(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１のゲート電極を形成し、
前記基板および前記第１のゲート電極上に第１の絶縁膜を形成し、
前記第１の絶縁膜上に酸化物半導体層を形成し、
前記酸化物半導体層上に、第１の導電層及び第２の導電層を形成し、
前記第１の導電層、前記第２の導電層、及び前記酸化物半導体層上に第２の絶縁膜を形成し、
前記第２の絶縁膜上に第２のゲート電極を形成した後、加熱処理を行い、
前記加熱処理により、前記酸化物半導体層内または前記第１の絶縁膜内に存在する水分、ヒドロキシ基、または水素の少なくとも一を前記第２のゲート電極に吸蔵、或いは、吸着し、
前記第２のゲート電極はＩＴＯを用いて形成されていることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２】
基板上に第１のゲート電極を形成し、
前記基板および前記第１のゲート電極上に第１の絶縁膜を形成し、
前記第１の絶縁膜上に酸化物半導体層を形成し、
前記酸化物半導体層上に、第１の導電層及び第２の導電層を形成し、
前記第１の導電層、前記第２の導電層、及び前記酸化物半導体層上に第２の絶縁膜を形成し、
前記第２の絶縁膜上に第２のゲート電極を形成した後、加熱処理を行い、
前記加熱処理により、前記第１の絶縁膜と前記酸化物半導体層との界面とその近傍、或いは、前記酸化物半導体層と前記第２の絶縁膜との界面とその近傍に存在する水分、ヒドロキシ基、または水素の少なくとも一を前記第２のゲート電極に吸蔵、或いは、吸着し、
前記第２のゲート電極はＩＴＯを用いて形成されていることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、
前記第１の絶縁膜は、ハロゲン元素を５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３含んで形成されることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
前記第２の絶縁膜は、ハロゲン元素を５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３含んで形成されることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体記憶回路に関する発明である。
【背景技術】
【０００２】
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いて薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔ
ｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を構成する技術が注目されている。薄膜トラ
ンジスタは液晶テレビに代表される表示装置に用いられている。薄膜トランジスタに適用
可能な半導体薄膜としてアモルファスシリコンや低温結晶化シリコンなどのシリコン系半
導体材料が公知であるが、その他の材料として酸化物半導体が注目をされている。
【０００３】
酸化物半導体の材料としては、酸化亜鉛又は酸化亜鉛を成分とするものが知られている。
そして、電子キャリア濃度が１０１８／ｃｍ３未満である非晶質酸化物（酸化物半導体）
なるもので形成された薄膜トランジスタが開示されている（特許文献１乃至特許文献３）
。
【０００４】
一方、薄膜トランジスタを利用した記憶装置がＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃ
ｙ  Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ），ＩＤタグ、ＩＣタグ、無線タグ、電子タグ、無線
チップなどの様々な名称を有する半導体装置に応用されている。この半導体装置で個々の
対象物、製品に個体認識番号（つまり、Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ：ＩＤ）を与え、
各工程等で無線読み取り装置との間で無線交信する事で、その対象物を特定し、履歴等と
照合、生産管理、在庫管理、商品管理等様々な分野に利用するものである。これらの半導
体装置の多くは、シリコンなどの半導体基板を用いた回路（ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ
Ｃｉｒｃｕｉｔ）チップと記す）とアンテナを有し、当該ＩＣチップは記憶装置、無線
回路や制御回路等から構成されている。記憶装置に関しては、生産するＩＣチップ毎の認
識番号を生産時に一度だけ書けば良く、後は工程毎にその認識番号と対応する情報を管理
システム側に持つ方式と、ＩＣチップは生産時だけでなく、工程毎の情報をＩＣチップ側
に書き込む、又は書き直す方式がある。一度だけ書き込む方法に有機メモリを用いた例や
、半導体プロセスの露光工程で行うマスクＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）
の例がある。また酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタに紫外線を照射した時の特性を
利用したメモリ素子を利用した例もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１２３８６１号公報
【特許文献２】特開２００７−９６０５５号公報
【特許文献３】特開２００６−１６５５２９号公報
【特許文献４】特開２００５−２６８７７４号公報
【特許文献５】特開２００７−１３１１６号公報
【特許文献６】特開２００９−１８２１９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、マスクＲＯＭの方式で行って作成しても、比較的製造工程が複雑であり、
大きな費用を要する事が多い。マスクＲＯＭの場合には、識別に用いる記憶素子部分に使
用されるトランジスタや容量部に接続する回路パターンに識別番号に従って接続部と切断
部を形成するものである。その為にはＩＣチップの製造工程の段階で特殊なフォトマスク
や露光装置を利用しなければならない。例えば、基板上に作成したＩＣチップ回路一つ一
つに異なった識別番号を印字するために、電子ビーム露光装置を用い、各チップのデータ
をホストコンピューターから送り、それに基づいて電子ビームのスキャンパターンを変え
なくてはならない。つまりフォトマスクを製造する時の工程を行う必要があり、高価な装
置を必要とすると共に非常に加工時間を要するスループットの悪い工程となっている。こ
の他には、電子ビーム露光装置を使わない方法としてフォトマスク上に識別番号毎のパタ
ーンを予め作成しておくものである。基板は、スリットでフォトマスクにおける所望の識
別番号の部分のみを開口したスリットから露光され、ＩＣチップパターンが形成される。
次のＩＣチップパターンには、それに対応する次の識別番号のフォトマスク部分に移動し
露光する。つまり、ＩＣチップパターンの数だけマスク移動、露光を繰り返さなければな
らない。他にレーザを用いて行う方法もあるが、いずれにしろ、複雑な工程と高価な装置
を要するものであった。
【０００７】
一方、有機メモリは、有機薄膜を上部電極と下部電極で挟む事で形成される。ＩＣチップ
の製造工程終了後に有機メモリの回路パターンに電界を印加し、有機薄膜を電気的に短絡
させて、電極間の接続を形成するものである。絶縁部と導通部のパターンから識別番号を
形成するものである。識別番号の形成には電極と接触する特殊なプローバーが必要となる
。
【０００８】
また、マスクＲＯＭの方式や有機メモリのいずれの方式でも、ＩＣチップ毎に識別番号の
製造時の問題があるだけではなく、商品として生産管理、在庫管理、商品管理等に使用さ
れた後、ＩＣチップの残された情報の消去が難しかった。マスクＲＯＭで作成したときに
は、既に回路パターンとしてフォトリソ工程で形成されているので、それを消去する手段
はなかった。有機メモリにしても書き込みのための特殊なプローバーなどの装置が必要で
あり、使用者が簡単に消去の作業ができるものではなかった。
【０００９】
一方、酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタを用いた場合には、紫外線を照射する事で
薄膜トランジスタの特性がマイナス側に容易に移動する事を記憶装置に利用するものであ
る。しかしながら、薄膜トランジスタの照射前の電気特性においてもゲート電圧が０ボル
トにおいてソースとドレイン間に電流が容易に生じる、いわゆるノーマリーオンの特性に
なりやすかった。このような特性では、紫外線照射において更にしきい値のマイナスシフ
トが生じたとしても記憶装置として使うのは困難であった。
【００１０】
このような問題に鑑み本発明の一形態は、半導体記憶装置をより少ないプロセスで安価に
製造することができる。使用後においては、半導体記憶装置内に残る記憶を容易に消去す
ることができる薄膜トランジスタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
発明の一つは、
薄膜トランジスタと、
第１の方向に延在するワード線と、
第２の方向に延在するビット線とからなり、
前記薄膜トランジスタは、第１のゲート電極層、第１の絶縁層、チャネル層、ソース電極
層、ドレイン電極層を有し、前記チャネル層は酸化物半導体からなり、
前記チャネル層には第２の絶縁層が接して設けられ、
前記第２絶縁層には第２のゲート電極層が接して設けられており、
前記ワード線は前記第１のゲート電極層と接続し、
前記ビット線は前記ソース電極層と接続し、
読み取り電圧を前記ワード線に印加した時に、
前記薄膜トランジスタは前記ソース電極層と前記ドレイン電極層間において第１の抵抗値
を有し、
紫外線書き込みを受けた前記薄膜トランジスタは前記ソース電極層と前記ドレイン電極層
間における第２の抵抗値を有し、
前記第１の抵抗値が前記第２の抵抗値より大きい事が特徴とする半導体記憶装置である。
【００１２】
上記の発明において、
前記ワード線は行デコーダーと接続し、
前記ビット線は列デコーダー、読み取り回路と接続している事を特徴とする半導体記憶装
置である。
【００１３】
上記の発明において、
前記読み取り回路は、
電源と
第２の薄膜トランジスタとからなり、
前記第２の薄膜トランジスタの第１のソース電極層は電源と接続し、
前記第２の薄膜トランジスタの第２のドレイン電極層は前記ソース電極層と接続しており
、
前記読み取り回路は、第２のドレイン電極層と前記ソース電極層の間の電位を測定する手
段を有している事を特徴とする半導体記憶装置である。
【００１４】
上記の発明において、
前記薄膜トランジスタが有するＩｄ−Ｖｇ特性における第１のしきい値と、
前記紫外線書き込みのある前記薄膜トランジスタが有するＩｄ−Ｖｇ特性における第２の
しきい値において、
前記読み取り電圧は、前記第２のしきい値より大きく、前記第１のしきい値より小さい事
を特徴とする半導体記憶装置である。
【００１５】
発明の一つは、
第１の薄膜トランジスタと、
第２の薄膜トランジスタと、
第１の方向に延在するビット線と、
第２の方向に延在するワード線とからなり、
前記第２の薄膜トランジスタは酸化物半導体層からなる第２のチャネル層、第２のゲート
電極層、第２のソース電極層、第２のドレイン電極層からなり、
前記第１の薄膜トランジスタは第１のチャネル層、第１の絶縁層、第１のゲート電極層、
第１のソース電極層、第１のドレイン電極層を有し、
前記第１のゲート電極層と前記第２のゲート電極層は前記ワード線と接続し、
前記第１のソース電極層は前記ビット線と接続し、前記第１のドレイン電極層は前記第２
のソース電極層と接続し、
読み取り電圧を前記ワード線に印加した時に、
前記第２の薄膜トランジスタは、前記第２のソース電極層と第２のドレイン電極層間にお
いて第１の抵抗値を有し、
紫外線書き込みのある前記第２の薄膜トランジスタは前記第２のソース電極層と前記第２
のドレイン電極層間において第２の抵抗値を有し、
前記第１の抵抗値が前記第２の抵抗値電流より大きい事が特徴とする半導体記憶装置であ
る。
【００１６】
上記発明において、
前記ワード線は行デコーダーと接続し、
前記ビット線は列デコーダー、読み取り回路と接続している事を特徴とする半導体記憶装
置である。
【００１７】
上記発明において、
前記読み取り回路は、
電源と、
第３の薄膜トランジスタとからなり、
前記第３の薄膜トランジスタの第３のソース電極層は電源と接続し、
第３のドレイン電極層は前記第１のソース電極層と接続しており、
前記読み取り回路は、第３のドレイン電極層と前記第１のソース電極層の間の電位を測定
する手段を有する事を特徴とする半導体記憶装置である。
【００１８】
上記の発明において、
前記第２薄膜トランジスタが有するＩｄ−Ｖｇ特性における第１のしきい値と、
前記紫外線書き込みのある前記第２の薄膜トランジスタが有するＩｄ−Ｖｇ特性における
第２のしきい値と、
前記第１の薄膜トランジスタが有するＩｄ−Ｖｇ特性
において、
前記読み取り電圧は、前記第３のしきい値及び前記第２のしきい値より大きく、前記第１
のしきい値より小さい事を特徴とする半導体記憶装置である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明により、以下のような効果を期待できる。第１に、フォトリソ工程によりコンタク
トの形成を行ったＭＲＯＭよりも早い書き込みが可能であり、小面積化が期待できる。酸
化物半導体を活性層に用いた基板に対して、所望部分に簡単な設備で紫外線を照射してデ
ータの書き込みができるので簡便な工程での書き込みが可能である。第２には、ＭＲＯＭ
製造の際には、書き込みにフォトマスクを利用したフォトレジスト工程を経たが、紫外線
を利用した本発明は安価な製造になる。第３に使用現場での追加のデータ書き込みが可能
である。第４に、最終的にはデータの一括消去が可能であるので、本発明を用いたＩＣチ
ップを破棄する段階で、書き込みデータを持ったまま処分される事がない。ＭＲＯＭより
もセキュリィティの面で安全性が高い。第５に、書き込み回路が不要であるために小面積
な製品の製造が可能である。
【００２０】
酸化物半導体を活性層に用いた薄膜トランジスタに本発明では、活性層に接して更に電極
