(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物半導体膜と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極との積層構造を形成し、
前記積層構造上に層間絶縁膜を形成し、
前記層間絶縁膜に対して平坦化処理を施し、
前記平坦化処理を施した層間絶縁膜に開口部を形成し、
前記平坦化処理を施した層間絶縁膜上および前記開口部に導電膜を形成し、
前記導電膜に対して平坦化処理を施して一対の導電膜を形成し、
前記一対の導電膜に対して不純物を添加することにより、前記酸化物半導体膜に第１の領域を形成し、
前記第１の領域は、前記一対の導電膜と接することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１の領域は、低抵抗化された領域であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、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。特に、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、撮像装置、それらの駆動方法、またはそれらの製造方法に関する。特に、本発明の一態様は、電界効果トランジスタを有する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。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶装置は、半導体装置の一態様である。撮像装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、電気光学装置、発電装置（薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む）、および電子機器は、半導体装置を有している場合がある。
【背景技術】
【０００３】
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタ（薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ともいう）を構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（表示装置）のような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を代表とする半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。
【０００４】
酸化物半導体を用いたトランジスタとしては、より高機能な半導体装置への応用のために、より高い電気特性が求められている。例えば、トランジスタのチャネル形成領域となる酸化物半導体膜の一部の領域上に、ゲート電極、およびゲート絶縁膜を形成したのち、酸化物半導体膜のゲート電極、およびゲート絶縁膜に覆われていない領域を低抵抗化してソース領域、およびドレイン領域を形成するセルフアライン（自己整合）構造のトランジスタが報告されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２２０８１７号公報
【特許文献２】特開２０１１−２２８６２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の一態様は、セルフアライン構造の酸化物半導体膜を用いた半導体装置において、高い電気特性を有する半導体装置を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、電気特性のばらつきの少ない半導体装置の作製方法を提供することを課題の一とする。また、本発明の一態様は、新規の半導体装置を提供することを課題の一とする。
【０００７】
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】
【０００８】
本発明の一態様は、酸化物半導体膜を形成し、酸化物半導体膜上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成し、酸化物半導体膜上およびゲート電極上に層間絶縁膜を形成し、層間絶縁膜に対して平坦化処理を施し、平坦化処理を施した層間絶縁膜に開口部を形成し、平坦化処理を施した層間絶縁膜上および開口部に導電膜を形成し、導電膜に対して平坦化処理を施して一対の導電膜を形成し、一対の導電膜に対して不純物を添加して酸化物半導体膜に第１の領域および第２の領域を形成し、第２の領域と開口部とは互いに重なり、第２の領域は、一対の導電膜に不純物を添加する衝撃により形成されることを特徴とする半導体装置の作製方法である。
【０００９】
また、本発明の他の一態様は、ゲート電極を形成し、ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成し、酸化物半導体膜上に層間絶縁膜を形成し、層間絶縁膜に対して平坦化処理を施し、平坦化処理を施した層間絶縁膜に開口部を形成し、平坦化処理を施した層間絶縁膜上および開口部に導電膜を形成し、導電膜に対して平坦化処理を施して一対の導電膜を形成し、一対の導電膜に対して不純物を添加して酸化物半導体膜に第１の領域および第２の領域を形成し、第２の領域と開口部とは互いに重なり、第２の領域は、一対の導電膜に不純物を添加する衝撃により形成されることを特徴とする半導体装置の作製方法である。
【００１０】
また、上記作製方法において、不純物の添加は、イオンドーピング法またはイオンインプランテーション法を用いることが好ましい。
【００１１】
また、本発明の他の一態様は、酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上のゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上のゲート電極と、酸化物半導体膜上およびゲート電極上の層間絶縁膜と、層間絶縁膜に設けられた開口部を介して酸化物半導体膜と接する一対の導電膜と、を有し、酸化物半導体膜は、第１の領域と第２の領域と、を有し、第２の領域と開口部とは互いに重なり、第２の領域は、第１の領域より不純物元素の濃度が高いことを特徴とする半導体装置である。
【００１２】
また、本発明の他の一態様は、ゲート電極と、ゲート電極上のゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上の酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上の層間絶縁膜と、層間絶縁膜に設けられた開口部を介して酸化物半導体膜と接する一対の導電膜と、を有し、酸化物半導体膜は、第１の領域と第２の領域と、を有し、第２の領域と開口部とは互いに重なり、第２の領域は、第１の領域より不純物元素の濃度が高いことを特徴とする半導体装置である。
【００１３】
また、上記構成において、不純物元素は一対の導電膜に含まれる元素を有する場合がある。
【００１４】
また、本発明の他の一態様は、上記構成の半導体装置と、表示装置、マイクロフォン、スピーカー、操作キー、タッチパネル、または、アンテナと、を有することを特徴とする電子機器である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の一態様により、セルフアライン構造の酸化物半導体膜を用いた半導体装置において、高い電気特性を有す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、ばらつきが少ない、当該半導体装置の作製方法を提供することができる。または、本発明の一態様により、新規の半導体装置を提供することができる。
【００１６】
なお、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】
【００１７】
【図１】半導体装置の一態様を示す上面図および断面図。
【図２】ＣＡＡＣ−ＯＳの断面におけるＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像、およびＣＡＡＣ−ＯＳの断面模式図。
【図３】ＣＡＡＣ−ＯＳの平面におけるＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像。
【図４】ＣＡＡＣ−ＯＳおよび単結晶酸化物半導体のＸＲＤによる構造解析を説明する図。
【図５】ＣＡＡＣ−ＯＳの電子回折パターンを示す図。
【図６】Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。
【図７】ＣＡＡＣ−ＯＳおよびｎｃ−ＯＳの成膜モデルを説明する模式図。
【図８】ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶、およびペレットを説明する図。
【図９】ＣＡＡＣ−ＯＳの成膜モデルを説明する模式図。
【図１０】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図１１】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図１２】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図１３】半導体装置の一態様を示す上面図および断面図。
【図１４】半導体装置の一態様を示す上面図および断面図。
【図１５】バンド図を説明する図。
【図１６】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図１７】半導体装置の一態様を示す上面図および断面図。
【図１８】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図１９】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図２０】半導体装置の一態様を示す上面図および断面図。
【図２１】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図２２】半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。
【図２３】半導体装置の構成例を示す断面図および回路図。
【図２４】半導体装置の構成例を示す断面図。
【図２５】半導体装置の構成例を示す断面図。
【図２６】記憶装置の一例を示す回路図。
【図２７】ＣＰＵの一例を示すブロック図。
【図２８】電子機器の一例を示す図。
【図２９】ＲＦタグの一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下では、本明細書に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなく、その形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。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。
【００１９】
なお、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、理解の簡単のため、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。
【００２０】
なお、本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの序数詞は、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ことを付記する。
【００２１】
なお、本明細書等において「上」や「下」という用語は、構成要素の位置関係が「直上」または「直下」であることを限定するものではない。例えば、「ゲート絶縁膜上のゲート電極」の表現であれば、ゲート絶縁膜とゲート電極との間に他の構成要素を含むものを除外しない。
【００２２】
また、本明細書等において「電極」や「配線」という用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」という用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。
【００２３】
また、「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、本明細書等においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
【００２４】
なお、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有する素子などが含まれる。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
なお、「膜」という言葉と、「層」という言葉とは、場合によっては、または、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。
【００２８】
（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について図面を用いて説明する。
【００２９】
図１に、半導体装置に含まれるトランジスタの一例として、トップゲート・セルフアライン構造のトランジスタを示す。図１（Ａ）はトランジスタの上面図であり、図１（Ａ）に示す一点鎖線Ａ−Ｂの断面が図１（Ｂ）、一点鎖線Ｃ−Ｄの断面が図１（Ｃ）に相当する。なお、図１（Ａ）のトランジスタの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。また、一点鎖線Ａ−Ｂ方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｃ−Ｄ方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
【００３０】
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。
【００３１】
また、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、ソースまたはドレインの幅をいう。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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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  Ｗｉｄｔｈ）」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。
【００３５】
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。
【００３６】
なお、トランジスタのチャネル長は、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下がより好ましく、２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下がさらに好ましい。また、チャネル幅は、５０ｎｍ以下が好ましく、３０ｎｍ以下がより好ましく、２０ｎｍ以下がさらに好ましい。
【００３７】
図１に示すトランジスタ１０は、基板５１と、基板５１上の絶縁膜５３と、絶縁膜５３上の、第１の領域５５ａおよび第２の領域５５ｂ、５５ｃを有する酸化物半導体膜５５と、酸化物半導体膜５５に接するゲート絶縁膜５７と、ゲート絶縁膜５７と接し、且つ第１の領域５５ａと互いに重なるゲート電極５９と、酸化物半導体膜５５上およびゲート電極５９上の層間絶縁膜６５と、層間絶縁膜６５の開口部において、酸化物半導体膜５５の第２の領域５５ｂ、５５ｃと接する一対の導電膜６８、６９と、を有する。
【００３８】
また、一対の導電膜６８、６９と電気的に接続する配線７２、７３とが、トランジスタに設けられてもよい。
【００３９】
また、第２の領域５５ｂ、５５ｃは、一対の導電膜６８、６９に対してイオンドーピング法やイオンインプラテーション法、プラズマ浸漬イオン注入法等によって一対の導電膜６８、６９に加えられた衝撃が酸化物半導体膜５５に伝わり、物理的なダメージによって酸素欠損が生じる。
【００４０】
この酸素欠損と酸化物半導体膜中の水素により第２の領域５５ｂ、５５ｃは低抵抗化された領域となり、一対の導電膜６８、６９との接触抵抗が低減される。
【００４１】
また、一対の導電膜６８、６９に加えられた衝撃により第２の領域５５ｂ、５５ｃには、一対の導電膜６８、６９に含まれる元素が混入する場合がある。
【００４２】
なお、イオンドーピング法やイオンインプラテーション法、プラズマ浸漬イオン注入法等を用いて不純物を一対の導電膜６８、６９に添加する場合には、加速電圧の制御が重要となる。加速電圧が高すぎすると、第１の領域にもイオンが添加されてしまうため、層間絶縁膜６５や一対の導電膜６８、６９の膜厚や材料によって適宜加速電圧を調整する必要がある。また、層間絶縁膜６５よりも導電膜６８、６９の方が、イオンが注入されやすいことが望ましい。例えば、導電膜６８、６９はチャネリングを起こしやすい材料であることが望ましい。チャネリングとは、結晶の方向により原子密度が異なることを応用して、原子が疎になっている方向から、イオンビームを奥深くまで注入する現象をいう。例えば、そのような材料が用いられるとき、柱状構造を有する膜に対して、イオンを注入した場合に、同じ加速電圧でもより深くイオンを注入することができる。なお、第１の領域、第２の領域のいずれにもイオンが添加されてもよい。
