(57)【要約】【課題】半導体装置に良好な電気特性を付与すること。または、電気特性の変動が抑制された半導体装置を提供すること。または、信頼性の高い半導体装置を提供すること。【解決手段】第１の絶縁層と、第１の絶縁層上に、開口部を有する第２の絶縁層と、第１の絶縁層上に、半導体層と、半導体層と重なる領域で離間するソース電極及びドレイン電極と、半導体層と重なるゲート電極と、半導体層とゲート電極の間にゲート絶縁層と、を備える構成とする。さらに、第１の絶縁層は、酸化物を含み、第２の絶縁層の開口部は、上面側から見て半導体層よりも内側に位置し、且つ、ゲート電極と少なくとも一部が重なるように配置する。【選択図】図１
2015062220.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層上に、開口部を有する第２の絶縁層と、
前記第１の絶縁層上に、半導体層と、
前記半導体層と重なる領域で離間するソース電極及びドレイン電極と、
前記半導体層と重なるゲート電極と、
前記半導体層と前記ゲート電極の間にゲート絶縁層と、を備え、
前記第１の絶縁層は、酸化物を含み、
前記第２の絶縁層の前記開口部は、上面側から見て前記半導体層よりも内側に位置し、且つ、前記ゲート電極と少なくとも一部が重なるように配置された、
半導体装置。
【請求項２】
前記半導体層と前記第２の絶縁層とが重なる領域において、前記半導体層が前記第２の絶縁層上に設けられ、
前記第２の絶縁層の前記開口部よりも内側の領域において、前記半導体層と前記第１の絶縁層とが接して設けられる、
請求項１に記載の、半導体装置。
【請求項３】
前記半導体層と前記第２の絶縁層とが重なる領域において、前記第２の絶縁層が前記半導体層上に設けられ、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、前記開口部の内側の領域において、前記半導体層の上面と接して設けられる、
請求項１に記載の、半導体装置。
【請求項４】
前記半導体層と前記第２の絶縁層との間に第３の絶縁層を有する、
請求項３に記載の、半導体装置。
【請求項５】
前記半導体層は、酸化物半導体を含む、
請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載の、半導体装置。
【請求項６】
前記半導体層は、第１の酸化物層と、前記半導体層と前記ゲート絶縁層との間に位置する第２の酸化物層と、に挟持され、
前記第１の酸化物層及び前記第２の酸化物層は、前記半導体層に含まれる金属元素を一種以上含む、
請求項５に記載の、半導体装置。
【請求項７】
前記第１の絶縁層は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む領域を有する、
請求項１乃至請求項６のいずれか一に記載の、半導体装置。
【請求項８】
前記第２の絶縁層は、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、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のうち、少なくとも一を含む、
請求項１乃至請求項７のいずれか一に記載の、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、半導体装置に関する。
【０００２】
なお、本明細書等において、半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。トランジスタ、半導体回路、演算装置は、半導体装置の一態様である。また、記憶装置、撮像装置、電気光学装置、表示装置、発電装置（薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む）、及び電子機器は、半導体装置を有している場合がある。
【０００３】
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は、物、方法、又は、製造方法に関する。本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、又は、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関する。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、発光装置、蓄電装置、記憶装置、電子機器、照明装置、入力装置、入出力装置、それらの駆動方法、又は、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】
【０００４】
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トランジスタを構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（単に表示装置とも表記する）のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜として、シリコン系半導体材料が知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。
【０００５】
例えば、酸化物半導体として酸化亜鉛、またはＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する技術が開示されている（特許文献１及び特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１２３８６１号公報
【特許文献２】特開２００７−９６０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の一態様は、半導体装置に良好な電気特性を付与することを課題の一とする。
【０００８】
または、電気特性の変動が抑制された半導体装置を提供することを課題の一とする。または、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規な半導体装置を提供することを課題の一とする。
【０００９】
なお、これらの課題の記載は、他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を解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、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、これら以外の課題を抽出することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様は、第１の絶縁層と、第１の絶縁層上に、開口部を有する第２の絶縁層と、第１の絶縁層上に、半導体層と、半導体層と重なる領域で離間するソース電極及びドレイン電極と、半導体層と重なるゲート電極と、半導体層とゲート電極の間にゲート絶縁層と、を備える半導体装置である。さらに、第１の絶縁層は、酸化物を含み、第２の絶縁層の開口部は、上面側から見て半導体層よりも内側に位置し、且つ、ゲート電極と少なくとも一部が重なるように配置される。
【００１１】
また、上記における半導体層と第２の絶縁層とが重なる領域において、半導体層が第２の絶縁層上に設けられ、第２の絶縁層の開口部よりも内側の領域において、半導体層と第１の絶縁層とが接して設けられることが好ましい。
【００１２】
または、上記半導体層と第２の絶縁層とが重なる領域において、第２の絶縁層が半導体層上に設けられ、ソース電極及びドレイン電極は、開口部の内側の領域において、半導体層の上面と接して設けられていることが好ましい。
【００１３】
また、上記半導体層と第２の絶縁層との間に第３の絶縁層を有していてもよい。
【００１４】
また、上記半導体層は、酸化物半導体を含むことが好ましい。
【００１５】
このとき、上記半導体層は、第１の酸化物層と、半導体層とゲート絶縁層との間に位置する第２の酸化物層と、に挟持されることが好ましく、第１の酸化物層及び第２の酸化物層は、半導体層に含まれる金属元素を一種以上含むことがより好ましい。
【００１６】
また、上記第１の絶縁層は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む領域を有することが好ましい。
【００１７】
また、上記第２の絶縁層は、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、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のうち、少なくとも一を含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の一態様によれば、良好な電気特性が付与された半導体装置を提供できる。または、電気特性の変動が抑制された半導体装置を提供できる。または、信頼性の高い半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施の形態に係る、半導体装置の構成例。
【図２】実施の形態に係る、半導体装置の構成例。
【図３】実施の形態に係る、半導体装置の構成例。
【図４】実施の形態に係る、半導体装置の構成例。
【図５】実施の形態に係る、半導体装置の構成例。
【図６】実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。
【図７】実施の形態に係る、半導体装置の構成例。
【図８】実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。
【図９】実施の形態に係る、半導体装置の構成例及び作製方法例を説明する図。
【図１０】実施の形態に係る、半導体装置の断面図及び回路図。
【図１１】実施の形態に係る、記憶装置の回路図。
【図１２】実施の形態に係る、ＲＦＩＤタグの構成例。
【図１３】実施の形態に係る、ＣＰＵの構成例。
【図１４】実施の形態に係る、記憶素子の回路図。
【図１５】実施の形態に係る、電子機器。
【図１６】実施の形態に係る、ＲＦＩＤの使用例。
【図１７】実施の形態に係る、半導体装置の構成例。
【図１８】実施の形態に係る、半導体装置の構成例。
【図１９】実施の形態に係る、半導体装置の構成例。
【図２０】実施の形態に係る、半導体装置の構成例。
【図２１】実施の形態に係る、半導体装置の構成例。
【図２２】実施の形態に係る、表示装置の構成例及び回路図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
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、その繰り返しの説明は省略する。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
【００２２】
なお、本明細書で説明する各図において、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。
【００２３】
なお、本明細書等における「第１」、「第２」等の序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、数的に限定するものではない。
【００２４】
トランジスタは半導体素子の一種であり、電流や電圧の増幅や、導通または非導通を制御するスイッチング動作などを実現することができる。本明細書におけるトランジスタは、ＩＧＦＥＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を含む。
【００２５】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の例として、トランジスタの構成例と、その作製方法例について、図面を参照して説明する。
【００２６】
［構成例］
図１（Ａ）に、本構成例で示すトランジスタ１００の上面概略図を示す。また、図１（Ｂ）、図１（Ｃ）にはそれぞれ、図１（Ａ）中の切断線Ａ−Ｂ、Ｃ−Ｄにおける断面概略図を示す。なお、図１（Ａ）には明瞭化のため一部の構成要素を明示していない。
【００２７】
トランジスタ１００は基板１０１上に設けられ、絶縁層１１１と、絶縁層１１１上に開口部１１０を有する絶縁層１１２と、絶縁層１１１上に島状の半導体層１０２と、半導体層１０２の上面と接し、半導体層１０２と重なる領域で離間する一対の電極１０３と、半導体層１０２上にゲート電極１０５と、半導体層１０２とゲート電極１０５との間に絶縁層１０４と、を有する。また、絶縁層１０４及びゲート電極１０５上に、絶縁層１０７が設けられている。
【００２８】
図１（Ａ）等に示すように、絶縁層１１２の開口部１１０は、上面側から見て半導体層１０２よりも内側に位置し、且つ、少なくとも一部がゲート電極１０５と重なるように配置されている。
【００２９】
半導体層１０２と絶縁層１１２とが重なる領域において、半導体層１０２の外周部（周縁部）が絶縁層１１２上に設けられている。また絶縁層１１２の開口部１１０の内部において、半導体層１０２は絶縁層１１１の上面に接して設けられていることが好ましい。
【００３０】
半導体層１０２は、チャネルが形成される領域において、シリコン系半導体などの半導体を含んでいてもよい。特に、半導体層１０２は、シリコンよりもバンドギャップの大きな半導体を含むことが好ましい。好適には、半導体層１０２は酸化物半導体を含んで構成される。
【００３１】
例えば、上記酸化物半導体として、少なくともインジウム（Ｉｎ）もしくは亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。より好ましくは、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ系酸化物（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、ＣｅまたはＨｆ等の金属）で表記される酸化物を含む。
【００３２】
以下では、特に断りのない限り、半導体層１０２が酸化物半導体を含む場合について説明する。
【００３３】
一対の電極１０３は、一方がソース電極として機能し、他方がドレイン電極として機能する。
【００３４】
絶縁層１０４は、トランジスタ１００のゲート絶縁層として機能する。
【００３５】
絶縁層１１１は、酸化物を含む絶縁材料を用いることが好ましい。特に、加熱により一部の酸素が脱離する絶縁材料を用いることが好ましい。
【００３６】
加熱により酸素を脱離する絶縁材料として、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絶縁膜は、加熱により一部の酸素が脱離する。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絶縁膜は、昇温脱離ガス分光法（ＴＤＳ：Ｔｈｅｒｍａｌ  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３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物絶縁膜である。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。
【００３７】
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。なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンとは、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、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を指す。
【００３８】
絶縁層１１２は、酸素を透過しにくい材料を用いることが好ましい。
【００３９】
酸素を透過しにくい材料としては、例えば窒化シリコン、窒化酸化シリコン、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などの絶縁材料を用いることができる。また上述の材料は、酸素、水素、水が透過しにくい材料である。
【００４０】
