(57)【要約】【課題】多値のデータを保存するメモリセルにおいて、トランジスタの特性ばらつきに影響を受けにくく、書き込みに要する時間を短縮し、容易に書き込み出来ること、および正確な読み出しを行う。【解決手段】書き込みの際は、多値データに相当する電流をメモリセルのトランジスタに流し、メモリセルのトランジスタのゲート−ドレイン間電圧として保存する。読み出しの際は、保存したゲート−ドレイン間電圧によりメモリセルのトランジスタに電流を流し、この電流と等しい電流を生成するために供給した電圧から多値データを求める。【選択図】図１
2019195087.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メモリセルと、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、回路と、第１乃至第４の配線と、を有し、
前記メモリセルは、前記第１の配線と電気的に接続され、
前記第１のトランジスタのソースおよびドレインの一方は、前記第１の配線と電気的に接続され、
前記第１のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、前記第２の配線と電気的に接続され、
前記第１のトランジスタのゲートは、前記第３の配線と電気的に接続され、
前記第２のトランジスタのソースおよびドレインの一方は、前記回路と電気的に接続され、
前記第２のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、前記第１の配線と電気的に接続され、
前記第２のトランジスタのゲートは、前記第４の配線と電気的に接続され
前記回路は、前記第１の配線に流れる電流と前記第１のトランジスタに流れる電流とが等しいか否かを検出する機能を有する半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一態様は、半導体装置、または、その動作方法等に関する。例えば、本発明の一
態様は、記憶装置、または、その動作方法等に関する。
【０００２】
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の
一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明
の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・
オブ・マター）に関するものである。そのため、より具体的に本明細書で開示する本発明
の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、照明装
置、蓄電装置、記憶装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法、を一例として
挙げることができる。
【背景技術】
【０００３】
近年、扱われるデータ量の増大に伴って、大きな記憶容量を有する半導体装置が求められ
ている。そうした中で、特許文献１に記載の半導体装置では、多値のデータを記憶し、該
データを読み出す構成について開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２５６４００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
記憶装置では、微細化によりメモリセルの面積を縮小することで、単位記憶容量当りの製
造コストの低減が可能となる。また、フラッシュメモリでは、メモリセルに１ビット以上
のデータ、所謂多値データを記憶する構成とすることで、１ビットあたりの面積が縮小し
、単位記憶容量当りの製造コストの低減が可能となる。
【０００６】
フラッシュメモリは、メモリセルにおけるトランジスタのフローティングゲートに蓄積さ
れた電荷量に応じて当該トランジスタの閾値電圧が異なることを利用して、データの記憶
を行っている。
【０００７】
各メモリセルにおけるトランジスタで特性ばらつきがあると、同一の書き込み条件（電圧
、時間など）でデータを書き込んでも、当該トランジスタのフローティングゲートに蓄積
される電荷量は異なり、また、閾値電圧も異なる。すなわち、各メモリセルには異なるデ
ータとして書き込まれることになる。
【０００８】
上記問題を回避する方法として、データを逐次読み出しながら所望の閾値電圧になるまで
データを書き込む方法、所謂ベリファイ駆動があるが、書き込んだデータを逐一読み出し
て、所望のデータと一致することを確認する動作となるため、データ書き込みに要する時
間が長くなる。特に、メモリセルに多値データを記憶する構成とする場合には、閾値電圧
を狭い電圧範囲に収める必要があるため、データ書き込みに要する時間が膨大になる。
【０００９】
本発明の一態様は、トランジスタの電気特性のばらつきに影響を受けにくい多値データを
書き込むことができる半導体装置を提供することを課題とする。または、多値データの書
き込みに要する時間を短縮することを課題とする。または、多値データの読み出しを正確
に行うことを課題とする。または、新規な半導体装置、または、新規な半導体装置の動作
方法、または、新規な半導体装置の作製方法を提供することを課題とする。
【００１０】
なお、複数の課題の記載は、互いの課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一
態様は、これらの課題の全て解決する必要はない。また、列記した以外の課題が、明細書
、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、これらの課題も、本発
明の一態様の課題となり得る。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様は、メモリセルと第１乃至第５の配線とを有し、メモリセルは、第１のト
ランジスタと第２のトランジスタと第３のトランジスタと第１の容量素子と第１の配線と
、第２の配線と第３の配線と第４の配線と第５の配線を有し、第１のトランジスタのソー
スおよびドレインの一方は、第１の配線に電気的に接続され、第１のトランジスタのソー
スおよびドレインの他方は、第１の容量素子の一方の端子と第２のトランジスタのソース
およびドレインの一方とに電気的に接続され、第１のトランジスタのゲートは、第１の容
量素子の他方の端子と第３のトランジスタのソースおよびドレインの一方に電気的に接続
され、第２のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、第５の配線に電気的に接続
され、第２のトランジスタのゲートは、第３の配線に電気的に接続され、第３のトランジ
スタのソースおよびドレインの他方は、第２の配線に電気的に接続され、第３のトランジ
スタのゲートは、第４の配線に電気的に接続されている半導体装置である。
【００１２】
上記態様に係る半導体装置は、さらに第４のトランジスタと第５のトランジスタと第１の
回路と第６乃至第８の配線とを有していてもよい。第４のトランジスタのソースおよびド
レインの一方は、第５の配線に電気的に接続され、第４のトランジスタのソースおよびド
レインの他方は、第８の配線に電気的に接続され、第４のトランジスタのゲートは、第６
の配線に電気的に接続され、第５のトランジスタのソースおよびドレインの一方は、第１
の回路に電気的に接続され、第５のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、第５
の配線に電気的に接続され、第５のトランジスタのゲートは、第７の配線に電気的に接続
され、第１の回路は、第５の配線に流れる電流と第４のトランジスタに流れる電流とが等
しいか否かを検出する機能を有する。
【００１３】
本発明の一態様は、メモリセルと第４のトランジスタと第５のトランジスタと第１の回路
と第１の配線と第６乃至第８の配線とを有し、メモリセルは、第１の配線に電気的に接続
され、第４のトランジスタのソースおよびドレインの一方は、第１の配線に電気的に接続
され、第４のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、第８の配線に電気的に接続
され、第４のトランジスタのゲートは、第６の配線に電気的に接続され、第５のトランジ
スタのソースおよびドレインの一方は、第１の回路に電気的に接続され、第５のトランジ
スタのソースおよびドレインの他方は、第１の配線に電気的に接続され、第５のトランジ
スタのゲートは、第７の配線に電気的に接続され、第１の回路は、前記第１の配線に流れ
る電流と前記第４のトランジスタに流れる電流とが等しいか否かを検出する機能を有する
半導体装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の一態様により、トランジスタの特性ばらつきに影響を受けにくく、多値データを
書き込むことができる半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様によ
り、多値データの書き込みに要する時間を短縮することが可能になる。または、多値デー
タの読み出しを正確に行うことが可能になる。また、多値のデータを容易に書き込むこと
が可能になる。または、本発明の一態様により、新規な半導体装置、または、新規な半導
体装置の動作方法、または、新規な半導体装置の作製方法を提供することが可能になる。
【００１５】
これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は
、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細
書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求
項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】メモリセルと書き込み／読み出し回路の一例を示す回路図。
【図２】メモリセルと書き込み／読み出し回路の動作例を示すタイミングチャート。
【図３】書き込み／読み出し回路の一例を示す回路図。
【図４】半導体装置の構成例を示すブロック図。
【図５】行ドライバの一例を示す回路ブロック図。
【図６】列ドライバの一例を示す回路ブロック図。
【図７】半導体装置の動作例を示すタイミングチャート。
【図８】半導体装置の動作例を示すタイミングチャート。
【図９】トランジスタの構成例を示す上面図および断面図。
【図１０】トランジスタの構成例を示す断面図およびバンド図。
【図１１】Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の組成を説明する三角図。
【図１２】トランジスタの構成例を示す上面図および断面図。
【図１３】トランジスタの構成例を示す上面図および断面図。
【図１４】トランジスタの構成例を示す上面図および断面図。
【図１５】トランジスタの構成例を示す上面図および断面図。
【図１６】トランジスタの構成例を示す上面図および断面図。
【図１７】半導体装置の構成例を示す断面図。
【図１８】トランジスタの構成例を示す断面図。
【図１９】ＣＰＵの一例を示すブロック図。
【図２０】ＲＦＩＣの一例を示すブロック図。
【図２１】電子部品の一例を示す図。
【図２２】電子機器の一例を示す図。
【図２３】ＲＦＩＣの使用例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、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。従って、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。なお、以下に説明する発明の構成において
、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用いる
。
【００１８】
本明細書において、”第１”、”第２”、”第３”という序数詞は構成要素の混同を避け
るために付す場合があり、この場合は数的に限定するものではなく、また順序を限定する
ものでもない。この場合は、例えば、「第１の」を「第２の」又は「第３の」などと置き
換えることが可能である。
【００１９】
トランジスタの「ソース」や「ドレイン」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用す
る場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。
このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」という用語は、入れ替えて用
いることができるものとする。
【００２０】
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。なお
、電位とは、相対的なものである。よって、接地電位と記載されていても、必ずしも、０
Ｖを意味しない場合もある。
【００２１】
例えば、本明細書等において、ＸとＹとが接続されている、と明示的に記載されている
場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合と、ＸとＹとが機能的に接続されている
場合と、ＸとＹとが直接接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとす
る。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定され
ず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に記載されているもの
とする。
【００２２】
ここで、Ｘ、Ｙは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層
、など）であるとする。
【００２３】
ＸとＹとが直接的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可
能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダ
イオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に接続されていない場合で
あり、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容
量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）を介さず
に、ＸとＹとが、接続されている場合である。
【００２４】
ＸとＹとが電気的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可
能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダ
イオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されること
が可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、ス
イッチは、導通状態（オン状態）、または、非導通状態（オフ状態）になり、電流を流す
か流さないかを制御する機能を有している。または、スイッチは、電流を流す経路を選択
して切り替える機能を有している。なお、ＸとＹとが電気的に接続されている場合は、Ｘ
とＹとが直接的に接続されている場合を含むものとする。
【００２５】
ＸとＹとが機能的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの機能的な接続を可能
とする回路（例えば、論理回路（インバータ、ＮＡＮＤ回路、ＮＯＲ回路など）、信号変
換回路（ＤＡ変換回路、ＡＤ変換回路、ガンマ補正回路など）、電位レベル変換回路（電
源回路（昇圧回路、降圧回路など）、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など）
、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路（信号振幅または電流量などを大きく出来る
回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など）、信号生成
回路、記憶回路、制御回路など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能であ
る。なお、一例として、ＸとＹとの間に別の回路を挟んでいても、Ｘから出力された信号
がＹへ伝達される場合は、ＸとＹとは機能的に接続されているものとする。なお、ＸとＹ
とが機能的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合と、ＸとＹ
とが電気的に接続されている場合とを含むものとする。
【００２６】
なお、ＸとＹとが電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹ
とが電気的に接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の素子又は別の回路を挟ん
で接続されている場合）と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合（つまり、ＸとＹと
の間に別の回路を挟んで機能的に接続されている場合）と、ＸとＹとが直接接続されてい
る場合（つまり、ＸとＹとの間に別の素子又は別の回路を挟まずに接続されている場合）
とが、本明細書等に開示されているものとする。つまり、電気的に接続されている、と明
示的に記載されている場合は、単に、接続されている、とのみ明示的に記載されている場
合と同様な内容が、本明細書等に開示されているものとする。
【００２７】
なお、例えば、トランジスタのソース（又は第１の端子など）が、Ｚ１を介して（又は介
さず）、Ｘと電気的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）が、Ｚ
２を介して（又は介さず）、Ｙと電気的に接続されている場合や、トランジスタのソース
（又は第１の端子など）が、Ｚ１の一部と直接的に接続され、Ｚ１の別の一部がＸと直接
的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）が、Ｚ２の一部と直接的
に接続され、Ｚ２の別の一部がＹと直接的に接続されている場合では、以下のように表現
することが出来る。
【００２８】
例えば、「ＸとＹとトランジスタのソース（又は第１の端子など）とドレイン（又は第２
の端子など）とは、互いに電気的に接続されており、Ｘ、トランジスタのソース（又は第
１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙの順序で電気的に
接続されている。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース（又は第
１の端子など）は、Ｘと電気的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子な
ど）はＹと電気的に接続され、Ｘ、トランジスタのソース（又は第１の端子など）、トラ
ンジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙは、この順序で電気的に接続されている
」と表現することができる。または、「Ｘは、トランジスタのソース（又は第１の端子な
ど）とドレイン（又は第２の端子など）とを介して、Ｙと電気的に接続され、Ｘ、トラン
ジスタのソース（又は第１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など
）、Ｙは、この接続順序で設けられている」と表現することができる。これらの例と同様
な表現方法を用いて、回路構成における接続の順序について規定することにより、トラン
ジスタのソース（又は第１の端子など）と、ドレイン（又は第２の端子など）とを、区別
して、技術的範囲を決定することができる。
【００２９】
または、別の表現方法として、例えば、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）
は、少なくとも第１の接続経路を介して、Ｘと電気的に接続され、前記第１の接続経路は
、第２の接続経路を有しておらず、前記第２の接続経路は、トランジスタを介した、トラ
ンジスタのソース（又は第１の端子など）とトランジスタのドレイン（又は第２の端子な
ど）との間の経路であり、前記第１の接続経路は、Ｚ１を介した経路であり、トランジス
タのドレイン（又は第２の端子など）は、少なくとも第３の接続経路を介して、Ｙと電気
的に接続され、前記第３の接続経路は、前記第２の接続経路を有しておらず、前記第３の
接続経路は、Ｚ２を介した経路である。」と表現することができる。または、「トランジ
スタのソース（又は第１の端子など）は、少なくとも第１の接続経路によって、Ｚ１を介
して、Ｘと電気的に接続され、前記第１の接続経路は、第２の接続経路を有しておらず、
前記第２の接続経路は、トランジスタを介した接続経路を有し、トランジスタのドレイン
（又は第２の端子など）は、少なくとも第３の接続経路によって、Ｚ２を介して、Ｙと電
気的に接続され、前記第３の接続経路は、前記第２の接続経路を有していない。」と表現
することができる。または、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、少なく
とも第１の電気的パスによって、Ｚ１を介して、Ｘと電気的に接続され、前記第１の電気
的パスは、第２の電気的パスを有しておらず、前記第２の電気的パスは、トランジスタの
ソース（又は第１の端子など）からトランジスタのドレイン（又は第２の端子など）への