【００４３】
第１の領域５５ａの二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる水素濃度は、測定下限である７．２８×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは７．２８×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、７．２８×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは７．２８×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であると好ましい。
【００４４】
第１の領域５５ａの水素濃度を上記範囲とすることで、第１の領域５５ａにおけるキャリアである電子の生成を抑制することが可能であり、トランジスタは、しきい値電圧がプラスとなる電気特性（ノーマリーオフ特性ともいう。）を有する。
【００４５】
酸素欠損が形成された酸化物半導体に水素を添加すると、酸素欠損サイトに水素が入り伝導帯近傍にドナー準位が形成される。この結果、酸化物半導体は、導電性が高くなり、導電体化する。導電体化された酸化物半導体を酸化物導電体ということができる。一般に、酸化物半導体は、エネルギーギャップが大きいため、可視光に対して透光性を有する。一方、酸化物導電体は、伝導帯近傍にドナー準位を有する酸化物半導体である。したがって、該ドナー準位による吸収の影響は小さく、可視光に対して酸化物半導体と同程度の透光性を有する。
【００４６】
よって、トランジスタにおいて、第２の領域５５ｂ、５５ｃは、酸化物導電体で形成されている。また、第２の領域５５ｂ、５５ｃは、低抵抗領域として機能する。よって、図１に示す構造のトランジスタは、オン電流が高い。
【００４７】
また、本実施の形態に示すトランジスタは、第２の領域５５ｂ、５５ｃに、酸素欠損を形成し、且つ酸化物半導体膜中の水素が酸素欠損サイトに入る。このため、第２の領域５５ｂ、５５ｃにおける抵抗率を低減することが可能であるとともに、トランジスタごとの第２の領域５５ｂ、５５ｃの抵抗率のばらつきを低減することが可能である。すなわち、第２の領域に不純物元素を添加することで、第２の領域５５ｂ、５５ｃの抵抗率の制御が可能である。
【００４８】
以下に、図１に示す構成の詳細について説明する。
【００４９】
基板５１としては、様々な基板を用いることができ、特定のものに限定されることはない。基板の一例としては、半導体基板（例えば単結晶基板またはシリコン基板）、ＳＯＩ基板、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板、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、可撓性基板、貼り合わせフィルム、繊維状の材料を含む紙、または基材フィルムなどがある。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、またはソーダライムガラスなどがある。可撓性基板、貼り合わせフィルム、基材フィルムなどの一例としては、以下のものがあげられる。例えば、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（ＰＥＳ）に代表されるプラスチックがある。または、一例としては、アクリル等の合成樹脂などがある。または、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、またはポリ塩化ビニルなどがある。または、一例としては、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、または紙類などがある。特に、半導体基板、単結晶基板、またはＳＯＩ基板などを用いてトランジスタを製造することによって、特性、サイズ、または形状などのばらつきが少なく、電流能力が高く、サイズの小さいトランジスタを製造することができる。このようなトランジスタによって回路を構成すると、回路の低消費電力化、または回路の高集積化を図ることができる。
【００５０】
また、基板５１として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、トランジスタを形成してもよい。または、基板５１とトランジスタの間に剥離層を設けてもよい。剥離層は、その上に半導体装置を一部あるいは全部完成させた後、基板５１より分離し、他の基板に転載するのに用いることができる。その際、トランジスタは耐熱性の劣る基板や可撓性の基板にも転載できる。なお、上述の剥離層には、例えば、タングステン膜と酸化シリコン膜との無機膜の積層構造の構成や、基板上にポリイミド等の有機樹脂膜が形成された構成等を用いることができる。
【００５１】
トランジスタが転載される基板の一例としては、上述したトランジスタを形成することが可能な基板に加え、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、また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、または薄型化を図ることができる。
【００５２】
絶縁膜５３は、酸化物絶縁膜または窒化物絶縁膜を単層または積層して形成することができる。なお、酸化物半導体膜５５との界面特性を向上させるため、絶縁膜５３において少なくとも酸化物半導体膜５５と接する領域は酸化物絶縁膜で形成することが好ましい。また、絶縁膜５３として加熱により酸素を放出する酸化物絶縁膜を用いることで、加熱処理により絶縁膜５３に含まれる酸素を、酸化物半導体膜５５に移動させることが可能であるため好ましい。
【００５３】
絶縁膜５３として、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、窒化シリコン、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酸化物などを用いればよく、積層または単層で設けることができる。
【００５４】
酸化物半導体膜５５は、代表的には、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）等の金属酸化物膜で形成される。
【００５５】
なお、酸化物半導体膜５５がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＺｎおよびＯを除いてのＩｎおよびＭの原子数比率は、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたときＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％より多く、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％より多く、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。
【００５６】
酸化物半導体膜５５は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上である。
【００５７】
酸化物半導体膜５５の厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。
【００５８】
酸化物半導体膜５５がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）の場合、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を成膜するために用いるスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比は、Ｉｎ≧Ｍ、Ｚｎ≧Ｍを満たすことが好ましい。このようなスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比として、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：１．５、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：２．３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：４．１等が好ましい。なお、成膜される酸化物半導体膜５５の原子数比はそれぞれ、誤差として上記のスパッタリングターゲットに含まれる金属元素の原子数比のプラスマイナス４０％の変動を含む。
【００５９】
また、酸化物半導体膜５５において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体膜５５において酸素欠損が増加し、ｎ型化してしまう。このため、酸化物半導体膜５５におけるシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法により得られる濃度）を、測定下限である６．６４×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは６．６４×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。この結果、トランジスタは、しきい値電圧がプラスとなる電気特性（ノーマリーオフ特性ともいう。）を有する。
【００６０】
また、酸化物半導体膜５５において、二次イオン質量分析法により得られるアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。アルカリ金属およびアルカリ土類金属は、酸化物半導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電流が増大してしまうことがある。このため、酸化物半導体膜５５のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。この結果、トランジスタは、しきい値電圧がプラスとなる電気特性（ノーマリーオフ特性ともいう。）を有する。
【００６１】
また、酸化物半導体膜５５に窒素が含まれていると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、当該酸化物半導体膜において、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、二次イオン質量分析法により得られる窒素濃度は、測定下限である５．４×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にすることが好ましい。
【００６２】
酸化物半導体膜５５の不純物を低減することで、酸化物半導体膜のキャリア密度を低減することができる。このため、酸化物半導体膜５５は、キャリア密度が１×１０１７個／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５個／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１３個／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１１個／ｃｍ３以下、１×１０−９個／ｃｍ３以上であることが好ましい。
【００６３】
酸化物半導体膜５５として、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜を用いることで、さらに優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができる。ここでは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い（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よぶ。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場合がある。従って、当該酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、しきい値電圧がプラスとなる電気特性（ノーマリーオフ特性ともいう。）になりやすい。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、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。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、オフ電流が著しく小さく、ソース電極とドレイン電極間の電圧（ドレイン電圧）が１Ｖから１０Ｖの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち１×１０−１３Ａ以下という特性を得ることができる。従って、当該酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、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場合がある。
【００６４】
ここで、酸化物半導体膜の構造について説明する。
【００６５】
酸化物半導体膜は、例えば、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、酸化物半導体膜は、例えば、結晶性酸化物半導体膜と非晶質酸化物半導体膜とに分けられる。
【００６６】
なお、非単結晶酸化物半導体膜としては、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がある。また、結晶性酸化物半導体膜としては、単結晶酸化物半導体膜、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜、多結晶酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜などがある。
【００６７】
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜について説明する。
【００６８】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、ｃ軸配向した複数の結晶部（ペレットともいう。）を有する酸化物半導体の一つである。
【００６９】
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ−ＯＳ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ペレット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ペレット同士の境界、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。
【００７０】
例えば、図２（Ａ）に示すように、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。ここでは、球面収差補正（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ  Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ  Ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ）機能を用いてＴＥＭ像を観察する。なお、球面収差補正機能を用いた高分解能ＴＥＭ像を、以下では、特にＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像と呼ぶ。なお、Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像の取得は、例えば、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡ＪＥＭ−ＡＲＭ２００Ｆなどによって行うことができる。
【００７１】
図２（Ａ）の領域（１）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を図２（Ｂ）に示す。図２（Ｂ）より、ペレットにおいて、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。
【００７２】
図２（Ｂ）において、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は特徴的な原子配列を有する。図２（Ｃ）は、特徴的な原子配列を、補助線で示したものである。図２（Ｂ）および図２（Ｃ）より、ペレット一つの大きさは１ｎｍ以上３ｎｍ以下程度であり、ペレットとペレットとの傾きにより生じる隙間の大きさは０．８ｎｍ程度であることがわかる。したがって、ペレットを、ナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）と呼ぶこともできる。
【００７３】
ここで、Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像から、基板５１２０上のＣＡＡＣ−ＯＳ膜のペレット５１００の配置を模式的に示すと、レンガまたはブロックが積み重なったような構造となる（図２（Ｄ）参照）。図２（Ｃ）で観察されたペレットとペレットとの間で傾きが生じている箇所は、図２（Ｄ）に示す領域５１６１に相当する。
【００７４】
