(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
メモリセルを有し、
前記メモリセルは、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、第３のトランジスタと、第４のトランジスタと、第５のトランジスタと、第１の容量素子と、第２の容量素子と、を有し、
前記第１のトランジスタは、第１の酸化物半導体層を有し、
前記第３のトランジスタは、第２の酸化物半導体層を有し、
第１の酸化物半導体層は、前記第１のトランジスタのチャネル領域を有し、
第２の酸化物半導体層は、前記第３のトランジスタのチャネル領域を有し、
前記第１のトランジスタのゲートは、第１の配線と電気的に接続され、
前記第１のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第２のトランジスタのゲートおよび前記第１の容量素子と電気的に接続され、
前記第１のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第２の配線と電気的に接続され、
前記第２のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第４のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記第２のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第５のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記第３のトランジスタのゲートは、第３の配線と電気的に接続され、
前記第３のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第４のトランジスタのゲートおよび前記第２の容量素子と電気的に接続され、
前記第３のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第４の配線と電気的に接続され、
前記第４のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第５の配線と電気的に接続され、
前記第５のトランジスタのゲートは、第６の配線と電気的に接続され、
前記第５のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第７の配線と電気的に接続され、
前記第１のトランジスタのチャネル幅方向に平行な断面視において、
前記第１のトランジスタのゲートは、前記第１の酸化物半導体層の側面に対向する領域を有し、
前記第２のトランジスタのチャネル幅方向に平行な断面視において、
前記第２のトランジスタのゲートは、前記第２の酸化物半導体層の側面に対向する領域を有する、半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記第２のトランジスタのゲートの電位に対応する第１の電位を、前記第５の配線に供給する機能と、
前記第４のトランジスタのゲートの電位に対応する第２の電位を、前記第５の配線に供給する機能と、を有し、
第１の電位の前記第５の配線への供給は、前記第４のトランジスタおよび前記第５のトランジスタがオン状態であるときに行われ、
第２の電位の前記第５の配線への供給は、前記第２のトランジスタおよび前記第５のトランジスタがオン状態であるときに行われる、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一態様は、半導体装置、記憶装置及び電子機器に関する。
【０００２】
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関するものである。または、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。
【背景技術】
【０００３】
特許文献１には、酸化物半導体を用いたトランジスタと、単結晶シリコンを用いたトランジスタによって構成された記憶装置が記載されている。また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が極めて小さいことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２５６４００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の一態様は、新規な半導体装置の提供を課題の一つとする。または、本発明の一態様は、多値の情報の記憶が可能な半導体装置の提供を課題の一つとする。または、本発明の一態様は、信頼性が高い半導体装置の提供を課題の一つとする。または、本発明の一態様は、消費電力が低い半導体装置の提供を課題の一つとする。
【０００６】
なお、本発明の一態様は、必ずしも上記の課題の全てを解決する必要はなく、少なくとも一の課題を解決できるものであればよい。また、上記の課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。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】
【０００７】
本発明の一態様にかかる半導体装置は、メモリセルを有し、メモリセルは、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、第３のトランジスタと、第４のトランジスタと、第５のトランジスタと、第１の容量素子と、第２の容量素子と、を有し、第１のトランジスタのゲートは、第１の配線と電気的に接続され、第１のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第２のトランジスタのゲートおよび第１の容量素子と電気的に接続され、第１のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第２の配線と電気的に接続され、第２のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第４のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第２のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第５のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第３のトランジスタのゲートは、第３の配線と電気的に接続され、第３のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第４のトランジスタのゲートおよび第２の容量素子と電気的に接続され、第３のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第４の配線と電気的に接続され、第４のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第５の配線と電気的に接続され、第５のトランジスタのゲートは、第６の配線と電気的に接続され、第５のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第７の配線と電気的に接続されている半導体装置である。
【０００８】
さらに、本発明の一態様にかかる半導体装置は、第２のトランジスタのゲートの電位に対応する第１の電位を、第５の配線に供給する機能と、第４のトランジスタのゲートの電位に対応する第２の電位を、第５の配線に供給する機能と、を有していてもよい。
【０００９】
さらに、本発明の一態様にかかる半導体装置において、第１の電位の第５の配線への供給は、第４のトランジスタおよび第５のトランジスタがオン状態であるときに行われ、第２の電位の第５の配線への供給は、第２のトランジスタおよび第５のトランジスタがオン状態であるときに行われてもよい。
【００１０】
さらに、本発明の一態様にかかる半導体装置において、第１のトランジスタおよび第３のトランジスタは、チャネル形成領域に酸化物半導体を有していてもよい。
【００１１】
さらに、本発明の一態様にかかる半導体装置において、第１のトランジスタおよび第２のトランジスタは、第５のトランジスタ上に設けられ、第３のトランジスタおよび第４のトランジスタは、第１のトランジスタおよび第２のトランジスタ上に設けられていてもよい。
【００１２】
また、本発明の一態様にかかる記憶装置は、上記半導体装置と、駆動回路と、を有する。
【００１３】
また、本発明の一態様にかかる電子機器は、上記半導体装置または上記記憶装置と、表示部、マイクロホン、スピーカ、または操作キーと、を有する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の一態様により、新規な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、多値の情報の記憶が可能な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、信頼性が高い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、消費電力が低い半導体装置を提供することができる。
【００１５】
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】
【００１６】
【図１】本発明の一態様を説明する図。
【図２】本発明の一態様を説明する回路図。
【図３】タイミングチャート。
【図４】電位の分布を説明する図。
【図５】本発明の一態様を説明する回路図。
【図６】本発明の一態様を説明する回路図。
【図７】本発明の一態様を説明する図。
【図８】本発明の一態様を説明する図。
【図９】本発明の一態様を説明する図。
【図１０】本発明の一態様を説明する図。
【図１１】本発明の一態様を説明する図。
【図１２】本発明の一態様を説明する図。
【図１３】本発明の一態様を説明する図。
【図１４】トランジスタの構成の一例を説明する図。
【図１５】トランジスタの構成の一例を説明する図。
【図１６】トランジスタの構成の一例を説明する図。
【図１７】電子部品の作製方法の例を説明するフローチャート。
【図１８】電子機器を説明する図。
【図１９】トランジスタの特性を説明する図。
【図２０】トランジスタの特性を説明する図。
【図２１】トランジスタの特性を説明する図。
【図２２】本発明の一態様を説明する回路図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施の形態における説明に限定されず、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。したがって、本発明は、以下の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。
【００１８】
また、本発明の一態様には、記憶装置の他、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）タグ、表示装置、撮像装置、集積回路を含むあらゆる装置が、その範疇に含まれる。また、表示装置には、液晶表示装置、有機発光素子に代表される発光素子を各画素に備えた発光装置、電子ペーパー、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）、ＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｐａｎｅｌ）、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ）など、集積回路を有する表示装置が、その範疇に含まれる。
【００１９】
なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いることがある。
【００２０】
また、本明細書等において、ＸとＹとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合と、ＸとＹとが直接接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図又は文章に示された接続関係に限定されず、図又は文章に示された接続関係以外のものも、図又は文章に記載されているものとする。ここで、Ｘ、Ｙは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
【００２１】
ＸとＹとが直接的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に接続されていない場合であり、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）を介さずに、ＸとＹとが、接続されている場合である。
【００２２】
ＸとＹとが電気的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、スイッチは、導通状態（オン状態）、又は、非導通状態（オフ状態）になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有している。又は、スイッチは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有している。なお、ＸとＹとが電気的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合を含むものとする。
【００２３】
ＸとＹとが機能的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの機能的な接続を可能とする回路（例えば、論理回路（インバータ、ＮＡＮＤ回路、ＮＯＲ回路など）、信号変換回路（ＤＡ変換回路、ＡＤ変換回路、ガンマ補正回路など）、電位レベル変換回路（電源回路（昇圧回路、降圧回路など）、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など）、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路（信号振幅又は電流量などを大きく出来る回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など）、信号生成回路、記憶回路、制御回路など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、一例として、ＸとＹとの間に別の回路を挟んでいても、Ｘから出力された信号がＹへ伝達される場合は、ＸとＹとは機能的に接続されているものとする。なお、ＸとＹとが機能的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合と、ＸとＹとが電気的に接続されている場合とを含むものとする。
【００２４】
なお、ＸとＹとが電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の素子又は別の回路を挟んで接続されている場合）と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の回路を挟んで機能的に接続されている場合）と、ＸとＹとが直接接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の素子又は別の回路を挟まずに接続されている場合）とが、本明細書等に開示されているものとする。つまり、電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、単に、接続されている、とのみ明示的に記載されている場合と同様な内容が、本明細書等に開示されているものとする。
【００２５】
なお、図面上は独立している構成要素同士が電気的に接続しているように図示されている場合であっても、１つの構成要素が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合もある。例えば配線の一部が電極としても機能する場合は、一の導電膜が、配線の機能、及び電極の機能の両方の構成要素の機能を併せ持っている。したがって、本明細書における電気的に接続とは、このような、一の導電膜が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合も、その範疇に含める。
【００２６】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の構成例について説明する。
【００２７】
＜半導体装置の構成例＞
図１（Ａ）に、本発明の一態様にかかる半導体装置１０の構成例を示す。半導体装置１０は、複数のメモリセル２０を有し、記憶装置として用いることができる。ここでは、半導体装置１０がｎ行ｍ列（ｎ、ｍは自然数）のメモリセル２０（メモリセル２０［１，１］乃至［ｎ，ｍ］）を有する構成について説明する。
【００２８】
メモリセル２０は、データを記憶する機能を有する。特に、本発明の一態様においては、メモリセル２０に２ビット以上のデータ（多値データ）を記憶することができる。これにより、１ビットあたりの半導体装置１０の面積を縮小することができる。
【００２９】
メモリセル２０は、配線ＷＬ、配線ＢＬ、配線ＳＬと接続されている。配線ＷＬは、所定の行のメモリセル２０を選択するための信号（以下、選択信号ともいう）を伝える機能を有する。配線ＢＬは、選択されたメモリセル２０に書き込むデータに対応する電位（以下、書き込み電位ともいう）を伝える機能を有する。配線ＳＬは、メモリセル２０に記憶されたデータに対応する電位（以下、読み出し電位ともいう）を伝える機能を有する。
【００３０】
ここで、メモリセル２０は、複数のＷＬおよび複数のＢＬと接続されている。図１（Ａ）においては、メモリセル２０は２本の配線ＷＬ（配線ＷＬａ、ＷＬｂ）および２本の配線ＢＬ（配線ＢＬａ、ＢＬｂ）と接続されている。これにより、各メモリセル２０には、２ビット以上のデータを書き込むことができる。
【００３１】
具体的には、図１（Ｂ）に示すように、メモリセル２０は、複数の保持部２１を有する。保持部２１は、所定の電位を保持する機能を有する回路である。ここでは、メモリセル２０が２つの保持部２１（保持部２１ａ、２１ｂ）を有する構成を示す。保持部２１ａは、配線ＷＬａおよび配線ＢＬａと接続され、保持部２１ｂは、配線ＷＬｂおよび配線ＢＬｂと接続されている。
【００３２】
配線ＷＬａに選択信号が供給されると、配線ＢＬａの書き込み電位が保持部２１ａに供給され、保持される。また、配線ＷＬｂに選択信号が供給されると、配線ＢＬｂの書き込み電位が保持部２１ｂに供給され、保持される。よって、メモリセル２０には、２ビット以上のデータを記憶することができる。
【００３３】
保持部２１ａには、ｉ値（ｉは自然数）の電位を保持することができ、保持部２１ｂには、ｊ値（ｊは自然数）の電位を保持することができる。なお、ｉ、ｊの値は、それぞれ自由に設定することができる。例えば、保持部２１ａ、２１ｂに保持される電位は、それぞれハイレベルとローレベルの２値の電位（ｉ＝２、ｊ＝２）であってよいし、３値以上の任意の電位（ｉが３以上、ｊが３以上）であってもよい。また、ｉ、ｊの値は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