電気的パスであり、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）は、少なくとも第３
の電気的パスによって、Ｚ２を介して、Ｙと電気的に接続され、前記第３の電気的パスは
、第４の電気的パスを有しておらず、前記第４の電気的パスは、トランジスタのドレイン
（又は第２の端子など）からトランジスタのソース（又は第１の端子など）への電気的パ
スである。」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成
における接続経路について規定することにより、トランジスタのソース（又は第１の端子
など）と、ドレイン（又は第２の端子など）とを、区別して、技術的範囲を決定すること
ができる。
【００３０】
なお、これらの表現方法は、一例であり、これらの表現方法に限定されない。ここで、Ｘ
、Ｙ、Ｚ１、Ｚ２は、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、
層、など）であるとする。
【００３１】
また、回路図上は独立している構成要素同士が電気的に接続しているように図示されてい
る場合であっても、１つの構成要素が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合もあ
る。例えば配線の一部が電極としても機能する場合は、一の導電膜が、配線及び電極両方
の構成要素の機能を併せ持っている。したがって、本明細書における電気的に接続とは、
このような一の導電膜が複数の構成要素の機能を併せ持っている場合も、その範疇に含め
る。
【００３２】
なお、本明細書等においては、能動素子（トランジスタ、ダイオードなど）、受動素子（
容量素子、抵抗素子など）などが有するすべての端子について、その接続先を特定しなく
ても、当業者であれば、発明の一態様を構成することは可能な場合がある。つまり、接続
先を特定しなくても、発明の一態様が明確であると言える。そして、接続先が特定された
内容が、本明細書等に記載されている場合、接続先を特定しない発明の一態様が、本明細
書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。特に、端子の接続先が複数の
ケース考えうる場合には、その端子の接続先を特定の箇所に限定する必要はない。したが
って、能動素子（トランジスタ、ダイオードなど）、受動素子（容量素子、抵抗素子など
）などが有する一部の端子についてのみ、その接続先を特定することによって、発明の一
態様を構成することが可能な場合がある。
【００３３】
なお、本明細書等においては、ある回路について、少なくとも接続先を特定すれば、当業
者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。または、ある回路について、少な
くとも機能を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。つ
まり、機能を特定すれば、発明の一態様が明確であると言える。そして、機能が特定され
た発明の一態様が、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。し
たがって、ある回路について、機能を特定しなくても、接続先を特定すれば、発明の一態
様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。または
、ある回路について、接続先を特定しなくても、機能を特定すれば、発明の一態様として
開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。
【００３４】
（実施の形態１）
本発明の一態様に係る半導体装置を、図１乃至図３を用いて説明する。
【００３５】
図１（Ａ）に、メモリセル１００と書き込み／読み出し回路２００の構成例を示す。
【００３６】
メモリセル１００は、トランジスタ１０１と、トランジスタ１０２と、トランジスタ１０
３と、容量素子１０４とを有する。メモリセル１００には、配線ＶＨ、配線ＶＴから電圧
が供給され、配線ＳＥ、配線ＴＣから制御信号が供給され、配線ＢＬにメモリセルのデー
タが入出力される。
【００３７】
トランジスタ１０１のドレインは配線ＶＨに接続され、トランジスタ１０１のソースは容
量素子１０４の第１の端子とトランジスタ１０２のソースに接続され、トランジスタ１０
１のゲートは容量素子１０４の第２の端子とトランジスタ１０３のドレインに接続されて
いる。トランジスタ１０２のドレインは配線ＢＬに接続され、トランジスタ１０２のゲー
トは配線ＳＥに接続されている。トランジスタ１０３のソースは配線ＶＴに接続され、ト
ランジスタ１０３のゲートは配線ＴＣに接続されている。
【００３８】
書き込み／読み出し回路２００は、トランジスタ１１１とトランジスタ１１２と読み出し
検出回路２０１を有する。読み出し検出回路２０１は、電流の検出機能を有し、読み出し
検出回路２０１が流す電流Ｉｃがゼロとなる時点を検出し、その検出結果を示す信号を出
力する機能を有する。例えば、読み出し検出回路２０１は、配線ＢＬに流れる電流Ｉｂと
トランジスタ１１１が流す電流Ｉｄが等しくなった時点を検出する機能を有する。
【００３９】
メモリセル１００にデータを書き込む際は、トランジスタ１０２とトランジスタ１０３と
を導通状態とし、書き込み／読み出し回路２００のトランジスタ１１２を非導通状態とし
、トランジスタ１１１のゲートに配線ＢＲからデータに対応した電圧を印加する。
【００４０】
トランジスタ１１１に流れる電流Ｉｄと等しい電流をトランジスタ１０１が流し、その際
、トランジスタ１０１のゲート−ソース間電圧は、トランジスタ１１１に流れる電流Ｉｄ
に応じた電圧となる。安定して均衡がとれた状態となった段階で、トランジスタ１０２と
トランジスタ１０３を非導通状態とすることで、容量素子１０４にトランジスタ１１１に
流れる電流Ｉｄと等しい電流を流すトランジスタ１０１のゲート−ソース間電圧を保存す
る。
【００４１】
データを書き込む際には、データに対応したトランジスタ１１１に流れる電流Ｉｄと、ト
ランジスタ１０１が流す電流Ｉａと、が等しくなるまで、容量素子１０４の電圧が変化す
る。このような構成とすることで、メモリセル１００を構成するトランジスタの特性ばら
つきに関係なく、または、トランジスタがノーマリオンの特性であっても、多値の所望の
電圧を書き込むことができる。
【００４２】
配線ＢＬにプリチャージ回路を追加し、配線ＢＬを書き込みする電圧範囲の中間の電圧で
プリチャージすることでさらに書き込み時間を短くすることができる。
【００４３】
また、メモリセル１００には保持するそのもののデータに対応した電圧を書きこむので、
データを逐次読み出しながら所望の閾値電圧になるまでデータを書き込む方法、所謂ベリ
ファイ駆動をしなくてもよく、ベリファイ駆動をしないことで、多値のデータの書き込み
を高速かつ容易に行うことができる。
【００４４】
メモリセル１００からデータを読み出す際は、トランジスタ１０２を導通状態とし、トラ
ンジスタ１０３を非導通状態とし、書き込み／読み出し回路２００のトランジスタ１１２
を導通状態とする。
【００４５】
容量素子１０４に保持された電圧がトランジスタ１０１のゲート−ソース間電圧となり、
トランジスタ１０１には書き込みの際と同じ大きさの電流Ｉａが流れる。トランジスタ１
０２が導通、トランジスタ１０３が非導通なのでトランジスタ１０１の電流Ｉａは、配線
ＢＬに流れる。配線ＢＬに他のリーク等がなければ、配線ＢＬに流れる電流Ｉｂは、ほぼ
トランジスタ１０１の流す電流Ｉａとなる。
【００４６】
ここでトランジスタ１１１のゲートに印加する配線ＢＲの電圧をスイープすると、読み出
し検出回路の流す電流Ｉｃには、トランジスタ１１１が流す電流Ｉｄに対して、配線ＢＬ
に流れる電流Ｉｂとの差分の電流が流れる。
【００４７】
読み出し検出回路２０１は、電流の検出機能を有し、読み出し検出回路２０１が流す電流
がゼロとなる時点を出力する機能を有する。つまり、配線ＢＬに流れる電流Ｉｂとトラン
ジスタ１１１が流す電流Ｉｄが等しくなった時点を検出することができる。
【００４８】
読み出し検出回路２０１は、トランジスタ１１１のゲートに印加する電圧をスイープし、
配線ＢＬに流れる電流Ｉｂと、トランジスタ１１１が流す電流Ｉｄと、が等しくなった時
点を検出する。配線ＢＬに流れる電流Ｉｂは、ほぼトランジスタ１０１の流す電流Ｉａと
なるので、トランジスタ１１１が流す電流Ｉｄとトランジスタ１０１の流す電流Ｉａの電
流が同じになる時点を検出することになる。
【００４９】
配線ＢＬに流れる電流Ｉｂと、トランジスタ１１１が流す電流Ｉｄと、が等しくなる時点
つまり、トランジスタ１０１が流す電流Ｉａとトランジスタ１１１が流す電流Ｉｄが等し
くなる時点では、トランジスタ１１１のゲートの電圧は、メモリセル１００にデータを書
き込んだ際のゲートの電圧に等しい。読み出し検出回路２０１は、配線ＢＬに流れる電流
Ｉｂと、トランジスタ１１１が流す電流Ｉｄが等しくなった時点を検出し、その時点のト
ランジスタ１１１のゲートの電圧、つまり、配線ＢＲの電圧を取得することで書き込んだ
データを取得することができる。したがって多値のデータの読み出しを正確に行うことが
可能になる。
【００５０】
トランジスタ１０２とトランジスタ１０３は、非導通状態において容量素子１０４の電圧
を維持する。そのため、非導通状態においてトランジスタ１０２のソース−ドレイン間の
リーク電流とトランジスタ１０３のソース−ドレイン間のリーク電流は、極力低いことが
求められる。つまり、一例としては、オフ電流が少ないトランジスタが用いられることが
好適である。オフ電流が少ないトランジスタとしては、例えば、半導体層に酸化物半導体
を有するトランジスタが挙げられる。
【００５１】
トランジスタ１０１とトランジスタ１１１をＰｃｈトランジスタとすることも可能である
。図１（Ｂ）に、トランジスタ１０１とトランジスタ１１１にＰｃｈトランジスタを用い
たメモリセル１００と書き込み／読み出し回路２００の構成例を示す。
【００５２】
読み出し検出回路２０１の回路構成の一例を含めた書き込み／読み出し回路２００の回路
図の一例を図３に示す。
【００５３】
読み出し検出回路２０１は、トランジスタ２１１乃至トランジスタ２１６、コンパレータ
ＣＭＰ、インバータ２２１、およびインバータ２２２を有する。読み出し検出回路２０１
には、配線ＶＤＤ、配線ＶＲｅｆ、配線ＶＳＳ、配線ＶＳＳ２から電圧が供給され、配線
ＢＲ、配線ＢＣ、配線ＢＯから制御信号が供給され、配線ＯＬに信号が出力される。
【００５４】
トランジスタ１１１のソースは配線ＶＬに、トランジスタ１１１のドレインは配線ＢＬに
、トランジスタ１１１のゲートは配線ＢＲに接続されている。トランジスタ１１２のソー
スはトランジスタ２１１のドレインに、トランジスタ１１２のドレインは配線ＢＬに、ト
ランジスタ１１２のゲートは配線ＢＣに接続されている。トランジスタ２１１のソースは
トランジスタ２１１のゲートとコンパレータＣＭＰの第１の入力端子に接続されている。
トランジスタ２１２のソースは配線ＶＤＤに、トランジスタ２１２のドレインはコンパレ
ータＣＭＰの第１の入力端子に、トランジスタ２１２のゲートはコンパレータＣＭＰの出
力端子に接続されている。トランジスタ２１３のソースは配線ＶＤＤに、トランジスタ２
１３のドレインは配線ＳＴに、トランジスタ２１３のゲートはコンパレータＣＭＰの出力
端子に接続されている。トランジスタ２１４のソースは配線ＶＳＳに、トランジスタ２１
４のドレインは配線ＳＴに、トランジスタ２１４のゲートは配線ＢＯに接続されている。
トランジスタ２１５のソースは配線ＶＳＳ２に、トランジスタ２１５のドレインは配線Ｏ
Ｌに、トランジスタ２１５のゲートは配線ＢＯに接続されている。トランジスタ２１６の
ソースは配線ＶＳＳ２に、トランジスタ２１６のドレインはインバータ２２１の入力端子
に、トランジスタ２１６のゲートは配線ＳＴに接続されている。インバータ２２１の出力
端子は配線ＯＬに接続されている。インバータ２２２の入力端子は配線ＯＬに、インバー
タ２２２の出力端子はインバータ２２１の入力端子に接続されている。
【００５５】
コンパレータの第２の入力端子は配線ＶＲｅｆに接続されている。なお、インバータ２２
１とインバータ２２２は配線ＯＬのデータを保持するラッチ回路を構成し、当該ラッチ回
路は、トランジスタ２１５のゲートが”Ｈ”となるとリセット、すなわち、配線ＯＬは”
Ｌ”となり、トランジスタ２１６のゲートが”Ｈ”となるとセット、すなわち、配線ＯＬ
は”Ｈ”となる。
【００５６】
これらの構成により、読み出し検出回路２０１は、配線ＢＬが流す電流Ｉｂと、トランジ
スタ１１１が流す電流Ｉｄの電流が等しくなった時点を検出することができる。
【００５７】
図２は、メモリセル１００及び書き込み／読み出し回路２００の動作例を示すタイミング
チャートである。ここで、配線ＶＨは高電圧、配線ＶＴは高電圧、配線ＶＬは低電圧、配
線ＶＳＳは低電圧、配線ＶＳＳ２は低電圧、配線ＶＲｅｆは調整電圧が入力されることと
する。
【００５８】
図２において、時刻Ｔ１―時刻Ｔ３では、メモリセル１００へのデータ書き込み動作が行
われる。時刻Ｔ１―時刻Ｔ２において、配線ＳＥを”Ｈ”、配線ＴＣを”Ｈ”、配線ＢＲ
を書き込みデータに対応した書き込み電圧とする。ここで、書き込み電圧は、書き込みデ
ータに一意に対応する電圧とする。
【００５９】
書き込み電圧は、具体的には、多ビットの書き込みデータを入力とするＤ／Ａコンバータ
で生成する構成が好ましい。なお、トランジスタ１１１が飽和領域で動作する範囲で配線
ＢＲの電圧を設定する。
【００６０】
この時、容量素子１０４の第２の端子の電圧は、配線ＶＴの電圧となる。また、トランジ
スタ１０１を介して流れる電流Ｉａが、トランジスタ１１１が流しうる電流Ｉｄより大き
い場合、容量素子１０４の第１の端子の電圧が上昇し、トランジスタ１０１を介して流れ
る電流Ｉａが、トランジスタ１１１が流しうる電流Ｉｄと等しくなった時点で、容量素子
１０４の第１の端子の電圧が一定となる。
【００６１】
すなわち、容量素子１０４の電圧が一定となるが、この電圧は、トランジスタ１１１のゲ
ートの電圧、つまり、前記書き込み電圧に対応する。
【００６２】
時刻Ｔ２―時刻Ｔ３において、配線ＳＥを”Ｈ”、配線ＴＣを”Ｌ”、配線ＢＲを前記書
き込み電圧とする。この期間、容量素子１０４は電圧を保持する。
【００６３】
時刻Ｔ４―時刻Ｔ７では、メモリセル１００からのデータ読み出し動作が行われる。
【００６４】
時刻Ｔ４―時刻Ｔ５において、配線ＢＯを”Ｈ”とする。この時、配線ＳＴは”Ｌ”とな
り、配線ＯＬは”Ｌ”にリセットされる。
【００６５】
時刻Ｔ５―時刻Ｔ７において、配線ＳＥを”Ｈ”、配線ＢＣを”Ｈ”、配線ＢＯを”Ｌ”
とし、配線ＢＲの電圧を低電圧から高電圧に徐々に昇圧していく。なお、トランジスタ１
１１は飽和領域で動作する範囲で配線ＢＲの電圧を設定する。
【００６６】
時刻Ｔ５―時刻Ｔ６では、配線ＢＲの電圧を前記書き込み電圧より低い電圧とする。ここ
で、トランジスタ１１１を流れる電流Ｉｄは、トランジスタ１０１が流しうる電流Ｉａよ
り低い。そのため、配線ＢＬの電圧が高くなり、トランジスタ２１１には電流が流れず、
コンパレータＣＭＰの第１の入力端子の電圧も高くなり、コンパレータＣＭＰは”Ｈ”を
出力する。つまり、トランジスタ２１２及びトランジスタ２１３の電流供給能力は低く、
配線ＳＴは”Ｌ”のままとなる。また、配線ＯＬも”Ｌ”のままとなる。
【００６７】
時刻Ｔ６―時刻Ｔ７では、配線ＢＲの電圧を前記書き込み電圧より高い電圧とする。ここ
で、トランジスタ１１１を流れる電流Ｉｄは、トランジスタ１０１が流しうる電流Ｉａよ
り高い。そのため、不足する電流がトランジスタ１１２、トランジスタ２１１を介して流
れ、コンパレータＣＭＰの第１の入力端子の電圧が低くなり、コンパレータＣＭＰは”Ｌ
”を出力する。つまり、トランジスタ２１２及びトランジスタ２１３の電流供給能力は高
くなり、配線ＳＴは”Ｈ”となる。また、配線ＯＬは”Ｈ”にセットされる。
【００６８】
なお、時刻Ｔ６―時刻Ｔ７において、上記の不足する電流が小さくなると、コンパレータ
ＣＭＰの第１の入力端子の電圧は高くなり、コンパレータＣＭＰは”Ｈ”を出力する。以
降、コンパレータＣＭＰは”Ｌ”と”Ｈ”を交互に出しつつ、不足する電流がトランジス
タ１１２、トランジスタ２１１を介して流れることになる。よって、時刻Ｔ６―時刻Ｔ７
において、配線ＳＴは”Ｈ”またはフローティングの状態に交互に切り替わるが、配線Ｓ
Ｔの寄生容量もしくは保持容量により、概ね”Ｈ”を保つ。また、配線ＯＬは、配線ＳＴ
が一度”Ｈ”になったら”Ｈ”を保持し続ける。
【００６９】
ここで、時刻Ｔ６は、配線ＯＬが”Ｌ”から”Ｈ”に切り替わる時点であり、配線ＢＲの
電圧が前記書き込み電圧に等しくなった時点となる。すなわち、メモリセル１００に書き
込まれたデータを配線ＢＲの電圧から取得することができる。
【００７０】
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能
である。
【００７１】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１で説明したメモリセルを有する半導体装置の一例につい
て説明する。
【００７２】
＜半導体装置の構成例＞
図４は半導体装置の構成例を示すブロック図である。
【００７３】
図４に示す半導体装置３００は、メモリセルアレイ３０１、行ドライバ３０２、および列
ドライバ３０３を有する。
【００７４】
メモリセルアレイ３０１は、複数のメモリセル１００、複数の配線ＳＥ、複数の配線ＴＣ
、複数の配線ＢＬ、複数の配線ＶＴを有する。メモリセル１００はｍ行ｎ列（ｍ、ｎは２
以上の整数）のマトリクス状に設けられている。図４には、代表的に、４個のメモリセル
１００、（ｍ−１）行目のワード選択線である配線ＳＥ［ｍ−１］、（ｍ−１）行目のワ
ード制御線である配線ＴＣ［ｍ−１］、ｍ行目のワード選択線である配線ＳＥ［ｍ］、ｍ
行目のワード制御線である配線ＴＣ［ｍ］、（ｎ−１）列目のビット線である配線ＢＬ［
ｎ−１］、ｎ列目のビット線である配線ＢＬ［ｎ］、及び配線ＶＴを示している。また、
メモリセルの寄生容量を同一とするため、メモリ端にｄｕｍｍｙ配線を設けることがあり
、配線ＳＥ［ｄｕｍｍｙ］、配線ＴＣ［ｄｕｍｍｙ］も示している。なおメモリセル１０
０の構成や動作の説明は、実施の形態１の説明を援用する。
【００７５】
なお、図４に示すメモリセルアレイ３０１では、隣り合うメモリセル１００で、配線ＶＴ
を共有化した構成としている。該構成を採用することにより、配線ＶＴが占めていた分の
面積の縮小が図られる。そのため該構成を採用する半導体装置では、単位面積あたりの記
憶容量の向上を図ることができる。
【００７６】
行ドライバ３０２は、書き込みおよび読み出し時に行アドレス値に該当するワード選択線
となる配線ＳＥに接続するメモリセル１００のトランジスタ１０２の導通状態を制御する
機能、及び書き込み時に行アドレス値に該当するワード制御線となる配線ＴＣに接続する
メモリセル１００のトランジスタ１０３の導通状態を制御する機能を備える回路である。
行ドライバ３０２を備えることで、半導体装置３００は、メモリセル１００へのデータの
書き込み及び読み出しを行毎に選択して行うことができる。
【００７７】
列ドライバ３０３は、図１に示す書き込み／読み出し回路２００を有する。図４の例では
、書き込み／読み出し回路２００は列ごと（配線ＢＬごと）に設けられている。列ドライ
バ３０３は、行ドライバ３０２により選択された行のｎ個のメモリセル１００に対してデ
ータを書き込む機能およびデータを読み出す機能を備える回路である。列ドライバ３０３
を備えることで、半導体装置３００は、任意の列を選択して、メモリセル１００へのデー
タの書き込み及び読み出しを行うことができる。
【００７８】
〈行ドライバの構成例〉
図５は、図４に示す行ドライバ３０２の構成例を示すブロック図である。
【００７９】
図５に示す行ドライバ３０２は、デコーダ４０１、及び読み出し書き込み制御回路４０２
を有する。デコーダ４０１には、読み出し書き込み制御回路４０２が行毎に接続される。
また各行の読み出し書き込み制御回路４０２は、ワード選択線となる配線ＳＥ、及びワー
ド制御線となる配線ＴＣに接続される。
【００８０】
デコーダ４０１は、ワード選択線となる配線ＳＥ及びワード制御線となる配線ＴＣが設け
られている行を選択するための信号を出力する機能を備える回路である。具体的には、配
線ＲｏｗＡｄｄｒｅｓｓから行アドレス信号が入力され、該行アドレス信号に従っていず
れかの行の読み出し書き込み制御回路４０２を選択する回路である。デコーダ４０１を備
えることで、行ドライバ３０２は、任意の行を選択して、データの書き込み又は読み出し
を行うことができる。
【００８１】
読み出し書き込み制御回路４０２は、デコーダ４０１で選択された行の、ワード選択信号
及びワード制御信号を出力する機能を備える回路である。具体的には、ＲｏｗＡｄｄｒｅ
ｓｓから入力される信号によってデコーダ４０１が指定した一の読み出し書き込み制御回
路４０２は、配線ＷＥＢから入力される書き込み制御信号、配線ＰＷＳから入力されるパ
ルス幅制御信号、およびデコーダ４０１から入力される制御信号に従ってワード選択信号
又は／およびワード制御信号を出力する。読み出し書き込み制御回路４０２を備えること
で、行ドライバ３０２は、デコーダ４０１が選択した行での、ワード選択信号又は／およ
びワード制御信号を出力することができる。
【００８２】
〈列ドライバの構成例〉
図６は、図４に示す列ドライバ３０３の構成例を示す回路ブロック図である。
【００８３】
図６に示す列ドライバ３０３は、デコーダ（Ｄｅｃｏｄｅｒ）４１１、ラッチ１回路（Ｌ
ａｔｃｈ１）４１２、ラッチ２回路（Ｌａｔｃｈ２）４１３、Ｄ／Ａコンバータ（ＤＡＣ
）４１４、セレクタ回路（ＳＥＬ）４１５、プリチャージ回路（ＰＲＣ）４１６、および
書き込み／読み出し（Ｗ／Ｒ）回路２００を有する。ラッチ１回路４１２、ラッチ２回路
