(57)【要約】【課題】酸化物半導体の電気特性を算出する評価方法を提供する。または、室温近傍の酸化物半導体のキャリア濃度を算出する。【解決手段】酸化物半導体を有し、かつ、しきい値電圧が０Ｖより大きいトランジスタにおいて、式（１）を用いて、測定温度が４９３Ｋ以上でかつ、それぞれ異なる測定温度における酸化物半導体のキャリア濃度を３点以上測定し、測定したキャリア濃度と測定温度の逆数との相関を測定したキャリア濃度を片対数としてプロットし、プロットした各点を結ぶと直線になり、プロットした各点から最小二乗法により外挿して測定温度が４９３Ｋ未満における酸化物半導体キャリア濃度を算出する。2016157827.tif 000013ただし、数式中、Ｎ（Ｔ）は絶対温度におけるキャリア濃度［個／ｃｍ３］、ＥＤは酸化物半導体の伝導帯下端とドナー準位のエネルギー差［ｅＶ］、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度［Ｋ］をそれぞれ表す。【選択図】図１
2016157827.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物半導体を有し、かつ、しきい値電圧が０Ｖより大きいトランジスタにおいて、
下記の数式を用いて、測定温度が４９３Ｋ以上でかつ、それぞれ異なる測定温度における前記酸化物半導体のキャリア濃度を３点以上測定し、
前記測定したキャリア濃度と測定温度の逆数との相関を前記測定したキャリア濃度を片対数としてプロットし、
前記プロットした各点から最小二乗法により外挿して測定温度が４９３Ｋ未満における前記酸化物半導体キャリア濃度を算出することを特徴とする酸化物半導体の評価方法。
【数１】
2016157827.tif 000012
（ただし、数式中、Ｎ（Ｔ）は絶対温度におけるキャリア濃度［個／ｃｍ３］、ＥＤは酸化物半導体の伝導帯下端とドナー準位のエネルギー差［ｅＶ］、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度［Ｋ］をそれぞれ表す。）
【請求項２】
請求項１において、
測定温度が４９３Ｋ未満における前記酸化物半導体のキャリア濃度は、１．０×１０１２個／ｃｍ３未満であることを特徴とする酸化物半導体の評価方法。
【請求項３】
請求項１において、
測定温度が３００Ｋ未満における前記酸化物半導体のキャリア濃度は、１．０×１０１０個／ｃｍ３未満であることを特徴とする酸化物半導体の評価方法。
【請求項４】
請求項１において、
測定温度が３００Ｋ未満における前記酸化物半導体のキャリア濃度は、１．０×１０７個／ｃｍ３未満であることを特徴とする酸化物半導体の評価方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
前記酸化物半導体は、インジウム、ガリウム及び亜鉛を含むことを特徴とする酸化物半導体の評価方法。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一において、
前記酸化物半導体は、エネルギーが１．５ｅＶ以上２．３ｅＶ以下の範囲において、ＣＰＭにより測定された局在準位による吸収係数が３×１０−３／ｃｍ以下であることを特徴とする酸化物半導体の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一態様は、酸化物半導体の評価方法に関する。
【０００２】
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関するものである。そのため、より具体的に本明細書で開示する本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、撮像装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法、を一例として挙げることができる。
【０００３】
なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。トランジスタ、半導体回路は半導体装置の一態様である。また、記憶装置、表示装置、電子機器は、半導体装置を有する場合がある。
【背景技術】
【０００４】
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。当該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（単に表示装置とも表記する）のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜として、シリコン系半導体材料が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。
【０００５】
例えば、酸化物半導体として酸化亜鉛、またはＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する技術が開示されている（特許文献１および特許文献２参照）。
【０００６】
また、非特許文献１においては、非晶質のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜において、１×１０２０／ｃｍ３以上の非常に高密度の欠陥準位が観察され、熱処理によりほぼ半減すると報告がなされている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】神谷、野村、細野、「アモルファス酸化物半導体の物性とデバイス開発の現状」、固体物理、２００９年９月号、Ｖｏｌ．４４、ｐｐ．６２１−６３３
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１２３８６１号公報
【特許文献２】特開２００７−９６０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
酸化物半導体を用いたトランジスタでは、例えば、酸化物半導体の欠陥準位の密度が上述の値であると、しきい値電圧の変動などの電気特性の変動を招く恐れがある。このようなトランジスタの電気特性の変動は、これを用いた半導体装置の信頼性を低下させる要因となる。
【００１０】
酸化物半導体の欠陥準位の密度を低減するため、酸化物半導体中の不純物や欠陥（酸素欠陥など）を低減させ、酸化物半導体を高純度真性にすることで半導体装置に安定な電気特性を付与することができる。
【００１１】
しかし、高純度真性な酸化物半導体を用いたトランジスタでは、しきい値電圧が０Ｖより大きいノーマリーオフ特性を有するため、ゲート電極に印加を行わない場合、酸化物半導体は絶縁性が高く、電流をほとんど流さない状態となる。このため、室温での酸化物半導体の電気特性を測定することは困難であった。
【００１２】
上記問題を鑑み、本発明の一態様は、高純度真性な酸化物半導体を用いたトランジスタの酸化物半導体の電気特性を算出する評価方法を提供することを目的の一とする。また、当該評価方法により、室温近傍の酸化物半導体のキャリア濃度を算出することを目的の一とする。また、新規な酸化物半導体の評価方法を提供することを目的の一とする。また、当該評価方法により評価した酸化物半導体を用いた半導体装置を提供することを目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様は、酸化物半導体を有し、かつ、しきい値電圧が０Ｖより大きいトランジスタにおいて、式（１）を用いて、測定温度が４９３Ｋ以上でかつ、それぞれ異なる測定温度における酸化物半導体のキャリア濃度を３点以上測定し、測定したキャリア濃度と測定温度の逆数との相関を測定したキャリア濃度を片対数としてプロットし、プロットした各点から最小二乗法により外挿して測定温度が４９３Ｋ未満における酸化物半導体キャリア濃度を算出することを特徴とする酸化物半導体の評価方法である。
【００１４】
【数１】
2016157827.tif 000003
【００１５】
数式中、Ｎ（Ｔ）は絶対温度におけるキャリア濃度［個／ｃｍ３］、ＥＤは酸化物半導体の伝導帯下端とドナー準位のエネルギー差［ｅＶ］、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度［Ｋ］をそれぞれ表す。
【００１６】
また、上記評価方法において、測定温度が４９３Ｋ未満における酸化物半導体のキャリア濃度は、１．０×１０１２個／ｃｍ３未満であると好ましい。
【００１７】
また、上記評価方法において、測定温度が３００Ｋ未満における酸化物半導体のキャリア濃度は、１．０×１０１０個／ｃｍ３未満であることが好ましく、１．０×１０７個／ｃｍ３未満であることがより好ましい。
【００１８】
また、上記評価方法において、酸化物半導体は、インジウム、ガリウム及び亜鉛を含むことが好ましい。
【００１９】
また、上記評価方法において、酸化物半導体は、エネルギーが１．５ｅＶ以上２．３ｅＶ以下の範囲において、ＣＰＭにより測定された局在準位による吸収係数が３×１０−３／ｃｍ以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
高純度真性な酸化物半導体を用いたトランジスタの酸化物半導体の電気特性を算出する評価方法を提供することができる。また、当該評価方法により、室温近傍の酸化物半導体のキャリア濃度を算出することができる。また、新規な酸化物半導体の評価方法を提供することができる。また、当該評価方法により評価した酸化物半導体を用いた半導体装置を提供することができる。
【００２１】
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、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】
【００２２】
【図１】酸化物半導体の評価方法のフローを説明する図。
【図２】酸化物半導体のキャリア濃度の温度依存性について説明する図。
【図３】低温領域の酸化物半導体のキャリア濃度の評価方法を説明する図。
【図４】低温領域の酸化物半導体のキャリア濃度の評価方法を説明する図。
【図５】Ｓｉトランジスタの移動度のチャネル長依存性の実測値とフォノン散乱による移動度のチャネル長依存性の計算値との比較を示す図。
【図６】ＯＳトランジスタの移動度のチャネル長依存性の実測値とフォノン散乱による移動度のチャネル長依存性の計算値との比較を示す図。
【図７】トランジスタの構成例を示す上面図および断面図。
【図８】トランジスタの構成例を示す断面図およびエネルギーバンド図。
【図９】トランジスタの作製方法を示す断面図。
【図１０】トランジスタの作製方法を示す断面図。
【図１１】トランジスタの構成例を示す断面図。
【図１２】トランジスタの構成例を示す断面図。
【図１３】トランジスタの構成例を示す断面図。
【図１４】トランジスタの構成例を示す上面図および断面図。
【図１５】トランジスタの構成例を示す上面図および断面図。
【図１６】トランジスタの一部を示す断面図。
【図１７】記憶装置の一例を示す回路図。
【図１８】本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。
【図１９】ＣＰＵの一例を示すブロック図。
【図２０】本発明の一態様に係る表示装置の上面図および回路図。
【図２１】本発明の一態様に係る表示装置の上面図および回路図。
【図２２】電子機器の一例を示す図。
【図２３】ＲＦデバイスの一例を示す図。
【図２４】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２５】ＣＡＡＣ−ＯＳの平面におけるＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像。
【図２６】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２７】ＣＡＡＣ−ＯＳの電子回折パターンを示す図。
【図２８】Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。したがって、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略することがある。なお、図を構成する同じ要素のハッチングを異なる図面間で適宜省略または変更する場合もある。
【００２４】
また、本明細書にて用いる第１、第２、第３などの用語は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」または「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。
【００２５】
また、「ソース」や「ドレイン」の機能は、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
【００２６】
また、電圧とは２点間における電位差のことをいい、電位とはある一点における静電場の中にある単位電荷が持つ静電エネルギー（電気的な位置エネルギー）のことをいう。ただし、一般的に、ある一点における電位と基準となる電位（例えば接地電位）との電位差のことを単に電位もしくは電圧と呼び、電位と電圧が同義語として用いられることが多い。このため、本明細書では特に指定する場合を除き、電位を電圧と読み替えてもよいし、電圧を電位と読み替えてもよいこととする。
【００２７】
なお、本明細書において、「膜」という表記と、「層」という表記と、を互いに入れ替えることが可能である。また、「絶縁体」という表記と、「絶縁膜（または絶縁層）」という表記と、を互いに入れ替えることが可能である。また、「導電体」という表記と、「導電膜（または導電層）」という表記と、を互いに入れ替えることが可能である。また、「半導体」という表記は、「半導体膜（または半導体層）」という表記と、を互いに入れ替えることが可能である。
【００２８】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る酸化物半導体の評価方法の一例について図１乃至図６を参照して説明する。
【００２９】
まず、酸化物半導体を有するトランジスタを用意する（図１のステップＳ１）。なお、酸化物半導体は、高純度真性であり、不純物や欠陥を極限まで低減した状態であることが好ましい。該トランジスタの詳細は実施の形態２で述べる。
【００３０】
次に、トランジスタがノーマリーオフか否かを調べるためにトランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性の評価を行う（図１のステップＳ２）。なお、トランジスタがノーマリーオフである場合、Ｉｄ−Ｖｇ特性の評価より導かれるトランジスタのしきい値電圧は０Ｖより大きくなる。トランジスタが非導通状態であるときには、トランジスタをノーマリーオフとすることができるため、リーク電流を低減することができる。
【００３１】
次に、測定温度を４９３Ｋ以上にしたときの酸化物半導体のキャリア濃度を測定する（図１のステップＳ３）。このとき、少なくともそれぞれ測定温度が異なる３点以上を測定する。また、キャリア濃度の測定には下記の式（１）を用いる。
【００３２】
【数２】
2016157827.tif 000004
【００３３】
数式中、Ｎ（Ｔ）は絶対温度におけるキャリア濃度［個／ｃｍ３］、ＥＤは酸化物半導体の伝導帯下端とドナー準位のエネルギー差［ｅＶ］、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度［Ｋ］をそれぞれ表す。
【００３４】
測定後、測定した点を後に説明するキャリア濃度と測定温度の逆数との相関をグラフにしてプロットする（図３参照）。なお、このとき、キャリア濃度を対数とする。また、プロットした各点を結ぶと直線になるものとする。
【００３５】
ここで、測定温度を高温（ここでは、４９３Ｋ）としている理由を説明する。
【００３６】
酸化物半導体は、高純度化することによりドナー準位（たとえば、酸素欠損（ＶＯともいう）に水素が入っている（ＶＯＨともいう）準位）の密度が低減され、キャリア濃度が大幅に低減される。また、キャリア濃度が大幅に低減したことによる移動度の低減に加え、低温（たとえば３００Ｋ）によって電子が伝導帯に励起しにくいため移動度が低減してしまう。さらにドナー準位が０．１ｅＶと深いため、低温では不活性状態になっている（図２（Ａ）参照）。
【００３７】
一般に、シリコンなどの半導体は低温から高温に変化させるとキャリア濃度は上昇するが、フォノン散乱（格子振動（フォノン）による散乱、具体的には原子配列の周期性のために隣接原子が互いに影響しあって特定の振動モードで振動する際の電子の散乱）の影響により移動度が低下してしまう。そのため、高温状態においても、電子の移動が起こりにくく、高温状態での半導体の評価は困難である。
【００３８】
一方、酸化物半導体は、高温では、熱エネルギーが大きくなり、電子は伝導帯に励起しやすくなり、伝導に寄与しやすくなる活性状態になっている（図２（Ｂ）参照）。また、低温から高温に変化させていくとキャリア濃度は上昇し、移動度においても上昇する。このため、電子が流れやすくなり、電流を測定することが可能となる。よって、高温状態での酸化物半導体のキャリア濃度を測定するが可能となる。なお、ここでは、酸化物半導体にＩｎ、Ｇａ、Ｚｎを含む酸化物（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ともいう）を用いる。
【００３９】