を設ける事で、しきい値の安定した特性が得られるようになった。更に酸化物半導体層を
有した薄膜トランジスタのソース部と極性の反対の薄膜トランジスタのドレイン部を接続
することで、酸化物半導体層を有した薄膜トランジスタのしきい値が不安定であるという
弱点を十分に補うデバイスができ、信頼性の確保が必須な半導体記憶装置を得ることがで
きた。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一態様である薄膜トランジスタとその作製方法を説明する図
【図２】本発明の一態様である記憶セルアレイ
【図３】本発明の一態様である記憶セルアレイへのデータ書き込み方法を説明する図
【図４】本発明の一態様である薄膜トランジスタの電気特性を説明する図
【図５】本発明の一態様である記憶セルアレイのデータを説明する図
【図６】本発明の一態様である周辺回路付きの記憶セルアレイにてデータ読み出しについて説明する図
【図７】本発明の一態様の記憶セルアレイのデータ消去方法を説明する図
【図８】本発明の一態様の記憶セルアレイの消去データを説明する図
【図９】本発明の一様態の薄膜トランジスタとその作製方法を説明する図
【図１０】本発明の一態様の記憶セルアレイ
【図１１】本発明の記憶セルアレイへのデータ書き込み方法を説明する図
【図１２】本発明の一態様である薄膜トランジスタの電気特性を説明する図
【図１３】本発明の一態様である周辺回路付きの記憶セルアレイにてデータ読み出しについて説明する図
【図１４】本発明の一態様である記憶セルアレイの動作を説明する図
【図１５】記憶セルアレイを適用した記憶モジュールの図
【図１６】ＲＦＩＤタグを説明する図
【図１７】ＲＦＩＤタグを説明する図
【図１８】ＲＦＩＤタグの使用例を説明する図
【図１９】しきい値変化を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の実施の形態について、図面を参照して以下に説明する。ただし、本発明は以下の
説明に限定されるものではない。本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその
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からである
。したがって、本発明は以下に示す実施の形態および実施例の記載内容のみに限定して解
釈されるものではない。なお、図面を用いて本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。
【００２３】
なお、各実施の形態の図面等において示す各構成の、大きさ、層の厚さ、または領域は、
明瞭化のために誇張されて表記している場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限
定されない。
【００２４】
なお、本明細書にて用いる第１、第２、第３といった序数を用いた用語は、構成要素を識
別するために便宜上付したものであり、その数を限定するものではない。
【００２５】
（実施の形態１）
本実施の形態は、本発明の一態様である半導体記憶装置について説明する。
【００２６】
図１の薄膜トランジスタで説明するならば、絶縁性の表面を有する基板上にゲート電極層
１１を形成し、その上にゲート絶縁層１２を形成する。その上に酸化物半導体層１４を形
成し、その酸化物半導体層のソース部にソース電極層１５ａ、ドレイン部にドレイン電極
層１５ｂを形成する。次に酸化物絶縁層１６を形成した後にバックゲート電極層１９を形
成する。つまり、ゲート絶縁層、ゲート電極層を形成する反対側の半導体層の面に酸化物
絶縁層とバックゲート電極層を形成するものである。ゲート電極層が半導体層に対して電
界を与えて半導体層のスイッチングを司るのに対して、バックゲート電極層では、その裏
面の保護と共に不安定なしきい値の制御を行う為のものとして利用される。酸化物半導体
を活性層に用いた薄膜トランジスタは、水分、ヒドロキシル基、又は水素などが不純物と
して働き、しきい値シフトなどを起こしやすい。それを防止するためにバックゲート電極
層を設けている。
【００２７】
ここで、薄膜トランジスタにおけるソース電極層とドレイン電極層は、いずれも半導体層
に接続するものであり、ゲート電極層に電圧が印加された時にソース電極層とドレイン電
極層の間に電位差に応じて電流を流す。ここでは、薄膜トランジスタの構造を説明する場
合に、ソース電極層とドレイン電極層と呼称する。薄膜トランジスタの駆動の中では、ソ
ース電極層とドレイン電極層の呼称は他との接続関係のみを示しており、電流の向きを特
定するものではない。ソース電極層及びドレイン電極層の一方と他方と呼称する方法もあ
るが、こうした呼称の仕方による意味の差は特にない。
【００２８】
従ってバックゲート電極層付きの薄膜トランジスタは、図１ではボトムゲート型の薄膜ト
ランジスタによる場合の図面を示しているが、これに限らずトップゲート型薄膜トランジ
スタに対しても同様の技術は適用可能である。その時には基板側より、バックゲート電極
層）、酸化物絶縁層、チャネル層、ゲート絶縁層、ゲート電極層、ソース電極層及びドレ
イン電極層の順に構成される。ここで、ゲート電極層１１がバックゲートの機能を有し、
バックゲート電極層１９が酸化物半導体層１４に電界を与え半導体層のスィッチングを制
御しても構わない。ゲート電極層１１及びバックゲート電極層１９の双方が酸化物半導体
層１４に電界を与え，  半導体層のスィッチングを制御しても構わない。
【００２９】
図１を用いてプロセスの順を追ってバックゲート電極層付きの酸化物半導体を有する薄膜
トランジスタについて説明する。
絶縁表面を有する基板１０に使用することができる基板に大きな制限はないが、少な
くとも、後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。バリウム
ホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板を用いることができる。
【００３０】
また、ガラス基板としては、後の加熱処理の温度が高い場合には、歪み点が６３０℃以上
のものを用いると良い。また、ガラス基板には、例えば、アルミノシリケートガラス、ア
ルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラス材料が用いられている
。酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）と比較して酸化バリウム（ＢａＯ）を多く含ませることで、よ
り実用的な耐熱ガラスが得られる。このため、Ｂ２Ｏ３よりＢａＯを多く含むガラス基板
を用いることが好ましい。
【００３１】
なお、上記のガラス基板に代えて、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などの絶
縁体でなる基板を用いても良い。他にも、結晶化ガラスなどを用いることができる。
【００３２】
図１（Ａ）には記されていないが、下地層となる絶縁層を基板１０とゲート電極層１１と
の間に設けてもよい。下地層は、基板１０からの不純物元素の拡散を防止する機能があり
、窒化珪素層、酸化珪素層、窒化酸化珪素層、又は酸化窒化珪素層から選ばれた一又は複
数の層による積層構造により形成することができる。
【００３３】
また、ゲート電極層１１の材料は、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステ
ン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料又はこれらを主成分とする
合金材料を用いて、単層又は積層して形成することができる。２層の積層構造としては、
例えば、アルミニウム層上にモリブデン層が積層された２層の積層構造、銅層上にモリブ
デン層を積層した２層の積層構造、銅層上に窒化チタン層若しくは窒化タンタル層を積層
した２層の積層構造、窒化チタン層とモリブデン層とを積層した２層の積層構造、又は窒
化タングステン層とタングステン層との２層の積層構造とすることが好ましい。３層の積
層構造としては、タングステン層または窒化タングステン層と、アルミニウムと珪素の合
金層またはアルミニウムとチタンの合金層と、窒化チタン層またはチタン層とを積層した
積層とすることが好ましい。
【００３４】
次いで、ゲート電極層１１上にゲート絶縁層１２を形成する。
【００３５】
ゲート絶縁層１２は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて、酸化珪素層、
窒化珪素層、酸化窒化珪素層、窒化酸化珪素層、又は酸化アルミニウム層から選ばれた層
を単層で又は一種または複数種の層を積層して形成することができる。例えば、成膜ガス
として、ＳｉＨ４、酸素、窒素又は窒素酸化物を用いてプラズマＣＶＤ法により酸化窒化
珪素層を形成すればよい。ゲート絶縁層１２の膜厚は、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とし
、積層の場合は、例えば、膜厚５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の第１のゲート絶縁層と、第１
のゲート絶縁層上に膜厚５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の第２のゲート絶縁層の積層とする。
【００３６】
本実施の形態では、ゲート絶縁層１２としてプラズマＣＶＤ法により膜厚１００ｎｍ
以下の酸化窒化珪素層を形成する。
【００３７】
次いで、ゲート絶縁層１２上に、膜厚２ｎｍ以上２００ｎｍ以下の酸化物半導体層１３を
形成する。
【００３８】
なお、酸化物半導体層１３をスパッタ法により成膜する前に、アルゴンガスを導入してプ
ラズマを発生させる逆スパッタを行い、ゲート絶縁層１２の表面に付着しているゴミを除
去することが好ましい。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素雰囲気、ヘリウム雰囲気、酸
素雰囲気などを用いてもよい。
【００３９】
酸化物半導体層１３は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ
−Ｏ系、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、
Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉ
ｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｏ系、Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体層を用いる。本実施の形態では、酸化
物半導体層１３としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体ターゲットを用いてスパッタ
法により成膜する。また、酸化物半導体層１３は、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気
下、酸素雰囲気下、又は希ガス（代表的にはアルゴン）及び酸素雰囲気下においてスパッ
タ法により形成することができる。また、スパッタリング法を用いる場合、ＳｉＯ２を２
重量％以上１０重量％以下含むターゲットを用いて成膜を行ってもよい。
【００４０】
酸化物半導体層１３をスパッタリング法で作製するためのターゲットとして、酸化亜鉛を
主成分とする金属酸化物のターゲットを用いることができる。また、金属酸化物のターゲ
ットの他の例としては、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物半導体ターゲット（組成比と
して、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１
：１：０．５［ａｔｏｍ］）を用いることができる。また、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む
酸化物半導体ターゲットとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［ａｔｏｍ］、又はＩｎ
：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：２［ａｔｏｍ］の組成比を有するターゲットを用いることもでき
る。酸化物半導体ターゲットの充填率は９０％以上１００％以下、好ましくは９５％以上
９９．９％以下である。充填率の高い酸化物半導体ターゲットを用いることにより、成膜
した酸化物半導体層は緻密な膜となる。
【００４１】
酸化物半導体層１３を、成膜する際に用いるスパッタガスは水素、水、水酸基又は水素化
物などの不純物が、濃度ｐｐｍ程度、濃度ｐｐｂ程度まで除去された高純度ガスを用いる
ことが好ましい。
【００４２】
減圧状態に保持された処理室内に基板を保持し、基板温度を１００℃以上６００℃以下好
ましくは２００℃以上４００℃以下とする。基板を加熱しながら成膜することにより、成
膜した酸化物半導体層に含まれる不純物濃度を低減することができる。また、スパッタリ
ングによる損傷が軽減される。そして、処理室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分が
除去されたスパッタガスを導入し、金属酸化物をターゲットとして基板上に酸化物半導体
層を成膜する。処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いるこ
とが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプ
を用いることが好ましい。また、排気手段としては、ターボ分子ポンプに液体窒素、液体
水素などを用いたコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用い
て排気した成膜室は、例えば、水素原子、水（Ｈ２Ｏ）など水素原子を含む化合物（より
好ましくは炭素原子を含む化合物も）等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物
半導体層に含まれる不純物の濃度を低減できる。