【００３４】
メモリセル２０からデータの読み出しは、保持部２１ａに保持された電位に対応する電位と、保持部２１ｂに保持された電位に対応する電位と、が配線ＳＬに供給されることによって行われる。ここで、保持部２１ａに保持された電位がｉ値、保持部２１ｂにされた電位がｊ値である場合、メモリセル２０からｉ×ｊ値のデータを読み出すことができる。すなわち、保持部２１ａにａビット（ａは自然数）のデータを記憶し、保持部２１ｂにｂビット（ｂは自然数）のデータを記憶した場合、ａ＋ｂビットのデータを読み出すことができる。
【００３５】
ここで、保持部２１には、チャネル形成領域に酸化物半導体を含むトランジスタ（以下、ＯＳトランジスタともいう）を用いることが好ましい。酸化物半導体は、シリコンなどの他の半導体よりもバンドギャップが広く、キャリア密度が低い。そのため、ＯＳトランジスタのオフ電流は極めて小さい。従って、保持部２１にＯＳトランジスタを用いることにより、保持部２１に保持された電位を長期間にわたって保持することができる。
【００３６】
保持部２１の構成例を、図１（Ｃ）に示す。保持部２１は、トランジスタ２２、容量素子２３を有する。なお、トランジスタ２２はＯＳトランジスタである。トランジスタ２２のソースまたはドレインの一方は、容量素子２３と接続されている。ここで、トランジスタ２２のソースまたはドレインの一方および容量素子２３と接続されたノードを、ノードＦＮとする。
【００３７】
ノードＦＮには、保持部２１に保持される電位が、トランジスタ２２を介して配線ＢＬなどから供給される。そして、トランジスタ２２がオフ状態となると、ノードＦＮが浮遊状態となり、ノードＦＮの電位が保持される。ここで、ＯＳトランジスタであるトランジスタ２２のオフ電流は極めて小さいため、ノードＦＮの電位を長期間にわたって保持することが可能となる。
【００３８】
ノードＦＮに保持する電位は、２値（ハイレベルおよびローレベル）の電位であってよいし、３値以上の電位であってもよい。特に、ノードＦＮに保持される電位が３値以上の場合、保持される電位の間隔が狭くなるため、微小な電荷のリークがデータの変動の原因になり得る。しかしながら、ＯＳトランジスタはオフ電流が極めて小さいため、ノードＦＮからの電荷のリークを極めて小さく抑えることができる。従って、ノードＦＮに３値以上の電位を保持する場合、トランジスタ２２をＯＳトランジスタとすることは特に好ましい。
【００３９】
また、ＯＳトランジスタは、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタ（以下Ｓｉトランジスタともいう）と比べて耐圧性が高い。そのため、トランジスタ２２をＯＳトランジスタとすることにより、ノードＦＮに保持する電位の範囲を広げることができる。従って、保持部２１に保持するデータの数を増加させることができる。
【００４０】
例えば、ノードＦＮには、１６値の電位を保持することができる。そして、保持部２１ａ、２１ｂにそれぞれ１６値の電位が保持される場合（ｉ＝１６、ｊ＝１６）、保持部２１ａ、２１ｂにそれぞれ４ビットのデータを記憶することができる（ａ＝４、ｂ＝４）。そして、メモリセル２０からはｉ×ｊ＝１６×１６＝２５６値、すなわち８ビットのデータを読み出すことができる。また、例えば、保持部２１ａに４ビット、保持部２１ｂに５ビットのデータを記憶した場合、メモリセル２０から９ビットのデータを読み出すことができる。
【００４１】
以上のように、メモリセル２０に複数の保持部２１を設けることにより、多値データを記憶することが可能な半導体装置を提供することができる。また、保持部２１にＯＳトランジスタを用いることにより、保持部２１に蓄積された電荷を長期間保持することができ、信頼性が高い半導体装置を提供することができる。以下、メモリセル２０の具体的な構成例について説明する。
【００４２】
＜メモリセルの構成例＞
図２（Ａ）に、メモリセル２０の具体的な構成例を示す。メモリセル２０は、回路３０ａ、回路３０ｂ、回路４０を有する。回路３０ａは、トランジスタ３１ａ、トランジスタ３２ａ、容量素子３３ａを有する。回路３０ｂは、トランジスタ３１ｂ、トランジスタ３２ｂ、容量素子３３ｂを有する。回路４０は、トランジスタ４１を有する。なお、回路３０ａ、３０ｂは、それぞれ図１（Ｂ）における保持部２１ａ、２１ｂに対応する。また、回路４０は、メモリセル２０に記憶されたデータの読み出しを制御する機能を有する。
【００４３】
トランジスタ３１ａのゲートは配線ＷＬａと接続され、ソースまたはドレインの一方はトランジスタ３２ａのゲートおよび容量素子３３ａの一方の電極と接続され、ソースまたはドレインの他方は配線ＢＬａと接続されている。トランジスタ３２ａのソースまたはドレインの一方はトランジスタ３２ｂのソースまたはドレインの一方と接続され、ソースまたはドレインの他方はトランジスタ４１のソースまたはドレインの一方と接続されている。容量素子３３ａの他方の電極は、配線ＣＮＯＤＥａと接続されている。ここで、トランジスタ３１ａのソースまたはドレインの一方、トランジスタ３２ａのゲート、および容量素子３３ａの一方の電極と接続されたノードを、ノードＦＮａとする。
【００４４】
トランジスタ３１ｂのゲートは配線ＷＬｂと接続され、ソースまたはドレインの一方はトランジスタ３２ｂのゲートおよび容量素子３３ｂの一方の電極と接続され、ソースまたはドレインの他方は配線ＢＬｂと接続されている。トランジスタ３２ｂのソースまたはドレインの他方は配線ＳＬと接続されている。容量素子３３ｂの他方の電極は、配線ＣＮＯＤＥｂと接続されている。ここで、トランジスタ３１ｂのソースまたはドレインの一方、トランジスタ３２ｂのゲート、および容量素子３３ｂの一方の電極と接続されたノードを、ノードＦＮｂとする。
【００４５】
トランジスタ４１のゲートは配線ＳＷと接続され、ソースまたはドレインの他方は配線ＶＬと接続されている。
【００４６】
配線ＣＮＯＤＥは、ノードＦＮの電位を制御するための信号（以下、読み出し信号ともいう）を伝える機能を有する配線である。配線ＳＷは、トランジスタ４１の導通状態を制御するための信号を伝える機能を有する配線である。配線ＶＬは、電源電位を伝える機能を有する配線である。なお、配線ＶＬには、高電源電位ＶＤＤが供給されていてもよいし、低電源電位ＶＳＳ（接地電位など）が供給されていてもよい。
【００４７】
ここで、トランジスタ３１ａ、３１ｂはＯＳトランジスタとする。これにより、トランジスタ３１ａ、３１ｂがオフ状態であるとき、ノードＦＮａ、ＦＮｂに蓄積された電荷を長期間にわたって保持することができる。従って、ノードＦＮａ、ＦＮｂに３値以上の電位を正確に保持することができる。なお、ノードＦＮａ、ＦＮｂは、図１（Ｃ）におけるノードＦＮに対応する。
【００４８】
トランジスタ３２ａ、３２ｂの種類は、特に限定されない。例えば、ＯＳトランジスタを用いてもよいし、チャネル形成領域が単結晶半導体を有する基板の一部に形成されるトランジスタ（以下、単結晶トランジスタともいう）を用いてもよい。単結晶半導体を有する基板としては、単結晶シリコン基板や単結晶ゲルマニウム基板などが挙げられる。
【００４９】
また、トランジスタ３２ａ、３２ｂには、酸化物半導体以外の半導体材料を含む膜にチャネル形成領域が形成されるトランジスタを用いることもできる。例えば、チャネル形成領域に酸化物半導体以外の非単結晶半導体を有するトランジスタを用いることができる。このような非単結晶半導体としては、非晶質シリコン、微結晶シリコン、多結晶シリコンなどの非単結晶シリコンや、非晶質ゲルマニウム、微結晶ゲルマニウム、多結晶ゲルマニウムなどの非単結晶ゲルマニウムなどが挙げられる。
【００５０】
トランジスタ４１には、トランジスタ３２ａ、３２ｂと同様のトランジスタを用いることができる。また、トランジスタ３１ａ、３１ｂに、単結晶トランジスタや、酸化物半導体以外の半導体材料を含む膜にチャネル形成領域が形成されるトランジスタを用いることもできる。
【００５１】
次に、メモリセル２０の動作について説明する。
【００５２】
まず、配線ＷＬａの電位を、トランジスタ３１ａがオン状態となる電位にして、トランジスタ３１ａをオン状態とする。これにより、配線ＢＬａの電位がノードＦＮａに供給される（データの書き込み）。次に、配線ＷＬａの電位をトランジスタ３１ａがオフ状態となる電位にして、トランジスタ３１ａをオフ状態とする。これにより、ノードＦＮａが浮遊状態となり、ノードＦＮａの電位が保持される（データの保持）。このような動作により、回路３０ａにおいてデータの書き込みおよび保持が行われる。
【００５３】
回路３０ｂにおいても、上記と同様の動作により、データの書き込みおよび保持を行うことができる。なお、回路３０ｂにおけるデータの書き込みおよび保持は、回路３０ａと同時に行ってもよいし、異なるタイミングで行ってもよい。
【００５４】
なお、ノードＦＮａ、ＦＮｂに書き込まれ、保持される電位は、それぞれハイレベルとローレベルの２値の電位（ｉ＝２、ｊ＝２）であってもよいし、３値以上の電位（ｉが３以上、ｊが３以上）であってもよい。また、ｉ、ｊの値は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
【００５５】
ここで、ノードＦＮａ、ＦＮｂに１ビットのデータを１０年間保持させる場合を考える。電源電圧を２Ｖ以上、３．５Ｖ以下、ノードＦＮａ、ＦＮｂの保持容量を２１ｆＦ、保持電位の許容変動量を０．５Ｖ未満、とした場合、８５℃、１０年間で保持電位を許容変動量未満とするには、ノードＦＮａ、ＦＮｂからのリーク電流は、３３×１０−２４Ａ未満であることが必要となる。他からのリークがさらに小さく、リーク箇所がほぼＯＳトランジスタである場合、ＯＳトランジスタのチャネル幅が３５０ｎｍのとき、ＯＳトランジスタの単位面積あたりのリーク電流を９３×１０−２４Ａ／μｍ未満とすることが好ましい。メモリセル２０を上記構成にすることで、メモリセル２０は、８５℃において、１０年間データを保持することが可能になる。
【００５６】
また、ノードＦＮａ、ＦＮｂに４ビットのデータを１０年間保持させる場合を考える。電源電圧を２Ｖ以上、３．５Ｖ以下、保持容量を０．１ｆＦ、保持電位の分布幅を３０ｍＶ未満、保持電位の許容変動量を８０ｍＶ未満、とした場合、８５℃１０年間で保持電位を許容変動量未満とするには、ノードＦＮａ、ＦＮｂからのリーク電流は０．０２５×１０−２４Ａ未満であることが必要となる。他からのリークがさらに小さく、リーク箇所がほぼＯＳトランジスタである場合、ＯＳトランジスタのチャネル幅が６０ｎｍのとき、ＯＳトランジスタの単位面積あたりのリーク電流を０．４２３×１０−２４Ａ／μｍ未満とすることが好ましい。メモリセル２０を上記構成にすることで、メモリセル２０は、８５℃において、１０年間データを保持することが可能になる。
【００５７】
また、ノードＦＮａ、ＦＮｂに８ビットのデータを１０年間保持させる場合を考える。電源電圧を２Ｖ以上、３．５Ｖ以下、保持容量を０．１ｆＦ、保持電位の分布幅を２ｍＶ未満、保持電位の許容変動量を５ｍＶ未満、とした場合、８５℃、１０年間で保持電位を許容変動量未満とするには、ノードＦＮａ、ＦＮｂからのリーク電流は０．００１６×１０−２４Ａ未満であることが必要となる。他からのリークがさらに小さく、リーク箇所がほぼＯＳトランジスタである場合、ＯＳトランジスタのチャネル幅が６０ｎｍのとき、ＯＳトランジスタの単位面積あたりのリーク電流を０．０２６×１０−２４Ａ／μｍ未満とすることが好ましい。メモリセル２０を上記構成にすることで、メモリセル２０は、８５℃において、１０年間データを保持することが可能になる。
【００５８】
次に、回路３０ａからデータの読み出しを行う。まず、配線ＣＮＯＤＥｂに所定の電位を供給することにより、ノードＦＮｂに書き込まれた電位に関わらず、トランジスタ３２ｂをオン状態とする。具体的には、トランジスタ３２ｂがｎチャネル型である場合、配線ＣＮＯＤＥｂの電位をハイレベルに上昇させる。このとき、容量素子３３ｂの容量結合により、ノードＦＮｂの電位も上昇する。これにより、ノードＦＮｂに書き込まれた電位に関わらず、トランジスタ３２ｂをオン状態とすることができる。ノードＦＮｂの電位は、トランジスタ３２ｂのゲート−ソース間の電圧が閾値電圧以上となるような電位にすればよい。また、配線ＳＬを所定の電位（ここではローレベル）にプリチャージする。
【００５９】
その後、配線ＳＷの電位を、トランジスタ４１がオン状態となる電位にして、トランジスタ４１をオン状態とする。これにより、配線ＳＬには、ノードＦＮａの電位に応じて、配線ＶＬから所定の電位（ここではハイレベル）が供給される。具体的には、ノードＦＮａと配線ＳＬの間の電圧がトランジスタ３２ａの閾値電圧以下となると、トランジスタ３２ａがオフ状態となり、配線ＳＬの電位が確定する。すなわち、ノードＦＮａの電位に応じて、配線ＳＬの電位は異なる値となる。従って、配線ＳＬの電位を読み取ることにより、ノードＦＮａの電位を判別することができる。
【００６０】
次に、上記と同様の動作を行うことにより、回路３０ｂからデータの読み出しを行う。具体的には、トランジスタ３２ａがｎチャネル型である場合、配線ＣＮＯＤＥａの電位をハイレベルとし、ノードＦＮａの電位を上昇させる。これにより、ノードＦＮａに書き込まれた電位に関わらず、トランジスタ３２ａをオン状態とする。また、配線ＳＬを所定の電位（ここではローレベル）にプリチャージする。その後、配線ＳＷの電位を、トランジスタ４１がオン状態となる電位にして、トランジスタ４１をオン状態とする。これにより、配線ＳＬの電位が、ノードＦＮｂの電位に応じた電位となる。
【００６１】
上記のような動作により、メモリセル２０から多値データの書き込みおよび読み出しを行うことができる。具体的には、ノードＦＮａにｉ値の電位が書き込まれ、ノードＦＮｂにｊ値の電位が書き込まれている場合、配線ＳＬに出力されたｉ値の電位およびｊ値の電位を読み取ることにより、ｉ×ｊ値のデータを読み出すことができる。
【００６２】
また、回路３０ａ、３０ｂからのデータの読み出しは、ノードＦＮａ、ＦＮｂの電位を保持したまま行うことができる。すなわち、回路３０ａ、３０ｂに記憶されたデータを破壊することなく読み出しを行うことができる。そのため、読み出し時において回路３０ａ、３０ｂに記憶されたデータの書き直しが不要となり、消費電力を削減することができる。
【００６３】
また、回路３０ａ、３０ｂのデータの書き換えは、上記のデータの書き込みおよび保持と同様の動作により行うことができる。
【００６４】
なお、図２（Ａ）においては、トランジスタ３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、４１がｎチャネル型である例を示したが、トランジスタ３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、４１はそれぞれｎチャネル型であってもｐチャネル型であってもよい。図２（Ｂ）に、トランジスタ３２ｂ、３２ｂ、４１をｐチャネル型とした構成例を示す。
【００６５】
図２（Ｂ）に示すメモリセル２０においては、配線ＣＮＯＤＥａ、ＣＮＯＤＥｂの電位をローレベルとし、ノードＦＮａ、ＦＮｂの電位を下降させることにより、トランジスタ３２ａ、３２ｂをオン状態とすることができる。また、配線ＶＬの電位はローレベルとし、配線ＳＬはハイレベルにプリチャージすることが好ましい。これにより、図２（Ａ）に示すメモリセル２０と同様の動作によって、メモリセル２０を動作させることができる。
【００６６】
＜メモリセルの動作例＞
次に、メモリセル２０の動作例について説明する。図３は、図２（Ａ）に示すメモリセル２０の動作を説明するためのタイミングチャートである。なお、期間Ｔ１１から期間Ｔ１２は、メモリセル２０へのデータの書き込みを行う期間であり、期間Ｔ２１から期間Ｔ２５は、メモリセル２０からのデータの読み出しを行う期間である。
【００６７】
まず、期間Ｔ１１において、配線ＢＬａ、ＢＬｂに書き込み電位を供給する。なお、配線ＢＬａ、ＢＬｂには、３値以上の電位を選択的に供給することができる。ここでは、配線ＢＬａ、ＢＬｂにそれぞれ１６値の電位を供給する（ｉ＝１６、ｊ＝１６）例について、以下に説明する。この場合、回路３０ａ、３０ｂにはそれぞれ４ビットのデータが書き込まれることになる。
【００６８】
また、配線ＷＬａ、ＷＬｂの電位をハイレベルにし、トランジスタ３１ａ、３１ｂをオン状態とする。これにより、配線ＢＬａの電位がノードＦＮａに供給され、配線ＢＬｂの電位がノードＦＮｂに供給される。すなわち、回路３０ａ、３０ｂにおいてデータの書き込みが行われる。
【００６９】
次に、期間Ｔ１２において、配線ＷＬａ、ＷＬｂをローレベルにし、トランジスタ３１ａ、３１ｂをオフ状態とする。これにより、ノードＦＮａ、ＦＮｂは浮遊状態となり、配線ＢＬａ、ＢＬｂの電位が変動してもノードＦＮａ、ＦＮｂの電位は保持される。
【００７０】
次に、期間Ｔ２１において、ＣＮＯＤＥｂの電位をハイレベルにする。これにより、ノードＦＮｂの電位を上昇させ、期間Ｔ１１においてノードＦＮｂに供給された電位に関わらず、トランジスタ３２ｂをオン状態とする。また、配線ＳＬの電位をローレベルにプリチャージした後、配線ＳＬの電位を浮遊状態とする。
【００７１】
次に、期間Ｔ２２において、配線ＳＷの電位をハイレベルにし、トランジスタ４１をオン状態とする。これにより、トランジスタ３２ａと配線ＶＬが導通状態となる。また、配線ＶＬには電源電位としてハイレベルの電位が供給されている。そして、配線ＳＬには、ノードＦＮａの電位に対応する１６値の電位が、読み出し電位として供給される。これにより、回路３０ａから１６値のデータを読み出すことができる。
【００７２】
次に、期間Ｔ２３において、ＣＮＯＤＥｂの電位をローレベルにする。これにより、ノードＦＮｂの電位を期間Ｔ１１においてノードＦＮｂに供給された電位にまで下降させる。また、ＣＮＯＤＥａの電位をハイレベルにする。これにより、ノードＦＮａの電位を上昇させ、期間Ｔ１１においてノードＦＮａに供給された電位に関わらず、トランジスタ３２ａをオン状態とする。また、配線ＳＷの電位をローレベルにする。また、配線ＳＬの電位をローレベルにプリチャージした後、配線ＳＬの電位を浮遊状態とする。
【００７３】
次に、期間Ｔ２４において、配線ＳＷの電位をハイレベルにし、トランジスタ４１をオン状態とする。これにより、トランジスタ３２ｂと配線ＶＬが導通状態となる。また、配線ＶＬには電源電位としてハイレベルの電位が供給されている。ここで、配線ＳＬには、ノードＦＮｂの電位に対応する１６値の電位が、読み出し電位として供給される。これにより、回路３０ｂから１６値のデータを読み出すことができる。
【００７４】
次に、期間Ｔ２５において、配線ＳＷおよび配線ＣＮＯＤＥａをローレベルとする。これにより、ノードＦＮａの電位を期間Ｔ１１においてノードＦＮａに供給された電位にまで下降させ、メモリセル２０を書き込みが行われた直後の期間Ｔ１２の状態とする。
【００７５】
以上の動作により、メモリセル２０の記憶された多値データの書き込みおよび読み出しを行うことができる。
【００７６】
なお、ノードＦＮａ、ＦＮｂに１６値の電位を書き込む場合、配線ＳＬに読み出される電位Ｖ＿ＳＬは、図４に示すような１６値のデータに対応する分布を形成する。１６個の分布はそれぞれ、データ００００から１１１１に対応させることができる。従って、回路３０ａ、３０ｂから、それぞれ４ビットのデータを読み出すことができる。
【００７７】