また、例えば、図３（Ａ）に示すように、試料面と略垂直な方向から、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の平面のＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を観察する。図３（Ａ）の領域（１）、領域（２）および領域（３）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を、それぞれ図３（Ｂ）、図３（Ｃ）および図３（Ｄ）に示す。図３（Ｂ）、図３（Ｃ）および図３（Ｄ）より、ペレットは、金属原子が三角形状、四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、異なるペレット間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
【００７５】
例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）装置を用いてｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、図４（Ａ）に示すように回折角（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。
【００７６】
なお、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析では、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。
【００７７】
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、ｃ軸に略垂直な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、２θが５６°近傍にピークが現れる。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の場合は、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）を行っても、図４（Ｂ）に示すように明瞭なピークは現れない。これに対し、ＩｎＧａＺｎＯ４の単結晶酸化物半導体であれば、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合、図４（Ｃ）に示すように（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。したがって、ＸＲＤを用いた構造解析から、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、ａ軸およびｂ軸の配向が不規則であることが確認できる。
【００７８】
次に、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物に対し、試料面に平行な方向からプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターン（制限視野透過電子回折パターンともいう。）を図５（Ａ）に示す。図５（Ａ）より、例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に起因するスポットが確認される。したがって、電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれるペレットが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わかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直な方向からプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターンを図５（Ｂ）に示す。図５（Ｂ）より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれるペレットのａ軸およびｂ軸は配向性を有さないことがわかる。なお、図５（Ｂ）における第１リングは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（０１０）面および（１００）面などに起因すると考えられる。また、図５（Ｂ）における第２リングは（１１０）面などに起因すると考えられる。
【００７９】
このように、それぞれのペレット（ナノ結晶）の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から、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜をＣＡＮＣ（Ｃ−Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体膜と呼ぶこともできる。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
次に、微結晶酸化物半導体膜について説明する。
【００８４】
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。なお、ナノ結晶は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜におけるペレットと同じ起源を有する可能性がある。そのため、以下ではｎｃ−ＯＳ膜の結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。
【００８５】
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、異なるペレット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、ペレットよりも大きい径の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、ペレット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、ペレットの大きさと近いかペレット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。
【００８６】
このように、それぞれのペレット（ナノ結晶）の結晶方位が規則性を有さないことから、ｎｃ−ＯＳ膜をＮＡＮＣ（Ｎｏｎ−Ａｌｉｇｎｅｄ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体膜と呼ぶこともできる。
【００８７】
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、異なるペレット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。
【００８８】
次に、非晶質酸化物半導体膜について説明する。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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−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、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。
【００９２】
非晶質構造については、様々な見解が示されている。例えば、原子配列に全く秩序性を有さない構造を完全な非晶質構造（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）と呼ぶ場合がある。また、最近接原子間距離または第２近接原子間距離まで秩序性を有し、かつ長距離秩序性を有さない構造を非晶質構造と呼ぶ場合もある。したがって、最も厳格な定義によれば、僅かでも原子配列に秩序性を有する酸化物半導体膜を非晶質酸化物半導体膜と呼ぶことはできない。また、少なくとも、長距離秩序性を有する酸化物半導体膜を非晶質酸化物半導体膜と呼ぶことはできない。よって、結晶部を有することから、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜およびｎｃ−ＯＳ膜を、非晶質酸化物半導体膜または完全な非晶質酸化物半導体膜と呼ぶことはできない。
【００９３】
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  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜と呼ぶ。
【００９４】
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。
【００９５】
以下では、酸化物半導体膜の構造による電子照射の影響の違いについて説明する。
【００９６】
ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ膜、ｎｃ−ＯＳ膜およびＣＡＡＣ−ＯＳ膜を準備する。いずれの試料もＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である。
【００９７】
まず、各試料の高分解能断面ＴＥＭ像を取得する。高分解能断面ＴＥＭ像により、各試料は、いずれも結晶部を有することがわかる。
【００９８】
さらに、各試料の結晶部の大きさを計測する。図６は、各試料の結晶部（２２箇所から４５箇所）の平均の大きさの変化を調査した例である。図６より、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ膜は、電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなっていくことがわかる。具体的には、図６中に（１）で示すように、ＴＥＭによる観察初期においては１．２ｎｍ程度の大きさだった結晶部が、累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２においては２．６ｎｍ程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、ｎｃ−ＯＳ膜およびＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、電子照射開始時から電子の累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２になるまでの範囲で、電子の累積照射量によらず結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。具体的には、図６中の（２）で示すように、ＴＥＭによる観察の経過によらず、結晶部の大きさは１．４ｎｍ程度であることがわかる。また、図６中の（３）で示すように、ＴＥＭによる観察の経過によらず、結晶部の大きさは２．１ｎｍ程度であることがわかる。
【００９９】
このように、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、およびＣＡＡＣ−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ことがわかる。
【０１００】
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ＴＥＭ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ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａ−ｂ面に対応する。
【０１０１】
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１００％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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い（酸素欠損が少ない）酸化物半導体膜は、キャリア密度を低くすることができる。したがって、そのような酸化物半導体膜を、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体膜と呼ぶ。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜およびｎｃ−ＯＳ膜は、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ膜および非晶質酸化物半導体膜よりも不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い。即ち、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体膜となりやすい。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜またはｎｃ−ＯＳ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な酸化物半導体膜は、キャリアトラップが少ない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜またはｎｃ−ＯＳ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。
【０１０６】
＜成膜モデル＞
以下では、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜およびｎｃ−ＯＳ膜の成膜モデルの一例について説明する。
【０１０７】
図７（Ａ）は、スパッタリング法によりＣＡＡＣ−ＯＳ膜が成膜される様子を示した成膜室内の模式図である。
【０１０８】
ターゲット５１３０は、バッキングプレートに接着されている。バッキングプレートを介してターゲット５１３０と向かい合う位置には、複数のマグネットが配置される。該複数のマグネットによって磁場が生じている。マグネットの配置や構成などについては、上述した成膜室の記載を参照する。マグネットの磁場を利用して成膜速度を高めるスパッタリング法は、マグネトロンスパッタリング法と呼ばれる。
【０１０９】
ターゲット５１３０は、多結晶構造を有し、いずれかの結晶粒には劈開面が含まれる。
【０１１０】
一例として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を有するターゲット５１３０の劈開面について説明する。図８（Ａ）に、ターゲット５１３０に含まれるＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の構造を示す。なお、図８（Ａ）は、ｃ軸を上向きとし、ｂ軸に平行な方向からＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を観察した場合の構造である。
【０１１１】
図８（Ａ）より、近接する二つのＧａ−Ｚｎ−Ｏ層において、それぞれの層における酸素原子同士が近距離に配置されていることがわかる。そして、酸素原子が負の電荷を有することにより、近接する二つのＧａ−Ｚｎ−Ｏ層は互いに反発する。その結果、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶は、近接する二つのＧａ−Ｚｎ−Ｏ層の間に劈開面を有する。
【０１１２】
基板５１２０は、ターゲット５１３０と向かい合うように配置しており、その距離ｄ（ターゲット−基板間距離（Ｔ−Ｓ間距離）ともいう。）は０．０１ｍ以上１ｍ以下、好ましくは０．０２ｍ以上０．５ｍ以下とする。成膜室内は、ほとんどが成膜ガス（例えば、酸素、アルゴン、または酸素を５体積％以上の割合で含む混合ガス）で満たされ、０．０１Ｐａ以上１００Ｐａ以下、好ましくは０．１Ｐａ以上１０Ｐａ以下に制御される。ここで、ターゲット５１３０に一定以上の電圧を印加することで、放電が始まり、プラズマが確認される。なお、ターゲット５１３０の近傍には磁場によって、高密度プラズマ領域が形成される。高密度プラズマ領域では、成膜ガスがイオン化することで、イオン５１０１が生じる。イオン５１０１は、例えば、酸素の陽イオン（Ｏ＋）やアルゴンの陽イオン（Ａｒ＋）などである。
【０１１３】
イオン５１０１は、電界によってターゲット５１３０側に加速され、やがてターゲット５１３０と衝突する。このとき、劈開面から平板状またはペレット状のスパッタ粒子であるペレット５１００ａおよびペレット５１００ｂが剥離し、叩き出される。なお、ペレット５１００ａおよびペレット５１００ｂは、イオン５１０１の衝突の衝撃によって、構造に歪みが生じる場合がある。
【０１１４】
ペレット５１００ａは、三角形、例えば正三角形の平面を有する平板状またはペレット状のスパッタ粒子である。また、ペレット５１００ｂは、六角形、例えば正六角形の平面を有する平板状またはペレット状のスパッタ粒子である。なお、ペレット５１００ａおよびペレット５１００ｂなどの平板状またはペレット状のスパッタ粒子を総称してペレット５１００と呼ぶ。ペレット５１００の平面の形状は、三角形、六角形に限定されない、例えば、三角形が複数個合わさった形状となる場合がある。例えば、三角形（例えば、正三角形）が２個合わさった四角形（例えば、ひし形）となる場合もある。
【０１１５】