【００４３】
成膜条件の一例としては、基板とターゲットの間との距離を１００ｍｍ、圧力０．６Ｐａ
、直流（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、酸素（酸素流量比率１００％）雰囲気下の条件が適用さ
れる。なお、パルス直流（ＤＣ）電源を用いると、成膜時に発生する粉状物質（パーティ
クル、ゴミともいう）が軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。酸化物半導体
層は好ましくは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下とする。なお、適用する酸化物半導体材料により
適切な厚みは異なり、材料に応じて適宜厚みを選択すればよい。
【００４４】
次いで、酸化物半導体層１３を第２のフォトリソグラフィ工程により島状の酸化物半導体
層に加工する。また、島状の酸化物半導体層を形成するためのレジストマスクをインクジ
ェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマス
クを使用しないため、製造コストを低減できる。
【００４５】
次いで、酸化物半導体層に第１の加熱処理を行う。この第１の加熱処理によって酸化物半
導体層の脱水化または脱水素化を行うことができる。第１の加熱処理の温度は、４００℃
以上７５０℃以下、好ましくは４００℃以上基板の歪み点未満とする。ここでは、加熱処
理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体層に対して窒素雰囲気下４５０
℃において１時間の加熱処理を行った後、大気に触れることなく、酸化物半導体層への水
や水素の再混入を防ぎ、酸化物半導体層１４を得る。
【００４６】
なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱
輻射によって、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ
Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ  Ｒａｐｉｄ
Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎ
ｎｅａｌ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライ
ドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧
水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置
である。ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。気体には、ア
ルゴンなどの希ガス、または窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活
性気体が用いられる。
【００４７】
例えば、第１の加熱処理として、６５０℃〜７００℃の高温に加熱した不活性ガス中に基
板を移動させて入れ、数分間加熱した後、基板を移動させて高温に加熱した不活性ガス中
から出すＧＲＴＡを行ってもよい。ＧＲＴＡを用いると短時間での高温加熱処理が可能と
なる。
【００４８】
なお、第１の加熱処理においては、窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガス
に、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入する窒素、
またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上
、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上、（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ま
しくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
【００４９】
また、第１の加熱処理の条件、または酸化物半導体層の材料によっては、酸化物半導体層
は結晶化し、微結晶層または多結晶層となる場合もある。例えば、結晶化率が９０％以上
、または８０％以上の微結晶の酸化物半導体層となる場合もある。また、第１の加熱処理
の条件、または酸化物半導体層の材料によっては、結晶成分を含まない非晶質の酸化物半
導体層となる場合もある。また、非晶質の酸化物半導体の中に微結晶部（粒径１ｎｍ以上
２０ｎｍ以下（代表的には２ｎｍ以上４ｎｍ以下））が混在する酸化物半導体層となる場
合もある。
【００５０】
また、酸化物半導体層の第１の加熱処理は、島状の酸化物半導体層に加工する前の酸化物
半導体層１３に行うこともできる。その場合には、第１の加熱処理後に、加熱装置から基
板を取り出し、フォトリソグラフィ工程を行う。
【００５１】
酸化物半導体層に対する脱水化、脱水素化の効果を奏する加熱処理は、酸化物半導体層成
膜後、酸化物半導体層上にソース電極及びドレイン電極を積層させた後、ソース電極及び
ドレイン電極上に保護絶縁層を形成した後、のいずれで行っても良い。
【００５２】
また、ゲート絶縁層１２にコンタクトホールを形成する場合、その工程は酸化物半導体層
１３に脱水化または脱水素化処理を行う前でも行った後に行ってもよい。
【００５３】
なお、ここでの酸化物半導体層のエッチングは、ウェットエッチングに限定されずドライ
エッチングを用いてもよい。
【００５４】
所望の加工形状にエッチングできるように、材料に合わせてエッチング条件（エッチング
液、エッチング時間、温度等）を適宜調節する。
【００５５】
次いで、ゲート絶縁層１２、及び酸化物半導体層１３上に、導電層を形成する。導電層を
スパッタ法や真空蒸着法で形成すればよい。導電膜の材料としては、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、
Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗからから選ばれた元素、または上述した元素を成分とする合金か、
上述した元素を組み合わせた合金層等が挙げられる。導電層には、マンガン、マグネシウ
ム、ジルコニウム、ベリリウム、イットリウムのいずれか一または複数から選択された材
料を含んでもよい。また、導電層は、単層構造でも、２層以上の積層構造としてもよい。
例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム層上にチタン層を積層
する２層構造、Ｔｉ層と、そのＴｉ層上に重ねてアルミニウム層を積層し、さらにその上
にＴｉ層を成膜する３層構造などが挙げられる。また、Ａｌに、チタン（Ｔｉ）、タンタ
ル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、Ｎｄ（ネオジ
ム）、Ｓｃ（スカンジウム）から選ばれた元素を単数、又は複数組み合わせた層、合金層
、もしくは窒化層を用いてもよい。
【００５６】
導電層形成後に加熱処理を行う場合には、この加熱処理に耐える耐熱性を導電層に持たせ
ることが好ましい。
【００５７】
第３のフォトリソグラフィ工程により導電層上にレジストマスクを形成し、選択的にエッ
チングを行ってソース電極層１５ａ、ドレイン電極層１５ｂを形成した後、レジストマス
クを除去する。
【００５８】
第３のフォトリソグラフィ工程でのレジストマスク形成時の露光には、紫外線やＫｒＦレ
ーザ光やＡｒＦレーザ光を用いる。酸化物半導体層１４上で隣り合うソース電極層の下端
部とドレイン電極層の下端部との間隔幅によって後に形成される薄膜トランジスタのチャ
ネル長Ｌが決定される。なお、チャネル長Ｌ＝２５ｎｍ未満の露光を行う場合には、数ｎ
ｍ〜数１０ｎｍと極めて波長が短い超紫外線（Ｅｘｔｒｅｍｅ  Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ
）を用いて第３のフォトリソグラフィ工程でのレジストマスク形成時の露光を行う。超紫
外線による露光は、解像度が高く焦点深度も大きい。従って、後に形成される薄膜トラン
ジスタのチャネル長Ｌを１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることも可能であり、回路の
動作速度を高速化でき、さらにオフ電流値が極めて小さいため、低消費電力化も図ること
ができる。
【００５９】
なお、導電層のエッチングの際に、酸化物半導体層１４は除去されないようにそれぞれの
材料及びエッチング条件を適宜調節する。
【００６０】
本実施の形態では、導電層としてＴｉ層を用いて、酸化物半導体層１４にはＩｎ−Ｇａ−
Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体を用いて、エッチャントとして過水アンモニア水（アンモニア、
水、過酸化水素水の混合液）を用いる。
【００６１】
なお、第３のフォトリソグラフィ工程では、酸化物半導体層１４は一部のみがエッチング
され、溝部（凹部）を有する酸化物半導体層となることもある。また、ソース電極層１５
ａ、ドレイン電極層１５ｂを形成するためのレジストマスクをインクジェット法で形成し
てもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないた
め、製造コストを低減できる。
【００６２】
また、酸化物半導体層とソース電極層及びドレイン電極層の間に、酸化物導電層を形成し
てもよい。酸化物導電層とソース電極層及びドレイン電極層を形成するための金属層は、
連続成膜が可能である。酸化物導電層はソース領域及びドレイン領域として機能しうる。
【００６３】
ソース領域及びドレイン領域として、酸化物導電層を酸化物半導体層とソース電極層及び
ドレイン電極層との間に設けることで、ソース領域及びドレイン領域の低抵抗化を図るこ
とができ、トランジスタの高速動作をすることができる。
【００６４】
また、フォトリソグラフィ工程で用いるフォトマスク数及び工程数を削減するため、透過
した光が複数の強度となる露光マスクである多階調マスクによって形成されたレジストマ
スクを用いてエッチング工程を行ってもよい。多階調マスクを用いて形成したレジストマ
スクは複数の膜厚を有する形状となり、エッチングを行うことでさらに形状を変形するこ
とができるため、異なるパターンに加工する複数のエッチング工程に用いることができる
。よって、一枚の多階調マスクによって、少なくとも二種類以上の異なるパターンに対応
するレジストマスクを形成することができる。よって露光マスク数を削減することができ
、対応するフォトリソグラフィ工程も削減できるため、工程の簡略化が可能となる。
【００６５】
次いで、Ｎ２Ｏ、Ｎ２、またはＡｒなどのガスを用いたプラズマ処理を行う。このプラズ
マ処理によって露出している酸化物半導体層の表面に付着した吸着水などを除去する。ま
た、酸素とアルゴンの混合ガスを用いてプラズマ処理を行ってもよい。
【００６６】
プラズマ処理を行った後、大気に触れることなく、酸化物半導体層の一部に接する保護絶
縁層となる酸化物絶縁層１６を形成する。
【００６７】
酸化物絶縁層１６は、少なくとも１ｎｍ以上の膜厚とし、スパッタ法など、酸化物絶縁層
１６に水、水素等の不純物を混入させない方法を適宜用いて形成することができる。酸化
物絶縁層１６に水素が含まれると、その水素が酸化物半導体層へ侵入し、又は水素が酸化
物半導体層中の酸素を引き抜き、酸化物半導体層の酸化物絶縁層１６と接する部分（バッ
クチャネル）が低抵抗化（ｎチャネル型化）してしまい、寄生チャネルが形成されるおそ
れがある。よって、酸化物絶縁層１６はできるだけ水素を含まない膜になるように、成膜
方法に水素を用いないことが重要である。
【００６８】
本実施の形態では、酸化物絶縁層１６として膜厚２００ｎｍの酸化珪素層をスパッタ法を
用いて成膜する。成膜時の基板温度は、室温以上３００℃以下とすればよく、本実施の形
態では１００℃とする。酸化珪素層のスパッタ法による成膜は、希ガス（代表的にはアル
ゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガス（代表的にはアルゴン）及び酸素雰囲気下
において行うことができる。また、ターゲットとして酸化珪素ターゲットまたは珪素ター
ゲットを用いることができる。例えば、珪素ターゲットを用いて、酸素、及び窒素雰囲気
下でスパッタ法により酸化珪素を形成することができる。低抵抗化した酸化物半導体層に
接して形成する酸化物絶縁層１６には、水分や、水素イオンや、ＯＨ−などの不純物が含
まれず、これらが外部から侵入することをブロックする無機絶縁層が用いられる。代表的
には酸化シリコン層、酸化窒化シリコン層、酸化アルミニウム層、または酸化窒化アルミ
ニウム層などが用いられる。
【００６９】
この場合において、処理室内の残留水分を除去しつつ酸化物絶縁層１６を成膜することが
好ましい。酸化物半導体層１３及び酸化物絶縁層１６に水素、水酸基又は水分が含まれな
いようにするためである。
【００７０】
処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい。
例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが
好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであ
ってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室では、例えば、水素原子や、水（Ｈ
２Ｏ）など水素原子を含む化合物等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物絶縁
層１６に含まれる不純物の濃度を低減できる。
【００７１】
酸化物絶縁層１６を、成膜する際に用いるスパッタガスは水素、水、水酸基又は水素化物
などの不純物が、濃度ｐｐｍ程度、濃度ｐｐｂ程度まで除去された高純度ガスを用いるこ
とが好ましい。
【００７２】
次いで、不活性ガス雰囲気下、または酸素ガス雰囲気下で第２の加熱処理（好ましくは２