ところで、トランジスタのチャネル形成領域を含む酸化物半導体に酸素欠損が多く存在すると、チャネル形成領域中にキャリアである電子を生じさせてしまい、トランジスタのしきい値電圧のばらつき、リーク電流の増大、及びストレス印加等によるしきい値電圧の変動など、電気特性の不良を引き起こす要因となる。
【００４１】
したがって、半導体層１０２中の酸素欠損を低減することにより、トランジスタ１００に良好な電気特性を付与し、さらには電気特性の変動を低減することができ、信頼性の高いトランジスタ１００を実現できる。
【００４２】
トランジスタ１００の作製工程において、半導体層１０２を形成した後の工程、あるいは半導体層１０２となる半導体膜を成膜した後の工程で、加熱処理を行うことにより、絶縁層１１１から脱離する酸素を、絶縁層１１２の開口部１１０を介して半導体層１０２に供給することができる。
【００４３】
図２は、トランジスタ１００の一部を拡大した断面概略図である。図２では、絶縁層１１１から脱離した酸素が半導体層１０２に拡散する様子を模式的に示している。
【００４４】
開口部１１０と重なる領域において、加熱処理により絶縁層１１１中の酸素１１５がその上方に設けられた半導体層１０２中に拡散することができる。一方、開口部１１０と重ならない領域では絶縁層１１１上に絶縁層１１２が設けられているため、絶縁層１１１中の酸素１１５は絶縁層１１２にブロックされ、これよりも上方に拡散することができない。
【００４５】
ここで、加熱処理中の絶縁層１１１中の酸素濃度を考える。開口部１１０と重なる領域では半導体層１０２中に酸素１１５が放出されるため、当該領域の酸素濃度は低下する。一方、開口部１１０と重ならない領域では、上方に酸素１１５が拡散することがないため、酸素濃度の高い状態が維持される。したがって、開口部１１０と重ならない領域から開口部１１０と重なる領域にかけて低くなるように、絶縁層１１１中の酸素濃度に濃度勾配が生じることとなる。
【００４６】
絶縁層１１１中の濃度勾配によって、図２に示すように酸素１１５は絶縁層１１１中を濃度の高い領域から低い領域へと横方向に拡散する。その結果、開口部１１０と重なる領域において、酸素１１５が半導体層１０２に拡散し、その直下の絶縁層１１１中の酸素濃度が低下したとしても、横方向から酸素１１５が常に供給される。したがって、加熱処理が行われている間、半導体層１０２へ供給される酸素１１５が枯渇することなく、常に絶縁層１１１から半導体層１０２に酸素１１５を供給し続けることが可能となる。その結果、半導体層１０２中の酸素欠損を効果的に低減させることができる。
【００４７】
また、図１（Ｂ）、（Ｃ）に示す絶縁層１０７は、絶縁層１１１と同様、酸素を透過しにくい材料を用いることが好ましい。
【００４８】
酸素を透過しにくい材料を含む絶縁層１０７で半導体層１０２を覆うことで、半導体層１０２から絶縁層１０７よりも上方に酸素が放出されることを抑制することができる。さらに、絶縁層１１１から脱離した酸素を絶縁層１０７よりも下側に閉じ込めることができるため、半導体層１０２に供給しうる酸素の量を増大させることができる。
【００４９】
また、絶縁層１０７に水や水素を透過しにくい材料を用いることが好ましい。このような材料を用いることで、外部から酸化物半導体にとっての不純物である水や水素が混入することを抑制でき、トランジスタの電気特性の変動が抑えられ、信頼性の高いトランジスタを実現できる。
【００５０】
なお、絶縁層１０７よりも下側に、絶縁層１１１と同様の、加熱により酸素が脱離する絶縁層を設け、絶縁層１０４を介して半導体層１０２の上側からも酸素を供給する構成としてもよい。
【００５１】
以上のように、加熱により一部の酸素が脱離する絶縁層１１１上に、酸素を透過しにくく、且つ開口部を備える絶縁層１１２を設け、絶縁層１１２の開口部と重なるように半導体層１０２を設ける構成とすることにより、作製工程中の加熱処理によって半導体層１０２中に多量の酸素を供給することができる。その結果、半導体層１０２中の酸素欠損を効果的に低減し、トランジスタ１００のリーク電流の増大、ストレス印加によるしきい値電圧の変動などを抑制することができる。また複数のトランジスタ１００のしきい値電圧のばらつきの増大も抑制することができる。その結果、電気特性に優れ、信頼性が向上したトランジスタ１００を実現することができる。また、半導体層１０２中の酸素欠損が低減することで、半導体層１０２中のキャリア密度を極めて小さいものとすることができ、トランジスタ１００のオフ状態におけるリーク電流を極めて小さいものとすることができる。
【００５２】
なお、上記ではゲート絶縁層として機能する絶縁層１０４が、絶縁層１１２と絶縁層１０７との間に介在するように設けられる構成を示したが、半導体層１０２と重なる領域よりも外側の領域で絶縁層１１２と絶縁層１０７とが接する構成とすることが好ましい。
【００５３】
例えば、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、絶縁層１０４の上面形状が、ゲート電極１０５の上面形状と略一致するように、同一のフォトマスクを用いて加工されている構成としてもよい。または、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、絶縁層１０４よりも内側にゲート電極１０５が位置するように、絶縁層１０４を加工する構成としてもよい。
【００５４】
なお、本明細書等において「上面形状が概略一致」とは、積層した層と層との間で少なくとも輪郭の一部が重なることをいう。例えば、上層と下層とが、同一のマスクパターン、または一部が同一のマスクパターンにより加工された場合を含む。ただし、厳密には輪郭が重なり合わず、上層が下層の内側に位置することや、上層が下層の外側に位置することもあり、この場合も「上面形状が概略一致」という。
【００５５】
このように、絶縁層１１２と絶縁層１０７とを半導体層１０２よりも外側で接して設け、絶縁層１１２と絶縁層１０７により半導体層１０２が包まれるような構成とすることで、絶縁層１１１から放出された酸素を絶縁層１０７よりも下側に効果的に閉じ込めることが可能となる。
【００５６】
また、ゲート電極１０５の他に、さらにゲート電極１０５ａを設けてもよい。その場合の例を、図１７（Ａ）（Ｂ）に示す。なお、ゲート電極１０５ａには、一定の電圧が供給されていてもよいし、パルス信号が供給されていてもよい。また、ゲート電極１０５ａは、ゲート電極１０５と電気的に接続されていてもよい。その場合の例を、図１７（Ｃ）及び図１７（Ｄ）に示す。
【００５７】
なお、開口部１１０は、様々なレイアウトをとることができる。図１の場合よりも開口部１１０が小さい場合の例を、図１８に示す。
【００５８】
［各構成要素について］
以下では、トランジスタ１００の各構成要素について説明する。
【００５９】
〔半導体層〕
トランジスタのチャネルが形成される半導体層に適用可能な半導体として、例えばシリコンやゲルマニウムなどの半導体材料、化合物半導体材料、有機半導体材料、または酸化物半導体材料を用いてもよい。
【００６０】
また、トランジスタに用いる半導体の結晶性についても特に限定されず、非晶質半導体、結晶性を有する半導体（微結晶半導体、多結晶半導体、単結晶半導体、または一部に結晶領域を有する半導体）のいずれを用いてもよい。結晶性を有する半導体を用いると、トランジスタの特性の劣化が抑制されるため好ましい。
【００６１】
例えば、上記半導体としてシリコンを用いる場合、アモルファスシリコン、微結晶シリコン、多結晶シリコン、または単結晶シリコンなどを用いることができる。
【００６２】
特に、半導体層に含まれる半導体として、酸化物半導体を用いることが好ましい。シリコンよりもバンドギャップが広く、且つキャリア密度の小さい半導体材料を用いると、トランジスタのオフ状態における電流を低減できるため好ましい。
【００６３】
特に、半導体層として、複数の結晶部を有し、当該結晶部はｃ軸が半導体層の被形成面、または半導体層の上面に対し垂直に配向し、且つ隣接する結晶部間には粒界を有さない酸化物半導体膜を用いることが好ましい。
【００６４】
半導体層としてこのような材料を用いることで、電気特性の変動が抑制され、信頼性の高いトランジスタを実現できる。
【００６５】
なお、半導体層に適用可能な酸化物半導体の好ましい形態とその形成方法については、後の実施の形態で詳細に説明する。
【００６６】
〔基板〕
基板１０１の材質などに大きな制限はないが、少なくとも工程中の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有する材料を用いる。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイヤ基板、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）基板などを、基板１０１として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板または多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、ＳＯＩ基板などを適用することもできる。
【００６７】
また、各種半導体基板やＳＯＩ基板上に半導体素子が設けられたものを、基板１０１として用いてもよい。その場合、基板１０１上に層間絶縁層を介してトランジスタ１００を形成する。このとき、当該層間絶縁層に埋め込まれた接続電極により、トランジスタ１００のゲート電極１０５、一対の電極１０３の少なくとも一つが、上記半導体素子と電気的に接続する構成とすればよい。半導体素子上に層間絶縁層を介してトランジスタ１００を積層して設けることにより、これらを同一平面上に形成した場合に比べて占有面積を縮小することができる。
【００６８】
〔ゲート電極〕
ゲート電極１０５は、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた金属、または上述した金属を成分とする合金か、上述した金属を組み合わせた合金等を用いて形成することができる。また、上述の金属または合金の窒化物を用いてもよい。また、上記金属としてマンガンまたはジルコニウムを用いてもよい。また、リン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコンに代表される半導体、ニッケルシリサイド等のシリサイドを用いてもよい。また、ゲート電極１０５は、単層構造でも、二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、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜または窒化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造等がある。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた一または複数の金属を組み合わせた合金膜、もしくはこれらの窒化膜を用いてもよい。
【００６９】
〔ゲート絶縁層〕
絶縁層１０４は、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはＧａ−Ｚｎ系金属酸化物、窒化シリコンなどを用いればよく、積層または単層で設ける。
【００７０】
また、絶縁層１０４として、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯｘ）、窒素が添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙＮｚ）、窒素が添加されたハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙＮｚ）、酸化ハフニウム、酸化イットリウムなどのｈｉｇｈ−ｋ材料を用いてもよい。
【００７１】
なお、特定の材料をゲート絶縁層に用いると、特定の条件でゲート絶縁層に電子を捕獲せしめて、しきい値電圧を増大させることもできる。例えば、酸化シリコンと酸化ハフニウムの積層膜のように、ゲート絶縁層の一部に酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタルのような電子捕獲準位の多い材料を用い、より高い温度（半導体装置の使用温度あるいは保管温度よりも高い温度、あるいは、１２５℃以上４５０℃以下、代表的には１５０℃以上３００℃以下）の下で、ゲート電極の電位をソース電極やドレイン電極の電位より高い状態を、１秒以上、代表的には１分以上維持することで、半導体層からゲート電極に向かって、電子が移動し、そのうちのいくらかは電子捕獲準位に捕獲される。
【００７２】
このように電子捕獲準位に必要な量の電子を捕獲させたトランジスタは、しきい値電圧がプラス側にシフトする。ゲート電極の電圧の制御によって電子の捕獲する量を制御することができ、それに伴ってしきい値電圧を制御することができる。また、電子を捕獲せしめる処理は、トランジスタの作製過程におこなえばよい。
【００７３】
例えば、トランジスタのソース電極あるいはドレイン電極に接続する配線メタルの形成後、あるいは、前工程（ウェハー処理）の終了後、あるいは、ウェハーダイシング工程後、パッケージ後等、工場出荷前のいずれかの段階でおこなうとよい。いずれの場合にも、その後に１２５℃以上の温度に１時間以上さらされないことが好ましい。
【００７４】
〔ソース電極、ドレイン電極〕
一対の電極１０３は、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンからなる単体金属、またはこれを主成分とする合金を単層構造または積層構造として用いる。または、上述の金属の窒化物を用いてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、チタン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。
【００７５】
以上が、各構成要素についての説明である。
【００７６】
［変形例］
以下では、上記で例示したトランジスタとは構成の一部の異なるトランジスタの構成例について説明する。なお、上記と重複する部分については説明を省略し、相違点について詳細に説明する。また、構成要素の位置や形状が異なる場合であっても、その機能が同等である場合には同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。
【００７７】
本発明の一態様の半導体装置は、酸化物半導体層と、該酸化物半導体層と重なる絶縁層との間に、酸化物半導体層を構成する金属元素のうち、少なくとも一の金属元素を構成元素として含む酸化物層を有することが好ましい。これにより、酸化物半導体層と、該酸化物半導体層と重なる絶縁層との界面にトラップ準位が形成されることを抑制することができる。
【００７８】
すなわち、本発明の一態様は、酸化物半導体層の少なくともチャネル形成領域における上面および底面の少なくとも一方が、酸化物半導体層の界面準位形成防止のためのバリア膜として機能する酸化物層に接する構成とすることが好ましい。このような構成とすることにより、酸化物半導体層中および界面においてキャリアの生成要因となる酸素欠損の生成および不純物の混入を抑制することが可能となるため、酸化物半導体層を高純度真性化することができる。高純度真性化とは、酸化物半導体層を真性または実質的に真性にすることをいう。よって、当該酸化物半導体層を含むトランジスタの電気特性の変動を抑制し、信頼性の高い半導体装置を提供することが可能となる。
【００７９】
なお、本明細書等において実質的に真性という場合、酸化物半導体層のキャリア密度は、１×１０１７／ｃｍ３未満、１×１０１５／ｃｍ３未満、または１×１０１３／ｃｍ３未満である。酸化物半導体層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。
【００８０】
より具体的には、例えば以下の構成とすることができる。
【００８１】
〔変形例１〕
図５（Ａ）に、以下で例示するトランジスタのチャネル長方向の断面概略図を示す。なお、上面概略図については、図１（Ａ）を援用できる。図５（Ａ）に示すトランジスタは、図１に示すトランジスタ１００と比較して、主に第１の酸化物層１２１および第２の酸化物層１２２を有している点で相違している。
【００８２】
第１の酸化物層１２１は、絶縁層１１２及び絶縁層１１１と半導体層１０２との間に設けられている。