なお、酸化物半導体の移動度においても上昇する理由としては、フォノン散乱の影響がない、または小さいことが関係している示唆される。したがって、高温状態にすることで電気測定を困難とする主な要因である、高純度化によるキャリア濃度の低減と低温による移動度自体の低減および深いドナー準位の影響を効率的に改善することができる。
【００４０】
ここで、キャリアの伝導機構はマティーセン則では式（２）のように表すことができる。
【００４１】
【数３】
2016157827.tif 000005
【００４２】
式（２）においてμｅｆｆは実行移動度である。μＣＤはＣａｔｉｏｎ  Ｄｉｓｏｒｄｅｒによる散乱を示しており、例えば酸化物半導体の一つであるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の場合ではＧａとＺｎのランダム配置による散乱等に対応する。式（２）において、μｐｈｏｎｏｎはフォノン散乱を示しており、音響フォノン散乱および光学フォノン散乱の２種類が存在する。また、μｉｍｐｕｒｉｔｙはドナーイオンなどの荷電不純物による散乱（以下、不純物散乱ともいう）を示している。また、μｒｏｕｇｈｎｅｓｓは絶縁膜と半導体膜の界面ラフネスによる散乱（以下、界面散乱ともいう）を示している。
【００４３】
式（２）の中にある界面散乱に関しては実施の形態２で説明する埋め込みチャネルを用いて低減することが可能である。また、不純物散乱に関しては高純度真性な半導体を形成することで低減可能である。したがって。酸化物半導体における電子の実効移動度は、半導体組成によるＣａｔｉｏｎ  Ｄｉｓｏｒｄｅｒによる散乱やフォノン散乱が主要な散乱要因となる。
【００４４】
ここで、電界強度はフォノン散乱との関連性が高いため、以下の計算を行った。
【００４５】
フォノン散乱が無視でき、ドリフト電界（ドレイン電界）の強度が小さい場合、電子のドリフト速度は、式（３）に示すように、電界強度に比例する。
【００４６】
【数４】
2016157827.tif 000006
【００４７】
式（３）において、νｄは電子のドリフト速度、μ０は低電界での電子の移動度で、電子のドリフト速度とドリフト電界の間の比例係数Ｅは電界強度である。
【００４８】
トランジスタのチャネル長が短くなり、ドレイン電界強度が大きくなると、電子のドリフト速度が高速化し、電子温度が格子温度よりも高い状態（ホットエレクトロン）になる。ホットエレクトロンは音響フォノンを励起することでエネルギーを散逸し易くなり、式（３）で示した比例関係が成立しなくなる。音響フォノンによるエネルギー散逸を考慮すると、電子のドリフト速度とドリフト電界の関係は、式（４）に示すように修正される。
【００４９】
【数５】
2016157827.tif 000007
【００５０】
式（４）において、Ｔｅは電子温度、Ｔは格子温度である。またＴｅ／Ｔは、式（５）で表すことができる。
【００５１】
【数６】
2016157827.tif 000008
【００５２】
式（５）において、Ｃｓは固体中の音速である。フォノン散乱以外の散乱過程は、μ０に繰り込まれている。式（４）、式（５）は、電子のドリフト速度が結晶の音速を上回る程速くなると、電子温度が格子温度よりも高くなり、電子がエネルギーを散逸し易くなる、ということを示している。
【００５３】
さらに電子が加速され、電子の運動エネルギーが光学フォノンのエネルギーＥｐと同程度となると、電子が電界から得たエネルギーは全て光学フォノンの励起で散逸されるようになる。そのため、電界を強くしてもそれ以上には電子のドリフト速度が増加しなくなる。これは速度飽和と言われる現象であり、速度飽和を起こした電子の速度（飽和速度）νＳＡＴは、式（６）で表すことができる。式（６）において、ｍ０は自由電子質量である。
【００５４】
【数７】
2016157827.tif 000009
【００５５】
シリコンを半導体に用いたトランジスタ（Ｓｉトランジスタともいう）および酸化物半導体を用いたトランジスタ（ＯＳトランジスタともいう）に関して計算を行う場合、表１に示すようなパラメータを用いた。なお、ｍ０は静止時の電子の質量である。本実施の形態では、ＯＳトランジスタに用いる酸化物半導体をＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（原子数比））として計算している。
【００５６】
【表１】
2016157827.tif 000010
【００５７】
図５にドレイン電圧を１Ｖに固定した時の、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）を用いたＳｉトランジスタ（チャネル幅８μｍ）の線形領域での電子の電界効果移動度のチャネル長依存性の実測値とフォノン散乱による電子移動度のチャネル長依存性の計算値との比較を示す。図５では、低電界での電子移動度をμ０＝６５０［ｃｍ２／Ｖ・ｓ］として、電子移動度のチャネル長依存性を算出した。図５の実測値と計算値のチャネル長依存性の傾向は概略良く一致しており、電子移動度のチャネル長依存性は、ホットキャリアによるフォノン散乱が支配的な要因であることを裏付けていることがわかる。
【００５８】
次に、図６に、ドレイン電圧を１Ｖに固定した時の、ＯＳトランジスタ（チャネル幅１０μｍ）の線形領域での電子の電界効果移動度のチャネル長依存性の実測値とフォノン散乱による電子移動度のチャネル長依存性の計算値との比較を示す。図６の実測値と計算値のチャネル長依存性の傾向は、概略一致している。図６からチャネル長０．４５μｍまでチャネル長を短くしても、電子の線形領域での電界効果移動度はほぼ一定で、音響フォノンによる明確な移動度の劣化は見られていない。
【００５９】
これらの結果から、ＯＳトランジスタの移動度はフォノン散乱の影響がない、または小さいことが確認できた。
【００６０】
次に、プロットした各点から最小二乗法により測定温度が４９３Ｋ未満の領域に外挿する（図１のステップＳ４および図４参照）。
【００６１】
次に、外挿した直線から予測される測定が不可能な温度領域（たとえば３００Ｋ）の酸化物半導体のキャリア濃度を算出する（図１のステップＳ５）。なお、本実施の形態では、たとえば、３００Ｋでの酸化物半導体のキャリア濃度は上記評価方法により近似曲線だとすると１．０×１０１０個／ｃｍ３未満であることが算出され、近似により外挿した直線だとすると１．０×１０７個／ｃｍ３未満であることが算出された。
【００６２】
上記ステップより測定が不可能な温度領域の酸化物半導体のキャリア濃度を算出することができ、該酸化物半導体のトランジスタの電気特性を評価することができる。また、該トランジスタを用いた半導体装置を提供することができる。
【００６３】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１で用いたトランジスタの一例について説明する。
【００６４】
＜トランジスタの構成例１＞
図７（Ａ）乃至図７（Ｄ）は、トランジスタ６００の上面図および断面図である。図７（Ａ）は上面図であり、図７（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向の断面が図７（Ｂ）に相当し、図７（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向の断面が図７（Ｃ）に相当し、図７（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ３−Ｘ４方向の断面が図７（Ｄ）に相当する。なお、図７（Ａ）乃至図７（Ｄ）では、図の明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。また、一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
トランジスタ６００は、基板６４０と、基板６４０上の絶縁膜６５１と、絶縁膜６５１上に形成された導電膜６７４と、絶縁膜６５１および導電膜６７４上に形成された絶縁膜６５６と、絶縁膜６５６上に形成された絶縁膜６５２と、絶縁膜６５２上に、酸化物膜６６１、半導体膜６６２の順で形成された積層と、半導体膜６６２の上面と接する導電膜６７１および導電膜６７２と、酸化物膜６６１、半導体膜６６２、導電膜６７１および導電膜６７２と接する酸化物膜６６３と、酸化物膜６６３上の絶縁膜６５３および導電膜６７３と、導電膜６７３および絶縁膜６５３上の絶縁膜６５４と、絶縁膜６５４上の絶縁膜６５５を有する。なお、酸化物膜６６１、半導体膜６６２および酸化物膜６６３をまとめて、多層膜６６０と呼称する。
【００７２】
導電膜６７１は、トランジスタ６００のソース電極としての機能を有する。導電膜６７２は、トランジスタ６００のドレイン電極としての機能を有する。
【００７３】
導電膜６７３は、トランジスタ６００の第１のゲート電極としての機能を有する。
【００７４】
絶縁膜６５３は、トランジスタ６００の第１のゲート絶縁膜としての機能を有する。
【００７５】
導電膜６７４は、トランジスタ６００の第２のゲート電極としての機能を有する。
【００７６】
絶縁膜６５６および絶縁膜６５２は、トランジスタ６００の第２のゲート絶縁膜としての機能を有する。
【００７７】
導電膜６７３と導電膜６７４は同じ電位が与えられてもよいし、異なる電位が与えられてもよい。また、導電膜６７４は、場合によっては省略することもできる。
【００７８】
図７（Ｃ）に示すように、半導体膜６６２の側面は、導電膜６７３に囲まれている。上記構成をとることで、導電膜６７３の電界によって、半導体膜６６２を電気的に取り囲むことができる（導電膜（ゲート電極）の電界によって、半導体膜を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ  ｃｈａｎｎｅｌ（ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ）。そのため、半導体膜６６２の全体（バルク）にチャネルが形成される場合がある。ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、トランジスタのソース−ドレイン間に大電流を流すことができ、導通時の電流（オン電流）を高くすることができる。また、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、高周波でも動作可能なトランジスタを提供することができる。
【００７９】
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。トランジスタを微細化できるため、該トランジスタを有する半導体装置は、集積度の高い、高密度化された半導体装置とすることが可能となる。例えば、トランジスタは、チャネル長が好ましくは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。
【００８０】
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。
【００８１】
また、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、高いオン電流が得られるため、電力制御用のトランジスタに適した構造といえる。ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を電力制御用のトランジスタに用いる場合は、高耐圧、高電流が要求されるため、チャネル長およびチャネル幅が長い方が好ましい。例えば、トランジスタは、チャネル長が好ましくは１μｍ以上、さらに好ましくは１０μｍ以上、さらに好ましくは１００μｍ以上の領域を有することが好ましい。また、トランジスタは、チャネル幅が好ましくは１μｍ以上、さらに好ましくは１０μｍ以上、さらに好ましくは１００μｍ以上の領域を有することが好ましい。この場合、トランジスタは、チャネル長が１ｃｍ未満の領域、およびチャネル幅が１ｃｍ未満の領域を有していればよい。
【００８２】
絶縁膜６５１は、基板６４０と導電膜６７４を電気的に分離させる機能を有する。
【００８３】
絶縁膜６５２は、酸化物を含むことが好ましい。特に加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を含むことが好ましい。好適には、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物を用いることが好ましい。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物膜は、加熱により一部の酸素が脱離する。絶縁膜６５２から脱離した酸素は酸化物半導体を含む多層膜６６０に供給され、酸化物半導体中の酸素欠損を低減することが可能となる。その結果、トランジスタの電気特性の変動を抑制し、信頼性を高めることができる。
【００８４】
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温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。
【００８５】
絶縁膜６５６は、絶縁膜６５２に含まれる酸素が、導電膜６７４に含まれる金属と結びつき、絶縁膜６５２に含まれる酸素が減少することを防ぐ機能を有する。
【００８６】
絶縁膜６５４は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキングできる機能を有する。絶縁膜６５４を設けることで、多層膜６６０からの酸素の外部への拡散と、外部から多層膜６６０への水素、水等の入り込みを防ぐことができる。
【００８７】
＜多層膜の説明＞
次に、酸化物膜６６１、半導体膜６６２、酸化物膜６６３などに適用可能な酸化物および半導体について説明する。
【００８８】
トランジスタ６００は、非導通状態においてソースとドレインとの間を流れる電流（オフ電流）が低いことが好適である。ここでは、オフ電流が低いとは、室温において、ソースとドレインとの間の電圧を１０Ｖとし、チャネル幅１μｍあたりの規格化されたオフ電流が１．０×１０−２１Ａ以下であることをいう。このようにオフ電流が低いトランジスタとしては、半導体に酸化物半導体を有するトランジスタが挙げられる。
【００８９】
半導体膜６６２は、例えば、インジウム（Ｉｎ）を含む酸化物半導体膜である。半導体膜６６２は、例えば、インジウムを含むと、キャリア移動度（電子移動度）が高くなる。また、半導体膜６６２は、元素Ｍを含むと好ましい。元素Ｍは、好ましくは、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、イットリウム（Ｙ）またはスズ（Ｓｎ）などとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、イットリウム（Ｙ）、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、半導体膜６６２は、亜鉛（Ｚｎ）を含むと好ましい。酸化物半導体は、亜鉛を含むと結晶化しやすくなる場合がある。
【００９０】
ただし、半導体膜６６２は、インジウムを含む酸化物半導体に限定されない。半導体膜６６２は、例えば、亜鉛スズ酸化物、ガリウムスズ酸化物などの、インジウムを含まず、亜鉛を含む酸化物半導体、ガリウムを含む酸化物半導体、スズを含む酸化物半導体などであっても構わない。
【００９１】
半導体膜６６２は、例えば、エネルギーギャップが大きい酸化物を用いる。半導体膜６６２のエネルギーギャップは、例えば、２．５ｅＶ以上４．２ｅＶ以下、好ましくは２．８ｅＶ以上３．８ｅＶ以下、さらに好ましくは３ｅＶ以上３．５ｅＶ以下とする。
【００９２】
半導体膜６６２は、後述するＣＡＡＣ−ＯＳ膜であることが好ましい。
【００９３】
また、半導体膜６６２は、キャリア濃度の低い酸化物半導体膜であることが好ましい。具体的には、１．０×１０１２個／ｃｍ３未満、好ましくは１．０×１０１０個／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１．０×１０７個／ｃｍ３未満である。また、キャリア濃度の下限は１×１０−９個／ｃｍ３以上である。なお、上記の範囲のキャリア濃度は、実施の形態１で説明した方法によって評価することができる。また、このような酸化物半導体を、高純度真性または実質的に高純度真性の酸化物半導体ともいう。
【００９４】
また、酸化物膜６６１および酸化物膜６６３は、半導体膜６６２を構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から構成される酸化物膜である。半導体膜６６２を構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から酸化物膜６６１および酸化物膜６６３が構成されるため、酸化物膜６６１と半導体膜６６２との界面、および半導体膜６６２と酸化物膜６６３との界面において、界面準位が形成されにくい。
【００９５】
なお、酸化物膜６６１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。酸化物膜６６１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。
【００９６】
また、半導体膜６６２がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。半導体膜６６２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、成膜される半導体膜６６２の原子数比は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３近傍となる場合がある。