００℃以上４００℃以下、例えば２５０℃以上３５０℃以下）を行う。例えば、窒素雰囲
気下で２５０℃、１時間の第２の加熱処理を行う。第２の加熱処理を行うと、酸化物半導
体層の一部（チャネル形成領域）が酸化物絶縁層１６と接した状態で加熱される。
【００７３】
以上の工程を経ることによって、成膜後の酸化物半導体層に対して脱水化または脱水素化
のための加熱処理を行って低抵抗化した後、酸化物半導体層の一部を選択的に酸素過剰な
状態とする。その結果、ゲート電極層１１と重なるチャネル形成領域１７はＩ型となり、
ソース電極層１５ａに重なる高抵抗ソース領域１８ａと、ドレイン電極層１５ｂに重なる
高抵抗ドレイン領域１８ｂとが自己整合的に形成される。以上の工程で薄膜トランジスタ
が形成される（図１（Ｄ）参照）。
【００７４】
さらに大気中、１００℃以上２００℃以下、１時間以上３０時間以下での加熱処理を行っ
てもよい。本実施の形態では１５０℃で１０時間加熱処理を行う。この加熱処理は一定の
加熱温度を保持して加熱してもよいし、室温から、１００℃以上２００℃の加熱温度への
昇温と、加熱温度から室温までの降温を複数回くりかえして行ってもよい。また、この加
熱処理を、酸化物絶縁層の形成前に、減圧下で行ってもよい。減圧下で加熱処理を行うと
、加熱時間を短縮することができる。この加熱処理によって、ノーマリーオフとなる薄膜
トランジスタを得ることができる。また、酸化物絶縁層に欠陥を多く含む酸化シリコン層
を用いると、この加熱処理によって、酸化物半導体層中に含まれる該不純物をより低減さ
せる効果を奏する。
【００７５】
なお、ドレイン電極層１５ｂ（及びソース電極層１５ａ）と重畳した酸化物半導体層にお
いて高抵抗ドレイン領域１８ｂ（又は高抵抗ソース領域１８ａ）を形成することにより、
薄膜トランジスタの信頼性の向上を図ることができる。具体的には、高抵抗ドレイン領域
１８ｂを形成することで、ドレイン電極層１５ｂから高抵抗ドレイン領域１８ｂ、チャネ
ル形成領域１７にかけて、導電性を段階的に変化させうるような構造とすることができる
。そのため、ドレイン電極層１５ｂに高電源電位ＶＤＤを供給する配線に接続して動作さ
せる場合、ゲート電極層１１とドレイン電極層１５ｂとの間に高電界が印加されても高抵
抗ドレイン領域がバッファとなり局所的な高電界が印加されず、トランジスタの耐圧を向
上させた構成とすることができる。
【００７６】
また、酸化物半導体層における高抵抗ソース領域又は高抵抗ドレイン領域は、酸化物半導
体層の膜厚が１５ｎｍ以下と薄い場合は膜厚方向全体にわたって形成されるが、酸化物半
導体層の膜厚が３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とより厚い場合は、酸化物半導体層の一部、ソ
ース電極層又はドレイン電極層と接する領域及びその近傍が低抵抗化し高抵抗ソース領域
又は高抵抗ドレイン領域が形成され、酸化物半導体層においてゲート絶縁層に近い領域は
Ｉ型とすることもできる。
【００７７】
酸化物絶縁層１６上にさらに保護絶縁層を形成してもよい。例えば、ＲＦスパッタ法を用
いて窒化珪素層を形成する。ＲＦスパッタ法は、量産性がよいため、保護絶縁層の成膜方
法として好ましい。保護絶縁層は、水分や、水素イオンや、ＯＨ−などの不純物を含まず
、これらが外部から侵入することをブロックする無機絶縁層を用い、窒化シリコン層、窒
化アルミニウム層、窒化酸化シリコン層、窒化酸化アルミニウム層などを用いる。
【００７８】
次いで、図１（Ｃ）に示すように、酸化物絶縁層１６上に、水分、ヒドロキシ基、或いは
水素を、吸蔵または吸着しやすい特性を有する金属を１つまたは複数用いて導電層を形成
した後、導電層をパターニングすることで、酸化物半導体層１４と重なる位置にバックゲ
ート電極層１９を形成する。本発明の一形態では、活性層に対して紫外線照射を行いデー
タの書き込みを行う為に、紫外線を透過するＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ
）を用いている。バックゲート電極層には、これだけに限らず、一般的な金属薄層の一部
をエッチング除去した開口部を設けてもよい。開口部は酸化物半導体層のチャンネル部に
対応する位置に設ける必要がある。但し、チャンネル部の全て開口する必要はない。そう
すればバックゲートとしての機能を保ちつつ、開口部から紫外線を透過する事ができるた
めに、酸化物半導体層にバックゲート越しに紫外線照射が可能となる。
【００７９】
次いで、バックゲート電極層１９を形成した後、該バックゲート電極層１９が露出した状
態で、減圧雰囲気下または不活性ガス雰囲気下において加熱処理を行うことで、バックゲ
ート電極層１９の表面や内部に吸着されている水分や酸素などを取り除く活性化処理を行
う。
【００８０】
上記活性化処理を行うことで、酸化物半導体層１４内、ゲート絶縁層１２内、酸化物半導
体層１４とゲート絶縁層１２の界面とその近傍、或いは、酸化物半導体層１４と酸化物絶
縁層１６の界面とその近傍、などに存在する、水分、ヒドロキシ基、または水素などの不
純物が、活性化されたバックゲート電極１９に吸蔵或いは吸着されるため、上記不純物が
トランジスタの特性の劣化に繋がるのを防ぐことができる。また、水分、ヒドロキシ基、
水素などの脱離により、酸化物半導体層１４のキャリア濃度を増加させ、ホール移動度を
高めることが出来る。
【００８１】
また、半導体装置の置かれている雰囲気中に含まれる水分、水素などの不純物が、酸化物
半導体層１４内に取り込まれるのを防ぐことが出来る。本実施の形態では、ターボ分子ポ
ンプなどの排気手段により処理室内を５×１０−３Ｐａ以下、好ましくは１０−５Ｐａ以
下の真空度となるような減圧雰囲気に保ち、温度を４００℃、基板温度が上記温度に達し
た状態で１０分間、加熱処理を行う。
【００８２】
なお、活性化のための加熱処理は、酸化物半導体層１４が酸化物絶縁層１６と接した状態
で行われる。そのため、酸化物半導体層１４の酸化物絶縁層１６と接する領域が、均一に
高抵抗化するため、薄膜トランジスタの電気的特性のばらつきを軽減することができる。
【００８３】
なお、図１（Ｅ）では、バックゲート電極層１９が酸化物半導体層１４一致している場合
を例示しているが、本発明はこの構成に限定されない。バックゲート電極層１９が酸化物
半導体層１４全体を完全に覆うことで、酸化物半導体層１４中の不純物を低減するという
効果は高くなる。しかし、酸化物半導体層１４の少なくともチャネル形成領域となる部分
全体、或いはその一部が、バックゲート電極層１９と重なることでも、上記効果は得られ
る。
【００８４】
また、バックゲート電極層１９は、電気的に絶縁しているフローティングの状態であって
も良いし、電位が与えられる状態であっても良い。後者の場合、バックゲート電極層１９
には、ゲート電極層１１と同じ高さの電位が与えられていても良いし、グランドなどの固
定電位が与えられていても良い。バックゲート電極層１９に与える電位の高さを制御する
ことで、薄膜トランジスタの閾値電圧を制御することができる。このようにバックゲート
を設ける事により、酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタのしきい値を初期状態（紫外
線照射前）おいてマイナス側にシフトすることなく、ゲート電圧０ボルトにおいてオフ状
態を安定に維持することができる。
【００８５】
このようなバックゲート付きの酸化物半導体を活性層に持つ薄膜トランジスタを使って図
２に示したような記憶セルアレイを作成する。図２には４ビットの例を示すが、記憶セル
アレイはこれに限らず、大ビット数のものであって構わない。一方向（図２における左右
方向）に延在する第１ワード線１０１，第２ワード線１０２と、他の方向（図２における
上下方向）に延在する第１ビット線１０５，第２ビット線１０６から成り立ち、ワード線
とビット線はゲート絶縁層を間に挟み直交している。第１ワード線１０１と第１ビット線
１０５により決められた部分を第１ビット１１４、第１ワード線１０１と第２ビット線１
０６により決められた場所を第２ビット１１５、第２ワード線１０２と第１ビット線１０
５により決まる場所を第３ビット１１６、第２ワード線１０２と第２ビット線１０６によ
り決まる場所を第４ビット１１７と呼び４ビットの記憶セルアレイのデータの書き込み、
読み出しなどを説明する際に用いる事にする。第１ビット１１４には第１薄膜トランジス
タ１１０が配置している。第１薄膜トランジスタ１１０のゲート電極は、第１ワード線１
０１と電気的に接続し、ソース電極は第１ビット線１０５と電気的に接続している。また
第２ビット１１５の第２薄膜トランジスタ１１１のゲート電極層は第１ワード線１０１と
電気的に接続し、ソース電極は第２ビット線１０６と接続している。なお、第１薄膜トラ
ンジスタのドレイン部は図２ではグランド１２０に接続されている。この部分の接続に関
してはこれに限らず、薄膜トランジスタの特性により、接続関係は異なり、所定の電位や
信号を持つ場合もある。記憶セルアレイは、異なる方向を持つワード線とビット線がこの
ように直交し、その交点に薄膜トランジスタを配置する形体をとなる。
【００８６】
記憶セルアレイに紫外線照射してのデータの書き込みについて図３を用いて説明する。図
２で説明した部分については図２と同様の番号を配している。紫外線によるデータの書き
込みを第１ビットの第１薄膜トランジスタ１１０と第４ビットの第４薄膜トランジスタ１
１３について行う。その時に第２ビットの第２薄膜トランジスタ１１１には第１マスク２
００が配置されている。同様に第２ワード線１０２と第１ビット線１０５と接続している
第３ビットの第３薄膜トランジスタ１１２には第２マスク２０１が配置されている。マス
クには、紫外線を透過しない材料が用いられている。クロム、酸化クロムの金属薄膜の積
層物が遮光体として設けられたフォトマスクガラスを記憶セルアレイの上に置くことで薄
膜トランジスタを遮光することができる。金属薄膜としては、その他にアルミニウム、金
、チタン、タングステンなどを用いることができる。それだけでなく、スクリーン印刷や
インクジェットを用いて、所望の薄膜トランジスタの上に黒色インク、銀ペースト、金ペ
ースト、カーボンペーストなど有機物や無機顔料などを用いる事ができる。マスク材料は
４００ｎｍ以下の波長の紫外線を５％以下、望ましくは０．５％以下の透過率まで遮光す
ることが望ましい。材料によっても必要とする厚さは異なるが、金属薄膜であれば２００
ｎｍあれば十分であり、印刷法であれば１０〜５０ミクロンが十分な厚さとなる。また、
マスクの形状については図２には正方形となっているが、それに限らず丸型でも三角でも
よい。少なくとも薄膜トランジスタのチャネル部、通常であれば半導体層全体を遮光する
ことが望ましい。
【００８７】
マスクが所望の薄膜トランジスタに形成されたら記憶セルアレイに紫外線２１０、２１１
の照射を行う。図３には２個の矢印で記したが、これに限らず、紫外線照射は記憶セルア
レイに対して全面に均等に行う。その時には第１マスク２００、第２マスク２０１の上面
にも紫外線照射される。但し、マスク形成が前記の如くに十分に行われていればマスク下
の薄膜トランジスタ１１１、１１２には紫外線は照射されない。また紫外線をガラスファ
イバーなどで導入する時にはビーム径を１〜１０ｍｍ、場合によっては２０〜５０ｍｍに
することができるために、ガラスファイバーを手に持って作業することができるので大変
便利である。または、紫外線レーザを光源として光学顕微鏡から導入することができる時
には、光学レンズで集光できるために、マスク無しで目的とする薄膜トランジスタだけに
直接照射することができる。
【００８８】
紫外線照射装置としては低圧水銀ランプや高圧水銀ランプを用いる。低圧水銀ランプの主
波長は１８４．９ｎｍと２５３．７ｎｍである。高圧水銀ランプは３６５ｎｍに主波長を
有する紫外線を発する。書き込みに必要な照度は０．２〜２０ｍＷ／ｃｍ２、又は２０〜
２００ｍＷ／ｃｍ２である。その時のエネルギーは５〜２００ｍＪ／ｃｍ２である。ただ
それに限らず２００〜２０００ｍＪ／ｃｍ２と十分なエネルギーを与えても良い。また、
図３には薄膜トランジスタの上方より紫外線照射が行われているように示されているが、
紫外線照射の方向はアレイのデバイス構造によって変わる。ボトムゲートＴＦＴの場合に
はゲート電極の上に活性層となる半導体層が形成される為に、その上部にマスクを設け、
上方より紫外線を薄膜トランジスタに照射する。するとチャネル部に紫外線が照射され半
導体層での励起が容易に起きる。また、トップゲートＴＦＴ構造の時には、半導体層の上
方にゲート絶縁層、ゲート電極が形成される為に、アレイ上方からはチャネル部に紫外線
を効率よく照射することができない。この場合には、基板裏面（薄膜トランジスタが形成
された面とは反対の面）にマスク層を形成し、裏面より紫外線照射を行う。この場合には
基板は、ガラス、石英など紫外線を十分に透過する材料が用いられるのが望ましい。
【００８９】
このように所望のデータを書き込んだ記憶セルアレイについては、一般光、外部光、太陽
光など紫外線を含む波長での長時間暴露により、データ書き込みと同様の効果が心配され
る為に、シールやコーティングを行い、紫外線暴露を防ぐ事が望ましい。
【００９０】
図４にバックゲート電極層を形成した薄膜トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性の一例を示す。
紫外線照射により書き込み前の薄膜トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性４０１はソース部をグ
ランド、ドレイン部に１０Ｖを印加した状態で、ゲート電圧を−２０〜＋２０Ｖを印加し
た時にドレイン−ソース間の電流を測定したものである。ゲート電圧がマイナスの時には
電流値は１ｘ１０−１２〜１ｘ１０−１３Ａで安定であり、ゲート電圧がプラスになる頃
に電流値は急激に増大して１０−３〜１０−２Ａとなる。その時の電流変化が最大になる
時の電圧をしきい値（Ｖｔｈ１ボルトとして表す）という。この時のしきい値Ｖｔｈ１は
１．５〜４ボルトとなり、ゲート電圧０ボルトにおいて１０−１２Ａ以下の電流となり、
完全にノーマリーオフ状態となる。
【００９１】
紫外線を照射した薄膜トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性４０２を説明する。全体の測定曲線
