放出量につ
いても見積もることができる。
【００７７】
なお、ＮＯ２は酸素分子の放出量である。酸素原子に換算したときの放出量は、酸素分子
の放出量の２倍となる。
【００７８】
または、過剰酸素を含む絶縁膜は、過酸化ラジカルを含む絶縁膜であってもよい。具体的
には、過酸化ラジカルに起因するスピン密度が、５×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以上の
絶縁膜である。なお、過酸化ラジカルを含む絶縁膜は、ＥＳＲにて、ｇ値が２．０１近傍
に非対称の信号を有する絶縁膜である。
【００７９】
または、過剰酸素を含む絶縁膜は、酸素が過剰な酸化シリコン（ＳｉＯＸ（Ｘ＞２））で
あってもよい。酸素が過剰な酸化シリコン（ＳｉＯＸ（Ｘ＞２））は、シリコン原子数の
２倍より多い酸素原子を単位体積当たりに含むものである。単位体積当たりのシリコン原
子数および酸素原子数は、ラザフォード後方散乱法により測定した値である。
【００８０】
下地絶縁膜１０２は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シ
リコン、酸化窒化シリコン、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
から選択して、単層で、または積層で用いればよい。また、前述の単層または積層に加え
て、窒化酸化シリコン、窒化シリコンを積層しても構わない。
【００８１】
酸化窒化シリコンは、その組成において、窒素よりも酸素の含有量が多いものを示し、ま
た、窒化酸化シリコンは、その組成において、酸素よりも窒素の含有量が多いものを示を
示す。
【００８２】
ゲート電極１０４は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｔ
ａおよびＷを一種以上含む、単体、窒化物、酸化物または合金を、単層で、または積層で
用いればよい。
【００８３】
ゲート絶縁膜１１２は、過剰酸素を含む絶縁膜であると好ましい。
【００８４】
ゲート絶縁膜１１２が過剰酸素を含む絶縁膜である場合、酸化物半導体膜１０６の酸素欠
損を低減することができる。
【００８５】
ゲート絶縁膜１１２は酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シ
リコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ゲルマニウム、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
以上含む絶縁膜から選択して、単層で、または積層で用いればよい。
【００８６】
ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂは、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃ
ｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ａｇ、ＴａおよびＷを一種以上含む、単体、窒化物、酸化物または
合金を、単層で、または積層で用いればよい。なお、ソース電極１１６ａとドレイン電極
１１６ｂは同一の導電膜で設けられていてもよいし、異なる導電膜で設けられていてもよ
い。
【００８７】
ゲート絶縁膜１１８は、過剰酸素を含む絶縁膜であると好ましい。
【００８８】
ゲート絶縁膜１１８が過剰酸素を含む絶縁膜である場合、酸化物半導体膜１０６の酸素欠
損を低減することができる。
【００８９】
ゲート絶縁膜１１８は酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シ
リコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ゲルマニウム、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
以上含む絶縁膜から選択して、単層で、または積層で用いればよい。
【００９０】
ゲート電極１１４は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｔ
ａおよびＷを一種以上含む、単体、窒化物、酸化物または合金を、単層で、または積層で
用いればよい。
【００９１】
次に、図１とは異なる構造のトランジスタについて、図２を用いて説明する。
【００９２】
図２（Ａ）は本発明の一態様に係るトランジスタの上面図である。図２（Ａ）に示す一点
鎖線Ｂ１−Ｂ２に対応する断面図を図２（Ｂ）に示す。また、図２（Ａ）に示す一点鎖線
Ｂ３−Ｂ４に対応する断面図を図２（Ｃ）に示す。なお、簡単のため、図２（Ａ）におい
ては、下地絶縁膜１０２などを省略して示す。
【００９３】
図２（Ｂ）は、基板１００上に設けられた下地絶縁膜１０２と、下地絶縁膜１０２上に設
けられたゲート電極１０４と、ゲート電極１０４上に設けられたゲート絶縁膜１１２と、
ゲート絶縁膜１１２上に設けられたソース電極２１６ａおよびドレイン電極２１６ｂと、
ゲート絶縁膜１１２、ソース電極２１６ａおよびドレイン電極２１６ｂ上にあり、ゲート
電極１０４と重畳して設けられた酸化物半導体膜２０６と、酸化物半導体膜２０６、ソー
ス電極２１６ａおよびドレイン電極２１６ｂ上に設けられたゲート絶縁膜２１８と、ゲー
ト絶縁膜２１８上にあり、酸化物半導体膜２０６およびドレイン電極２１６ｂと重畳し、
かつソース電極２１６ａと重畳しないで設けられたゲート電極２１４と、を有するトラン
ジスタの断面図である。
【００９４】
なお、酸化物半導体膜２０６において、ゲート電極１０４と重畳し、ソース電極２１６ａ
およびドレイン電極２１６ｂに挟まれた領域がチャネル領域である。従って、チャネル領
域の中心位置とは、チャネル領域におけるソース電極２１６ａとドレイン電極２１６ｂと
の距離の中間地点をいう。従って、図２では、チャネル領域の中心位置を一点鎖線Ｂ３−
Ｂ４が通る。
【００９５】
ここで、ゲート電極１０４は、ソース電極２１６ａおよびドレイン電極２１６ｂと重畳す
る。一方、ゲート電極２１４はチャネル領域の中心位置と重畳する。また、ゲート電極２
１４とドレイン電極２１６ｂとの、チャネル長方向の重なり幅を１μｍ以上３μｍ以下と
する。
【００９６】
ゲート絶縁膜２１８は、ゲート絶縁膜１１２よりも等価酸化膜厚が大きい。
【００９７】
なお、ゲート電極２１４はバックゲート電極として機能し、ゲート絶縁膜２１８はゲート
電極２１４に対するゲート絶縁膜として機能する。
【００９８】
ゲート電極２１４が、チャネル領域におけるドレイン電極２１６ｂ端近傍と重畳するため
、当該トランジスタはしきい値電圧の制御性が高い。チャネル領域におけるドレイン電極
２１６ｂ端近傍と重畳するゲート電極２１４の電界により、ドレイン電極２１６ｂの電界
による空乏層の広がりを抑制することができるため、オフ電流の増大を抑制し、しきい値
電圧の制御性を高くできる。
【００９９】
別の側面から見ると、ゲート電極２１４は、チャネル領域におけるドレイン電極２１６ｂ
端近傍と重畳していれば、オフ電流の増大が抑制され、しきい値電圧の制御性が高いこと
になる。
【０１００】
また、ゲート電極２１４は、ドレイン電極２１６ｂと重畳し、かつソース電極２１６ａと
重畳しないため、ソース電極およびドレイン電極の両方と重畳してバックゲート電極が設
けられる場合と比べて寄生容量を小さくすることができる。従って、動作速度の高いトラ
ンジスタとすることができる。
【０１０１】
このように、ゲート電極１０４、ゲート電極２１４、ソース電極２１６ａ、ドレイン電極
２１６ｂおよび酸化物半導体膜２０６を設けることで、しきい値電圧の制御性が高く、か
つ動作速度が高いトランジスタを提供することができる。
【０１０２】
ここで、基板１００、下地絶縁膜１０２、ゲート電極１０４およびゲート絶縁膜１１２に
ついては、図１の説明を参照する。
【０１０３】
ソース電極２１６ａおよびドレイン電極２１６ｂは、ソース電極１１６ａおよびドレイン
電極１１６ｂと同様の導電膜から選択して用いればよい。
【０１０４】
酸化物半導体膜２０６は、酸化物半導体膜１０６と同様の酸化物半導体膜から選択して用
いればよい。
【０１０５】
ゲート絶縁膜２１８は、ゲート絶縁膜１１８と同様の絶縁膜から選択して用いればよい。
【０１０６】
ゲート電極２１４は、ゲート電極１１４と同様の導電膜から選択して用いればよい。
【０１０７】
次に、図１および図２とは異なる構造のトランジスタについて、図３を用いて説明する。
【０１０８】
図３（Ａ）は本発明の一態様に係るトランジスタの上面図である。図３（Ａ）に示す一点
鎖線Ｃ１−Ｃ２に対応する断面図を図３（Ｂ）に示す。また、図３（Ａ）に示す一点鎖線
Ｃ３−Ｃ４に対応する断面図を図３（Ｃ）に示す。なお、簡単のため、図３（Ａ）におい