【００９７】
また、酸化物膜６６３がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが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、酸化物膜６６３は、酸化物膜６６１と同種の酸化物を用いても構わない。ただし、酸化物膜６６１または／および酸化物膜６６３がインジウムを含まなくても構わない場合がある。例えば、酸化物膜６６１または／および酸化物膜６６３が酸化ガリウムであっても構わない。
【００９８】
次に、酸化物膜６６１、半導体膜６６２、および酸化物膜６６３の積層により構成される多層膜６６０の機能およびその効果について、図８（Ｂ）に示すエネルギーバンド構造図を用いて説明する。図８（Ａ）は、図７（Ｂ）に示すトランジスタ６００のチャネル部分を拡大した図で、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）にＡ１−Ａ２の鎖線で示した部位のエネルギーバンド構造を示している。また、図８（Ｂ）は、トランジスタ６００のチャネル形成領域のエネルギーバンド構造を示している。
【００９９】
図８（Ｂ）中、Ｅｃ６５２、Ｅｃ６６１、Ｅｃ６６２、Ｅｃ６６３、Ｅｃ６５３は、それぞれ、絶縁膜６５２、酸化物膜６６１、半導体膜６６２、酸化物膜６６３、絶縁膜６５３の伝導帯下端のエネルギーを示している。
【０１００】
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。
【０１０１】
絶縁膜６５２と絶縁膜６５３は絶縁体であるため、Ｅｃ６５３とＥｃ６５２は、Ｅｃ６６１、Ｅｃ６６２、およびＥｃ６６３よりも真空準位に近い（電子親和力が小さい）。
【０１０２】
半導体膜６６２は、酸化物膜６６１および酸化物膜６６３よりも電子親和力の大きい酸化物を用いる。例えば、半導体膜６６２として、酸化物膜６６１および酸化物膜６６３よりも電子親和力の０．０７ｅＶ以上１．３ｅＶ以下、好ましくは０．１ｅＶ以上０．７ｅＶ以下、さらに好ましくは０．１５ｅＶ以上０．４ｅＶ以下大きい酸化物を用いる。なお、電子親和力は、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差である。
【０１０３】
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、酸化物膜６６３がインジウムガリウム酸化物を含むと好ましい。ガリウム原子割合［Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）］は、例えば、７０％以上、好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上とする。
【０１０４】
このとき、ゲート電圧を印加すると、酸化物膜６６１、半導体膜６６２、酸化物膜６６３のうち、電子親和力の大きい半導体膜６６２にチャネルが形成される。
【０１０５】
ここで、酸化物膜６６１と半導体膜６６２との間には、酸化物膜６６１と半導体膜６６２との混合領域を有する場合がある。また、半導体膜６６２と酸化物膜６６３との間には、半導体膜６６２と酸化物膜６６３との混合領域を有する場合がある。混合領域は、界面準位密度が低くなる。そのため、酸化物膜６６１、半導体膜６６２および酸化物膜６６３の積層体は、それぞれの界面近傍において、エネルギーが連続的に変化する（連続接合ともいう）バンド構造となる。なお、このように酸化物膜６６１、半導体膜６６２および酸化物膜６６３の積層体のエネルギーが連続的に変化する構造をＵ字型井戸構造ともいう。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。
【０１０６】
このとき、電子は、酸化物膜６６１中および酸化物膜６６３中ではなく、半導体膜６６２中を主として移動する。上述したように、酸化物膜６６１および半導体膜６６２の界面における界面準位密度、半導体膜６６２と酸化物膜６６３との界面における界面準位密度を低くすることによって、半導体膜６６２中で電子の移動が阻害されることが少なく、トランジスタのオン電流を高くすることができる。
【０１０７】
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。
【０１０８】
トランジスタのオン電流を高くするためには、例えば、半導体膜６６２の上面または下面（被形成面、ここでは酸化物膜６６１）の、１μｍ×１μｍの範囲における二乗平均平方根（ＲＭＳ：Ｒｏｏｔ  Ｍｅａｎ  Ｓｑｕａｒｅ）粗さが１ｎｍ未満、好ましくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における平均面粗さ（Ｒａともいう。）が１ｎｍ未満、好ましくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における最大高低差（Ｐ−Ｖともいう。）が１０ｎｍ未満、好ましくは９ｎｍ未満、さらに好ましくは８ｎｍ未満、より好ましくは７ｎｍ未満とすればよい。ＲＭＳ粗さ、ＲａおよびＰ−Ｖは、エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製走査型プローブ顕微鏡システムＳＰＡ−５００などを用いて測定することができる。
【０１０９】
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。
【０１１０】
例えば、半導体膜６６２が酸素欠損（ＶＯ）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、半導体膜６６２中の酸素欠損を低減することで、トランジスタのオン電流を高くすることができる場合がある。
【０１１１】
例えば、半導体膜６６２のある深さにおいて、または、半導体膜６６２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。
【０１１２】
なお、酸素欠損は、例えば、一定電流測定法（ＣＰＭ：Ｃｏｎｓｔａｎｔ  Ｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔ  Ｍｅｔｈｏｄ）により、評価することができる。ＣＰＭ測定は、試料に設けられた２電極間に電圧を印加した状態で光電流値が一定となるように端子間の試料面に照射する光量を調整し、照射する光量から吸収係数を導出することを各波長にて行うものである。ＣＰＭ測定において、試料に欠陥があるとき、欠陥の存在する準位に応じたエネルギー（波長より換算）における吸収係数が増加する。この吸収係数の増加分に定数をかけることにより、試料の状態密度（ＤＯＳともいう）を導出することができる。
【０１１３】
ＣＰＭ測定によって得られた吸収係数のカーブからバンドの裾に起因するアーバックテールと呼ばれる吸収係数分を取り除くことにより、局在準位による吸収係数を以下の式から算出することができる。
【０１１４】
【数８】
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【０１１５】
ここで、α（Ｅ）は、各エネルギーにおける吸収係数、αｕは、アーバックテールによる吸収係数をそれぞれ表す。
【０１１６】
半導体膜６６２は、エネルギーが１．５ｅＶ以上２．３ｅＶ以下の範囲において、ＣＰＭにより測定された局在準位による吸収係数を３×１０−３／ｃｍ以下、より好ましくは３×１０−４／ｃｍ以下とする。
【０１１７】
半導体膜６６２の酸素欠損を低減するために、例えば、絶縁膜６５２に含まれる過剰酸素を、酸化物膜６６１を介して半導体膜６６２まで移動させる方法などがある。この場合、酸化物膜６６１は、酸素透過性を有する層（酸素を通過または透過させる層）であることが好ましい。
【０１１８】
なお、トランジスタがｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有する場合、半導体膜６６２の全体にチャネルが形成される。したがって、半導体膜６６２が厚いほどチャネル領域は大きくなる。即ち、半導体膜６６２が厚いほど、トランジスタのオン電流を高くすることができる。
【０１１９】
また、トランジスタのオン電流を高くするためには、酸化物膜６６３の厚さは小さいほど好ましい。酸化物膜６６３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、酸化物膜６６３は、チャネルの形成される半導体膜６６２へ、隣接する絶縁体を構成する酸素以外の元素（水素、シリコンなど）が入り込まないようブロックする機能を有する。そのため、酸化物膜６６３は、ある程度の厚さを有することが好ましい。酸化物膜６６３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、酸化物膜６６３は、絶縁膜６５２などから放出される酸素の外方拡散を抑制するために、酸素をブロックする性質を有すると好ましい。
【０１２０】
また、信頼性を高くするためには、酸化物膜６６１は厚く、酸化物膜６６３は薄いことが好ましい。酸化物膜６６１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。酸化物膜６６１の厚さを、厚くすることで、隣接する絶縁体と酸化物膜６６１との界面からチャネルの形成される半導体膜６６２までの距離を離すことができる。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、酸化物膜６６１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。
【０１２１】
例えば、半導体膜６６２と酸化物膜６６１との間に、例えば、ＳＩＭＳ分析において、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満のシリコン濃度となる領域を有する。また、半導体膜６６２と酸化物膜６６３との間に、ＳＩＭＳにおいて、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満のシリコン濃度となる領域を有する。
【０１２２】
また、半導体膜６６２の水素濃度を低減するために、酸化物膜６６１および酸化物膜６６３の水素濃度を低減すると好ましい。酸化物膜６６１および酸化物膜６６３は、ＳＩＭＳにおいて、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以下の水素濃度となる領域を有する。また、半導体膜６６２の窒素濃度を低減するために、酸化物膜６６１および酸化物膜６６３の窒素濃度を低減すると好ましい。酸化物膜６６１および酸化物膜６６３は、ＳＩＭＳにおいて、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の窒素濃度となる領域を有する。
【０１２３】
上述の３層構造は一例である。例えば、酸化物膜６６１または酸化物膜６６３のない２層構造としても構わない。または、酸化物膜６６１の上もしくは下、または酸化物膜６６３上もしくは下に、酸化物膜６６１、半導体膜６６２および酸化物膜６６３として例示した半導体膜のいずれか一を有する４層構造としても構わない。または、酸化物膜６６１の上、酸化物膜６６１の下、酸化物膜６６３の上、酸化物膜６６３の下のいずれか二箇所以上に、酸化物膜６６１、半導体膜６６２および酸化物膜６６３として例示した半導体膜のいずれか一を有するｎ層構造（ｎは５以上の整数）としても構わない。
【０１２４】
＜トランジスタの作製方法＞
以下では、図７で示したトランジスタ６００の作製方法について、図９および図１０で説明を行う。なお、図９および図１０の左側には、トランジスタのチャネル長方向の断面図（図７（Ａ）における、一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向の断面図）を示し、図９および図１０の右側には、トランジスタのチャネル幅方向の断面図（図７（Ａ）における、一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向の断面図）を示している。
【０１２５】
まず、基板６４０上に、絶縁膜６５１ａを成膜し、導電膜６７４を形成した後、絶縁膜６５１ｂを成膜する（図９（Ａ）参照）。
【０１２６】
基板６４０としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
【０１２７】
また、基板６４０として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可とう性基板である基板６４０に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。なお、基板６４０として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。また、基板６４０が伸縮性を有してもよい。また、基板６４０は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板６４０の厚さは、例えば、５μｍ以上７００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上５００μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上３００μｍ以下とする。基板６４０を薄くすると、半導体装置を軽量化することができる。また、基板６４０を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板６４０上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。
【０１２８】
可とう性基板である基板６４０としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。可とう性基板である基板６４０は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可とう性基板である基板６４０としては、例えば、線膨張率が１×１０−３／Ｋ以下、５×１０−５／Ｋ以下、または１×１０−５／Ｋ以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリル、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、可とう性基板である基板６４０として好適である。
【０１２９】
絶縁膜６５１ａおよび絶縁膜６５１ｂに用いる材料として、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンを含む材料を用いることが好ましい。または、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の金属酸化物を用いる事ができる。なお、本明細書中において、酸化窒化物とは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化物とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。
【０１３０】
また、絶縁膜６５１ａおよび絶縁膜６５１ｂとして、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ−Ｅｔｈｙｌ−Ｏｒｔｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ）若しくはシラン等と、酸素若しくは亜酸化窒素等とを反応させて形成した段差被覆性の良い酸化シリコンを用いてもよい。
【０１３１】
絶縁膜６５１ａおよび絶縁膜６５１ｂは、スパッタリング法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法（熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  ＣＶＤ）法、ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  ＣＶＤ）法等を含む）、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、またはＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等で成膜してもよい。特に、当該絶縁膜をＣＶＤ法、好ましくはプラズマＣＶＤ法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。またプラズマによるダメージを減らすには、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法あるいはＡＬＤ法が好ましい。
【０１３２】
また、基板６４０に半導体基板を用いた場合、熱酸化膜で絶縁膜６５１ａを形成してもよい。
【０１３３】
導電膜６７４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。
【０１３４】
導電膜６７４の形成は、例えばスパッタリング法、ＣＶＤ法（熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法等を含む）、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法などを用いて形成することができる。