４１３、Ｄ／Ａコンバータ４１４、セレクタ回路４１５および書き込み／読み出し回路２
００は、列毎に設けられる。また各列の書き込み／読み出し回路２００は、ビット線であ
る配線ＢＬに接続される。
【００８４】
デコーダ４１１は、複数の配線ＣｏｌｕｍｎＡｄｄｒｅｓｓから列アドレス信号が入力さ
れ、配線ＷＥＢから書き込み制御信号が入力され、配線ＰＷＬ１、配線ＰＷＬ２からパル
ス幅制御信号が入力され、列アドレス信号に対応する列を選択する。具体的には、列アド
レス信号とパルス幅制御信号が入力され、該列アドレス信号とパルス幅制御信号に従って
いずれかの列のラッチ１回路４１２もしくは、セレクタ回路４１５を選択する回路である
。デコーダ４１１を備えることで、列ドライバ３０３は、任意の列を選択することができ
る。
【００８５】
ラッチ１回路４１２は、複数の配線ＩＮ＿Ｄａｔａから供給される入力データを一時的に
記憶する機能を備える回路である。具体的には、ラッチ１回路４１２は、デコーダ４１１
から選択信号が入力され、該選択信号に従って入力データを記憶し、配線ＬＡＴ１＿Ｄａ
ｔａを介して記憶したデータをＤ／Ａコンバータ４１４に出力する回路である。ラッチ１
回路４１２を備えることで、列ドライバ３０３は、任意のタイミングで書き込むデータを
記憶することができる。
【００８６】
Ｄ／Ａコンバータ４１４は、ラッチ１回路４１２で記憶されたデジタル値のデータを、多
値のデータに対応するアナログ電圧に変換する機能を備えた回路である。具体的にＤ／Ａ
コンバータ４１４は、ラッチ１回路４１２から入力されるデータのビット数が３ビットで
あれば、複数の電圧Ｖ０乃至Ｖ７の８段階の電位のいずれかを選択して、配線ＢＲに出力
する。Ｄ／Ａコンバータ４１４を備えることで、列ドライバ３０３は、メモリセル１００
に書き込むデータを、多値のデータに対応するアナログ電圧に変換することができる。
【００８７】
書き込み／読み出し回路２００は、書き込みと読み出し機能を備えた回路である。書き込
み時は、Ｄ／Ａコンバータ４１４から配線ＢＲを介して書き込み／読み出し回路２００に
多値のデータに対応するアナログ電圧が入力される。書き込み／読み出し回路２００は、
行ドライバ３０２で選択されたメモリセル１００に対して、配線ＢＲから入力された多値
のアナログ電圧に応じた多値のデータを書き込む。書き込み／読み出し回路２００内のト
ランジスタ１１１に流れる電流と該メモリセルのトランジスタ１０１に流れる電流が等し
くなることにより、多値データに応じた電圧が該メモリセル１００の容量素子１０４に保
存される。
【００８８】
読み出し時は、書き込み／読み出し回路２００内のトランジスタ１１１とメモリセル内の
トランジスタ１０１の電流値が同じとなった状態を検出し、配線ＯＬからラッチ信号を出
力する。
【００８９】
ラッチ２回路４１３には、複数の配線ＩＮ＿Ｄａｔａから供給される入力データ、書き込
み／読み出し回路２００の配線ＯＬからラッチ信号が入力される。複数の配線ＬＡＴ２＿
Ｄａｔａより信号を出力する。ラッチ２回路４１３は、書き込み／読み出し回路２００の
配線ＯＬからのラッチ信号のタイミングにあわせて、複数の配線ＩＮ＿Ｄａｔａから供給
されるデータを記憶する機能を有する。
【００９０】
読み出し時において、メモリセルの値との一致を検出するため、複数の配線ＩＮ＿Ｄａｔ
ａには、順次変更したデータが供給される。ラッチ２回路４１３は、書き込み／読み出し
回路２００が生成するラッチ信号が配線ＯＬより入力されたとき、複数の配線ＩＮ＿Ｄａ
ｔａの信号の値を記憶する。複数の配線ＬＡＴ２＿Ｄａｔａより記憶した値を出力する。
すなわち、ラッチ２回路４１３は、メモリセルに記憶されたデータをデジタルデータとし
て記憶する機能を有する。
【００９１】
セレクタ回路４１５は、デコーダ４１１からの選択信号線、ラッチ２回路からの複数の配
線ＬＡＴ２＿Ｄａｔａ、および複数の配線ＯＵＴ＿Ｄａｔａと接続する。セレクタ回路４
１５は、ラッチ２回路からの複数の配線ＬＡＴ２＿Ｄａｔａより、ラッチ２回路で記憶さ
れたデータが入力された時に、デコーダ４１１からの選択信号が有効であれば複数の配線
ＬＡＴ２＿Ｄａｔａと複数の配線ＯＵＴ＿Ｄａｔａを導通状態とする。
【００９２】
プリチャージ回路４１６には、プリチャージ制御信号が供給される配線ＰＲ、プリチャー
ジ電圧が供給される配線ＶＰＲＥおよび配線ＢＬが接続される。配線ＢＬにプリチャージ
回路４１６を設け、配線ＢＬを書き込みする電圧範囲の中間の電圧で配線ＢＬをプリチャ
ージすることでさらに書き込み時間を短縮する。
【００９３】
図７は、図４乃至図６の半導体装置のデータ書き込み動作例を説明するタイミングチャー
トである。
【００９４】
図７において、ＷＥＢが”Ｈ”となり、データ書き込みの動作となる。
【００９５】
時刻Ｔ１−時刻Ｔ６では、ＣｏｌｕｍｎＡｄｄｒｅｓｓの列アドレス信号で指定された列
が選択される。各列のＬＡＴ１は、列アドレス信号によって選択され、かつＰＷＬ１のパ
ルス幅制御信号が”Ｈ”の間、”Ｈ”の信号となる。各列のＬＡＴ１の立ち上がりパルス
のタイミングに合わせて、ＩＮ＿Ｄａｔａの入力データを記憶する。各列の記憶されたデ
ータは、次の各列のＬＡＴ１の立ち上がりまで記憶され続ける。列アドレスを順次送り、
ＩＮ＿Ｄａｔａに入力データを送ることで１行分のデータを各列のラッチ１回路４１２に
記憶する。
【００９６】
各列のラッチ１回路４１２に記憶されたデータは、各列のＤ／Ａコンバータ４１４に入力
されて、各列のＢＲに多値のアナログ電圧として出力される。
【００９７】
時刻Ｔ６−時刻Ｔ７では、行ドライバのＲｏｗＡｄｄｒｅｓｓで送られる行アドレスで選
択された行のＳＥおよびＴＣが”Ｈ”となり、書き込み／読み出し回路２００により、各
列のＢＬに多値のデータに相当するアナログ電圧が出力される。書き込み／読み出し回路
２００と接続するメモリセル１００の容量素子１０４に多値のアナログ電圧に対応した電
圧が保存される。
【００９８】
図８は、図４乃至図６の半導体装置のデータ読み出し動作例を説明するタイミングチャー
トである。
【００９９】
図８において、ＷＥＢの書き込み制御信号が”Ｌ”となり、データ読み出し動作となる。
【０１００】
ＷＥＢが”Ｌ”のとき、ＣｏｌｕｍｎＡｄｄｒｅｓｓの列アドレス信号に関係なく、すべ
ての列のラッチ１回路４１２が動作する。つまり、各列のラッチ１回路４１２のＬＡＴ１
には、ＰＷＬ１のパルス幅制御信号に依存した信号が送られる。
【０１０１】
時刻Ｔ０―時刻Ｔ９において、ＩＮ＿Ｄａｔａの入力データの値を”０００”、”００１
”、”０１０”、”０１１”、”１００”、”１０１”、”１１０”、”１１１”と順次
変更する。すべての列のＬＡＴ１の立ち上がりですべてのラッチ１回路が入力データを記
憶する。ラッチ１回路に記憶されたデータがＤ／Ａコンバータに入力されることで、Ｄ／
Ａコンバータ４１４から出力される電圧は、低電圧から高電圧に段階的にあがる。
【０１０２】
ここで、メモリに保存されているデータが”１００”に相当する多値データであるとする
。時刻Ｔ５で、当該Ｄ／Ａコンバータ４１４の入力が接続するＬＡＴ１を”０１１”から
”１００”に変更した時に、トランジスタ１１１が流す電流Ｉｄがメモリに保存されてい
たデータに対応した配線ＢＬに流れる電流Ｉｂと一致する。その際、当該書き込み／読み
出し回路２００内の読み出し検出回路２０１が、電流値がゼロになったことを検出し、当
該ＯＬが”Ｌ”から”Ｈ”に切り替わる。
【０１０３】
当該ラッチ２回路は、当該書き込み／読み出し回路２００のＯＬの立ち上がりタイミング
にて、ＩＮ＿Ｄａｔａの入力データの値を記憶する。当該ラッチ２回路の保存された値を
出力する当該ＬＡＴ２＿Ｄａｔａには、記憶されたＩＮ＿Ｄａｔａの入力データの値が出
力される。
【０１０４】
各列のメモリセルに保存されていたデータと一致したタイミングで各ラッチ２回路にＩＮ
＿Ｄａｔａの入力データの値が記憶される。
【０１０５】
時刻Ｔ１０以降において、各ラッチ２回路に記憶した値を読み出す。ＣｏｌｕｍｎＡｄｄ
ｒｅｓｓの列アドレス信号で順次列を選択する。ＰＷＬ２のパルス幅制御信号と列アドレ
スの選択信号のＡＮＤをとった信号を当該ＳＥＬＥＣＴに送る。
【０１０６】
各ＳＥＬＥＣＴが”Ｈ”のとき、接続するセレクタ回路４１５を選択する。当該ラッチ２
回路の出力ＬＡＴ２＿Ｄａｔａがセレクタ回路４１５を介して、ＯＵＴ＿Ｄａｔａに接続
され、ＯＵＴ＿Ｄａｔａにデータが出力される。これによりメモリセルに保存したデータ
をデジタルデータとして読み出すことができる。
【０１０７】
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能
である。
【０１０８】
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１に示す半導体装置に用いることができるＯＳトランジス
タの一例について説明する。
【０１０９】
〈トランジスタの構成例１〉
図９（Ａ）乃至図９（Ｄ）は、トランジスタ６００の上面図および断面図である。図９（
Ａ）は上面図であり、図９（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向の断面が図９（Ｂ）に相
当し、図９（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向の断面が図９（Ｃ）に相当し、図９（Ａ
）に示す一点鎖線Ｘ３−Ｘ４方向の断面が図９（Ｄ）に相当する。なお、図９（Ａ）乃至
図９（Ｄ）では、図の明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、または省略して図示して
いる。また、一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向をチャ
ネル幅方向と呼称する場合がある。
【０１１０】
なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトラン
ジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが重なる領域
、またはチャネルが形成される領域における、ソース（ソース領域またはソース電極）と
ドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）との間の距離をいう。なお、一つのトラン
ジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのト
ランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では
、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値
または平均値とする。
【０１１１】
チャネル幅とは、例えば、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で
電流の流れる部分）とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域にお
ける、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトランジ
スタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのト
ランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では
、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値
または平均値とする。
【０１１２】
なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネ
ル幅（以下、実効的なチャネル幅と呼ぶ。）と、トランジスタの上面図において示される
チャネル幅（以下、見かけ上のチャネル幅と呼ぶ。）と、が異なる場合がある。例えば、
立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面図
において示される見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる
場合がある。例えば、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、半導体の上面に
形成されるチャネル領域の割合に対して、半導体の側面に形成されるチャネル領域の割合
が大きくなる場合がある。その場合は、上面図において示される見かけ上のチャネル幅よ
りも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
【０１１３】
ところで、立体的な構造を有するトランジスタにおいては、実効的なチャネル幅の、実測
による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積
もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状
が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。
【０１１４】
そこで、本明細書では、トランジスタの上面図において、半導体とゲート電極とが重なる
領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さである見かけ上のチャ
ネル幅を、「囲い込みチャネル幅（ＳＣＷ：Ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ  Ｃｈａｎｎｅｌ  Ｗ
ｉｄｔｈ）」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合に
は、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細
書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。な
お、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチ
ャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを取得して、その画像を解析することなどによって、
値を決定することができる。
【０１１５】
なお、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求め
る場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャ
ネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。
【０１１６】
本明細書において、特に断りがない場合、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態（非導
通状態、遮断状態、ともいう）にあるときのドレイン電流をいう。オフ状態とは、特に断
りがない場合、ｎチャネル型トランジスタでは、ゲートとソースの間の電圧Ｖｇｓがしき
い値電圧Ｖｔｈよりも低い状態、ｐチャネル型トランジスタでは、ゲートとソースの間の
電圧Ｖｇｓがしきい値電圧Ｖｔｈよりも高い状態をいう。例えば、ｎチャネル型のトラン
ジスタのオフ電流とは、ゲートとソースの間の電圧Ｖｇｓがしきい値電圧Ｖｔｈよりも低
いときのドレイン電流を言う場合がある。
【０１１７】
トランジスタのオフ電流は、Ｖｇｓに依存する場合がある。従って、トランジスタのオフ
電流がＩ以下である、とは、トランジスタのオフ電流がＩ以下となるＶｇｓの値が存在す
ることを言う場合がある。トランジスタのオフ電流は、所定のＶｇｓにおけるオフ状態、
所定の範囲内のＶｇｓにおけるオフ状態、または、十分に低減されたオフ電流が得られる
Ｖｇｓにおけるオフ状態、等におけるオフ電流を指す場合がある。
【０１１８】
一例として、しきい値電圧Ｖｔｈが０．５Ｖであり、Ｖｇｓが０．５Ｖにおけるドレイン
電流が１×１０−９Ａであり、Ｖｇｓが０．１Ｖにおけるドレイン電流が１×１０−１３
Ａであり、Ｖｇｓがー０．５Ｖにおけるドレイン電流が１×１０−１９Ａであり、Ｖｇｓ
がー０．８Ｖにおけるドレイン電流が１×１０−２２Ａであるようなｎチャネル型トラン
ジスタを想定する。当該トランジスタのドレイン電流は、Ｖｇｓが−０．５Ｖにおいて、
または、Ｖｇｓが−０．５Ｖ乃至−０．８Ｖの範囲において、１×１０−１９Ａ以下であ
るから、当該トランジスタのオフ電流は１×１０−１９Ａ以下である、と言う場合がある
。当該トランジスタのドレイン電流が１×１０−２２Ａ以下となるＶｇｓが存在するため
、当該トランジスタのオフ電流は１×１０−２２Ａ以下である、と言う場合がある。
【０１１９】
本明細書では、チャネル幅Ｗを有するトランジスタのオフ電流を、チャネル幅Ｗあたりを
流れる電流値で表す場合がある。また、所定のチャネル幅（例えば１μｍ）あたりを流れ
る電流値で表す場合がある。後者の場合、オフ電流の単位は、電流／長さの次元を持つ単
位（例えば、Ａ／μｍ）で表される場合がある。
【０１２０】
トランジスタのオフ電流は、温度に依存する場合がある。本明細書において、オフ電流は
、特に記載がない場合、室温、６０℃、８５℃、９５℃、または１２５℃におけるオフ電
流を表す場合がある。または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証
される温度、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等が使用される温度（例え
ば、５℃乃至３５℃のいずれか一の温度）におけるオフ電流、を表す場合がある。トラン
ジスタのオフ電流がＩ以下である、とは、室温、６０℃、８５℃、９５℃、１２５℃、当
該トランジスタが含まれる半導体装置の信頼性が保証される温度、または、当該トランジ
スタが含まれる半導体装置等が使用される温度（例えば、５℃乃至３５℃のいずれか一の
温度）、におけるトランジスタのオフ電流がＩ以下となるＶｇｓの値が存在することを指
す場合がある。
【０１２１】
トランジスタのオフ電流は、ドレインとソースの間の電圧Ｖｄｓに依存する場合がある。
本明細書において、オフ電流は、特に記載がない場合、Ｖｄｓが０．１Ｖ、０．８Ｖ、１
Ｖ、１．２Ｖ、１．８Ｖ、２．５Ｖ、３Ｖ、３．３Ｖ、１０Ｖ、１２Ｖ、１６Ｖ、または
２０Ｖにおけるオフ電流を表す場合がある。または、当該トランジスタが含まれる半導体
装置等の信頼性が保証されるＶｄｓ、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等
において使用されるＶｄｓにおけるオフ電流、を表す場合がある。トランジスタのオフ電
流がＩ以下である、とは、Ｖｄｓが０．１Ｖ、０．８Ｖ、１Ｖ、１．２Ｖ、１．８Ｖ、２
．５Ｖ、３Ｖ、３．３Ｖ、１０Ｖ、１２Ｖ、１６Ｖ、２０Ｖ、当該トランジスタが含まれ
る半導体装置の信頼性が保証されるＶｄｓ、または、当該トランジスタが含まれる半導体
装置等において使用されるＶｄｓ、におけるトランジスタのオフ電流がＩ以下となるＶｇ
ｓの値が存在することを指す場合がある。
【０１２２】
上記オフ電流の説明において、ドレインをソースと読み替えてもよい。つまり、オフ電流
は、トランジスタがオフ状態にあるときのソースを流れる電流を言う場合もある。
【０１２３】
本明細書では、オフ電流と同じ意味で、リーク電流と記載する場合がある。
【０１２４】
本明細書において、オフ電流とは、例えば、トランジスタがオフ状態にあるときに、ソー
スとドレインとの間に流れる電流を指す場合がある。
【０１２５】
トランジスタ６００は、基板６４０と、基板６４０上の絶縁膜６５２と、絶縁膜６５２上
に、半導体６６１、半導体６６２の順で形成された積層と、半導体６６２の上面と接する
導電膜６７１および導電膜６７２と、半導体６６１、半導体６６２、導電膜６７１および
導電膜６７２と接する半導体６６３と、半導体６６３上の絶縁膜６５３および導電膜６７
３と、導電膜６７３および絶縁膜６５３上の絶縁膜６５４と、絶縁膜６５４上の絶縁膜６
５５を有する。なお、半導体６６１、半導体６６２および半導体６６３をまとめて、半導
体６６０と呼称する場合がある。
【０１２６】
導電膜６７１は、トランジスタ６００のソース電極としての機能を有する。導電膜６７２
は、トランジスタ６００のドレイン電極としての機能を有する。なお、トランジスタの「
ソース」や「ドレイン」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動
作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細
書においては、「ソース」や「ドレイン」という用語は、入れ替えて用いることができる
ものとする。
【０１２７】
導電膜６７３は、トランジスタ６００のゲート電極としての機能を有する。
【０１２８】
絶縁膜６５３は、トランジスタ６００のゲート絶縁膜としての機能を有する。
【０１２９】
図９（Ｃ）に示すように、半導体６６２の側面は、導電膜６７３に囲まれている。上記構
成をとることで、導電膜６７３の電界によって、半導体６６２を電気的に取り囲むことが
できる（導電膜（ゲート電極）の電界によって、半導体を電気的に取り囲むトランジスタ
の構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ  ｃｈａｎｎｅｌ（ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。
）。そのため、半導体６６２の全体（バルク）にチャネルが形成される場合がある。ｓ−
ｃｈａｎｎｅｌ構造は、トランジスタのソース−ドレイン間に大電流を流すことができ、
導通時の電流（オン電流）を高くすることができる。また、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、