【００８３】
第２の酸化物層１２２は、半導体層１０２と絶縁層１０４の間に設けられている。より具体的には、第２の酸化物層１２２は、その上面が一対の電極１０３の下面、及び絶縁層１０４の下面に接して設けられている。
【００８４】
第１の酸化物層１２１及び第２の酸化物層１２２は、それぞれ半導体層１０２と同一の金属元素を一種以上含む酸化物を含む。
【００８５】
なお、半導体層１０２と第１の酸化物層１２１の境界、及び半導体層１０２と第２の酸化物層１２２の境界は不明瞭である場合がある。
【００８６】
例えば、第１の酸化物層１２１および第２の酸化物層１２２は、Ｉｎ若しくはＧａを含み、代表的には、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ系酸化物（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）であり、且つ半導体層１０２よりも伝導帯の下端のエネルギーが真空準位に近い材料を用いる。代表的には、第１の酸化物層１２１または第２の酸化物層１２２の伝導帯の下端のエネルギーと、半導体層１０２の伝導帯の下端のエネルギーとの差が、０．０５ｅＶ以上、０．０７ｅＶ以上、０．１ｅＶ以上、または０．１５ｅＶ以上、且つ２ｅＶ以下、１ｅＶ以下、０．５ｅＶ以下、または０．４ｅＶ以下とすることが好ましい。
【００８７】
半導体層１０２を挟むように設けられる第１の酸化物層１２１および第２の酸化物層１２２に、半導体層１０２に比べてスタビライザとして機能するＧａの含有量の多い酸化物を用いることにより、半導体層１０２からの酸素の放出を抑制することができる。
【００８８】
半導体層１０２として、例えばＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１または３：１：２の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物を用いた場合、第１の酸化物層１２１または第２の酸化物層１２２として、例えばＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２、１：３：４、１：３：６、１：６：４、１：６：８、１：６：１０、または１：９：６などの原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。なお、半導体層１０２、第１の酸化物層１２１および第２の酸化物層１２２の原子数比はそれぞれ、誤差として上記の原子数比のプラスマイナス２０％の変動を含む。また、第１の酸化物層１２１と第２の酸化物層１２２は、組成の同じ材料を用いてもよいし、異なる組成の材料を用いてもよい。
【００８９】
また、半導体層１０２としてＩｎ−Ｍ−Ｚｎ系酸化物を用いた場合、半導体層１０２となる半導体膜を成膜するために用いるターゲットは、該ターゲットが含有する金属元素の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１としたときに、ｘ１／ｙ１の値が１／３以上６以下、好ましくは１以上６以下であり、ｚ１／ｙ１が１／３以上６以下、好ましくは１以上６以下の原子数比の酸化物を用いることが好ましい。なお、ｚ１／ｙ１を６以下とすることで、後述するＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、３：１：２などがある。
【００９０】
また、第１の酸化物層１２１、第２の酸化物層１２２としてＩｎ−Ｍ−Ｚｎ系酸化物を用いた場合、第１の酸化物層１２１、第２の酸化物層１２２となる酸化物膜を成膜するために用いるターゲットは、該ターゲットが含有する金属元素の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２としたときに、ｘ２／ｙ２＜ｘ１／ｙ１であり、ｚ２／ｙ２の値が１／３以上６以下、好ましくは１以上６以下の原子数比の酸化物を用いることが好ましい。なお、ｚ２／ｙ２を６以下とすることで、後述するＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４、１：３：６、１：３：８などがある。
【００９１】
また、第１の酸化物層１２１および第２の酸化物層１２２に、半導体層１０２に比べて伝導帯の下端のエネルギーが真空準位に近い材料を用いることにより、半導体層１０２に主としてチャネルが形成され、半導体層１０２が主な電流経路となる。このように、チャネルが形成される半導体層１０２を、同じ金属元素を含む第１の酸化物層１２１および第２の酸化物層１２２で挟持することにより、これらの界面準位の生成が抑制され、トランジスタの電気特性における信頼性が向上する。
【００９２】
なお、これに限られず、必要とするトランジスタの半導体特性及び電気特性（電界効果移動度、しきい値電圧等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とするトランジスタの半導体特性を得るために、半導体層１０２、第１の酸化物層１２１、第２の酸化物層１２２のキャリア密度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。
【００９３】
ここで、半導体層１０２の厚さは、少なくとも第１の酸化物層１２１よりも厚く形成することが好ましい。半導体層１０２が厚いほど、トランジスタのオン電流を高めることができる。また、第１の酸化物層１２１は、半導体層１０２の界面準位の生成を抑制する効果が失われない程度の厚さであればよい。例えば、半導体層１０２の厚さは、第１の酸化物層１２１の厚さに対して、１倍よりも大きく、好ましくは２倍以上、より好ましくは４倍以上、より好ましくは６倍以上とすればよい。なお、トランジスタのオン電流を高める必要のない場合にはその限りではなく、第１の酸化物層１２１の厚さを半導体層１０２の厚さ以上としてもよい。
【００９４】
また、第２の酸化物層１２２も第１の酸化物層１２１と同様に、半導体層１０２の界面準位の生成を抑制する効果が失われない程度の厚さであればよい。例えば、第１の酸化物層１２１と同等またはそれ以下の厚さとすればよい。第２の酸化物層１２２が厚いと、ゲート電極１０５による電界が半導体層１０２に届きにくくなる恐れがあるため、第２の酸化物層１２２は薄く形成することが好ましい。例えば、半導体層１０２の厚さよりも薄くすればよい。なおこれに限られず、第２の酸化物層１２２の厚さは絶縁層１０４の耐圧を考慮して、トランジスタを駆動させる電圧に応じて適宜設定すればよい。
【００９５】
ここで、例えば半導体層１０２が、構成元素の異なる絶縁層（例えば酸化シリコン膜を含む絶縁層など）と接する場合、これらの界面に界面準位が形成され、該界面準位はチャネルを形成することがある。このような場合、しきい値電圧の異なる第２のトランジスタが出現し、トランジスタの見かけ上のしきい値電圧が変動することがある。しかしながら、本構成のトランジスタにおいては、半導体層１０２を構成する金属元素を一種以上含んで第１の酸化物層１２１を有しているため、第１の酸化物層１２１と半導体層１０２との界面に界面準位を形成しにくくなる。よって第１の酸化物層１２１を設けることにより、トランジスタのしきい値電圧などの電気特性のばらつきや変動を低減することができる。
【００９６】
また、絶縁層１０４と半導体層１０２との界面にチャネルが形成される場合、該界面で界面散乱が起こり、トランジスタの電界効果移動度が低下する場合がある。しかしながら、本構成のトランジスタにおいては、半導体層１０２を構成する金属元素を一種以上含んで第２の酸化物層１２２を有しているため、半導体層１０２と第２の酸化物層１２２との界面ではキャリアの散乱が起こりにくく、トランジスタの電界効果移動度を高くすることができる。
【００９７】
なお、図５（Ａ）では、第１の酸化物層１２１と第２の酸化物層１２２とが設けられている場合について示したが、本発明の実施形態の一態様は、これに限定されない。いずれか１つが設けられない構成にすることも可能である。例えば、第１の酸化物層１２１が設けられていない場合の例を図１９（Ａ）に、第２の酸化物層１２２が設けられていない場合の例を図１９（Ｂ）に示す。
【００９８】
〔変形例２〕
図５（Ｂ）に以下で例示するトランジスタのチャネル長方向の断面概略図を示す。なお、上面概略図については、図１（Ａ）を援用できる。図５（Ｂ）に示すトランジスタは、図４に示したトランジスタと比較して、第１の酸化物層１２１及び第２の酸化物層１２２を有している点で主に相違している。
【００９９】
第１の酸化物層１２１は、上記変形例１と同様、絶縁層１１２及び絶縁層１１１と半導体層１０２との間に設けられている。
【０１００】
第２の酸化物層１２２は、その下面が一対の電極１０３のそれぞれの上面に接して設けられている。さらに、一対の電極１０３が設けられていない領域において、半導体層１０２の上面に接して設けられている。
【０１０１】
図５（Ｂ）に示す構成では、第２の酸化物層１２２の上面形状が、絶縁層１０４の上面形状と概略一致するように、同一のフォトマスクを用いて加工されている。
【０１０２】
このような構成とすることで、一対の電極１０３と、チャネルが形成される半導体層１０２との接触面積を増大させることができ、これらの接触抵抗を低減することができる。その結果、トランジスタのオン電流を増大させることができる。
【０１０３】
なお、図５（Ｂ）では、第１の酸化物層１２１と第２の酸化物層１２２とが設けられている場合について示したが、本発明の実施形態の一態様は、これに限定されない。いずれか１つが設けられない構成にすることも可能である。例えば、第１の酸化物層１２１が設けられていない場合の例を図１９（Ｃ）に示す。
【０１０４】
なお、図５（Ｃ）に示すように、第２の酸化物層１２２と絶縁層１０４の上面形状が、ゲート電極１０５の上面形状と概略一致するように、同一のフォトマスクを用いて加工されていてもよい。
【０１０５】
なお、図５（Ｃ）では、第１の酸化物層１２１と第２の酸化物層１２２とが設けられている場合について示したが、本発明の実施形態の一態様は、これに限定されない。いずれか１つが設けられない構成にすることも可能である。例えば、第１の酸化物層１２１が設けられていない場合の例を図１９（Ｄ）に示す。
【０１０６】
以上が変形例についての説明である。
【０１０７】
［作製方法例］
以下では、上記構成例で示したトランジスタ１００の作製方法の一例について、図面を参照して説明する。図６は、以下に例示する作製方法に係る一部の工程における断面概略図である。
【０１０８】
〔絶縁層の形成〕
まず、基板１０１上に絶縁層１１１を形成する。
【０１０９】
絶縁層１１１は、スパッタリング法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、蒸着法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、またはＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等で成膜することにより形成することができる。
【０１１０】
絶縁層１１１に酸素を過剰に含有させるためには、例えば、酸素雰囲気下にて絶縁層１１１の成膜を行えばよい。または、成膜後の絶縁層１１１に酸素を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成してもよく、双方の手段を組み合わせてもよい。
【０１１１】
例えば、成膜後の絶縁層１１１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。
【０１１２】
酸素導入処理には、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、酸素、一酸化二窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる。また、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよい。
【０１１３】
絶縁層１１１の厚さは、厚いほど酸素の放出量を増大させられるため好ましい。そのため生産性に影響を及ぼさない程度に、絶縁層１１１を厚く形成することが好ましい。例えば絶縁層１１１は、５０ｎｍ以上、好ましくは１００ｎｍ以上、より好ましくは２００ｎｍ以上の厚さとすればよい。
【０１１４】
なお、絶縁層１１１を厚く成膜した場合、その上面の平坦性を高めるためにＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法等を用いた平坦化処理を行ってもよい。
【０１１５】
続いて、絶縁層１１１上に絶縁層１１２を形成する。
【０１１６】
絶縁層１１２は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法、またはＰＬＤ法等で成膜することにより形成することができる。
【０１１７】
絶縁層１１２の成膜時に酸素を含む雰囲気下で成膜を行うことにより、絶縁層１１１に酸素を導入することができるため好ましい。
【０１１８】
例えば、酸化アルミニウムをスパッタリングターゲットとしたスパッタリング法により絶縁層１１２を成膜する際に、酸素雰囲気下または酸素と希ガスの混合雰囲気下にて行うことにより、絶縁層１１１に酸素を導入することができる。
【０１１９】
絶縁層１１２は、酸素を透過しない性質が損なわれない程度に薄く形成することが好ましい。絶縁層１１２を薄く形成することで、後に形成する開口部１１０の外周における段差が低くなり、その上部に形成される半導体層１０２の被覆性を向上できる。
【０１２０】
絶縁層１１２の厚さは、例えば５ｎｍ以上の厚さとすることで、十分に酸素を透過しにくい性質を持たせることができる。また、絶縁層１１２が厚いほど酸素を透過しにくくなるが、その上部に形成される薄膜の被覆性に影響を及ぼさない厚さ、例えば２００ｎｍ以下、または５０ｎｍ以下の厚さなどに設定すればよい。
【０１２１】
〔開口部の形成〕
続いて、絶縁層１１２に開口部１１０を形成する（図６（Ａ））。
【０１２２】
絶縁層１１２上にフォトリソグラフィ法等を用いてレジストマスクを形成し、絶縁層１１２の不要な部分をエッチングにより除去する。その後、レジストマスクを除去することにより、絶縁層１１２に開口部１１０を形成することができる。
【０１２３】
レジストマスクの形成に用いる光は、例えばｉ線（波長３６５ｎｍ）、ｇ線（波長４３６ｎｍ）、ｈ線（波長４０５ｎｍ）、またはこれらを混合させた光を用いることができる。そのほか、紫外線やＫｒＦレーザ光、またはＡｒＦレーザ光等を用いることもできる。また、液浸露光技術により露光を行ってもよい。また、露光に用いる光として、極端紫外光（ＥＵＶ：Ｅｘｔｒｅｍｅ  Ｕｌｔｒａ−ｖｉｏｌｅｔ）やＸ線を用いてもよい。また、露光に用いる光に換えて、電子ビームを用いることもできる。極端紫外光、Ｘ線または電子ビームを用いると、極めて微細な加工が可能となるため好ましい。なお、電子ビームなどのビームを走査することにより露光を行う場合には、フォトマスクは不要である。
【０１２４】
また、レジストマスクとなるレジスト膜を形成する前に、被加工膜とレジスト膜との密着性を改善する機能を有する有機樹脂膜を形成してもよい。また当該有機樹脂膜は、例えばスピンコート法などにより、その下層の段差を被覆するように形成することができ、当該有機樹脂膜の上層に設けられるレジストマスクの厚さのばらつきを低減できる。また特に微細な加工を行う場合には、当該有機樹脂膜として、露光に用いる光に対する反射防止膜として機能する材料を用いることが好ましい。このような機能を有する有機樹脂膜としては、例えばＢＡＲＣ（Ｂｏｔｔｏｍ  Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  Ｃｏａｔｉｎｇ）膜などがある。当該有機樹脂膜は、レジストマスクの除去と同時に除去するか、レジストマスクを除去した後に除去すればよい。
【０１２５】
ここで図６（Ａ）に示すように開口部１１０側における絶縁層１１２の端部がテーパ形状を有するように、絶縁層１１２をエッチングすることが好ましい。このような形状とすることで、後に形成される半導体層１０２の被覆性を向上させることができる。開口部１１０側における絶縁層１１２の端部をこのようなテーパ形状に加工することで、絶縁層１１２が厚い（例えば２００ｎｍより大きい）場合であっても半導体層１０２の被覆性への影響を低減することができる。