ては、下地絶縁膜１０２などを省略して示す。
【０１０９】
図３（Ｂ）は、基板１００上に設けられた下地絶縁膜１０２と、下地絶縁膜１０２上に設
けられたゲート電極３０４と、ゲート電極３０４上に設けられたゲート絶縁膜３１２と、
ゲート絶縁膜３１２上にあり、ゲート電極３０４と重畳して設けられた酸化物半導体膜３
０６と、酸化物半導体膜３０６上にあり、ゲート電極３０４と重畳しないで設けられたソ
ース電極３１６ａと、酸化物半導体膜３０６上にあり、ゲート電極３０４と重畳して設け
られたドレイン電極３１６ｂと、酸化物半導体膜３０６、ソース電極３１６ａおよびドレ
イン電極３１６ｂ上に設けられたゲート絶縁膜３１８と、ゲート絶縁膜３１８上にあり、
酸化物半導体膜３０６と重畳して設けられたゲート電極３１４と、を有するトランジスタ
の断面図である。
【０１１０】
なお、酸化物半導体膜３０６において、ゲート電極３１４と重畳し、ソース電極３１６ａ
およびドレイン電極３１６ｂに挟まれた領域がチャネル領域である。従って、チャネル領
域の中心位置とは、チャネル領域におけるソース電極３１６ａとドレイン電極３１６ｂと
の距離の中間地点をいう。従って、図３では、チャネル領域の中心位置を一点鎖線Ｃ３−
Ｃ４が通る。
【０１１１】
ここで、ゲート電極３１４は、ソース電極３１６ａおよびドレイン電極３１６ｂと重畳す
る。一方、ゲート電極３０４はチャネル領域の中心位置と重畳する。また、ゲート電極３
０４とドレイン電極３１６ｂとの、チャネル長方向の重なり幅を１μｍ以上３μｍ以下と
する。
【０１１２】
ゲート絶縁膜３１２は、ゲート絶縁膜３１８よりも等価酸化膜厚が大きい。
【０１１３】
なお、ゲート電極３０４はバックゲート電極として機能し、ゲート絶縁膜３１２はゲート
電極３０４に対するゲート絶縁膜として機能する。
【０１１４】
ゲート電極３０４が、チャネル領域におけるドレイン電極３１６ｂ端近傍と重畳するため
、当該トランジスタはしきい値電圧の制御性が高い。チャネル領域におけるドレイン電極
３１６ｂ端近傍と重畳するゲート電極３０４の電界により、ドレイン電極３１６ｂの電界
による空乏層の広がりを抑制することができるため、オフ電流の増大を抑制し、しきい値
電圧の制御性を高くできる。
【０１１５】
別の側面から見ると、ゲート電極３０４は、チャネル領域におけるドレイン電極３１６ｂ
端近傍と重畳していれば、オフ電流の増大が抑制され、しきい値電圧の制御性が高いこと
になる。
【０１１６】
また、ゲート電極３０４は、ドレイン電極３１６ｂと重畳し、かつソース電極３１６ａと
重畳しないため、ソース電極およびドレイン電極の両方と重畳してバックゲート電極が設
けられる場合と比べて寄生容量を小さくすることができる。従って、動作速度の高いトラ
ンジスタとすることができる。
【０１１７】
このように、ゲート電極３０４、ゲート電極３１４、ソース電極３１６ａ、ドレイン電極
３１６ｂおよび酸化物半導体膜３０６を設けることで、しきい値電圧の制御性が高く、か
つ動作速度が高いトランジスタを提供することができる。
【０１１８】
ここで、基板１００および下地絶縁膜１０２については、図１の説明を参照する。
【０１１９】
ゲート電極３０４は、ゲート電極１１４と同様の導電膜から選択して用いればよい。
【０１２０】
ゲート絶縁膜３１２は、ゲート絶縁膜１１８と同様の絶縁膜から選択して用いればよい。
【０１２１】
酸化物半導体膜３０６は、酸化物半導体膜１０６と同様の酸化物半導体膜から選択して用
いればよい。
【０１２２】
ソース電極３１６ａおよびドレイン電極３１６ｂは、ソース電極１１６ａおよびドレイン
電極１１６ｂと同様の導電膜から選択して用いればよい。
【０１２３】
ゲート絶縁膜３１８は、ゲート絶縁膜１１２と同様の絶縁膜から選択して用いればよい。
【０１２４】
ゲート電極３１４は、ゲート電極１０４と同様の導電膜から選択して用いればよい。
【０１２５】
次に、図１乃至図３とは異なる構造のトランジスタについて、図４を用いて説明する。
【０１２６】
図４（Ａ）は本発明の一態様に係るトランジスタの上面図である。図４（Ａ）に示す一点
鎖線Ｄ１−Ｄ２に対応する断面図を図４（Ｂ）に示す。また、図４（Ａ）に示す一点鎖線
Ｄ３−Ｄ４に対応する断面図を図４（Ｃ）に示す。なお、簡単のため、図４（Ａ）におい
ては、下地絶縁膜１０２などを省略して示す。
【０１２７】
図４（Ｂ）は、基板１００上に設けられた下地絶縁膜１０２と、下地絶縁膜１０２上に設
けられたゲート電極３０４と、ゲート電極３０４上に設けられたゲート絶縁膜３１２と、
ゲート絶縁膜３１２上に設けられたソース電極４１６ａおよびドレイン電極４１６ｂと、
ゲート絶縁膜３１２、ソース電極４１６ａおよびドレイン電極４１６ｂ上にあり、ゲート
電極３０４と重畳して設けられた酸化物半導体膜４０６と、酸化物半導体膜４０６上に設
けられたゲート絶縁膜４１８と、ゲート絶縁膜４１８上にあり、酸化物半導体膜４０６と
重畳して設けられたゲート電極４１４と、を有するトランジスタの断面図である。
【０１２８】
なお、酸化物半導体膜４０６において、ゲート電極４１４と重畳し、ソース電極４１６ａ
およびドレイン電極４１６ｂに挟まれた領域がチャネル領域である。従って、チャネル領
域の中心位置とは、チャネル領域におけるソース電極４１６ａとドレイン電極４１６ｂと
の距離の中間地点をいう。従って、図４では、チャネル領域の中心位置を一点鎖線Ｄ３−
Ｄ４が通る。
【０１２９】
ここで、ゲート電極４１４は、ソース電極４１６ａおよびドレイン電極４１６ｂと重畳す
る。一方、ゲート電極３０４はチャネル領域の中心位置と重畳する。また、ゲート電極３
０４とドレイン電極４１６ｂとの、チャネル長方向の重なり幅を１μｍ以上３μｍ以下と
する。
【０１３０】
ゲート絶縁膜３１２は、ゲート絶縁膜４１８よりも等価酸化膜厚が大きい。
【０１３１】
なお、ゲート電極３０４はバックゲート電極として機能し、ゲート絶縁膜３１２はゲート
電極３０４に対するゲート絶縁膜として機能する。
【０１３２】
ゲート電極３０４が、チャネル領域におけるドレイン電極４１６ｂ端近傍と重畳するため
、当該トランジスタはしきい値電圧の制御性が高い。チャネル領域におけるドレイン電極
４１６ｂ端近傍と重畳するゲート電極３０４の電界により、ドレイン電極４１６ｂの電界
による空乏層の広がりを抑制することができるため、オフ電流の増大を抑制し、しきい値
電圧の制御性を高くできる。
【０１３３】
別の側面から見ると、ゲート電極３０４は、チャネル領域のドレイン電極４１６ｂ端近傍
と重畳していれば、オフ電流の増大が抑制され、しきい値電圧の制御性が高いことになる
。
【０１３４】
また、ゲート電極３０４は、ドレイン電極４１６ｂと重畳し、かつソース電極４１６ａと
重畳しないため、ソース電極およびドレイン電極の両方と重畳してバックゲート電極が設
けられる場合と比べて寄生容量を小さくすることができる。従って、動作速度の高いトラ
ンジスタとすることができる。
【０１３５】
このように、ゲート電極３０４、ゲート電極４１４、ソース電極４１６ａ、ドレイン電極
４１６ｂおよび酸化物半導体膜４０６を設けることで、しきい値電圧の制御性が高く、か
つ動作速度が高いトランジスタを提供することができる。
【０１３６】
ここで、基板１００および下地絶縁膜１０２については、図１の説明を参照する。また、
ゲート電極３０４およびゲート絶縁膜３１２については、図３の説明を参照する。
【０１３７】
ソース電極４１６ａおよびドレイン電極４１６ｂは、ソース電極１１６ａおよびドレイン
電極１１６ｂと同様の導電膜から選択して用いればよい。
【０１３８】
酸化物半導体膜４０６は、酸化物半導体膜１０６と同様の酸化物半導体膜から選択して用
いればよい。
【０１３９】
ゲート絶縁膜４１８は、ゲート絶縁膜１１２と同様の絶縁膜から選択して用いればよい。
【０１４０】
ゲート電極４１４は、ゲート電極１０４と同様の導電膜から選択して用いればよい。
【０１４１】
次に、図１に示すトランジスタの作製方法について、図５および図６を用いて説明する。
なお、簡単のため、図５および図６には、図１（Ｂ）に対応する断面図のみ示す。また、
図２乃至図４に示すトランジスタの作製方法については、図５および図６の説明を参酌で
きるため省略する。
【０１４２】
まず、基板１００を準備する。基板１００は、基板１００として示した材料から選択して
用いればよい。
【０１４３】
次に、下地絶縁膜１０２を成膜する。下地絶縁膜１０２は、下地絶縁膜１０２として示し
た絶縁膜から選択し、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖ
ａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａ
ｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法またはパルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて成膜すればよい。
【０１４４】
次に、ゲート電極１０４となる導電膜を成膜する。ゲート電極１０４となる導電膜は、ゲ
ート電極１０４として示した導電膜から選択し、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法
、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。
【０１４５】
次に、ゲート電極１０４となる導電膜を加工し、ゲート電極１０４を形成する（図５（Ａ
）参照。）。
【０１４６】
次に、ゲート絶縁膜１１２を成膜する（図５（Ｂ）参照。）。ゲート絶縁膜１１２は、ゲ
ート絶縁膜１１２として示した絶縁膜から選択し、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ
法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。
【０１４７】
次に、酸化物半導体膜１０６となる酸化物半導体膜を成膜する。酸化物半導体膜１０６と
なる酸化物半導体膜は、酸化物半導体膜１０６として示した酸化物半導体膜から選択し、
スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよ
い。
【０１４８】
酸化物半導体膜１０６となる酸化物半導体膜の成膜後に第１の加熱処理を行ってもよい。
第１の加熱処理の温度は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃
以下で行えばよい。第１の加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを１０ｐ
ｐｍ以上、１％以上もしくは１０％以上含む雰囲気、または減圧状態で行う。または、第
１の加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うた
めに酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行
ってもよい。第１の加熱処理によって、酸化物半導体膜１０６となる酸化物半導体膜から
水素や水などの不純物を除去することができる。
【０１４９】
次に、酸化物半導体膜１０６となる酸化物半導体膜を加工し、島状の酸化物半導体膜１０
６を形成する（図５（Ｃ）参照。）。
【０１５０】
次に、ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂとなる導電膜を成膜する。ソース
電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂとなる導電膜は、ソース電極１１６ａおよびド
レイン電極１１６ｂとして示した導電膜から選択し、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢ
Ｅ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。
【０１５１】
ソース電極１１６ａおよびドレイン電極１１６ｂとなる導電膜を加工し、ソース電極１１
６ａおよびドレイン電極１１６ｂを形成する（図６（Ａ）参照。）。
【０１５２】
次に、ゲート絶縁膜１１８を成膜する（図６（Ｂ）参照。）。ゲート絶縁膜１１８は、ゲ
ート絶縁膜１１８として示した絶縁膜から選択し、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ
法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。
【０１５３】
次に、ゲート電極１１４となる導電膜を成膜する。ゲート電極１１４となる導電膜は、ゲ
ート電極１１４として示した導電膜から選択し、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法
、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて成膜すればよい。
【０１５４】
次に、ゲート電極１１４となる導電膜を加工し、ゲート電極１１４を形成する（図６（Ｃ
）参照。）。このとき、ゲート電極１１４は、チャネル領域におけるドレイン電極１１６
ｂ端と重畳するように形成すればよい。本実施の形態ではバックゲート電極であるゲート
電極１１４の位置が設計位置から多少ずれても、チャネル領域におけるドレイン電極１１
６ｂ端と重畳する限り、しきい値電圧の制御性は低下しにくい。これは、チャネル領域に
おけるドレイン電極１１６ｂ端近傍の空乏層が、もっともしきい値電圧の変動に寄与する
ためである。そのため、本実施の形態では、トランジスタを作製する際のばらつきの影響
を受けにくい効果を奏する。
【０１５５】
次に、第２の加熱処理を行ってもよい。第２の加熱処理は第１の加熱処理と同様の条件か
ら選択して行えばよい。第２の加熱処理によって、酸化物半導体膜１０６の酸素欠損を低
減することができる。
【０１５６】
以上のようにして図１に示したトランジスタを作製することができる。
【０１５７】
本実施の形態より、トランジスタ作製時のばらつきの影響を受けにくく、動作速度が高く
、かつしきい値電圧の制御性が高いトランジスタを提供することができる。
【０１５８】
本実施の形態は、適宜他の実施の形態、実施例と組み合わせて用いることができる。
【０１５９】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様に係るＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎ
ｃｅ）表示装置について図７を用いて説明する。
【０１６０】
図７（Ａ）は、ＥＬ表示装置の回路図の一部分である。ＥＬ表示装置は、トランジスタＴ
ｒと、素子ＥＬと、キャパシタＣと、スイッチＳＷと、信号線ＳＬと、バックゲート線Ｂ
ＧＬと、を有する。
【０１６１】
トランジスタＴｒは、実施の形態１で示したトランジスタを適用することができる。実施
の形態１で示したトランジスタは、トランジスタ作製時のばらつきの影響を受けにくく、
動作速度が高く、かつしきい値電圧の制御性が高いため、ＥＬ表示装置の駆動用のトラン
ジスタに好適である。
【０１６２】
キャパシタＣやスイッチＳＷに特に制限はないが、スイッチＳＷには、トランジスタを適
用すると好ましい。スイッチＳＷにトランジスタを適用する場合、当該トランジスタのス
イッチングのため、別途ゲート線を設ければよい。また、当該トランジスタとして、実施
の形態１で示したトランジスタを適用しても構わない。
【０１６３】
ここで、トランジスタＴｒのゲートはスイッチＳＷの一端およびキャパシタＣの一端と接
続し、トランジスタＴｒのドレインは電源電位（ＶＤＤ）およびキャパシタＣの他端と接
続し、トランジスタＴｒのソースは素子ＥＬの一端と電気的に接続される。なお、トラン
ジスタＴｒはバックゲート電極が設けられており、バックゲート電極はバックゲート線Ｂ
ＧＬと電気的に接続する。また、スイッチＳＷの他端は信号線ＳＬと電気的に接続する。
また、素子ＥＬの他端は接地される。
【０１６４】
図７（Ｂ）は、ＥＬ表示装置の断面図の一例である。図７（Ｂ）に示すＥＬ表示装置は、
第１の基板５００と、第１の基板５００上の下地絶縁膜５０２と、下地絶縁膜５０２上に
設けられたゲート電極５０４と、ゲート電極５０４上に設けられたゲート絶縁膜５１２と
、ゲート絶縁膜５１２上にあり、ゲート電極５０４と重畳して設けられた酸化物半導体膜
５０６と、酸化物半導体膜５０６上に設けられたソース電極５１６ａおよびドレイン電極
５１６ｂと、酸化物半導体膜５０６、ソース電極５１６ａおよびドレイン電極５１６ｂ上
に設けられたゲート絶縁膜５１８と、ゲート絶縁膜５１８上にあり、酸化物半導体膜５０
６およびドレイン電極５１６ｂと重畳し、かつソース電極５１６ａと重畳しないで設けら
れたゲート電極５１４と、ゲート絶縁膜５１８およびゲート電極５１４上に設けられた開
口部を有する平坦化膜５２０と、平坦化膜５２０に設けられた開口部を介してドレイン電
極５１６ｂと接する複数の第１の電極５２６と、第１の電極５２６の端部を覆う隔壁５３
０と、第１の電極５２６および隔壁５３０上に設けられた有機ＥＬ層５３２と、有機ＥＬ
層５３２上に設けられた第２の電極５３４と、第２の電極５３４上に空間５６４を介して
設けられた着色層５５６、着色層５５８、着色層５６０および着色層５６２、ならびにこ
れら着色層の間のブラックマトリクス５５４と、ブラックマトリクス５５４、ならびに着
色層５５６、着色層５５８、着色層５６０および着色層５６２上の絶縁膜５５２と、絶縁