また、トランジスタ３１ａ、３１ｂにＯＳトランジスタを用いた場合、ノードＦＮａ、ＦＮｂの電荷のリークを抑えることができる。そのため、分布を幅が狭く、鋭いピークをもつＶ＿ＳＬの値を得ることができる。従って、回路３０ａ、３０ｂに記憶する多値データの間隔を狭めることができ、記憶するデータの数を増加させることができる。
【００７８】
また、ＯＳトランジスタは、Ｓｉトランジスタと比べて耐圧性が高い。そのため、ノードＦＮａ、ＦＮｂに保持する電位の範囲を広げることができる。従って、回路３０ａ、３０ｂに記憶するデータの数を増加させることができる。
【００７９】
なお、図２において、トランジスタ３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂにＯＳトランジスタを用いる場合、トランジスタ３２ａ、３２ｂのチャネル幅Ｗ／チャネル長Ｌを、トランジスタ３１ａ、３１ｂのＷ／Ｌよりも大きくすることが好ましい。これにより、トランジスタ３１ａ、３１ｂのオフ電流を小さく抑えつつ、トランジスタ３２ａ、３２ｂの電流供給能力を向上させて高速な読み出しを行うことができる。
【００８０】
また、ノードＦＮａに対応する電位の配線ＳＬへの読み出しは、トランジスタ３２ｂを介して行われることになる。そのため、トランジスタ３２ｂのＷ／Ｌは、トランジスタ３２ａのＷ／Ｌよりも大きくすることが好ましい。これにより、ノードＦＮａに対応する電位の配線ＳＬへの読み出しを高速に行うことが可能となる。
【００８１】
また、トランジスタ３２ａ、３２ｂのゲート絶縁層は、トランジスタ３１ａ、３１ｂのゲート絶縁層よりも厚くすることが好ましい。これにより、トランジスタ３２ａ、３２ｂの耐圧性を向上させ、ノードＦＮａ、ＦＮｂに保持する電位の範囲を広くすることができる。
【００８２】
以上のように、メモリセル２０に複数の保持部２１を設けることにより、多値データを記憶することが可能な半導体装置を提供することができる。また、保持部２１にＯＳトランジスタを用いることにより、保持部２１に蓄積された電荷を長期間保持することができ、信頼性が高く、消費電力が低い半導体装置を提供することができる。
【００８３】
なお、本発明の一態様は、上記の構成に限定されない。つまり、本実施の形態には様々な発明の態様が記載されているため、本発明の一態様は、特定の態様に限定されない。例えば、本発明の一態様として、メモリセル２０に複数の保持部２１が設けられた半導体装置の例を示したが、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様は、メモリセル２０に１つの保持部２１が設けられた構成であってもよい。また、本発明の一態様として、メモリセル２０に多値のデータが記憶される例を示したが、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様は、メモリセル２０に２値のデータが記憶される構成であってもよい。また、本発明の一態様として、メモリセルに適用した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。例えば、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様は、別の機能を有する回路に適用してもよい。または例えば、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様は、メモリセルに適用しなくてもよい。また、本発明の一態様として、保持部２１でのトランジスタなどでは、トランジスタのチャネル形成領域、ソースドレイン領域などが、酸化物半導体を有す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、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレイン領域などは、様々な半導体を有していてもよい。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレイン領域などは、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、または、有機半導体などの少なくとも一つを有していてもよい。または、例えば、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレイン領域などは、酸化物半導体を有していなくてもよい。
【００８４】
本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。よって、本実施の形態の中で述べる内容（一部の内容でもよい）は、その実施の形態で述べる別の内容（一部の内容でもよい）、及び／又は、一つ若しくは複数の別の実施の形態で述べる内容（一部の内容でもよい）に対して、適用、組み合わせ、又は置き換えなどを行うことができる。なお、実施の形態の中で述べる内容とは、各々の実施の形態において、様々な図を用いて述べる内容、又は明細書に記載される文章を用いて述べる内容のことである。また、ある一つの実施の形態において述べる図（一部でもよい）は、その図の別の部分、その実施の形態において述べる別の図（一部でもよい）、及び／又は、一つ若しくは複数の別の実施の形態において述べる図（一部でもよい）に対して、組み合わせることにより、さらに多くの図を構成させることができる。これは、以下の実施の形態においても同様である。
【００８５】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様に係るメモリセル２０の変形例について説明する。
【００８６】
＜メモリセルの変形例１＞
図５に、メモリセル２０の変形例を示す。図５（Ａ）に示すメモリセル２０は、トランジスタ３１ａのソースまたはドレインの一方、およびトランジスタ３１ｂのソースまたはドレインの一方が、同一の配線ＢＬと接続されている点で、図２（Ａ）と異なる。すわなち、回路３０ａと回路３０ｂで配線ＢＬが共有されている。これにより、配線数を削減し、メモリセル２０の面積を縮小することができる。
【００８７】
なお、図５（Ａ）に示すメモリセル２０においては、ノードＦＮａへの書き込みとノードＦＮｂへの書き込みは異なる期間に行われる。すなわち、配線ＢＬの電位は、トランジスタ３１ａがオン状態であり、トランジスタ３１ｂがオフ状態である期間においては、ノードＦＮａに供給する電位となり、トランジスタ３１ａがオフ状態であり、トランジスタ３１ｂがオン状態である期間においては、ノードＦＮｂに供給する電位となる。
【００８８】
図５（Ｂ）に示すメモリセル２０は、トランジスタ３１ａのゲート、およびトランジスタ３１ｂのゲートは、同一の配線ＷＬと接続されている点で、図２（Ａ）と異なる。すわなち、回路３０ａと回路３０ｂで配線ＷＬが共有されている。これにより、配線数を削減し、メモリセル２０の面積を縮小することができる。
【００８９】
なお、図５（Ｂ）に示すメモリセル２０においては、図３の期間Ｔ１１に示すように、ノードＦＮａの書き込みとノードＦＮｂの書き込みは同時に行われる。
【００９０】
また、図２（Ａ）においては、２つの回路３０（回路３０ａ、３０ｂ）が設けられた構成例を示したが、回路３０の数は３以上の任意の数とすることもできる。例えば、図５（Ｃ）に示すように、メモリセル２０に３つの回路３０（回路３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）を設けてもよい。これにより、メモリセル２０に記憶することができるデータ量をさらに増加させることができる。図５（Ｃ）において、回路３０ａ、３０ｂ、３０ｃに記憶される電位をそれぞれｉ値、ｊ値、ｋ値（ｋは自然数）とすると、メモリセル２０にはｉ×ｊ×ｋ値のデータを記憶することができる。すなわち、回路３０ａ、３０ｂ、３０ｃにそれぞれａビット、ｂビット、ｃビット（ｃは自然数）のデータを記憶した場合、ａ＋ｂ＋ｃビットのデータを読み出すことができる。
【００９１】
＜メモリセルの変形例２＞
図６に、メモリセル２０の他の変形例を示す。図６に示すメモリセル２０は、ＯＳトランジスタであるトランジスタ３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂが一対のゲートを有している点で、図２（Ａ）と異なる。すなわち、トランジスタ３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂは、バックゲートを有する。
【００９２】
図６（Ａ）に示すメモリセル２０においては、トランジスタ３１ａのバックゲートはトランジスタ３１ａのゲートと接続され、トランジスタ３１ｂのバックゲートはトランジスタ３１ｂのゲートと接続され、トランジスタ３２ａのバックゲートはトランジスタ３２ａのゲートと接続され、トランジスタ３２ｂのバックゲートはトランジスタ３２ｂのゲートと接続されている。また、図６（Ｂ）に示すメモリセル２０においては、トランジスタ３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂが有するバックゲートは、配線ＢＧと接続されている。なお、配線ＢＧには、固定電位が供給されている。
【００９３】
ここで、トランジスタ３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂのように、あるトランジスタＴが、半導体膜を間に挟んで存在する一対のゲートを有している場合、一方のゲートには信号Ａが、他方のゲートには固定電位Ｖｂが与えられてもよい。
【００９４】
信号Ａは、例えば、導通状態または非導通状態を制御するための信号である。信号Ａは、電位Ｖ１、または電位Ｖ２（Ｖ１＞Ｖ２とする）の２種類の電位をとるデジタル信号であってもよい。例えば、電位Ｖ１を高電源電位とし、電位Ｖ２を低電源電位（接地電位など）とすることができる。信号Ａは、アナログ信号であってもよい。
【００９５】
固定電位Ｖｂは、例えば、トランジスタＴのしきい値電圧ＶｔｈＡを制御するための電位である。固定電位Ｖｂは、電位Ｖ１、または電位Ｖ２であってもよい。この場合、固定電位Ｖｂを生成するための電位発生回路を新たに別途設ける必要がなく好ましい。固定電位Ｖｂは、電位Ｖ１、または電位Ｖ２と異なる電位であってもよい。固定電位Ｖｂを低くすることで、しきい値電圧ＶｔｈＡを高くできる場合がある。その結果、ゲートーソース間電圧Ｖｇｓが０Ｖのときのドレイン電流を低減し、トランジスタＴを有する回路のリーク電流を低減できる場合がある。例えば、固定電位Ｖｂを低電源電位よりも低くしてもよい。固定電位Ｖｂを高くすることで、しきい値電圧ＶｔｈＡを低くできる場合がある。その結果、ゲートーソース間電圧ＶｇｓがＶＤＤのときのドレイン電流を向上させ、トランジスタＴを有する回路の動作速度を向上できる場合がある。例えば、固定電位Ｖｂを低電源電位よりも高くしてもよい。
【００９６】
また、トランジスタＴの一方のゲートには信号Ａが、他方のゲートには信号Ｂが与えられてもよい。信号Ｂは、例えば、トランジスタＴの導通状態または非導通状態を制御するための信号である。信号Ｂは、電位Ｖ３、または電位Ｖ４（Ｖ３＞Ｖ４とする）の２種類の電位をとるデジタル信号であってもよい。例えば、電位Ｖ３を高電源電位とし、電位Ｖ４を低電源電位とすることができる。信号Ｂは、アナログ信号であってもよい。
【００９７】
信号Ａと信号Ｂが共にデジタル信号である場合、信号Ｂは、信号Ａと同じデジタル値を持つ信号であってもよい。この場合、トランジスタＴのオン電流を向上し、トランジスタＴを有する回路の動作速度を向上できる場合がある。このとき、信号Ａの電位Ｖ１は信号Ｂの電位Ｖ３と異なっていても良い。また、信号Ａの電位Ｖ２は信号Ｂの電位Ｖ４と異なっていても良い。例えば、信号Ｂが入力されるゲートに対応するゲート絶縁層が、信号Ａが入力されるゲートに対応するゲート絶縁層よりも厚い場合、信号Ｂの電位振幅（Ｖ３−Ｖ４）を、信号Ａの電位振幅（Ｖ１−Ｖ２）より大きくしても良い。そうすることで、トランジスタＴの導通状態または非導通状態に対して、信号Ａが与える影響と、信号Ｂが与える影響と、を同程度とすることができる場合がある。
【００９８】
信号Ａと信号Ｂが共にデジタル信号である場合、信号Ｂは、信号Ａと異なるデジタル値を持つ信号であってもよい。この場合、トランジスタＴの制御を信号Ａと信号Ｂによって別々に行うことができ、より高い機能を実現できる場合がある。例えば、トランジスタＴがｎチャネル型である場合、信号Ａが電位Ｖ１であり、かつ、信号Ｂが電位Ｖ３である場合のみ導通状態となる場合や、信号Ａが電位Ｖ２であり、かつ、信号Ｂが電位Ｖ４である場合のみ非導通状態となる場合には、一つのトランジスタでＮＡＮＤ回路やＮＯＲ回路等の機能を実現できる場合がある。また、信号Ｂは、しきい値電圧ＶｔｈＡを制御するための信号であってもよい。例えば、信号Ｂは、トランジスタＴを有する回路が動作している期間と、当該回路が動作していない期間と、で電位が異なる信号であっても良い。信号Ｂは、回路の動作モードに合わせて電位が異なる信号であってもよい。この場合、信号Ｂは信号Ａほど頻繁には電位が切り替わらない場合がある。
【００９９】
信号Ａと信号Ｂが共にアナログ信号である場合、信号Ｂは、信号Ａと同じ電位のアナログ信号、信号Ａの電位を定数倍したアナログ信号、または、信号Ａの電位を定数だけ加算もしくは減算したアナログ信号等であってもよい。この場合、トランジスタＴのオン電流を向上し、トランジスタＴを有する回路の動作速度を向上できる場合がある。信号Ｂは、信号Ａと異なるアナログ信号であってもよい。この場合、トランジスタＴの制御を信号Ａと信号Ｂによって別々に行うことができ、より高い機能を実現できる場合がある。
【０１００】
信号Ａがデジタル信号、信号Ｂがアナログ信号であってもよい。信号Ａがアナログ信号、信号Ｂがデジタル信号であってもよい。
【０１０１】
また、トランジスタＴの一方のゲートには固定電位Ｖａが、他方のゲートには固定電位Ｖｂが与えられてもよい。トランジスタＴの両方のゲートに固定電位を与える場合、トランジスタＴを、抵抗素子と同等の素子として機能させることができる場合がある。例えば、トランジスタＴがｎチャネル型である場合、固定電位Ｖａまたは固定電位Ｖｂを高く（低く）することで、トランジスタの実効抵抗を低く（高く）することができる場合がある。固定電位Ｖａ及び固定電位Ｖｂを共に高く（低く）することで、一つのゲートしか有さないトランジスタによって得られる実効抵抗よりも低い（高い）実効抵抗が得られる場合がある。
【０１０２】
なお、トランジスタ４１が一対のゲートを有していてもよい。
【０１０３】
＜メモリセルの変形例３＞
図２（Ａ）においては、トランジスタ４１が、トランジスタ３２ａと配線ＶＬとの間に設けられた構成例を示したが、トランジスタ４１が設けられる位置はこれに限られない。トランジスタ４１が、トランジスタ３２ａ、３２ｂと直列に接続されていればよい。
【０１０４】
例えば、図２２（Ａ）に示すように、トランジスタ４１が、トランジスタ３２ｂと配線ＳＬとの間に設けられていてもよい。図２２（Ａ）において、トランジスタ４１のゲートは配線ＳＷと接続され、ソースまたはドレインの一方はトランジスタ３２ｂのソースまたはドレインの一方と接続され、ソースまたはドレインの他方は配線ＳＬと接続されている。
【０１０５】
また、例えば、図２２（Ｂ）に示すように、トランジスタ４１が、トランジスタ３２ａとトランジスタ３２ｂとの間に設けられていてもよい。図２２（Ｂ）において、トランジスタ４１のゲートは配線ＳＷと接続され、ソースまたはドレインの一方はトランジスタ３２ａのソースまたはドレインの一方と接続され、ソースまたはドレインの他方はトランジスタ３２ｂのソースまたはドレインの一方と接続されている。
【０１０６】
また、図２（Ａ）においては、メモリセル２０に回路４０が１つ設けられた構成例を示したが、複数の回路４０が設けられていてもよい。
【０１０７】
例えば、図２２（Ｃ）に示すように、回路４０が、回路３０ａと配線ＶＬとの間、および回路３０ｂと配線ＳＬとの間に設けられていてもよい。回路４０ａが有するトランジスタ４１ａのゲートは配線ＳＷａと接続され、ソースまたはドレインの一方はトランジスタ３２ａのソースまたはドレインの一方と接続され、ソースまたはドレインの他方は配線ＶＬと接続されている。回路４０ｂが有するトランジスタ４１ｂのゲートは配線ＳＷｂと接続され、ソースまたはドレインの一方はトランジスタ３２ｂのソースまたはドレインの一方と接続され、ソースまたはドレインの他方は配線ＳＬと接続されている。
【０１０８】
なお、図２２（Ｃ）においては、トランジスタ４１ａのゲートが配線ＳＷａと接続され、トランジスタ４１ｂのゲートが配線ＳＷｂと接続されているが、トランジスタ４１ａのゲートとトランジスタ４１ｂのゲートは同一の配線と接続されていてもよい。また、配線ＳＷｂには、配線ＳＷａに供給される信号に対応する信号（配線ＳＷａに供給される信号と同一の信号、配線ＳＷａに供給される信号の反転信号など）が供給されてもよいし、配線ＳＷａに供給される信号とは独立した信号が供給されてもよい。
【０１０９】
また、図２２（Ｃ）において、トランジスタ３２ａとトランジスタ３２ｂとの間に設けられたトランジスタ４１（図２２（Ｂ）参照）をさらに追加することもできる。
【０１１０】
本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。
【０１１１】
（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の一態様にかかる半導体装置の積層構造の一例を説明する。
【０１１２】
上記実施の形態において、ＯＳトランジスタを有する層と、ＯＳトランジスタ以外のトランジスタを有する層を積層することができる。また、ＯＳトランジスタを有する複数の層を積層することができる。具体的には、図２、５、６、２２のメモリセル２０において、回路３０ａ、回路３０ｂ、回路４０を積層することができる。例えば、回路４０上に回路３０ａを積層し、回路３０ａ上に回路３０ｂを積層することができる。これにより、メモリセルの面積を縮小することができる。
【０１１３】
回路３０ａ、回路３０ｂ、回路４０を積層した構造について、図７、８を用いて説明する。
【０１１４】
＜平面図＞
図７に、回路４０、回路３０ａ、回路３０ｂを順に積層したときのメモリセル２０の平面図を示す。
【０１１５】
回路４０の層は、トランジスタ４１を有する。具体的には、回路４０の層は、不純物領域１０１ａ、１０１ｂ、導電層１０３、導電層１１１を有する。不純物領域１０１ａ、１０１ｂは、トランジスタ４１のソース領域またはドレイン領域としての機能を有する。導電層１０３は、トランジスタ４１のゲート電極としての機能を有する。導電層１１１は、配線ＢＬａとしての機能を有する。また、不純物領域１０１ａは、配線ＶＬとしての機能を有する。
【０１１６】
導電層１１１は、接続部２５１を介して、回路３０ａの層の導電層１３３ａと接続されている。不純物領域１０１ｂは、接続部２５２を介して、回路３０ａの層の導電層１３４ｂと接続されている。
【０１１７】
回路３０ａの層は、トランジスタ３１ａ、３２ａを有する。具体的には、回路３０ａの層は、半導体層１３１、１３２、導電層１３３ａ、１３３ｂ、導電層１３４ａ、１３４ｂ、導電層１３７、１３８を有する。
【０１１８】
半導体層１３１は、トランジスタ３１ａの活性層としての機能を有し、半導体層１３２は、トランジスタ３２ａの活性層としての機能を有する。導電層１３３ａ、１３３ｂは、トランジスタ３１ａのソース電極またはドレイン電極としての機能を有し、導電層１３４ａ、１３４ｂは、トランジスタ３２ａのソース電極またはドレイン電極としての機能を有する。導電層１３７は、トランジスタ３１ａのゲート電極としての機能を有し、導電層１３８は、トランジスタ３２ａのゲート電極としての機能を有する。