ペレット５１００は、成膜ガスの種類などに応じて厚さが決定する。理由は後述するが、ペレット５１００の厚さは、均一にすることが好ましい。また、スパッタ粒子は厚みのないペレット状である方が、厚みのあるサイコロ状であるよりも好ましい。例えば、ペレット５１００は、厚さを０．４ｎｍ以上１ｎｍ以下、好ましくは０．６ｎｍ以上０．８ｎｍ以下とする。また、例えば、ペレット５１００は、幅を１ｎｍ以上３ｎｍ以下、好ましくは１．２ｎｍ以上２．５ｎｍ以下とする。ペレット５１００は、上述の図６中の（１）で説明した初期核に相当する。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を有するターゲット５１３０にイオン５１０１を衝突させる場合、図８（Ｂ）に示すように、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層、Ｉｎ−Ｏ層およびＧａ−Ｚｎ−Ｏ層の３層を有するペレット５１００が飛び出してくる。なお、図８（Ｃ）は、ペレット５１００をｃ軸に平行な方向から観察した場合の構造である。したがって、ペレット５１００は、二つのＧａ−Ｚｎ−Ｏ層（パン）と、Ｉｎ−Ｏ層（具）と、を有するナノサイズのサンドイッチ構造と呼ぶこともできる。
【０１１６】
ペレット５１００は、プラズマを通過する際に電荷を受け取ることで、側面が負または正に帯電する場合がある。ペレット５１００は、側面に酸素原子を有し、当該酸素原子が負に帯電する可能性がある。このように、側面が同じ極性の電荷を帯びることにより、電荷同士の反発が起こり、平板状の形状を維持することが可能となる。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜が、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜である場合、インジウム原子と結合した酸素原子が負に帯電する可能性がある。または、インジウム原子、ガリウム原子または亜鉛原子と結合した酸素原子が負に帯電する可能性がある。また、ペレット５１００は、プラズマを通過する際にインジウム原子、ガリウム原子、亜鉛原子および酸素原子などと結合することで成長する場合がある。これは、上述の図６中の（２）と（１）の大きさの違いに相当する。ここで、基板５１２０が室温程度である場合、ペレット５１００がこれ以上成長しないためｎｃ−ＯＳ膜となる（図７（Ｂ）参照。）。成膜可能な温度が室温程度であることから、基板５１２０が大面積である場合でもｎｃ−ＯＳ膜の成膜は可能である。なお、ペレット５１００をプラズマ中で成長させるためには、スパッタリング法における成膜電力を高くすることが有効である。成膜電力を高くすることで、ペレット５１００の構造を安定にすることができる。
【０１１７】
図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示すように、例えば、ペレット５１００は、プラズマ中を凧のように飛翔し、ひらひらと基板５１２０上まで舞い上がっていく。ペレット５１００は電荷を帯びているため、ほかのペレット５１００が既に堆積している領域が近づくと、斥力が生じる。ここで、基板５１２０の上面では、基板５１２０の上面に平行な向きの磁場（水平磁場ともいう。）が生じている。また、基板５１２０およびターゲット５１３０間には、電位差が与えられているため、基板５１２０からターゲット５１３０に向けて電流が流れている。したがって、ペレット５１００は、基板５１２０の上面において、磁場および電流の作用によって、力（ローレンツ力）を受ける。このことは、フレミングの左手の法則によって理解できる。
【０１１８】
ペレット５１００は、原子一つと比べると質量が大きい。そのため、基板５１２０の上面を移動するためには何らかの力を外部から印加することが重要となる。その力の一つが磁場および電流の作用で生じる力である可能性がある。なお、ペレット５１００に与える力を大きくするためには、基板５１２０の上面において、基板５１２０の上面に平行な向きの磁場が１０Ｇ以上、好ましくは２０Ｇ以上、さらに好ましくは３０Ｇ以上、より好ましくは５０Ｇ以上となる領域を設けるとよい。または、基板５１２０の上面において、基板５１２０の上面に平行な向きの磁場が、基板５１２０の上面に垂直な向きの磁場の１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上、より好ましくは５倍以上となる領域を設けるとよい。
【０１１９】
このとき、マグネットユニットまたは／および基板５１２０が相対的に移動すること、または回転することによって、基板５１２０の上面における水平磁場の向きは変化し続ける。したがって、基板５１２０の上面において、ペレット５１００は、様々な方向への力を受け、様々な方向へ移動することができる。
【０１２０】
また、図７（Ａ）に示すように基板５１２０が加熱されている場合、ペレット５１００と基板５１２０との間で摩擦などによる抵抗が小さい状態となっている。その結果、ペレット５１００は、基板５１２０の上面を滑空するように移動する。ペレット５１００の移動は、平板面を基板５１２０に向けた状態で起こる。その後、既に堆積しているほかのペレット５１００の側面まで到達すると、側面同士が結合する。このとき、ペレット５１００の側面にある酸素原子が脱離する。脱離した酸素原子によって、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中の酸素欠損が埋まる場合があるため、欠陥準位密度の低いＣＡＡＣ−ＯＳ膜となる。なお、基板５１２０の上面の温度は、例えば、１００℃以上５００℃未満、１５０℃以上４５０℃未満、または１７０℃以上４００℃未満とすればよい。即ち、基板５１２０が大面積である場合でもＣＡＡＣ−ＯＳ膜の成膜は可能である。
【０１２１】
また、ペレット５１００が基板５１２０上で加熱されることにより、原子が再配列し、イオン５１０１の衝突で生じた構造の歪みが緩和される。歪みの緩和されたペレット５１００は、ほぼ単結晶となる。ペレット５１００がほぼ単結晶となることにより、ペレット５１００同士が結合した後に加熱されたとしても、ペレット５１００自体の伸縮はほとんど起こり得ない。したがって、ペレット５１００間の隙間が広がることで結晶粒界などの欠陥を形成し、クレバス化することがない。
【０１２２】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、単結晶酸化物半導体が一枚板のようになっているのではなく、ペレット５１００（ナノ結晶）の集合体がレンガまたはブロックが積み重なったような配列をしている。また、その間には結晶粒界を有さない。そのため、成膜時の加熱、成膜後の加熱または曲げなどで、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に縮みなどの変形が生じた場合でも、局部応力を緩和する、または歪みを逃がすことが可能である。したがって、可とう性を有する半導体装置に適した構造である。なお、ｎｃ−ＯＳは、ペレット５１００（ナノ結晶）の集合体が無秩序に積み重なったような配列となる。
【０１２３】
ターゲットをイオンでスパッタした際に、ペレットだけでなく、酸化亜鉛などが飛び出す場合がある。酸化亜鉛はペレットよりも軽量であるため、先に基板５１２０の上面に到達する。そして、０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下、または０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下の酸化亜鉛層５１０２を形成する。図９に断面模式図を示す。
【０１２４】
図９（Ａ）に示すように、酸化亜鉛層５１０２上にはペレット５１０５ａと、ペレット５１０５ｂと、が堆積する。ここで、ペレット５１０５ａとペレット５１０５ｂとは、互いに側面が接するように配置している。また、ペレット５１０５ｃは、ペレット５１０５ｂ上に堆積した後、ペレット５１０５ｂ上を滑るように移動する。また、ペレット５１０５ａの別の側面において、酸化亜鉛とともにターゲットから飛び出した複数の粒子５１０３が基板５１２０の加熱により結晶化し、領域５１０５ａ１を形成する。なお、複数の粒子５１０３は、酸素、亜鉛、インジウムおよびガリウムなどを含む可能性がある。
【０１２５】
そして、図９（Ｂ）に示すように、領域５１０５ａ１は、ペレット５１０５ａと同化し、ペレット５１０５ａ２となる。また、ペレット５１０５ｃは、その側面がペレット５１０５ｂの別の側面と接するように配置する。
【０１２６】
次に、図９（Ｃ）に示すように、さらにペレット５１０５ｄがペレット５１０５ａ２上およびペレット５１０５ｂ上に堆積した後、ペレット５１０５ａ２上およびペレット５１０５ｂ上を滑るように移動する。また、ペレット５１０５ｃの別の側面に向けて、さらにペレット５１０５ｅが酸化亜鉛層５１０２上を滑るように移動する。
【０１２７】
そして、図９（Ｄ）に示すように、ペレット５１０５ｄは、その側面がペレット５１０５ａ２の側面と接するように配置する。また、ペレット５１０５ｅは、その側面がペレット５１０５ｃの別の側面と接するように配置する。また、ペレット５１０５ｄの別の側面において、酸化亜鉛とともにターゲットから飛び出した複数の粒子５１０３が基板５１２０の加熱により結晶化し、領域５１０５ｄ１を形成する。
【０１２８】
以上のように、堆積したペレット同士が接するように配置し、ペレットの側面において結晶成長が起こることで、基板５１２０上にＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成される。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、ｎｃ−ＯＳ膜よりも一つ一つのペレットが大きくなる。これは、上述の図６中の（３）と（２）の大きさの違いに相当する。
【０１２９】
また、ペレット５１００の隙間が極めて小さくなることで、あたかも一つの大きなペレットが形成される場合がある。大きなペレットは、単結晶構造を有する。例えば、大きなペレットの大きさが、上面から見て１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、１５ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下となる場合がある。したがって、トランジスタのチャネル形成領域が、大きなペレットよりも小さい場合、チャネル形成領域として単結晶構造を有する領域を用いることができる。また、ペレットが大きくなることで、トランジスタのチャネル形成領域、ソース領域およびドレイン領域として単結晶構造を有する領域を用いることができる場合がある。
【０１３０】
このように、トランジスタのチャネル形成領域などが、単結晶構造を有する領域に形成されることによって、トランジスタの周波数特性を高くすることができる場合がある。
【０１３１】
以上のようなモデルにより、ペレット５１００が基板５１２０上に堆積していくと考えられる。したがって、エピタキシャル成長とは異なり、被形成面が結晶構造を有さない場合においても、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の成膜が可能であることがわかる。例えば、基板５１２０の上面（被形成面）の構造が非晶質構造（例えば非晶質酸化シリコン）であっても、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜することは可能である。
【０１３２】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、被形成面である基板５１２０の上面に凹凸がある場合でも、その形状に沿ってペレット５１００が配列することがわかる。例えば、基板５１２０の上面が原子レベルで平坦な場合、ペレット５１００はａｂ面と平行な平面である平板面を下に向けて並置するため、厚さが均一で平坦、かつ高い結晶性を有する層が形成される。そして、当該層がｎ段（ｎは自然数。）積み重なることで、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を得ることができる。
【０１３３】
一方、基板５１２０の上面が凹凸を有する場合でも、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、ペレット５１００が凸面に沿って並置した層がｎ段（ｎは自然数。）積み重なった構造となる。基板５１２０が凹凸を有するため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、ペレット５１００間に隙間が生じやすい場合がある。ただし、ペレット５１００間で分子間力が働き、凹凸があってもペレット間の隙間はなるべく小さくなるように配列する。したがって、凹凸があっても高い結晶性を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜とすることができる。
【０１３４】
したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、レーザ結晶化が不要であり、大面積のガラス基板などであっても均一な成膜が可能である。
【０１３５】
このようなモデルによってＣＡＡＣ−ＯＳ膜が成膜されるため、スパッタ粒子が厚みのないペレット状である方が好ましい。なお、スパッタ粒子が厚みのあるサイコロ状である場合、基板５１２０上に向ける面が一定とならず、厚さや結晶の配向を均一にできない場合がある。
【０１３６】
以上に示した成膜モデルにより、非晶質構造を有する被形成面上であっても、高い結晶性を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜を得ることができる。
【０１３７】
ゲート絶縁膜５７は、酸化物絶縁膜または窒化物絶縁膜を単層または積層して形成することができる。なお、酸化物半導体膜５５との界面特性を向上させるため、ゲート絶縁膜５７において少なくとも酸化物半導体膜５５と接する領域は酸化物絶縁膜で形成することが好ましい。ゲート絶縁膜５７として、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、窒化シリコン、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酸化物などを用いればよく、積層または単層で設けることができる。
【０１３８】
また、ゲート絶縁膜５７として、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する絶縁膜を設けることで、酸化物半導体膜５５からの酸素の外部への拡散と、外部から酸化物半導体膜５５への水素、水等の侵入を防ぐことができる。酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する絶縁膜としては、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を用いることができる。
【０１３９】
また、ゲート絶縁膜５７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材料を用いることでトランジスタのゲートリークを低減できる。
【０１４０】
ゲート絶縁膜５７の厚さは、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下とするとよい。
【０１４１】
ゲート電極５９は、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、ニッケル、鉄、コバルト、タングステンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素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、マンガン、ジルコニウムのいずれか一または複数から選択された金属元素を用いてもよい。また、ゲート電極５９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、マンガンを含む銅膜の単層構造、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、マンガンを含む銅膜上に銅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、マンガンを含む銅膜上に銅膜を積層し、さらにその上にマンガンを含む銅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元素の一または複数組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
【０１４２】
また、ゲート電極５９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、酸化シリコンを含む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。
【０１４３】
層間絶縁膜６５は、絶縁膜５３またはゲート絶縁膜５７の材料を適宜用いることができる。層間絶縁膜６５の厚さは、２０ｎｍ以上４００ｎｍ以下、より好ましくは３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、より好ましくは４０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下とするとよい。
【０１４４】
一対の導電膜６８、６９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、鉄、コバルト、銀、タンタル、またはタングステンなどの金属、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。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、マンガンを含む銅膜の単層構造、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、マンガンを含む銅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、マンガンを含む銅膜上に銅膜を積層し、さらにその上にマンガンを含む銅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。