高周波でも動作可能なトランジスタを提供することができる。
【０１３０】
ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、高いオン電流が得られるため、微細化されたトランジスタに
適した構造といえる。トランジスタを微細化できるため、該トランジスタを有する半導体
装置は、集積度の高い、高密度化された半導体装置とすることが可能となる。例えば、ト
ランジスタは、チャネル長が好ましくは１００ｎｍ以下、さらに好ましくは６０ｎｍ以下
、より好ましくは３０ｎｍ以下の領域を有し、かつ、トランジスタは、チャネル幅が好ま
しくは１００ｎｍ以下、さらに好ましくは６０ｎｍ以下、より好ましくは３０ｎｍ以下の
領域を有する。
【０１３１】
ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、高いオン電流が得られるため、高周波での動作が要求される
トランジスタに適した構造といえる。該トランジスタを有する半導体装置は、高周波で動
作可能な半導体装置とすることが可能となる。
【０１３２】
以下に、本実施の形態の半導体装置に含まれる構成要素について、詳細に説明する。
【０１３３】
〈〈基板〉〉
基板６４０としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい
。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコ
ニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体
基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリ
コン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウ
ムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域
を有する半導体基板、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板
などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板など
がある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さ
らには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または
絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある
。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子
としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
【０１３４】
また、基板６４０として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトラン
ジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トラン
ジスタを剥離し、可とう性基板である基板６４０に転置する方法もある。その場合には、
非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。なお、基板６４０として
、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。また、基板６４０が
伸縮性を有してもよい。また、基板６４０は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形
状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板６
４０の厚さは、例えば、５μｍ以上７００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上５００μｍ
以下、さらに好ましくは１５μｍ以上３００μｍ以下とする。基板６４０を薄くすると、
半導体装置を軽量化することができる。また、基板６４０を薄くすることで、ガラスなど
を用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に
戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板６４０上の半導体装置に
加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができ
る。
【０１３５】
可とう性基板である基板６４０としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、ま
たはそれらの繊維などを用いることができる。可とう性基板である基板６４０は、線膨張
率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可とう性基板である基板６４０とし
ては、例えば、線膨張率が１×１０−３／Ｋ以下、５×１０−５／Ｋ以下、または１×１
０−５／Ｋ以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリ
オレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、
アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可とう性基板である基板
６４０として好適である。
【０１３６】
〈〈下地絶縁膜〉〉
絶縁膜６５２の上面はＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈ
ｉｎｇ）法等を用いた平坦化処理により平坦化されていることが好ましい。
【０１３７】
絶縁膜６５２は、酸化物を含むことが好ましい。特に加熱により一部の酸素が脱離する酸
化物材料を含むことが好ましい。好適には、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸
素を含む酸化物を用いることが好ましい。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素
を含む酸化物膜は、加熱により一部の酸素が脱離する。絶縁膜６５２から脱離した酸素は
酸化物半導体である半導体６６０に供給され、酸化物半導体中の酸素欠損を低減すること
が可能となる。その結果、トランジスタの電気特性の変動を抑制し、信頼性を高めること
ができる。
【０１３８】
化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物膜は、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａ
ｌ  Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて、酸素原子に換算して
の酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは３．０×１０２
０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の
表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲が
好ましい。
【０１３９】
例えばこのような材料として、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む材料を用いる
ことが好ましい。または、金属酸化物を用いることもできる。金属酸化物として、酸化ア
ルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウ
ム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等を用いる事ができる
。なお、本明細書中において、酸化窒化物とは、その組成として窒素よりも酸素の含有量
が多い材料を指し、窒化酸化物とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材
料を示す。
【０１４０】
また絶縁膜６５２に酸素を過剰に含有させるために、絶縁膜６５２に酸素を導入して酸素
を過剰に含有する領域を形成してもよい。例えば、成膜後の絶縁膜６５２に酸素（少なく
とも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む）を導入して酸素を過剰に含
有する領域を形成する。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、
プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理などを用いることができる。
【０１４１】
〈〈半導体〉〉
次に、半導体６６１、半導体６６２、半導体６６３などに適用可能な半導体について説明
する。
【０１４２】
トランジスタ６００は、非導通状態においてソースとドレインとの間を流れる電流（オフ
電流）が低いことが好適である。オフ電流が低いトランジスタとしては、半導体に酸化物
半導体を有するトランジスタが挙げられる。
【０１４３】
半導体６６２は、例えば、インジウム（Ｉｎ）を含む酸化物半導体である。半導体６６２
は、例えば、インジウムを含むと、キャリア移動度（電子移動度）が高くなる。また、半
導体６６２は、元素Ｍを含むと好ましい。元素Ｍは、好ましくは、アルミニウム（Ａｌ）
、ガリウム（Ｇａ）、イットリウム（Ｙ）またはスズ（Ｓｎ）などとする。そのほかの元
素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、鉄
（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、モリブデ
ン（Ｍｏ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、ネオジム（Ｎｄ）、ハフニウム（Ｈ
ｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）などがある。ただし、元素Ｍとして、前述
の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。元素Ｍは、例えば、酸素との結合エネ
ルギーが高い元素である。例えば、酸素との結合エネルギーがインジウムよりも高い元素
である。または、元素Ｍは、例えば、酸化物半導体のエネルギーギャップを大きくする機
能を有する元素である。また、半導体６６２は、亜鉛（Ｚｎ）を含むと好ましい。酸化物
半導体は、亜鉛を含むと結晶化しやすくなる場合がある。
【０１４４】
ただし、半導体６６２は、インジウムを含む酸化物半導体に限定されない。半導体６６２
は、例えば、亜鉛スズ酸化物、ガリウムスズ酸化物などの、インジウムを含まず、亜鉛を
含む酸化物半導体、ガリウムを含む酸化物半導体、スズを含む酸化物半導体などであって
も構わない。
【０１４５】
半導体６６２は、例えば、エネルギーギャップが大きい酸化物を用いる。半導体６６２の
エネルギーギャップは、例えば、２．５ｅＶ以上４．２ｅＶ以下、好ましくは２．８ｅＶ
以上３．８ｅＶ以下、さらに好ましくは３ｅＶ以上３．５ｅＶ以下とする。
【０１４６】
半導体６６２は、後述するＣＡＡＣ−ＯＳ膜であることが好ましい。
【０１４７】
例えば、半導体６６１および半導体６６３は、半導体６６２を構成する酸素以外の元素一
種以上、または二種以上から構成される酸化物半導体である。半導体６６２を構成する酸
素以外の元素一種以上、または二種以上から半導体６６１および半導体６６３が構成され
るため、半導体６６１と半導体６６２との界面、および半導体６６２と半導体６６３との
界面において、界面準位が形成されにくい。
【０１４８】
半導体６６１、半導体６６２および半導体６６３は、少なくともインジウムを含むと好ま
しい。なお、半導体６６１がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａ
ｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍ
ｉｃ％より高く、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉ
ｃ％より高いとする。また、半導体６６２がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭ
の和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％より高く
、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％より高く、
Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。また、半導体６６３がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき
、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍ
ｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％より高く、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉ
ｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％より高くする。なお、半導体６６３は、半導体６６１
と同種の酸化物を用いても構わない。ただし、半導体６６１または／および半導体６６３
がインジウムを含まなくても構わない場合がある。例えば、半導体６６１または／および
半導体６６３が酸化ガリウムであっても構わない。
【０１４９】
次に、半導体６６１、半導体６６２、および半導体６６３の積層により構成される半導体
６６０の機能およびその効果について、図１０（Ｂ）に示すエネルギーバンド構造図を用
いて説明する。図１０（Ａ）は、図９（Ｂ）に示すトランジスタ６００のチャネル部分を
拡大した図で、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）にＡ１−Ａ２の鎖線で示した部位のエネル
ギーバンド構造を示している。また、図１０（Ｂ）は、トランジスタ６００のチャネル形
成領域のエネルギーバンド構造を示している。
【０１５０】
図１０（Ｂ）中、Ｅｃ６５２、Ｅｃ６６１、Ｅｃ６６２、Ｅｃ６６３、Ｅｃ６５３は、そ
れぞれ、絶縁膜６５２、半導体６６１、半導体６６２、半導体６６３、絶縁膜６５３の伝
導帯下端のエネルギーを示している。
【０１５１】
ここで、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差（「電子親和力」ともいう。）は、真
空準位と価電子帯上端のエネルギーとの差（イオン化ポテンシャルともいう。）からエネ
ルギーギャップを引いた値となる。なお、エネルギーギャップは、分光エリプソメータを
用いて測定できる。また、真空準位と価電子帯上端のエネルギー差は、紫外線光電子分光
分析（ＵＰＳ：Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏ
ｓｃｏｐｙ）装置を用いて測定できる。
【０１５２】
絶縁膜６５２と絶縁膜６５３は絶縁体であるため、Ｅｃ６５３とＥｃ６５２は、Ｅｃ６６
１、Ｅｃ６６２、およびＥｃ６６３よりも真空準位に近い（電子親和力が小さい）。
【０１５３】
半導体６６２は、半導体６６１および半導体６６３よりも電子親和力の大きい酸化物を用
いる。例えば、半導体６６２として、半導体６６１および半導体６６３よりも電子親和力
の０．０７ｅＶ以上１．３ｅＶ以下、好ましくは０．１ｅＶ以上０．７ｅＶ以下、さらに
好ましくは０．１５ｅＶ以上０．４ｅＶ以下大きい酸化物を用いる。なお、電子親和力は
、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差である。
【０１５４】
なお、インジウムガリウム酸化物は、小さい電子親和力と、高い酸素ブロック性を有する
。そのため、半導体６６３がインジウムガリウム酸化物を含むと好ましい。ガリウム原子
割合［Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）］は、例えば、７０％以上、好ましくは８０％以上、さらに
好ましくは９０％以上とする。
【０１５５】
このとき、ゲート電圧を印加すると、半導体６６１、半導体６６２、半導体６６３のうち
、電子親和力の大きい半導体６６２にチャネルが形成される。
【０１５６】
ここで、半導体６６１と半導体６６２との間には、半導体６６１と半導体６６２との混合
領域を有する場合がある。また、半導体６６２と半導体６６３との間には、半導体６６２
と半導体６６３との混合領域を有する場合がある。混合領域は、界面準位密度が低くなる
。そのため、半導体６６１、半導体６６２および半導体６６３の積層体は、それぞれの界
面近傍において、エネルギーが連続的に変化する（連続接合ともいう。）バンド構造とな
る。
【０１５７】
このとき、電子は、半導体６６１中および半導体６６３中ではなく、半導体６６２中を主
として移動する。上述したように、半導体６６１および半導体６６２の界面における界面
準位密度、半導体６６２と半導体６６３との界面における界面準位密度を低くすることに
よって、半導体６６２中で電子の移動が阻害されることが少なく、トランジスタのオン電
流を高くすることができる。
【０１５８】
トランジスタのオン電流は、電子の移動を阻害する要因を低減するほど、高くすることが
できる。例えば、電子の移動を阻害する要因のない場合、効率よく電子が移動すると推定
される。電子の移動は、例えば、チャネル形成領域の物理的な凹凸が大きい場合にも阻害
される。
【０１５９】
トランジスタのオン電流を高くするためには、例えば、半導体６６２の上面または下面（
被形成面、ここでは半導体６６１）の、１μｍ×１μｍの範囲における二乗平均平方根（
ＲＭＳ：Ｒｏｏｔ  Ｍｅａｎ  Ｓｑｕａｒｅ）粗さが１ｎｍ未満、好ましくは０．６ｎｍ
未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未満とすればよい。
また、１μｍ×１μｍの範囲における平均面粗さ（Ｒａともいう。）が１ｎｍ未満、好ま
しくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未
満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における最大高低差（Ｐ−Ｖともいう。）
が１０ｎｍ未満、好ましくは９ｎｍ未満、さらに好ましくは８ｎｍ未満、より好ましくは
７ｎｍ未満とすればよい。ＲＭＳ粗さ、ＲａおよびＰ−Ｖは、エスアイアイ・ナノテクノ
ロジー株式会社製走査型プローブ顕微鏡システムＳＰＡ−５００などを用いて測定するこ
とができる。
【０１６０】
または、例えば、チャネルの形成される領域中の欠陥準位密度が高い場合にも、電子の移
動は阻害される。
【０１６１】
例えば、半導体６６２が酸素欠損（ＶＯとも表記。）を有する場合、酸素欠損のサイトに
水素が入り込むことでドナー準位を形成することがある。以下では酸素欠損のサイトに水
素が入り込んだ状態をＶＯＨと表記する場合がある。ＶＯＨは電子を散乱するため、トラ
ンジスタのオン電流を低下させる要因となる。なお、酸素欠損のサイトは、水素が入るよ
りも酸素が入る方が安定する。したがって、半導体６６２中の酸素欠損を低減することで
、トランジスタのオン電流を高くすることができる場合がある。
【０１６２】
例えば、半導体６６２のある深さにおいて、または、半導体６６２のある領域において、
二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔ
ｒｏｍｅｔｒｙ）で測定される水素濃度は、２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ま
しくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／
ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【０１６３】
半導体６６２の酸素欠損を低減するために、例えば、絶縁膜６５２に含まれる過剰酸素を
、半導体６６１を介して半導体６６２まで移動させる方法などがある。この場合、半導体
６６１は、酸素透過性を有する層（酸素を通過または透過させる層）であることが好まし
い。
【０１６４】
なお、トランジスタがｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有する場合、半導体６６２の全体にチャ
ネルが形成される。したがって、半導体６６２が厚いほどチャネル領域は大きくなる。即
ち、半導体６６２が厚いほど、トランジスタのオン電流を高くすることができる。例えば
、１０ｎｍ以上、好ましくは２０ｎｍ以上、さらに好ましくは４０ｎｍ以上、より好まし
くは６０ｎｍ以上、より好ましくは１００ｎｍ以上の厚さの領域を有する半導体６６２と
すればよい。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、例えば、３００ｎ
ｍ以下、好ましくは２００ｎｍ以下、さらに好ましくは１５０ｎｍ以下の厚さの領域を有
する半導体６６２とすればよい。なお、チャネル形成領域が縮小していくと、半導体６６
２が薄いほうがトランジスタの電気特性が向上する場合もある。よって、半導体６６２の