【０１１９】
導電層１３３ａ、１３３ｂは、半導体層１３１と接続され、導電層１３４ａ、１３４ｂは、半導体層１３２と接続されている。導電層１３３ａは、接続部２６１を介して、回路４０の層の導電層１１１と接続されている。導電層１３３ｂは、接続部２６２を介して、容量素子３３ａ（図示せず）と接続されている。また、導電層１３３ｂは、接続部２６３を介して、導電層１３８と接続されている。すなわち、トランジスタ３１ａのソースまたはドレインの一方は、トランジスタ３２ａのゲートと接続されている。導電層１３４ａは、接続部２６５を介して、回路３０ｂの層の導電層１８４ａと接続されている。すなわち、トランジスタ３２ａのソースまたはドレインの一方は、トランジスタ３２ｂのソースまたはドレインの一方と接続されている。導電層１３４ｂは、接続部２６４を介して、不純物領域１０１ｂと接続されている。すなわち、トランジスタ３２ａのソースまたはドレインの一方は、トランジスタ４１のソースまたはドレインの一方と接続されている。
【０１２０】
回路３０ｂの層は、トランジスタ３１ｂ、３２ｂを有する。具体的には、回路３０ｂの層は、半導体層１８１、１８２、導電層１８３ａ、１８３ｂ、導電層１８４ａ、１８４ｂ、導電層１８７、１８８を有する。
【０１２１】
半導体層１８１は、トランジスタ３１ｂの活性層としての機能を有し、半導体層１８２は、トランジスタ３２ｂの活性層としての機能を有する。導電層１８３ａ、１８３ｂは、トランジスタ３１ｂのソース電極またはドレイン電極としての機能を有し、導電層１８４ａ、１８４ｂは、トランジスタ３２ｂのソース電極またはドレイン電極としての機能を有する。導電層１８７は、トランジスタ３１ｂのゲート電極としての機能を有し、導電層１８８は、トランジスタ３２ｂのゲート電極としての機能を有する。
【０１２２】
導電層１８３ａ、１８３ｂは、半導体層１８１と接続され、導電層１８４ａ、１８４ｂは、半導体層１８２と接続されている。導電層１８３ａは、接続部２７１を介して、配線ＢＬｂとしての機能を有する導電層（図示せず）と接続されている。導電層１８３ｂは、接続部２７２を介して、容量素子３３ｂ（図示せず）と接続されている。また、導電層１８３ｂは、接続部２７３を介して、導電層１８８と接続されている。すなわち、トランジスタ３１ｂのソースまたはドレインの一方は、トランジスタ３２ｂのゲートと接続されている。導電層１８４ａは、接続部２７５を介して、回路３０ａの層の導電層１３４ａと接続されている。すなわち、トランジスタ３２ｂのソースまたはドレインの一方は、トランジスタ３２ａのソースまたはドレインの一方と接続されている。導電層１８４ｂは、接続部２７４を介して、配線ＳＬとしての機能を有する導電層（図示せず）と接続されている。
【０１２３】
以上のように、メモリセル２０は、トランジスタ４１、トランジスタ３１ａ、３２ａ、トランジスタ３１ｂ、３２ｂが順に積層された構成とすることができる。これにより、メモリセル２０の面積を縮小することができる。
【０１２４】
なお、半導体層１３１、１３２、半導体層１８１、１８２には、酸化物半導体層を用いることができる。この場合、トランジスタ３１ａ、３２ａ、トランジスタ３１ｂ、３２ｂは、ＯＳトランジスタとなる。
【０１２５】
＜断面図＞
図８に、回路４０、回路３０ａ、回路３０ｂを順に積層したときのメモリセル２０の断面図を示す。ここでは、図７のＸ１−Ｘ２線における断面図、およびＸ３−Ｘ４線における断面図を示す。
【０１２６】
図８において、回路４０、回路３０ａ、回路３０ｂが順に積層されている。また、回路４０はトランジスタ４１を有し、回路３０ａはトランジスタ３１ａ、３２ａ、容量素子３３ａを有し、回路３０ｂはトランジスタ３１ｂ、３２ｂ、容量素子３３ｂを有する。
【０１２７】
トランジスタ４１は、非晶質、微結晶、多結晶または単結晶である、シリコン又はゲルマニウムなどの半導体膜または半導体基板に、チャネル形成領域を有するトランジスタとすることができる。図８には、トランジスタ４１が単結晶の半導体基板１００にチャネル形成領域を有する構造を示す。なお、シリコンの薄膜を用いてトランジスタ４１を形成する場合、当該薄膜には、プラズマＣＶＤ法などの気相成長法若しくはスパッタリング法で作製された非晶質シリコン、非晶質シリコンをレーザーの照射などの処理により結晶化させた多結晶シリコン、単結晶シリコンウェハに水素イオン等を注入して表層部を剥離した単結晶シリコンなどを用いることができる。
【０１２８】
トランジスタ４１が形成される半導体基板１００は、例えば、シリコン基板、ゲルマニウム基板、シリコンゲルマニウム基板等を用いることができる。ここでは一例として、単結晶シリコン基板を半導体基板１００として用いた場合について述べる。
【０１２９】
また、トランジスタ４１は、素子分離法により、他のトランジスタと電気的に分離されていてもよい。素子分離法として、選択酸化法（ＬＯＣＯＳ法：Ｌｏｃａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ法）、トレンチ分離法（ＳＴＩ法：Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）等を用いることができる。具体的には、半導体基板１００にエッチング等によりトレンチを形成した後、酸化珪素などを含む絶縁物を当該トレンチに埋め込むことにより、素子分離領域を設けることができる。
【０１３０】
トランジスタ４１は、不純物領域１０１ａ、１０１ｂと、ゲート絶縁層としての機能を有する絶縁層１０２と、導電層１０３を有する。なお、導電層１０３の側面には、サイドウォール絶縁層が設けられていてもよい。
【０１３１】
トランジスタ４１上には絶縁層１０４が設けられ、絶縁層１０４には開口部が設けられている。そして、絶縁層１０４の開口部には、導電層１０３と接続された導電層１０５、不純物領域１０１ｂと接続された導電層１０６が設けられている。また、導電層１０５は絶縁層１０４上に設けられた導電層１１２と接続されており、導電層１０６は、絶縁層１０４上に設けられた導電層１１３と接続されている。また、絶縁層１０４上には導電層１１１が設けられている。なお、導電層１１２は、配線ＳＷとしての機能を有する。または、導電層１１２は、配線ＳＷと接続されている。
【０１３２】
導電層１１１、１１２、１１３上には、絶縁層１１４、絶縁層１２３が設けられ、絶縁層１１４、絶縁層１２３には開口部が設けられている。そして、絶縁層１１４、絶縁層１２３の開口部には、導電層１１１と接続された導電層１１５、導電層１１３と接続された導電層１１６が形成されている。
【０１３３】
なお、絶縁層１１４上には、導電層１２１、１２２が設けられていてもよい。導電層１２１は、半導体層１３１と重なる領域を有し、トランジスタ３１ａのゲート電極としての機能を有する。導電層１２２は、半導体層１３２と重なる領域を有し、トランジスタ３２ａのゲート電極としての機能を有する。このように、トランジスタ３１ａ、３２ａは、半導体層を間に挟んで存在する一対のゲート電極を有していてもよい。この場合、絶縁層１２３は、トランジスタ３１ａ、３２ａのゲート絶縁層としての機能を有する。
【０１３４】
絶縁層１２３上には、半導体層１３１、１３２と、半導体層１３１と接する領域を有する導電層１３３ａ、１３３ｂと、半導体層１３２と接する領域を有する導電層１３４ａ、１３４ｂを有する。導電層１３３ａは、導電層１１５を介して導電層１１１と接続されている、導電層１３４ｂは、導電層１１６を介して導電層１１３と接続されている。なお、半導体層１３１、１３２は、酸化物半導体層が積層された構成とすることができる。ここでは、半導体層１３１、１３２が、積層された３層の酸化物半導体層を有する構成を示す。
【０１３５】
半導体層１３１、１３２、導電層１３３ａ、１３３ｂ、導電層１３４ａ、１３４ｂ上には、絶縁層１３５が設けられている。絶縁層１３５は、トランジスタ３１ａ、３２ａのゲート絶縁層としての機能を有する。また、絶縁層１３５上には、導電層１３７、１３８が設けられている。導電層１３７は、半導体層１３１と重なる領域を有し、導電層１３８は、半導体層１３２と重なる領域を有する。なお、導電層１３７は、配線ＷＬａとしての機能を有する。または、導電層１３７は、配線ＷＬａと接続されている。
【０１３６】
ここで、導電層１３３ｂは、導電層１３６を介して導電層１３８と接続されている。すなわち、トランジスタ３１ａのソースまたはドレインの一方は、トランジスタ３２ａのゲートと接続されている。なお、導電層１３３ｂは、導電層１３６を介さず、導電層１３８と直接接していてもよい。導電層１３３ｂと導電層１３８が接続されたノードが、ノードＦＮａ（図２等参照）に対応する。
【０１３７】
導電層１３７、１３８上には、絶縁層１３９が設けられ、絶縁層１３９には開口部が設けられている。そして、絶縁層１３９の開口部には、導電層１３３ｂと接続された導電層１４０、導電層１３４ａと接続された導電層１４１が設けられている。また、導電層１４０は絶縁層１３９上に設けられた導電層１５１と接続されており、導電層１４１は、絶縁層１３９上に設けられた導電層１５２と接続されている。
【０１３８】
導電層１５１、１５２上には、絶縁層１５３が設けられている。また、絶縁層１５３上には、導電層１６１が設けられている。
【０１３９】
導電層１５１、絶縁層１５３、導電層１６１によって、容量素子３３ａが構成されている。導電層１５１は容量素子３３ａの一方の電極としての機能を有し、絶縁層１５３は容量素子３３ａの誘電体としての機能を有し、導電層１６１は容量素子３３ａの他方の電極としての機能を有する。従って、トランジスタ３１ａのソースまたはドレインの一方は、導電層１４０を介して、容量素子３３ａの一方の電極と接続されている。なお、導電層１６１は、配線ＣＮＯＤＥａとしての機能を有する。または、導電層１６１は、配線ＣＮＯＤＥａと接続されている。
【０１４０】
導電層１６１上には、絶縁層１６２、絶縁層１７３が設けられ、絶縁層１６２、絶縁層１７３には開口部が設けられている。また、絶縁層１５３にも開口部が設けられている。そして、絶縁層１５３、絶縁層１６２、絶縁層１７３の開口部には、導電層１５２と接続された導電層１６３が設けられている。
【０１４１】
なお、絶縁層１６２上には、導電層１７１、１７２が設けられていてもよい。導電層１７１は、半導体層１８１と重なる領域を有し、トランジスタ３１ｂのゲート電極としての機能を有する。導電層１７２は、半導体層１８２と重なる領域を有し、トランジスタ３２ｂのゲート電極としての機能を有する。このように、トランジスタ３１ｂ、３２ｂは、半導体層を間に挟んで存在する一対のゲート電極を有していてもよい。この場合、絶縁層１７３は、トランジスタ３１ｂ、３２ｂのゲート絶縁層としての機能を有する。
【０１４２】
絶縁層１７３上には、半導体層１８１、１８２と、半導体層１８１と接する領域を有する導電層１８３ａ、１８３ｂと、半導体層１８２と接する領域を有する導電層１８４ａ、１８４ｂを有する。導電層１８４ａは、導電層１６３を介して導電層１５２と接続されている。すなわち、トランジスタ３２ｂのソースまたはドレインの一方は、トランジスタ３２ａのソースまたはドレインの一方と接続されている。
【０１４３】
半導体層１８１、１８２、導電層１８３ａ、１８３ｂ、導電層１８４ａ、１８４ｂ上には、絶縁層１８５が設けられている。絶縁層１８５は、トランジスタ３１ｂ、３２ｂのゲート絶縁層としての機能を有する。また、絶縁層１８５上には、導電層１８７、１８８が設けられている。導電層１８７は、半導体層１８１と重なる領域を有し、導電層１８８は、半導体層１８２と重なる領域を有する。なお、半導体層１８１、１８２は、酸化物半導体層が積層された構成とすることができる。ここでは、半導体層１８１、１８２が、積層された３層の酸化物半導体層を有する構成を示す。
【０１４４】
ここで、導電層１８３ｂは、導電層１８６を介して導電層１８８と接続されている。すなわち、トランジスタ３１ｂのソースまたはドレインの一方は、トランジスタ３２ｂのゲートと接続されている。なお、導電層１８３ｂは、導電層１８６を介さず、導電層１８８と直接接していてもよい。導電層１８３ｂと導電層１８８が接続されたノードが、ノードＦＮｂ（図２等参照）に対応する。なお、導電層１８７は、配線ＷＬｂとしての機能を有する。または、導電層１８７は、配線ＷＬｂと接続されている。
【０１４５】
導電層１８７、１８８上には、絶縁層１８９が設けられ、絶縁層１８９には開口部が設けられている。そして、絶縁層１８９の開口部には、導電層１８３ａと接続された導電層１９０、導電層１８３ｂと接続された導電層１９１、導電層１８４ｂと接続された導電層１９２が設けられている。また、導電層１９０は絶縁層１８９上に設けられた導電層２０１と接続されており、導電層１９１は絶縁層１８９上に設けられた導電層２０２と接続されており、導電層１９２は、絶縁層１８９上に設けられた導電層２０３と接続されている。
【０１４６】
導電層２０１、２０２、２０３上には、絶縁層２０４が設けられている。また、絶縁層２０４上には、導電層２１１が設けられている。
【０１４７】
導電層２０２、絶縁層２０４、導電層２１１によって、容量素子３３ｂが構成されている。導電層２０２は容量素子３３ｂの一方の電極としての機能を有し、絶縁層２０４は容量素子３３ｂの誘電体としての機能を有し、導電層２１１は容量素子３３ｂの他方の電極としての機能を有する。従って、トランジスタ３１ｂのソースまたはドレインの一方は、導電層１９１を介して、容量素子３３ｂの一方の電極と接続されている。なお、導電層２１１は、配線ＣＮＯＤＥｂとしての機能を有する。または、導電層２１１は、配線ＣＮＯＤＥｂと接続されている。
【０１４８】
導電層２１１上には、絶縁層２１２が設けられ、絶縁層２１２には開口部が設けられている。また、絶縁層２０４にも開口部が設けられている。そして、絶縁層２０４、絶縁層２１２の開口部には、導電層２０１と接続された導電層２０５と、導電層２０３と接続された導電層２０６が設けられている。
【０１４９】
絶縁層２１２上には、導電層２２１、２２２が設けられている。導電層２２１は、配線ＢＬｂとしての機能を有し、導電層２２２は、配線ＳＬとしての機能を有する。
【０１５０】
導電層２２１は導電層２０５と接続され、導電層２２２は導電層２０６と接続されている。これにより、導電層２２１は導電層１８３ａと接続され、導電層２２２は導電層１８４ｂと接続されている。
【０１５１】
以上のように、回路４０、回路３０ａ、回路３０ｂを積層することにより、メモリセル２０の面積を縮小することができる。
【０１５２】
なお、図８においては、回路４０上に２層の回路３０（回路３０ａ、３０ｂ）を積層した構成を示したが、３層以上の回路３０を積層してもよい。これにより、メモリセル２０の面積の増加を抑えつつ、図５（Ｃ）に示すように３つ以上の回路３０をメモリセル２０に搭載することができる。従って、メモリセル２０に記憶することが可能なデータ量を増加させることができる。
【０１５３】
なお、図７、８においては、回路３０ａと回路３０ｂを異なる層に形成した構成を示したが、回路３０ａと回路３０ｂが回路４０上の同一の層に形成されていてもよい。すなわち、トランジスタ３１ｂ、３２ｂがトランジスタ３１ａ、３２ａと同一の層に形成され、容量素子３３ｂが容量素子３３ａと同一の層に形成されていてもよい。
【０１５４】
以上のように、メモリセル２０に含まれるトランジスタを積層することにより、メモリセル２０の面積を縮小することができる。
【０１５５】
本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせることができる。
【０１５６】
（実施の形態４）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた記憶装置およびコンピュータについて説明する。
【０１５７】
＜記憶装置の構成例＞
図９は、上記実施の形態で説明した半導体装置１０を有する記憶装置の構成例を示すブロック図である。
【０１５８】
図９に示す記憶装置３００は、上記実施の形態で説明したメモリセル２０が複数設けられたメモリセルアレイ３１０、行選択ドライバ３２０、列選択ドライバ３３０、及びＡ／Ｄコンバータ３４０を有する。なお記憶装置３００は、ｎ行ｍ列のマトリクス状に設けられたメモリセル２０を有する。また、図９では、配線ＷＬａ、ＷＬｂ、配線ＣＮＯＤＥａ、ＣＮＯＤＥｂ、配線ＢＬ、配線ＳＬとして、１行目の配線ＷＬａ［１］、ＷＬｂ［１］、配線ＣＮＯＤＥａ［１］、ＣＮＯＤＥｂ［１］、２行目の配線ＷＬａ［２］、ＷＬｂ［２］、配線ＣＮＯＤＥａ［２］、ＣＮＯＤＥｂ［２］、１列目の配線ＢＬａ［１］、ＢＬｂ［１］、２列目の配線ＢＬａ［２］、ＢＬｂ［２］、１列目の配線ＳＬ［１］、２列目の配線ＳＬ［２］を示している。
【０１５９】
図９に示すメモリセルアレイ３１０は、上記実施の形態で説明したメモリセル２０が、マトリクス状に設けられている。なお、メモリセル２０が有する各構成の説明は、図２と同様であり、図２での説明を援用するものとして説明を省略する。
【０１６０】
行選択ドライバ３２０は、各行におけるメモリセル２０のトランジスタ３１を選択的に導通状態とする機能、及び各行におけるメモリセル２０のノードＦＮの電位を選択的に変化させる機能、を備えた駆動回路である。具体的には、配線ＷＬａ、ＷＬｂに選択信号を与え、配線ＣＮＯＤＥａ、ＣＮＯＤＥｂに読み出し信号を与える回路である。行選択ドライバ３２０を備えることで、記憶装置３００は、メモリセル２０へのデータの書き込み及び読み出しを行毎に選択して行うことができる。
【０１６１】
列選択ドライバ３３０は、各列におけるメモリセル２０のノードＦＮに選択的にデータを書き込む機能、配線ＢＬの電位をプリチャージする機能、配線ＢＬの電位を初期化する機能、配線ＢＬを電気的に浮遊状態とする機能などを備えた駆動回路である。具体的には、配線ＢＬに多値のデータに対応する書き込み電位、プリチャージ電圧Ｖｐｒｅｃｈａｒｇｅ、初期化電圧Ｖｉｎｉｔｉａｌなどを、スイッチを介して与える機能を備えた回路である。列選択ドライバ３３０を備えることで、記憶装置３００は、メモリセル２０へのデータの書き込み及び読み出しを列毎に選択して行うことができる。なお、列選択ドライバ３３０は上記の機能を全て備えている必要はなく、メモリセル２０の動作に合わせて適宜省略することができる。
【０１６２】
Ａ／Ｄコンバータ３４０は、アナログ値である配線ＢＬの電位を、デジタル値に変換して外部に出力する機能を備えた回路である。具体的には、フラッシュ型のＡ／Ｄコンバータを有する回路である。Ａ／Ｄコンバータ３４０を備えることで、記憶装置３００は、メモリセル２０より読み出されたデータに対応する配線ＳＬの電位を外部に出力することができる。
【０１６３】
なおＡ／Ｄコンバータ３４０は、フラッシュ型のＡ／Ｄコンバータとして説明を行うが、逐次比較型、マルチスロープ型、デルタシグマ型のＡ／Ｄコンバータを用いてもよい。
【０１６４】
［行選択ドライバの構成例］
図１０は、図９で説明した行選択ドライバ３２０の構成例を示すブロック図である。
【０１６５】
図１０に示す行選択ドライバ３２０は、デコーダ３２１、及び制御回路３２２を有する。制御回路３２２は、配線ＷＬａ、ＷＬｂ、配線ＣＮＯＤＥａ、ＣＮＯＤＥｂの行毎に設けられる。また各行の制御回路３２２は、配線ＷＬａ及び配線ＣＮＯＤＥａ、又は、配線ＷＬｂ及び配線ＣＮＯＤＥｂに接続される。
【０１６６】