【０１２６】
〔半導体層の形成〕
続いて、絶縁層１１１及び絶縁層１１２上に、開口部１１０を埋めるようにして半導体膜を成膜する。その後フォトリソグラフィ法等を用いて半導体膜上にレジストマスクを形成し、半導体膜の不要な部分をエッチングにより除去する。その後レジストマスクを除去することにより、島状の半導体層１０２を形成することができる（図６（Ｂ））。
【０１２７】
半導体膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法、またはＰＬＤ法等を用いることができる。または、ゾルゲル法やスプレー法、ミスト法など、液状の材料を用いた薄膜形成技術を用いることもできる。半導体膜の成膜は、スパッタリング法を用いることが好ましい。スパッタリング法としては、ＲＦスパッタリング法、ＤＣスパッタリング法、ＡＣスパッタリング法等を用いることができる。特に、成膜時に発生するゴミを低減でき、且つ膜厚分布も均一とすることから、ＤＣスパッタリング法を用いることが好ましい。
【０１２８】
半導体膜をエッチングするマスクとして、無機膜または金属膜からなるハードマスクを用いてもよい。例えば、半導体膜上に無機膜または金属膜を成膜し、当該無機膜または金属膜を、レジストマスクを用いてエッチングして島状に加工しハードマスクを形成する。その後、ハードマスクをマスクとして半導体膜をエッチングし、ハードマスクを除去することにより島状の半導体層を形成すればよい。特に微細な加工を行う場合には、ハードマスクを用いることで、レジストのサイドエッチに伴うパターン幅の縮小などを抑制し、安定して（ばらつきなく）、所定の形状に加工できるため、トランジスタ１００の電気特性のばらつきを低減できる。
【０１２９】
半導体膜の成膜後、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下の温度で、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。また、加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含む雰囲気で行ってもよい。加熱処理により、絶縁層１１１から半導体膜（または半導体層１０２）に酸素が供給され、半導体層１０２に含まれる酸化物半導体中の酸素欠損を低減できる。なお、加熱処理は、半導体膜を成膜した直後に行ってもよいし、半導体膜を加工して島状の半導体層１０２を形成した後に行ってもよい。
【０１３０】
〔一対の電極の形成〕
続いて、絶縁層１１２及び半導体層１０２上に導電膜を成膜する。その後フォトリソグラフィ法等を用いて導電膜上にレジストマスクを形成し、導電膜の不要な部分をエッチングにより除去する。その後レジストマスクを除去することにより、一対の電極１０３を形成することができる（図６（Ｃ））。
【０１３１】
導電膜は、例えばスパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法などにより成膜することができる。
【０１３２】
ここで、導電膜のエッチングの際に、半導体層１０２の上部の一部がエッチングされ、一対の電極１０３と重ならない部分が薄膜化することがある。したがって、半導体層１０２となる半導体膜の厚さを、エッチングされる深さを考慮して予め厚く形成しておくことが好ましい。
【０１３３】
〔ゲート絶縁層、ゲート電極の形成〕
続いて、絶縁層１１２、半導体層１０２、及び一対の電極１０３上に絶縁層１０４を成膜する。さらに、絶縁層１０４上に導電膜を成膜する。
【０１３４】
絶縁層１０４は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁層をＣＶＤ法、好ましくはプラズマＣＶＤ法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。
【０１３５】
該導電膜は、後にゲート電極１０５となる導電膜である。該導電膜は、例えばスパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法などにより成膜することができる。
【０１３６】
続いて、フォトリソグラフィ法等を用いて導電膜上にレジストマスクを形成する。その後、導電膜の不要な部分をエッチングにより除去する。その後レジストマスクを除去することにより、ゲート電極１０５を形成することができる（図６（Ｄ））。
【０１３７】
ここで、図３に示した構成とする場合は、導電膜をエッチングした後に、続けて絶縁層１０４のエッチングも行えばよい。または、レジストマスクを除去した後に、ゲート電極１０５をハードマスクとして用いて絶縁層１０４をエッチングしてもよい。
【０１３８】
また、図４に示した構成とする場合には、絶縁層１０４の加工とゲート電極１０５の加工にそれぞれ用いるレジストマスクのパターンを異ならせればよい。例えば、絶縁層１０４の加工を行った後に導電膜を成膜し、ゲート電極１０５を形成する。または、絶縁層と導電膜を順に成膜し、ゲート電極１０５の加工を行った後に、異なるレジストマスクを新たに形成し、絶縁層１０４を加工してもよい。
【０１３９】
〔絶縁層の形成〕
続いて、絶縁層１０４、ゲート電極１０５上に絶縁層１０７を形成する（図６（Ｅ））。
【０１４０】
絶縁層１０７は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法などを用いて形成することができる。特に、絶縁層１０７をＣＶＤ法、好ましくはプラズマＣＶＤ法によって成膜すると、被覆性を良好なものとすることができるため好ましい。
【０１４１】
ここで絶縁層１１２と同様に、絶縁層１０７の成膜時に酸素を含む雰囲気下で成膜を行うことにより、その下部に設けられる絶縁層１０４に酸素を導入することができるため好ましい。絶縁層１０４は半導体層１０２に接して設けられるため、絶縁層１０４からも半導体層１０２に対して加熱により酸素を供給することができる。
【０１４２】
以上の工程により、トランジスタ１００を作製することができる。
【０１４３】
〔加熱処理〕
絶縁層１０７の形成後、加熱処理を行ってもよい。加熱処理により、絶縁層１１１などから半導体層１０２に対して酸素を供給し、半導体層１０２中の酸素欠損を低減することができる。またこのとき、絶縁層１０７よりも内側に絶縁層１１１及び半導体層１０２から放出される酸素が効果的に閉じ込められ、当該酸素の外部への放出が抑制される。そのため絶縁層１１１などから放出され、半導体層１０２に供給しうる酸素の量を増大させることができ、半導体層１０２中の酸素欠損を効果的に低減することができる。
【０１４４】
以上がトランジスタ１００の作製方法例についての説明である。
【０１４５】
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【０１４６】
（実施の形態２）
本実施の形態では、上記で例示したトランジスタとは構成の一部が異なるトランジスタの構成例について説明する。なお、上記と重複する部分については説明を省略し、相違点についてのみ詳細に説明する。また、位置や形状が異なる構成要素であっても、その機能が同一である場合には、同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。
【０１４７】
［構成例］
図７（Ａ）、（Ｂ）に、本構成例で示すトランジスタ１５０の断面概略図を示す。なお、上面概略図については、図１（Ａ）を援用できる。
【０１４８】
トランジスタ１５０は、実施の形態１で例示したトランジスタ１００と比較して、絶縁層１１２の位置が異なる点で、主に相違している。
【０１４９】
トランジスタ１５０において、半導体層１０２は絶縁層１１１の上面に接して設けられ、絶縁層１１２が半導体層１０２の上面端部を覆って設けられている。すなわち、絶縁層１１２に設けられた開口部１１０は、半導体層１０２の上方に設けられている。
【０１５０】
一対の電極１０３は、絶縁層１１２の開口部１１０側の端部を乗り越えて、開口部１１０と重畳する半導体層１０２の上面に接して設けられている。
【０１５１】
このような構成とすることで、絶縁層１１２の開口部１１０側の端部における段差が、半導体層１０２よりも下方に位置することがないため、半導体層１０２を比較的平坦な面上に形成することができる。したがって、半導体層１０２の厚さや膜質を均一なものとすることが可能となるため、トランジスタ１５０の電気特性のばらつきや変動をさらに低減することができる。
【０１５２】
また、絶縁層１１１と半導体層１０２の接触面積を大きくすることが可能であるため、加熱により絶縁層１１１から半導体層１０２に供給される酸素の量を増大させることができる。
【０１５３】
なお、絶縁層１０４の形状は図７の構成に限られず、実施の形態１、図３及び図４等で例示したようなさまざまな形状としてもよい。また、実施の形態１（図５及び図１９）で例示したように、第１の酸化物層１２１、第２の酸化物層１２２を有する構成としてもよい。
【０１５４】
または、図１７と同様に、図７において、ゲート電極１０５の他に、さらにゲート電極１０５ａを設けてもよい。その場合の例を、図２０（Ａ）（Ｂ）に示す。なお、ゲート電極１０５ａには、一定の電圧が供給されていてもよいし、パルス信号が供給されていてもよい。また、ゲート電極１０５ａは、ゲート電極１０５と電気的に接続されていてもよい。その場合の例を、図２０（Ｃ）及び図２０（Ｄ）に示す。
【０１５５】
なお、開口部１１０は、様々なレイアウトをとることができる。図７の場合よりも開口部１１０が小さい場合の例を、図２１に示す。
【０１５６】
以上が本構成例についての説明である。
【０１５７】
［作製方法例］
以下では、上記で例示したトランジスタ１５０の作製方法の一例について説明する。なお、上記実施の形態と重複する部分については説明を省略し、相違点についてのみ説明する。
【０１５８】
まず、基板１０１上に絶縁層１１１を形成する。絶縁層１１１は、実施の形態１と同様の方法により形成する。
【０１５９】
続いて、絶縁層１１１上に半導体膜を成膜する。その後、フォトリソグラフィ法等を用いて半導体膜上にレジストマスクを形成し、半導体膜の不要な部分をエッチングにより除去する。その後レジストマスクを除去することにより、島状の半導体層１０２を形成することができる（図８（Ａ））。
【０１６０】
次に、絶縁層１１１及び半導体層１０２上に、絶縁層１１２を成膜する。続いて絶縁層１１２の半導体層１０２に重なる位置に、開口部１１０を形成する（図８（Ｂ））。
【０１６１】
絶縁層１１２の成膜、及び開口部１１０の形成は、実施の形態１と同様の方法を用いることができる。
【０１６２】
ただし、開口部１１０を形成するための絶縁層１１２のエッチングには、半導体層１０２をエッチングしない、または半導体層１０２とのエッチング速度の選択比が十分に大きいエッチング方法を用いることが好ましい。なお、開口部１１０を形成する際に半導体層１０２の上部の一部がエッチングされ、開口部１１０と重なる領域の半導体層１０２が薄膜化することがある。
【０１６３】
この時点で、絶縁層１１１上に島状の半導体層１０２と、半導体層１０２上に開口部１１０を有する絶縁層１１２が形成される。
【０１６４】
以降の工程は、実施の形態１を援用できる。すなわち、一対の電極１０３、絶縁層１０４、ゲート電極１０５及び絶縁層１０７を、上記と同様の方法により順に形成する。
【０１６５】
以上の方法により、トランジスタ１５０を作製することができる（図８（Ｃ））。
【０１６６】
［変形例］
以下では、上記作製方法例において一部が異なる作製方法例について説明する。
【０１６７】
まず、上記と同様の方法により、絶縁層１１１を形成する。
【０１６８】
続いて、半導体膜１３２と保護層１３５を順に成膜する（図９（Ａ））。
【０１６９】
保護層１３５は、後の絶縁層１１２の開口部１１０を形成するためのエッチングの際に、半導体層１０２の上面がエッチングされることを防ぎ、且つ半導体層１０２へのエッチングによるダメージを抑制するための層である。また、保護層１３５は、半導体層１０２の加工の際のハードマスクとしても機能する。
【０１７０】
保護層１３５としては、絶縁層１１２とエッチング速度の選択比が十分大きくとれる無機絶縁材料を用いることができる。例えば、保護層１３５として、上記絶縁層１１１及び絶縁層１１２に用いることのできる材料を用いることができる。また、絶縁層１１２と保護層１３５に同じ材料を用いる場合には、絶縁層１１２の開口部１１０をエッチングする際に、保護層１３５が消失してしまわない程度の厚さに保護層１３５を形成すればよい。
【０１７１】
続いて、保護層１３５上にフォトリソグラフィ法等を用いてレジストマスクを形成し、保護層１３５の不要な部分をエッチングする。その後、当該レジストマスクまたは保護層１３５をマスクとして、半導体膜１３２をエッチングし、レジストマスクを除去することにより、島状の半導体層１０２と、半導体層１０２上の島状の保護層１３５を形成することができる（図９（Ｂ））。なお、レジストマスクは、保護層１３５を加工した直後に除去してもよいし、半導体層１０２を加工した後に除去してもよい。
【０１７２】
続いて、絶縁層１１１、並びに半導体層１０２と保護層１３５の積層体上に、絶縁層１１２を成膜する。
【０１７３】
その後、絶縁層１１２の半導体層１０２と重なる一部をエッチングし、開口部１１０を形成する。この時点では、半導体層１０２の開口部１１０と重なる領域には、保護層１３５が設けられた状態となる。
【０１７４】
その後、絶縁層１１２をマスクとして開口部１１０と重なる部分の保護層１３５をエッチングする（図９（Ｃ））。
【０１７５】
このように、絶縁層１１２の開口部１１０の形成の際、半導体層１０２の上部が保護層１３５に覆われた状態で絶縁層１１２をエッチングすることにより、半導体層１０２の上部がエッチングされてしまうことや、半導体層１０２にエッチングのダメージが及ぶことを防ぐことができる。
【０１７６】
以降の工程は、実施の形態１及び上記作製方法例を援用できる。すなわち、一対の電極１０３、絶縁層１０４、ゲート電極１０５及び絶縁層１０７を、上記と同様の方法により順に形成する。
【０１７７】
以上の方法により、トランジスタ１６０を作製することができる（図９（Ｄ１）、（Ｄ２））。ここで、図９（Ｄ１）は、トランジスタ１６０のチャネル長方向の断面概略図であり、図９（Ｄ２）は、トランジスタ１６０のチャネル幅方向の断面概略図である。
【０１７８】
図９（Ｄ１）、（Ｄ２）に示すように、絶縁層１１２の開口部１１０側の端部に沿って、半導体層１０２と絶縁層１１２の間に保護層１３５が残存する。また保護層１３５の一部は、その側面が一対の電極１０３の各々と接する構成となる場合がある。しかしながら、保護層１３５として無機絶縁材料を用いているため、一対の電極１０３同士が保護層１３５を介して電気的に短絡する恐れはなく、保護層１３５が残存することによるトランジスタ１６０の電気特性への影響はない。半導体層１０２と絶縁層１１２の間に位置する保護層１３５は絶縁材料を用いて形成されるため、絶縁層とも呼ぶことができる。
【０１７９】
以上が変形例についての説明である。
【０１８０】
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【０１８１】
（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の半導体層に好適に用いることのできる酸化物半導体について説明する。
【０１８２】
酸化物半導体は、エネルギーギャップが３．０ｅＶ以上と大きく、酸化物半導体を適切な条件で加工し、そのキャリア密度を十分に低減して得られた酸化物半導体膜が適用されたトランジスタにおいては、オフ状態でのソースとドレイン間のリーク電流（オフ電流）を、従来のシリコンを用いたトランジスタと比較して極めて低いものとすることができる。
【０１８３】
適用可能な酸化物半導体としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）あるいは亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。特にＩｎとＺｎを含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザとして、それらに加えてガリウム（Ｇａ）、スズ（Ｓｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタノイド（例えば、セリウム（Ｃｅ）、ネオジム（Ｎｄ）、ガドリニウム（Ｇｄ））から選ばれた一種、または複数種が含まれていることが好ましい。