厚さが１０ｎｍ未満であってもよい。
【０１６５】
また、トランジスタのオン電流を高くするためには、半導体６６３の厚さは小さいほど好
ましい。例えば、１０ｎｍ未満、好ましくは５ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以下の
領域を有する半導体６６３とすればよい。一方、半導体６６３は、チャネルの形成される
半導体６６２へ、隣接する絶縁体を構成する酸素以外の元素（水素、シリコンなど）が入
り込まないようブロックする機能を有する。そのため、半導体６６３は、ある程度の厚さ
を有することが好ましい。例えば、０．３ｎｍ以上、好ましくは１ｎｍ以上、さらに好ま
しくは２ｎｍ以上の厚さの領域を有する半導体６６３とすればよい。また、半導体６６３
は、絶縁膜６５２などから放出される酸素の外方拡散を抑制するために、酸素をブロック
する性質を有すると好ましい。
【０１６６】
また、信頼性を高くするためには、半導体６６１は厚く、半導体６６３は薄いことが好ま
しい。例えば、１０ｎｍ以上、好ましくは２０ｎｍ以上、さらに好ましくは４０ｎｍ以上
、より好ましくは６０ｎｍ以上の厚さの領域を有する半導体６６１とすればよい。半導体
６６１の厚さを、厚くすることで、隣接する絶縁体と半導体６６１との界面からチャネル
の形成される半導体６６２までの距離を離すことができる。ただし、半導体装置の生産性
が低下する場合があるため、例えば、２００ｎｍ以下、好ましくは１２０ｎｍ以下、さら
に好ましくは８０ｎｍ以下の厚さの領域を有する半導体６６１とすればよい。
【０１６７】
例えば、半導体６６２と半導体６６１との間に、例えば、ＳＩＭＳ分析において、１×１
０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さら
に好ましくは２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満のシリコン濃度となる領域を有する。
また、半導体６６２と半導体６６３との間に、ＳＩＭＳにおいて、１×１０１９ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは２
×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満のシリコン濃度となる領域を有する。
【０１６８】
また、半導体６６２の水素濃度を低減するために、半導体６６１および半導体６６３の水
素濃度を低減すると好ましい。半導体６６１および半導体６６３は、ＳＩＭＳにおいて、
２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下
、より好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１８
ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の水素濃度となる領域を有する。また、半導体６６２の窒素濃度
を低減するために、半導体６６１および半導体６６３の窒素濃度を低減すると好ましい。
半導体６６１および半導体６６３は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８
ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の窒素
濃度となる領域を有する。
【０１６９】
上述の３層構造は一例である。例えば、半導体６６１または半導体６６３のない２層構造
としても構わない。または、半導体６６１の上もしくは下、または半導体６６３上もしく
は下に、半導体６６１、半導体６６２および半導体６６３として例示した半導体のいずれ
か一を有する４層構造としても構わない。または、半導体６６１の上、半導体６６１の下
、半導体６６３の上、半導体６６３の下のいずれか二箇所以上に、半導体６６１、半導体
６６２および半導体６６３として例示した半導体のいずれか一を有するｎ層構造（ｎは５
以上の整数）としても構わない。
【０１７０】
以上、半導体６６１、半導体６６２及び半導体６６３を上述の構成にすることで、トラン
ジスタ６００は高いオン電流が得られ、高周波での動作が可能になる。
【０１７１】
〈〈導電膜〉〉
導電膜６７１、導電膜６７２及び導電膜６７３は、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、モ
リブデン（Ｍｏ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔ
ｉ）、タンタル（Ｔａ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）
、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉ
ｒ）、ストロンチウム（Ｓｒ）の低抵抗材料からなる単体、もしくは合金、またはこれら
を主成分とする化合物を含む導電膜の単層または積層とすることが好ましい。特に、耐熱
性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好まし
い。また、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。さらに
、Ｃｕ−Ｍｎ合金を用いると、酸素を含む絶縁体との界面に酸化マンガンを形成し、酸化
マンガンがＣｕの拡散を抑制する機能を持つので好ましい。
【０１７２】
また、導電膜６７１、導電膜６７２及び導電膜６７３には、インジウム錫酸化物、酸化タ
ングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸
化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜
鉛酸化物、酸化シリコンを添加したインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を
適用することもできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属元素の積層構
造とすることもできる。
【０１７３】
また、導電膜６７１、導電膜６７２及び導電膜６７３には、酸化イリジウム、酸化ルテニ
ウム、ストロンチウムルテナイトなど、貴金属を含む導電性酸化物を用いることが好まし
い。これらの導電性酸化物は、酸化物半導体と接しても酸化物半導体から酸素を奪うこと
が少なく、酸化物半導体の酸素欠損を作りにくい。
【０１７４】
〈〈ゲート絶縁膜〉〉
絶縁膜６５３には、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリ
コン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イット
リウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タ
ンタルを一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、絶縁膜６５３は上記材料の積
層であってもよい。なお、絶縁膜６５３に、ランタン（Ｌａ）、窒素、ジルコニウム（Ｚ
ｒ）などを、不純物として含んでいてもよい。
【０１７５】
また、絶縁膜６５３の積層構造の一例について説明する。絶縁膜６５３は、例えば、酸素
、窒素、シリコン、ハフニウムなどを有する。具体的には、酸化ハフニウム、および酸化
シリコンまたは酸化窒化シリコンを含むと好ましい。
【０１７６】
酸化ハフニウムは、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率が高い。したがっ
て、酸化シリコンを用いた場合と比べて膜厚を大きくできるため、トンネル電流によるリ
ーク電流を小さくすることができる。即ち、オフ電流の小さいトランジスタを実現するこ
とができる。
【０１７７】
〈〈保護絶縁膜〉〉
絶縁膜６５４は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキングで
きる機能を有する。絶縁膜６５４を設けることで、半導体６６０からの酸素の外部への拡
散と、外部から半導体６６０への水素、水等の入り込みを防ぐことができる。絶縁膜６５
４としては、例えば、窒化物絶縁膜を用いることができる。該窒化物絶縁膜としては、窒
化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム等がある。な
お、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキング効果を有する窒
化物絶縁膜の代わりに、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜を設
けてもよい。酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜としては、酸化
アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリ
ウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等がある。
【０１７８】
酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、および酸素の両方に対して膜を透過さ
せない遮断効果が高いので絶縁膜６５４に適用するのに好ましい。したがって、酸化アル
ミニウム膜は、トランジスタの作製工程中および作製後において、トランジスタの電気特
性の変動要因となる水素、水分などの不純物の半導体６６０への混入防止、半導体６６０
を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体からの放出防止、絶縁膜６５２からの酸
素の不必要な放出防止の効果を有する保護膜として用いることに適している。また、酸化
アルミニウム膜に含まれる酸素を酸化物半導体中に拡散させることもできる。
【０１７９】
〈〈層間絶縁膜〉〉
また、絶縁膜６５４上には絶縁膜６５５が形成されていることが好ましい。絶縁膜６５５
には、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸
化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、
酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、
酸化タンタルなどから選ばれた一種以上含む絶縁体を用いることができる。また、絶縁膜
６５５には、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、シロキサン樹脂、エポキ
シ樹脂、フェノール樹脂等の有機樹脂を用いることもできる。また、絶縁膜６５５は上記
材料の積層であってもよい。
【０１８０】
〈〈酸化物半導体膜の構造〉〉
以下では、半導体６６２に適用可能な、酸化物半導体膜の構造について説明する。
【０１８１】
本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置さ
れている状態をいう。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「略平
行」とは、二つの直線が−３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態をいう。ま
た、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態を
いう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二
つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。
【０１８２】
また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す
。
【０１８３】
以下では、酸化物半導体膜の構造について説明する。
【０１８４】
酸化物半導体膜は、非単結晶酸化物半導体膜と単結晶酸化物半導体膜とに分けられる。ま
たは、酸化物半導体は、例えば、結晶性酸化物半導体と非晶質酸化物半導体とに分けられ
る。
【０１８５】
なお、非単結晶酸化物半導体としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ
Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物
半導体、微結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体などがある。また、結晶性酸化物半導
体としては、単結晶酸化物半導体、ＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶酸化物半導体、微結晶酸化物
半導体などがある。
【０１８６】
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜について説明する。
【０１８７】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、ｃ軸配向した複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つである。
【０１８８】
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏ
ｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の明視野像および回折パターンの複合解析像（
高分解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察することで複数の結晶部を確認することができる。
一方、高分解能ＴＥＭ像によっても明確な結晶部同士の境界、即ち結晶粒界（グレインバ
ウンダリーともいう。）を確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、結
晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
【０１８９】
試料面と略平行な方向から、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の断面の高分解能ＴＥＭ像を観察すると、
結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は、
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の膜を形成する面（被形成面ともいう。）または上面の凹凸を反映した
形状であり、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面と平行に配列する。
【０１９０】
一方、試料面と略垂直な方向から、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の平面の高分解能ＴＥＭ像を観察す
ると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認で
きる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
【０１９１】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）装
置を用いて構造解析を行うと、例えばＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜
のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、回折角（２θ）が３１°近傍にピークが
現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属される
ことから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略
垂直な方向を向いていることが確認できる。
【０１９２】
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。
【０１９３】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、不純物濃度の低い酸化物半導体膜である。不純物は、水素、炭素、
シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体膜の主成分以外の元素である。特に、シリコ
ンなどの、酸化物半導体膜を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化
物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる
要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径
（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体膜内部に含まれると、酸化物半導体膜の
原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体膜に含まれる不純
物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。
【０１９４】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜である。例えば、酸化物
半導体膜中の酸素欠損は、キャリアトラップとなることや、水素を捕獲することによって
キャリア発生源となることがある。
【０１９５】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜のように、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い（酸素欠損の少ない
）ことを、高純度真性または実質的に高純度真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純
度真性である酸化物半導体膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くする
ことができる。したがって、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、しきい値電圧
がマイナスとなる電気特性（ノーマリーオンともいう。）になることが少ない。また、高
純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリアトラップが少ない
。そのため、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信
頼性の高いトランジスタとなる。なお、酸化物半導体膜のキャリアトラップに捕獲された
電荷は、放出するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがあ
る。そのため、不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜を用いたトランジ
スタは、電気特性が不安定となる場合がある。
【０１９６】
なお、本明細書等において実質的に真性という場合、酸化物半導体膜のキャリア密度は、
１×１０１７／ｃｍ３未満、１×１０１５／ｃｍ３未満、または１×１０１３／ｃｍ３未
満である。酸化物半導体膜を高純度真性化することで、トランジスタに安定した電気特性
を付与することができる。
【０１９７】
酸化物半導体膜を真性または実質的に真性とするためには、ＳＩＭＳ分析において、例え
ば、酸化物半導体膜のある深さにおいて、または、酸化物半導体膜のある領域において、
シリコン濃度を１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。また、
水素濃度は、例えば、酸化物半導体膜のある深さにおいて、または、酸化物半導体膜のあ
る領域において、２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１９ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好まし
くは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。また、窒素濃度は、例えば、酸化物半
導体膜のある深さにおいて、または、酸化物半導体膜のある領域において、５×１０１９
ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好まし
くは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／
ｃｍ３以下とする。
【０１９８】
また、酸化物半導体膜が結晶を含む場合、シリコンや炭素が高濃度で含まれると、酸化物
半導体膜の結晶性を低下させることがある。酸化物半導体膜の結晶性を低下させないため
には、例えば、酸化物半導体膜のある深さにおいて、または、酸化物半導体膜のある領域
において、シリコン濃度を１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１
８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とす
る部分を有していればよい。また、例えば、酸化物半導体膜のある深さにおいて、または
、酸化物半導体膜のある領域において、炭素濃度を１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満