の形は書き込み前とあまり差はないが、書き込み後のしきい値（Ｖｔｈ２ボルトで表す）
は−３〜１ボルトであり、照射前のしきい値に比して２〜４Ｖマイナス側にシフトしてい
る。従ってより小さなゲート電圧でドレイン−ソース間の電流が流れる。このしきい値シ
フトはＶｔｈ１まで経時変化で戻る事はなく、シフトしたままで保持される。
【００９２】
酸化物半導体層１３０は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚ
ｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系
、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、
Ｉｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｏ系、Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体層を用いる。これらの材料は、従来
は透明電極として用いられていたものであり、エネルギーギャップが３ｅＶ程度である。
例えばＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系非単結晶薄膜のエネルギーギャップは３．１５ｅＶであり
、３９０ｎｍの波長のエネルギーの光に相当する。従って、半導体層にこうした酸化物半
導体を用いた薄膜トランジスタは紫外線照射による励起を受けやすく、半導体層の中にド
ナー準位を作りしきい値シフトを起こしやすい。薄膜トランジスタはシフト後も安定した
状態を続けるため、それをデバイスの特性を活かした記憶装置である。
【００９３】
こうした紫外線でデータ書き込みをした薄膜トランジスタと書き込み無しの薄膜トランジ
スタでは、それぞれのしきい値が異なる為に、双方のしきい値Ｖｔｈ１とＶｔｈ２の間の
電圧Ｖｒ（この電圧を読み取り電圧Ｖｒと呼ぶことにする）を選択してゲート電圧に印加
すると、書き込み無しの薄膜トランジスタ特性４０１ではソース電極層とドレイン電極層
間の抵抗値が高くオフ状態となり、薄膜トランジスタ特性４０２ではソース電極層とドレ
イン電極層間の抵抗値が低くなり、オン状態が得られる。オン状態とオフ状態の抵抗値の
差が大きいほど記憶装置としての精度は上がる。書き込み電圧を印加した時に、それぞれ
の抵抗値は６桁オーム以上の開きを有している事が望ましいが、２〜３桁オームほどの開
きでも十分に記憶装置として機能する。これを記憶装置として利用することができる。
【００９４】
図５は記憶セルアレイにデータの書き込み状況を示している。マスクを施し紫外線照射が
行われなかった第２ビット１１５、第３ビット１１６には”０”データ３０１，３０２の
ままであるが、紫外線照射した第１ビット１１４，第４ビット１１７に  ”１”  データ
３００，３０３の書き込みが行われている。このようにして４ビットの記憶セルアレイに
は”１００１”のデータ書き込みが行われる。紫外線照射による書き込みはデバイスの概
観上の変化は無いが、この４ビットの記憶セルアレイには”１００１”の書き込みが行わ
れ、それを揮発して消滅することなくこのデータを保持することができているので本発明
のデバイスが達成する事になる。
【００９５】
このように所望のデータを書き込んだ記憶セルアレイについては、一般光、外部光、太陽
光など紫外線を含む波長での長時間暴露により、データ書き込みと同様の効果が心配され
る為に、シールやコーティングを行い、紫外線暴露を防ぐ事が望ましい。
【００９６】
図６に周辺回路を配置した記憶セルアレイを示す。データが書き込まれた記憶セルアレイ
からデータをどのように読み出すかに関して説明をする。既に図２，３，５において説明
したように、ここには酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタからなる記憶セルアレイに
は既にデータが書き込まれている。図６は図２，３，５に周辺回路を含めた図面と考えて
もらえばよい。記憶素子回路の簡略化のため、４ビットの記憶回路としているが４ビット
に限定されるものではない。図６に示す記憶素子回路は列デコーダー６０１、行デコーダ
ー６０２、アンプ６１５、酸化物半導体を活性層に持つ薄膜トランジスタ６０３、６０４
、６０５、６０６、ビット線（データ線）６２１、６２２、ワード線６３１、６３２、電
源であるＶＤＤ６００、列スイッチ６１１，６１２，出力配線６１７、電位測定の為に固
定の抵抗として役割を果たす薄膜トランジスタ６１４、出力端子６１６によって構成され
る。第１薄膜トランジスタ６０３はゲート電極がワード線６３１に、ソース電極がビット
線６２１に接続されている。ドレイン電極は本図面ではグランド６２４に接続されている
が、それに限らず特定の電位を持たせる事もある。他の薄膜トランジスタ６０４、６０５
、６０６のゲート電極、ソース電極、ドレイン電極の接続も同様の接続方法により各配線
に接続されている。第１ワード線６３１と第１ビット線６２１により決められた部分を第
１ビット６３５、第１ワード線６３１と第２ビット線６２２により決められた場所を第２
ビット６３６、第２ワード線６３２と第１ビット線６２１により決まる場所を第３ビット
６３７、第２ワード線６３２と第２ビット線６２２により決まる場所を第４ビット６３８
と呼び、４ビット記憶セルアレイのデータの書き込み、読み出しなどを説明する際に用い
る事にする。
【００９７】
記憶セルアレイには図３で説明したように既に”１００１”のデータが書き込まれており
、第１ビット６３５と第４ビット６３８は紫外線によるデータ”１”を有している。マス
クが形成されており紫外線が照射されなかった第２ビット６３６と第３ビット６３７はデ
ータ”０”を有している。記憶情報を書き込んだ記憶セルアレイから、どのように記憶情
報をどのように読み出すかに関して説明する。
【００９８】
紫外線照射無しの第２ビット６３６における第２薄膜トランジスタ６０４は、しきい値Ｖ
ｔｈ１を有しているため、読み取り電圧Ｖｒをゲート電極に印加するとソース−ドレイン
間電流は小さくオフ状態となる。行デコーダー６０２よりワード線６３１が選択され、薄
膜トランジスタ６０４のゲート電極に読み取り電圧として例えば３Ｖがかかる。次に列デ
コーダー６０１より列スイッチ６１２がビット線６２２を選択し、ＶＤＤの電源電位が出
力配線６１７から薄膜トランジスタ６０４のソース線に入る。紫外線照射無しの薄膜トラ
ンジスタ６０４では、しきい値Ｖｔｈ１を有しているため、読み取り電圧Ｖｒをゲート電
極に印加してもソース−ドレイン間電流は小さく、この部分の抵抗値は大きい。よって、
電源であるＶＤＤ６００とグランド６２５との間で、第１の薄膜トランジスタ６１４と第
２の薄膜トランジスタのある時点での抵抗に応じた電圧分割を考えれば良い。第２薄膜ト
ランジスタ６０４に占める電圧は大きく、薄膜トランジスタ６１４に印加される電圧は小
さい。よって、グランド６２５を基準に見ると、アンプはＨｉｇｈを出力する。
【００９９】
データ書き込みされた第１ビット６３５における第１薄膜トランジスタ６０３を考える。
前記同様に第１ワード線６３１が行デコーダーで選択されている。第２薄膜トランジスタ
の第２列スイッチ６１２がオフになり、次に第１列スイッチ６１１がオンとなり、第１ビ
ット線６２１が選択される。ＶＤＤの電位が第１薄膜トランジスタのソース部に入る。ゲ
ート部には読み取り電圧Ｖｒが印加される。第一薄膜トランジスタのしきい値はＶｔｈ２
であり、それより大きな読み取り電圧Ｖｒが入っている為にソース−ドレイン間に電流が
グランド６２４側に流れる。つまり第１薄膜トランジスタ６０３における抵抗値は小さい
。よって第１の薄膜トランジスタにソース−ドレイン間の印加される電圧は小さく、薄膜
トランジスタ６１４に大きな電圧がかかる。第１ビット６３５側の電位は低くなる。その
時にアンプ６１５はＬｏｗを出力する。同様にして第２ワード線６３２が選択されてＶＤ
Ｄがソース線に印加された時に書き込みのない第３ビットからはＨｉｇｈ、書き込みのあ
る第４ビットからはＬｏｗが出力される。
【０１００】
一方、ワード線が選択されていない時を考える。選択されていない時にはワード線は０ボ
ルトなど読み取り電圧Ｖｒより小さな電圧となる。データ書き込みされた第４ビット６３
８の第４薄膜トランジスタ６０６について考える。第２ワード線６３２が非選択の状態で
列スイッチ６１２が接続されＶＤＤがソース側に入る。非選択のゲート電極には０ボルト
が印加される。このゲート電圧における第４薄膜トランジスタはソース−ドレイン間に電
流は流れず、この部分の抵抗は高い。よって第４ビットにおける電位は大きく、アンプは
Ｈｉｇｈを出力する。
【０１０１】
データ書き込みのない第３ビット６３７における第３薄膜トランジスタ６０５の非選択時
の動作について考える。第２ワード線６３２が非選択の状態では、電圧０ボルトが第３薄
膜トランジスタ６０５のゲート電極に入る。列スイッチ６１１が接続され、第１ビット線
６２１よりＶＤＤがソース線に入る。ゲート電極の非選択時はゲート電極に０ボルトが印
加される。このゲート電圧では第３薄膜トランジスタはソース電極とドレイン電極の間に
電流は流れず、この部分の抵抗は高い。よって、第３ビットにおける電位は高くなり、ア
ンプはＨｉｇｈを出力する。同様に、第１ワード線が非選択になった時にも同様に第１ビ
ット６３５、第２ビット６３６はＨｉｇｈを出力する。
【０１０２】
このようにして、第１ビットから第４ビットの記憶セルアレイに書き込みをした”１００
１”データは、”Ｌｏｗ，Ｈｉｇｈ，Ｈｉｇｈ、Ｌｏｗ”として読み出され、アンプより
出力される。また、ワード線が選択されていない時には書き込みの有無によらず、Ｈｉｇ
ｈを出力する。つまり、書き込みのあるビットをワード線が選択して読み取る時にはＬｏ
ｗを出力し、書き込みの無いビットの読み取る時及びワード線が非選択の時には書き込み
データによらずＨｉｇｈを出力する。それが成立する事で、複数のワード線と複数のビッ
ト線がマトリクスを形成した記憶セルアレイを形成した時に読み取りが正確に行う事がで
きる。
【０１０３】
“１００１”のデータが保持された記憶セルアレイが破棄されるときには、”１００１”
のデータが残されたままでは、秘密情報漏洩の観点からは心配な状況になる。従って記憶
セルアレイを破棄するときには、記録されたデータを一括で消去することが望ましい。図
７にはマスク無しで全面に均等に紫外線２１０，２１１を照射し、どのビットにもデータ
の書き込みをすることでデータの消去することができる。その結果図８に示したように、
”１１１１”のデータの書き込みが行われ、それまであった”１００１”のデータは完全
に消去された。薄膜トランジスタ１１０、１１３には２度の書き込みが行われた事になる
が、その履歴は特に残らずに、”１１１１”のデータのみが記憶セルアレイには残る。
【０１０４】
（実施の形態２）
ビット内に酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタに加えて別の薄膜トランジスタを備え
た実施形態に関して説明する。酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタがｎチャネル型の
電気特性を有しているのであればその反対の極性であるｐチャネル型の電気特性を有する
薄膜トランジスタを用いる。ｐチャネル型の電気特性というのは、ゲート電極層にプラス
の電圧を印加した時にはソース−ドレイン間に流れる電流は小さく、マイナスの電圧を印
加した時には電流が大きくなる特性を持つものである。つまりプラス電圧を印加した時に
はオフ状態ではあるが、マイナス電圧でオン状態になるスイッチング特性を有する。つま
りマイナス電圧でオフ状態、プラス電圧を印加した時にはオン状態となるｎチャネル型の
薄膜トランジスタとは反対の動作をするものである。酸化物半導体を有した薄膜トランジ
スタがｎチャネル型であるならばｐチャネル型の薄膜トランジスタを本実施形態では適用
する。ｐチャネル型の薄膜トランジスタは酸化物半導体を有した薄膜トランジスタのしき
い値特性の制御が難しい時の解決策として適用される。但し、実施形態の１で示したバッ
クゲート電極層を備えてしきい値制御ができている酸化物半導体を用いた薄膜トランジス
タに対して本実施形態を適用しても問題はない。
【０１０５】
図９に素子の断面構造を示した。これを用いて説明する際に、ｐチャネル型の薄膜トラン
ジスタを第１の薄膜トランジスタ、酸化物半導体層を有する薄膜トランジスタを第２の薄
膜トランジスタと呼ぶ。また、第１の薄膜トランジスタのゲート電極層４２は、第１のゲ
ート電極層と称して、第２の薄膜トランジスタのゲート電極層である第２のゲート電極層
５５と区別する。
【０１０６】
第１の薄膜トランジスタ６４は第１のチャネル４０を有するシリコン層３７、第１のゲー
ト絶縁層４１、第１のゲート電極層４２、第１のソース電極層４５及び第１のドレイン電
極層４６を有する。３８は第１のソース領域及び第１のドレイン領域の一方であり、３９
は第１のソース領域及び第１のドレイン領域の他方である。
【０１０７】
第１の薄膜トランジスタ６４は、下地膜となる絶縁層３６上に設けられる。絶縁層３６は
基板３５に含まれる金属イオンなどの不純物が第１の薄膜トランジスタ６４、第２の薄膜
トランジスタ６８に侵入するのを防止する。絶縁層３６の上にはシリコン層３７が設けら
れる。シリコン層３７の上には第１のゲート絶縁層４１が設けられる。第１のゲート絶縁
層４１の上には第１のゲート電極層４２が設けられる。第１のソース電極層４５、及び第
１のドレイン電極層４６は、シリコン層３７の上に、それぞれ第１のソース領域及び第１
のドレイン領域３８，３９に接するように設けられる。なおここでは第１の薄膜トランジ
スタ６４としてトップゲート型の薄膜トランジスタを示したが、ボトムゲート型の薄膜ト
ランジスタでもよい。また、第１の薄膜トランジスタは１個に限らず、複数のものを第１
薄膜トランジスタとして用いても良い。
【０１０８】
第１のゲート電極層４２はワード線に電気的に接続される（図示しない）。また第１のゲ
ート電極層４２はワード線の一部であってもよい。
【０１０９】
第１のソース電極層４５は第１のビット線に電気的に接続される（図示しない）。また第
１のドレイン電極層４６は第２の薄膜トランジスタの第２のソース電極層５３と電気的に