膜５５２上の第２の基板５５０と、を有するＥＬ表示装置である。なお、絶縁膜５５２を
設けない構造としても構わない。また、着色層５５６、着色層５５８、着色層５６０およ
び着色層５６２上にバリア膜として機能する絶縁膜を設けても構わない。
【０１６５】
ここで、第２の電極５３４上に有機ＥＬ層５３２のバリア膜として機能する絶縁膜を設け
ても構わない。
【０１６６】
ここで、空間５６４に代えてエポキシなどの可視光領域で透光性を有する有機化合物また
は無機化合物が充填されていても構わない。また、図示しないが、空間５６４内には乾燥
剤、スペーサ、シール材を設けても構わない。
【０１６７】
トランジスタＴｒは、ゲート電極５０４と、ゲート電極５０４上に設けられたゲート絶縁
膜５１２と、ゲート絶縁膜５１２上にあり、ゲート電極５０４と重畳して設けられた酸化
物半導体膜５０６と、酸化物半導体膜５０６上に設けられたソース電極５１６ａおよびド
レイン電極５１６ｂと、酸化物半導体膜５０６、ソース電極５１６ａおよびドレイン電極
５１６ｂ上に設けられたゲート絶縁膜５１８と、ゲート絶縁膜５１８上にあり、酸化物半
導体膜５０６およびドレイン電極５１６ｂと重畳し、かつソース電極５１６ａと重畳しな
いで設けられたゲート電極５１４と、を有する。
【０１６８】
ゲート電極５０４は、実施の形態１で示したゲート電極１０４と同様の導電膜から選択し
て用いればよい。
【０１６９】
ゲート絶縁膜５１２は、実施の形態１で示したゲート絶縁膜１１２と同様の絶縁膜から選
択して用いればよい。
【０１７０】
酸化物半導体膜５０６は、実施の形態１で示した酸化物半導体膜１０６と同様の酸化物半
導体膜から選択して用いればよい。
【０１７１】
ソース電極５１６ａおよびドレイン電極５１６ｂは、実施の形態１で示したソース電極１
１６ａおよびドレイン電極１１６ｂと同様の導電膜から選択して用いればよい。
【０１７２】
ゲート絶縁膜５１８は、実施の形態１で示したゲート絶縁膜１１８と同様の絶縁膜から選
択して用いればよい。
【０１７３】
ゲート電極５１４は、実施の形態１で示したゲート電極１１４と同様の導電膜から選択し
て用いればよい。トランジスタＴｒは、ゲート電極５１４によって、しきい値電圧を制御
することができる。
【０１７４】
なお、トランジスタＴｒとして、図１に示したトランジスタと同様の構造を適用している
が、これに限定されるものではない。例えば、図２乃至図４に示したトランジスタと同様
の構造を適用してもよい。
【０１７５】
素子ＥＬは、第１の電極５２６と、有機ＥＬ層５３２と、第２の電極５３４と、を有する
。
【０１７６】
有機ＥＬ層５３２は、複数種の発光材料などを積層して設けてもよい。例えば、図７（Ｃ
）に示すような構造とすればよい。図７（Ｃ）は、第１の中間層５４０、第１の発光層５
４１、第２の中間層５４２、第２の発光層５４３、第３の中間層５４４、第３の発光層５
４５および第４の中間層５４６の順番で積層した構造である。このとき、第１の発光層５
４１、第２の発光層５４３および第３の発光層５４５に適切な発光色の材料を用いると演
色性の高い、または発光効率の高い、発光デバイスを形成することができて好ましい。
【０１７７】
ここでは発光層を三層および中間層を四層設けた構造を示しているが、これに限定される
ものではなく、適宜発光層の数および中間層の数を変更することができる。例えば、第１
の中間層５４０、第１の発光層５４１、第２の中間層５４２、第２の発光層５４３および
第３の中間層５４４のみで構成することもできる。また、第１の中間層５４０、第１の発
光層５４１、第２の中間層５４２、第２の発光層５４３、第３の発光層５４５および第４
の中間層５４６で構成し、第３の中間層５４４を省いた構造としても構わない。
【０１７８】
また、中間層は、正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層および電子注入層などを積層構造
で用いることができる。なお、中間層は、これらの層を全て備える必要はない。これらの
層は必要に応じて適宜選択、または重複して設けることもできる。また、中間層としてキ
ャリア発生層のほか、電子リレー層などを適宜加えることができる。
【０１７９】
第１の電極５２６は、有機ＥＬ層５３２が発する光を効率よく反射する導電膜が好ましい
。また、第１の電極５２６は積層構造としてもよい。例えば、リチウム、アルミニウム、
チタン、マグネシウム、ランタン、銀、シリコンまたはニッケルを含む導電膜を用いると
好ましい。
【０１８０】
第２の電極５３４は可視光領域で透光性を有する導電膜を用いる。可視光領域で透光性を
有する導電膜としては、例えば酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングス
テンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含
むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物（ＩＴＯともいう。）、インジウム亜鉛酸化
物、酸化ケイ素を添加したＩＴＯなどを挙げることができる。また、光を透過する程度の
金属薄膜（好ましくは、５ｎｍ〜３０ｎｍ程度）を用いることもできる。例えば５ｎｍの
膜厚を有する銀膜、マグネシウム膜または銀−マグネシウム（Ａｇ−Ｍｇ）合金膜を第２
の電極５３４として用いることができる。
【０１８１】
ここで、「可視光領域で透光性を有する」とは、可視光領域の透過率が８０％以上である
ことをいう。
【０１８２】
なお、第１の電極５２６または第２の電極５３４のいずれか一方は陽極として機能し、他
方は陰極として機能する。陽極として機能する電極には、仕事関数の大きい導電膜を用い
ることが好ましく、陰極として機能する電極には仕事関数の小さい導電膜を用いることが
好ましい。ただし、陽極と接してキャリア発生層を設ける場合には、仕事関数を考慮せず
に様々な導電膜を陽極に用いることができる。
【０１８３】
第１の基板５００は、実施の形態１で示した基板１００の材料から選択して用いればよい
。
【０１８４】
また、第１の基板５００は、可とう性を有し、かつ放熱性の高い材料を用いると好ましい
。例えば、アルミニウム、チタン、ニッケル、銅、銀、ＳＵＳおよびジュラルミンなどの
金属材料または金属合金材料を、厚さを２０μｍ以上７００μｍ以下、好ましくは５０μ
ｍ以上３００μｍ以下として用いればよい。なお、ジュラルミンは耐食性の低い材料であ
るため、表面を耐食性の高い材料で被覆して用いると好ましい。
【０１８５】
下地絶縁膜５０２は、実施の形態１で示した下地絶縁膜１０２と同様の絶縁膜から選択し
て用いればよい。
【０１８６】
平坦化膜５２０は有機化合物または無機化合物を用いればよい。有機化合物を用いる場合
、例えば、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などを用いれ
ばよい。
【０１８７】
隔壁５３０は、有機化合物または無機化合物を用いればよい。有機化合物を用いる場合、
例えば、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などを用いれば
よい。
【０１８８】
着色層５５６、着色層５５８、着色層５６０および着色層５６２として、適切な有色層を
設ける。例えば、レッド、グリーン、ブルー、イエローまたはレッド、グリーン、ブルー
、ホワイトを選択する。本実施の形態では着色層を四種としているが、これに限定されな
い。例えば、着色層が三種以下でもよいし、五種以上でも構わない。
【０１８９】
なお、各着色層の厚みを適切に制御することで、より演色性の高いカラー表示を行っても
構わない。
【０１９０】
本実施の形態に示したＥＬ表示装置では、素子ＥＬから射出される白色光が、着色層５５
６、着色層５５８、着色層５６０または着色層５６２を通って外部に放出されることによ
り、カラー表示を行うことができる。ただし、本発明の一態様に係るＥＬ表示装置は、こ
の構造に限定されない。具体的には、発光色の異なる素子ＥＬを複数種並べてカラー表示
を行っても構わない。
【０１９１】
白色光と着色層によってカラー表示を行う方式とすることによって、例えば、各色の発光
デバイスを並べて画素を作製した場合と比べ、色の異なる発光層を塗り分ける工程が省略
されるため、より精細かつ信頼性の高いＥＬ表示装置を作製することができる。
【０１９２】
着色層間の混色を防ぐために、各着色層の間にはブラックマトリクス５５４を設ける。ブ
ラックマトリクス５５４は、例えばチタン、タンタル、モリブデン、タングステンなどの
金属および黒色樹脂などから一種以上選択して用いればよい。
【０１９３】
絶縁膜５５２は、下地絶縁膜５０２と同様の絶縁膜を用いればよい。
【０１９４】
第２の基板５５０は、実施の形態１で示した基板１００の材料から選択して用いればよい