【０１４５】
また、配線７２、７３は、一対の導電膜６８、６９と同様の材料を用いることができる。
【０１４６】
次に、図１に示すトランジスタの作製方法について、図１０および図１１を用いて説明する。
【０１４７】
トランジスタ１０を構成する膜（絶縁膜、酸化物半導体膜、金属酸化物膜、導電膜等）は、スパッタリング法、化学気相堆積（ＣＶＤ）法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法を用いて形成することができる。あるいは、塗布法や印刷法で形成することができる。成膜方法としては、スパッタリング法、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）法が代表的であるが、熱ＣＶＤ法でもよい。熱ＣＶＤ法の例として、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学堆積）法やＡＬＤ（原子層成膜）法を使ってもよい。
【０１４８】
熱ＣＶＤ法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を行う。このように、熱ＣＶＤ法は、プラズマを発生させない成膜方法であるため、プラズマダメージにより欠陥が生成されることが無いという利点を有する。
【０１４９】
また、ＡＬＤ法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、反応のための原料ガスが順次にチャンバーに導入され、そのガス導入の順序を繰り返すことで成膜を行う。例えば、それぞれのスイッチングバルブ（高速バルブともよぶ。）を切り替えて２種類以上の原料ガスを順番にチャンバーに供給し、複数種の原料ガスが混ざらないように第１の原料ガスと同時またはその後に不活性ガス（アルゴン、或いは窒素など）などを導入し、第２の原料ガスを導入する。なお、同時に不活性ガスを導入する場合には、不活性ガスはキャリアガスとなり、また、第２の原料ガスの導入時にも同時に不活性ガスを導入してもよい。また、不活性ガスを導入する代わりに真空排気によって第１の原料ガスを排出した後、第２の原料ガスを導入してもよい。第１の原料ガスが基板の表面に吸着して第１の単原子層を成膜し、後から導入される第２の原料ガスと反応して、第２の単原子層が第１の単原子層上に積層されて薄膜が形成される。
【０１５０】
このガス導入順序を制御しつつ所望の厚さになるまで複数回繰り返すことで、段差被覆性に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の厚さは、ガス導入順序を繰り返す回数によって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能であり、微細なトランジスタを作製する場合に適している。
【０１５１】
図１０（Ａ）に示すように、基板５１上に、絶縁膜５３および酸化物半導体膜５４を形成する。
【０１５２】
絶縁膜５３は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法、印刷法、塗布法等を適宜用いて形成することができる。また、基板５１上に絶縁膜を形成した後、該絶縁膜に酸素を添加して、絶縁膜５３を形成することができる。絶縁膜に添加する酸素としては、酸素ラジカル、酸素原子、酸素原子イオン、酸素分子イオン等がある。また、添加方法としては、イオンドーピング法、イオンインプラテーション法、プラズマ処理法等がある。
【０１５３】
酸化物半導体膜５４の形成方法について以下に説明する。絶縁膜５３上にスパッタリング法、塗布法、パルスレーザー蒸着法、レーザーアブレーション法、熱ＣＶＤ法等により酸化物半導体膜を形成する。次に、酸化物半導体膜上にリソグラフィ工程によりマスクを形成した後、該マスクを用いて酸化物半導体膜の一部をエッチングすることで、図１０（Ａ）に示すように、酸化物半導体膜５４を形成することができる。この後、マスクを除去する。
【０１５４】
また、酸化物半導体膜５４として印刷法を用いることで、素子分離された酸化物半導体膜を直接形成することができる。
【０１５５】
スパッタリング法で酸化物半導体膜を形成する場合、プラズマを発生させるための電源装置は、ＲＦ電源装置、ＡＣ電源装置、ＤＣ電源装置等を適宜用いることができる。
【０１５６】
スパッタリングガスは、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気、酸素雰囲気、希ガスおよび酸素の混合ガスを適宜用いる。なお、希ガスおよび酸素の混合ガスの場合、希ガスに対して酸素のガス比を高めることが好ましい。
【０１５７】
また、ターゲットは、形成する酸化物半導体膜の組成にあわせて、適宜選択すればよい。
【０１５８】
なお、酸化物半導体膜を形成する際に、例えば、スパッタリング法を用いる場合、基板温度を１５０℃以上７５０℃以下、好ましくは１５０℃以上４５０℃以下、さらに好ましくは２００℃以上３５０℃以下として、酸化物半導体膜を成膜することで、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を形成することができる。
【０１５９】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜するために、以下の条件を適用することが好ましい。
【０１６０】
成膜時の不純物混入を抑制することで、不純物によって結晶状態が崩れることを抑制できる。例えば、成膜室内に存在する不純物濃度（水素、水、二酸化炭素および窒素など）を低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物濃度を低減すればよい。具体的には、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下である成膜ガスを用いる。
【０１６１】
また、成膜ガス中の酸素割合を高め、電力を最適化することで成膜時のプラズマダメージを軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、３０体積％以上、好ましくは１００体積％とする。
【０１６２】
また、酸化物半導体膜を形成した後、加熱処理を行い、酸化物半導体膜の脱水素化または脱水化をしてもよい。加熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上基板歪み点未満、好ましくは２５０℃以上４５０℃以下、更に好ましくは３００℃以上４５０℃以下とする。
【０１６３】
加熱処理は、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、クリプトン等の希ガス、または窒素を含む不活性ガス雰囲気で行う。または、不活性ガス雰囲気で加熱した後、酸素雰囲気で加熱してもよい。なお、上記不活性雰囲気および酸素雰囲気に水素、水などが含まれないことが好ましい。処理時間は３分以上２４時間以下とする。
【０１６４】
該加熱処理は、電気炉、ＲＴＡ装置等を用いることができる。ＲＴＡ装置を用いることで、短時間に限り、基板の歪み点以上の温度で熱処理を行うことができる。そのため加熱処理時間を短縮することができる。
【０１６５】
酸化物半導体膜を加熱しながら成膜することで、さらには酸化物半導体膜を形成した後、加熱処理を行うことで、酸化物半導体膜において、水素濃度をＳＩＭＳの測定下限である７．２８×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは７．２８×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは７．２８×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは７．２８×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることができる。
【０１６６】
ＡＬＤ法を利用する成膜装置により酸化物半導体膜、例えばＩｎＧａＺｎＯＸ（Ｘ＞０）膜を成膜する場合には、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを順次繰り返し導入してＩｎＯ２層を形成し、その後、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを順次繰り返し導入してＧａＯ層を形成し、更にその後Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスとＯ３ガスを順次繰り返し導入してＺｎＯ層を形成する。なお、これらの層の順番はこの例に限らない。また、これらのガスを混ぜてＩｎＧａＯ２層やＩｎＺｎＯ２層、ＧａＩｎＯ層、ＺｎＩｎＯ層、ＧａＺｎＯ層などの混合化合物層を形成してもよい。なお、Ｏ３ガスに変えてＡｒ等の不活性ガスでバブリングしたＨ２Ｏガスを用いてもよいが、Ｈを含まないＯ３ガスを用いる方が好ましい。また、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスにかえて、Ｉｎ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いてもよい。また、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスにかえて、Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いてもよい。また、Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスを用いてもよい。
【０１６７】
ここでは、スパッタリング法により、厚さ３５ｎｍの酸化物半導体膜を形成した後、当該酸化物半導体膜上にマスクを形成し、酸化物半導体膜の一部を選択的にエッチングする。次に、マスクを除去した後、窒素および酸素を含む混合ガス雰囲気で加熱処理を行うことで、酸化物半導体膜５４を形成する。
【０１６８】
なお、加熱処理は、３５０℃より高く６５０℃以下、好ましくは４５０℃以上６００℃以下で行うことで、ＣＡＡＣ化率が、６０％以上１００％未満、好ましくは８０％以上１００％未満、好ましくは９０％以上１００％未満、より好ましくは９５％以上９８％以下である酸化物半導体膜を得ることができる。また、水素、水等の含有量が低減された酸化物半導体膜を得ることが可能である。すなわち、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜を形成することができる。
【０１６９】
次に、図１０（Ｂ）に示すように、絶縁膜５６を形成した後、ゲート電極５９を形成する。
【０１７０】
絶縁膜５６は、のちの工程によりゲート絶縁膜となる絶縁膜である。絶縁膜５６は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法、熱ＣＶＤ法等で形成する。
【０１７１】
絶縁膜５６として酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成する場合、原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体および酸化性気体を用いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、トリシラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、二酸化窒素等がある。
【０１７２】
また、絶縁膜５６として酸化ガリウム膜を形成する場合、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成することができる。
【０１７３】
また、絶縁膜５６として、ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ法などの熱ＣＶＤ法を用いて、酸化ハフニウム膜を形成する場合には、溶媒とハフニウム前駆体化合物を含む液体（ハフニウムアルコキシドや、テトラキスジメチルアミドハフニウム（ＴＤＭＡＨ）などのハフニウムアミド）を気化させた原料ガスと、酸化剤としてオゾン（Ｏ３）の２種類のガスを用いる。なお、テトラキスジメチルアミドハフニウムの化学式はＨｆ［Ｎ（ＣＨ３）２］４である。また、他の材料液としては、テトラキス（エチルメチルアミド）ハフニウムなどがある。
【０１７４】
また、絶縁膜５６として、ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ法などの熱ＣＶＤ法を用いて、酸化アルミニウム膜を形成する場合には、溶媒とアルミニウム前駆体化合物を含む液体（トリメチルアルミニウムＴＭＡなど）を気化させた原料ガスと、酸化剤としてＨ２Ｏの２種類のガスを用いる。なお、トリメチルアルミニウムの化学式はＡｌ（ＣＨ３）３である。また、他の材料液としては、トリス（ジメチルアミド）アルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、アルミニウムトリス（２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオナート）などがある。なお、ＡＬＤ法で形成することで、被覆率が高く、膜厚の薄い絶縁膜５６を形成することが可能である。
【０１７５】
また、絶縁膜５６として、ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ法などの熱ＣＶＤ法を用いて、酸化シリコン膜を形成する場合には、ヘキサクロロジシランを被成膜面に吸着させ、吸着物に含まれる塩素を除去し、酸化性ガス（Ｏ２、一酸化二窒素）のラジカルを供給して吸着物と反応させる。
【０１７６】
ここでは、絶縁膜５６として、プラズマＣＶＤ法により酸化窒化シリコン膜を形成する。
【０１７７】
ゲート電極５９の形成方法を以下に示す。はじめに、スパッタリング法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法、熱ＣＶＤ法等により導電膜を形成し、導電膜上にリソグラフィ工程によりマスクを形成する。次に、該マスクを用いて導電膜の一部をエッチングして、ゲート電極５９を形成する。この後、マスクを除去する。
【０１７８】
なお、ゲート電極５９は、上記形成方法の代わりに、電解メッキ法、印刷法、インクジェット法等で形成してもよい。
【０１７９】
また、ＡＬＤ法を利用する成膜装置により導電膜としてタングステン膜を成膜することができる。この場合には、ＷＦ６ガスとＢ２Ｈ６ガスを順次繰り返し導入して初期タングステン膜を形成し、その後、ＷＦ６ガスとＨ２ガスを順次繰り返し導入してタングステン膜を形成する。なお、Ｂ２Ｈ６ガスに代えてＳｉＨ４ガスを用いてもよい。
【０１８０】
次に、図１０（Ｃ）に示すように、ゲート電極５９をマスクとして絶縁膜５６をエッチングして、ゲート絶縁膜５７を形成する。ただし、絶縁膜５６は、必ずしも、エッチングしなくてもよい。その場合には、図１０（Ｃ）の工程は、省略することができる。この場合の断面図を、図１２に示す。
【０１８１】
次に、ゲート絶縁膜５７を形成した後、層間絶縁膜を形成し、該層間絶縁膜に平坦化処理を施し、その後、図１１（Ａ）に示すように、平坦化処理が施された層間絶縁膜に酸化物半導体膜５４に達する開口部７０、７１を形成し、層間絶縁膜６５を形成する。層間絶縁膜の形成方法としては、スパッタリング法、ＣＶＤ法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法等がある。
【０１８２】
平坦化処理としては、化学的機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）処理、エッチング（ドライエッチング、ウェットエッチング）処理や、プラズマ処理があり、これらを組み合わせてもよい。平坦化処理に、エッチング処理、プラズマ処理などを組み合わせて行う場合、工程順は特に限定されず、層間絶縁膜の材料、膜厚、および表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。また、ＣＭＰ処理で層間絶縁膜の大部分を除去し、残りの層間絶縁膜をドライエッチング処理で除去してもよい。
【０１８３】
なお、ＣＭＰ処理は、１回のみ行ってもよいし、複数回行ってもよい。複数回に分けてＣＭＰ処理を行う場合は、高い研磨レートの一次研磨を行った後、低い研磨レートの仕上げ研磨を行うことが好ましい。このように研磨レートの異なる研磨を組み合わせることによって、層間絶縁膜の表面の平坦性をより向上させることができる。
【０１８４】
次に、図１１（Ｂ）に示すように、開口部７０、７１を埋めるように導電膜を形成し、該導電膜に平坦化処理を施し、層間絶縁膜６５の表面を露出させて一対の導電膜６８、６９を形成する。一対の導電膜６８、６９となる導電膜は、ゲート電極５９と同様の形成方法を適宜用いることができる。
【０１８５】
平坦化処理としては、ＣＭＰ処理、エッチング（ドライエッチング、ウェットエッチング）処理や、プラズマ処理があり、これらを組み合わせてもよい。平坦化処理に、エッチング処理、プラズマ処理などを組み合わせて行う場合、工程順は特に限定されず、導電膜の材料、膜厚、および表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。また、ＣＭＰ処理で導電膜の大部分を除去し、残りの導電膜をドライエッチング処理で除去してもよい。
【０１８６】