【０１８４】
例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、Ｉｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｚｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｉ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｃ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。
【０１８５】
ここで、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。
【０１８６】
また、酸化物半導体として、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０、且つ、ｍは整数でない）で表記される材料を用いてもよい。なお、Ｍは、Ｇａ、Ｆｅ、Ｍｎ及びＣｏから選ばれた一の金属元素または複数の金属元素、若しくは上記のスタビライザとしての元素を示す。また、酸化物半導体として、Ｉｎ２ＳｎＯ５（ＺｎＯ）ｎ（ｎ＞０、且つ、ｎは整数）で表記される材料を用いてもよい。
【０１８７】
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：６、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：１：３の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。
【０１８８】
酸化物半導体膜に水素が多量に含まれると、酸化物半導体と結合することによって、水素の一部がドナーとなり、キャリアである電子を生じてしまう。これにより、トランジスタのしきい値電圧がマイナス方向にシフトしてしまう。そのため、酸化物半導体膜の形成後において、脱水化処理（脱水素化処理）を行い酸化物半導体膜から、水素、又は水分を除去して不純物が極力含まれないように高純度化することが好ましい。
【０１８９】
なお、酸化物半導体膜への脱水化処理（脱水素化処理）によって、酸化物半導体膜から酸素も同時に減少してしまうことがある。よって、酸化物半導体膜への脱水化処理（脱水素化処理）によって増加した酸素欠損を補填するため酸素を酸化物半導体膜に加える処理を行うことが好ましい。本明細書等において、酸化物半導体膜に酸素を供給する場合を、加酸素化処理と記す場合がある、または酸化物半導体膜に含まれる酸素を化学量論的組成よりも多くする場合を過酸素化処理と記す場合がある。
【０１９０】
このように、酸化物半導体膜は、脱水化処理（脱水素化処理）により、水素または水分が除去され、加酸素化処理により酸素欠損を補填することによって、ｉ型（真性）化またはｉ型に限りなく近く実質的にｉ型（真性）である酸化物半導体膜とすることができる。なお、実質的に真性とは、酸化物半導体膜中にドナーに由来するキャリアが極めて少なく（ゼロに近く）、キャリア密度が１×１０１７／ｃｍ３以下、１×１０１６／ｃｍ３以下、１×１０１５／ｃｍ３以下、１×１０１４／ｃｍ３以下、１×１０１３／ｃｍ３以下であることをいう。
【０１９１】
またこのように、ｉ型又は実質的にｉ型である酸化物半導体膜を備えるトランジスタは、極めて優れたオフ電流特性を実現できる。例えば、酸化物半導体膜を用いたトランジスタがオフ状態のときのドレイン電流を、室温（２５℃程度）にて１×１０−１８Ａ以下、好ましくは１×１０−２１Ａ以下、さらに好ましくは１×１０−２４Ａ以下、または８５℃にて１×１０−１５Ａ以下、好ましくは１×１０−１８Ａ以下、さらに好ましくは１×１０−２１Ａ以下とすることができる。なお、トランジスタがオフ状態とは、ｎチャネル型のトランジスタの場合、ゲート電圧がしきい値電圧よりも十分小さい状態をいう。具体的には、ゲート電圧がしきい値電圧よりも１Ｖ以上、２Ｖ以上または３Ｖ以上小さければ、トランジスタはオフ状態となる。
【０１９２】
以下では、酸化物半導体膜の構造について説明する。
【０１９３】
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大別される。非単結晶酸化物半導体膜とは、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜、多結晶酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、非晶質酸化物半導体膜などをいう。
【０１９４】
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜について説明する。
【０１９５】
なお、本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「略（概略）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。従って、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略（概略）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。
【０１９６】
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。
【０１９７】
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。
【０１９８】
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によってＣＡＡＣ−ＯＳ膜の明視野像及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。
【０１９９】
試料面と概略平行な方向から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。
【０２００】
一方、試料面と概略垂直な方向から、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。
【０２０１】
断面ＴＥＭ観察および平面ＴＥＭ観察より、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶部は配向性を有していることがわかる。
【０２０２】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれるほとんどの結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさである。従って、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、一辺が１０ｎｍ未満、５ｎｍ未満または３ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさの場合も含まれる。ただし、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる複数の結晶部が連結することで、一つの大きな結晶領域を形成する場合がある。例えば、平面ＴＥＭ像において、２５００ｎｍ２以上、５μｍ２以上または１０００μｍ２以上となる結晶領域が観察される場合がある。
【０２０３】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）装置を用いて構造解析を行うと、例えばＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に概略垂直な方向を向いていることが確認できる。
【０２０４】
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、ｃ軸に概略垂直な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎｅ法による解析では、２θが５６°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＩｎＧａＺｎＯ４の単結晶酸化物半導体膜であれば、２θを５６°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）として試料を回転させながら分析（φスキャン）を行うと、（１１０）面と等価な結晶面に帰属されるピークが６本観察される。これに対し、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の場合は、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。
【０２０５】
以上のことから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜では、異なる結晶部間ではａ軸およびｂ軸の配向は不規則であるが、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていることがわかる。従って、前述の断面ＴＥＭ観察で確認された層状に配列した金属原子の各層は、結晶のａｂ面に平行な面である。
【０２０６】
なお、結晶部は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜した際、または加熱処理などの結晶化処理を行った際に形成される。上述したように、結晶のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。従って、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形状をエッチングなどによって変化させた場合、結晶のｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。
【０２０７】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中において、ｃ軸配向した結晶部の分布が均一でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶部が、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の上面近傍からの結晶成長によって形成される場合、上面近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりもｃ軸配向した結晶部の割合が高くなることがある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に不純物を添加する場合、不純物が添加された領域が変質し、部分的にｃ軸配向した結晶部の割合の異なる領域が形成されることもある。
【０２０８】
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。
【０２０９】
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。
【０２１０】
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。
【０２１１】
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。従って、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。
【０２１２】
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。
【０２１３】
次に、微結晶酸化物半導体膜について説明する。
【０２１４】
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。
【０２１５】
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。従って、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ビーム径のＸ線を用いるＸＲＤ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線回折（制限視野電子線回折ともいう。）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（例えば１ｎｍ以上３０ｎｍ以下）の電子線を用いる電子線回折（ナノビーム電子線回折ともいう。）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線回折を行うと、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線回折を行うと、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。
【０２１６】
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−ＯＳ膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜と比べて欠陥準位密度が高くなる。
【０２１７】
なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
【０２１８】
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【０２１９】
（実施の形態４）
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタを利用した回路の一例について図面を参照して説明する。
【０２２０】
［断面構造］
図１０（Ａ）に本発明の一態様の半導体装置の断面図を示す。図１０（Ａ）に示す半導体装置は、下部に第１の半導体材料を用いたトランジスタ２２００を有し、上部に第２の半導体材料を用いたトランジスタ２１００を有している。図１０（Ａ）では、第２の半導体材料を用いたトランジスタ２１００として、実施の形態１で例示したトランジスタを適用した例を示している。図１０（Ａ）における一点鎖線よりも左側は、トランジスタ２１００のチャネル長方向の断面に相当し、右側はトランジスタ２１００のチャネル幅方向の断面に相当する。
【０２２１】
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、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウムヒ素など）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、オフ電流が低い。
【０２２２】
トランジスタ２２００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。また、酸化物半導体を用いた本発明の一態様のトランジスタを用いるほかは、用いる材料や構造など、半導体装置の具体的な構成をここで示すものに限定する必要はない。
【０２２３】
図１０（Ａ）に示す構成では、トランジスタ２２００の上部に、絶縁層２２０１、絶縁層２２０７を介してトランジスタ２１００が設けられている。また、トランジスタ２２００とトランジスタ２１００の間には、複数の配線２２０２が設けられている。また各種絶縁層に埋め込まれた複数のプラグ２２０３により、上層と下層にそれぞれ設けられた配線や電極が電気的に接続されている。また、トランジスタ２１００を覆う絶縁層２２０４と、絶縁層２２０４上に配線２２０５と、トランジスタ２１００の一対の電極と同一の導電膜を加工して得られた配線２２０６と、が設けられている。
【０２２４】
このように、２種類のトランジスタを積層することにより、回路の占有面積が低減され、より高密度に複数の回路を配置することができる。