【０１３５】
次に、絶縁膜６５１ｂの表面をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法で平坦化する（図９（Ｂ）参照）。
【０１３６】
また、絶縁膜６５１ｂとして平坦化膜を用いてもよい。その場合は、必ずしもＣＭＰ法等で平坦化しなくともよい。平坦化膜の形成には、例えば常圧ＣＶＤ法や、塗布法などを用いることができる。常圧ＣＶＤ法を用いて形成できる膜としては例えば、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ  Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）等が挙げられる。また、塗布法を用いて形成できる膜としては例えば、ＨＳＱ（水素シルセスキオキサン）等が挙げられる。
【０１３７】
なお、以降では、絶縁膜６５１ａおよび絶縁膜６５１ｂをまとめて絶縁膜６５１と記載することにする。
【０１３８】
次に、絶縁膜６５６、絶縁膜６５２、酸化物膜６６１および半導体膜６６２を成膜する（図９（Ｃ）参照）。
【０１３９】
絶縁膜６５６および絶縁膜６５２は、スパッタリング法、ＣＶＤ法（熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法等を含む）、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法、またはＰＬＤ法等で成膜してもよい。
【０１４０】
絶縁膜６５６は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキング効果を有することが好ましい。絶縁膜６５６としては、例えば、窒化物絶縁膜を用いることができる。該窒化物絶縁膜としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム等がある。なお、窒化物絶縁膜の代わりに、酸化物絶縁膜を設けてもよい。酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜としては、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等がある。
【０１４１】
絶縁膜６５２は、多層膜６６０に酸素を供給することができる酸化物を含むことが好ましい。例えば、絶縁膜６５２として、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む材料を用いることが好ましい。または、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の金属酸化物を用いることもできる。
【０１４２】
絶縁膜６５２に酸素を過剰に含有させるためには、例えば酸素雰囲気下にて絶縁膜６５２の成膜を行えばよい。または、成膜後の絶縁膜６５２に酸素を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成してもよく、双方の手段を組み合わせてもよい。
【０１４３】
例えば、成膜後の絶縁膜６５２に酸素（少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む）を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理などを用いることができる。
【０１４４】
酸素導入処理には、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、例えば酸素、亜酸化窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる。また、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよい。または、水素等を含ませてもよい。例えば、二酸化炭素、水素およびアルゴンの混合ガスを用いるとよい。
【０１４５】
また、絶縁膜６５２を成膜した後、その上面の平坦性を高めるためにＣＭＰ法等を用いた平坦化処理を行ってもよい。
【０１４６】
酸化物膜６６１と半導体膜６６２とは、大気に触れさせることなく連続して成膜することが好ましい。酸化物膜６６１および半導体膜６６２は、スパッタリング法、ＣＶＤ法（熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法等を含む）、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて成膜すればよい。
【０１４７】
酸化物膜６６１および半導体膜６６２に用いることができる材料は、図７の酸化物膜６６１および半導体膜６６２の記載を参照すればよい。
【０１４８】
なお、酸化物膜６６１および半導体膜６６２として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物層をＭＯＣＶＤ法によって成膜する場合、原料ガスとしてトリメチルインジウム、トリメチルガリウムおよびジメチル亜鉛などを用いればよい。なお、上記原料ガスの組み合わせに限定されず、トリメチルインジウムに代えてトリエチルインジウムなどを用いてもよい。また、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウムなどを用いてもよい。また、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛などを用いてもよい。
【０１４９】
ここで、酸化物膜６６１を形成した後に、酸化物膜６６１に酸素を導入してもよい。例えば、成膜後の酸化物膜６６１に酸素（少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む）を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理などを用いることができる。
【０１５０】
酸素導入処理には、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、例えば酸素、亜酸化窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる。また、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよい。または、水素等を含ませてもよい。例えば、二酸化炭素、水素およびアルゴンの混合ガスを用いるとよい。
【０１５１】
酸化物膜６６１および半導体膜６６２を成膜後、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下の温度で、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。また、加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含む雰囲気で行ってもよい。加熱処理は、酸化物膜を成膜した直後に行ってもよいし、酸化物膜を加工して島状の酸化物膜６６１および半導体膜６６２を形成した後に行ってもよい。加熱処理により、絶縁膜６５２や酸化物膜から半導体膜に酸素が供給され、半導体膜中の酸素欠損を低減することができる。
【０１５２】
その後、レジストマスクを形成し、不要な部分をエッチングにより除去する。その後レジストマスクを除去することにより、島状の酸化物膜６６１および島状の半導体膜６６２の積層構造を形成することができる（図９（Ｄ）参照）。なお、半導体膜のエッチングの際に、絶縁膜６５２の一部がエッチングされ、酸化物膜６６１および半導体膜６６２に覆われていない領域における絶縁膜６５２が薄膜化することがある。したがって、当該エッチングにより絶縁膜６５２が消失しないよう、予め厚く形成しておくことが好ましい。
【０１５３】
なお、半導体膜および酸化物膜のエッチング条件によっては、レジストがエッチング時に消失してしまう場合があるため、エッチングの耐性が高い材料、例えば無機膜または金属膜からなるいわゆるハードマスクを用いてもよい。ここでハードマスク６７８として、導電膜を用いる例を示す。ハードマスク６７８を用いて半導体膜および酸化物膜を加工し、酸化物膜６６１および半導体膜６６２を形成する例を示す。（図９（Ｅ）参照）。
【０１５４】
ハードマスク６７８として、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。
【０１５５】
また、ハードマスク６７８には、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、ストロンチウムルテナイトなど、貴金属を含む導電性酸化物を用いることが好ましい。これらの導電性酸化物は、酸化物半導体と接しても酸化物半導体から酸素を奪うことが少なく、酸化物半導体の酸素欠損を作りにくい。
【０１５６】
ハードマスク６７８の形成は、例えばスパッタリング法、ＣＶＤ法（熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法等を含む）、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法などを用いて形成することができる。
【０１５７】
次に、レジストマスクを形成し、エッチングにより、ハードマスク６７８を、導電膜６７１および導電膜６７２に加工する（図１０（Ａ）参照）。ここで、ハードマスク６７８のエッチングの際に、半導体膜６６２や絶縁膜６５２の上部の一部がエッチングされ、導電膜６７１および導電膜６７２と重ならない部分が薄膜化することがある。したがって、半導体膜６６２の厚さを、エッチングされる深さを考慮して予め厚く形成しておくことが好ましい。
【０１５８】
次に、酸化物膜６６３および絶縁膜６５３を成膜する。その後、レジストマスクを形成し、エッチングにより加工し、その後レジストマスクを除去する（図１０（Ｂ）参照）。
【０１５９】
次に、導電膜６７３を成膜し、レジストマスクを形成し、エッチングにより該導電膜６７３を加工し、その後、レジストマスクを除去してゲート電極を形成する（図１０（Ｃ）参照）。
【０１６０】
酸化物膜６６３、絶縁膜６５３および導電膜６７３は、スパッタリング法、ＣＶＤ法（熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法等を含む）、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて成膜すればよい。特に、ＣＶＤ法、好ましくはプラズマＣＶＤ法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。またプラズマによるダメージを減らすには、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法あるいはＡＬＤ法が好ましい。
【０１６１】
酸化物膜６６３および絶縁膜６５３は、導電膜６７３形成後にエッチングしてもよい。エッチングは、例えばレジストマスクを用いて行えばよい。または、形成した導電膜６７３をマスクとして絶縁膜６５３および酸化物膜６６３をエッチングしてもよい。
【０１６２】
また、酸化物膜６６３を形成した後に、酸化物膜６６３に酸素を導入してもよい。例えば、成膜後の酸化物膜６６３に酸素（少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む）を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理などを用いることができる。
【０１６３】
酸素導入処理には、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、例えば酸素、亜酸化窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる。また、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよい。または、水素等を含ませてもよい。例えば、二酸化炭素、水素およびアルゴンの混合ガスを用いるとよい。
【０１６４】
酸化物膜６６３に用いることができる材料は、図７の酸化物膜６６３の記載を参照すればよい。
【０１６５】
絶縁膜６５３には、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、絶縁膜６５３は上記材料の積層であってもよい。なお、絶縁膜６５３に、ランタン（Ｌａ）、窒素、ジルコニウム（Ｚｒ）などを、不純物として含んでいてもよい。
【０１６６】
また、絶縁膜６５３の積層構造の一例について説明する。絶縁膜６５３は、例えば、酸素、窒素、シリコン、ハフニウムなどを有する。具体的には、酸化ハフニウム、および酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含むと好ましい。
【０１６７】
酸化ハフニウムは、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率が高い。したがって、等価酸化膜厚に対して物理的な膜厚を大きくできるため、等価酸化膜厚を１０ｎｍ以下または５ｎｍ以下とした場合でも、トンネル電流によるリーク電流を小さくすることができる。即ち、オフ電流の小さいトランジスタを実現することができる。
【０１６８】
次に、絶縁膜６５４を形成する。絶縁膜６５４は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキングできる機能を有する。絶縁膜６５４は、例えばスパッタリング法、ＣＶＤ法（熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法等を含む）、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁膜をＣＶＤ法、好ましくはプラズマＣＶＤ法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。また、プラズマによるダメージを減らすには、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法あるいはＡＬＤ法が好ましい。
【０１６９】
絶縁膜６５４は酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキング効果を有することが好ましい。絶縁膜６５４としては、例えば、窒化物絶縁膜を用いることができる。該窒化物絶縁膜としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム等がある。なお、窒化物絶縁膜の代わりに、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜を設けてもよい。酸化物絶縁膜としては、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等がある。
【０１７０】
酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、および酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高いので絶縁膜６５４に適用するのに好ましい。また、酸化アルミニウム膜に含まれる酸素を多層膜６６０に拡散させることもできる。
【０１７１】
絶縁膜６５４の成膜後、加熱処理を行うことが好ましい。この加熱処理により、絶縁膜６５２等から多層膜６６０に対して酸素を供給し、多層膜６６０中の酸素欠損を低減することができる。また、このとき、絶縁膜６５２から脱離した酸素は、絶縁膜６５６および絶縁膜６５４によってブロックされるため、当該酸素を効果的に閉じ込めることができる。そのため多層膜６６０に供給しうる酸素の量を増大させることができ、多層膜６６０中の酸素欠損を効果的に低減することができる。
【０１７２】
続いて、絶縁膜６５５を形成する。絶縁膜６５５は、例えばスパッタリング法、ＣＶＤ法（熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法等を含む）、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法などを用いて形成することができる。特に、ＣＶＤ法、好ましくはプラズマＣＶＤ法によって成膜すると、被覆性を良好なものとすることができるため好ましい。またプラズマによるダメージを減らすには、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法あるいはＡＬＤ法が好ましい。また絶縁膜６５５として有機樹脂などの有機絶縁材料を用いる場合には、スピンコート法などの塗布法を用いて形成してもよい。また、絶縁膜６５５を形成した後にその上面に対して平坦化処理を行うことが好ましい。
【０１７３】
絶縁膜６５５には、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、絶縁膜６５５には、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、シロキサン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の有機樹脂を用いることもできる。また、絶縁膜６５５は上記材料の積層であってもよい。
【０１７４】
＜トランジスタの構成例２＞