接続している。
【０１１０】
第２の薄膜トランジスタ６８に関して説明する。第２の薄膜トランジスタ６８は第２のゲ
ート電極層５５、第２のゲート絶縁層５１、酸化物半導体層５２、第２のソース電極層５
３及び第２のドレイン電極層５４を有する。
【０１１１】
第２の薄膜トランジスタ６８は層間絶縁層４９上に設けられる。第２のゲート電極層５５
は層間絶縁層４９の上に設けられる。第２のゲート電極層５５の上には第２のゲート絶縁
層５１が設けられている。第２のゲート絶縁層５１の上には酸化物半導体層５２が設けら
れる。酸化物半導体層５２の上に接して第２のソース電極層５３、及び第２のドレイン電
極層５４が設けられる。第２のソース電極層５３、及び第２のドレイン電極層５４、酸化
物半導体層５２及び第２のゲート絶縁層５１の上にはパッシベーション膜として層間絶縁
層５６が設けられる。また、第２のゲート電極層５５を第１のゲート電極層４２と同時に
形成しても良いし、第１のソース電極層４５、ドレイン電極層４６と同時に形成しても良
い。そうすれば工程数の削減につながる。なおここでは第２の薄膜トランジスタ６８とし
てボトムゲート型のトランジスタを示したが、トップゲート型のトランジスタでもよい。
【０１１２】
第２のゲート電極層５５はワード線に電気的に接続される。また第２のゲート電極層５５
はワード線の一部であってもよい（図示しない）。
【０１１３】
第２のソース電極層５３は第１の薄膜トランジスタ６４の第１のドレイン電極層４６と電
気的に接続される。また、第２のドレイン電極層５４は特定の電位に接続される。（図示
しない）。
【０１１４】
基板３５は、後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有する。基板３５としては、バリウ
ムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板を用いる。また基板３
５は、セラミック基板、石英基板、サファイア基板、結晶化ガラス基板などの絶縁体でな
る基板でもよい。後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していれば、ポリエチレンテ
レフタレート、ポリイミド、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリエ
ステル、ポリ塩化ビニル等のプラスチックフィルムなどを用いる。
【０１１５】
絶縁層３６は酸化珪素層、窒化珪素層、酸化窒化珪素層などを用いる。絶縁層３６は１０
〜２００ｎｍの厚さを有すればよい。
【０１１６】
シリコン層３７は単結晶シリコン層又は結晶性シリコン層である。シリコン層３７は２ｎ
ｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有すればよい。シリコン層３７はチャネル型の不純物元素
を含み、当該不純物元素を含む領域が第１のソース領域、第１のドレイン領域３８、３９
となる。第１のソース領域及び第１のドレイン領域３８、３９の間がチャネル４０となる
。シリコン層３７は必要に応じてＬＤＤ領域を有していてもよい。シリコン層の他、ゲル
マニウム、シリコン−ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、炭化珪素等からなる層を用いてもよ
い。
【０１１７】
第１のゲート絶縁層４１は、酸化シリコン層、窒化シリコン層、酸化窒化シリコン層、窒
化酸化シリコン層、酸化アルミニウム層、Ｙ２Ｏ３層又はＨｆＯ２層を単層でまたは積層
して形成する。第１のゲート絶縁層４１は１０〜５００ｎｍの厚さを有すればよい。
【０１１８】
第１のゲート電極層４２はモリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、アル
ミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料またはこれらを主成分とする合金材
料を用いて、単層でまたは積層して形成する。第１のゲート電極層４２は１０〜２００ｎ
ｍの厚さを有すればよい。
【０１１９】
第１のソース電極層４５、第１のドレイン電極層４６はモリブデン、チタン、クロム、タ
ンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料または
これらを主成分とする合金材料を用いて、単層でまたは積層して形成する。第１のソース
電極層４５、第１のドレイン電極層４６は１００〜５００ｎｍの厚さを有すればよい。
【０１２０】
層間絶縁層４３は例えば酸化窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、酸化アルミニウム層
、Ｙ２Ｏ３層又はＨｆＯ２層を単層でまたは積層して形成する。層間絶縁層４３は１０−
２００ｎｍの厚さを有すればよい。
【０１２１】
層間絶縁層４４、４９は酸化珪素層、窒化珪素層、酸化窒化珪素層などを用いる。層間絶
縁層４４、４９には水素、水酸基または水分が含まれないようにすることが好ましい。層
間絶縁層４４、４９は１０ｎｍ〜１μｍの厚さを有すればよい。第２のゲート絶縁層５１
は、酸化シリコン層、窒化シリコン層、酸化窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、酸化
アルミニウム層、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯｘ）層、窒素が添加されたハフニウ
ムシリケイト（ＨｆＳｉＯｘＮｙ（ｘ＞０，ｙ＞０））層、窒素が添加されたハフニウム
アルミネート（ＨｆＡｌＯｘＮｙ（ｘ＞０，ｙ＞０））層、酸化ハフニウム層、酸化イッ
トリウム層を単層でまたは積層して形成する。ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯｘ）層
、窒素が添加されたハフニウムシリケイト（ＨｆＳｉＯｘＮｙ）層、窒素が添加ハフニウ
ムアルミネート（ＨｆＡｌＯｘＮｙ）層、酸化ハフニウム層、酸化イットリウム層などの
ｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることでゲートリークを低減できる。第２のゲート絶縁層５１に
は水素、水酸基または水分が含まれないようにすることが好ましい。第２のゲート絶縁層
５１は１０〜５００ｎｍの厚さを有すればよい。
【０１２２】
第２のゲート絶縁層５１にハロゲン元素（例えば、フッ素または塩素）を５×１０１８ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度含ませてもよい。ハロゲン元素
により酸化物半導体層５２、または第２のゲート絶縁層５１と酸化物半導体層５２との界
面に存在しうる、水素、水分、水酸基又は水素化物などの不純物を排除することができる
。例えば第２のゲート絶縁層５１として、窒化シリコン層と酸化シリコン層の積層膜にす
る場合は、酸化物半導体層５２に接する側を、上記濃度でハロゲン元素を含む酸化シリコ
ン層とするとよい。窒化シリコン層が水素、水分、水酸基又は水素化物（水素化合物とも
いう）などの不純物が酸化シリコン層に侵入することを防止する。
【０１２３】
酸化物半導体層５２は非晶質酸化物半導体層又は結晶性酸化物半導体層であり、Ｉｎ−Ｇ
ａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ
−Ｏ系、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−
Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｏ系、Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体層
である。酸化物半導体層５２は２ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有ればよい。酸化物半
導体層５２の種類、組成によりしきい値電圧を調整することができる。
【０１２４】
酸化物半導体層５２には水素、水酸基または水分が含まれないようにすることが好ましい
。具体的には水素が５×１０１９／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１８／ｃｍ３以下、
より好ましくは５×１０１６／ｃｍ３未満である。また、キャリア濃度は１×１０１２／
ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満である。即ち、酸化物半導体層のキャ
リア濃度は、限りなく０に近い。また、エネルギーギャップは２ｅＶ以上、好ましくは２
．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上である。なお、酸化物半導体層中の水素濃度測
定は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐ
ｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）で行えばよい。キャリア濃度測定はホール効果測定を行えばよい
。
【０１２５】
酸化物半導体において水素はドナーであり、酸化物半導体をｎチャネル型化する一つの要
因であることが知られている。したがって水素を酸化物半導体から除去し、酸化物半導体
の主成分以外の不純物が極力含まれないように高純度化することにより真性（ｉ型）とす
ることができる。不純物を添加してｉ型化するのでなく、水素や水等の不純物を極力除去
して、高純度化されたｉ型（真性半導体）酸化物半導体またはそれに近づけることが好ま
しい。不純物を除去した酸化物半導体のフェルミ準位（Ｅｆ）は真性フェルミ準位（Ｅｉ
）と同じレベルにまですることができる。
【０１２６】
上記酸化物半導体層５２を有する第２のトランジスタ６８では、第２のゲート電極にマイ
ナスの電圧（逆バイアス）が印加しても、オフ電流は小さい。キャリア濃度が低いため、
オフ電流に寄与する少数キャリア濃度（ホール濃度）が小さいからである。
【０１２７】
例えば第２のトランジスタ６８のチャネル幅Ｗが１×１０４μｍでチャネル長が３μｍの
素子であっても、オフ電流が１０−１３Ａ以下であり、Ｓ値が０．１Ｖ／ｄｅｃ．（第２
のゲート絶縁層５１の厚さ１００ｎｍ）が得られる。
【０１２８】
酸化物半導体の主成分以外の不純物が極力含まれないように高純度化することにより、第
２のトランジスタ６８の動作を良好なものとすることができる。特に、オフ電流を低減す
ることができる。
【０１２９】
また酸化物半導体のバンドギャップ（Ｅｇ）が３．１５ｅＶである場合、電子親和力（χ
）は４．３ｅＶと言われている。例えば第２のソース電極及び第２のドレイン電極５３、
５４にチタン（Ｔｉ）を用いると、Ｔｉの仕事関数は、酸化物半導体の電子親和力（χ）
とほぼ等しい。この場合、金属（Ｔｉ）−酸化物半導体界面において、電子に対してショ
ットキー型の障壁は形成されない。すなわち酸化物半導体層５２にｎチャネル型の不純物
を添加しなくてもＴｉから酸化物半導体層５２に電子が注入される。
【０１３０】
第２のソース電極層５３、第２のドレイン電極層５４はモリブデン、チタン、クロム、タ
ンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料または
これらを主成分とする合金材料を用いて、単層でまたは積層して形成する。第２のソース
電極層、第２のドレイン電極層５３、５４には水素、水酸基または水分が含まれないよう
にすることが好ましい。第２のソース電極層、第２のドレイン電極層５３、５４は１０−
５００ｎｍの厚さを有すればよい。
【０１３１】
絶縁層５６は酸化物絶縁層であり、例えば酸化シリコン層を用いる。絶縁層５６には水素
、水酸基または水分が含まれないようにすることが好ましい。絶縁層５６は１０−２００
ｎｍの厚さを有すればよい。なお酸化シリコン層に代えて、酸化窒化シリコン層、酸化ア
ルミニウム層、または酸化窒化アルミニウム層などを用いることもできる。
【０１３２】
絶縁層５６にハロゲン元素（例えば、フッ素または塩素）を５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ３〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度含ませてもよい。ハロゲン元素により酸化物
半導体層５２、またはゲート絶縁層５６と酸化物半導体層５２との界面に存在しうる、水
素、水分、水酸基又は水素化物などの不純物を排除することができる。
【０１３３】
第１の薄膜トランジスタと第２の薄膜トランジスタを記憶セルアレイに関して図１０を用
いて説明する。
【０１３４】
第１ワード線１１３１，第２ワード線１１３２が一方向に延在し、第１ビット線１１２１
，第２ビット線１１２２が他方に延在してマトリクスを形成している。第１ワード線１１
３１と第１ビット線１１２１が交差する第１ビット１１０３には第１薄膜トランジスタ１
１４１と第２薄膜トランジスタ１１４２が配置している。第１薄膜トランジスタ１１４１
のゲート電極層と第２薄膜トランジスタ１１４２のゲート電極層は共に第１ワード線１１
３１に接続している。第１薄膜トランジスタ１１４１のソース電極層は第１ビット線１１
２１と接続しており、第１薄膜トランジスタ１１４１のドレイン電極層が第２薄膜トラン
ジスタ１１４２のソース電極層と接続しており、第２薄膜トランジスタ１１４２のドレイ
ン電極層は電位ＶＤＤ１１４３と接続している。
【０１３５】
第１ワード線１１３１と第２ビット線１１２２が交差する第２ビット１１０４には第１薄
膜トランジスタ１１４４と第２薄膜トランジスタ１１４５が配置している。第１薄膜トラ
ンジスタ１１４４のゲート電極層及び第２薄膜トランジスタ１１４５のゲート電極層はい
ずれも第１ワード線１１３１と接続している。第１薄膜トランジスタ１１４４のソース電
極層は第２ビット線１１２２と接続しており、第１薄膜トランジスタ１１４４のドレイン
電極層は第２薄膜トランジスタ１１４５のソース電極層と接続し、第２薄膜トランジスタ
１１４５のドレイン電極層は電位ＶＤＤ１１４６と接続している。
【０１３６】
第２ワード線１１３２と第１ビット線１１２１が交差する第３ビット１１０５には、第１
薄膜トランジスタ１１４７、第２薄膜トランジスタ１１４８が配置され、第２ワード線と