、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ３未満とする部分を有していればよい。
【０１９９】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性
の変動が小さい。
【０２００】
次に、微結晶酸化物半導体膜について説明する。
【０２０１】
微結晶酸化物半導体膜は、高分解能ＴＥＭ像において、結晶部を確認することのできる領
域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。微結晶酸化物半導体膜
に含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の大き
さであることが多い。特に、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の微
結晶であるナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）を有する酸化物半導体膜を、ｎｃ
−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）
膜と呼ぶ。また、ｎｃ−ＯＳ膜は、例えば、高分解能ＴＥＭ像では、結晶粒界を明確に確
認できない場合がある。
【０２０２】
ｎｃ−ＯＳ膜は、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上
３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳ膜は、異なる
結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。し
たがって、ｎｃ−ＯＳ膜は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体膜と区別が付かな
い場合がある。例えば、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部よりも大きい径のＸ線を用いるＸＲ
Ｄ装置を用いて構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面
を示すピークが検出されない。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部よりも大きいプローブ
径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子回折（制限視野電子回折ともいう。）を
行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ−ＯＳ膜に対し
、結晶部の大きさと近いか結晶部より小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子
回折を行うと、スポットが観測される。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対しナノビーム電子回折を
行うと、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される場合がある。また、
ｎｃ−ＯＳ膜に対しナノビーム電子回折を行うと、リング状の領域内に複数のスポットが
観測される場合がある。
【０２０３】
ｎｃ−ＯＳ膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも規則性の高い酸化物半導体膜である。その
ため、ｎｃ−ＯＳ膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、
ｎｃ−ＯＳ膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、ｎｃ−Ｏ
Ｓ膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜と比べて欠陥準位密度が高くなる。
【０２０４】
酸化物半導体膜がＣＡＡＣ−ＯＳ膜であったとしても、部分的にｎｃ構造などと同様の回
折パターンが観測される場合がある。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の良否は、一定の範
囲におけるＣＡＡＣ構造の回折パターンが観測される領域の割合（ＣＡＡＣ比率、または
ＣＡＡＣ化率ともいう。）で表すことができる場合がある。ここで、ＣＡＡＣ比率は、好
ましくは９０％以上、より好ましくは９５％以上、さらに好ましくは９７％以上１００％
以下である。
【０２０５】
次に、非晶質酸化物半導体膜について説明する。
【０２０６】
非晶質酸化物半導体膜は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶部を有さない酸化
物半導体膜である。石英のような無定形状態を有する酸化物半導体膜が一例である。
【０２０７】
非晶質酸化物半導体膜は、高分解能ＴＥＭ像において結晶部を確認することができない。
【０２０８】
非晶質酸化物半導体膜に対し、ＸＲＤ装置を用いた構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐ
ｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、非晶質酸化物半
導体膜に対し、電子回折を行うと、ハローパターンが観測される。また、非晶質酸化物半
導体膜に対し、ナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測されず、ハローパターンが
観測される。
【０２０９】
なお、酸化物半導体膜は、ｎｃ−ＯＳ膜と非晶質酸化物半導体膜との間の物性を示す構造
を有する場合がある。そのような構造を有する酸化物半導体膜を、特に非晶質ライク酸化
物半導体（ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉ
ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜と呼ぶ。
【０２１０】
ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ膜は、高分解能ＴＥＭ像において鬆（ボイドともいう。）が観察され
る場合がある。また、高分解能ＴＥＭ像において、明確に結晶部を確認することのできる
領域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ膜は、
ＴＥＭによる観察程度の微量な電子照射によって、結晶化が起こり、結晶部の成長が見ら
れる場合がある。一方、良質なｎｃ−ＯＳ膜であれば、ＴＥＭによる観察程度の微量な電
子照射による結晶化はほとんど見られない。
【０２１１】
なお、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ膜およびｎｃ−ＯＳ膜の結晶部の大きさの計測は、高分解能Ｔ
ＥＭ像を用いて行うことができる。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶は層状構造を有し、
Ｉｎ−Ｏ層の間に、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層を２層有する。ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の単位格子
は、Ｉｎ−Ｏ層を３層有し、またＧａ−Ｚｎ−Ｏ層を６層有する、計９層がｃ軸方向に層
状に重なった構造を有する。よって、これらの近接する層同士の間隔は、（００９）面の
格子面間隔（ｄ値ともいう。）と同程度であり、結晶構造解析からその値は０．２９ｎｍ
と求められている。そのため、高分解能ＴＥＭ像における格子縞に着目し、格子縞の間隔
が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所においては、それぞれの格子縞がＩｎＧ
ａＺｎＯ４の結晶のａ−ｂ面に対応する。
【０２１２】
また、酸化物半導体膜は、構造ごとに密度が異なる場合がある。例えば、ある酸化物半導
体膜の組成がわかれば、該組成と同じ組成における単結晶の密度と比較することにより、
その酸化物半導体膜の構造を推定することができる。例えば、単結晶の密度に対し、ａ−
ｌｉｋｅ  ＯＳ膜の密度は７８．６％以上９２．３％未満となる。また、例えば、単結晶
の密度に対し、ｎｃ−ＯＳ膜の密度およびＣＡＡＣ−ＯＳ膜の密度は９２．３％以上１０
０％未満となる。なお、単結晶の密度に対し密度が７８％未満となる酸化物半導体膜は、
成膜すること自体が困難である。
【０２１３】
上記について、具体例を用いて説明する。例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子
数比］を満たす酸化物半導体膜において、菱面体晶構造を有する単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４
の密度は６．３５７ｇ／ｃｍ３となる。よって、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１
［原子数比］を満たす酸化物半導体膜において、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ膜の密度は５．０ｇ
／ｃｍ３以上５．９ｇ／ｃｍ３未満となる。また、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：
１［原子数比］を満たす酸化物半導体膜において、ｎｃ−ＯＳ膜の密度およびＣＡＡＣ−
ＯＳ膜の密度は５．９ｇ／ｃｍ３以上６．３ｇ／ｃｍ３未満となる。
【０２１４】
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合がある。その場合、任意の割合で組成の異なる
単結晶を組み合わせることにより、所望の組成の単結晶に相当する密度を算出することが
できる。所望の組成の単結晶の密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して
、加重平均を用いて算出すればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を
組み合わせて算出することが好ましい。
【０２１５】
なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ膜、微結
晶酸化物半導体膜、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
【０２１６】
以下では、ＣＡＡＣ−ＯＳの組成について説明する。なお、組成の説明には、ＣＡＡＣ−
ＯＳとなる酸化物半導体であるＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合を例示する。なお、元素Ｍは
、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Ｍに適
用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジル
コニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タング
ステンなどがある。
【０２１７】
図１１は、各頂点にＩｎ、ＭまたはＺｎを配置した三角図である。また、図中の［Ｉｎ］
はＩｎの原子濃度を示し、［Ｍ］は元素Ｍの原子濃度を示し、［Ｚｎ］はＺｎの原子濃度
を示す。
【０２１８】
Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の結晶はホモロガス構造を有することが知られており、ＩｎＭＯ３
（ＺｎＯ）ｍ（ｍは自然数。）で示される。また、ＩｎとＭとを置き換えることが可能で
あるため、Ｉｎ１＋αＭ１−αＯ３（ＺｎＯ）ｍで示すこともできる。これは、図１１に
おいて、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１＋α：１−α：１、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ
］＝１＋α：１−α：２、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１＋α：１−α：３、［Ｉｎ］
：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１＋α：１−α：４、および［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１＋α
：１−α：５と表記した破線で示される組成である。
【０２１９】
図１１の破線上の太線は、例えば、原料となる酸化物を混合し、１３５０℃で焼成した場
合に単一相の固溶域をとり得ることが知られている組成である。また、図１１に四角のシ
ンボルで示す座標は、スピネル型の結晶構造が混在しやすいことが知られている組成であ
る。
【０２２０】
例えば、スピネル型の結晶構造を有する化合物として、ＺｎＧａ２Ｏ４などのＺｎＭ２Ｏ
４で表される化合物が知られている。図１１に示すようにＺｎＭ２Ｏ４の近傍の組成、つ
まり（Ｉｎ，Ｚｎ，Ｍ）＝（０，１，２）に近い値を有する場合には、スピネル型の結晶
構造が形成、あるいは混在しやすい。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、特にスピネル型の結晶構造が
含まれないことが好ましい。
【０２２１】
また、キャリア移動度を高めるためにはＩｎの含有率を高めることが好ましい。インジウ
ム、元素Ｍ及び亜鉛を有する酸化物半導体では主として重金属のｓ軌道がキャリア伝導に
寄与しており、インジウムの含有率を多くすることにより、より多くのｓ軌道が重なるた
め、インジウムの含有率が多い酸化物はインジウムの含有率が少ない酸化物と比較して移
動度が高くなる。そのため、酸化物半導体膜にインジウムの含有量が多い酸化物を用いる
ことで、キャリア移動度を高めることができる。
【０２２２】
よって、図９の半導体６６２の組成は、図１１に示した太線の組成の近傍であることが好
ましい。こうすることで、トランジスタのチャネル形成領域を、ＣＡＡＣ化率の高い領域
とすることができる。さらに、半導体６６２のＩｎの含有率を高めることで、トランジス
タのオン電流を大きくすることができる。
【０２２３】
以上、トランジスタのチャネル形成領域をＣＡＡＣ−ＯＳとすることで、信頼性が高く、
オン電流の高いトランジスタを提供することが可能になる。また、高周波でも動作可能な
トランジスタを提供することができる。
【０２２４】
ところで、ＣＡＡＣ−ＯＳをスパッタリング法で成膜する際には、被成膜面である基板表
面の加熱、または空間加熱などの影響で、ソースとなるターゲットなどの組成と膜の組成
とが異なる場合がある。例えば、酸化亜鉛は、酸化インジウムや酸化ガリウムなどと比べ
て昇華しやすいため、ソースと膜との組成のずれが生じやすい。したがって、あらかじめ
組成の変化を考慮したソースを選択することが好ましい。なお、ソースと膜との組成のず
れ量は、温度以外にも圧力や成膜に用いるガスなどの影響でも変化する。
【０２２５】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳをスパッタリング法で成膜する際は、多結晶構造を含むターゲット
を用いることが好ましい。
【０２２６】
〈トランジスタの構成例２〉
図９において、トランジスタに１つのゲート電極が設けられている場合の例を示したが、
本発明の一態様は、これに限定されない。トランジスタに複数のゲート電極が設けられて
いてもよい。一例として、図９に示したトランジスタ６００に、第２のゲート電極として
導電膜６８１が設けられている例を、図１２（Ａ）乃至図１２（Ｄ）に示す。図１２（Ａ
）は上面図であり、図１２（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向の断面が図１２（Ｂ）に
相当し、図１２（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向の断面が図１２（Ｃ）に相当し、図
１２（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ３−Ｘ４方向の断面が図１２（Ｄ）に相当する。なお、図１
２（Ａ）乃至図１２（Ｄ）では、図の明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、または省
略して図示している。
【０２２７】
図１２は、基板６４０と絶縁膜６５２との間に、絶縁膜６５１、導電膜６８１及び絶縁膜
６８２を有している点で、図９と異なる。
【０２２８】
絶縁膜６５１は、基板６４０と導電膜６８１を電気的に分離させる機能を有する。絶縁膜
６５１には、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコ
ン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニ
ウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニ
ウム、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上含む絶縁体を用いてもよい。また、絶縁膜
６５１には、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、シロキサン樹脂、エポキ
シ樹脂、フェノール樹脂等の有機樹脂を用いてもよい。また、絶縁膜６５１は上記材料の
積層であってもよい。
【０２２９】
導電膜６８１は、導電膜６７３の説明で記載された材料を用いることができる。導電膜６
８１は、第２のゲート電極としての機能を有する。導電膜６８１は、一定の電位が供給さ
れていてもよいし、導電膜６７３と同じ電位や、同じ信号が供給されていてもよい。
【０２３０】
絶縁膜６８２は、絶縁膜６５２に含まれる酸素が、導電膜６８１に含まれる金属と結びつ
き、絶縁膜６５２に含まれる酸素が減少することを防ぐ機能を有する。絶縁膜６８２は、
絶縁膜６５４の説明で記載された材料を用いることができる。
【０２３１】
〈トランジスタの構成例３〉
図９に示すトランジスタ６００は、半導体６６３及び絶縁膜６５３を、導電膜６７３と同
時にエッチングしてもよい。一例として、図１３（Ａ）乃至図１３（Ｄ）に示す。図１３
（Ａ）は上面図であり、図１３（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向の断面が図１３（Ｂ
）に相当し、図１３（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向の断面が図１３（Ｃ）に相当し
、図１３（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ３−Ｘ４方向の断面が図１３（Ｄ）に相当する。なお、
図１３（Ａ）乃至図１３（Ｄ）では、図の明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、また
は省略して図示している。
【０２３２】
図１３では、半導体６６３及び絶縁膜６５３が、導電膜６７３の下のみに存在し、それ以
外の場所では除去されている。
【０２３３】
〈トランジスタの構成例４〉
図９に示すトランジスタ６００は、導電膜６７１及び導電膜６７２が、半導体６６１の側
面及び半導体６６２の側面と接していてもよい。一例として、図１４（Ａ）乃至図１４（
Ｄ）に示す。図１４（Ａ）は上面図であり、図１４（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向
の断面が図１４（Ｂ）に相当し、図１４（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向の断面が図
１４（Ｃ）に相当し、図１４（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ３−Ｘ４方向の断面が図１４（Ｄ）
に相当する。なお、図１４（Ａ）乃至図１４（Ｄ）では、図の明瞭化のために一部の要素
を拡大、縮小、または省略して図示している。
【０２３４】
〈トランジスタの構成例５〉
図９に示すトランジスタ６００において、導電膜６７１は導電膜６７１ａと導電膜６７１
ｂの積層構造としてもよい。また、導電膜６７２は導電膜６７２ａと導電膜６７２ｂの積
層構造としてもよい。一例として、図１５（Ａ）乃至図１５（Ｄ）に示す。図１５（Ａ）
は上面図であり、図１５（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向の断面が図１５（Ｂ）に相
当し、図１５（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向の断面が図１５（Ｃ）に相当し、図１
５（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ３−Ｘ４方向の断面が図１５（Ｄ）に相当する。なお、図１５
（Ａ）乃至図１５（Ｄ）では、図の明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、または省略
して図示している。
【０２３５】
導電膜６７１ｂおよび導電膜６７２ｂとしては、例えば、透明導電体、酸化物半導体、窒
化物半導体または酸化窒化物半導体を用いればよい。導電膜６７１ｂおよび導電膜６７２
ｂとしては、例えば、インジウム、スズおよび酸素を含む膜、インジウムおよび亜鉛を含
む膜、インジウム、タングステンおよび亜鉛を含む膜、スズおよび亜鉛を含む膜、亜鉛お