デコーダ３２１は、配線ＷＬａ、ＷＬｂ、配線ＣＮＯＤＥａ、ＣＮＯＤＥｂが設けられる行を選択するための信号を出力する機能を備えた回路である。具体的には、アドレス信号Ａｄｄｒｅｓｓが入力され、該アドレス信号Ａｄｄｒｅｓｓに従って所定の行の制御回路３２２を選択する回路である。デコーダ３２１を備えることで、行選択ドライバ３２０は、任意の行を選択して、データの書き込み又は読み出しを行うことができる。なお、デコーダ３２１は、複数の制御回路３２２のうちいずれか１つを選択する機能を有していてもよいし、２つ以上を選択する機能を有していてもよい。
【０１６７】
制御回路３２２は、デコーダ３２１で選択された配線ＷＬａ、ＷＬｂ、配線ＣＮＯＤＥａ、ＣＮＯＤＥｂを有する行の、選択信号を出力する機能及び読み出し信号を選択的に出力する機能、を備えた回路である。具体的に、制御回路３２２は、書き込み制御信号Ｗｒｉｔｅ＿ＣＯＮＴ及び読み出し制御信号Ｒｅａｄ＿ＣＯＮＴが入力され、該信号に従って選択信号又は読み出し信号を選択的に出力する回路である。制御回路３２２を備えることで、行選択ドライバ３２０は、デコーダ３２１で選択された行での、選択信号又は読み出し信号を選択して出力することができる。
【０１６８】
［列選択ドライバの構成例］
図１１は、図９で説明した列選択ドライバ３３０の構成例を示すブロック図である。
【０１６９】
図１１に示す列選択ドライバ３３０は、デコーダ３３１、ラッチ回路３３２、Ｄ／Ａコンバータ３３３、スイッチ回路３３４、トランジスタ３３５、及びトランジスタ３３６を有する。ラッチ回路３３２、Ｄ／Ａコンバータ３３３、スイッチ回路３３４、トランジスタ３３５、及びトランジスタ３３６は、列毎に設けられる。また、各列のスイッチ回路３３４、トランジスタ３３５は、配線ＢＬに接続される。また、トランジスタ３３６は、配線ＳＬに接続される。
【０１７０】
デコーダ３３１は、配線ＢＬが設けられる列を選択し、入力されるデータを振り分けて出力する機能を備えた回路である。具体的には、アドレス信号Ａｄｄｒｅｓｓ及びデータＤａｔａが入力され、該アドレス信号Ａｄｄｒｅｓｓに従っていずれかの行のラッチ回路３３２にデータＤａｔａを出力する回路である。デコーダ３３１を備えることで、列選択ドライバ３３０は、任意の列を選択して、データの書き込みを行うことができる。
【０１７１】
なおデコーダ３３１に入力されるデータＤａｔａは、ａビットのデジタルデータである。ａビットのデジタルデータは、ビット毎に１又は０の２値のデータで表される信号である。例えば、２ビットのデジタルデータであれば、００、０１、１０、１１で表されるデータである。
【０１７２】
ラッチ回路３３２は、入力されるデータＤａｔａを一時的に記憶する機能を備えた回路である。具体的には、ラッチ信号Ｗ＿ＬＡＴが入力され、該ラッチ信号Ｗ＿ＬＡＴに従って記憶したデータＤａｔａをＤ／Ａコンバータ３３３に出力するフリップフロップ回路である。ラッチ回路３３２を備えることで、列選択ドライバ３３０は、任意のタイミングでデータの書き込みを行うことができる。
【０１７３】
Ｄ／Ａコンバータ３３３は、入力されるデジタル値のデータＤａｔａを、アナログ値のデータＶｄａｔａに変換する機能を備えた回路である。具体的に、Ｄ／Ａコンバータ３３３は、データＤａｔａのビット数が４ビットであれば、複数の電位Ｖ０乃至Ｖ１５の１６段階の電位のいずれかに変換してスイッチ回路３３４に出力する回路である。Ｄ／Ａコンバータ３３３を備えることで、列選択ドライバ３３０は、メモリセル２０に書き込むデータを、多値のデータに対応する電位とすることができる。
【０１７４】
なおＤ／Ａコンバータ３３３から出力されるＶｄａｔａは、異なる電圧値で表されるデータである。例えば、２ビットのデータの場合、０．５Ｖ、１．０Ｖ、１．５Ｖ、２．０Ｖの４値のデータとなり、いずれかの電圧値で表されるデータということができる。
【０１７５】
スイッチ回路３３４は、入力されるデータＶｄａｔａを配線ＢＬに与える機能、及び配線ＢＬを電気的に浮遊状態とする機能を備えた回路である。具体的には、アナログスイッチとインバータを備え、スイッチ制御信号Ｗｒｉｔｅ＿ＳＷによる制御により、データＶｄａｔａを配線ＢＬに与え、その後アナログスイッチをオフにすることで配線ＢＬを電気的に浮遊状態とする回路である。スイッチ回路３３４を備えることで、列選択ドライバ３３０は、データＶｄａｔａを配線ＢＬに与えた後、配線ＢＬを電気的に浮遊状態に保持することができる。
【０１７６】
トランジスタ３３５は、初期化電圧Ｖｉｎｉｔｉａｌを配線ＢＬに与える機能、及び配線ＢＬを電気的に浮遊状態とする機能を備えた回路である。具体的には、初期化制御信号Ｉｎｉｔ＿ＥＮによる制御で初期化電圧Ｖｉｎｉｔｉａｌを配線ＢＬに与え、その後配線ＢＬを電気的に浮遊状態とするスイッチである。トランジスタ３３５を備えることで、列選択ドライバ３３０は、初期化電圧Ｖｉｎｉｔｉａｌを配線ＢＬに与えた後、配線ＢＬを電気的に浮遊状態に保持することができる。
【０１７７】
トランジスタ３３６は、プリチャージ電圧Ｖｐｒｅｃｈａｒｇｅを配線ＳＬに与える機能、及び配線ＳＬを電気的に浮遊状態とする機能を備えた回路である。具体的には、プリチャージ制御信号Ｐｒｅ＿ＥＮによる制御でプリチャージ電圧Ｖｐｒｅｃｈａｒｇｅを配線ＳＬに与え、その後配線ＳＬを電気的に浮遊状態とするスイッチである。トランジスタ３３６を備えることで、列選択ドライバ３３０は、プリチャージ電圧Ｖｐｒｅｃｈａｒｇｅを配線ＳＬに与えた後、配線ＳＬを電気的に浮遊状態に保持することができる。
【０１７８】
［Ａ／Ｄコンバータの構成例］
図１２は、図９で説明したＡ／Ｄコンバータ３４０の構成例を示すブロック図である。
【０１７９】
図１２に示すＡ／Ｄコンバータ３４０は、コンパレータ３４１、エンコーダ３４２、ラッチ回路３４３、及びバッファ３４４を有する。コンパレータ３４１、エンコーダ３４２、ラッチ回路３４３、及びバッファ３４４は、列毎に設けられる。また各列のバッファ３４４は、データＤｏｕｔを出力する。
【０１８０】
コンパレータ３４１は、配線ＳＬの電位と、参照電圧Ｖｒｅｆ０乃至Ｖｒｅｆ１４との電位の高低を比較し、配線ＳＬの電位が多値のデータのいずれかに応じた電位であるかを判定する機能を備えた回路である。具体的には、複数のコンパレータ３４１を備え、それぞれのコンパレータ３４１に配線ＳＬの電位と、異なる参照電圧Ｖｒｅｆ０乃至Ｖｒｅｆ１４とが与えられ、配線ＳＬの電位がいずれかの電位の間にあるかを判定する回路である。コンパレータ３４１を備えることで、Ａ／Ｄコンバータ３４０は、配線ＳＬの電位が、多値のデータのいずれかに対応する電位かを判定することができる。
【０１８１】
なお、一例として図１２で示す参照電圧Ｖｒｅｆ０乃至Ｖｒｅｆ１４は、多値のデータが４ビット、すなわち１６値のデータである場合に与えられる電位である。
【０１８２】
エンコーダ３４２は、コンパレータ３４１から出力される配線ＳＬの電位を判定する信号をもとに、多ビットのデジタル信号を生成する機能を備えた回路である。具体的には、複数のコンパレータ３４１より出力されるハイレベル又はローレベルの信号をもとに符号化を行い、デジタル信号を生成する回路である。エンコーダ３４２を備えることで、Ａ／Ｄコンバータ３４０は、メモリセル２０から読み出されたデータをデジタル値のデータとすることができる。
【０１８３】
ラッチ回路３４３は、入力されるデジタル値のデータを一時的に記憶する機能を備えた回路である。具体的には、ラッチ信号ＬＡＴが入力され、該ラッチ信号ＬＡＴに従って記憶したデータをバッファ３４４に出力するフリップフロップ回路である。ラッチ回路３４３を備えることで、Ａ／Ｄコンバータ３４０は、任意のタイミングでデータの出力を行うことができる。なおラッチ回路３４３は、省略することができる。
【０１８４】
バッファ３４４は、ラッチ回路３４３より出力されたデータを増幅して出力信号Ｄｏｕｔとして出力する機能を備えた回路である。具体的には、インバータ回路を偶数段備えた回路である。バッファ３４４を備えることで、Ａ／Ｄコンバータ３４０は、デジタル信号に対するノイズを低減することができる。なおバッファ３４４は、省略することができる。
＜コンピュータの構成例＞
図１３は、上記の記憶装置を有するコンピュータの構成例を示すブロック図である。
【０１８５】
コンピュータ４００は、入力装置４１０、出力装置４２０、中央演算処理装置４３０、記憶装置（メインメモリ）４４０を有する。
【０１８６】
中央演算処理装置４３０は、制御回路４３１、演算回路４３２、記憶回路（レジスタ）４３３及び記憶回路（キャッシュメモリ）４３４を有する。
【０１８７】
入力装置４１０はコンピュータ４００に外部からデータを入力する機能を有する。
【０１８８】
出力装置４２０はコンピュータ４００から外部にデータを出力する機能を有する。
【０１８９】
制御回路４３１は、入力装置４１０、出力装置４２０、記憶装置（メインメモリ）４４０に、それらの装置を制御するための制御信号を出力する機能を有する。
【０１９０】
演算回路４３２は、入力されたデータに対する演算を行う機能を有する。
【０１９１】
記憶装置（レジスタ）４３３は、演算回路４３２が計算等に用いるデータを保持するために用いられる。
【０１９２】
記憶装置（キャッシュメモリ）４３４は記憶装置（メインメモリ）４４０内の頻繁に使う情報をコピーするために用いられる。
【０１９３】
記憶装置（キャッシュメモリ）４３４は、記憶装置（メインメモリ）４４０よりも高速アクセスが可能であるため、中央演算処理装置４３０の処理速度が向上する。なお、メインメモリの容量はキャッシュメモリの容量よりも大きく、キャッシュメモリの容量はレジスタの容量よりも大きい。また、キャッシュメモリ及びレジスタの動作は、メインメモリの動作より高速である。図９における記憶装置３００は、記憶回路（レジスタ）４３３、記憶回路（キャッシュメモリ）４３４、又は記憶装置（メインメモリ）４４０のいずれかに用いることができる。
【０１９４】
本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせることができる。
【０１９５】
（実施の形態５）
本実施の形態では、本発明の一態様に用いることができるＯＳトランジスタの構成例について説明する。
【０１９６】
＜構成例１＞
図１４にＯＳトランジスタの構成の一例を示す。図１４（Ａ）はＯＳトランジスタの構成の一例を示す上面図である。図１４（Ｂ）は、ｙ１−ｙ２線断面図であり、図１４（Ｃ）はｘ１−ｘ２線断面図であり、図１４（Ｄ）はｘ３−ｘ４線断面図である。ここでは、ｙ１−ｙ２線の方向をチャネル長方向と、ｘ１−ｘ２線方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。よって、図１４（Ｂ）は、ＯＳトランジスタのチャネル長方向の断面構造を示す図であり、図１４（Ｃ）および図１４（Ｄ）は、ＯＳトランジスタのチャネル幅方向の断面構造を示す図である。なお、デバイス構造を明確にするため、図１４（Ａ）では、一部の構成要素が省略されている。
【０１９７】
ＯＳトランジスタであるトランジスタ５８１は絶縁表面に形成される。ここでは、絶縁層５１１上に形成されている。絶縁層５１１は基板５１０表面に形成されている。トランジスタ５８１は絶縁層５１６に覆われている。なお、絶縁層５１６をトランジスタ５８１の構成要素とみなすこともできる。トランジスタ５８１は、絶縁層５１２、絶縁層５１３、絶縁層５１４、絶縁層５１５、半導体層５２１乃至５２３、導電層５３０、導電層５３１、導電層５３２および導電層５３３を有する。ここでは、半導体層５２１乃至５２３をまとめて、半導体領域５２０と呼称する。
【０１９８】
導電層５３０はゲート電極として機能し、導電層５３３はバックゲート電極として機能する。導電層５３１、５３２は、それぞれ、ソース電極またはドレイン電極として機能する。絶縁層５１１は、基板５１０と導電層５３３を電気的に分離させる機能を有する。絶縁層５１５はゲート絶縁層を構成し、絶縁層５１３、５１４はバックチャネル側のゲート絶縁層を構成する。
【０１９９】
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、本明細書等では、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。
【０２００】
チャネル幅とは、例えば、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
【０２０１】
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。
【０２０２】
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。
【０２０３】
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。
【０２０４】
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。
【０２０５】
図１４（Ｂ）、図１４（Ｃ）に示すように、半導体領域５２０は、半導体層５２１、半導体層５２２、半導体層５２３の順に積層している部分を有する。絶縁層５１５はこの積層部分を覆っている。導電層５３０は絶縁層５１３を介して積層部分と重なる。導電層５３１および導電層５３２は、半導体層５２１および半導体層５２３とでなる積層上に設けられており、それぞれ、この積層の上面と、同チャネル長方向の側面とに接している。半導体層５２１、５２２および導電層５３１、５３２の積層は、同じマスクを用いたエッチング工程を経ることで形成されている。
【０２０６】
半導体層５２３は、半導体層５２１、５２２、および導電層５３１、５３２を覆うように形成されている。絶縁層５１５は半導体層５２３を覆っている。ここでは、半導体層５２３と絶縁層５１５は同じマスクを用いてエッチングされている。
【０２０７】
絶縁層５１５を介して、半導体層５２１乃至５２３の積層部分のチャネル幅方向を取り囲むように、導電層５３０が形成されている（図１４（Ｃ）参照）。このため、この積層部分には、垂直方向からのゲート電界と、側面方向からのゲート電界も印加される。トランジスタ５８１において、ゲート電界とは、導電層５３０（ゲート電極層）に印加される電圧により形成される電界のことをいう。ゲート電界によって、半導体層５２１乃至５２３の積層部分全体を電気的に取り囲むことができるので、半導体層５２２の全体に（バルク）にチャネルが形成される場合がある。そのため、トランジスタ５８１は高いオン電流を有することができる。また、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造をとることで、トランジスタ５８１の高周波特性を向上することができる。具体的には、遮断周波数を向上ることができる。
【０２０８】
ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、高いオン電流が得られるため、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）など微細化されたトランジスタが要求される半導体装置に適した構造といえる。ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、高いオン電流が得られるため、高周波での動作が要求されるトランジスタに適した構造といえる。該トランジスタを有する半導体装置は、高周波で動作可能な半導体装置とすることが可能となる。
【０２０９】
ＯＳトランジスタの微細化によって、集積度が高い、または小型な半導体装置を提供することが可能となる。例えば、ＯＳトランジスタは、チャネル長が好ましくは１０ｎｍ以上、１μｍ未満、さらに好ましくは１０ｎｍ以上、１００ｎｍ未満、さらに好ましくは１０ｎｍ以上、７０ｎｍ未満、さらに好ましくは１０ｎｍ以上、６０ｎｍ未満、さらに好ましくは１０ｎｍ以上、３０ｎｍ未満の領域を有する。例えば、トランジスタは、チャネル幅が好ましくは１０ｎｍ以上、１μｍ未満、さらに好ましくは１０ｎｍ以上、１００ｎｍ未満、さらに好ましくは１０ｎｍ以上、７０ｎｍ未満、さらに好ましくは１０ｎｍ以上、６０ｎｍ未満、さらに好ましくは１０ｎｍ以上、３０ｎｍ未満の領域を有する。
【０２１０】
なお、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物などの酸化物半導体は、シリコンと比較して熱伝導が低い。そのため、半導体層５２２に酸化物半導体を用いると、特に半導体層５２２のチャネル形成領域のドレイン側の端部などにおいて、発熱が生じやすい。しかしながら、図１４（Ｂ）に示すトランジスタ５８１は、導電層５３１、５３２が導電層５３０と重なる領域を有するため、導電層５３１、５３２が半導体層５２２のチャネル形成領域の近傍に配置される。従って、半導体層５２２のチャネル形成領域で発生した熱が導電層５３１、５３２に伝導する。すなわち、導電層５３１、５３２を用いてチャネル形成領域の放熱を行うことができる。
【０２１１】
次に、図１４に示す各層の詳細を説明する。
【０２１２】
［基板］
基板５１０としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板は、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などである。また、半導体基板は、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などである。半導体基板は、バルク型でよいし、半導体基板に絶縁領域を介して半導体層が設けられているＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）型でもよい。導電体基板は、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などである。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などである。または、上掲された基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子は、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などである。
【０２１３】
基板５１０は可撓性基板でもよい。可撓性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可撓性の基板（例えば、半導体基板）上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可撓性基板である基板５１０に転置する方法もある。その場合には、非可撓性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。なお、基板５１０として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。また、基板５１０が伸縮性を有してもよい。また、基板５１０は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板５１０の厚さは、例えば、５μｍ以上７００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上５００μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上３００μｍ以下とする。基板５１０を薄くすると、半導体装置を軽量化することができる。また、基板５１０を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板５１０上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。