【０２２５】
ここで、下層に設けられるトランジスタ２２００にシリコン系半導体材料を用いた場合、トランジスタ２２００の半導体層の近傍に設けられる絶縁層中の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２２００の信頼性を向上させる効果がある。一方、上層に設けられるトランジスタ２１００に酸化物半導体を用いた場合、トランジスタ２１００の半導体層の近傍に設けられる絶縁層中の水素は、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２１００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２２００の上層に酸化物半導体を用いたトランジスタ２１００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層２２０７を設けることは特に効果的である。絶縁層２２０７により、下層に水素を閉じ込めることでトランジスタ２２００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２１００の信頼性も同時に向上させることができる。
【０２２６】
絶縁層２２０７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。
【０２２７】
また、酸化物半導体層を含んで構成されるトランジスタ２１００を覆うように、トランジスタ２１００上に水素の拡散を防止する機能を有する絶縁層２２０８を形成することが好ましい。絶縁層２２０８は上記実施の形態における絶縁層１０７に相当する。絶縁層２２０８としては、絶縁層２２０７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、水分などの不純物及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２１００を覆う絶縁層２２０８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２１００に含まれる酸化物半導体層からの酸素の脱離を防止するとともに、酸化物半導体層への水及び水素の混入を防止することができる。
【０２２８】
［回路構成例］
上記構成において、トランジスタ２１００やトランジスタ２２００の電極の接続構成を異ならせることにより、様々な回路を構成することができる。以下では、本発明の一態様の半導体装置を用いることにより実現できる回路構成の例を説明する。
【０２２９】
〔ＣＭＯＳ回路〕
図１０（Ｂ）に示す回路図は、ｐチャネル型のトランジスタ２２００とｎチャネル型のトランジスタ２１００を直列に接続し、且つそれぞれのゲートを接続した、いわゆるＣＭＯＳ回路の構成を示している。
【０２３０】
〔アナログスイッチ〕
また図１０（Ｃ）に示す回路図は、トランジスタ２１００とトランジスタ２２００のそれぞれのソースとドレインを接続した構成を示している。このような構成とすることで、いわゆるアナログスイッチとして機能させることができる。
【０２３１】
〔記憶装置の例〕
本発明の一態様であるトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置（記憶装置）の一例を図１１に示す。
【０２３２】
図１１（Ａ）に示す半導体装置は、第１の半導体材料を用いたトランジスタ３２００と第２の半導体材料を用いたトランジスタ３３００、および容量素子３４００を有している。なお、トランジスタ３３００としては、上記実施の形態で説明したトランジスタを用いることができる。
【０２３３】
トランジスタ３３００は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ３３００は、オフ電流が小さいため、これを用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、或いは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導体記憶装置とすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。
【０２３４】
図１１（Ａ）において、第１の配線３００１はトランジスタ３２００のソース電極と電気的に接続され、第２の配線３００２はトランジスタ３２００のドレイン電極と電気的に接続されている。また、第３の配線３００３はトランジスタ３３００のソース電極またはドレイン電極の一方と電気的に接続され、第４の配線３００４はトランジスタ３３００のゲート電極と電気的に接続されている。そして、トランジスタ３２００のゲート電極、およびトランジスタ３３００のソース電極またはドレイン電極の他方は、容量素子３４００の第１の端子と電気的に接続され、第５の配線３００５は容量素子３４００の第２の端子と電気的に接続されている。
【０２３５】
図１１（Ａ）に示す半導体装置では、トランジスタ３２００のゲート電極の電位が保持可能という特徴を活かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
【０２３６】
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第４の配線３００４の電位を、トランジスタ３３００がオン状態となる電位にして、トランジスタ３３００をオン状態とする。これにより、第３の配線３００３の電位が、トランジスタ３２００のゲート電極、および容量素子３４００に与えられる。すなわち、トランジスタ３２００のゲート電極には、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下Ｌｏｗレベル電荷、Ｈｉｇｈレベル電荷という）のいずれかが与えられるものとする。その後、第４の配線３００４の電位を、トランジスタ３３００がオフ状態となる電位にして、トランジスタ３３００をオフ状態とすることにより、トランジスタ３２００のゲート電極に与えられた電荷が保持される（保持）。
【０２３７】
トランジスタ３３００のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタ３２００のゲート電極の電荷は長時間にわたって保持される。
【０２３８】
次に情報の読み出しについて説明する。第１の配線３００１に所定の電位（定電位）を与えた状態で、第５の配線３００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、トランジスタ３２００のゲート電極に保持された電荷量に応じて、第２の配線３００２は異なる電位をとる。一般に、トランジスタ３２００をｎチャネル型とすると、トランジスタ３２００のゲート電極にＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタ３２００のゲート電極にＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけのしきい値電圧とは、トランジスタ３２００を「オン状態」とするために必要な第５の配線３００５の電位をいうものとする。したがって、第５の配線３００５の電位をＶｔｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ０とすることにより、トランジスタ３２００のゲート電極に与えられた電荷量を判別できる。例えば、書き込みにおいて、Ｈｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ３２００は「オン状態」となる。Ｌｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ０（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ３２００は「オフ状態」のままである。このため、第２の配線３００２の電位を判別することで、保持されている情報を読み出すことができる。
【０２３９】
なお、メモリセルをアレイ状に配置して用いる場合、所望のメモリセルの情報のみを読み出せることが必要になる。このように情報を読み出さない場合には、ゲート電極の状態にかかわらずトランジスタ３２００が「オフ状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｈより小さい電位を第５の配線３００５に与えればよい。または、ゲート電極の状態にかかわらずトランジスタ３２００が「オン状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｌより大きい電位を第５の配線３００５に与えればよい。
【０２４０】
図１１（Ｂ）に示す半導体装置は、トランジスタ３２００を設けていない点で主に図１１（Ａ）と相違している。この場合も上記と同様の動作により情報の書き込み及び保持動作が可能である。
【０２４１】
次に、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ３３００がオン状態となると、浮遊状態である第３の配線３００３と容量素子３４００とが導通し、第３の配線３００３と容量素子３４００の間で電荷が再分配される。その結果、第３の配線３００３の電位が変化する。第３の配線３００３の電位の変化量は、容量素子３４００の第１の端子の電位（あるいは容量素子３４００に蓄積された電荷）によって、異なる値をとる。
【０２４２】
例えば、容量素子３４００の第１の端子の電位をＶ、容量素子３４００の容量をＣ、第３の配線３００３が有する容量成分をＣＢ、電荷が再分配される前の第３の配線３００３の電位をＶＢ０とすると、電荷が再分配された後の第３の配線３００３の電位は、（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ）／（ＣＢ＋Ｃ）となる。したがって、メモリセルの状態として、容量素子３４００の第１の端子の電位がＶ１とＶ０（Ｖ１＞Ｖ０）の２状態をとるとすると、電位Ｖ１を保持している場合の第３の配線３００３の電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ１）／（ＣＢ＋Ｃ））は、電位Ｖ０を保持している場合の第３の配線３００３の電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ０）／（ＣＢ＋Ｃ））よりも高くなることがわかる。
【０２４３】
そして、第３の配線３００３の電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができる。
【０２４４】
この場合、メモリセルを駆動させるための駆動回路に上記第１の半導体材料が適用されたトランジスタを用い、トランジスタ３３００として第２の半導体材料が適用されたトランジスタを駆動回路上に積層して設ける構成とすればよい。
【０２４５】
本実施の形態に示す半導体装置では、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたオフ電流の極めて小さいトランジスタを適用することで、極めて長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合（ただし、電位は固定されていることが望ましい）であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
【０２４６】
また、本実施の形態に示す半導体装置では、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため、ゲート絶縁層の劣化といった問題が全く生じない。すなわち、開示する発明に係る半導体装置では、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。
【０２４７】
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【０２４８】
（実施の形態５）
本実施の形態では、先の実施の形態で説明したトランジスタ、または記憶装置を含むＲＦＩＤタグについて、図１２を参照して説明する。
【０２４９】
本実施の形態におけるＲＦＩＤタグは、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、ＲＦＩＤタグは、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。なお、これらの用途に用いるためには極めて高い信頼性が要求される。
【０２５０】
ＲＦＩＤタグの構成について図１２を用いて説明する。図１２は、ＲＦＩＤタグの構成例を示すブロック図である。
【０２５１】
図１２に示すようにＲＦＩＤタグ８００は、通信器８０１（質問器、リーダ／ライタなどともいう）に接続されたアンテナ８０２から送信される無線信号８０３を受信するアンテナ８０４を有する。またＲＦＩＤタグ８００は、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。なお、復調回路８０７に含まれる整流作用を示すトランジスタに逆方向電流を十分に抑制することが可能な材料、例えば、酸化物半導体、が用いられた構成としてもよい。これにより、逆方向電流に起因する整流作用の低下を抑制し、復調回路の出力が飽和することを防止できる。つまり、復調回路の入力に対する復調回路の出力を線形に近づけることができる。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の３つに大別される。本実施の形態に示すＲＦＩＤタグ８００は、そのいずれの方式に用いることも可能である。
【０２５２】
次に各回路の構成について説明する。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。
【０２５３】
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８０９のリセット信号を生成するための回路である。
【０２５４】
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おこなうための回路である。
【０２５５】
論理回路８０９は復調信号を解析し、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、ロウデコーダ、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。
【０２５６】
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。
【０２５７】
ここで、先の実施の形態で説明した記憶回路を、記憶回路８１０に用いることができる。本発明の一態様の記憶回路は、電源が遮断された状態であっても情報を保持できるため、ＲＦＩＤタグに好適に用いることができる。さらに本発明の一態様の記憶回路は、データの書き込みに必要な電力（電圧）が従来の不揮発性メモリに比べて著しく小さいため、データの読み出し時と書込み時の最大通信距離の差を生じさせないことも可能である。さらに、データの書き込み時に電力が不足し、誤動作または誤書込みが生じることを抑制することができる。
【０２５８】
また、本発明の一態様の記憶回路は、不揮発性のメモリとして用いることが可能であるため、ＲＯＭ８１１に適用することもできる。その場合には、生産者がＲＯＭ８１１にデータを書き込むためのコマンドを別途用意し、ユーザが自由に書き換えできないようにしておくことが好ましい。生産者が出荷前に固有番号を書込んだのちに製品を出荷することで、作製したＲＦＩＤタグすべてについて固有番号を付与するのではなく、出荷する良品にのみ固有番号を割り当てることが可能となり、出荷後の製品の固有番号が不連続になることがなく出荷後の製品に対応した顧客管理が容易となる。
【０２５９】
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【０２６０】
（実施の形態６）
本実施の形態では、少なくとも実施の形態で説明したトランジスタを用いることができ、先の実施の形態で説明した記憶装置を含むＣＰＵについて説明する。
【０２６１】
図１３は、先の実施の形態で説明したトランジスタを少なくとも一部に用いたＣＰＵの一例の構成を示すブロック図である。