よびガリウムを含む膜、亜鉛およびアルミニウムを含む膜、亜鉛およびフッ素を含む膜、
亜鉛およびホウ素を含む膜、スズおよびアンチモンを含む膜、スズおよびフッ素を含む膜
またはチタンおよびニオブを含む膜などを用いればよい。または、これらの膜が水素、炭
素、窒素、シリコン、ゲルマニウムまたはアルゴンを含んでも構わない。
【０２３６】
導電膜６７１ｂおよび導電膜６７２ｂは、可視光線を透過する性質を有しても構わない。
または、導電膜６７１ｂおよび導電膜６７２ｂは、可視光線、紫外線、赤外線もしくはＸ
線を、反射もしくは吸収することで透過させない性質を有しても構わない。このような性
質を有することで、迷光によるトランジスタの電気特性の変動を抑制できる場合がある。
【０２３７】
また、導電膜６７１ｂおよび導電膜６７２ｂは、半導体６６２などとの間にショットキー
障壁を形成しない層を用いると好ましい場合がある。こうすることで、トランジスタのオ
ン特性を向上させることができる。
【０２３８】
導電膜６７１ａおよび導電膜６７２ａとしては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、
シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、
亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウ
ム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で
用いればよい。例えば、合金膜や化合物膜であってもよく、アルミニウムを含む導電体、
銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび
酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
【０２３９】
なお、導電膜６７１ｂおよび導電膜６７２ｂは、導電膜６７１ａおよび導電膜６７２ａよ
りも高抵抗の膜を用いると好ましい場合がある。また、導電膜６７１ｂおよび導電膜６７
２ｂは、トランジスタのチャネルよりも低抵抗の膜を用いると好ましい場合がある。例え
ば、導電膜６７１ｂおよび導電膜６７２ｂの抵抗率を、０．１Ωｃｍ以上１００Ωｃｍ以
下、０．５Ωｃｍ以上５０Ωｃｍ以下、または１Ωｃｍ以上１０Ωｃｍ以下とすればよい
。導電膜６７１ｂおよび導電膜６７２ｂの抵抗率を上述の範囲とすることにより、チャネ
ルとドレインとの境界部における電界集中を緩和することができる。そのため、トランジ
スタの電気特性の変動を低減することができる。また、ドレインから生じる電界に起因し
たパンチスルー電流を低減することができる。そのため、チャネル長の短いトランジスタ
においても、飽和特性を良好にすることができる。なお、ソースとドレインとが入れ替わ
らない回路構成であれば、導電膜６７１ｂおよび導電膜６７２ｂのいずれか一方のみ（例
えば、ドレイン側）を配置するほうが好ましい場合がある。
【０２４０】
〈トランジスタの構成例６〉
図１４に示すトランジスタおいて、導電膜６７１は導電膜６７１ａと導電膜６７１ｂの積
層構造としてもよい。また、導電膜６７２は導電膜６７２ａと導電膜６７２ｂの積層構造
としてもよい。一例として、図１６（Ａ）乃至図１６（Ｄ）に示す。図１６（Ａ）は上面
図であり、図１６（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向の断面が図１６（Ｂ）に相当し、
図１６（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向の断面が図１６（Ｃ）に相当し、図１６（Ａ
）に示す一点鎖線Ｘ３−Ｘ４方向の断面が図１６（Ｄ）に相当する。なお、図１６（Ａ）
乃至図１６（Ｄ）では、図の明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、または省略して図
示している。
【０２４１】
図１６の導電膜６７１ａ、導電膜６７１ｂ、導電膜６７２ａ及び導電膜６７２ｂの詳細は
、図１５での記載を参照すればよい。
【０２４２】
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態１に示す半導体装置の一例について、図１７を用いて説明
する。
【０２４３】
図１７は半導体装置の構成の一例を示す断面図である。図１７に示す半導体装置は、トラ
ンジスタ１０１と、トランジスタ１０２と、トランジスタ１０３と、容量素子１０４と、
基板７３０と、素子分離層７３１と、絶縁膜７３２と、絶縁膜７３３と、絶縁膜７３４と
、プラグ７１１と、プラグ７１２と、プラグ７１３と、プラグ７１４と、配線７２１と、
配線７２２と、配線７２３と、配線７２４と、を有している。なお、図１７のある一つの
構成要素に符号を与えた場合、該構成要素と同一の層に形成されている同じ構成要素は、
煩雑さを避けるために符号の記載を省略している。
【０２４４】
トランジスタ１０２及びトランジスタ１０３は、実施の形態３に記載のＯＳトランジスタ
を適用することができる。
【０２４５】
トランジスタ１０１は、ソース領域又はドレイン領域として機能する不純物領域７５１及
び不純物領域７５５と、ゲート電極７５２と、ゲート絶縁膜７５３と、側壁絶縁層７５４
と、を有している。
【０２４６】
トランジスタ１０１は第１の半導体材料を有し、トランジスタ１０２及びトランジスタ１
０３は第２の半導体材料を有している。第１の半導体材料と第２の半導体材料は異なる禁
制帯幅を持つ材料とすることが好ましい。例えば、第１の半導体材料を酸化物半導体以外
の半導体材料（シリコン（歪シリコン含む）、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭
化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム
、有機半導体など）とし、第２の半導体材料を酸化物半導体とすることができる。酸化物
半導体以外の材料として単結晶シリコンなどを用いたトランジスタは、高速動作が容易で
ある。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、先の実施の形態で例示したトラン
ジスタを適用することで、優れたサブスレッショルド特性が得られ、微細なトランジスタ
とすることが可能である。また、スイッチ速度が速いため高速動作が可能であり、オフ電
流が低いためリーク電流が小さい。
【０２４７】
トランジスタ１０１は、ｎチャネル型のトランジスタまたはｐチャネル型のトランジスタ
のいずれであってもよく、回路によって適切なトランジスタを用いればよい。本実施の形
態では、トランジスタ１０１は、ｐチャネル型のトランジスタとして説明を行う。
【０２４８】
また、トランジスタ１０１は、側壁絶縁層７５４の下に、ＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ  Ｄｏ
ｐｅｄ  Ｄｒａｉｎ）領域やエクステンション領域として機能する不純物領域を設けても
よい。特に、トランジスタ１０１をｎチャネル型とする場合は、ホットキャリアによる劣
化を抑制するため、ＬＤＤ領域やエクステンション領域を設けることが好ましい。
【０２４９】
また、トランジスタ１０１としてシリサイド（サリサイド）を有するトランジスタや、側
壁絶縁層７５４を有さないトランジスタを用いてもよい。シリサイド（サリサイド）を有
する構造であると、ソース領域およびドレイン領域がより低抵抗化でき、半導体装置の高
速化が可能である。また、低電圧で動作できるため、半導体装置の消費電力を低減するこ
とが可能である。
【０２５０】
基板７３０としては、シリコンや炭化シリコンからなる単結晶半導体基板、多結晶半導体
基板、シリコンゲルマニウムからなる化合物半導体基板や、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏ
ｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などを用いることができる。半導体基板を用いて形成され
たトランジスタは、高速動作が容易である。なお、基板７３０としてｐ型の単結晶シリコ
ン基板を用いた場合、基板７３０の一部にｎ型を付与する不純物元素を添加してｎ型のウ
ェルを形成し、ｎ型のウェルが形成された領域にｐ型のトランジスタを形成することも可
能である。ｎ型を付与する不純物元素としては、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）等を用いるこ
とができる。ｐ型を付与する不純物元素としては、ボロン（Ｂ）等を用いることができる
。
【０２５１】
また、基板７３０は導電体基板、または絶縁基板上に半導体膜を設けたものでもよい。該
導電体基板として、例えば、金属基板、ステンレス・スチル基板、ステンレス・スチル・
ホイルを有する基板、タングステン基板、タングステン・ホイルを有する基板などが挙げ
られる。該絶縁基板として、例えば、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板、可撓性
基板、貼り合わせフィルム、繊維状の材料を含む紙、又は基材フィルムなどが挙げられる
。ガラス基板の一例としては、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、
又はソーダライムガラスなどがある。可撓性基板の一例としては、ポリエチレンテレフタ
レート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルサルフォン（Ｐ
ＥＳ）に代表されるプラスチック、又はアクリル等の可撓性を有する合成樹脂などがある
。貼り合わせフィルムの一例としては、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリフッ化ビニ
ル、又はポリ塩化ビニルなどがある。基材フィルムの一例としては、ポリエステル、ポリ
アミド、ポリイミド、アラミド、エポキシ、無機蒸着フィルム、又は紙類などがある。
【０２５２】
なお、ある基板を用いて半導体素子を形成し、その後、別の基板に半導体素子を転置して
もよい。半導体素子が転置される基板の一例としては、上述した基板に加え、紙基板、セ
ロファン基板、アラミドフィルム基板、ポリイミドフィルム基板、石材基板、木材基板、
布基板（天然繊維（絹、綿、麻）、合成繊維（ナイロン、ポリウレタン、ポリエステル）
若しくは再生繊維（アセテート、キュプラ、レーヨン、再生ポリエステル）などを含む）
、皮革基板、又はゴム基板などがある。これらの基板を用いることにより、特性のよいト
ランジスタの形成、消費電力の小さいトランジスタの形成、壊れにくい装置の製造、耐熱
性の付与、軽量化、又は薄型化を図ることができる。
【０２５３】
トランジスタ１０１は、素子分離層７３１により、基板７３０に形成される他のトランジ
スタと分離されている。素子分離層７３１は、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム
、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、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、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上含む絶縁体を用いること
ができる。
【０２５４】
下層に設けられるトランジスタ１０１にシリコン系半導体材料を用いた場合、トランジス
タ１０１の半導体膜の近傍に設けられる絶縁膜７３４は水素を含むことが好ましい。絶縁
膜７３４に含まれる水素はシリコンのダングリングボンドを終端し、トランジスタ１０１
の信頼性を向上させる効果がある。絶縁膜７３４には、酸化シリコン、酸化窒化シリコン
、窒化酸化シリコン、窒化シリコンなどを用いることができる。
【０２５５】
上層に設けられるトランジスタ１０２及びトランジスタ１０３に酸化物半導体を用いた場
合、トランジスタ１０２及びトランジスタ１０３の半導体膜の近傍に設けられる絶縁膜中
の水素は、酸化物半導体中にキャリアを生成する要因の一つとなるため、トランジスタ１
０２及びトランジスタ１０３の信頼性を低下させる要因となる場合がある。したがって、
シリコン系半導体材料を用いたトランジスタ１０１の上層に酸化物半導体を用いたトラン
ジスタ１０２及びトランジスタ１０３を積層して設ける場合、これらの間に水素の拡散を
防止する機能を有する絶縁膜７３２を設けることは特に効果的である。絶縁膜７３２によ
り、下層に水素を閉じ込めることでトランジスタ１０２及びトランジスタ１０３の信頼性
が向上することに加え、下層から上層に水素が拡散することが抑制されることでトランジ
スタ１０１の信頼性も同時に向上させることができる。
【０２５６】
絶縁膜７３２としては、例えば酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム
、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化
窒化ハフニウム、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等を用いることができる。
【０２５７】
また、酸化物半導体膜を含んで構成されるトランジスタ１０２及びトランジスタ１０３を
覆うように、水素の拡散を防止する機能を有する絶縁膜７３３を形成することが好ましい
。絶縁膜７３３としては、絶縁膜７３２と同様の材料を用いることができ、特に酸化アル
ミニウムを適用することが好ましい。酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物お
よび酸素の双方に対して膜を透過させない遮断（ブロッキング）効果が高い。したがって
、トランジスタ１０２及びトランジスタ１０３を覆う絶縁膜７３３として酸化アルミニウ
ム膜を用いることで、トランジスタ１０２及びトランジスタ１０３に含まれる酸化物半導
体膜からの酸素の脱離を防止するとともに、酸化物半導体膜への水および水素の混入を防
止することができる。
【０２５８】
プラグ７１１乃至プラグ７１４は、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ
）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル
（Ｔａ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）、鉄（Ｆｅ）、
コバルト（Ｃｏ）の低抵抗材料からなる単体、もしくは合金、またはこれらを主成分とす
る化合物を含む導電膜の単層または積層とすることが好ましい。特に、耐熱性と導電性を
両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましい。また、ア
ルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。さらに、Ｃｕ−Ｍｎ
合金を用いると、酸素を含む絶縁体との界面に酸化マンガンを形成し、酸化マンガンがＣ
ｕの拡散を抑制する機能を持つので好ましい。
【０２５９】
配線７２１乃至配線７２４は、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、
金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔ
ａ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバ
ルト（Ｃｏ）の低抵抗材料からなる単体、もしくは合金、またはこれらを主成分とする化
合物を含む導電膜の単層または積層とすることが好ましい。特に、耐熱性と導電性を両立
するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましい。また、アルミ
ニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。さらに、Ｃｕ−Ｍｎ合金
を用いると、酸素を含む絶縁体との界面に酸化マンガンを形成し、酸化マンガンがＣｕの
拡散を抑制する機能を持つので好ましい。
【０２６０】
プラグ７１３及び配線７２３は、同じ製造工程で作製してもよい。
【０２６１】
必要に応じて、トランジスタ１０２及びトランジスタ１０３の上に、実施の形態２で示し
たトランジスタをさらに形成してもよい。
【０２６２】
図１７において、符号及びハッチングパターンが与えられていない領域は絶縁体で構成さ
れた領域を表している。これらの領域には、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、
酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン
、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタ
ン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上含む絶縁体
を用いることができる。また、当該領域には、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、アクリ
ル樹脂、シロキサン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の有機樹脂を用いることもで
きる。
【０２６３】
ここで、トランジスタ１０１に換えて図１８（Ａ）及び図１８（Ｂ）に示すトランジスタ
７５０を用いてもよい。図１８（Ｂ）には、一点鎖線Ｅ−Ｆによる図１８（Ａ）の断面を
示す。トランジスタ７５０はチャネルが形成される半導体層７５６（半導体基板の一部）
が凸形状を有し、その側面及び上面に沿ってゲート絶縁膜７５３及びゲート電極７５２が
設けられている。また素子分離層７３１が設けられている。このようなトランジスタは半
導体基板の凸部を利用していることからＦＩＮ型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部
の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁膜を有していてもよい
。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、ＳＯＩ基
板を加工して凸形状を有する半導体層を形成してもよい。
【０２６４】
半導体装置を、図１７のような構成にすることで、ＯＳトランジスタとＰＭＯＳトランジ
スタを同一基板上に作製することができる。また、トランジスタ１０２およびトランジス
タ１０３は、占有面積が小さいため、集積度の高い半導体装置を提供することができる。
【０２６５】
ただし、本発明の一態様は、これに限定されない。場合によっては、または、状況に応じ
て、ＯＳではなく、様々な半導体を有することができる。場合によっては、または、状況
に応じて、ＯＳの代わりに、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、
炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウ
ム、有機半導体などを有することもできる。
【０２６６】
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適
宜組み合わせて用いることができる。
【０２６７】
（実施の形態５）
本発明の一態様に係る半導体装置を適用した半導体装置の構成の一例について、図１９を
用いながら説明する。
【０２６８】
図１９に示す半導体装置５００は、ＣＰＵコア５０１、パワーマネージメントユニット５
２１および周辺回路５２２を有する。パワーマネージメントユニット５２１は、パワーコ
ントローラ５０２、およびパワースイッチ５０３を有する。周辺回路５２２は、メモリ５
０４、バスインターフェース（ＢＵＳ  Ｉ／Ｆ）５０５、及びデバッグインターフェース
（Ｄｅｂｕｇ  Ｉ／Ｆ）５０６を有する。ＣＰＵコア５０１は、データバス５２３、制御
装置５０７、ＰＣ（プログラムカウンタ）５０８、パイプラインレジスタ５０９、パイプ
ラインレジスタ５１０、ＡＬＵ（Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ  ｌｏｇｉｃ  ｕｎｉｔ）５１１
、及びレジスタファイル５１２を有する。ＣＰＵコア５０１と、メモリ５０４等の周辺回
路５２２とのデータのやり取りは、データバス５２３を介して行われる。
【０２６９】
本発明の一態様に係る半導体装置は、メモリ５０４に適用することができる。その結果、
メモリの小型化、高密度化、または大容量化が可能となり、小型化した半導体装置、記憶
容量のより大きな半導体装置、より高速で動作する半導体装置、或いはより低消費電力の
半導体装置を提供できる。
【０２７０】
制御装置５０７は、ＰＣ５０８、パイプラインレジスタ５０９、パイプラインレジスタ５
１０、ＡＬＵ５１１、レジスタファイル５１２、メモリ５０４、バスインターフェース５
０５、デバッグインターフェース５０６、及びパワーコントローラ５０２の動作を統括的
に制御することで、入力されたアプリケーションなどのプログラムに含まれる命令をデコ
ードし、実行する機能を有する。
【０２７１】
ＡＬＵ５１１は、四則演算、論理演算などの各種演算処理を行う機能を有する。
【０２７２】
ＰＣ５０８は、次に実行する命令のアドレスを記憶する機能を有するレジスタである。
【０２７３】
パイプラインレジスタ５０９は、命令データを一時的に記憶する機能を有するレジスタで
ある。
【０２７４】
レジスタファイル５１２は、汎用レジスタを含む複数のレジスタを有しており、メインメ
モリから読み出されたデータ、またはＡＬＵ５１１の演算処理の結果得られたデータ、な