第１ビット線に同様の接続をしている。
【０１３７】
第２ワード線１１３２と第２ビット線１１２２が交差する第４ビット１１０６には第１薄
膜トランジスタ１１５０、第２薄膜トランジスタ１１５１が配置され、第２ワード線と第
２ビット線に対して同様の接続をしている。
【０１３８】
記憶セルアレイに紫外線照射してのデータの書き込みについて図１１を用いて説明する。
図１０で説明した部分については図１０と同様の番号を配している。紫外線によるデータ
の書き込みを第１ビット１１０３と第４ビット１１０６について行う。第２ビット１１０
４と第３ビット１１０５には第１マスク１３００、第２マスク１３０１が配置されている
。マスクには、紫外線を透過しない材料が用いられている。クロム、酸化クロムの金属薄
膜の積層物が遮光体として設けられたフォトマスクガラスを記憶セルアレイの上に置くこ
とで薄膜トランジスタを遮光することができる。金属薄膜としては、その他にアルミニウ
ム、金、チタン、タングステンなどを用いることができる。それだけでなく、スクリーン
印刷やインクジェットを用いて、所望の薄膜トランジスタの上に黒色インク、銀ペースト
、金ペースト、カーボンペーストなど有機物や無機顔料などを用いる事ができる。マスク
材料は４００ｎｍ以下の波長の紫外線を５％以下、望ましくは０．５％以下の透過率まで
遮光することが望ましい。材料によっても必要とする厚さは異なるが、金属薄膜であれば
２００ｎｍあれば十分であり、印刷法であれば１０〜５０ミクロンが十分な厚さとなる。
また、マスクの形状については図１１には正方形となっているが、それに限らず丸型でも
三角でもよい。マスクとしては第２薄膜トランジスタだけではなく、第１薄膜トランジス
タに対しても覆っているが、紫外線に対して感度を持たない第１薄膜トランジスタに関し
ては覆わなくてもよい。マスクとしては少なくとも紫外線に対して感度を有する酸化物半
導体層の備えた第２薄膜トランジスタ１１４２，１１５１のチャネル部、通常であれば半
導体層全体を遮光することが望ましい。
【０１３９】
マスクが所望の薄膜トランジスタに形成されたら記憶セルアレイに紫外線の照射を行う。
図１１には２個の矢印１３０２，１３０３で記したが、これに限らず、紫外線照射は記憶
セルアレイに対して全面に均等に行う。その時には第１マスク１３００、第２マスク１３
０１の上面にも紫外線照射される。但し、マスク形成が前記の如くに十分に行われていれ
ばマスク下の薄膜トランジスタ１１４５、１１４８には紫外線は照射されない。また紫外
線をガラスファイバーなどで導入する時にはビーム径を１〜１０ｍｍ、場合によっては２
０〜５０ｍｍにすることができるために、ガラスファイバーを手に持って作業することが
できるので大変便利である。または、紫外線レーザを光源として光学顕微鏡から導入する
ことができる時には、光学レンズで集光できるために、マスク無しで目的とする薄膜トラ
ンジスタだけに直接照射することができる。
【０１４０】
紫外線の波長は高圧水銀ランプを用いると主波長が３６５ｎｍとなり、低圧水銀ランプを
用いると２５３．７ｎｍが主波長となる。また、図１１には薄膜トランジスタの上方より
紫外線照射を行っているように図示されているが、紫外線照射の方向はアレイのデバイス
構造によって変わる。ボトムゲートＴＦＴの場合にはゲート電極の上に活性層となる半導
体層が形成される為に、その上部にマスクを設け、上方より紫外線を薄膜トランジスタに
照射する。するとチャネル部に紫外線が照射され半導体層での励起が容易に起きる。また
、トップゲートＴＦＴ構造の時には、半導体層の上方にゲート絶縁層、ゲート電極が形成
される為に、アレイ上方からはチャネル部に紫外線を効率よく照射することができない。
この場合には、基板裏面（薄膜トランジスタが形成された面とは反対の面）にマスク層を
形成し、裏面より紫外線照射を行う。この場合には基板は、ガラス、石英など紫外線を十
分に透過する材料が用いられるのが望ましい。
【０１４１】
このように所望のデータを書き込んだ記憶セルアレイについては、一般光、外部光、太陽
光など紫外線を含む波長での長時間暴露により、データ書き込みと同様の効果が心配され
る為に、シールやコーティングを行い、紫外線暴露を防ぐ事が望ましい。
【０１４２】
各薄膜トランジスタの電気特性の一例を図１２により説明する。図１２（ａ）は酸化物半
導体を活性層に用いた薄膜トランジスタの紫外線未照射でのＩｄ−Ｖｇ特性である。Ｉｄ
−Ｖｇカーブ１２０１のしきい値Ｖｔｈ１は−２Ｖ〜１Ｖである。紫外線照射した薄膜ト
ランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性を図１２（ｂ）に示す。しきい値Ｖｔｈ２は−６Ｖ〜−１Ｖ
である。シリコン層を用いたｐチャネル型薄膜トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性を図１２（
ｃ）に示す。それは、ｎチャネル型薄膜トランジスタとは逆の特性を有し、ゲート電圧が
プラスの時に電流は１ｘ１０−１２Ａ〜１ｘ１０−１３Ａであり、ほとんど流れないが、
ゲート電圧がマイナスに変わるとソース−ドレイン間の電流は増大する。そのしきい値電
圧Ｖｔｈ３は−３Ｖ〜−１Ｖである。つまり、ゲート電圧がマイナスの時に薄膜トランジ
スタはＯＮ状態となる。このような３種類の薄膜トランジスタに読み出し電圧Ｖｒを各薄
膜トランジスタに共通のゲート電圧として印加すると未照射の酸化物半導体を用いた薄膜
トランジスタ（ａ）はオフ状態、紫外線照射した薄膜トランジスタ（ｂ）はオン状態、ｐ
チャネル型薄膜トランジスタはオン状態となる。この時の読み取り電圧Ｖｒとしては、Ｖ
ｔｈ２＜Ｖｒ＜Ｖｔｈ３、Ｖｔｈ１を満たす電圧であれば良い。酸化物半導体を持つ薄膜
トランジスタに関してはしきい値制御が困難な場合も多いが、読み出し電圧Ｖｒが上記の
関係を満たせば良いので、本発明においてはノーマリーオンの特性の薄膜トランジスタで
あって記憶装置の読み出しに用いる事ができる。
【０１４３】
紫外線でデータの書き込みを行った記憶素子アレイからデータを読み出す時の方法につい
て図１３を用いて説明する。
【０１４４】
行デコーダー１１０２から第１ワード線１１３１、第２ワード線１１３２が延び、列デコ
ーダー１１０１から第１ビット線１１２１、第２ビット線１１２２が延びて４ビットのマ
トリクスを形成している。第１ビットには第１薄膜トランジスタ１１４１と第２薄膜トラ
ンジスタ１１４２が配置されている。
【０１４５】
第１ビット線１１２１、第２ビット線１１２２は供給線１１１７と接続している。一方、
固定の抵抗値を有した抵抗として役割を持っている薄膜トランジスタ１１１４のソース部
をグランド１１１８に接続し、ドレイン部を供給線１１１７と共にアンプ１１１５と接続
し、アンプはその部分の電位を出力部１１１６より出力する。薄膜トランジスタ１１１４
はグランド１１１８と接続しているが、グランドである必要はなくＶＤＤより低い電位が
取れるのであればそれに限らない。
【０１４６】
各薄膜トランジスタの電気特性を踏まえた読み取り動作に関して説明する。非選択の時の
ワード線にはＶＤＤが印加されている。行デコーダー１１０２より第１ワード線１１３１
が選択され第１ワード線１１３１にグランド状態が与えられ、第２ワード線１１３２には
非選択状態が継続し、ＶＤＤが印加されている。第１ビット１１０３の第１薄膜トランジ
スタ（ｐチャネル型薄膜トランジスタ）１１４１、第２薄膜トランジスタ（酸化物半導体
を用いた薄膜トランジスタ）１１４２のゲート電極層はグランド状態となる。ドレイン側
にはＶＤＤ１１４３が接続している。一方、列デコーダー１１０１は列スイッチ１１１１
がオンして第１ビット線１１２１を選択する。この場合、ドレイン部のＶＤＤ１１４３の
電位を基準にするとゲート電極層とソース電極層の電位は−ＶＤＤと見なされる。従って
、−ＶＤＤをゲート電極層の読み取り電圧として用いればよい。つまり、トランジスタは
、図１２でのゲート電圧が読み取り電圧Ｖｒにおける各薄膜トランジスタの電気特性に従
って動作することになる。第１ビット１１０３の第１薄膜トランジスタ１１４１はオン状
態、紫外線書き込みした酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタ１１４２はオン状態とな
る。つまり各トランジスタが直列となっている両薄膜トランジスタ間でもオン状態となり
、この部分での抵抗は低くなる。この時にＶＤＤとグランド１１１８における電位差のほ
とんどは、薄膜トランジスタ１１１４に印加される。第１薄膜トランジスタ１１４１と接
続している第１ビット線１１２１側の電位は大きく、ほぼＶＤＤに近いものとなる。グラ
ンド１１１８を基準に見ると、出力配線信号はアンプ１１１５よりＨｉｇｈが出力される
。
【０１４７】
第２ビット１１０４について考える。このビットには書き込みはなされていない。同様に
第１ワード線１１３１と第２ビット線１１２２に接続している第１薄膜トランジスタ１１
４４、第２薄膜トランジスタ１１４５には第１ワード線がグランド状態になることで選択
される。ＶＤＤが接続されている第２薄膜トランジスタのドレイン側の電位を基準に考え
るとゲート電極の電位は−ＶＤＤと見なされ、第１薄膜トランジスタ１１４４はオン状態
、紫外線書き込みのない酸化物半導体を用いた第２薄膜トランジスタ１１４５はオフ状態
となる（図１２（ｂ）参照）。双方の第２薄膜トランジスタのソース部と第１薄膜トラン
ジスタのドレイン部は接続されているため、第１薄膜トランジスタがオン状態、第２薄膜
トランジスタがオフ状態であれば第２ビットにおいてはオフ状態であり、この部分の抵抗
値は高く、高い電圧が印加される。第２ビット線１１２２側の電位はグランド１１１８と
近くなる。つまり、アンプ１１１５はＬｏｗを出力する。同様に、第２ワード線が選択さ
れた時には書き込みの無い第３ビット１１０５ではＬｏｗ，第４ビット１１０６ではＨｉ
ｇｈが出力される。
【０１４８】
第３ビット１１０５では行デコーダー１１０２から非選択の第２ワード線１１３２にはＶ
ＤＤが印加されている。ここには第１薄膜トランジスタ１１４７と第２薄膜トランジスタ
１１４８（紫外線書き込み無し）が接続されている。第２薄膜トランジスタ１１４８のド
レイン部及びゲート電極層はＶＤＤが印加されている事からＶＤＤ１１４９の電位を基準
に考えるとゲート部とドレイン部は同電位であり、ゲート電極層に０ボルト印加時のスィ
ッチング特性が適用される。第１薄膜トランジスタはオフ状態となる（図１２（ｃ）参照
）。第３ビット１１０５はオフ状態であり、この部分の抵抗は大きい。つまり第３ビット
１１０５において第１ビット線１１２１側の電位は下がりグランド側に近くなる。よって
出力配線信号はアンプ１１１５よりｌｏｗが出力される。この時に書き込み無しの第２薄
膜トランジスタがゲート電極０ボルトにおけるスイッチング状態は、上記のようにオフ状
態であっても良い。ある程度のしきい値がマイナス側にシフトし、オン状態になっていた
としても、第１薄膜トランジスタがオフ状態となっている限り、本ビットとしてはオフ状
態となっている事に変化はなく、未書き込みデータの読み出しにエラーが生じる事はない
。
【０１４９】
書き込みがある第４ビット１１０６における第２ワード線１１３２が非選択の状況を説明
する。第２ワード線、つまり各薄膜トランジスタのゲート電極層にはＶＤＤが印加され、
第２薄膜トランジスタのドレイン側に持つＶＤＤ１１５２の電位との差が無く、ドレイン
側を基準とすればゲート電極層には０ボルトが印加された時のスィッチング状況となる。
つまり第１薄膜トランジスタはオフ状態、第２薄膜トランジスタはオン状態となり、２つ
の薄膜トランジスタの特性とすればオフ状態である。第２ビット線１１２２側の電位はグ
ランド１１１８側に近く、出力配線信号はアンプ１１１５よりｌｏｗが出力される。この
ようにして、４ビットの記憶セルアレイに書き込まれた”１００１”のデータは、”Ｈｉ
ｇｈ，Ｌｏｗ，Ｌｏｗ，Ｈｉｇｈ”として出力される。図６で読み取られたデータ”Ｌｏ
ｗ，Ｈｉｇｈ，Ｈｉｇｈ，Ｌｏｗ”となっており、この読み取り結果と反対になっている
。電源ＶＤＤとグランドの位置が反対になっているからであり、読み取り結果に差はない
。
【０１５０】
図１４にこの実施例の真理値表を示した。読み取り方法についてまとめる。つまり、書き
込みのあるビットからワード線が選択状態ではＨｉｇｈが検出された一方、ワード線が非
選択の状態ではＬｏｗしか検出されない。書き込み無しのビットからはワード線が選択状
態であっても非選択の状態であってもＬｏｗしか検出されない。つまり書き込みのあるビ
ットだけの検出がなされる。書き込み通りの読み出しを行う事ができる。オン状態を出力
する一方、書き込み有りであってもワード線で非選択の場合や、書き込まれていないビッ
トであればオフ状態を出力する。また、未書き込みの薄膜トランジスタＩｄ−Ｖｇ特性１
２０１はゲート電圧０ボルトで十分にオフ状態となっておらず、しきい値がマイナスシフ
トしている。つまり、仮にゲート電圧が０ボルト状態においてオン状態であっても第１薄
膜トランジスタがオフ状態であるので出力としてはオフ状態を維持できる。つまり酸化物
半導体のＩｄ−Ｖｇ特性にしきい値シフトがあっても図１４における真理値表は変更無く
維持できる。記憶セルアレイの中には酸化物半導体を有した薄膜トランジスタに加え、ｐ
チャネル型薄膜トランジスタが加わり、２倍の素子密度にはなるが、こうした書き込みに
使用される薄膜トランジスタ特性のばらつきがあったとしても、記憶セルアレイは書き込
みの有無に対して真理値表に従って正しく機能する。
【０１５１】
また、図１４は、第１の薄膜トランジスタと第２の薄膜トランジスタのオン状態、オフ状
態の組み合わせにより真理値が成立している。つまり、第１の薄膜トランジスタと第２の
薄膜トランジスタの順列位置関係は問われない。図１１では、第１薄膜トランジスタ１１
１４がビット線１１２１と接続し、第２薄膜トランジスタ１１４２が第１薄膜トランジス
タ１１４１のドレイン電極層と接続しているが、反対順列の接続でも構わない。ビット線
に酸化物半導体層を含む第２薄膜トランジスタのソース電極層が接続し、そのドレイン電
極層が第１の薄膜トランジスタのソース電極層と接続しても良い。すると第１の薄膜トラ
ンジスタのドレイン電極層はＶＤＤと接続する事になる。このような配置になったとして
も図１４の真理値は、変更無く適用される。