図７で示したトランジスタ６００は、導電膜６７３をエッチングで形成する際に、酸化物膜６６３および絶縁膜６５３を、同時にエッチングしてもよい。一例を図１１に示す。
【０１７５】
図１１は、図７（Ｂ）において、導電膜６７３の下のみに、酸化物膜６６３および絶縁膜６５３が存在する場合である。
【０１７６】
＜トランジスタの構成例３＞
図７で示したトランジスタ６００は、導電膜６７１および導電膜６７２が、酸化物膜６６１の側面および半導体膜６６２の側面と接していてもよい。一例を図１２に示す。
【０１７７】
図１２は、図７（Ｂ）において、導電膜６７１および導電膜６７２が、酸化物膜６６１の側面および半導体膜６６２の側面と接している場合である。
【０１７８】
＜トランジスタの構成例４＞
図７で示したトランジスタ６００は、導電膜６７１が、導電膜６７１ａおよび導電膜６７１ｂの積層構造としてもよい。また、導電膜６７２が、導電膜６７２ａおよび導電膜６７２ｂの積層構造としてもよい。一例として、図１３に示す。
【０１７９】
図１３は、図７（Ｂ）において、導電膜６７１が、導電膜６７１ａおよび導電膜６７１ｂの積層構造とし、導電膜６７２が、導電膜６７２ａおよび導電膜６７２ｂの積層構造とした場合である。
【０１８０】
導電膜６７１ｂおよび導電膜６７２ｂとしては、例えば、透明導電体、酸化物半導体、窒化物半導体または酸化窒化物半導体を用いればよい。導電膜６７１ｂおよび導電膜６７２ｂとしては、例えば、インジウム、スズおよび酸素を含む膜、インジウムおよび亜鉛を含む膜、インジウム、タングステンおよび亜鉛を含む膜、スズおよび亜鉛を含む膜、亜鉛およびガリウムを含む膜、亜鉛およびアルミニウムを含む膜、亜鉛およびフッ素を含む膜、亜鉛およびホウ素を含む膜、スズおよびアンチモンを含む膜、スズおよびフッ素を含む膜またはチタンおよびニオブを含む膜などを用いればよい。または、これらの膜が水素、炭素、窒素、シリコン、ゲルマニウムまたはアルゴンを含んでも構わない。
【０１８１】
導電膜６７１ｂおよび導電膜６７２ｂは、可視光線を透過する性質を有しても構わない。または、導電膜６７１ｂおよび導電膜６７２ｂは、可視光線、紫外線、赤外線もしくはＸ線を、反射もしくは吸収することで透過させない性質を有しても構わない。このような性質を有することで、迷光によるトランジスタの電気特性の変動を抑制できる場合がある。
【０１８２】
また、導電膜６７１ｂおよび導電膜６７２ｂは、半導体膜６６２などとの間にショットキー障壁を形成しない層を用いると好ましい場合がある。こうすることで、トランジスタのオン特性を向上させることができる。
【０１８３】
導電膜６７１ａおよび導電膜６７２ａとしては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金膜や化合物膜であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
【０１８４】
なお、導電膜６７１ｂおよび導電膜６７２ｂは、導電膜６７１ａおよび導電膜６７２ａよりも高抵抗の膜を用いると好ましい場合がある。また、導電膜６７１ｂおよび導電膜６７２ｂは、トランジスタのチャネルよりも低抵抗の膜を用いると好ましい場合がある。例えば、導電膜６７１ｂおよび導電膜６７２ｂの抵抗率を、０．１Ωｃｍ以上１００Ωｃｍ以下、０．５Ωｃｍ以上５０Ωｃｍ以下、または１Ωｃｍ以上１０Ωｃｍ以下とすればよい。導電膜６７１ｂおよび導電膜６７２ｂの抵抗率を上述の範囲とすることにより、チャネルとドレインとの境界部における電界集中を緩和することができる。そのため、トランジスタの電気特性の変動を低減することができる。また、ドレインから生じる電界に起因したパンチスルー電流を低減することができる。そのため、チャネル長の短いトランジスタにおいても、飽和特性を良好にすることができる。なお、ソースとドレインとが入れ替わらない回路構成であれば、導電膜６７１ｂおよび導電膜６７２ｂのいずれか一方のみ（例えば、ドレイン側）を配置するほうが好ましい場合がある。
【０１８５】
＜トランジスタの構成例５＞
図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）は、トランジスタ３００の上面図および断面図である。図１４（Ａ）は上面図であり、図１４（Ａ）に示す一点鎖線Ａ−Ｂ方向の断面が図１４（Ｂ）に相当する。なお、図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）では、図の明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。また、一点鎖線Ａ−Ｂ方向をチャネル長方向と呼称する場合がある。
【０１８６】
図１４（Ｂ）に示すトランジスタ３００は、第１のゲートとして機能する導電膜３８０と、第２のゲートとして機能する導電膜３８８と、半導体膜３８２と、ソースおよびドレインとして機能する導電膜３８３および導電膜３８４と、絶縁膜３８１と、絶縁膜３８５と、絶縁膜３８６と、絶縁膜３８７と、を有する。
【０１８７】
導電膜３８０は、絶縁表面上に設けられる。導電膜３８０と、半導体膜３８２とは、絶縁膜３８１を間に挟んで、互いに重なる。また、導電膜３８８と、半導体膜３８２とは、絶縁膜３８５、絶縁膜３８６および絶縁膜３８７を間に挟んで、互いに重なる。また、導電膜３８３および導電膜３８４は、半導体膜３８２に、接続されている。
【０１８８】
導電膜３８０および導電膜３８８の詳細は、図７に示す導電膜６７３および導電膜６７４の記載を参照すればよい。
【０１８９】
導電膜３８０と導電膜３８８は、異なる電位が与えられてもよいし、同時に同じ電位が与えられてもよい。トランジスタ３００は、第２のゲート電極として機能する導電膜３８８を設けることでしきい値を安定化させることが可能になる。なお、導電膜３８８は、場合によっては省略してもよい。
【０１９０】
半導体膜３８２の詳細は、図７に示す半導体膜６６２の記載を参照すればよい。また、半導体膜３８２は、一層でも良いし、複数の半導体膜の積層でも良い。
【０１９１】
導電膜３８３および導電膜３８４の詳細は、図７に示す導電膜６７１および導電膜６７２の記載を参照すればよい。
【０１９２】
絶縁膜３８１の詳細は、図７に示す絶縁膜６５３の記載を参照すればよい。
【０１９３】
なお、図１４（Ｂ）では、半導体膜３８２、導電膜３８３および導電膜３８４上に、順に積層された絶縁膜３８５乃至絶縁膜３８７が設けられている場合を例示しているが、半導体膜３８２、導電膜３８３および導電膜３８４上に設けられる絶縁膜は、一層でも良いし、複数の絶縁膜の積層でも良い。
【０１９４】
半導体膜３８２に酸化物半導体を用いた場合、絶縁膜３８６は、化学量論的組成以上の酸素が含まれており、加熱により上記酸素の一部を半導体膜３８２に供給する機能を有する絶縁膜であることが望ましい。ただし、絶縁膜３８６を半導体膜３８２上に直接設けると、絶縁膜３８６の形成時に半導体膜３８２にダメージが与えられる場合、図１４（Ｂ）に示すように、絶縁膜３８５を半導体膜３８２と絶縁膜３８６の間に設けると良い。絶縁膜３８５は、その形成時に半導体膜３８２に与えるダメージが絶縁膜３８６の場合よりも小さく、なおかつ、酸素を透過する機能を有する絶縁膜であることが望ましい。ただし、半導体膜３８２に与えられるダメージを小さく抑えつつ、半導体膜３８２上に絶縁膜３８６を直接形成することができるのであれば、絶縁膜３８５は必ずしも設けなくとも良い。
【０１９５】
例えば、絶縁膜３８６および絶縁膜３８５として、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む材料を用いることが好ましい。または、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の金属酸化物を用いることもできる。
【０１９６】
絶縁膜３８７は、酸素、水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を有することが望ましい。或いは、絶縁膜３８７は、水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を有することが望ましい。
【０１９７】
絶縁膜は、密度が高くて緻密である程、また未結合手が少なく化学的に安定であるほどより高いブロッキング効果を示す。酸素、水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を示す絶縁膜は、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等を用いて、形成することができる。水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を示す絶縁膜は、例えば、窒化シリコン、窒化酸化シリコン等を用いることができる。
【０１９８】
絶縁膜３８７が水、水素などの拡散を防ぐブロッキング効果を有する場合、パネル内の樹脂や、パネルの外部に存在する水、水素などの不純物が、半導体膜３８２に侵入するのを防ぐことができる。半導体膜３８２に酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体に侵入した水または水素の一部は電子供与体（ドナー）となるため、上記ブロッキング効果を有する絶縁膜３８７を用いることで、トランジスタ３００の閾値電圧がドナーの生成によりシフトするのを防ぐことができる。
【０１９９】
また、半導体膜３８２に酸化物半導体を用いる場合、絶縁膜３８７が酸素の拡散を防ぐブロッキング効果を有することで、酸化物半導体からの酸素が外部に拡散するのを防ぐことができる。よって、酸化物半導体中において、ドナーとなる酸素欠損が低減されるので、トランジスタ３００の閾値電圧がドナーの生成によりシフトするのを防ぐことができる。
【０２００】
＜トランジスタの構成例６＞
図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）および図１５（Ｃ）は、トランジスタ５００の上面図および断面図である。図１５（Ａ）は上面図であり、図１５（Ａ）に示す一点鎖線Ｃ−Ｄ方向の断面が図１５（Ｂ）に相当し、図１５（Ａ）に示す一点鎖線Ｅ−Ｆ方向の断面が図１５（Ｃ）に相当する。なお、図１５（Ａ）乃至図１５（Ｃ）では、図の明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。また、一点鎖線Ｃ−Ｄ方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｅ−Ｆ方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。また、図１５（Ｂ）および図１５（Ｃ）中には過剰酸素の経路を矢印で記した。
【０２０１】
図１５（Ｂ）および図１５（Ｃ）において、トランジスタ５００は、基板４００上の絶縁膜４０１と、絶縁膜４０１上の導電膜３１０と、絶縁膜４０１上、導電膜３１０の上面および導電膜３１０の側面と接する絶縁膜３０１と、絶縁膜３０１上の絶縁膜３０３と、絶縁膜３０３上の絶縁膜４０２と、絶縁膜４０２上の酸化物膜４０６ａと、酸化物膜４０６ａ上の半導体膜４０６ｂと、半導体膜４０６ｂの上面、半導体膜４０６ｂの側面および酸化物膜４０６ａ側面と接する領域を有する導電膜４１６ａ１および導電膜４１６ａ２と、導電膜４１６ａ１上の導電膜４１６ｂ１と、導電膜４１６ａ２上の導電膜４１６ｂ２と、導電膜４１６ｂ１および導電膜４１６ｂ２の上面と接する絶縁膜４１０と、半導体膜４０６ｂの上面と接する酸化物膜４０６ｃと、酸化物膜４０６ｃ上の絶縁膜４１２と、絶縁膜４１２および酸化物膜４０６ｃを介して半導体膜４０６ｂ上に配置する導電膜４０４ａと、導電膜４０４ａ上の導電膜４０４ｂと、導電膜４０４ｂ上の導電膜４０４ｃと、絶縁膜４１０上、導電膜４０４ｃの上、導電膜４０４ｃの側面、導電膜４０４ｂの側面、導電膜４０４ａの側面、絶縁膜４１２の側面および酸化物膜４０６ｃの側面を接する領域を有する絶縁膜４０８と、絶縁膜４０８上の絶縁膜４２８と、絶縁膜４２８および絶縁膜４０８を通って導電膜４０４ｃに達する開口部と、開口部に埋め込まれている導電膜４３８と、を有する。
【０２０２】
なお、酸化物膜４０６ａおよび半導体膜４０６ｂは、酸化物膜４０６ａの側面、半導体膜４０６ｂの上面および半導体膜４０６ｂの側面と導電膜４１６ａ１および導電膜４１６ａ２と接する領域４０７を有する。
【０２０３】
本トランジスタにおいて、導電膜４０４ａ、導電膜４０４ｂおよび導電膜４０４ｃは第１のゲート電極としての機能を有する。また、導電膜４０４ａおよび導電膜４０４ｃは導電膜４０４ｂよりも酸素を透過しにくい機能を有することで、導電膜４０４ｂの酸化による導電率の低下を防ぐことができる。なお、導電膜４０４ａで形成される凹部を導電膜４０４ｂによって埋まるため、導電膜４０４ｂの上面は、完全な平坦ではなく、多少凹凸がある場合がある。絶縁膜４１２は第１のゲート絶縁膜としての機能を有する。また、導電膜４１６ａ１、導電膜４１６ｂ１、導電膜４１６ａ２および導電膜４１６ｂ２は、ソース電極およびドレイン電極としての機能を有する。また、導電膜４１６ｂ１および導電膜４１６ｂ２は、導電膜４１６ａ１および導電膜４１６ａ２よりも酸素を透過しにくい機能を有することで、導電膜４１６ａ１および導電膜４１６ａ２の酸化による導電率の低下を防ぐことができる。導電膜４０４ａ、導電膜４０４ｂおよび導電膜４０４ｃに印加する電位によって、半導体膜４０６ｂの抵抗を制御することができる。即ち、導電膜４０４ａ、導電膜４０４ｂおよび導電膜４０４ｃに印加する電位によって、導電膜４１６ａ１および導電膜４１６ｂ１と導電膜４１６ａ２および導電膜４１６ｂ２との間の導通・非導通を制御することができる。
【０２０４】
また、導電膜３１０は、第２のゲート電極としての機能を有する。また、導電膜３１０は酸素を透過しにくい機能を有する導電膜を含む多層膜とすることもできる。酸素を透過しにくい機能を有する導電膜を含む多層膜とすることで導電膜３１０の酸化による導電率の低下を防ぐことができる。絶縁膜３０１、絶縁膜３０３および絶縁膜４０２は第２のゲート絶縁膜としての機能を有する。導電膜３１０へ印加する電位によって、本トランジスタのしきい値電圧を制御することができる。また、導電膜３１０に印加する電位により、絶縁膜３０３へ電子を注入させ本トランジスタのしきい値電圧を制御することができる。さらに第１のゲート電極と第２のゲート電極を電気的に接続することで、導通時の電流（オン電流）を大きくすることができる。なお、第１のゲート電極の機能と、第２のゲート電極の機能と、が入れ替わっても構わない。
【０２０５】
また、本トランジスタの導電膜４０４ａは、絶縁膜４１２、酸化物膜４０６ｃおよび絶縁膜４１０を介して導電膜４０４ａと導電膜４１６ｂ１とが互いに重なる領域と、絶縁膜４１２、酸化物膜４０６ｃおよび絶縁膜４１０を介して導電膜４０４ａと導電膜４１６ｂ２とが互いに重なる領域と、を有する。本トランジスタは、導電膜４０４ａと導電膜４１６ｂ１との間、導電膜４０４ａと導電膜４１６ｂ２との間に、それぞれ絶縁膜４１２、酸化物膜４０６ｃおよび絶縁膜４１０を有することで、寄生容量を小さくすることができる。よって、本トランジスタは周波数特性の高いトランジスタとなる。
【０２０６】
図１５（Ｂ）および図１５（Ｃ）に示すように、酸化物膜４０６ａおよび半導体膜４０６ｂの側面は、導電膜４１６ａ１および導電膜４１６ａ２と接する。また、ゲート電極としての機能を有する導電膜４０４ａ、導電膜４０４ｂおよび導電膜４０４ｃの電界によって、酸化物膜４０６ａおよび半導体膜４０６ｂを電気的に取り囲むことができる。そのため、半導体膜４０６ｂの全体にチャネルが形成される場合がある。先述したｓ−ｃｈａｎｅｌ構造では、トランジスタのソース−ドレイン間に大電流を流すことができ、導通時の電流（オン電流）を大きくすることができる。また、酸化物膜４０６ａおよび半導体膜４０６ｂが、導電膜４０４ａ、導電膜４０４ｂおよび導電膜４０４ｃの電界によって取り囲まれていることから、非導通時の電流（オフ電流）を小さくすることができる。
【０２０７】
本トランジスタは、ゲート電極として機能する領域が、絶縁膜４１０などによって形成される開口部を埋めるように自己整合（ｓｅｌｆ  ａｌｉｇｎ）的に形成されるので、ＴＧＳＡ  ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ  ＦＥＴ（Ｔｒｅｎｃｈ  Ｇａｔｅ  Ｓｅｌｆ  Ａｌｉｇｎ  ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ  ＦＥＴ）と呼ぶこともできる。
【０２０８】
なお、トランジスタを、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁膜で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。例えば、絶縁膜４０１として、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁膜を用いればよい。また、絶縁膜４０８として、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁膜を用いればよい。
【０２０９】
水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁膜としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。
【０２１０】