【０２６２】
図１３に示すＣＰＵは、基板１１９０上に、ＡＬＵ１１９１（ＡＬＵ：Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ  ｌｏｇｉｃ  ｕｎｉｔ、演算回路）、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、タイミングコントローラ１１９５、レジスタ１１９６、レジスタコントローラ１１９７、バスインターフェース１１９８（Ｂｕｓ  Ｉ／Ｆ）、書き換え可能なＲＯＭ１１９９、およびＲＯＭインターフェース１１８９（ＲＯＭ  Ｉ／Ｆ）を有している。基板１１９０は、半導体基板、ＳＯＩ基板、ガラス基板などを用いる。ＲＯＭ１１９９およびＲＯＭインターフェース１１８９は、別チップに設けてもよい。もちろん、図１３に示すＣＰＵは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のＣＰＵはその用途によって多種多様な構成を有している。例えば、図１３に示すＣＰＵまたは演算回路を含む構成を一つのコアとし、当該コアを複数含み、それぞれのコアが並列で動作するような構成としてもよい。また、ＣＰＵが内部演算回路やデータバスで扱えるビット数は、例えば８ビット、１６ビット、３２ビット、６４ビットなどとすることができる。
【０２６３】
バスインターフェース１１９８を介してＣＰＵに入力された命令は、インストラクションデコーダ１１９３に入力され、デコードされた後、ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５に入力される。
【０２６４】
ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行なう。具体的にＡＬＵコントローラ１１９２は、ＡＬＵ１１９１の動作を制御するための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ１１９４は、ＣＰＵのプログラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ１１９７は、レジスタ１１９６のアドレスを生成し、ＣＰＵの状態に応じてレジスタ１１９６の読み出しや書き込みを行なう。
【０２６５】
また、タイミングコントローラ１１９５は、ＡＬＵ１１９１、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、およびレジスタコントローラ１１９７の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイミングコントローラ１１９５は、基準クロック信号ＣＬＫ１を元に、内部クロック信号ＣＬＫ２を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号ＣＬＫ２を上記各種回路に供給する。
【０２６６】
図１３に示すＣＰＵでは、レジスタ１１９６に、メモリセルが設けられている。レジスタ１１９６のメモリセルとして、先の実施の形態に示したトランジスタを用いることができる。
【０２６７】
図１３に示すＣＰＵにおいて、レジスタコントローラ１１９７は、ＡＬＵ１１９１からの指示に従い、レジスタ１１９６における保持動作の選択を行う。すなわち、レジスタ１１９６が有するメモリセルにおいて、フリップフロップによるデータの保持を行うか、容量素子によるデータの保持を行うかを、選択する。フリップフロップによるデータの保持が選択されている場合、レジスタ１１９６内のメモリセルへの、電源電圧の供給が行われる。容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き換えが行われ、レジスタ１１９６内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止することができる。
【０２６８】
図１４は、レジスタ１１９６として用いることのできる記憶素子の回路図の一例である。記憶素子１２００は、電源遮断で記憶データが揮発する回路１２０１と、電源遮断で記憶データが揮発しない回路１２０２と、スイッチ１２０３と、スイッチ１２０４と、論理素子１２０６と、容量素子１２０７と、選択機能を有する回路１２２０と、を有する。回路１２０２は、容量素子１２０８と、トランジスタ１２０９と、トランジスタ１２１０と、を有する。なお、記憶素子１２００は、必要に応じて、ダイオード、抵抗素子、インダクタなどのその他の素子をさらに有していても良い。
【０２６９】
ここで、回路１２０２には、先の実施の形態で説明した記憶装置を用いることができる。記憶素子１２００への電源電圧の供給が停止した際、回路１２０２のトランジスタ１２０９のゲートには接地電位（０Ｖ）、またはトランジスタ１２０９がオフする電位が入力され続ける構成とする。例えば、トランジスタ１２０９のゲートが抵抗等の負荷を介して接地される構成とする。
【０２７０】
スイッチ１２０３は、一導電型（例えば、ｎチャネル型）のトランジスタ１２１３を用いて構成され、スイッチ１２０４は、一導電型とは逆の導電型（例えば、ｐチャネル型）のトランジスタ１２１４を用いて構成した例を示す。ここで、スイッチ１２０３の第１の端子はトランジスタ１２１３のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ１２０３の第２の端子はトランジスタ１２１３のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ１２０３はトランジスタ１２１３のゲートに入力される制御信号ＲＤによって、第１の端子と第２の端子の間の導通または非導通（つまり、トランジスタ１２１３のオン状態またはオフ状態）が選択される。スイッチ１２０４の第１の端子はトランジスタ１２１４のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ１２０４の第２の端子はトランジスタ１２１４のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ１２０４はトランジスタ１２１４のゲートに入力される制御信号ＲＤによって、第１の端子と第２の端子の間の導通または非導通（つまり、トランジスタ１２１４のオン状態またはオフ状態）が選択される。
【０２７１】
トランジスタ１２０９のソースとドレインの一方は、容量素子１２０８の一対の電極のうちの一方、およびトランジスタ１２１０のゲートと電気的に接続される。ここで、接続部分をノードＭ２とする。トランジスタ１２１０のソースとドレインの一方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ線）に電気的に接続され、他方は、スイッチ１２０３の第１の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの一方）と電気的に接続される。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）はスイッチ１２０４の第１の端子（トランジスタ１２１４のソースとドレインの一方）と電気的に接続される。スイッチ１２０４の第２の端子（トランジスタ１２１４のソースとドレインの他方）は電源電位ＶＤＤを供給することのできる配線と電気的に接続される。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）と、スイッチ１２０４の第１の端子（トランジスタ１２１４のソースとドレインの一方）と、論理素子１２０６の入力端子と、容量素子１２０７の一対の電極のうちの一方と、は電気的に接続される。ここで、接続部分をノードＭ１とする。容量素子１２０７の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位（ＧＮＤ等）または高電源電位（ＶＤＤ等）が入力される構成とすることができる。容量素子１２０７の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ線）と電気的に接続される。容量素子１２０８の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位（ＧＮＤ等）または高電源電位（ＶＤＤ等）が入力される構成とすることができる。容量素子１２０８の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ線）と電気的に接続される。
【０２７２】
なお、容量素子１２０７および容量素子１２０８は、トランジスタや配線の寄生容量等を積極的に利用することによって省略することも可能である。
【０２７３】
トランジスタ１２０９の第１ゲート（第１のゲート電極）には、制御信号ＷＥが入力される。スイッチ１２０３およびスイッチ１２０４は、制御信号ＷＥとは異なる制御信号ＲＤによって第１の端子と第２の端子の間の導通状態または非導通状態を選択され、一方のスイッチの第１の端子と第２の端子の間が導通状態のとき他方のスイッチの第１の端子と第２の端子の間は非導通状態となる。
【０２７４】
トランジスタ１２０９のソースとドレインの他方には、回路１２０１に保持されたデータに対応する信号が入力される。図１４では、回路１２０１から出力された信号が、トランジスタ１２０９のソースとドレインの他方に入力される例を示した。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号は、論理素子１２０６によってその論理値が反転された反転信号となり、回路１２２０を介して回路１２０１に入力される。
【０２７５】
なお、図１４では、スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号は、論理素子１２０６および回路１２２０を介して回路１２０１に入力する例を示したがこれに限定されない。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号が、論理値を反転させられることなく、回路１２０１に入力されてもよい。例えば、回路１２０１内に、入力端子から入力された信号の論理値が反転した信号が保持されるノードが存在する場合に、スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号を当該ノードに入力することができる。
【０２７６】
また、図１４において、記憶素子１２００に用いられるトランジスタのうち、トランジスタ１２０９以外のトランジスタは、酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板１１９０にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。例えば、シリコン層またはシリコン基板にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。また、記憶素子１２００に用いられるトランジスタ全てを、チャネルが酸化物半導体層で形成されるトランジスタとすることもできる。または、記憶素子１２００は、トランジスタ１２０９以外にも、チャネルが酸化物半導体層で形成されるトランジスタを含んでいてもよく、残りのトランジスタは酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板１１９０にチャネルが形成されるトランジスタとすることもできる。
【０２７７】
図１４における回路１２０１には、例えばフリップフロップ回路を用いることができる。また、論理素子１２０６としては、例えばインバータやクロックドインバータ等を用いることができる。
【０２７８】
本発明の一態様のける半導体装置では、記憶素子１２００に電源電圧が供給されない間は、回路１２０１に記憶されていたデータを、回路１２０２に設けられた容量素子１２０８によって保持することができる。
【０２７９】
また、酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタはオフ電流が極めて小さい。例えば、酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流は、結晶性を有するシリコンにチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流に比べて著しく低い。そのため、当該トランジスタをトランジスタ１２０９として用いることによって、記憶素子１２００に電源電圧が供給されない間も容量素子１２０８に保持された信号は長期間にわたり保たれる。こうして、記憶素子１２００は電源電圧の供給が停止した間も記憶内容（データ）を保持することが可能である。
【０２８０】
また、スイッチ１２０３およびスイッチ１２０４を設けることによって、プリチャージ動作を行うことを特徴とする記憶素子であるため、電源電圧供給再開後に、回路１２０１が元のデータを保持しなおすまでの時間を短くすることができる。
【０２８１】
また、回路１２０２において、容量素子１２０８によって保持された信号はトランジスタ１２１０のゲートに入力される。そのため、記憶素子１２００への電源電圧の供給が再開された後、容量素子１２０８によって保持された信号を、トランジスタ１２１０の状態（オン状態、またはオフ状態）に変換して、回路１２０２から読み出すことができる。それ故、容量素子１２０８に保持された信号に対応する電位が多少変動していても、元の信号を正確に読み出すことが可能である。
【０２８２】
このような記憶素子１２００を、プロセッサが有するレジスタやキャッシュメモリなどの記憶装置に用いることで、電源電圧の供給停止による記憶装置内のデータの消失を防ぐことができる。また、電源電圧の供給を再開した後、短時間で電源供給停止前の状態に復帰することができる。よって、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、短い時間でも電源停止を行うことができるため、消費電力を抑えることができる。
【０２８３】
本実施の形態では、記憶素子１２００をＣＰＵに用いる例として説明したが、記憶素子１２００は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、カスタムＬＳＩ、ＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅ）等のＬＳＩ、ＲＦ−ＩＤ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）にも応用可能である。
【０２８４】
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【０２８５】
（実施の形態７）
本実施の形態では、本発明の一態様の表示パネルの構成例について説明する。
【０２８６】
［構成例］
図２２（Ａ）は、本発明の一態様の表示パネルの上面図であり、図２２（Ｂ）は、本発明の一態様の表示パネルの画素に液晶素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説明するための回路図である。また、図２２（Ｃ）は、本発明の一態様の表示パネルの画素に有機ＥＬ素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説明するための回路図である。
【０２８７】
画素部に配置するトランジスタは、上記実施の形態に従って形成することができる。また、当該トランジスタはｎチャネル型とすることが容易なので、駆動回路のうち、ｎチャネル型トランジスタで構成することができる駆動回路の一部を画素部のトランジスタと同一基板上に形成する。このように、画素部や駆動回路に上記実施の形態に示すトランジスタを用いることにより、信頼性の高い表示装置を提供することができる。
【０２８８】
アクティブマトリクス型表示装置のブロック図の一例を図２２（Ａ）に示す。表示装置の基板７００上には、画素部７０１、第１の走査線駆動回路７０２、第２の走査線駆動回路７０３、信号線駆動回路７０４を有する。画素部７０１には、複数の信号線が信号線駆動回路７０４から延伸して配置され、複数の走査線が第１の走査線駆動回路７０２、及び第２の走査線駆動回路７０３から延伸して配置されている。なお走査線と信号線との交差領域には、各々、表示素子を有する画素がマトリクス状に設けられている。また、表示装置の基板７００はＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｐｒｉｎｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の接続部を介して、タイミング制御回路（コントローラ、制御ＩＣともいう）に接続されている。