なお、ＣＭＰ処理は、１回のみ行ってもよいし、複数回行ってもよい。複数回に分けてＣＭＰ処理を行う場合は、高い研磨レートの一次研磨を行った後、低い研磨レートの仕上げ研磨を行うことが好ましい。このように研磨レートの異なる研磨を組み合わせることによって、導電膜の表面の平坦性をより向上させることができる。
【０１８７】
次に、図１１（Ｃ）に示すように、一対の導電膜６８、６９を形成した後、不純物元素を添加し、酸化物半導体膜５４に第１の領域５５ａおよび第２の領域５５ｂ、５５ｃを有する酸化物半導体膜５５を形成する。
【０１８８】
第２の領域５５ｂ、５５ｃは、一対の導電膜６８、６９に対してイオンドーピング法やイオンインプラテーション法を用い、イオンドーピング法やイオンインプラテーション法によって一対の導電膜６８、６９に加えられた衝撃が酸化物半導体膜５５に伝わり、物理的なダメージによって酸素欠損が生じる。
【０１８９】
この酸素欠損と酸化物半導体膜中の水素により、第２の領域５５ｂ、５５ｃは低抵抗化された領域となり、一対の導電膜６８、６９との接触抵抗が低減される。
【０１９０】
また、一対の導電膜６８、６９に加えられた衝撃により第２の領域５５ｂ、５５ｃには、一対の導電膜６８、６９に含まれる元素が混入する場合がある。
【０１９１】
不純物元素の添加は、加速電圧、ドーズ量などの注入条件、または通過させる絶縁膜５６の膜厚を適宜設定して制御すればよい。不純物元素を添加する際の加速電圧は、５ｋＶ以上５０ｋＶ以下が好ましく、１０ｋＶ以上４０ｋＶ以下がより好ましい。例えば、イオン注入法でアルゴンの添加を行う場合、加速電圧１０ｋＶ、ドーズ量は１×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上１×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下とすればよく、例えば、１×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２とすればよい。また、イオン注入法でリンイオンの添加を行う場合、加速電圧３０ｋＶ、ドーズ量は１×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上５×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下とすればよく、例えば、１×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２とすればよい。
【０１９２】
次に、図１（Ｂ）に示すように、酸化物半導体膜５５を形成した後、一対の導電膜６８、６９と電気的に接続する配線７２、７３を形成する。
【０１９３】
なお、配線７２、７３は、ゲート電極５９と同様の形成方法を適宜用いることができる。
【０１９４】
以上の工程により、トランジスタを作製することができる。
【０１９５】
また、本実施の形態に示すトランジスタは、ゲート電極５９と、一対の導電膜６８、６９が重なる領域がないため、寄生容量を低減することが可能であり、オン電流が大きい。また、本実施の形態に示すトランジスタは、安定して抵抗率の低い領域を形成可能なため、従来と比べ、オン電流は向上し、電気特性のバラツキは低減する。
【０１９６】
＜変形例１＞
ここでは、本実施の形態に示すトランジスタの変形例について、図１３を用いて説明する。図１３に示すトランジスタ１０ａは、Ａ−Ｂの断面で示されるように、ゲート絶縁膜５７の端部が、ゲート電極５９の端部より外側に位置する。即ち、ゲート絶縁膜５７が、ゲート電極５９から迫り出した形状を有する。
【０１９７】
＜変形例２＞
ここでは、変形例１と異なる構造のトランジスタについて、図１４を用いて説明する。図１４に示すトランジスタ１０ｂは、酸化物半導体膜５５が絶縁膜５３側から順に酸化物半導体膜５５＿１、酸化物半導体膜５５＿２、酸化物半導体膜５５＿３からなる構成となっている。
【０１９８】
酸化物半導体膜５５＿２には、酸化物半導体膜５５＿１および酸化物半導体膜５５＿３よりも電子親和力（真空準位から伝導帯下端までのエネルギー）が大きい酸化物半導体を用いる。電子親和力は、真空準位と価電子帯上端とのエネルギー差（イオン化ポテンシャル）から、伝導帯下端と価電子帯上端とのエネルギー差（エネルギーギャップ）を差し引いた値として求めることができる。
【０１９９】
酸化物半導体膜５５＿１および酸化物半導体膜５５＿３は、酸化物半導体膜５５＿２を構成する金属元素を一種以上含み、例えば、伝導帯下端のエネルギーが酸化物半導体膜５５＿２よりも、０．０５ｅＶ、０．０７ｅＶ、０．１ｅＶ、０．１５ｅＶのいずれか以上であって、２ｅＶ、１ｅＶ、０．５ｅＶ、０．４ｅＶのいずれか以下の範囲で真空準位に近い酸化物半導体で形成することが好ましい。
【０２００】
このような構造において、ゲート電極５９に電界を印加すると、酸化物半導体膜５５のうち、伝導帯下端のエネルギーが最も小さい酸化物半導体膜５５＿２にチャネルが形成される。すなわち、酸化物半導体膜５５＿２とゲート絶縁膜５７との間に酸化物半導体膜５５＿３が形成されていることよって、トランジスタのチャネルがゲート絶縁膜５７と接しない領域に形成される構造となる。
【０２０１】
また、酸化物半導体膜５５＿１は、酸化物半導体膜５５＿２を構成する金属元素を一種以上含んで構成されるため、酸化物半導体膜５５＿２と絶縁膜５３が接した場合の界面と比較して、酸化物半導体膜５５＿２と酸化物半導体膜５５＿１の界面に界面準位を形成しにくくなる。該界面準位はチャネルを形成することがあるため、トランジスタのしきい値電圧が変動することがある。したがって、酸化物半導体膜５５＿１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を低減することができる。また、当該トランジスタの信頼性を向上させることができる。
【０２０２】
また、酸化物半導体膜５５＿３は、酸化物半導体膜５５＿２を構成する金属元素を一種以上含んで構成されるため、酸化物半導体膜５５＿２とゲート絶縁膜５７が接した場合の界面と比較して、酸化物半導体膜５５＿２と酸化物半導体膜５５＿３との界面ではキャリアの散乱が起こりにくくなる。したがって、酸化物半導体膜５５＿３を設けることにより、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。
【０２０３】
酸化物半導体膜５５＿１および酸化物半導体膜５５＿３には、例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、ＣｅまたはＨｆを酸化物半導体膜５５＿２よりも高い原子数比で含む材料を用いることができる。具体的には、当該原子数比を１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上とする。前述の元素は酸素と強く結合するため、酸素欠損が酸化物半導体膜に生じることを抑制する機能を有する。すなわち、酸化物半導体膜５５＿１および酸化物半導体膜５５＿３は、酸化物半導体膜５５＿２よりも酸素欠損が生じにくい膜とすることができる。
【０２０４】
なお、酸化物半導体膜５５＿１、酸化物半導体膜５５＿２、酸化物半導体膜５５＿３が、少なくともインジウム、亜鉛およびＭ（Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、ＣｅまたはＨｆ等の金属）を含むＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、酸化物半導体膜５５＿１をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１［原子数比］、酸化物半導体膜５５＿２をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２［原子数比］、酸化物半導体膜５５＿３をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ３：ｙ３：ｚ３［原子数比］とすると、ｙ１／ｘ１およびｙ３／ｘ３がｙ２／ｘ２よりも大きくなることが好ましい。ｙ１／ｘ１およびｙ３／ｘ３はｙ２／ｘ２よりも１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上とする。
【０２０５】
酸化物半導体膜５５＿１および酸化物半導体膜５５＿３のＺｎおよびＯを除いてのＩｎおよびＭの原子数比率は、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％より高く、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％高くする。また、酸化物半導体膜５５＿２のＺｎおよびＯを除いてのＩｎおよびＭの原子数比率は、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。
【０２０６】
酸化物半導体膜５５＿１および酸化物半導体膜５５＿３の厚さは、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。また、酸化物半導体膜５５＿２の厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。また、酸化物半導体膜５５＿２は、酸化物半導体膜５５＿１および酸化物半導体膜５５＿３より厚い方が好ましい。
【０２０７】
酸化物半導体膜５５＿１、酸化物半導体膜５５＿２、酸化物半導体膜５５＿３には、例えば、インジウム、亜鉛およびガリウムを含んだ酸化物半導体を用いることができる。特に、酸化物半導体膜５５＿２にインジウムを含ませると、キャリア移動度が高くなるため好ましい。
【０２０８】
なお、トランジスタのゲート絶縁膜としては、シリコンを含む絶縁膜が多く用いられるため、上記理由により多層膜のチャネルとなる領域は、本発明の一態様のトランジスタのようにゲート絶縁膜と接しない構造が好ましいということができる。また、ゲート絶縁膜と多層膜との界面にチャネルが形成される場合、該界面でキャリアの散乱が起こり、トランジスタの電界効果移動度が低くなることがある。このような観点からも、多層膜のチャネルとなる領域はゲート絶縁膜から離すことが好ましいといえる。
【０２０９】
したがって、酸化物半導体膜５５を酸化物半導体膜５５＿１、酸化物半導体膜５５＿２、酸化物半導体膜５５＿３の積層構造とすることで、酸化物半導体膜５５＿２にチャネルを形成することができ、高い電界効果移動度および安定した電気特性を有したトランジスタを形成することができる。
【０２１０】
次に、酸化物半導体膜５５のバンド図を説明する。バンド図の解析は、酸化物半導体膜５５＿１および酸化物半導体膜５５＿３に相当する層としてエネルギーギャップが３．５ｅＶであるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、酸化物半導体膜５５＿２に相当する層としてエネルギーギャップが３．１５ｅＶであるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用い、酸化物半導体膜５５に相当する積層を作製して行っている。
【０２１１】
酸化物半導体膜５５＿１、酸化物半導体膜５５＿２、酸化物半導体膜５５＿３の膜厚はそれぞれ１０ｎｍとし、エネルギーギャップは、分光エリプソメータ（ＨＯＲＩＢＡ  ＪＯＢＩＮ  ＹＶＯＮ社  ＵＴ−３００）を用いて測定した。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  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）装置（ＰＨＩ社  ＶｅｒｓａＰｒｏｂｅ）を用いて測定した。
【０２１２】
図１５（Ａ）は、真空準位と価電子帯上端のエネルギー差と、各層のエネルギーギャップとの差分として算出される真空準位と伝導帯下端のエネルギー差（電子親和力）から模式的に示されるバンド図の一部である。図１５（Ａ）は、酸化物半導体膜５５＿１および酸化物半導体膜５５＿３と接して、酸化シリコン膜を設けた場合のバンド図である。ここで、Ｅｖａｃは真空準位のエネルギー、ＥｃＩ１およびＥｃＩ２は酸化シリコン膜の伝導帯下端のエネルギー、ＥｃＳ１は酸化物半導体膜５５＿１の伝導帯下端のエネルギー、ＥｃＳ２は酸化物半導体膜５５＿２の伝導帯下端のエネルギー、ＥｃＳ３は酸化物半導体膜５５＿３の伝導帯下端のエネルギーである。
【０２１３】
図１５（Ａ）に示すように、酸化物半導体膜５５＿１、酸化物半導体膜５５＿２、酸化物半導体膜５５＿３において、伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化する。これは、酸化物半導体膜５５＿１、酸化物半導体膜５５＿２、酸化物半導体膜５５＿３を構成する元素が共通することにより、酸素が相互に拡散しやすい点からも理解される。したがって、酸化物半導体膜５５＿１、酸化物半導体膜５５＿２、酸化物半導体膜５５＿３は組成が異なる層の積層体ではあるが、物性的に連続であるということもできる。
【０２１４】
主成分を共通として積層された酸化物半導体膜５５は、各層を単に積層するのではなく連続接合（ここでは特に伝導帯下端のエネルギーが各層の間で連続的に変化するＵ字型の井戸構造）が形成されるように作製する。すなわち、各層の界面にトラップ中心や再結合中心のような欠陥準位を形成するような不純物が存在しないように積層構造を形成する。仮に、積層された多層膜の層間に不純物が混在していると、エネルギーバンドの連続性が失われ、界面でキャリアがトラップあるいは再結合により消滅してしまう。
【０２１５】
なお、図１５（Ａ）では、ＥｃＳ１とＥｃＳ３が同様である場合について示したが、それぞれが異なっていてもよい。例えば、ＥｃＳ３よりもＥｃＳ１が高いエネルギーを有する場合、バンド図の一部は、図１５（Ｂ）のように示される。
【０２１６】
例えば、ＥｃＳ１＝ＥｃＳ３である場合は、酸化物半導体膜５５＿１および酸化物半導体膜５５＿３にＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２、１：３：３、１：３：４、１：６：４または１：９：６（原子数比）、酸化物半導体膜５５＿２にＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１または３：１：２（原子数比）のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物などを用いることができる。また、ＥｃＳ１＞ＥｃＳ３である場合は、酸化物半導体膜５５＿１にＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：６：４または１：９：６（原子数比）、酸化物半導体膜５５＿２にＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１または３：１：２（原子数比）、酸化物半導体膜５５＿３にＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２、１：３：３、１：３：４（原子数比）のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物などを用いることができる。
【０２１７】
図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）より、酸化物半導体膜５５における酸化物半導体膜５５＿２がウェル（井戸）となり、酸化物半導体膜５５を用いたトランジスタにおいて、チャネルが酸化物半導体膜５５＿２に形成されることがわかる。なお、酸化物半導体膜５５は伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化しているため、Ｕ字型井戸（Ｕ  Ｓｈａｐｅ  Ｗｅｌｌ）とも呼ぶことができる。また、このような構成で形成されたチャネルを埋め込みチャネルということもできる。
【０２１８】
なお、酸化物半導体膜５５＿１および酸化物半導体膜５５＿３と、酸化シリコン膜などの絶縁膜との界面近傍には、不純物や欠陥に起因したトラップ準位が形成され得る。酸化物半導体膜５５＿１および酸化物半導体膜５５＿３があることにより、酸化物半導体膜５５＿２と当該トラップ準位とを遠ざけることができる。ただし、ＥｃＳ１またはＥｃＳ３と、ＥｃＳ２とのエネルギー差が小さい場合、酸化物半導体膜５５＿２の電子が該エネルギーを越えてトラップ準位に達することがある。トラップ準位に電子が捕獲されることで、絶縁膜界面にマイナスの固定電荷が生じ、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。
【０２１９】
したがって、トランジスタのしきい値電圧の変動を低減するには、ＥｃＳ１およびＥｃＳ３と、ＥｃＳ２との間にエネルギー差を設けることが必要となる。それぞれの当該エネルギー差は、０．１ｅＶ以上が好ましく、０．１５ｅＶ以上がより好ましい。
【０２２０】
なお、酸化物半導体膜５５＿１、酸化物半導体膜５５＿２、酸化物半導体膜５５＿３には、結晶部が含まれることが好ましい。特にｃ軸に配向した結晶を用い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。
【０２２１】
なお、酸化物半導体膜５５にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いる場合は、Ｉｎのゲート絶縁膜への拡散を防ぐために、酸化物半導体膜５５＿３は酸化物半導体膜５５＿２よりもＩｎが少ない組成とすることが好ましい。
【０２２２】
＜変形例３＞