例えば、絶縁膜４０１としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、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、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。なお、絶縁膜４０１は、酸化アルミニウムまたは窒化シリコンを有することが好ましい。例えば、絶縁膜４０１が酸化アルミニウムまたは窒化シリコンを有することで、半導体膜４０６ｂに水素などの不純物が混入することを抑制することができる。また、例えば、絶縁膜４０１が酸化アルミニウムまたは窒化シリコンを有することで、酸素の外方拡散を低減することができる。
【０２１１】
また、例えば、絶縁膜４０８としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、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、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。なお、絶縁膜４０８は、酸化アルミニウムを有することが好ましい。例えば、絶縁膜４０８は酸素を有するプラズマを用いて成膜すると絶縁膜４０８の下地層となる絶縁膜４１０へ酸素を添加することができる。または、絶縁膜４１２の側面に酸素を添加することもできる。添加された酸素は、絶縁膜４１０中または絶縁膜４１２中で過剰酸素となる。絶縁膜４０８が酸化アルミニウムを有することで、半導体膜４０６ｂに水素などの不純物が混入することを抑制することができる。また、例えば、絶縁膜４０８が酸化アルミニウムを有することで、上述の絶縁膜４１０および絶縁膜４１２へ添加した過剰酸素の外方拡散を低減することができる。
【０２１２】
絶縁膜３０１としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁膜３０１としては、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを有することが好ましい。
【０２１３】
絶縁膜３０３としては、例えば、電子注入層としての機能を有してもよい。絶縁膜３０３としては例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁膜３０３としては、窒化シリコン、酸化ハフニウムまたは酸化アルミニウムシリコンを有することが好ましい。
【０２１４】
絶縁膜４０２としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁膜４０２としては、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを有することが好ましい。
【０２１５】
なお、絶縁膜４１０は、比誘電率の低い絶縁膜を有することが好ましい。例えば、絶縁膜４１０は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。または、絶縁膜４１０は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまたは空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。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、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。
【０２１６】
絶縁膜４１２としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁膜４１２としては、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを有することが好ましい。
【０２１７】
なお、絶縁膜４１２は、比誘電率の高い絶縁膜を有することが好ましい。例えば、絶縁膜４１２は、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、またはシリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物などを有することが好ましい。または、絶縁膜４１２は、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと、比誘電率の高い絶縁膜と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、比誘電率の高い絶縁膜と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。例えば、酸化アルミニウム、酸化ガリウムまたは酸化ハフニウムを酸化物膜４０６ｃ側に有することで、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンに含まれるシリコンが、半導体膜４０６ｂに混入することを抑制することができる。また、例えば、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを酸化物膜４０６ｃ側に有することで、酸化アルミニウム、酸化ガリウムまたは酸化ハフニウムと、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと、の界面にトラップセンターが形成される場合がある。該トラップセンターは、電子を捕獲することでトランジスタのしきい値電圧をプラス方向に変動させることができる場合がある。
【０２１８】
絶縁膜４２８としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁膜４２８としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。
【０２１９】
なお、絶縁膜４２８は、比誘電率の低い絶縁膜を有することが好ましい。例えば、絶縁膜４２８は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。または、絶縁膜４１０は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまたは空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。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、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。
【０２２０】
導電膜４１６ａ１、導電膜４１６ｂ１、導電膜４１６ａ２、および導電膜４１６ｂ２は、導電膜６７１ａ、導電膜６７１ｂ、導電膜６７２ａ、および導電膜６７２ｂの説明を援用することができる。また、導電膜３１０、導電膜４０４ａ、導電膜４０４ｂおよび導電膜４０４ｃは、導電膜６７３および導電膜６７４の説明を援用することができる。また、導電膜４３８としては、導電膜４１６ａ１、導電膜４１６ｂ１、導電膜４１６ａ２、および導電膜４１６ｂ２と同様の材料を用いることができる。また、半導体膜４０６ｂとしては、酸化物半導体を用いることが好ましい。
【０２２１】
図１６（Ａ）および図１６（Ｂ）は、本トランジスタの中央部を拡大したものである。図１６（Ａ）において、ゲート電極としての機能を有する導電膜４０４ａ、導電膜４０４ｂおよび導電膜４０４ｃのうち、導電膜４０４ａの底面が、絶縁膜４１２および酸化物膜４０６ｃを介して、半導体膜４０６ｂの上面と平行に面する領域の長さをゲート線幅４０４ｗとして示す。本トランジスタは、図１６（Ａ）に示すように、半導体膜４０６ｂに達する開口部よりもゲート線幅４０４ｗを小さくすることができる。即ち、ゲート線幅４０４ｗを最小加工寸法よりも小さくすることができる。具体的には、ゲート線幅４０４ｗを、５ｎｍ以上６０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下とすることができる。
【０２２２】
なお、ゲート電極からの電界が他の導電膜によって遮られると、トランジスタのスイッチング特性が悪化する場合がある。本トランジスタは、酸化物膜４０６ｃおよび絶縁膜４１２の膜厚によって導電膜４０４ａ、導電膜４０４ｂおよび導電膜４０４ｃと、導電膜４１６ａ１、導電膜４１６ｂ１、導電膜４１６ａ２および導電膜４１６ｂ２と、の位置関係が変化する。即ち、ソース電極およびドレイン電極としての機能を有する導電膜４１６ａ１、導電膜４１６ｂ１、導電膜４１６ａ２、および導電膜４１６ｂ２の膜厚とゲート絶縁膜としての機能を有する絶縁膜４１２の膜厚の関係は、本トランジスタの電気特性に影響をおよぼすことがわかる。
【０２２３】
図１６（Ｂ）において導電膜４１６ａ１および導電膜４１６ｂ１と、導電膜４１６ａ２および導電膜４１６ｂ２との間の領域における絶縁膜４１２の厚さを４１２ｈと表す。
【０２２４】
また、導電膜４１６ａ１の厚さと導電膜４１６ｂ１の厚さの合計の最小の厚さまたは導電膜４１６ａ２の厚さと導電膜４１６ｂ２の厚さの合計の最小の厚さを４１６ｈと表す。
【０２２５】
４１２ｈの厚さが４１６ｈの厚さ以下とすることで、ゲート電極からの電界がチャネル形成領域全体にかかるのでトランジスタの動作が良好となり好ましい。４１２ｈの厚さは、３０ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以下とする。
【０２２６】
また、導電膜４０４ａと導電膜４１６ｂ１の間および導電膜４０４ａと導電膜４１６ｂ２間に形成される寄生容量の値は、絶縁膜４１０の厚さに反比例する。例えば、絶縁膜４１０の厚さを、絶縁膜４１２の厚さの３倍以上、好ましくは５倍以上とすることで、寄生容量は無視できるほど小さくなる。
【０２２７】
ここで、本トランジスタの特徴の一を説明する。導電膜４１６ａ１は領域４１６ｃと領域４１６ｄを有し、領域４１６ｄは領域４１６ｃより薄い。導電膜４１６ａ２は領域４１６ｅおよび領域４１６ｆを有し、領域４１６ｅは領域４１６ｆより薄い。領域４１６ｄの端部および領域４１６ｅの端部は酸化物膜４０６ｃおよび絶縁膜４１２を介して、導電膜４０４ａと互いに重なる領域を有するが、導電膜４１６ａ１および導電膜４１６ａ２に薄い領域４１６ｄおよび領域４１６ｅが儲けられているため、寄生容量が生じる領域の面積をより小さくすることができる。言い換えると、図１６（Ｂ）中の点線の丸で囲った部分、より詳しくは領域４１６ｄおよび領域４１６ｅにおける導電膜４１６ａ１の厚さと導電膜４１６ｂ１の厚さの合計の厚さ、または導電膜４１６ａ２の厚さと導電膜４１６ｂ２の厚さの合計の厚さである４１６ｈを小さくすることができる。したがって本トランジスタの寄生容量値は小さく抑えられるのでトランジスタの周波数特性をより高めることができるトランジスタの構成となっている（図１６（Ｂ）参照）。
【０２２８】
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。
【０２２９】
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態２で示した、トランジスタが適用可能な記憶装置の一例について説明する。
【０２３０】
図１７（Ａ）に示す半導体装置は、トランジスタＭ１と、トランジスタＭ０と、容量素子３４００と、を有している。
【０２３１】
トランジスタＭ０は、チャネル領域に酸化物半導体を有するトランジスタであることが好ましい。トランジスタＭ０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。
【０２３２】
図１７（Ａ）において、第１の配線３００１はトランジスタＭ１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Ｍ１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Ｍ０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Ｍ０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Ｍ１のゲート電極、およびトランジスタＭ０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の端子に電気的に接続され、第５の配線３００５は容量素子３４００の第２の端子に電気的に接続されている。
【０２３３】
図１７（Ａ）に示す半導体装置では、トランジスタＭ１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、データの書き込み、保持、読み出しが可能である。
【０２３４】
データ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Ｍ０がオン状態となる電位にして、トランジスタＭ０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Ｍ１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Ｍ１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Ｍ０がオフ状態となる電位にして、トランジスタＭ０をオフ状態とすることにより、トランジスタＭ１のゲートに与えられた電荷が保持される（保持）。
【０２３５】
トランジスタＭ０のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタＭ１のゲートの電荷は長時間にわたって保持される。
【０２３６】
次に、データ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Ｍ１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Ｍ１をｎチャネル型とすると、トランジスタＭ１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Ｍ１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Ｍ１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Ｍ１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Ｍ１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Ｍ１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、保持されているデータを読み出すことができる。
【０２３７】
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データのみを読み出せることが必要になる。このようにデータ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Ｍ１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Ｍ１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。
【０２３８】
図１７（Ｂ）に示す半導体装置は、トランジスタＭ１を設けていない点で図１７（Ａ）と相違している。この場合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動作が可能である。
【０２３９】
次に、図１７（Ｂ）に示す半導体装置のデータの読み出しについて説明する。トランジスタＭ０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。
【０２４０】
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。
【０２４１】
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、データを読み出すことができる。
【０２４２】
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。
【０２４３】
また、本実施の形態に示す半導体装置では、データ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、データ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。
【０２４４】
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（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）デバイスにも応用可能である。
【０２４５】
ここで、図１８に、図１７（Ａ）に対応する半導体装置の断面図を示す。図１８に示す半導体装置は、トランジスタＭ１と、トランジスタＭ０と、容量素子３４００と、を有する。また、トランジスタＭ０および容量素子３４００は、トランジスタＭ１の上方に配置する。また、図面の左側はチャネル長方向の断面図、右側はチャネル幅方向の断面図を示す。なお、トランジスタＭ０としては、図１５に示したトランジスタを用いた例を示しているが、本発明の一態様に係る半導体装置は、これに限定されるものではない。よって適宜上述したトランジスタについての記載を参酌する。