。なお、厚さが２０μｍ以上１００μｍ以下、例えば５０μｍ程度の極薄ガラスを用いる
と好ましい。第２の基板５５０として極薄ガラスを用いると、透湿性が低いだけでなく、
ある程度の柔軟性を有するために割れが生じにくいなど曲げや衝撃に強くすることができ
る。
【０１９５】
または、第２の基板５５０として、樹脂またはガスバリア性シート上に設けられた酸化シ
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、酸化アルミニウム、酸化
窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化シリコン、ダイアモ
ンドライクカーボンまたは高分子材料から選ばれる二種以上を含む、可とう性および非透
湿性を有する積層体を用いてもよい。
【０１９６】
第２の電極５３４、絶縁膜５５２および第２の基板５５０は可視光領域で透光性を有する
ため、本実施の形態に示したＥＬ表示装置は、第２の基板５５０側が発光面となる、いわ
ゆるトップエミッション構造のＥＬ表示装置である。
【０１９７】
本実施の形態で示したＥＬ表示装置は、第１の基板５００に放熱性の高い基板を用いるこ
とによって、放熱しやすい構造となっている。そのため、熱による信頼性の低下を抑制す
ることができる。
【０１９８】
また、動作速度が高く、かつしきい値電圧の制御性が高いトランジスタを適用することに
より、十分な発光強度が得られ、かつ発光強度のばらつきの小さいＥＬ表示装置を提供す
ることができる。
【０１９９】
本実施の形態は、適宜他の実施の形態、実施例と組み合わせて用いることができる。
【０２００】
（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の一態様に係るインバータについて、図８を用いて説明する。
【０２０１】
図８（Ａ）に、ｐチャネル型トランジスタおよびｎチャネル型トランジスタを用いたイン
バータの一例である回路図を示す。
【０２０２】
ｐチャネル型トランジスタであるトランジスタＴｒ１ａは、例えばシリコンを用いたトラ
ンジスタを適用すればよい。ただし、トランジスタＴｒ１ａは、シリコンを用いたトラン
ジスタに限定されない。トランジスタＴｒ１ａのしきい値電圧をＶｔｈ１ａとする。
【０２０３】
ｎチャネル型トランジスタであるトランジスタＴｒ２ａは、実施の形態１で示したトラン
ジスタを用いればよい。トランジスタＴｒ２ａのしきい値電圧をＶｔｈ２ａとする。
【０２０４】
ここで、トランジスタＴｒ１ａのゲートは入力端子ＶｉｎおよびトランジスタＴｒ２ａの
ゲートと接続される。また、トランジスタＴｒ１ａのソースは電源電位（ＶＤＤ）と電気
的に接続される。また、トランジスタＴｒ１ａのドレインは、トランジスタＴｒ２ａのド
レインおよび出力端子Ｖｏｕｔと接続される。また、トランジスタＴｒ２ａのソースは接
地電位（ＧＮＤ）と接続される。また、トランジスタＴｒ２ａのバックゲートはバックゲ
ート線ＢＧＬと接続される。
【０２０５】
例えば、トランジスタＴｒ１ａのしきい値電圧Ｖｔｈ１ａは、符号を反転させたＶＤＤよ
りも高く、かつ０Ｖ未満とする（−ＶＤＤ＜Ｖｔｈ１ａ＜０Ｖ）。また、トランジスタＴ
ｒ２ａのしきい値電圧Ｖｔｈ２ａは、０Ｖより高く、かつＶＤＤ未満とする（０Ｖ＜Ｖｔ
ｈ２ａ＜ＶＤＤ）。
【０２０６】
ここで、入力端子Ｖｉｎの電位をＶＤＤとすると、トランジスタＴｒ１ａのゲート電圧は
０Ｖとなり、トランジスタＴｒ１ａはオフする。また、トランジスタＴｒ２ａのゲート電
圧はＶＤＤとなり、トランジスタＴｒ２ａはオンする。従って、出力端子Ｖｏｕｔは、Ｇ
ＮＤと電気的に接続され、ＧＮＤが与えられる。
【０２０７】
また、入力端子Ｖｉｎの電位をＧＮＤとすると、トランジスタＴｒ１ａのゲート電圧はＶ
ＤＤとなり、トランジスタＴｒ１ａはオンする。またトランジスタＴｒ２ａのゲート電圧
は０Ｖとなり、トランジスタＴｒ２ａはオフする。従って、出力端子Ｖｏｕｔは、ＶＤＤ
と電気的に接続され、ＶＤＤが与えられる。
【０２０８】
以上に示したように、図８（Ａ）に示す回路図において、入力端子Ｖｉｎの電位がＶＤＤ
の場合は出力端子ＶｏｕｔからＧＮＤを出力し、入力端子Ｖｉｎの電位がＧＮＤの場合は
出力端子ＶｏｕｔからＶＤＤを出力する。
【０２０９】
トランジスタＴｒ２ａに実施の形態１で示したトランジスタを適用すると、トランジスタ
Ｔｒ２ａはオフ電流の極めて小さいトランジスタであるため、トランジスタＴｒ２ａがオ
フのときの貫通電流も極めて小さくなる。従って、消費電力の低いインバータとすること
ができる。また、トランジスタＴｒ２ａはしきい値電圧の制御性の高いバックゲートを有
するため、しきい値電圧Ｖｔｈ２ａを所望の範囲に制御することができ、かつバックゲー
トによる寄生容量の増大を抑制できるため、動作速度の高いインバータとすることができ
る。
【０２１０】
なお、図８（Ａ）に示したインバータを組み合わせることによって、図８（Ｂ）に示すＮ
ＡＮＤ回路を構成してもよい。図８（Ｂ）に示す回路図には、ｐチャネル型トランジスタ
であるトランジスタＴｒ１ｂおよびトランジスタＴｒ４ｂと、ｎチャネル型トランジスタ
であるトランジスタＴｒ２ｂおよびトランジスタＴｒ３ｂと、を有する。なお、トランジ
スタＴｒ１ｂおよびトランジスタＴｒ４ｂとして、例えばシリコンを用いたトランジスタ
を適用すればよい。また、トランジスタＴｒ２ｂおよびトランジスタＴｒ３ｂとして実施
の形態１で示したトランジスタを適用すればよい。
【０２１１】
また、図８（Ａ）に示したインバータを組み合わせることによって、図８（Ｃ）に示すＮ
ＯＲ回路を構成してもよい。図８（Ｃ）に示す回路図には、ｐチャネル型トランジスタで
あるトランジスタＴｒ１ｃおよびトランジスタＴｒ２ｃと、ｎチャネル型トランジスタで
あるトランジスタＴｒ３ｃおよびトランジスタＴｒ４ｃと、を有する。なお、トランジス
タＴｒ１ｃおよびトランジスタＴｒ２ｃとして、例えばシリコンを用いたトランジスタを
適用すればよい。また、トランジスタＴｒ３ｃおよびトランジスタＴｒ４ｃとして実施の
形態１で示したトランジスタを適用すればよい。
【０２１２】
以上は、ｐチャネル型トランジスタおよびｎチャネル型トランジスタを用いたインバータ
によって構成した論理回路であるが、ｎチャネル型トランジスタのみを用いたインバータ
によって論理回路を構成しても構わない。ｎチャネル型トランジスタのみを用いたインバ
ータの一例である回路図を図８（Ｄ）に示す。
【０２１３】
図８（Ｄ）に示す回路図は、デプレッション型トランジスタであるトランジスタＴｒ１ｄ
と、エンハンスメント型トランジスタであるトランジスタＴｒ２ｄと、を有する。
【０２１４】
デプレッション型トランジスタであるトランジスタＴｒ１ｄは、例えば、酸化物半導体膜
を用いたトランジスタを用いればよい。ただし、トランジスタＴｒ１ｄは、酸化物半導体
膜を用いたトランジスタに限定されない。例えば、シリコンを用いたトランジスタを用い
ても構わない。トランジスタＴｒ２ｄのしきい値電圧をＶｔｈ１ｄとする。また、デプレ
ッション型トランジスタに代えて、十分抵抗の低い抵抗素子を設けても構わない。
【０２１５】
エンハンスメント型トランジスタであるトランジスタＴｒ２ｄは、実施の形態１で示した
トランジスタを用いればよい。トランジスタＴｒ２ｄのしきい値電圧をＶｔｈ２ｄとする
。
【０２１６】
なお、トランジスタＴｒ１ｄに実施の形態１で示したトランジスタを用いても構わない。
その場合、トランジスタＴｒ２ｄに実施の形態１で示したトランジスタ以外のトランジス
タを用いても構わない。
【０２１７】
ここで、トランジスタＴｒ１ｄのゲートは入力端子ＶｉｎおよびトランジスタＴｒ２ｄの
ゲートと接続される。また、トランジスタＴｒ１ｄのドレインはＶＤＤと電気的に接続さ
れる。また、トランジスタＴｒ１ｄのソースは、トランジスタＴｒ２ｄのドレインおよび
出力端子Ｖｏｕｔと接続される。また、トランジスタＴｒ２ｄのソースはＧＮＤと接続さ
れる。また、トランジスタＴｒ２ｄのバックゲートはバックゲート線ＢＧＬと接続される
。
【０２１８】
例えば、トランジスタＴｒ１ｄのしきい値電圧Ｖｔｈ１ｄは０Ｖ未満とする（Ｖｔｈ１ｄ
＜０Ｖ）。従って、トランジスタＴｒ１ｄはゲート電圧によらずオンである。即ち、トラ
ンジスタＴｒ１ｄは抵抗の十分低い抵抗素子として機能する。また、トランジスタＴｒ２
ｄのしきい値電圧Ｖｔｈ２ｄは、０Ｖより高く、かつＶＤＤ未満とする（０Ｖ＜Ｖｔｈ２
ｄ＜ＶＤＤ）。なお、トランジスタＴｒ１ｄに代えて抵抗の十分低い抵抗素子を設けても
構わない。
【０２１９】
なお、トランジスタＴｒ１ｄとトランジスタＴｒ２ｄを同一工程によって作製しても構わ
ない。こうすることで、インバータの作製が容易となる。このとき、トランジスタＴｒ１
ｄおよびトランジスタＴｒ２ｄの少なくとも一方にバックゲートを設ける。作製したトラ