【０２１４】
可撓性基板である基板５１０は、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などである。可撓性基板は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可撓性基板には、例えば、線膨張率が１×１０−３／Ｋ以下、５×１０−５／Ｋ以下、または１×１０−５／Ｋ以下である材質を用いるとよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリル、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため可撓性基板の材料として好適である。
【０２１５】
［絶縁層］
絶縁層５１１乃至５１６は、単層構造または積層構造の絶縁層で形成される。絶縁層を構成する材料には、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどがある。
【０２１６】
なお、本明細書において、酸化窒化物とは、窒素よりも酸素の含有量が多い化合物をいい、窒化酸化物とは、酸素よりも窒素の含有量が多い化合物をいう。本明細書等において、絶縁材料に用いられる酸化物には、窒素濃度が１ａｔｏｍｉｃ％未満のものも含まれる。
【０２１７】
絶縁層５１４および絶縁層５１５は半導体領域５２０と接しているため、酸化物を含むことが好ましく、特に、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を含むことが好ましい。好適には、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物を用いることが好ましい。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物膜は、加熱により一部の酸素が脱離する。絶縁層５１４、絶縁層５１５から脱離した酸素は酸化物半導体である半導体領域５２０に供給され、酸化物半導体中の酸素欠損を低減することが可能となる。その結果、トランジスタの電気特性の変動を抑制し、信頼性を高めることができる。
【０２１８】
化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物膜は、例えば、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて、膜の表面温度が１００℃以上７００℃以下、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以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面は１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。
【０２１９】
絶縁層５１３は、絶縁層５１４に含まれる酸素が、導電層５３３に含まれる金属と結びつき、絶縁層５１４に含まれる酸素が減少することを防ぐパッシベーション機能を有する。絶縁層５１６は、絶縁層５１４に含まれる酸素が減少することを防ぐパッシベーション機能を有する。
【０２２０】
絶縁層５１１、５１３、５１６は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等をブロッキングできる機能を有していることが好ましい。絶縁層５１１、５１３、５１６を設けることで、半導体領域５２０から外部への酸素の拡散と、外部から半導体領域５２０への水素、水等が入り込みを防ぐことができる。このような機能を持たせるため、絶縁層５１１、５１３、５１６には、例えば、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、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でなる絶縁層を少なくとも１層設ければよい。
【０２２１】
なお、絶縁層５１１は、図８における絶縁層１１４、絶縁層１６２などに対応する。
【０２２２】
［導電層］
導電層５３１および導電層５３２は、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、ストロンチウム（Ｓｒ）の低抵抗材料からなる単体、もしくは合金、またはこれらを主成分とする化合物を含む導電膜の単層または積層とすることが好ましい。特に、耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましい。また、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。さらに、Ｃｕ−Ｍｎ合金を用いると、酸素を含む絶縁体との界面に酸化マンガンを形成し、酸化マンガンがＣｕの拡散を抑制する機能を持つので好ましい。
【０２２３】
導電層５３１および導電層５３２は、半導体層５２１と半導体層５２２との積層を形成するために使用されるハードマスクから作製されている。そのため、導電層５３１および導電層５３２は、半導体層５２１および半導体層５２２の側面に接する領域を有していない。例えば、次のような工程を経て、半導体層５２１、５２２、導電層５３１、５３２を作製することができる。半導体層５２１、５２２を構成する２層の酸化物半導体膜を形成する。酸化物半導体膜上に、単層または積層の導電膜を形成する。この導電膜をエッチングしてハードマスクを形成する。このハードマスクを用いて、２層の酸化物半導体膜をエッチングして、半導体層５２１と半導体層５２２の積層を形成する。次に、ハードマスクをエッチングして、導電層５３１および導電層５３２を形成する。
【０２２４】
導電層５３０および導電層５３０には、導電層５３１および導電層５３２と同様の材料を用いることができる。
【０２２５】
［半導体層］
半導体層５２２は、例えば、インジウム（Ｉｎ）を含む酸化物半導体である。半導体層５２２は、例えば、インジウムを含むと、キャリア移動度（電子移動度）が高くなる。また、半導体層５２２は、元素Ｍを含むと好ましい。元素Ｍは、好ましくは、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、イットリウム（Ｙ）またはスズ（Ｓｎ）などとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、ネオジム（Ｎｄ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）などがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。元素Ｍは、例えば、酸素との結合エネルギーが高い元素である。例えば、酸素との結合エネルギーがインジウムよりも高い元素である。または、元素Ｍは、例えば、酸化物半導体のエネルギーギャップを大きくする機能を有する元素である。また、半導体層５２２は、亜鉛（Ｚｎ）を含むと好ましい。酸化物半導体は、亜鉛を含むと結晶化しやすくなる場合がある。
【０２２６】
ただし、半導体層５２２は、インジウムを含む酸化物半導体に限定されない。半導体層５２２は、例えば、亜鉛スズ酸化物、ガリウムスズ酸化物などの、インジウムを含まず、亜鉛を含む酸化物半導体、ガリウムを含む酸化物半導体、スズを含む酸化物半導体などであっても構わない。半導体層５２２は、例えば、エネルギーギャップが大きい酸化物を用いる。半導体層５２２のエネルギーギャップは、例えば、２．５ｅＶ以上４．２ｅＶ以下、好ましくは２．８ｅＶ以上３．８ｅＶ以下、さらに好ましくは３ｅＶ以上３．５ｅＶ以下とする。半導体領域５２０は、後述するＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）で形成されていることが好ましい。または、少なくとも、半導体層５２２はＣＡＡＣ−ＯＳで形成されていることが好ましい。
【０２２７】
例えば、半導体層５２１および半導体層５２３は、半導体層５２２を構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から構成される酸化物半導体である。半導体層５２２を構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から半導体層５２１および半導体層５２３が構成されるため、半導体層５２１と半導体層５２２との界面、および半導体層５２２と半導体層５２３との界面において、界面準位が形成されにくい。
【０２２８】
なお、半導体層５２１がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが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％より高いとする。半導体層５２１をスパッタリング法で成膜する場合、上記の組成を満たすスパッタリングターゲットを用いることが好ましい。例えば、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：２が好ましい。
【０２２９】
また、半導体層５２２がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。半導体層５２２をスパッタリング法で成膜する場合、上記の組成を満たすスパッタリングターゲットを用いることが好ましい。例えば、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：４．１が好ましい。特に、スパッタリングターゲットとして、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１を用いる場合、成膜される半導体層５２２の原子数比は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３近傍となる場合がある。
【０２３０】
また、半導体層５２３がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが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％より高くする。なお、半導体層５２３は、半導体層５２１と同種の酸化物を用いても構わない。ただし、半導体層５２１または／および半導体層５２３がインジウムを含まなくても構わない場合がある。例えば、半導体層５２１または／および半導体層５２３が酸化ガリウムであっても構わない。
【０２３１】
図１５を参照して、半導体層５２１、半導体層５２２、および半導体層５２３の積層により構成される半導体領域５２０の機能およびその効果について、説明する。図１５（Ａ）は、図１４（Ｂ）の部分拡大図であり、トランジスタ５８１の活性層（チャネル部分）を拡大した図である。図１５（Ｂ）はトランジスタ５８１の活性層成領域のエネルギーバンド構造であり、図１５（Ａ）の点線Ｚ１−Ｚ２で示す部位のエネルギーバンド構造を示している。
【０２３２】
図１５（Ｂ）の、Ｅｃ５１４、Ｅｃ５２１、Ｅｃ５２２、Ｅｃ５２３、Ｅｃ５１５は、それぞれ、絶縁層５１４、半導体層５２１、半導体層５２２、半導体層５２３、絶縁層５１５の伝導帯下端のエネルギーを示している。
【０２３３】
ここで、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差（「電子親和力」ともいう。）は、真空準位と価電子帯上端のエネルギーとの差（イオン化ポテンシャルともいう。）からエネルギーギャップを引いた値となる。なお、エネルギーギャップは、分光エリプソメータを用いて測定できる。また、真空準位と価電子帯上端のエネルギー差は、紫外線光電子分光分析（ＵＰＳ：Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）装置を用いて測定できる。
【０２３４】
絶縁層５１５と絶縁層５１６は絶縁体であるため、Ｅｃ５１３とＥｃ５１２は、Ｅｃ５２１、Ｅｃ５２２、およびＥｃ５２３よりも真空準位に近い（電子親和力が小さい）。
【０２３５】
半導体層５２２には、半導体層５２１および半導体層５２３よりも電子親和力の大きい酸化物が用いられる。例えば、半導体層５２２として、半導体層５２１および半導体層５２３よりも電子親和力の０．０７ｅＶ以上１．３ｅＶ以下、好ましくは０．１ｅＶ以上０．７ｅＶ以下、さらに好ましくは０．１５ｅＶ以上０．４ｅＶ以下大きい酸化物が用いられる。なお、電子親和力は、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差である。
【０２３６】
なお、インジウムガリウム酸化物は、小さい電子親和力と、高い酸素ブロック性を有する。そのため、半導体層５２３がインジウムガリウム酸化物を含むと好ましい。ガリウム原子割合［Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）］は、例えば、７０％以上、好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上とする。このとき、ゲート電圧を印加すると、半導体層５２１、半導体層５２２、半導体層５２３のうち、電子親和力の大きい半導体層５２２にチャネルが形成される。
【０２３７】
ここで、半導体層５２１と半導体層５２２との間には、半導体層５２１と半導体層５２２との混合領域を有する場合がある。また、半導体層５２２と半導体層５２３との間には、半導体層５２２と半導体層５２３との混合領域を有する場合がある。混合領域は、界面準位密度が低くなる。そのため、半導体層５２１、半導体層５２２および半導体層５２３の積層体は、それぞれの界面近傍において、エネルギーが連続的に変化する（連続接合ともいう。）バンド構造となる。
【０２３８】
このとき、電子は、半導体層５２１中および半導体層５２３中ではなく、半導体層５２２中を主として移動する。上述したように、半導体層５２１および半導体層５２２の界面における界面準位密度、半導体層５２２と半導体層５２３との界面における界面準位密度を低くすることによって、半導体層５２２中で電子の移動が阻害されることが少なく、トランジスタのオン電流を高くすることができる。
【０２３９】
トランジスタのオン電流は、電子の移動を阻害する要因を低減するほど、高くすることができる。例えば、電子の移動を阻害する要因のない場合、効率よく電子が移動すると推定される。電子の移動は、例えば、チャネル形成領域の物理的な凹凸が大きい場合にも阻害される。または、例えば、チャネルの形成される領域中の欠陥準位密度が高い場合にも、電子の移動は阻害される。
【０２４０】
トランジスタ５８１のオン電流を高くするためには、例えば、半導体層５２２の上面または下面（被形成面、ここでは半導体層５２１）の、１μｍ×１μｍの範囲における二乗平均平方根（ＲＭＳ：Ｒｏｏｔ  Ｍｅａｎ  Ｓｑｕａｒｅ）粗さが１ｎｍ未満、好ましくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における平均面粗さ（Ｒａともいう。）が１ｎｍ未満、好ましくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における最大高低差（Ｐ−Ｖともいう。）が１０ｎｍ未満、好ましくは９ｎｍ未満、さらに好ましくは８ｎｍ未満、より好ましくは７ｎｍ未満とすればよい。ＲＭＳ粗さ、ＲａおよびＰ−Ｖは、走査型プローブ顕微鏡システムを用いて測定することができる。
【０２４１】
例えば、半導体層５２２が酸素欠損（ＶＯとも表記する。）を有する場合、酸素欠損のサイトに水素が入り込むことでドナー準位を形成することがある。以下では酸素欠損のサイトに水素が入り込んだ状態をＶＯＨと表記する場合がある。ＶＯＨは電子を散乱するため、トランジスタのオン電流を低下させる要因となる。なお、酸素欠損のサイトは、水素が入るよりも酸素が入る方が安定する。したがって、半導体層５２２中の酸素欠損を低減することで、トランジスタのオン電流を高くすることができる場合がある。
【０２４２】
例えば、半導体層５２２のある深さにおいて、または、半導体層５２２のある領域において、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）で測定される水素濃度は、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【０２４３】
半導体層５２２の酸素欠損を低減するために、例えば、絶縁層５１５に含まれる過剰酸素を、半導体層５２１を介して半導体層５２２まで移動させる方法などがある。この場合、半導体層５２１は、酸素透過性を有する層（酸素を通過または透過させる層）であることが好ましい。
【０２４４】
トランジスタ５８１がｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造である場合、半導体層５２２の全体にチャネルが形成される。したがって、半導体層５２２が厚いほどチャネル領域は大きくなる。即ち、半導体層５２２が厚いほど、トランジスタ５８１のオン電流を高くすることができる。
【０２４５】
また、トランジスタ５８１のオン電流を高くするためには、半導体層５２３の厚さは小さいほど好ましい。半導体層５２３は、例えば、１０ｎｍ未満、好ましくは５ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以下の領域を有していればよい。一方、半導体層５２３は、チャネルの形成される半導体層５２２へ、隣接する絶縁体を構成する酸素以外の元素（水素、シリコンなど）が入り込まないようブロックする機能を有する。そのため、半導体層５２３は、ある程度の厚さを有することが好ましい。半導体層５２３は、例えば、０．３ｎｍ以上、好ましくは１ｎｍ以上、さらに好ましくは２ｎｍ以上の厚さの領域を有していればよい。また、半導体層５２３は、絶縁層５１５などから放出される酸素の外方拡散を抑制するために、酸素をブロックする性質を有すると好ましい。
【０２４６】
また、トランジスタ５８１の信頼性を高くするためには、半導体層５２１は厚く、半導体層５２３は薄いことが好ましい。半導体層５２１は、例えば、１０ｎｍ以上、好ましくは２０ｎｍ以上、さらに好ましくは４０ｎｍ以上、より好ましくは６０ｎｍ以上の厚さの領域を有していればよい。半導体層５２１の厚さを、厚くすることで、隣接する絶縁体と半導体層５２１との界面からチャネルの形成される半導体層５２２までの距離を離すことができる。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、半導体層５２１は、例えば、２００ｎｍ以下、好ましくは１２０ｎｍ以下、さらに好ましくは８０ｎｍ以下の厚さの領域を有していればよい。
【０２４７】
トランジスタ５８１に安定した電気特性を付与するには、半導体領域５２０中の不純物濃度を低減し、半導体層５２２を真性または実質的に真性にすることが有効である。なお、本明細書等において、酸化物半導体が実質的に真性であるという場合、酸化物半導体のキャリア密度が、８×１０１１個／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１個／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１０個／ｃｍ３未満であり、且つ、１×１０−９個／ｃｍ３以上であることを指す。