【０２８９】
図２２（Ａ）では、第１の走査線駆動回路７０２、第２の走査線駆動回路７０３、信号線駆動回路７０４は、画素部７０１と同じ基板７００上に形成される。そのため、外部に設ける駆動回路等の部品の数が減るので、コストの低減を図ることができる。また、基板７００外部に駆動回路を設けた場合、配線を延伸させる必要が生じ、配線間の接続数が増える。同じ基板７００上に駆動回路を設けた場合、その配線間の接続数を減らすことができ、信頼性の向上、又は歩留まりの向上を図ることができる。
【０２９０】
〔液晶パネル〕
また、画素の回路構成の一例を図２２（Ｂ）に示す。ここでは、ＶＡ型液晶表示パネルの画素に適用することができる画素回路を示す。
【０２９１】
この画素回路は、一つの画素に複数の画素電極層を有する構成に適用できる。それぞれの画素電極層は異なるトランジスタに接続され、各トランジスタは異なるゲート信号で駆動できるように構成されている。これにより、マルチドメイン設計された画素の個々の画素電極層に印加する信号を、独立して制御できる。
【０２９２】
トランジスタ７１６のゲート配線７１２と、トランジスタ７１７のゲート配線７１３には、異なるゲート信号を与えることができるように分離されている。一方、データ線として機能するソース電極層又はドレイン電極層７１４は、トランジスタ７１６とトランジスタ７１７で共通に用いられている。トランジスタ７１６とトランジスタ７１７は上記実施の形態で説明するトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い液晶表示パネルを提供することができる。
【０２９３】
トランジスタ７１６と電気的に接続する第１の画素電極層と、トランジスタ７１７と電気的に接続する第２の画素電極層の形状について説明する。第１の画素電極層と第２の画素電極層の形状は、スリットによって分離されている。第１の画素電極層はＶ字型に広がる形状を有し、第２の画素電極層は第１の画素電極層の外側を囲むように形成される。
【０２９４】
トランジスタ７１６のゲート電極はゲート配線７１２と接続され、トランジスタ７１７のゲート電極はゲート配線７１３と接続されている。ゲート配線７１２とゲート配線７１３に異なるゲート信号を与えてトランジスタ７１６とトランジスタ７１７の動作タイミングを異ならせ、液晶の配向を制御できる。
【０２９５】
また、容量配線７１０と、誘電体として機能するゲート絶縁膜と、第１の画素電極層または第２の画素電極層と電気的に接続する容量電極とで保持容量を形成してもよい。
【０２９６】
マルチドメイン構造は、一画素に第１の液晶素子７１８と第２の液晶素子７１９を備える。第１の液晶素子７１８は第１の画素電極層と対向電極層とその間の液晶層とで構成され、第２の液晶素子７１９は第２の画素電極層と対向電極層とその間の液晶層とで構成される。
【０２９７】
なお、図２２（Ｂ）に示す画素回路は、これに限定されない。例えば、図２２（Ｂ）に示す画素に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ、センサ、又は論理回路などを追加してもよい。
【０２９８】
〔有機ＥＬパネル〕
画素の回路構成の他の一例を図２２（Ｃ）に示す。ここでは、有機ＥＬ素子を用いた表示パネルの画素構造を示す。
【０２９９】
有機ＥＬ素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極の一方から電子が、他方から正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、電子および正孔が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
【０３００】
図２２（Ｃ）は、適用可能な画素回路の一例を示す図である。ここではｎチャネル型のトランジスタを１つの画素に２つ用いる例を示す。なお、本発明の一態様の金属酸化物膜は、ｎチャネル型のトランジスタのチャネル形成領域に用いることができる。また、当該画素回路は、デジタル時間階調駆動を適用することができる。
【０３０１】
適用可能な画素回路の構成及びデジタル時間階調駆動を適用した場合の画素の動作について説明する。
【０３０２】
画素７２０は、スイッチング用トランジスタ７２１、駆動用トランジスタ７２２、発光素子７２４及び容量素子７２３を有している。スイッチング用トランジスタ７２１は、ゲート電極層が走査線７２６に接続され、第１電極（ソース電極層及びドレイン電極層の一方）が信号線７２５に接続され、第２電極（ソース電極層及びドレイン電極層の他方）が駆動用トランジスタ７２２のゲート電極層に接続されている。駆動用トランジスタ７２２は、ゲート電極層が容量素子７２３を介して電源線７２７に接続され、第１電極が電源線７２７に接続され、第２電極が発光素子７２４の第１電極（画素電極）に接続されている。発光素子７２４の第２電極は共通電極７２８に相当する。共通電極７２８は、同一基板上に形成される共通電位線と電気的に接続される。
【０３０３】
スイッチング用トランジスタ７２１および駆動用トランジスタ７２２は上記実施の形態で説明するトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い有機ＥＬ表示パネルを提供することができる。
【０３０４】
発光素子７２４の第２電極（共通電極７２８）の電位は低電源電位に設定する。なお、低電源電位とは、電源線７２７に設定される高電源電位より低い電位であり、例えばＧＮＤ、０Ｖなどを低電源電位として設定することができる。発光素子７２４の順方向のしきい値電圧以上となるように高電源電位と低電源電位を設定し、その電位差を発光素子７２４に印加することにより、発光素子７２４に電流を流して発光させる。なお、発光素子７２４の順方向電圧とは、所望の輝度とする場合の電圧を指しており、少なくとも順方向しきい値電圧を含む。
【０３０５】
なお、容量素子７２３は駆動用トランジスタ７２２のゲート容量を代用することにより省略できる。駆動用トランジスタ７２２のゲート容量については、チャネル形成領域とゲート電極層との間で容量が形成されていてもよい。
【０３０６】
次に、駆動用トランジスタ７２２に入力する信号について説明する。電圧入力電圧駆動方式の場合、駆動用トランジスタ７２２が十分にオンするか、オフするかの二つの状態となるようなビデオ信号を、駆動用トランジスタ７２２に入力する。なお、駆動用トランジスタ７２２を線形領域で動作させるために、電源線７２７の電圧よりも高い電圧を駆動用トランジスタ７２２のゲート電極層にかける。また、信号線７２５には、電源線電圧に駆動用トランジスタ７２２のしきい値電圧Ｖｔｈを加えた値以上の電圧をかける。
【０３０７】
アナログ階調駆動を行う場合、駆動用トランジスタ７２２のゲート電極層に発光素子７２４の順方向電圧に駆動用トランジスタ７２２のしきい値電圧Ｖｔｈを加えた値以上の電圧をかける。なお、駆動用トランジスタ７２２が飽和領域で動作するようにビデオ信号を入力し、発光素子７２４に電流を流す。また、駆動用トランジスタ７２２を飽和領域で動作させるために、電源線７２７の電位を、駆動用トランジスタ７２２のゲート電位より高くする。ビデオ信号をアナログとすることで、発光素子７２４にビデオ信号に応じた電流を流し、アナログ階調駆動を行うことができる。
【０３０８】
なお、画素回路の構成は、図２２（Ｃ）に示す画素構成に限定されない。例えば、図２２（Ｃ）に示す画素回路にスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサ、トランジスタ又は論理回路などを追加してもよい。
【０３０９】
図２２（Ｂ）、（Ｃ）で例示した回路に上記実施の形態で例示したトランジスタを適用する場合、低電位側にソース電極（第１の電極）、高電位側にドレイン電極（第２の電極）がそれぞれ電気的に接続される構成とする。さらに、制御回路等により第１のゲート電極の電位を制御し、第２のゲート電極には図示しない配線によりソース電極に与える電位よりも低い電位など、上記で例示した電位を入力可能な構成とすればよい。
【０３１０】
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【０３１１】
（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、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１５に示す。
【０３１２】
図１５（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、スピーカー９０６、操作キー９０７、スタイラス９０８等を有する。なお、図１５（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。
【０３１３】
図１５（Ｂ）は携帯データ端末であり、第１筐体９１１、第２筐体９１２、第１表示部９１３、第２表示部９１４、接続部９１５、操作キー９１６等を有する。第１表示部９１３は第１筐体９１１に設けられており、第２表示部９１４は第２筐体９１２に設けられている。そして、第１筐体９１１と第２筐体９１２とは、接続部９１５により接続されており、第１筐体９１１と第２筐体９１２の間の角度は、接続部９１５により変更が可能である。第１表示部９１３における映像を、接続部９１５における第１筐体９１１と第２筐体９１２との間の角度に従って、切り替える構成としても良い。また、第１表示部９１３および第２表示部９１４の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしても良い。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。或いは、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。
【０３１４】
図１５（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。
【０３１５】
図１５（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９３３等を有する。
【０３１６】
図１５（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９４２との間の角度に従って切り替える構成としても良い。
【０３１７】
図１５（Ｆ）は普通自動車であり、車体９５１、車輪９５２、ダッシュボード９５３、ライト９５４等を有する。
【０３１８】
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【０３１９】
（実施の形態９）
本実施の形態では、本発明の一態様に係るＲＦＩＤの使用例について図１６を用いながら説明する。ＲＦＩＤ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１６（Ａ）参照）、包装用容器類（包装紙やボトル等、図１６（Ｃ）参照）、記録媒体（ＤＶＤソフトやビデオテープ等、図１６（Ｂ）参照）、乗り物類（自転車等、図１６（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１６（Ｅ）、図１６（Ｆ）参照）等に設けて使用することができる。
【０３２０】
本発明の一態様に係るＲＦＩＤ４０００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ＲＦＩＤ４０００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ＲＦＩＤ４０００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ＲＦＩＤ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ＲＦＩＤ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。
【０３２１】
以上のように、本発明の一態様に係わるＲＦＩＤ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。
【０３２２】
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【０３２３】
１００    トランジスタ
１０１    基板
１０２    半導体層
１０３    電極
１０４    絶縁層
１０５    ゲート電極
１０５ａ    ゲート電極
１０７    絶縁層
１１０    開口部
１１１    絶縁層
１１２    絶縁層
１１５    酸素
１２１    酸化物層
１２２    酸化物層
１３２    半導体膜
１３５    保護層
１５０    トランジスタ
１６０    トランジスタ
７００    基板
７０１    画素部
７０２    走査線駆動回路
７０３    走査線駆動回路
７０４    信号線駆動回路
７１０    容量配線
７１２    ゲート配線
７１３    ゲート配線
７１４    ドレイン電極層
７１６    トランジスタ
７１７    トランジスタ
７１８    液晶素子
７１９    液晶素子
７２０    画素
７２１    スイッチング用トランジスタ
７２２    駆動用トランジスタ
７２３    容量素子
７２４    発光素子
７２５    信号線
７２６    走査線
７２７    電源線
７２８    共通電極
８００    ＲＦＩＤタグ
８０１    通信器
８０２    アンテナ
８０３    無線信号
８０４    アンテナ
８０５    整流回路
８０６    定電圧回路
８０７    復調回路
８０８    変調回路
８０９    論理回路
８１０    記憶回路
８１１    ＲＯＭ
９０１    筐体
９０２    筐体
９０３    表示部
９０４    表示部
９０５    マイクロフォン
９０６    スピーカー
９０７    操作キー
９０８    スタイラス
９１１    筐体
９１２    筐体
９１３    表示部
９１４    表示部
９１５    接続部
９１６    操作キー
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
１１８９    ＲＯＭインターフェース
１１９０    基板
１１９１    ＡＬＵ
１１９２    ＡＬＵコントローラ
１１９３    インストラクションデコーダ
１１９４    インタラプトコントローラ
１１９５    タイミングコントローラ
１１９６    レジスタ
１１９７    レジスタコントローラ
１１９８    バスインターフェース
１１９９    ＲＯＭ
１２００    記憶素子
１２０１    回路
１２０２    回路
１２０３    スイッチ
１２０４    スイッチ
１２０６    論理素子
１２０７    容量素子
１２０８    容量素子
１２０９    トランジスタ
１２１０    トランジスタ
１２１３    トランジスタ
１２１４    トランジスタ
１２２０    回路
２１００    トランジスタ
２２００    トランジスタ
２２０１    絶縁層
２２０２    配線
２２０３    プラグ
２２０４    絶縁層
２２０５    配線
２２０６    配線
２２０７    絶縁層
２２０８    絶縁層
３００１    配線
３００２    配線
３００３    配線
３００４    配線
３００５    配線
３２００    トランジスタ
３３００    トランジスタ
３４００    容量素子
４０００    ＲＦＩＤ
【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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