ンジスタがデプレッション型トランジスタである場合、トランジスタＴｒ２ｄのバックゲ
ートによってしきい値電圧Ｖｔｈ２ｄを前述の範囲にすればよい。また、作製したトラン
ジスタがエンハンスメント型トランジスタである場合、トランジスタＴｒ１ｄのバックゲ
ートによってしきい値電圧Ｖｔｈ１ｄを前述の範囲にすればよい。なお、トランジスタＴ
ｒ１ｄおよびトランジスタＴｒ２ｄのしきい値電圧を、それぞれ異なるバックゲートによ
って制御しても構わない。
【０２２０】
ここで、入力端子Ｖｉｎの電位をＶＤＤとすると、トランジスタＴｒ２ｄのゲート電圧は
ＶＤＤとなり、トランジスタＴｒ２ｄはオンする。従って、出力端子Ｖｏｕｔは、ＧＮＤ
と電気的に接続され、ＧＮＤが与えられる。
【０２２１】
また、入力端子Ｖｉｎの電位をＧＮＤとすると、トランジスタＴｒ２ｄのゲート電圧は０
Ｖとなり、トランジスタＴｒ２ｄはオフする。従って、出力端子Ｖｏｕｔは、ＶＤＤと電
気的に接続され、ＶＤＤが与えられる。なお、厳密には、出力端子Ｖｏｕｔから出力され
る電位は、ＶＤＤからトランジスタＴｒ１ｄの抵抗の分だけ電圧降下した電位となる。た
だし、トランジスタＴｒ１ｄの抵抗が十分低いため、前述の電圧降下の影響は無視できる
。
【０２２２】
以上に示したように、図８（Ｄ）に示す回路図において、入力端子Ｖｉｎの電位がＶＤＤ
の場合は出力端子ＶｏｕｔからＧＮＤを出力し、入力端子Ｖｉｎの電位がＧＮＤの場合は
出力端子ＶｏｕｔからＶＤＤを出力する。
【０２２３】
トランジスタＴｒ２ｄに実施の形態１で示したトランジスタを適用すると、トランジスタ
Ｔｒ２ｄはオフ電流の極めて小さいトランジスタであるため、トランジスタＴｒ２ｄがオ
フのときの貫通電流も極めて小さくなる。従って、消費電力の低いインバータとすること
ができる。また、トランジスタＴｒ２ｄはしきい値電圧の制御性の高いバックゲートを有
するため、しきい値電圧Ｖｔｈ２ｄを所望の範囲に制御することができ、かつバックゲー
トによる寄生容量の増大を抑制できるため、動作速度の高いインバータとすることができ
る。
【０２２４】
本実施の形態は、適宜他の実施の形態、実施例と組み合わせて用いることができる。
【０２２５】
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態３で示したインバータの回路を応用したフリップフロップ
で構成する半導体装置であるＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍ
ｅｍｏｒｙ）について説明する。
【０２２６】
ＳＲＡＭはフリップフロップを用いてデータを保持するため、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ
Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）とは異なり、リフレッシュ動作が不要で
ある。そのため、データの保持時の消費電力を抑えることができる。また、容量素子を用
いないため、高速動作の求められる用途に好適である。
【０２２７】
図９は、本発明の一態様に係るＳＲＡＭのメモリセルに対応する回路図である。なお、図
９には一つのメモリセルのみを示すが、当該メモリセルを複数配置したメモリセルアレイ
に適用しても構わない。
【０２２８】
図９に示すメモリセルは、トランジスタＴｒ１と、トランジスタＴｒ２と、トランジスタ
Ｔｒ３と、トランジスタＴｒ４と、トランジスタＴｒ５と、トランジスタＴｒ６と、を有
する。トランジスタＴｒ１およびトランジスタＴｒ２はｐチャネル型トランジスタであり
、トランジスタＴｒ３およびトランジスタＴｒ４はｎチャネル型トランジスタである。ト
ランジスタＴｒ１のゲートは、トランジスタＴｒ２のドレイン、トランジスタＴｒ３のゲ
ート、トランジスタＴｒ４のドレイン、ならびにトランジスタＴｒ６のソースおよびドレ
インの一方と電気的に接続される。トランジスタＴｒ１のソースはＶＤＤと電気的に接続
される。トランジスタＴｒ１のドレインは、トランジスタＴｒ２のゲート、トランジスタ
Ｔｒ４のゲート、トランジスタＴｒ３のドレインおよびトランジスタＴｒ５のソースおよ
びドレインの一方と電気的に接続される。トランジスタＴｒ２のソースはＶＤＤと電気的
に接続される。トランジスタＴｒ３のソースはＧＮＤと電気的に接続される。トランジス
タＴｒ３のバックゲートはバックゲート線ＢＧＬに電気的に接続される。トランジスタＴ
ｒ４のソースはＧＮＤと電気的に接続される。トランジスタＴｒ４のバックゲートはバッ
クゲート線ＢＧＬに電気的に接続される。トランジスタＴｒ５のゲートはワード線ＷＬに
電気的に接続される。トランジスタＴｒ５のソースおよびドレインの他方はビット線ＢＬ
Ｂに電気的に接続される。トランジスタＴｒ６のゲートはワード線ＷＬに電気的に接続さ
れる。トランジスタＴｒ６のソースおよびドレインの他方はビット線ＢＬに電気的に接続
される。
【０２２９】
なお、本実施の形態では、トランジスタＴｒ５およびトランジスタＴｒ６としてｎチャネ
ル型トランジスタを適用した例を示す。ただし、トランジスタＴｒ５およびトランジスタ
Ｔｒ６は、ｎチャネル型トランジスタに限定されず、ｐチャネル型トランジスタを適用す
ることもできる。その場合、後に示す書き込み、保持および読み出しの方法も適宜変更す
ればよい。
【０２３０】
このように、トランジスタＴｒ１およびトランジスタＴｒ３を有するインバータと、トラ
ンジスタＴｒ２およびトランジスタＴｒ４を有するインバータとをリング接続することで
、フリップフロップが構成される。
【０２３１】
ｐチャネル型トランジスタとしては、例えばシリコンを用いたトランジスタを適用すれば
よい。ただし、ｐチャネル型トランジスタは、シリコンを用いたトランジスタに限定され
ない。また、ｎチャネル型トランジスタとしては、実施の形態１で示したトランジスタな
どを用いればよい。
【０２３２】
本実施の形態では、トランジスタＴｒ３およびトランジスタＴｒ４として、実施の形態１
で示したトランジスタを適用する。当該トランジスタは、しきい値電圧がバックゲートに
よって制御されているため、トランジスタのオンおよびオフを確実に行うことができる。
また、当該トランジスタは、オフ電流が極めて小さいため、貫通電流も極めて小さくなる
。
【０２３３】
なお、トランジスタＴｒ１およびトランジスタＴｒ２として、ｐチャネル型トランジスタ
に代えて、ｎチャネル型トランジスタを適用することもできる。トランジスタＴｒ１およ
びトランジスタＴｒ２としてｎチャネル型トランジスタを用いる場合、実施の形態３を参
酌してデプレッション型トランジスタを適用すればよい。
【０２３４】
図９に示したメモリセルの書き込み、保持および読み出しについて以下に説明する。
【０２３５】
書き込み時は、まずビット線ＢＬおよびビット線ＢＬＢにデータ０またはデータ１に対応
する電位を印加する。
【０２３６】
例えば、データ１を書き込みたい場合、ビット線ＢＬをＶＤＤ、ビット線ＢＬＢをＧＮＤ
とする。次に、ワード線ＷＬにトランジスタＴｒ５、トランジスタＴｒ６のしきい値電圧
にＶＤＤを加えた電位以上の電位（ＶＨ）を印加する。
【０２３７】
次に、ワード線ＷＬの電位をトランジスタＴｒ５、トランジスタＴｒ６のしきい値電圧未
満とすることで、フリップフロップに書き込んだデータ１が保持される。ＳＲＡＭの場合
、データの保持で流れる電流はトランジスタのリーク電流のみとなる。ここで、ＳＲＡＭ
を構成するトランジスタの一部に実施の形態１で示したトランジスタを適用していること
により、当該トランジスタはオフ電流が極めて小さい、即ちリーク電流が極めて小さいた
め、データ保持のための待機電力を小さくすることができる。
【０２３８】
読み出し時は、あらかじめビット線ＢＬおよびビット線ＢＬＢをＶＤＤとする。次に、ワ
ード線ＷＬにＶＨを印加することで、ビット線ＢＬはＶＤＤのまま変化しないが、ビット
線ＢＬＢはトランジスタＴｒ５およびトランジスタＴｒ３を介して放電し、ＧＮＤとなる
。このビット線ＢＬとビット線ＢＬＢとの電位差をセンスアンプ（図示せず）にて増幅す
ることにより保持されたデータ１を読み出すことができる。
【０２３９】
なお、データ０を書き込みたい場合は、ビット線ＢＬをＧＮＤ、ビット線ＢＬＢをＶＤＤ
とし、その後ワード線ＷＬにＶＨを印加すればよい。次に、ワード線ＷＬの電位をトラン
ジスタＴｒ５、トランジスタＴｒ６のしきい値電圧未満とすることで、フリップフロップ
に書き込んだデータ０が保持される。読み出し時は、あらかじめビット線ＢＬおよびビッ
ト線ＢＬＢをＶＤＤとし、ワード線ＷＬにＶＨを印加することで、ビット線ＢＬＢはＶＤ
Ｄのまま変化しないが、ビット線ＢＬはトランジスタＴｒ６およびトランジスタＴｒ４を
介して放電し、ＧＮＤとなる。このビット線ＢＬとビット線ＢＬＢとの電位差をセンスア