【０１５２】
（実施の形態３）
本実施形態は実施形態１〜２のいずれかを適用したメモリモジュール１５００を示す（図
１５）。メモリモジュール１５００は第１のメモリセル領域１５０１、インターフェース
１５０３、行デコーダー１５０４、列デコーダー１５０６を有する。
【０１５３】
第１のメモリセル領域１５０１には上記実施形態にて示した記憶セルアレイが複数設けら
れる。第２のメモリセル領域１５０２には上記実施形態にて示した記憶セルアレイにも複
数設けられる（図１５）。
【０１５４】
行デコーダー１５０４は例えば実施の形態１に示した行デコーダー６０２を示し、ワード
線１５０７で第１のメモリセル領域１５０１に接続される。また行デコーダー１５０５は
例えば実施の形態１に示した行デコーダー６０２を示し、ワード線１５０８で第２のメモ
リセル領域１５０２に接続される。
【０１５５】
列デコーダー１５０６は例えば実施の形態１に示した列デコーダー６０１に該当し、読み
出し回路を有し、ビット線１５０９で第１のメモリセル領域１５０１及び第２のメモリセ
ル領域１５０２に接続される。
【０１５６】
行デコーダー１５０４、行デコーダー１５０５、列デコーダー１５０６はそれぞれインタ
ーフェース１５０３に接続される。
【０１５７】
本発明では当該トランジスタに紫外線を照射して当該トランジスタのしきい値電圧を変化
させる。したがって当該領域は通常、紫外線を遮光する遮光物で覆われて遮光されている
ことが好ましい。当該領域へのアクセスが許可された者は遮光物を除去した後、当該トラ
ンジスタに紫外線を照射する。遮光物で当該領域を覆うことにより、第三者は当該領域に
アクセスできない。
【０１５８】
（実施の形態４）
本実施形態は上記実施の形態で示したメモリモジュールを有するＲＦＩＤタグ１５２０を
示す（図１６）。
【０１５９】
ＲＦＩＤタグ１５２０は、アンテナ回路１５２１及び信号処理回路１５２２を有する。信
号処理回路１５２２は、整流回路１５２３、電源回路１５２４、復調回路１５２５、発振
回路１５２６、論理回路１５２７、メモリコントロール回路１５２８、メモリ回路１５２
９、論理回路１５３０、アンプ１５３１、変調回路１５３２を有する。メモリ回路１５２
９は上記実施形態のメモリモジュールを有する。
【０１６０】
アンテナ回路１５２１によって受信された通信信号は復調回路１５２５に入力される。受
信される通信信号、すなわちアンテナ回路１５２１とリーダ／ライタ間で送受信される信
号の周波数は極超短波帯においては１３．５６ＭＨｚ、９１５ＭＨｚ、２．４５ＧＨｚな
どがあり、それぞれＩＳＯ規格などで規定される。もちろん、アンテナ回路１５２１とリ
ーダ／ライタ間で送受信される信号の周波数はこれに限定されず、例えばサブミリ波であ
る３００ＧＨｚ〜３ＴＨｚ、ミリ波である３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚ、マイクロ波である
３ＧＨｚ〜３０ＧＨｚ、極超短波である３００ＭＨｚ〜３ＧＨｚ、超短波である３０ＭＨ
ｚ〜３００ＭＨｚのいずれの周波数も用いることができる。また、アンテナ回路１５２１
とリーダ／ライタ間で送受信される信号は、搬送波を変調した信号である。搬送波の変調
方式は、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でよい。好ましくは、振幅変調または周波数変調である。
【０１６１】
発振回路１５２６から出力された発振信号は、クロック信号として論理回路１５２７に供
給される。また、変調された搬送波は復調回路１５２５で復調される。復調後の信号も論
理回路１５２７に送られ解析される。論理回路１５２７で解析された信号はメモリコント
ロール回路１５２８に送られる。メモリコントロール回路１５２８はメモリ回路１５２９
を制御し、メモリ回路１５２９に記憶されたデータを取り出し、論理回路１５３０に送る
。論理回路１５３０に送られた信号は論理回路１５３０でエンコード処理されたのちアン
プ１５３１で増幅され、その信号によって変調回路１５３２は搬送波に変調をかける。こ
の変調された搬送波によりリーダ／ライタがＲＦＩＤタグ１５２０からの信号を認識する
。
【０１６２】
整流回路１５２３に入った搬送波は整流された後、電源回路１５２４に入力される。この
ようにして得られた電源電圧を電源回路１５２４より復調回路１５２５、発振回路１５２
６、論理回路１５２７、メモリコントロール回路１５２８、メモリ回路１５２９、論理回
路１５３０、アンプ１５３１、変調回路１５３２などに供給する。
【０１６３】
信号処理回路１５２２とアンテナ回路１５２１におけるアンテナとの接続については特に
限定されない。例えばアンテナと信号処理回路１５２２をワイヤボンディング接続やバン
プ接続を用いて接続する、あるいはチップ化した信号処理回路１５２２の一面を電極にし
てアンテナに貼り付ける。信号処理回路１５２２とアンテナとの貼り付けにはＡＣＦ（ａ
ｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｆｉｌｍ；異方性導電性フィルム）を用
いることができる。
【０１６４】
アンテナは、信号処理回路１５２２と共に同じ基板上に積層して設けるか、外付けのアン
テナを用いる。もちろん、信号処理回路の上部もしくは下部にアンテナが設けられる。整
流回路５０３は、アンテナ回路１５２１が受信する搬送波により誘導される交流信号を直
流信号に変換する。
【０１６５】
ＲＦＩＤタグ１５２０はバッテリー１５８１を有してもよい（図１７）。整流回路１５２
３から出力される電源電圧が、信号処理回路１５２２を動作させるのに十分でないときに
は、バッテリー１５８１からも信号処理回路１５２２を構成する各回路、例えば復調回路
１５２５、発振回路１５２６、論理回路１５２７、メモリコントロール回路１５２８、メ
モリ回路１５２９、論理回路１５３０、アンプ１５３１、変調回路１５３２などに電源電
圧を供給する。
【０１６６】
整流回路１５２３から出力される電源電圧のうちの余剰分をバッテリー１５８１に充電す
れば良い。ＲＦＩＤタグにアンテナ回路１５２１及び整流回路１５２３とは別にさらにア
ンテナ回路及び整流回路を設けることにより、無作為に生じている電磁波等からバッテリ
ー１５８１に蓄えるエネルギーを得ることができる。
【０１６７】
バッテリーに充電することで連続的に使用できる。バッテリーはシート状に形成された電
池を用いる。例えばゲル状電解質を用いるリチウムポリマー電池や、リチウムイオン電池
、リチウム２次電池等を用いると、バッテリーの小型化が可能である。例えばニッケル水
素電池、ニッケルカドミウム電池などが挙げられる。または大容量のコンデンサーなどを
用いる。
【０１６８】
（実施の形態５）
本実施形態では、上記実施形態で示したＲＦＩＤタグ１５２０の使用例を示す（図１８）
。
【０１６９】
ＲＦＩＤタグ１５２０の用途は広範にわたるが、例えば、紙幣、硬貨、有価証券類、無記
名債券類、証書類（運転免許証や住民票等、図１８（Ａ））、包装用容器類（包装紙やボ
トル等、図１８（Ｃ））、記録媒体（ＤＶＤソフトやビデオテープ等、図１８（Ｂ））、
乗り物類（自転車等、図１８（Ｄ））、身の回り品（鞄や眼鏡等）、食品類、植物類、動
物類、人体、衣類、生活用品類、または電子機器（液晶表示装置、ＥＬ表示装置、テレビ
ジョン装置、または携帯電話）等の物品、若しくは各物品に取り付ける荷札（図１８（Ｅ
）、図１８（Ｆ））等に設けて使用することができる。
【０１７０】
ＲＦＩＤタグ１５２０は、プリント基板に実装、表面に貼る、または埋め込むことにより
、物品に固定される。例えば、本であれば紙に埋め込む、または有機樹脂からなるパッケ
ージであれば当該有機樹脂に埋め込み、各物品に固定される。ＲＦＩＤタグ１５２０は、
小型、薄型、軽量を実現するため、物品に固定した後もその物品自体のデザイン性を損な
うことがない。また、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、または証書類等にＲＦＩ
Ｄタグ１５２０を設けることにより、認証機能を設けることができ、この認証機能を活用
すれば、偽造を防止することができる。また、包装用容器類、記録媒体、身の回り品、食
品類、衣類、生活用品類、または電子機器等に本発明の半導体装置を取り付けることによ
り、検品システム等のシステムの効率化を図ることができる。また、乗り物類であっても
、ＲＦＩＤタグ１５２０を取り付けることにより、盗難などに対するセキュリティ性を高
めることができる。
【実施例】
【０１７１】
チャネル部が酸化物半導体層を用いて作製した薄膜トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性を測定
した一例を図１９に示す。図１９（Ａ）は紫外線照射前の薄膜トランジスタのＩｄ−Ｖｇ
特性である。図１９（Ｂ）は紫外線照射した薄膜トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性である。
図中のＶＤＳはソース−ドレイン間電圧を示す。紫外線の波長は２５４ｎｍ、紫外線強度
は０．０６ｍＷ／ｃｍ２、照射時間は３分である。チャネルにはＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系
の酸化物半導体を用いた。ＴＦＴの構造は図９に示した酸化物半導体を用いた薄膜トラン
ジスタのボトムゲート型である。紫外線はチャネルの上方からチャネルに向けて照射して
いる。
【０１７２】
ＴＦＴに紫外線を照射すると、照射前のしきい値電圧−０．５４Ｖ，  Ｓ値０．０６４が
紫外線照射後のしきい値−２．１６Ｖ、Ｓ値０．１８に変化している。この現象を用いて
チャネルが酸化物半導体からなるトランジスタを駆動させる。
【符号の説明】
【０１７３】
１０    基板
１１    ゲート電極層
１２    ゲート絶縁層
１３    酸化物半導体層
１４    酸化物半導体層
１５ａ    ソース電極層
１５ｂ    ドレイン電極層
１６    酸化物絶縁層
１７    チャネル形成領域
１８ａ    高抵抗ソース領域
１８ｂ    高抵抗ドレイン領域
１９    バックゲート電極層
３５    基板
３６    絶縁層
３８    ドレイン領域
３７    シリコン層
３８    ドレイン領域
４０    チャネル
４１    ゲート絶縁層
４２    ゲート電極層
４３    層間絶縁層
４４    層間絶縁層
４５    ソース電極層
４６    ドレイン電極層
４９    層間絶縁層
５１    ゲート絶縁層
５２    酸化物半導体層
５３    ソース電極層
５４    ドレイン電極層
５５    ゲート電極層
１０１    ワード線
１０２    ワード線
１０５    ビット線
１０６    ビット線
１１０    薄膜トランジスタ
１１１    薄膜トランジスタ
１１２    薄膜トランジスタ
１１３    薄膜トランジスタ
１１４    ビット
１１５    ビット
１１６    ビット
１１７    ビット
１２０    グランド
１３０    酸化物半導体層
２００    マスク
２０１    マスク
４０１    Ｉｄ−Ｖｇ特性
４０１    薄膜トランジスタ特性
４０２    Ｉｄ−Ｖｇ特性
４０２    薄膜トランジスタ特性
４５０    窒素雰囲気下
５０３    整流回路
６００    ＶＤＤ
６０１    列デコーダー
６０２    行デコーダー
６０３    薄膜トランジスタ
６０４    薄膜トランジスタ
６０５    薄膜トランジスタ
６０６    薄膜トランジスタ
６１１    列スイッチ
６１２    列スイッチ
６１４    薄膜トランジスタ
６１５    アンプ
６１６    出力端子
６１７    出力配線
６２１    ビット線（データ線）
６２２    ビット線
６２４    グランド
６２５    グランド
６３１    ワード線
６３２    ワード線
６３５    ビット
６３６    ビット
６３７    ビット
６３８    ビット
１１０１    列デコーダー
１１０２    行デコーダー
１１０３    ビット
１１０４    ビット
１１０５    ビット
１１０６    ビット
１１１１    列スイッチ
１１１４    薄膜トランジスタ
１１１５    アンプ
１１１６    出力部
１１１７    供給線
１１１８    グランド
１１２１    ビット線
１１２２    ビット線
１１３１    ワード線
１１３２    ワード線
１１４１    薄膜トランジスタ
１１４２    薄膜トランジスタ
１１４３    電位ＶＤＤ
１１４４    薄膜トランジスタ
１１４５    薄膜トランジスタ
１１４６    電位ＶＤＤ
１１４７    薄膜トランジスタ
１１４８    薄膜トランジスタ
１１５０    薄膜トランジスタ
１１５１    薄膜トランジスタ
１１５２    ＶＤＤ
１２０１    Ｉｄ−Ｖｇカーブ
１３００    マスク
１３０１    マスク
１３０２    矢印
１５００    メモリモジュール
１５０１    メモリセル領域
１５０２    メモリセル領域
１５０３    インターフェース
１５０４    行デコーダー
１５０５    行デコーダー
１５０６    列デコーダー
１５０７    ワード線
１５０９    ビット線
１５２０    ＲＦＩＤタグ
１５２１    アンテナ回路
１５２２    信号処理回路
１５２３    整流回路
１５２４    電源回路
１５２５    復調回路
１５２６    発振回路
１５２７    論理回路
１５２８    メモリコントロール回路
１５２９    メモリ回路
１５３０    論理回路
１５３１    アンプ
１５３２    変調回路
１５８１    バッテリー
【図１】
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【図２】
0005961289.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
0005961289.tif 000006
【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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