【０２４６】
また、図１８に示すトランジスタＭ１は、半導体基板４５０を用いたトランジスタである。トランジスタＭ１は、半導体基板４５０中の領域４７４ａと、半導体基板４５０中の領域４７４ｂと、絶縁膜４６２と、導電膜４５４と、を有する。
【０２４７】
トランジスタＭ１において、領域４７４ａおよび領域４７４ｂは、ソース領域およびドレイン領域としての機能を有する。また、絶縁膜４６２は、ゲート絶縁膜としての機能を有する。また、導電膜４５４は、ゲート電極としての機能を有する。したがって、導電膜４５４に印加する電位によって、チャネル形成領域の抵抗を制御することができる。即ち、導電膜４５４に印加する電位によって、領域４７４ａと領域４７４ｂとの間の導通・非導通を制御することができる。
【０２４８】
半導体基板４５０としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などを用いればよい。好ましくは、半導体基板４５０として単結晶シリコン基板を用いる。
【０２４９】
半導体基板４５０は、ｎ型の導電型を付与する不純物を有する半導体基板を用いる。ただし、半導体基板４５０として、ｐ型の導電型を付与する不純物を有する半導体基板を用いても構わない。その場合、トランジスタＭ１となる領域には、ｎ型の導電型を付与する不純物を有するウェルを配置すればよい。または、半導体基板４５０がｉ型であっても構わない。
【０２５０】
半導体基板４５０の上面は、（１１０）面を有することが好ましい。こうすることで、トランジスタＭ１のオン特性を向上させることができる。
【０２５１】
領域４７４ａおよび領域４７４ｂは、ｐ型の導電型を付与する不純物を有する領域である。このようにして、トランジスタＭ１はｐチャネル型トランジスタを構成する。
【０２５２】
トランジスタＭ１がｐチャネル型トランジスタである場合について説明したが、トランジスタＭ１がｎチャネル型トランジスタであっても構わない。
【０２５３】
なお、トランジスタＭ１は、領域４６０などによって隣接するトランジスタと分離される。領域４６０は、絶縁性を有する領域である。
【０２５４】
図１８に示す半導体装置は、絶縁膜４６４と、絶縁膜４６６と、絶縁膜４６８と、絶縁膜４７０と、絶縁膜４７２と、絶縁膜４７５と、絶縁膜３０２と、絶縁膜３０３と、絶縁膜４０２と、絶縁膜４１０と、絶縁膜４０８と、絶縁膜４２８と、絶縁膜４６５と、絶縁膜４６７と、絶縁膜４６９と、絶縁膜４９８と、導電膜４８０ａと、導電膜４８０ｂと、導電膜４８０ｃと、導電膜４７８ａと、導電膜４７８ｂと、導電膜４７８ｃと、導電膜４７６ａと、導電膜４７６ｂと、導電膜４７６ｃと、導電膜４７９ａと、導電膜４７９ｂと、導電膜４７９ｃと、導電膜４７７ａと、導電膜４７７ｂと、導電膜４７７ｃと、導電膜４８４ａと、導電膜４８４ｂと、導電膜４８４ｃと、導電膜４８４ｄと、導電膜４８２ａと、導電膜４８２ｃと、導電膜４８３ａと、導電膜４８３ｂと、導電膜４８３ｃと、導電膜４８３ｄと、導電膜４８５ａと、導電膜４８５ｂと、導電膜４８５ｃと、導電膜４８５ｄと、導電膜４８７ａと、導電膜４８７ｂと、導電膜４８７ｃと、導電膜４８８ａと、導電膜４８８ｂと、導電膜４８８ｃと、導電膜４９０ａと、導電膜４９０ｂと、導電膜４８９ａと、導電膜４８９ｂと、導電膜４９１ａと、導電膜４９１ｂと、導電膜４９１ｃと、導電膜４９２ａと、導電膜４９２ｂと、導電膜４９２ｃと、導電膜４９４と、導電膜４９６と、酸化物膜４０６ａ、半導体膜４０６ｂ、酸化物膜４０６ｃと、を有する。
【０２５５】
絶縁膜４６４は、トランジスタＭ１上に配置する。また、絶縁膜４６６は、絶縁膜４６４上に配置する。また、絶縁膜４６８は、絶縁膜４６６上に配置する。また、絶縁膜４７０は、絶縁膜４６８上に配置する。また、絶縁膜４７２は、絶縁膜４７０上に配置する。また、絶縁膜４７５は、絶縁膜４７２上に配置する。また、トランジスタＭ０は、絶縁膜４７５上に配置する。また、絶縁膜４０８は、トランジスタＭ０上に配置する。また、絶縁膜４２８は、絶縁膜４０８上に配置する。また、絶縁膜４６５は、絶縁膜４２８上に配置される。また、容量素子３４００は、絶縁膜４６５上に配置される。また、絶縁膜４６９は、容量素子３４００上に配置される。
【０２５６】
絶縁膜４６４は、領域４７４ａに達する開口部と、領域４７４ｂに達する開口部と、導電膜４５４に達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電膜４８０ａ、導電膜４８０ｂまたは導電膜４８０ｃが埋め込まれている。
【０２５７】
また、絶縁膜４６６は、導電膜４８０ａに達する開口部と、導電膜４８０ｂに達する開口部と、導電膜４８０ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電膜４７８ａ、導電膜４７８ｂまたは導電膜４７８ｃが埋め込まれている。
【０２５８】
また、絶縁膜４６８は、導電膜４７８ａに達する開口部と、導電膜４７８ｂに達する開口部と、導電膜４７８ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電膜４７６ａ、導電膜４７６ｂまたは導電膜４７６ｃが埋め込まれている。
【０２５９】
また、絶縁膜４６８上に、導電膜４７６ａと接する導電膜４７９ａと、導電膜４７６ｂと接する導電膜４７９ｂと、導電膜４７６ｃと接する導電膜４７９ｃと、を有する。また、絶縁膜４７２は、絶縁膜４７０を通って導電膜４７９ａに達する開口部と、絶縁膜４７０通って導電膜４７９ｂに達する開口部と、絶縁膜４７０通って導電膜４７９ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電膜４７７ａ、導電膜４７７ｂまたは導電膜４７７ｃが埋め込まれている。
【０２６０】
また、絶縁膜４７５は、トランジスタＭ０のチャネル形成領域と重なる開口部と、導電膜４７７ａに達する開口部と、導電膜４７７ｂに達する開口部と、導電膜４７７ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電膜４８４ａ、導電膜４８４ｂ、導電膜４８４ｃまたは導電膜４８４ｄが埋め込まれている。
【０２６１】
また、導電膜４８４ｄは、トランジスタＭ０のボトムゲート電極としての機能を有しても構わない。または、例えば、導電膜４８４ｄに一定の電位を印加することで、トランジスタＭ０のしきい値電圧などの電気特性を制御しても構わない。または、例えば、導電膜４８４ｄとトランジスタＭ０のトップゲート電極とを電気的に接続しても構わない。こうすることで、トランジスタＭ０のオン電流を大きくすることができる。また、パンチスルー現象を抑制することができるため、トランジスタＭ０の飽和領域における電気特性を安定にすることができる。
【０２６２】
また、絶縁膜４０２は、絶縁膜３０３および絶縁膜３０２を通って導電膜４８４ａに達する開口部と、導電膜４８４ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ、導電膜４８２ａまたは導電膜４８２ｃが埋め込まれている。
【０２６３】
また、絶縁膜４２８は、絶縁膜４０８および絶縁膜４１０を通ってトランジスタＭ０のソース電極またはドレイン電極の一方の導電体に達する開口部と、絶縁膜４０８および絶縁膜４１０を通ってトランジスタＭ０のソース電極またはドレイン電極の他方の導電膜に達する開口部と、絶縁膜４０８、絶縁膜４１０、絶縁膜４０２、絶縁膜３０３および絶縁膜３０２を通って導電膜４８４ｂに達する開口部と、絶縁膜４０８を通ってトランジスタＭ０のゲート電極としての導電膜に達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電膜４８３ａ、導電膜４８３ｂ、導電膜４８３ｃまたは導電膜４８３ｄが埋め込まれている。
【０２６４】
また、絶縁膜４２８上に、導電膜４８３ａと接する導電膜４８５ａと、導電膜４８３ｂと接する導電膜４８５ｂと、導電膜４８３ｃと接する導電膜４８５ｃと、導電膜４８３ｄと接する導電膜４８５ｄと、を有する。また、絶縁膜４６５は、導電膜４８５ａに達する開口部と、導電膜４８５ｂに達する開口部と、導電膜４８５ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電膜４８７ａ、導電膜４８７ｂまたは導電膜４８７ｃが埋め込まれている。
【０２６５】
また、絶縁膜４６５上に、導電膜４８７ａと接する導電膜４８８ａと、導電膜４８７ｂと接する導電膜４８８ｂと、導電膜４８７ｃと接する導電膜４８８ｃと、を有する。また、絶縁膜４６７は、導電膜４８８ａに達する開口部と、導電膜４８８ｂに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電膜４９０ａまたは導電膜４９０ｂが埋め込まれている。また、導電膜４８８ｃは容量素子３４００の一方の電極の導電膜４９４と接している。
【０２６６】
また、絶縁膜４６７上に、導電膜４９０ａと接する導電膜４８９ａと、導電膜４９０ｂと接する導電膜４８９ｂと、を有する。また、絶縁膜４６９は、導電膜４８９ａに達する開口部と、導電膜４８９ｂに達する開口部と、容量素子３４００の他方の電極である導電膜４９６に達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電膜４９１ａ、導電膜４９２ｂまたは導電膜４９２ｃが埋め込まれている。
【０２６７】
また、絶縁膜４６９上には、導電膜４９１ａと接する導電膜４９２ａと、導電膜４９１ｂと接する導電膜４９２ｂと、導電膜４９１ｃと接する導電膜４９２ｃと、を有する。
【０２６８】
絶縁膜４６４、絶縁膜４６６、絶縁膜４６８、絶縁膜４７０、絶縁膜４７２、絶縁膜４７５、絶縁膜３０２、絶縁膜３０３、絶縁膜４０２、絶縁膜４１０、絶縁膜４０８、絶縁膜４２８、絶縁膜４６５、絶縁膜４６７、絶縁膜４６９および絶縁膜４９８としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁膜４０１としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。
【０２６９】
絶縁膜４６４、絶縁膜４６６、絶縁膜４６８、絶縁膜４７０、絶縁膜４７２、絶縁膜４７５、絶縁膜３０２、絶縁膜３０３、絶縁膜４０２、絶縁膜４１０、絶縁膜４０８、絶縁膜４２８、絶縁膜４６５、絶縁膜４６７、絶縁膜４６９または絶縁膜４９８の一以上は、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体を有することが好ましい。トランジスタＭ０の近傍に、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁膜を配置することによって、トランジスタＭ０の電気特性を安定にすることができる。
【０２７０】
水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁膜としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁膜を、単層で、または積層で用いればよい。
【０２７１】
導電膜４８０ａ、導電膜４８０ｂと、導電膜４８０ｃ、導電膜４７８ａ、導電膜４７８ｂ、導電膜４７８ｃ、導電膜４７６ａ、導電膜４７６ｂ、導電膜４７６ｃ、導電膜４７９ａ、導電膜４７９ｂ、導電膜４７９ｃ、導電膜４７７ａ、導電膜４７７ｂ、導電膜４７７ｃ、導電膜４８４ａ、導電膜４８４ｂ、導電膜４８４ｃ、導電膜４８４ｄ、導電膜４８２ａ、導電膜４８２ｃ、導電膜４８３ａ、導電膜４８３ｂと、導電膜４８３ｃ、導電膜４８３ｄ、導電膜４８５ａ、導電膜４８５ｂ、導電膜４８５ｃ、導電膜４８５ｄ、導電膜４８７ａ、導電膜４８７ｂ、導電膜４８７ｃ、導電膜４８８ａ、導電膜４８８ｂ、導電膜４８８ｃ、導電膜４９０ａ、導電膜４９０ｂと、導電膜４８９ａ、導電膜４８９ｂと、導電膜４９１ａ、導電膜４９１ｂ、導電膜４９１ｃ、導電膜４９２ａ、導電膜４９２ｂ、導電膜４９２ｃ、導電膜４９４および導電膜４９６としては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電膜を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電膜、銅およびチタンを含む導電膜、銅およびマンガンを含む導電膜、インジウム、スズおよび酸素を含む導電膜、チタンおよび窒素を含む導電膜などを用いてもよい。
【０２７２】
半導体膜４０６ｂとしては、酸化物半導体を用いることが好ましい。ただし、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、窒化ガリウムまたは有機半導体などを用いても構わない場合がある。
【０２７３】
トランジスタＭ１のソースまたはドレインは、導電膜４８０ａと、導電膜４７８ａと、導電膜４７６ａと、導電膜４７９ａと、導電膜４７７ａと、導電膜４８４ａと、導電膜４８２ａ、導電膜４８３ａとを介してトランジスタＭ０のソース電極またはドレイン電極の一方である導電膜と電気的に接続する。また、トランジスタＭ１のゲート電極である導電膜４５４は、導電膜４８０ｃと、導電膜４７８ｃと、導電膜４７６ｃと、導電膜４７９ｃと、導電膜４７７ｃと、導電膜４８４ｃと、導電膜４８２ｃと、導電膜４８３ｃと、を介してトランジスタＭ０のソース電極またはドレイン電極の他方である導電膜と電気的に接続する。
【０２７４】
容量素子３４００は、トランジスタＭ０のソース電極またはドレイン電極の一方の電極と、導電膜４８３ｃと、導電膜４８５ｃと、導電膜４８７ｃと、導電膜４８８ｃと、を介して容量素子３４００の一方の電極と電気的に接続する導電膜４９４と、絶縁膜４９８と、容量素子３４００の他方の電極である導電膜４９６と、を有する。なお、容量素子３４００は、トランジスタＭ０の上方または下方に形成することで、半導体装置の大きさを縮小することができて好適である。
【０２７５】
そのほかの構造については、適宜図１などについての記載を参酌することができる。
【０２７６】
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。
【０２７７】
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態３で説明した記憶装置を含むＣＰＵ（中央演算処理装置）について説明する。
【０２７８】
図１９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。
【０２７９】
図１９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１９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１９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。
【０２８０】
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。
【０２８１】
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う。
【０２８２】
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。
【０２８３】
図１９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に示したトランジスタ、または、実施の形態２に示した記憶装置を用いることができる。
【０２８４】
図１９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。
【０２８５】
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。
【０２８６】
（実施の形態５）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る表示装置について、図２０および図２１を用いて説明する。
【０２８７】
表示装置に用いられる表示素子としては液晶素子（液晶表示素子ともいう。）、発光素子（発光表示素子ともいう。）などを用いることができる。発光素子は、電流または電圧によって輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、有機ＥＬなどを含む。以下では、表示装置の一例としてＥＬ素子を用いた表示装置（ＥＬ表示装置）および液晶素子を用いた表示装置（液晶表示装置）について説明する。
【０２８８】
なお、以下に示す表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントローラを含むＩＣなどを実装した状態にあるモジュールとを含む。
【０２８９】
また、以下に示す表示装置は画像表示デバイス、または光源（照明装置含む）を指す。また、コネクター、例えばＦＰＣ、ＴＣＰが取り付けられたモジュール、ＴＣＰの先にプリント配線板を有するモジュールまたは表示素子にＣＯＧ方式によりＩＣ（集積回路）が直接実装されたモジュールも全て表示装置に含むものとする。
【０２９０】
図２０は、本発明の一態様に係るＥＬ表示装置の一例である。図２０（Ａ）に、ＥＬ表示装置の画素の回路図を示す。図２０（Ｂ）は、ＥＬ表示装置全体を示す上面図である。また、図２０（Ｃ）は、図２０（Ｂ）の一点鎖線Ｍ−Ｎの一部に対応するＭ−Ｎ断面である。
【０２９１】