ンプにて増幅することにより保持されたデータ０を読み出すことができる。
【０２４０】
本実施の形態より、待機電力の小さいＳＲＡＭを提供することができる。
【０２４１】
本実施の形態は、適宜他の実施の形態、実施例と組み合わせて用いることができる。
【０２４２】
（実施の形態５）
実施の形態１に示したトランジスタ、実施の形態３で示したインバータおよび実施の形態
４に示した半導体装置の少なくともいずれかを用いてＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃ
ｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）を構成することができる。
【０２４３】
図１０は、ＣＰＵの具体的な構成を示すブロック図である。図１０に示すＣＰＵは、基板
１１９０上に、演算論理装置（ＡＬＵ：Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ  ｌｏｇｉｃ  ｕｎｉｔ）
１１９１、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１９３、インタ
ラプトコントローラ１１９４、タイミングコントローラ１１９５、レジスタ１１９６、レ
ジスタコントローラ１１９７、バスインターフェース（Ｂｕｓ  Ｉ／Ｆ）１１９８、書き
換え可能なＲＯＭ１１９９、およびＲＯＭインターフェース（ＲＯＭ  Ｉ／Ｆ）１１８９
を有している。基板１１９０は、半導体基板、ＳＯＩ基板、ガラス基板などを用いる。Ｒ
ＯＭ１１９９およびＲＯＭインターフェース１１８９は、別チップに設けてもよい。もち
ろん、図１０に示すＣＰＵは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のＣＰＵ
はその用途によって多種多様な構成を有している。
【０２４４】
バスインターフェース１１９８を介してＣＰＵに入力された命令は、インストラクション
デコーダ１１９３に入力され、デコードされた後、ＡＬＵコントローラ１１９２、インタ
ラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントローラ
１１９５に入力される。
【０２４５】
ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントロー
ラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５は、デコードされた命令に基づき、各種制
御を行う。具体的にＡＬＵコントローラ１１９２は、ＡＬＵ１１９１の動作を制御するた
めの信号を生成する。また、インタラプトコントローラ１１９４は、ＣＰＵのプログラム
実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状
態から判断し、処理する。レジスタコントローラ１１９７は、レジスタ１１９６のアドレ
スを生成し、ＣＰＵの状態に応じてレジスタ１１９６の読み出しや書き込みを行う。
【０２４６】
また、タイミングコントローラ１１９５は、ＡＬＵ１１９１、ＡＬＵコントローラ１１９
２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、および
レジスタコントローラ１１９７の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタ
イミングコントローラ１１９５は、基準クロック信号ＣＬＫ１を元に、内部クロック信号
ＣＬＫ２を生成する内部クロック生成部を備えており、クロック信号ＣＬＫ２を上記各種
回路に供給する。
【０２４７】
図１０に示すＣＰＵでは、レジスタ１１９６に、記憶素子が設けられている。レジスタ１
１９６の記憶素子には、実施の形態３に示したインバータまたは実施の形態４に示した半
導体装置を用いることができる。
【０２４８】
図１０に示すＣＰＵにおいて、レジスタコントローラ１１９７は、ＡＬＵ１１９１からの
指示に従い、レジスタ１１９６における保持動作を行う。
【０２４９】
なお、レジスタ１１９６に設けられる記憶素子として、実施の形態４で示した半導体装置
を適用することで、ＣＰＵの待機電力を極めて小さくすることができる。具体的には、計
算中のデータなどを記憶素子に待避させた後、記憶素子を除く一部の電源電位の供給を停
止すればよい。一部の電源電位の供給を停止した場合においても、記憶素子に計算中のデ
ータなどが保持される。そのため、再び電源電位を供給した際に、データの計算を再開す
ることが可能となる。なお、記憶素子は極めて待機電力が小さいため、実質的にＣＰＵの
電源電位の供給を停止しているのと同様である。従って、ＣＰＵ全体の消費電力を低減す
ることができる。例えば、パーソナルコンピュータのユーザーが、キーボードなどの入力
装置への情報の入力を停止している間でも、一部の電源電位の供給を停止することができ
、それにより消費電力を低減することができる。
【０２５０】
ここでは、ＣＰＵを例に挙げて説明したが、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐ
ｒｏｃｅｓｓｏｒ）、カスタムＬＳＩ、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌ
ｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）などのＬＳＩにも応用可能である。
【０２５１】
本実施の形態は、適宜他の実施の形態、実施例と組み合わせて用いることができる。
【０２５２】
（実施の形態６）
本実施の形態では、実施の形態１乃至実施の形態５の少なくともいずれかを適用した電子
機器の例について説明する。
【０２５３】
図１１（Ａ）は携帯型情報端末である。図１１（Ａ）に示す携帯型情報端末は、筐体９３
００と、ボタン９３０１と、マイクロフォン９３０２と、表示部９３０３と、スピーカ９
３０４と、カメラ９３０５と、を具備し、携帯型電話機としての機能を有する。本発明の
一形態は、表示部９３０３に適用することができる。また、本体内部にある演算装置、記
憶回路に本発明の一形態を適用することができる。
【０２５４】
図１１（Ｂ）は、デジタルスチルカメラである。図１１（Ｂ）に示すデジタルスチルカメ
ラは、筐体９３２０と、ボタン９３２１と、マイクロフォン９３２２と、表示部９３２３
と、を具備する。本発明の一形態は、表示部９３２３に適用することができる。また、本
体内部にある演算装置、記憶回路に本発明の一形態を適用することができる。
【０２５５】
図１１（Ｃ）は、ディスプレイである。図１１（Ｖ）に示すディスプレイは、筐体９３１
０と、表示部９３１１と、を具備する。本発明の一形態は表示部９３１１に適用すること
ができる。また、本体内部にある演算装置、記憶回路に本発明の一形態を適用することが
できる。
【０２５６】
図１１（Ｄ）は２つ折り可能な携帯情報端末である。図１１（Ｄ）に示す２つ折り可能な
携帯情報端末は、筐体９６３０、表示部９６３１ａ、表示部９６３１ｂ、留め具９６３３
、操作スイッチ９６３８、を有する。本発明の一形態は、表示部９６３１ａおよび表示部
９６３１ｂに適用することができる。また、本体内部にある演算装置、記憶回路に本発明
の一形態を適用することができる。
【０２５７】
なお、表示部９６３１ａまたは／および表示部９６３１ｂは、一部または全部をタッチパ
ネルとすることができ、表示された操作キーに触れることでデータ入力などを行うことが
できる。
【０２５８】
本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、電子機器の性能を高め、消費電力を小
さくできることができる。
【０２５９】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
【実施例１】
【０２６０】
本実施例では、本発明の一態様に係るトランジスタを用いたリングオシレータの発振周波
数を評価した。
【０２６１】
本実施例で用いたトランジスタの構造を図１２に示す。図１２（Ａ）は、図１に示したト
ランジスタと同様の構造のトランジスタである。図１２（Ａ）のゲート電極１１４ａは図
１におけるゲート電極１１４に相当する。図１２（Ａ）に示すトランジスタをトランジス
タＴｒＡと呼ぶ。また、図１２（Ｂ）および図１２（Ｃ）は、図１に示したトランジスタ
のゲート電極１１４に相当する、ゲート電極１１４ｂおよびゲート電極１１４ｃの形状の
み、図１２（Ａ）とは異なるトランジスタである。図１２（Ｂ）および図１２（Ｃ）に示
すトランジスタを、それぞれトランジスタＴｒＢおよびトランジスタＴｒＣと呼ぶ。
【０２６２】
トランジスタＴｒＡ、トランジスタＴｒＢおよびトランジスタＴｒＣは、チャネル長が６
μｍ、チャネル幅が５０μｍである。