ここでは、変形例１および変形例２と異なる構造のトランジスタについて、図１６を用いて説明する。図１６（Ａ）は図１（Ｂ）のトランジスタにバックゲートとして機能するゲート電極７５を設けた構成となっている。図１６（Ｂ）は図１２（Ｂ）のトランジスタにバックゲートとして機能するゲート電極７５を設けた構成となっている。図１６（Ｃ）は図１３（Ｂ）のトランジスタにバックゲートとして機能するゲート電極７５を設けた構成となっている。
【０２２３】
バックゲートとして機能するゲート電極７５を設けることで、さらなるオン電流の増加や、しきい値電圧の制御を行うことができる。オン電流を増加させるには、例えば、ゲート電極５９とゲート電極７５を電気的に接続して同電位とし、デュアルゲートトランジスタとして駆動させればよい。また、しきい値電圧の制御を行うには、ゲート電極５９とゲート電極７５が電気的に接続しないようにし、ゲート電極５９とは異なる定電位をゲート電極７５に供給すればよい。
【０２２４】
なお、本実施の形態において、本発明の一態様について述べた。または、他の実施の形態において、本発明の一態様について述べる。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。例えば、本発明の一態様として、一対の導電膜６８、６９に対してイオンドーピング法やイオンインプラテーション法を用いることによって、第２の領域５５ｂ、５５ｃなどが低抵抗化され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。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様は、別の方法によって、第２の領域５５ｂ、５５ｃなどを低抵抗化してもよい。
【０２２５】
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。
【０２２６】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１と異なる構造の半導体装置について図面を用いて説明する。
【０２２７】
図１７に、半導体装置に含まれるトランジスタの一例として、ボトムゲート・セルフアライン構造のトランジスタを示す。図１７（Ａ）はトランジスタの上面図であり、図１７（Ａ）に示す一点鎖線Ａ−Ｂの断面が図１７（Ｂ）、一点鎖線Ｃ−Ｄの断面が図１７（Ｃ）に相当する。なお、図１７（Ａ）のトランジスタの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。また、一点鎖線Ａ−Ｂ方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｃ−Ｄ方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
【０２２８】
図１７に示すトランジスタ２０は、基板５１と、基板５１上の絶縁膜５３と、絶縁膜５３上のゲート電極５９と、絶縁膜５３上およびゲート電極５９上のゲート絶縁膜５７と、ゲート絶縁膜５７と接し、第１の領域５５ａおよび第２の領域５５ｂ、５５ｃを有する酸化物半導体膜５５と、酸化物半導体膜５５上およびゲート絶縁膜５７上の層間絶縁膜６５と、層間絶縁膜６５の開口部において、酸化物半導体膜５５の第２の領域５５ｂ、５５ｃと接する一対の導電膜６８、６９と、を有する。
【０２２９】
また、一対の導電膜６８、６９と電気的に接続する配線７２、７３とが、トランジスタに設けられてもよい。
【０２３０】
また、第２の領域５５ｂ、５５ｃは、一対の導電膜６８、６９に対してイオンドーピング法やイオンインプラテーション法、プラズマ浸漬イオン注入法等を用い、イオンドーピング法やイオンインプラテーション法、プラズマ浸漬イオン注入法等によって一対の導電膜６８、６９に加えられた衝撃が酸化物半導体膜５５に伝わり、物理的なダメージによって酸素欠損が生じる。
【０２３１】
この酸素欠損と酸化物半導体膜中の水素により第２の領域５５ｂ、５５ｃは低抵抗化された領域となり、一対の導電膜６８、６９との接触抵抗が低減される。
【０２３２】
また、一対の導電膜６８、６９に加えられた衝撃により第２の領域５５ｂ、５５ｃには、一対の導電膜６８、６９に含まれる元素が混入する場合がある。
【０２３３】
なお、イオンドーピング法やイオンインプラテーション法、プラズマ浸漬イオン注入法等を用いて不純物を一対の導電膜６８、６９に添加する場合には、加速電圧の制御が重要となる。加速電圧が高すぎすると、第１の領域にもイオンが添加されてしまうため、層間絶縁膜６５や一対の導電膜６８、６９の膜厚や材料によって適宜加速電圧を調整する必要がある。また、層間絶縁膜６５よりも導電膜６８、６９の方が、イオンが注入されやすいことが望ましい。例えば、導電膜６８、６９はチャネリングを起こしやすい材料であることが望ましい。チャネリングとは、結晶の方向により原子密度が異なることを応用して、原子が疎になっている方向から、イオンビームを奥深くまで注入する現象をいう。例えば、そのような材料が用いられるとき、柱状構造を有する膜に対して、イオンを注入した場合に、同じ加速電圧でもより深くイオンを注入することができる。なお、第１の領域、第２の領域のいずれにもイオンが添加されてもよい。
【０２３４】
なお、図１７に示す構成の詳細については実施の形態１の説明を援用することができる。
【０２３５】
次に、図１７に示すトランジスタの作製方法について、図１８および図１９を用いて説明する。
【０２３６】
図１８（Ａ）に示すように、基板５１上に、絶縁膜５３およびゲート電極５９を形成する。絶縁膜５３およびゲート電極５９の材料や形成方法は実施の形態１の説明を援用することができる。
【０２３７】
次に、図１８（Ｂ）に示すように、ゲート電極５９を形成した後、ゲート絶縁膜５７を形成する。ゲート絶縁膜５７の材料や形成方法は実施の形態１の説明を援用することができる。
【０２３８】
次に、図１８（Ｃ）に示すように、ゲート絶縁膜５７を形成した後、酸化物半導体膜５４を形成する。酸化物半導体膜５４の材料や形成方法は実施の形態１の説明を援用することができる。
【０２３９】
次に、酸化物半導体膜５４を形成した後、層間絶縁膜を形成し、該層間絶縁膜に平坦化処理を施し、その後、図１９（Ａ）に示すように、平坦化処理が施された層間絶縁膜に酸化物半導体膜５４に達する開口部７０、７１を形成し、層間絶縁膜６５を形成する。層間絶縁膜の材料や形成方法は実施の形態１の説明を援用することができる。
【０２４０】
次に、図１９（Ｂ）に示すように、開口部７０、７１を埋めるように導電膜を形成し、該導電膜に平坦化処理を施し、層間絶縁膜６５の表面を露出させて一対の導電膜６８、６９を形成する。導電膜の材料や形成方法は実施の形態１の説明を援用することができる。
【０２４１】
次に、図１９（Ｃ）に示すように、一対の導電膜６８、６９を形成した後、不純物元素を添加し、酸化物半導体膜５４に第１の領域５５ａおよび第２の領域５５ｂ、５５ｃを有する酸化物半導体膜５５を形成する。
【０２４２】
第２の領域５５ｂ、５５ｃは、一対の導電膜６８、６９に対してイオンドーピング法やイオンインプラテーション法を用い、イオンドーピング法やイオンインプラテーション法によって一対の導電膜６８、６９に加えられた衝撃が酸化物半導体膜５５に伝わり、物理的なダメージによって酸素欠損が生じる。
【０２４３】
この酸素欠損と酸化物半導体膜中の水素により第２の領域５５ｂ、５５ｃは低抵抗化された領域となり、一対の導電膜６８、６９との接触抵抗が低減される。
【０２４４】
また、一対の導電膜６８、６９に加えられた衝撃により第２の領域５５ｂ、５５ｃには、一対の導電膜６８、６９に含まれる元素が混入する場合がある。
【０２４５】
不純物元素の添加は、加速電圧、ドーズ量などの注入条件、または層間絶縁膜６５や一対の導電膜６８、６９の膜厚や材料を適宜設定して制御すればよい。
【０２４６】
次に、図１７（Ｂ）に示すように、酸化物半導体膜５５を形成した後、一対の導電膜６８、６９と電気的に接続する配線７２、７３を形成する。
【０２４７】
なお、配線７２、７３は、ゲート電極５９と同様の形成方法を適宜用いることができる。
【０２４８】
以上の工程により、トランジスタを作製することができる。
【０２４９】
＜変形例１＞
ここでは、本実施の形態に示すトランジスタの変形例について、図２０を用いて説明する。図２０に示すトランジスタ２０ａは、酸化物半導体膜５５が絶縁膜５３側から順に酸化物半導体膜５５＿１、酸化物半導体膜５５＿２、酸化物半導体膜５５＿３からなる構成となっている。
【０２５０】
このような構成にすることで、実施の形態１で説明したように酸化物半導体膜５５＿２にチャネルを形成することができ、高い電界効果移動度および安定した電気特性を有したトランジスタを形成することができる。
【０２５１】
＜変形例２＞
ここでは、変形例１と異なる構造のトランジスタについて、図２１を用いて説明する。図２１は図１７（Ｂ）のトランジスタの配線７２、７３および層間絶縁膜６５形成後に層間絶縁膜７４、および層間絶縁膜７４上にバックゲートとして機能するゲート電極７５を設けた構成となっている。
【０２５２】
バックゲートとして機能するゲート電極７５を設けることで、さらなるオン電流の増加や、しきい値電圧の制御を行うことができる。オン電流を増加させるには、例えば、ゲート電極５９とゲート電極７５を電気的に接続して同電位とし、デュアルゲートトランジスタとして駆動させればよい。また、しきい値電圧の制御を行うには、ゲート電極５９とゲート電極７５が電気的に接続しないようにし、ゲート電極５９とは異なる定電位をゲート電極７５に供給すればよい。
【０２５３】
＜変形例３＞
ここでは、変形例１および変形例２と異なる構造のトランジスタについて、図２２を用いて説明する。図２２（Ａ）はチャネル長方向において、酸化物半導体膜５５がゲート電極５９より長い構成となっている。また、図２２（Ｂ）はチャネル長方向において、酸化物半導体膜５５がゲート電極５９より長く、かつ第２の領域５５ｂ、５５ｃがゲート電極５９と互いに重ならない構成となっている。
【０２５４】
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。
【０２５５】
（実施の形態３）
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半導体装置の構成の一例について図面を参照して説明する。
【０２５６】
［断面構造］
図２３（Ａ）に本発明の一態様の半導体装置の断面図を示す。図２３（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。トランジスタ２１００には先の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、図２３（Ａ）ではトランジスタ２１００として、先の実施の形態のトランジスタ１０を適用した例を示している。なお、一点鎖線より左側がトランジスタのチャネル長方向の断面、右側がチャネル幅方向の断面である。
【０２５７】
なお、トランジスタ２１００にバックゲートを設けた構成であってもよい。
【０２５８】
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、オフ電流が低い。
【０２５９】
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。
【０２６０】
図２３（Ａ）に示す構成では、トランジスタ２２００の上部に、絶縁膜２２０１、絶縁膜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、各種絶縁膜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を覆う層間絶縁膜２２０４と、層間絶縁膜２２０４の開口部を介して酸化物半導体膜と接する一対の導電膜が設けられている。また、一対の導電膜やゲート電極と電気的に接続する配線２２０５、２２０６が設けられている。
【０２６１】
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。
【０２６２】
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の半導体膜の近傍に設けられる絶縁膜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膜２２０７を設けることは特に効果的である。絶縁膜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。
【０２６３】
絶縁膜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。
【０２６４】
また、酸化物半導体膜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上に水素の混入を防止する機能を有するブロック膜を形成してもよい。ブロック膜としては、絶縁膜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２１００を覆うブロック膜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。
【０２６５】
なお、トランジスタ２２００は、プレーナ型のトランジスタだけでなく、様々なタイプのトランジスタとすることができる。例えば、ＦＩＮ（フィン）型、ＴＲＩ−ＧＡＴＥ（トライゲート）型などのトランジスタなどとすることができる。その場合の断面図の例を、図２３（Ｄ）に示す。半導体基板２２１１の上に、絶縁膜２２１２が設けられている。半導体基板２２１１は、先端の細い凸部（フィンともいう）を有する。なお、凸部の上には、絶縁膜が設けられていてもよい。その絶縁膜は、凸部を形成するときに、半導体基板２２１１がエッチングされないようにするためのマスクとして機能するものである。なお、凸部は、先端が細くなくてもよく、例えば、略直方体の凸部であってもよいし、先端が太い凸部であってもよい。半導体基板２２１１の凸部の上には、ゲート絶縁膜２２１４が設けられ、その上には、ゲート電極２２１３が設けられている。なお、本実施の形態では、ゲート電極２２１３は２層構造であるがこれに限られず、単層でも３層以上でもよい。半導体基板２２１１には、ソース領域およびドレイン領域２２１５が形成されている。なお、ここでは、半導体基板２２１１が、凸部を有する例を示したが、本発明の一態様に係る半導体装置は、これに限定されない。例えば、ＳＯＩ基板を加工して、凸部を有する半導体領域を形成しても構わない。
【０２６６】
［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。
【０２６７】
図２３（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。
【０２６８】
また、図２３（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。
【０２６９】
また、第１の半導体材料をチャネルにもつトランジスタ２２００およびトランジスタ２３００で、ＣＭＯＳ回路を構成した場合の半導体装置の断面図を図２４に示す。
【０２７０】
トランジスタ２３００は、ソース領域またはドレイン領域として機能する不純物領域２３０１と、ゲート電極２３０３と、ゲート絶縁膜２３０４と、側壁絶縁膜２３０５と、を有している。また、トランジスタ２３００は、側壁絶縁膜２３０５の下に、ＬＤＤ領域として機能する不純物領域２３０２を設けてもよい。図２４のその他の構成要素については、図２３（Ａ）の説明を援用すればよい。
【０２７１】
トランジスタ２２００と、トランジスタ２３００とは、互いに異なる極性のトランジスタであることが好ましい。例えば、トランジスタ２２００がｐチャネル型のトランジスタの場合、トランジスタ２３００は、ｎチャネル型のトランジスタであることが好ましい。
【０２７２】
また、図２３（Ａ）および図２４に示す半導体装置に、例えばフォトダイオードなどの光電変換素子を設けてもよい。
【０２７３】
フォトダイオードは、単結晶半導体や多結晶半導体を用いて形成してもよい。単結晶半導体や多結晶半導体を用いたフォトダイオードは、光の検出感度が高いため好ましい。
【０２７４】
図２５（Ａ）は、基板２００１にフォトダイオード２４００を設けた場合の断面図を示している。フォトダイオード２４００は、アノードおよびカソードの一方としての機能を有する導電膜２４０１と、アノードおよびカソードの他方としての機能を有する導電膜２４０２と、導電膜２４０２とプラグ２００７とを電気的に接続させる導電膜２４０３と、を有する。導電膜２４０１乃至導電膜２４０３は、基板２００１に不純物を注入することで作製してもよい。
【０２７５】
図２５（Ａ）は、基板２００１に対して縦方向に電流が流れるようにフォトダイオード２４００を設けているが、基板２００１に対して横方向に電流が流れるようにフォトダイオード２４００を設けてもよい。
【０２７６】
図２５（Ｂ）は、トランジスタ２１００の上層にフォトダイオード２５００を設けた場合の半導体装置の断面図である。フォトダイオード２５００は、アノードおよびカソードの一方としての機能を有する導電膜２５０１と、アノードおよびカソードの他方としての機能を有する導電膜２５０２と、半導体層２５０３と、を有している。また、フォトダイオード２５００は、プラグ２５０４を介して、トランジスタ２１００と電気的に接続されている。
【０２７７】
図２５（Ｂ）において、フォトダイオード２５００をトランジスタ２１００と同じ階層に設けてもよい。また、フォトダイオード２５００をトランジスタ２２００とトランジスタ２１００の間の階層に設けてもよい。
【０２７８】
図２５（Ａ）および図２５（Ｂ）のその他の構成要素に関する詳細は、図２３（Ａ）および図２４の記載を援用すればよい。
【０２７９】