【０２４８】
酸化物半導体において、水素、窒素、炭素、シリコン、および主成分以外の金属元素は不純物となる。例えば、水素および窒素はドナー準位の形成に寄与し、キャリア密度を増大させてしまう。また、シリコンは酸化物半導体中で不純物準位の形成に寄与する。当該不純物準位はトラップとなり、トランジスタの電気特性を劣化させることがある。したがって、半導体層５２１、半導体層５２２および半導体層５２３の層中や、それぞれの界面において不純物濃度を低減させることが好ましい。
【０２４９】
例えば、半導体層５２２と半導体層５２１との間に、シリコン濃度が１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上かつ１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満である領域を有する。シリコン濃度は、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上かつ５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満が好ましく、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上かつ２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であることがより好ましい。また、半導体層５２２と半導体層５２３との間に、シリコン濃度が１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上かつ１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満である領域を有する。シリコン濃度は１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上かつ５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満が好ましく、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満がより好ましい。シリコン濃度は例えばＳＩＭＳで測定することができる。
【０２５０】
また、半導体層５２２の水素濃度を低減するために、半導体層５２１および半導体層５２３の水素濃度を低減すると好ましい。半導体層５２１および半導体層５２３は、水素濃度が１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上かつ２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の領域を有する。水素濃度は、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上かつ５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下が好ましく、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上かつ１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下がより好ましく、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上かつ５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下がさらに好ましい。水素濃度は例えばＳＩＭＳで測定することができる。
【０２５１】
半導体層５２２の窒素濃度を低減するために、半導体層５２１および半導体層５２３の窒素濃度を低減すると好ましい。半導体層５２１および半導体層５２３は、窒素濃度が１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上かつ５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満の領域を有する。窒素濃度は１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上かつ５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下が好ましく、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上かつ１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下がより好ましく、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上かつ５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下がさらに好ましい。窒素濃度はＳＩＭＳで測定することができる。
【０２５２】
また、上述のように高純度化された酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタのオフ電流は極めて小さい。例えば、ソースとドレインとの間の電圧を０．１（Ｖ）、５（Ｖ）、または、１０（Ｖ）程度とした場合に、トランジスタのチャネル幅で規格化したオフ電流を数ｙＡ／μｍから数ｚＡ／μｍにまで低減することが可能となる。
【０２５３】
図１４は、半導体領域５２０が３層の例であるが、これに限定されない。例えば、半導体層５２１または半導体層５２３が無い２層構造としてもよい。または、半導体層５２１の上もしくは下、または半導体層５２３上もしくは下に、半導体層５２１乃至５２３と同様の半導体層を設けて、４層構造とすることも可能である。または、半導体層５２１の上、半導体層５２１の下、半導体層５２３の上、半導体層５２３の下のいずれか二箇所以上に、半導体層５２１乃至５２３と同様の半導体層を設けて、ｎ層構造（ｎは５以上の整数）とすることもできる。
【０２５４】
トランジスタ５８１をバックゲート電極の無いトランジスタにする場合、導電層５３３を設けなければよい。この場合、絶縁層５１２、５１３も設けず、絶縁層５１１上に絶縁層５１３を形成すればよい。
【０２５５】
＜構成例２＞
図１４に示すトランジスタ５８１は、導電層５３０をマスクにして、半導体層５２３及び絶縁層５１５をエッチングすることができる。そのような工程を経たＯＳトランジスタの構成例を図１６（Ａ）に示す。図１６（Ａ）に示すトランジスタ５８２では、半導体層５２３および絶縁層５１５の端部は導電層５３０の端部とほぼ一致することになる。導電層５３０の下部のみに半導体層５２３および絶縁層５１３が存在する。
【０２５６】
＜構成例３＞
図１６（Ｂ）に示すトランジスタ５８３は、トランジスタ５８２に導電層５３５、導電層５３６を追加したデバイス構造を有する。トランジスタ５８２のソース電極およびドレイン電極として一対の電極は、導電層５３５と導電層５３１の積層、および導電層５３６と導電層５３２の積層で構成される。
【０２５７】
導電層５３５、５３６は、単層または積層の導電体で形成される。例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を用いることができる。導電体は合金膜や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
【０２５８】
導電層５３５、５３６は可視光線を透過する性質を有してよい。または、導電層５３５、５３６は可視光線、紫外線、赤外線もしくはＸ線を、反射もしくは吸収することで透過させない性質を有してもよい。このような性質を有することで、トランジスタ５８２の電気特性の迷光による変動を抑制できる場合がある。
【０２５９】
導電層５３５、５３６は、半導体層５２２などとの間にショットキー障壁を形成しない層を用いると好ましい場合がある。こうすることで、トランジスタ５８３のオン特性を向上させることができる。
【０２６０】
導電層５３５、５３６は、導電層５３１、５３２よりも高抵抗の膜を用いると好ましい場合がある。また、導電層５３５、５３６は、トランジスタ５８３のチャネル（具体的には、半導体層５２２）よりも抵抗を低いことが好ましい場合がある。例えば、導電層５３５、５３６の抵抗率を、０．１Ωｃｍ以上１００Ωｃｍ以下、または０．５Ωｃｍ以上５０Ωｃｍ以下、または１Ωｃｍ以上１０Ωｃｍ以下とすればよい。導電層５３５、５３６の抵抗率を上述の範囲とすることにより、チャネルとドレインとの境界部における電界集中を緩和することができる。そのため、トランジスタ５８３の電気特性の変動を低減することができる。また、ドレインから生じる電界に起因したパンチスルー電流を低減することができる。そのため、チャネル長の短いトランジスタにおいても、飽和特性を良好にすることができる。なお、ソースとドレインとが入れ替わらない回路構成であれば、導電層５３５および導電層５３６のいずれか一方のみ（例えば、ドレイン側）を配置するほうが好ましい場合がある。
【０２６１】
＜構成例４＞
図１４に示すトランジスタ５８１は、導電層５３１及び導電層５３２が、半導体層５２１、５２２の側面と接していてもよい。そのような構成例を図１６（Ｃ）に示す。図１６（Ｃ）に示すトランジスタ５８４は、導電層５３１及び導電層５３２が半導体層５２１の側面及び半導体層５２２の側面と接している。
【０２６２】
＜酸化物半導体膜の結晶構造＞
以下に、半導体領域５２０を構成する酸化物半導体膜の構造について説明する。なお、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。
【０２６３】
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。
【０２６４】
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。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。
【０２６５】
［ＣＡＡＣ−ＯＳ膜］
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。
【０２６６】
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の明視野像および回折パターンの複合解析像（高分解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察することで複数の結晶部を確認することができる。一方、高分解能ＴＥＭ像によっても明確な結晶部同士の境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
【０２６７】
試料面と略平行な方向から、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の断面の高分解能ＴＥＭ像を観察すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の膜を形成する面（被形成面ともいう。）または上面の凹凸を反映した形状であり、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面と平行に配列する。
【０２６８】
一方、試料面と略垂直な方向から、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の平面の高分解能ＴＥＭ像を観察すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
【０２６９】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）装置を用いて構造解析を行うと、例えばＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。
【０２７０】
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。
【０２７１】
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。
【０２７２】
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。
【０２７３】
不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い（酸素欠損の少ない）ことを、高純度真性または実質的に高純度真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。したがって、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性（ノーマリーオンともいう。）になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。なお、酸化物半導体膜のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
【０２７４】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたＯＳ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。
【０２７５】
［微結晶酸化物半導体膜］
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。
【０２７６】
ｎｃ−ＯＳ膜は、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳ膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ−ＯＳ膜は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体膜と区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部よりも大きい径のＸ線を用いる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回折（制限視野電子回折ともいう。）を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部の大きさと近いか結晶部より小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対しナノビーム電子回折を行うと、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される場合がある。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対しナノビーム電子回折を行うと、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある。
【０２７７】
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。
【０２７８】
［非晶質酸化物半導体膜］
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。
【０２７９】
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。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。
【０２８０】
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。
【０２８１】
ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ膜は、高分解能ＴＥＭ像において鬆（ボイドともいう。）が観察される場合がある。また、高分解能ＴＥＭ像において、明確に結晶部を確認することのできる領域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ膜は、ＴＥＭによる観察程度の微量な電子照射によって、結晶化が起こり、結晶部の成長が見られる場合がある。一方、良質なｎｃ−ＯＳ膜であれば、ＴＥＭによる観察程度の微量な電子照射による結晶化はほとんど見られない。
【０２８２】
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。
【０２８３】
酸化物半導体膜は、構造ごとに膜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酸化物半導体膜の膜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、単結晶酸化物半導体膜の膜密度に対し、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ膜の膜密度は７８．６％以上９２．３％未満となる。また、例えば、単結晶酸化物半導体膜の膜密度に対し、ｎｃ−ＯＳ膜の膜密度およびＣＡＡＣ−ＯＳ膜の膜密度は９２．３％以上１００％未満となる。なお、単結晶酸化物半導体膜の膜密度に対し膜密度が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。
【０２８４】
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の膜密度は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膜の膜密度は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膜の膜密度およびＣＡＡＣ−ＯＳ膜の膜密度は５．９ｇ／ｃｍ３以上６．３ｇ／ｃｍ３未満となる。
【０２８５】
なお、同じ組成の単結晶酸化物半導体膜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酸化物半導体膜を組み合わせることにより、所望の組成の単結晶酸化物半導体膜に相当する膜密度を算出することができる。所望の組成の単結晶酸化物半導体膜の膜密度は、組成の異なる単結晶酸化物半導体膜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、膜密度は、可能な限り少ない種類の単結晶酸化物半導体膜を組み合わせて算出することが好ましい。
【０２８６】
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。
【０２８７】
＜成膜方法＞
半導体装置を構成する絶縁層、導電層、半導体層等の成膜方法としては、スパッタ法や、プラズマＣＶＤ法が代表的である。その他の方法、例えば、熱ＣＶＤ法により形成すること可能である。熱ＣＶＤ法として、例えば、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を使用することができる。
【０２８８】