【０２６３】
トランジスタＴｒＡ、トランジスタＴｒＢおよびトランジスタＴｒＣにおいて、ゲート電
極１０４とソース電極１１６ａとのチャネル長方向における重なりは２μｍであり、また
ゲート電極１０４とドレイン電極１１６ｂとのチャネル長方向における重なりは２μｍで
ある。また、トランジスタＴｒＡにおいて、ゲート電極１１４ａとチャネル領域とのチャ
ネル長方向における重なりは３μｍであり、ゲート電極１１４ａとドレイン電極１１６ｂ
とのチャネル長方向における重なりは２μｍである。また、トランジスタＴｒＢにおいて
、ゲート電極１１４ｂとソース電極１１６ａとのチャネル長方向における重なりは２μｍ
であり、ゲート電極１１４ｂとドレイン電極１１６ｂとのチャネル長方向における重なり
は２μｍである。また、トランジスタＴｒＣにおいて、ゲート電極１１４ｃとチャネル領
域とのチャネル長方向における重なりは３μｍであり、ゲート電極１１４ｃとソース電極
１１６ａとのチャネル長方向における重なりは２μｍである。
【０２６４】
トランジスタＴｒＡ、トランジスタＴｒＢおよびトランジスタＴｒＣにおいて、ゲート絶
縁膜１１２は、厚さが２００ｎｍの酸化窒化シリコン膜とした。また、ゲート絶縁膜１１
８は、厚さが６００ｎｍの酸化窒化シリコン膜とした。
【０２６５】
当該トランジスタを用いて、Ｖｇ−Ｉｄ特性を評価した。トランジスタＴｒＡ、トランジ
スタＴｒＢおよびトランジスタＴｒＣのバックゲート（ゲート電極１１４ａ、ゲート電極
１１４ｂおよびゲート電極１１４ｃ）の電圧としきい値電圧Ｖｔｈとの関係を表１に示す
。
【０２６６】
【表１】
2014187374.tif 000004
【０２６７】
表１に示すように、バックゲートの電圧によって、トランジスタＴｒＡ、トランジスタＴ
ｒＢおよびトランジスタＴｒＣはしきい値電圧の変動が見られた。トランジスタＴｒＡ、
トランジスタＴｒＢおよびトランジスタＴｒＣのしきい値電圧の変動幅は、バックゲート
の電圧が−６Ｖ〜６Ｖの範囲において、それぞれ０．７５Ｖ、１．０６Ｖおよび０．５８
Ｖであった。
【０２６８】
従って、しきい値電圧の変動幅は、トランジスタＴｒＢ＞トランジスタＴｒＡ＞トランジ
スタＴｒＣのような関係が見られた。トランジスタＴｒＡは、バックゲート電極がドレイ
ン電極と重畳しない構造であるトランジスタＴｒＣと比べてしきい値電圧の制御幅が大き
いことがわかる。
【０２６９】
次に、トランジスタＴｒＡ、トランジスタＴｒＢおよびトランジスタＴｒＣと同様の構造
のトランジスタを複数種用い、７段のリングオシレータを作製した。リングオシレータの
回路図を図１３に示す。なお、リングオシレータを構成するインバータにはブートストラ
ップを用いたものを使用した。理解を容易にするため、トランジスタＴｒ１、トランジス
タＴｒ２およびトランジスタＴｒ３のバックゲートは省略して表記する。
【０２７０】
図１３において、トランジスタＴｒ１は、チャネル長が１０μｍ、チャネル幅が１００μ
ｍのトランジスタである。また、トランジスタＴｒ２は、チャネル長が１０μｍ、チャネ
ル幅が１０μｍのトランジスタである。また、トランジスタＴｒ３は、チャネル長が１０
μｍ、チャネル幅が５μｍのトランジスタである。
【０２７１】
ここで、トランジスタＴｒ１、トランジスタＴｒ２およびトランジスタＴｒ３にトランジ
スタＴｒＡと同様の構造を有するトランジスタを適用した場合、トランジスタＴｒＢと同
様の構造を有するトランジスタを適用した場合、およびトランジスタＴｒＣと同様の構造
を有するトランジスタを適用した場合について、発振周波数の比較の結果を表２に示す。
なお、本実施例では、理解を容易にするため同じ静特性での比較を行った。
【０２７２】
【表２】
2014187374.tif 000005
【０２７３】
計算によると、バックゲート電極の形状を小さくすると寄生容量が小さくなるため、発信
周波数が高くなっていくことがわかった。リングオシレータの動作は、トランジスタＴｒ
１のゲートを充電していくことで行われる。充電される容量には、前の段のトランジスタ
Ｔｒ２のソース電極とバックゲート電極との寄生容量、および前の段のトランジスタＴｒ
１のドレイン電極とバックゲート電極との寄生容量が含まれる。トランジスタＴｒＡと同
様なバックゲート構造を有するトランジスタをトランジスタＴｒ１、トランジスタＴｒ２
、及びトランジスタＴｒ３に適用した場合、Ｔｒ２のソース電極とバックゲート電極とが
重畳しないため、Ｔｒ２のソース電極とバックゲート電極との寄生容量が生じない。一方
、トランジスタＴｒＢと同様なバックゲート構造を有するトランジスタをトランジスタＴ
ｒ１、トランジスタＴｒ２、及びトランジスタＴｒ３に適用した場合、Ｔｒ２のソース電
極とバックゲート電極とが重畳するため、Ｔｒ２のソース電極とバックゲート電極との寄
生容量が生じる。このようにトランジスタＴｒＡのようなバックゲート電極の構造を有す
るトランジスタを適用したリングオシレータは、トランジスタＴｒＢのようなバックゲー
ト電極の構造を有するトランジスタを適用したリングオシレータと比較して、リングオシ
レータの周波数特性が高く、動作速度が高いことがわかる。
【０２７４】
本実施例より、バックゲート電極がドレイン電極と重畳し、かつソース電極と重畳しない
構造であるトランジスタは、しきい値電圧の制御性が高く、該トランジスタを有する半導
体装置は、動作速度が高いことがわかる。
【符号の説明】
【０２７５】
１００    基板
１０２    下地絶縁膜
１０４    ゲート電極
１０６    酸化物半導体膜
１１２    ゲート絶縁膜
１１４    ゲート電極
１１４ａ    ゲート電極
１１４ｂ    ゲート電極
１１４ｃ    ゲート電極
１１６ａ    ソース電極
１１６ｂ    ドレイン電極
１１８    ゲート絶縁膜
２０６    酸化物半導体膜
２１４    ゲート電極
２１６ａ    ソース電極
２１６ｂ    ドレイン電極
２１８    ゲート絶縁膜
３０４    ゲート電極
３０６    酸化物半導体膜
３１２    ゲート絶縁膜
３１４    ゲート電極
３１６ａ    ソース電極
３１６ｂ    ドレイン電極
３１８    ゲート絶縁膜
４０６    酸化物半導体膜
４１４    ゲート電極
４１６ａ    ソース電極
４１６ｂ    ドレイン電極
４１８    ゲート絶縁膜
５００    基板
５０２    下地絶縁膜
５０４    ゲート電極
５０６    酸化物半導体膜
５１２    ゲート絶縁膜
５１４    ゲート電極
５１６ａ    ソース電極
５１６ｂ    ドレイン電極
５１８    ゲート絶縁膜
５２０    平坦化膜
５２６    電極
５３０    隔壁
５３２    有機ＥＬ層
５３４    電極
５４０    中間層
５４１    発光層
５４２    中間層
５４３    発光層
５４４    中間層
５４５    発光層
５４６    中間層
５５０    基板
５５２    絶縁膜
５５４    ブラックマトリクス
５５６    着色層
５５８    着色層
５６０    着色層
５６２    着色層
５６４    空間
１１８９    ＲＯＭインターフェース
１１９０    基板
１１９１    ＡＬＵ
１１９２    ＡＬＵコントローラ
１１９３    インストラクションデコーダ
１１９４    インタラプトコントローラ
１１９５    タイミングコントローラ
１１９６    レジスタ
１１９７    レジスタコントローラ
１１９８    バスインターフェース
１１９９    ＲＯＭ
９３００    筐体
９３０１    ボタン
９３０２    マイクロフォン
９３０３    表示部
９３０４    スピーカ
９３０５    カメラ
９３１０    筐体
９３１１    表示部
９３２０    筐体
９３２１    ボタン
９３２２    マイクロフォン
９３２３    表示部
９６３０    筐体
９６３１ａ    表示部
９６３１ｂ    表示部
９６３３    留め具
９６３８    操作スイッチ
【図１】
2014187374.tif 000006
【図２】
2014187374.tif 000007
【図３】
2014187374.tif 000008
【図４】
2014187374.tif 000009
【図５】
2014187374.tif 000010
【図６】
2014187374.tif 000011
【図７】
2014187374.tif 000012
【図８】
2014187374.tif 000013
【図９】
2014187374.tif 000014
【図１０】
2014187374.tif 000015
【図１１】
2014187374.tif 000016
【図１２】
2014187374.tif 000017
【図１３】
2014187374.tif 000018