どを記憶することができる。
【０２７５】
パイプラインレジスタ５１０は、ＡＬＵ５１１の演算処理に利用するデータ、またはＡＬ
Ｕ５１１の演算処理の結果得られたデータなどを一時的に記憶する機能を有するレジスタ
である。
【０２７６】
バスインターフェース５０５は、半導体装置５００と半導体装置５００の外部にある各種
装置との間におけるデータの経路としての機能を有する。デバッグインターフェース５０
６は、デバッグの制御を行うための命令を半導体装置５００に入力するための信号の経路
としての機能を有する。
【０２７７】
パワースイッチ５０３は、半導体装置５００が有する、パワーコントローラ５０２以外の
各種回路への、電源電圧の供給を制御する機能を有する。上記各種回路は、幾つかのパワ
ードメインにそれぞれ属しており、同一のパワードメインに属する各種回路は、パワース
イッチ５０３によって電源電圧の供給の有無が制御される。また、パワーコントローラ５
０２はパワースイッチ５０３の動作を制御する機能を有する。
【０２７８】
上記構成を有する半導体装置５００は、パワーゲーティングを行うことが可能である。パ
ワーゲーティングの動作の流れについて、一例を挙げて説明する。
【０２７９】
まず、ＣＰＵコア５０１が、電源電圧の供給を停止するタイミングを、パワーコントロー
ラ５０２のレジスタに設定する。次いで、ＣＰＵコア５０１からパワーコントローラ５０
２へ、パワーゲーティングを開始する旨の命令を送る。次いで、半導体装置５００内に含
まれる各種レジスタとメモリ５０４が、データの退避を開始する。次いで、半導体装置５
００が有するパワーコントローラ５０２以外の各種回路への電源電圧の供給が、パワース
イッチ５０３により停止される。次いで、割込み信号がパワーコントローラ５０２に入力
されることで、半導体装置５００が有する各種回路への電源電圧の供給が開始される。な
お、パワーコントローラ５０２にカウンタを設けておき、電源電圧の供給が開始されるタ
イミングを、割込み信号の入力に依らずに、当該カウンタを用いて決めるようにしてもよ
い。次いで、各種レジスタとメモリ５０４が、データの復帰を開始する。次いで、制御装
置５０７における命令の実行が再開される。
【０２８０】
このようなパワーゲーティングは、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ
、または複数の論理回路において行うことができる。また、短い時間でも電源の供給を停
止することができる。このため、空間的に、あるいは時間的に細かい粒度で消費電力の削
減を行うことができる。
【０２８１】
本発明の一態様に係る半導体装置をメモリ５０４に適用することで、メモリ５０４は、電
源電圧の供給が停止されても、長期間データを保持することができる。したがって、パワ
ーゲーティングを行う際に、メモリ５０４のデータを保持し続けることができ、退避する
必要がない。その結果、電力と時間を削減することができる。つまり、メモリ５０４に本
発明の一態様に係る半導体装置を適用せず、揮発性のＳＲＡＭを用いる場合には、パワー
ゲーティングの際に、メモリのデータを半導体装置５００の外部に退避する必要がある。
データを半導体装置５００の外部に退避する場合には、復帰時に半導体装置５００の外部
からデータを取ってくるエネルギーと時間（つまり、メモリのウォームアップに必要なエ
ネルギーと時間）を要するが、本発明の一態様に係る半導体装置を適用することで、これ
を削減することができる。データを退避する場合には、データの退避および復帰に必要な
電力と時間を要するが、本発明の一態様に係る半導体装置を適用することで、これを削減
することができる。
【０２８２】
なお、本発明の一態様に係る半導体装置は、ＣＰＵだけでなく、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃ
ｓ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、ＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉ
ｃ  Ｄｅｖｉｃｅ）、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、
ＭＣＵ（Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ  Ｕｎｉｔ）、ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅ
ｑｕｅｎｃｙ  Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）、ＲＦＩＣ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅ
ｎｃｙ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）、カスタムＬＳＩなどにも適用可能で
ある。
【０２８３】
（実施の形態６）
本発明の一態様に係る半導体装置を適用した半導体装置の構成の一例について、図２０を
用いながら説明する。
【０２８４】
図２０に示す半導体装置８００は、ＲＦＩＣの構成の一例である。本実施の形態における
ＲＦＩＣは、内部に記憶回路を有し、記憶回路に必要な情報を記憶し、非接触手段、例え
ば無線通信を用いて外部と情報の授受を行うものである。このような特徴から、ＲＦＩＣ
は、物品などの個体情報を読み取ることにより物品の識別を行う個体認証システムなどに
用いることが可能である。
【０２８５】
図２０に示す半導体装置８００は、アンテナ８０４、整流回路８０５、定電圧回路８０６
、復調回路８０７、変調回路８０８、論理回路８０９、記憶回路８１０、ＲＯＭ８１１を
有している。
【０２８６】
本発明の一態様に係る半導体装置は、記憶回路８１０に適用することができる。その結果
、記憶回路８１０の小型化、高密度化、または大容量化が可能となり、小型化した半導体
装置、あるいは記憶容量のより大きな半導体装置を提供できる。
【０２８７】
アンテナ８０４は、通信器８０１に接続されたアンテナ８０２との間で無線信号８０３の
送受信を行うためのものである。また、整流回路８０５は、アンテナ８０４で無線信号を
受信することにより生成される入力交流信号を整流、例えば、半波２倍圧整流し、後段に
設けられた容量素子により、整流された信号を平滑化することで入力電位を生成するため
の回路である。なお、整流回路８０５の入力側または出力側には、リミッタ回路を設けて
もよい。リミッタ回路とは、入力交流信号の振幅が大きく、内部生成電圧が大きい場合に
、ある電力以上の電力を後段の回路に入力しないように制御するための回路である。
【０２８８】
定電圧回路８０６は、入力電位から安定した電源電圧を生成し、各回路に供給するための
回路である。なお、定電圧回路８０６は、内部にリセット信号生成回路を有していてもよ
い。リセット信号生成回路は、安定した電源電圧の立ち上がりを利用して、論理回路８０
９のリセット信号を生成するための回路である。
【０２８９】
復調回路８０７は、入力交流信号を包絡線検出することにより復調し、復調信号を生成す
るための回路である。また、変調回路８０８は、アンテナ８０４より出力するデータに応
じて変調を行うための回路である。
【０２９０】
論理回路８０９は復調信号を解読し、処理を行うための回路である。記憶回路８１０は、
入力された情報を保持する回路であり、ローデコーダ、カラムデコーダ、記憶領域などを
有する。また、ＲＯＭ８１１は、固有番号（ＩＤ）などを格納し、処理に応じて出力を行
うための回路である。
【０２９１】
なお、データの伝送形式は、一対のコイルを対向配置して相互誘導によって交信を行う電
磁結合方式、誘導電磁界によって交信する電磁誘導方式、電波を利用して交信する電波方
式などがある。本実施の形態に示す半導体装置８００は、いずれの方式に用いることも可
能である。
【０２９２】
なお、上述の各回路は、必要に応じて、適宜、取捨することができる。
【０２９３】
なお、記憶回路８１０以外の回路において、ｎチャネル型トランジスタには、先の実施の
形態で説明した酸化物半導体を用いたトランジスタを用いることができる。当該トランジ
スタが低いオフ電流と高いオン電流を有するため低いリーク電流と高速動作を両立するこ
とができる。また、復調回路８０７に含まれる整流作用を示す素子に、先の実施の形態で
説明した酸化物半導体を用いたトランジスタを用いてもよい。当該トランジスタが低いオ
フ電流を有するため、整流作用を示す素子の逆方向電流を小さく抑えることが可能となる
。その結果、優れた整流効率を実現できる。また、これらの酸化物半導体を用いたトラン
ジスタは同じプロセスで作製することができるため、プロセスコストを抑えたまま半導体
装置８００を高性能化できる。
【０２９４】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる
。
【０２９５】
（実施の形態７）
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明した半導体装置を電子部品に適用する例につ
いて、図２１を用いて説明する。
【０２９６】
図２１（ａ）では上述の実施の形態で説明した半導体装置を電子部品に適用する例につい
て説明する。なお電子部品は、半導体パッケージ、又はＩＣ用パッケージともいう。この
電子部品は、端子取り出し方向や、端子の形状に応じて、複数の規格や名称が存在する。
そこで、本実施の形態では、その一例について説明することにする。
【０２９７】
図１７に示すようなトランジスタで構成される半導体装置は、組み立て工程（後工程）を
経て、プリント基板に脱着可能な部品が複数合わさることで完成する。
【０２９８】
後工程については、図２１（ａ）に示す各工程を経ることで完成させることができる。具
体的には、前工程で得られる素子基板が完成（ステップＳ１）した後、基板の裏面を研削
する（ステップＳ２）。この段階で基板を薄膜化することで、前工程での基板の反り等を
低減し、部品としての小型化を図る。
【０２９９】
基板の裏面を研削して、基板を複数のチップに分離するダイシング工程を行う。そして、
分離したチップを個々にピックアップしてリードフレーム上に搭載し接合する、ダイボン
ディング工程を行う（ステップＳ３）。このダイボンディング工程におけるチップとリー
ドフレームとの接着は、樹脂による接着や、テープによる接着等、適宜製品に応じて適し
た方法を選択する。なお、ダイボンディング工程は、インターポーザ上に搭載し接合して
もよい。
【０３００】
次いでリードフレームのリードとチップ上の電極とを、金属の細線（ワイヤー）で電気的
に接続する、ワイヤーボンディングを行う（ステップＳ４）。金属の細線には、銀線や金
線を用いることができる。また、ワイヤーボンディングは、ボールボンディングや、ウェ
ッジボンディングを用いることができる。
【０３０１】
ワイヤーボンディングされたチップは、エポキシ樹脂等で封止される、モールド工程が施
される（ステップＳ５）。モールド工程を行うことで電子部品の内部が樹脂で充填され、
機械的な外力による内蔵される回路部やワイヤーに対するダメージを低減することができ
、また水分や埃による特性の劣化を低減することができる。
【０３０２】
次いでリードフレームのリードをめっき処理する。そしてリードを切断及び成形加工する
（ステップＳ６）。このめっき処理によりリードの錆を防止し、後にプリント基板に実装
する際のはんだ付けをより確実に行うことができる。
【０３０３】
次いでパッケージの表面に印字処理（マーキング）を施す（ステップＳ７）。そして最終
的な検査工程（ステップＳ８）を経て電子部品が完成する（ステップＳ９）。
【０３０４】
以上説明した電子部品は、先の実施の形態で説明した半導体装置を含む構成とすることが
できる。そのため、小型化、高密度化、または大容量化された記憶装置を有する電子部品
を実現することができる。該電子部品は、小型化あるいは記憶容量の大容量化が図られた
電子部品である。
【０３０５】
また、完成した電子部品の斜視模式図を図２１（ｂ）に示す。図２１（ｂ）では、電子部
品の一例として、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ  Ｆｌａｔ  Ｐａｃｋａｇｅ）の斜視模式図を示して
いる。図２１（ｂ）に示す電子部品７００は、リード７０１及び半導体装置７０３を示し
ている。図２１（ｂ）に示す電子部品７００は、例えばプリント基板７０２に実装される
。このような電子部品７００が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板７０２上で
電気的に接続されることで電子部品が実装された基板（実装基板７０４）が完成する。完
成した実装基板７０４は、電子機器等の内部に設けられる。
【０３０６】
（実施の形態８）
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、携帯データ端末、電子書籍端末、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２２に示
す。
【０３０７】
図２２（Ａ）は携帯型ゲーム機であり、筐体９０１、筐体９０２、表示部９０３、表示部
９０４、マイクロフォン９０５、スピーカ９０６、操作キー９０７、スタイラス９０８等
を有する。なお、図２２（Ａ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示部９０３と表示部
９０４とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。
【０３０８】
図２２（Ｂ）は、携帯電話機であり、筐体９１１、表示部９１６、操作ボタン９１４、外
部接続ポート９１３、スピーカ９１７、マイク９１２などを備えている。図２２（Ｂ）に
示す携帯電話機は、指などで表示部９１６に触れることで、情報を入力することができる
。また、電話を掛ける、或いは文字を入力するなどのあらゆる操作は、指などで表示部９
１６に触れることにより行うことができる。また、操作ボタン９１４の操作により、電源
のＯＮ、ＯＦＦ動作や、表示部９１６に表示される画像の種類を切り替えることができる
。例えば、メール作成画面から、メインメニュー画面に切り替えることができる。
【０３０９】
図２２（Ｃ）はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体９２１、表示部９２２、キ
ーボード９２３、ポインティングデバイス９２４等を有する。
【０３１０】
図２２（Ｄ）は電気冷凍冷蔵庫であり、筐体９３１、冷蔵室用扉９３２、冷凍室用扉９３
３等を有する。
【０３１１】
図２２（Ｅ）はビデオカメラであり、第１筐体９４１、第２筐体９４２、表示部９４３、
操作キー９４４、レンズ９４５、接続部９４６等を有する。操作キー９４４およびレンズ
９４５は第１筐体９４１に設けられており、表示部９４３は第２筐体９４２に設けられて
いる。そして、第１筐体９４１と第２筐体９４２とは、接続部９４６により接続されてお
り、第１筐体９４１と第２筐体９４２の間の角度は、接続部９４６により変更が可能であ
る。表示部９４３における映像を、接続部９４６における第１筐体９４１と第２筐体９４
２との間の角度に従って切り替える構成としても良い。
【０３１２】
図２２（Ｆ）は自動車であり、車体９５１、車輪９５２、ダッシュボード９５３、ライト
９５４等を有する。
【０３１３】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる
。
【０３１４】
（実施の形態９）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を備えることができるＲＦＩＣの使用例
について図２３を用いながら説明する。ＲＦＩＣ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２３（Ａ）参照
）、記録媒体（ＤＶＤやビデオテープ等、図２３（Ｂ）参照）、包装用容器類（包装紙や
ボトル等、図２３（Ｃ）参照）、乗り物類（自転車等、図２３（Ｄ）参照）、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、薬品や薬剤を含む
医療品、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２３（Ｅ）、図２３（Ｆ）参照）
等に設けて使用することができる。
【０３１５】
本発明の一態様に係るＲＦＩＣ４０００は、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み、有機樹脂からなるパッケージであれ
ば当該有機樹脂の内部に埋め込み、各物品に固定される。本発明の一態様に係るＲＦＩＣ
４０００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
類等に本発明の一態様に係るＲＦＩＣ４０００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一
態様に係るＲＦＩＣ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、本発明の一態様に係るＲＦＩＣ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。
【０３１６】
以上のように、本発明の一態様に係わるＲＦＩＣを本実施の形態に挙げた各用途に用いる
ことにより、情報の書込みや読み出しを含む動作電力を低減できるため、最大通信距離を
長くとることが可能となる。また、電力が遮断された状態であっても情報を極めて長い期
間保持可能であるため、書き込みや読み出しの頻度が低い用途にも好適に用いることがで
きる。
【０３１７】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【符号の説明】
【０３１８】
ＢＬ    配線
ＢＲ    配線
ＢＣ    配線
ＶＴ    配線
ＶＬ    配線
ＳＥ    配線
ＴＣ    配線
ＶＨ    配線
ＯＬ    配線
ＳＴ    配線
ＶＲｅｆ    配線
ＢＯ    配線
ＶＤＤ    配線
ＶＳＳ    配線
ＶＳＳ２    配線
ＣｏｌｕｍｎＡｄｄｒｅｓｓ    配線
ＲｏｗＡｄｄｒｅｓｓ    配線
ＷＥＢ    配線
ＰＲ    配線
ＰＷＳ    配線
ＰＷＬ１    配線
ＰＷＬ２    配線
ＶＰＲＥ    配線
ＩＮ＿Ｄａｔａ    配線
ＯＵＴ＿Ｄａｔａ    配線
ＬＡＴ１＿Ｄａｔａ    配線
ＬＡＴ２＿Ｄａｔａ    配線
ＣＭＰ    コンパレータ
Ｉａ    電流
Ｉｂ    電流
Ｉｃ    電流
Ｉｄ    電流
１００    メモリセル
１０１    トランジスタ
１０２    トランジスタ
１０３    トランジスタ
１０４    容量素子
１１１    トランジスタ
１１２    トランジスタ
２００  書き込み／読み出し回路
２０１    読み出し検出回路
２１１    トランジスタ
２１２    トランジスタ
２１３    トランジスタ
２１４    トランジスタ
２１５    トランジスタ
２１６    トランジスタ
２２１    インバータ
２２２    インバータ
３００    半導体装置
３０１    メモリセルアレイ
３０２    行ドライバ
３０３    列ドライバ
４０１    デコーダ
４０２    読み出し書き込み制御回路
４１１    デコーダ
４１２    ラッチ１回路
４１３    ラッチ２回路
４１４    Ｄ／Ａコンバータ
４１５    セレクタ回路
５００    半導体装置
６００    トランジスタ
６４０    基板
６５１    絶縁膜
６５２    絶縁膜
６５３    絶縁膜
６５４    絶縁膜
６５５    絶縁膜
６６０    半導体
６６１    半導体
６６２    半導体
６６３    半導体
６７１    導電膜
６７１ａ    導電膜
６７１ｂ    導電膜
６７２    導電膜
６７２ａ    導電膜
６７２ｂ    導電膜
６７３    導電膜
６８１    導電膜
６８２    絶縁膜
７０２    プリント基板
７０３    半導体装置
７０４    実装基板
７１１    プラグ
７１２    プラグ
７１３    プラグ
７１４    プラグ
７２１    配線
７２２    配線
７２３    配線
７２４    配線
７３０    基板
７３１    素子分離層
７３２    絶縁膜
７３３    絶縁膜
７３４    絶縁膜
７５０    トランジスタ
７５１    不純物領域
７５２    ゲート電極
７５３    ゲート絶縁膜
７５４    側壁絶縁層
７５５    不純物領域
７５６    半導体層
８００    半導体装置
９０１    筐体
９０２    筐体
９０３    表示部
９０４    表示部
９０５    マイクロフォン
９０６    スピーカ
９０７    操作キー
９０８    スタイラス
９１１    筐体
９１２    マイク
９１３    外部接続ポート
９１４    操作ボタン
９１６    表示部
９１７    スピーカ
９２１    筐体
９２２    表示部
９２３    キーボード
９２４    ポインティングデバイス
９３１    筐体
９３２    冷蔵室用扉
９３３    冷凍室用扉
９４１    筐体
９４２    筐体
９４３    表示部
９４４    操作キー
９４５    レンズ
９４６    接続部
９５１    車体
９５２    車輪
９５３    ダッシュボード
９５４    ライト
４０００    ＲＦＩＣ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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