熱ＣＶＤ法は、プラズマを使わない成膜方法のため、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。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ってもよい。
【０２８９】
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ってもよい。例えば、それぞれのスイッチングバルブ（高速バルブとも呼ぶ）を切り換えて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。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ＦＥＴを作製する場合に適している。
【０２９０】
ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ法などの熱ＣＶＤ法は、これまでに記載した実施形態に開示された導電膜や半導体膜を形成することができ、例えば、ＩｎＧａＺｎＯＸ（Ｘ＞０）膜を成膜する場合には、トリメチルインジウム、トリメチルガリウム、及びジメチル亜鉛を用いる。なお、トリメチルインジウムの化学式は、（ＣＨ３）３Ｉｎである。また、トリメチルガリウムの化学式は、（ＣＨ３）３Ｇａである。また、ジメチル亜鉛の化学式は、（ＣＨ３）２Ｚｎである。また、これらの組み合わせに限定されず、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウム（化学式（Ｃ２Ｈ５）３Ｇａ）を用いることもでき、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛（化学式（Ｃ２Ｈ５）２Ｚｎ）を用いることもできる。
【０２９１】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置によりタングステン膜を成膜する場合には、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ガスを用い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。
【０２９２】
例えば、ＡＬＤ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ガスを用いてＧａＯ層を形成し、更にその後Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスとＯ３ガスを用いて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て得られた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。
【０２９３】
本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせることができる。
【０２９４】
（実施の形態６）
本実施の形態では、半導体装置の一例として、電子部品、及び電子部品を具備する電子機器等について説明する。
【０２９５】
図１７（Ａ）は、電子部品の作製方法例を示すフローチャートである。電子部品は、半導体パッケージ、ＩＣ用パッケージ、またはパッケージともいう。この電子部品は、端子取り出し方向や、端子の形状に応じて、複数の規格や名称が存在する。そこで、本実施の形態では、その一例について説明することにする。
【０２９６】
トランジスタで構成される半導体装置は、組み立て工程（後工程）を経て、プリント基板に脱着可能な部品が複数合わさることで完成する。後工程については、図１７（Ａ）に示す各工程を経ることで完成させることができる。具体的には、前工程で得られる素子基板が完成（ステップＳ１）した後、基板を複数のチップに分離するダイシング工程を行う（ステップＳ２）。基板を複数に分割する前に、基板を薄膜化して、前工程での基板の反り等を低減し、部品の小型化を図る。
【０２９７】
チップをピックアップしてリードフレーム上に搭載し接合する、ダイボンディング工程を行う（ステップＳ３）。ダイボンディング工程におけるチップとリードフレームとの接着は樹脂やテープによって行えばよい。接着方法は製品に適した方法を選択すればよい。ダイボンディング工程は、インターポーザ上にチップを搭載し接合してもよい。ワイヤーボンディング工程で、リードフレームのリードとチップ上の電極とを金属の細線（ワイヤー）で電気的に接続する（ステップＳ４）。金属の細線には、銀線や金線を用いることができる。ワイヤーボンディングは、ボールボンディングとウェッジボンディングの何れでもよい。
【０２９８】
ワイヤーボンディングされたチップは、エポキシ樹脂等で封止される、モールド工程が施される（ステップＳ５）。リードフレームのリードをメッキ処理する。そしてリードを切断及び成形加工する（ステップＳ６）。めっき処理によりリードの錆を防止し、後にプリント基板に実装する際のはんだ付けをより確実に行うことができる。パッケージの表面に印字処理（マーキング）を施す（ステップＳ７）。検査工程（ステップＳ８）を経て、電子部品が完成する（ステップＳ９）。上掲した実施の形態の半導体装置を組み込むことで、低消費電力で、小型な電子部品を提供することができる。
【０２９９】
図１７（Ｂ）は完成した電子部品の斜視模式図である。一例として、図１７（Ｂ）はＱＦＰ（Ｑｕａｄ  Ｆｌａｔ  Ｐａｃｋａｇｅ）を示している。図１７（Ｂ）に示す電子部品８００は、リード８０１及び回路部８０３を示している。回路部８０３には、例えば、上記実施の形態に示す半導体装置や記憶装置、その他の論理回路が含まれている。電子部品８００は、例えばプリント基板８０２に実装される。このような電子部品８００が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板８０２上で電気的に接続されることで電子機器に搭載することができる。完成した回路基板８０４は、電子機器等の内部に設けられる。例えば、電子部品８００は、データを記憶するランダムアクセスメモリ、ＣＰＵ、ＭＣＵ、ＦＰＧＡ、無線ＩＣ等の各種の処理を実行するプロセッシングユニットに用いることができる。電子部品８００を搭載することで、電子機器の消費電力を削減することができる。または、電子機器を小型化することが容易になる。
【０３００】
よって、電子部品８００は、デジタル信号処理、ソフトウェア無線、アビオニクス（通信機器、航法システム、自動操縦装置、飛行管理システム等の航空に関する電子機器）、ＡＳＩＣのプロトタイピング、医療用画像処理、音声認識、暗号、バイオインフォマティクス（生物情報科学）、機械装置のエミュレータ、および電波天文学における電波望遠鏡等、幅広い分野の電子機器の電子部品（ＩＣチップ）に適用することが可能である。このような電子機器としては、表示機器、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、記録媒体を備えた画像再生装置（ＤＶＤ、ブルーレイディスク、フラッシュメモリ、ＨＤＤ等の記録媒体を再生する装置、および画像を表示するための表示部を有する装置）に用いることができる。その他に、本発明の一形態に係る半導体装置を用いることができる電子機器には、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、カメラ（ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等）、ウエアラブル型表示装置（ヘッドマウント型、ゴーグル型、眼鏡型、腕章型、ブレスレッド型、ネックレス型等）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１８に示す。
【０３０１】
図１８（Ａ）に示す携帯型ゲーム機９００は、筐体９０１、筐体９０２、表示部９０３、表示部９０４、マイクロホン９０５、スピーカ９０６、操作キー９０７、およびスタイラス９０８等を有する。
【０３０２】
図１８（Ｂ）に示す携帯情報端末９１０は、筐体９１１、筐体９１２、表示部９１３表示部９１４、接続部９１５、および操作キー９１６等を有する。表示部９１３は筐体９１１に設けられ、表示部９１４は筐体９１２に設けられている。接続部９１５により筐体９１１と筐体９１２とが接続され、筐体９１１と筐体９１２との間の角度は接続部９１５により変更可能となっている。そのため、接続部９１５における筐体９１１と筐体９１２との間の角度によって、表示部９１３に表示される画像を切り換える構成としてもよい。また、表示部９１３および／または表示部９１４にタッチパネル付の表示装置を使用してもよい。
【０３０３】
図１８（Ｃ）に示すノート型ＰＣ９２０は、筐体９２１、表示部９２２、キーボード９２３、およびポインティングデバイス９２４等を有する。
【０３０４】
図１８（Ｄ）に示す電気冷凍冷蔵庫９３０は、筐体９３１、冷蔵室用扉９３２、および冷凍室用扉９３３等を有する。
【０３０５】
図１８（Ｅ）に示すビデオカメラ９４０は、筐体９４１、筐体９４２、表示部９４３、操作キー９４４、レンズ９４５、および接続部９４６等を有する。操作キー９４４およびレンズ９４５は筐体９４１に設けられており、表示部９４３は筐体９４２に設けられている。そして、筐体９４１と筐体９４２は接続部９４６によって接続されており、かつ接続部９４６により筐体９４１と筐体９４２の間の角度を変えることが可能な構造となっている。筐体９４１に対する筐体９４２の角度によって、表示部９４３に表示される画像の向きの変更、画像の表示／非表示の切り換え等を行えるようにしてもよい。
【０３０６】
図１８（Ｆ）に示す自動車９５０は、車体９５１、車輪９５２、ダッシュボード９５３、およびライト９５４等を有する。
【０３０７】
本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせることができる。
【０３０８】
（実施例）
本実施の形態では、上記実施の形態で用いることができるＯＳトランジスタの特性の測定結果について説明する。
【０３０９】
＜温度特性＞
まず、ＯＳトランジスタとＳｉトランジスタの温度特性を測定した。図１９（Ａ）に、ＯＳトランジスタのゲート電圧ＶＧ−ドレイン電流ＩＤ特性、及びゲート電圧ＶＧ−電界効果移動度μＦＥ特性の温度依存性の測定結果を示す。また、図１９（Ｂ）に、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタ（以下、Ｓｉトランジスタともいう）のゲート電圧ＶＧ−ドレイン電流ＩＤ特性、及びゲート電圧ＶＧ−電界効果移動度μＦＥ特性の温度依存性を示す。なお、図１９（Ａ）、（Ｂ）においては、−２５℃、５０℃、１５０℃の温度での各電気特性の測定結果を示している。また、ドレイン電圧ＶＤは１Ｖとしている。
【０３１０】
なお、図１９（Ａ）に示すＯＳトランジスタの電気特性は、チャネル長Ｌ＝０．４５μｍ、チャネル幅Ｗ＝１０μｍ、ゲート絶縁層の酸化膜の膜厚Ｔｏｘ＝２０ｎｍとしたときのグラフである。また、図１９（Ｂ）に示すＳｉトランジスタの電気特性は、Ｌ＝０．３５μｍ、Ｗ＝１０μｍ、Ｔｏｘ＝２０ｎｍとしたときのグラフである。
【０３１１】
ＯＳトランジスタの酸化物半導体層は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物で作製し、Ｓｉトランジスタは、シリコンウェハから作製した。
【０３１２】
図１９（Ａ）、（Ｂ）より、ＯＳトランジスタにおいて、立ち上がりゲート電圧の温度依存性は小さいことがわかる。また、ＯＳトランジスタのオフ電流が温度によらず測定下限（Ｉ０）以下であるが、Ｓｉトランジスタのオフ電流は、温度依存性が大きい。図１９（Ｂ）の測定結果は、１５０℃では、Ｓｉトランジスタはオフ電流が上昇し、電流オン／オフ比が十分に大きくならないことを示している。
【０３１３】
図１９（Ａ）、（Ｂ）のグラフから、ＯＳトランジスタで本発明の一態様に係る半導体装置を構成することで、１５０℃以上の温度下においても、動作させることができる。そのため、耐熱性に優れた半導体装置を実現することができる。
【０３１４】
＜耐圧性＞
次に、ＯＳトランジスタと、Ｓｉトランジスタの耐圧性に関する測定を行った。図２０に、ＳｉトランジスタとＯＳトランジスタのＶＤ−ＩＤ特性の測定結果を示す。図２０では、ＳｉトランジスタとＯＳトランジスタとについて同じ条件での耐圧を比較するために、共にチャネル長を０．９μｍとし、チャネル幅を１０μｍとし、酸化シリコンを用いたゲート絶縁膜の膜厚を２０ｎｍとしている。なお、ゲート電圧は、２Ｖとしている。
【０３１５】
図２０に示すようにＳｉトランジスタでは、ドレイン電圧の増加に対して４Ｖ程度でアバランシェブレークダウンが起こるのに対して、ＯＳトランジスタでは、ドレイン電圧の増加に対して２６Ｖ程度までアバランシェブレークダウンが起きずに定電流を流すことができるのがわかる。
【０３１６】
図２１（Ａ）に、ゲート電圧を変化させた際の、ＯＳトランジスタのＶＤ−ＩＤ特性の測定結果を示す。また、図２１（Ｂ）では、ゲート電圧を変化させた際の、ＳｉトランジスタのＶＤ−ＩＤ特性の測定結果を示す。なお、ＳｉトランジスタとＯＳトランジスタとについて同じ条件での耐圧を比較するために、共にチャネル長を０．９μｍとし、チャネル幅を１０μｍとし、酸化シリコンを用いたゲート絶縁膜の膜厚を２０ｎｍとしている。また、図２１（Ａ）のＯＳトランジスタでは、ゲート電圧を０．１Ｖ、２．０６Ｖ、４．０２Ｖ、５．９８Ｖ、７．９４Ｖと変化させて測定を行った。また、図２１（Ｂ）のＳｉトランジスタでは、ゲート電圧を０．１Ｖ、１．２８Ｖ、２．４６Ｖ、３．６４Ｖ、４．８２Ｖと変化させて測定を行った。
【０３１７】
図２１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、Ｓｉトランジスタでは、ドレイン電圧の増加に対して４Ｖ乃至５Ｖ程度でアバランシェブレークダウンが起こるのに対して、ＯＳトランジスタでは、ドレイン電圧の増加に対して９Ｖ程度ではアバランシェブレークダウンが起きずに定電流を流すことができていることが分かる。
【０３１８】
図２０、図２１から、ＯＳトランジスタはＳｉトランジスタと比べて耐圧が高いことが分かる。そのため、本発明の一態様に係るメモリセルにおいては、ノードＦＮが取りうる電圧の範囲を広げて、保持できる電位の分布を増やすことができる。
【符号の説明】
【０３１９】
１０    半導体装置
２０    メモリセル
２１    保持部
２１ａ    保持部
２１ｂ    保持部
２２    トランジスタ
２３    容量素子
３０    回路
３０ａ    回路
３０ｂ    回路
３０ｃ    回路
３１    トランジスタ
３１ａ    トランジスタ
３１ｂ    トランジスタ
３２ａ    トランジスタ
３２ｂ    トランジスタ
３３ａ    容量素子
３３ｂ    容量素子
４０    回路
４０ａ    回路
４０ｂ    回路
４１    トランジスタ
４１ａ    トランジスタ
４１ｂ    トランジスタ
１００    半導体基板
１０１ａ    不純物領域
１０１ｂ    不純物領域
１０２    絶縁層
１０３    導電層
１０４    絶縁層
１０５    導電層
１０６    導電層
１１１    導電層
１１２    導電層
１１３    導電層
１１４    絶縁層
１１５    導電層
１１６    導電層
１２１    導電層
１２２    導電層
１２３    絶縁層
１３１    半導体層
１３２    半導体層
１３３ａ    導電層
１３３ｂ    導電層
１３４ａ    導電層
１３４ｂ    導電層
１３５    絶縁層
１３６    導電層
１３７    導電層
１３８    導電層
１３９    絶縁層
１４０    導電層
１４１    導電層
１５１    導電層
１５２    導電層
１５３    絶縁層
１６１    導電層
１６２    絶縁層
１６３    導電層
１７１    導電層
１７２    導電層
１７３    絶縁層
１８１    半導体層
１８２    半導体層
１８３ａ    導電層
１８３ｂ    導電層
１８４ａ    導電層
１８４ｂ    導電層
１８５    絶縁層
１８６    導電層
１８７    導電層
１８８    導電層
１８９    絶縁層
１９０    導電層
１９１    導電層
１９２    導電層
２０１    導電層
２０２    導電層
２０３    導電層
２０４    絶縁層
２０５    導電層
２０６    導電層
２１１    導電層
２１２    絶縁層
２２１    導電層
２２２    導電層
２５１    接続部
２５２    接続部
２６１    接続部
２６２    接続部
２６３    接続部
２６４    接続部
２６５    接続部
２７１    接続部
２７２    接続部
２７３    接続部
２７４    接続部
２７５    接続部
３００    記憶装置
３１０    メモリセルアレイ
３２０    行選択ドライバ
３２１    デコーダ
３２２    制御回路
３３０    列選択ドライバ
３３１    デコーダ
３３２    ラッチ回路
３３３    Ｄ／Ａコンバータ
３３４    スイッチ回路
３３５    トランジスタ
３３６    トランジスタ
３４０    Ａ／Ｄコンバータ
３４１    コンパレータ
３４２    エンコーダ
３４３    ラッチ回路
３４４    バッファ
４００    コンピュータ
４１０    入力装置
４２０    出力装置
４３０    中央演算処理装置
４３１    制御回路
４３２    演算回路
５１０    基板
５１１    絶縁層
５１２    絶縁層
５１３    絶縁層
５１４    絶縁層
５１５    絶縁層
５１６    絶縁層
５２０    半導体領域
５２１    半導体層
５２２    半導体層
５２３    半導体層
５３０    導電層
５３１    導電層
５３２    導電層
５３３    導電層
５３５    導電層
５３６    導電層
５８１    トランジスタ
５８２    トランジスタ
５８３    トランジスタ
５８４    トランジスタ
８００    電子部品
８０１    リード
８０２    プリント基板
８０３    回路部
８０４    回路基板
９００    携帯型ゲーム機
９０１    筐体
９０２    筐体
９０３    表示部
９０４    表示部
９０５    マイクロホン
９０６    スピーカ
９０７    操作キー
９０８    スタイラス
９１０    携帯情報端末
９１１    筐体
９１２    筐体
９１３    表示部
９１４    表示部
９１５    接続部
９１６    操作キー
９２０    ノート型ＰＣ
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
９３０    電気冷凍冷蔵庫
９３１    筐体
９３２    冷蔵室用扉
９３３    冷凍室用扉
９４０    ビデオカメラ
９４１    筐体
９４２    筐体
９４３    表示部
９４４    操作キー
９４５    レンズ
９４６    接続部
９５０    自動車
９５１    車体
９５２    車輪
９５３    ダッシュボード
９５４    ライト
【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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