また、フォトダイオード２４００またはフォトダイオード２５００を、放射線を吸収して電荷を発生させることが可能な材料を用いて形成してもよい。放射線を吸収して電荷を発生させることが可能な材料としては、セレン、ヨウ化鉛、ヨウ化水銀、ガリウムヒ素、ＣｄＴｅ、ＣｄＺｎ等がある。
【０２８０】
例えば、フォトダイオード２４００またはフォトダイオード２５００にセレンを用いると、可視光や、紫外光に加えて、Ｘ線や、ガンマ線といった幅広い波長帯域にわたって光吸収係数を有する光電変換素子を実現できる。
【０２８１】
＜記憶装置＞
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２６に示す。
【０２８２】
図２６（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、実施の形態１で説明したトランジスタを用いることができる。
【０２８３】
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。
【０２８４】
図２６（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のソース電極および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のソース電極および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。
【０２８５】
図２６（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。
【０２８６】
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のゲートに与えられた電荷が保持される（保持）。
【０２８７】
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のゲートの電荷は長時間にわたって保持される。
【０２８８】
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のゲートに与えられた電荷を判別できる。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。
【０２８９】
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。
【０２９０】
図２６（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図２６（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および保持動作が可能である。
【０２９１】
次に、図２６（Ｂ）に示す半導体装置の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（または容量素子３４００に蓄積された電荷）によって、異なる値をとる。
【０２９２】
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。
【０２９３】
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。
【０２９４】
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。
【０２９５】
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。
【０２９６】
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、ゲート絶縁膜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。
【０２９７】
本実施の形態に示す記憶装置は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、カスタムＬＳＩ、ＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅ）等のＬＳＩ、ＲＦタグ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ    Ｔａｇ）にも応用可能である。
【０２９８】
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。
【０２９９】
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態１または実施の形態２で説明したトランジスタを用いることができ、実施の形態３で説明した記憶装置を含むＣＰＵについて説明する。
【０３００】
図２７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。
【０３０１】
図２７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２７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２７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。
【０３０２】
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。
【０３０３】
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。
【０３０４】
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、基準クロック信号を元に、内部クロック信号を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号を上記各種回路に供給する。
【０３０５】
図２７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、実施の形態１または実施の形態２に示したトランジスタ、または、実施の形態３に示した記憶装置を用いることができる。
【０３０６】
図２７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。
【０３０７】
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。
【０３０８】
（実施の形態５）
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２８に示す。
【０３０９】
図２８（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２８（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。
【０３１０】
図２８（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、スピーカー９１７、マイク９１２などを備えている。図２８（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９１６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。
【０３１１】
図２８（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。
【０３１２】
図２８（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。
【０３１３】
図２８（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。
【０３１４】
図２８（Ｆ）は自動車または乗用車などであり、車体９５１、車輪９５２、ダッシュボード９５３、ライト９５４等を有する。
【０３１５】
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。
【０３１６】
（実施の形態６）
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ＲＦタグの使用例について図２９を用いながら説明する。ＲＦタグ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２９（Ａ）参照）、記録媒体（ＤＶＤやビデオテープ等、図２９（Ｂ）参照）、包装用容器類（包装紙やボトル等、図２９（Ｃ）参照）、乗り物類（自転車等、図２９（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２９（Ｅ）、図２９（Ｆ）参照）等に設けて使用することができる。
【０３１７】
本発明の一態様に係るＲＦタグ４０００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ＲＦタグ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ＲＦタグ４０００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ＲＦタグ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ＲＦタグ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。
【０３１８】
以上のように、本発明の一態様に係わるＲＦタグ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。
【０３１９】
次に、本発明の一態様の半導体装置を備えることができる表示装置の使用例について説明する。一例としては、表示装置は、画素を有する。画素は、例えば、トランジスタや表示素子を有する。または、表示装置は、画素を駆動する駆動回路を有する。駆動回路は、例えば、トランジスタを有する。例えば、これらのトランジスタとして、他の実施の形態で述べたトランジスタを採用することができる。
【０３２０】
例えば、本明細書等において、表示素子、表示素子を有する装置である表示装置、発光素子、および発光素子を有する装置である発光装置は、様々な形態を用いること、または様々な素子を有することが出来る。表示素子、表示装置、発光素子または発光装置は、例えば、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子（有機物および無機物を含むＥＬ素子、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子）、ＬＥＤ（白色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤなど）、トランジスタ（電流に応じて発光するトランジスタ）、電子放出素子、液晶素子、電子インク、電気泳動素子、グレーティングライトバルブ（ＧＬＶ）、プラズマディスプレイ（ＰＤＰ）、ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）を用いた表示素子、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、ＤＭＳ（デジタル・マイクロ・シャッター）、ＭＩＲＡＳＯＬ（登録商標）、ＩＭＯＤ（インターフェアレンス・モジュレーション）素子、シャッターボタン方式のＭＥＭＳ表示素子、光干渉方式のＭＥＭＳ表示素子、エレクトロウェッティング素子、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチューブを用いた表示素子などの少なくとも一つを有している。これらの他にも、電気的または磁気的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率などが変化する表示媒体を有していても良い。ＥＬ素子を用いた表示装置の一例としては、ＥＬディスプレイなどがある。電子放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）またはＳＥＤ方式平面型ディスプレイ（ＳＥＤ：Ｓｕｒｆａｃｅ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｅｍｉｔｔｅｒ  Ｄｉｓｐｌａｙ）などがある。液晶素子を用いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ（透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ）などがある。電子インク、電子粉流体（登録商標）、または電気泳動素子を用いた表示装置の一例としては、電子ペーパーなどがある。なお、半透過型液晶ディスプレイや反射型液晶ディスプレイを実現する場合には、画素電極の一部、または、全部が、反射電極としての機能を有するようにすればよい。例えば、画素電極の一部、または、全部が、アルミニウム、銀、などを有するようにすればよい。さらに、その場合、反射電極の下に、ＳＲＡＭなどの記憶回路を設けることも可能である。これにより、さらに、消費電力を低減することができる。
【０３２１】
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。
【符号の説明】
【０３２２】
１０    トランジスタ
１０ａ    トランジスタ
１０ｂ    トランジスタ
２０    トランジスタ
２０ａ    トランジスタ
５１    基板
５３    絶縁膜
５４    酸化物半導体膜
５５    酸化物半導体膜
５５＿１    酸化物半導体膜
５５＿２    酸化物半導体膜
５５＿３    酸化物半導体膜
５５ａ    第１の領域
５５ｂ    第２の領域
５５ｃ    第２の領域
５６    絶縁膜
５７    ゲート絶縁膜
５９    ゲート電極
６５    層間絶縁膜
６８    導電膜
６９    導電膜
７０    開口部
７１    開口部
７２    配線
７３    配線
７４    層間絶縁膜
７５    ゲート電極
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    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
２００１    基板
２００７    プラグ
２１００    トランジスタ
２２００    トランジスタ
２２０１    絶縁膜
２２０２    配線
２２０３    プラグ
２２０４    層間絶縁膜
２２０５    配線
２２０６    配線
２２０７    絶縁膜
２２１１    半導体基板
２２１２    絶縁膜
２２１３    ゲート電極
２２１４    ゲート絶縁膜
２２１５    ソース領域およびドレイン領域
２３００    トランジスタ
２３０１    不純物領域
２３０２    不純物領域
２３０３    ゲート電極
２３０４    ゲート絶縁膜
２３０５    側壁絶縁膜
２４００    フォトダイオード
２４０１    導電膜
２４０２    導電膜
２４０３    導電膜
２５００    フォトダイオード
２５０１    導電膜
２５０２    導電膜
２５０３    半導体層
２５０４    プラグ
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    ＲＦタグ
５１００    ペレット
５１００ａ    ペレット
５１００ｂ    ペレット
５１０１    イオン
５１０２    酸化亜鉛層
５１０３    粒子
５１０５ａ    ペレット
５１０５ａ１    領域
５１０５ａ２    ペレット
５１０５ｂ    ペレット
５１０５ｃ    ペレット
５１０５ｄ    ペレット
５１０５ｄ１    領域
５１０５ｅ    ペレット
５１２０    基板
５１３０    ターゲット
５１６１    領域
【図１】
0006527416.tif 000002
【図２】
0006527416.tif 000003
【図３】
0006527416.tif 000004
【図４】
0006527416.tif 000005
【図５】
0006527416.tif 000006
【図６】
0006527416.tif 000007
【図７】
0006527416.tif 000008
【図８】
0006527416.tif 000009
【図９】
0006527416.tif 000010
【図１０】
0006527416.tif 000011
【図１１】
0006527416.tif 000012
【図１２】
0006527416.tif 000013
【図１３】
0006527416.tif 000014
【図１４】
0006527416.tif 000015
【図１５】
0006527416.tif 000016
【図１６】
0006527416.tif 000017
【図１７】
0006527416.tif 000018
【図１８】
0006527416.tif 000019
【図１９】
0006527416.tif 000020
【図２０】
0006527416.tif 000021
【図２１】
0006527416.tif 000022
【図２２】
0006527416.tif 000023
【図２３】
0006527416.tif 000024
【図２４】
0006527416.tif 000025
【図２５】
0006527416.tif 000026
【図２６】
0006527416.tif 000027
【図２７】
0006527416.tif 000028
【図２８】
0006527416.tif 000029
【図２９】
0006527416.tif 000030