図２０（Ａ）は、ＥＬ表示装置に用いられる画素の回路図の一例である。
【０２９２】
図２０（Ａ）に示すＥＬ表示装置は、スイッチ素子７４３と、トランジスタ７４１と、容量素子７４２と、発光素子７１９と、を有する。
【０２９３】
なお、図２０（Ａ）などは、回路構成の一例であるため、さらに、トランジスタを追加することが可能である。逆に、図２０（Ａ）の各ノードにおいて、トランジスタ、スイッチ、受動素子などを追加しないようにすることも可能である。
【０２９４】
トランジスタ７４１のゲートはスイッチ素子７４３の一端および容量素子７４２の一方の電極と電気的に接続される。トランジスタ７４１のソースは容量素子７４２の他方の電極と電気的に接続され、発光素子７１９の一方の電極と電気的に接続される。トランジスタ７４１のソースは電源電位ＶＤＤが与えられる。スイッチ素子７４３の他端は信号線７４４と電気的に接続される。発光素子７１９の他方の電極は定電位が与えられる。なお、定電位は接地電位ＧＮＤまたはそれより小さい電位とする。
【０２９５】
スイッチ素子７４３としては、トランジスタを用いると好ましい。トランジスタを用いることで、画素の面積を小さくでき、解像度の高いＥＬ表示装置とすることができる。また、スイッチ素子７４３として、トランジスタ７４１と同一工程を経て作製されたトランジスタを用いると、ＥＬ表示装置の生産性を高めることができる。なお、トランジスタ７４１または／およびスイッチ素子７４３としては、例えば、実施の形態２で述べたトランジスタを適用することができる。
【０２９６】
図２０（Ｂ）は、ＥＬ表示装置の上面図である。ＥＬ表示装置は、基板７００と、基板７５０と、シール材７３４と、駆動回路７３５と、駆動回路７３６と、画素７３７と、ＦＰＣ７３２と、を有する。シール材７３４は、画素７３７、駆動回路７３５および駆動回路７３６を囲むように基板７００と基板７５０との間に配置される。なお、駆動回路７３５または／および駆動回路７３６をシール材７３４の外側に配置しても構わない。
【０２９７】
図２０（Ｃ）は、図２０（Ｂ）の一点鎖線Ｍ−Ｎの一部に対応するＥＬ表示装置の断面図である。
【０２９８】
図２０（Ｃ）には、トランジスタ７４１として、基板７００上の導電膜７０４と、導電膜７０４が埋め込まれた絶縁膜７１２ａと、絶縁膜７１２ａ上の絶縁膜７１２ｂと、絶縁膜７１２ｂ上にあり、かつ導電膜７０４と重なる酸化物膜７０６ａ、半導体膜７０６ｂおよび酸化物膜７０６ｃと、半導体膜７０６ｂおよび酸化物膜７０６ｃと接する導電膜７１６ａおよび導電膜７１６ｂと、酸化物膜７０６ｃ上、導電膜７１６ａ上および導電膜７１６ｂ上の絶縁膜７１８ａと、絶縁膜７１８ａ上、絶縁膜７１２ｂ上の絶縁膜７１８ｂと、絶縁膜７１８ａ上にあり、かつ酸化物膜７０６ｃと重なる導電膜７１４ａと、を有する構造を示す。なお、トランジスタ７４１の構造は一例であり、図２０（Ｃ）に示す構造と異なる構造であっても構わない。
【０２９９】
したがって、図２０（Ｃ）に示すトランジスタ７４１において、導電膜７１４ａはゲート電極としての機能を有し、絶縁膜７１２ｂはゲート絶縁膜としての機能を有し、導電膜７１６ａはソース電極としての機能を有し、導電膜７１６ｂはドレイン電極としての機能を有し、絶縁膜７１８ａはゲート絶縁膜としての機能を有し、導電膜７１４ａはゲート電極としての機能を有する。なお、半導体膜７０６ｂは、光が当たることで電気特性が変動する場合がある。したがって、導電膜７１４ａ、導電膜７１６ａ、導電膜７１６ｂ、導電膜７１４ａのいずれか一以上が遮光性を有すると好ましい。
【０３００】
なお、絶縁膜７１８ａおよび絶縁膜７１８ｂとして、同種の絶縁膜を用いた場合、観察手法によっては両者の区別が付かない場合がある。
【０３０１】
図２０（Ｃ）には、容量素子７４２として、絶縁膜７１８ｂ上の導電膜７１４ｂと、導電膜７１４ｂ上の絶縁膜７１８ｃと、絶縁膜「７１８ｃ上にあり、かつ導電膜７１４ｂと重なる導電膜７１４ｃとを有する。
【０３０２】
容量素子７４２において、導電膜７１４ｂは一方の電極として機能し、導電膜７１４ｃは他方の電極として機能する。したがって、容量素子７４２は、トランジスタ７４１の配線と共通する膜を用いて作製することができる。
【０３０３】
なお、本発明の一態様に係る容量素子はこれに限定されるものではない。例えば、導電膜７１４ａおよび導電膜７１４ｂの重なる領域を薄くするため、絶縁膜７１８ｃの一部が除去された構造を有しても構わない。
【０３０４】
トランジスタ７４１および容量素子７４２上には、絶縁膜７２０が配置される。ここで、絶縁膜７２０は、トランジスタ７４１のソース電極として機能する導電膜７１６ａに達する開口部を有してもよい。絶縁膜７２０上には、導電膜７８１が配置される。導電膜７８１は、絶縁膜７２０の開口部を介してトランジスタ７４１と電気的に接続してもよい。
【０３０５】
導電膜７８１上には、導電膜７８１に達する開口部を有する隔壁７８４が配置される。隔壁７８４上には、隔壁７８４の開口部で導電膜７８１と接する発光層７８２が配置される。発光層７８２上には、導電膜７８３が配置される。導電膜７８１、発光層７８２および導電膜７８３の重なる領域が、発光素子７１９となる。
【０３０６】
ここまでは、ＥＬ表示装置の例について説明した。次に、液晶表示装置の例について説明する。
【０３０７】
図２１（Ａ）は、液晶表示装置の画素の構成例を示す回路図である。図２１に示す画素は、トランジスタ７５１と、容量素子７５２と、一対の電極間に液晶の充填された素子（液晶素子）７５３とを有する。
【０３０８】
トランジスタ７５１では、ソース、ドレインの一方が信号線７５５に電気的に接続され、ゲートが走査線７５４に電気的に接続されている。
【０３０９】
容量素子７５２では、一方の電極がトランジスタ７５１のソース、ドレインの他方に電気的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線に電気的に接続されている。
【０３１０】
液晶素子７５３では、一方の電極がトランジスタ７５１のソース、ドレインの他方に電気的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線に電気的に接続されている。なお、上述した容量素子７５２の他方の電極が電気的に接続する配線に与えられる共通電位と、液晶素子７５３の他方の電極に与えられる共通電位とが異なる電位であってもよい。
【０３１１】
なお、液晶表示装置も、上面図はＥＬ表示装置と同様として説明する。図２０（Ｂ）の一点鎖線Ｍ−Ｎに対応する液晶表示装置の断面図を図２１（Ｂ）に示す。図２１（Ｂ）において、ＦＰＣ７３２は、端子７３１を介して配線７３３と接続される。なお、配線７３３は、トランジスタ７５１を構成する導電膜または半導体膜のいずれかと同種の導電膜または半導体膜を用いてもよい。
【０３１２】
トランジスタ７５１は、トランジスタ７４１についての記載を参照する。また、容量素子７５２は、容量素子７４２についての記載を参照する。なお、図２１（Ｂ）には、図２０（Ｃ）の容量素子７４２に対応した容量素子７５２の構造を示したが、これに限定されない。
【０３１３】
なお、トランジスタ７５１の半導体に酸化物半導体を用いた場合、極めてオフ電流の小さいトランジスタとすることができる。したがって、容量素子７５２に保持された電荷がリークしにくく、長期間に渡って液晶素子７５３に印加される電圧を維持することができる。そのため、動きの少ない動画や静止画の表示の際に、トランジスタ７５１をオフ状態とすることで、トランジスタ７５１の動作のための電力が不要となり、消費電力の小さい液晶表示装置とすることができる。また、容量素子７５２の占有面積を小さくできるため、開口率の高い液晶表示装置、または高精細化した液晶表示装置を提供することができる。
【０３１４】
トランジスタ７５１および容量素子７５２上には、絶縁膜７２１が配置される。ここで、絶縁膜７２１は、トランジスタ７５１に達する開口部を有する。絶縁膜７２１上には、導電膜７９１が配置される。導電膜７９１は、絶縁膜７２１の開口部を介してトランジスタ７５１と電気的に接続する。
【０３１５】
導電膜７９１上には、配向膜として機能する絶縁膜７９２が配置される。絶縁膜７９２上には、液晶層７９３が配置される。液晶層７９３上には、配向膜として機能する絶縁膜７９４が配置される。絶縁膜７９４上には、スペーサ７９５が配置される。スペーサ７９５および絶縁膜７９４上には、導電膜７９６が配置される。導電膜７９６上には、基板７９７が配置される。
【０３１６】
上述した構造を有することで、占有面積の小さい容量素子を有する表示装置を提供することができる、または、表示品位の高い表示装置を提供することができる。または、高精細の表示装置を提供することができる。
【０３１７】
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できる。表示素子、表示装置、発光素子または発光装置は、例えば、白色、赤色、緑色または青色などの発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）、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）、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よい。
【０３１８】
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、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。
【０３１９】
なお、ＬＥＤを用いる場合、ＬＥＤの電極や窒化物半導体の下に、グラフェンやグラファイトを配置してもよい。グラフェンやグラファイトは、複数の層を重ねて、多層膜としてもよい。このように、グラフェンやグラファイトを設けることにより、その上に、窒化物半導体、例えば、結晶を有するｎ型ＧａＮ半導体などを容易に成膜することができる。さらに、その上に、結晶を有するｐ型ＧａＮ半導体などを設けて、ＬＥＤを構成することができる。なお、グラフェンやグラファイトと、結晶を有するｎ型ＧａＮ半導体との間に、ＡｌＮ層を設けてもよい。なお、ＬＥＤが有するＧａＮ半導体は、ＭＯＣＶＤで成膜してもよい。ただし、グラフェンを設けることにより、ＬＥＤが有するＧａＮ半導体は、スパッタリング法で成膜することも可能である。
【０３２０】
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。
【０３２１】
（実施の形態６）
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置（代表的にはＤＶＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置）に用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等）、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機（ＡＴＭ）、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図２２に示す。
【０３２２】
図２２（Ａ）は携帯型ゲーム機であり、筐体９０１、筐体９０２、表示部９０３、表示部９０４、マイクロフォン９０５、スピーカー９０６、操作キー９０７、スタイラス９０８等を有する。なお、図２２（Ａ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示部９０３と表示部９０４とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。
【０３２３】
図２２（Ｂ）は、携帯電話機であり、筐体９１１、表示部９１６、操作ボタン９１４、外部接続ポート９１３、スピーカー９１７、マイク９１２などを備えている。図２２（Ｂ）に示す携帯電話機は、指などで表示部９１６に触れることで、情報を入力することができる。また、電話を掛ける、或いは文字を入力するなどのあらゆる操作は、指などで表示部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。
【０３２４】
図２２（Ｃ）はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体９２１、表示部９２２、キーボード９２３、ポインティングデバイス９２４等を有する。
【０３２５】
図２２（Ｄ）は電気冷凍冷蔵庫であり、筐体９３１、冷蔵室用扉９３２、冷凍室用扉９３３等を有する。
【０３２６】
図２２（Ｅ）はビデオカメラであり、第１筐体９４１、第２筐体９４２、表示部９４３、操作キー９４４、レンズ９４５、接続部９４６等を有する。操作キー９４４およびレンズ９４５は第１筐体９４１に設けられており、表示部９４３は第２筐体９４２に設けられている。そして、第１筐体９４１と第２筐体９４２とは、接続部９４６により接続されており、第１筐体９４１と第２筐体９４２の間の角度は、接続部９４６により変更が可能である。表示部９４３における映像を、接続部９４６における第１筐体９４１と第２筐体９４２との間の角度に従って切り替える構成としても良い。
【０３２７】
図２２（Ｆ）は普通自動車であり、車体９５１、車輪９５２、ダッシュボード９５３、ライト９５４等を有する。
【０３２８】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態または実施例と適宜組み合わせることができる。
【０３２９】
（実施の形態７）
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デバイスの使用例について図２３を用いながら説明する。ＲＦデバイスの用途は広範にわたるが、例えば、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、証書類（運転免許証や住民票等、図２３（Ａ）参照）、記録媒体（ＤＶＤやビデオテープ等、図２３（Ｂ）参照）、包装用容器類（包装紙やボトル等、図２３（Ｃ）参照）、乗り物類（自転車等、図２３（Ｄ）参照）、身の回り品（鞄や眼鏡等）、食品類、植物類、動物類、人体、衣類、生活用品類、薬品や薬剤を含む医療品、または電子機器（液晶表示装置、ＥＬ表示装置、テレビジョン装置、または携帯電話）等の物品、若しくは各物品に取り付ける荷札（図２３（Ｅ）、図２３（Ｆ）参照）等に設けて使用することができる。
【０３３０】
本発明の一態様に係るＲＦデバイス４０００は、プリント基板に表面に貼る、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デバイス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デバイス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デバイス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デバイス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。
【０３３１】
以上のように、本発明の一態様に係わるＲＦデバイス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。
【０３３２】
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。
【０３３３】
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。
【０３３４】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせることができる。
【０３３５】
（実施の形態８）
本実施の形態では、上記実施の形態で示した酸化物半導体を用いたトランジスタに適用可能な、酸化物半導体の結晶構造について説明を行う。
【０３３６】
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。
【０３３７】
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。
【０３３８】
＜酸化物半導体の構造＞
以下では、酸化物半導体の構造について説明する。
【０３３９】
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体とに分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｌｉｋｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、非晶質酸化物半導体などがある。
【０３４０】
また別の観点では、酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体と、それ以外の結晶性酸化物半導体とに分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、ＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳなどがある。
【０３４１】
非晶質構造の定義としては、一般に、準安定状態で固定化していないこと、等方的であって不均質構造を持たないことなどが知られている。また、結合角度が柔軟であり、短距離秩序性は有するが、長距離秩序性を有さない構造と言い換えることもできる。
【０３４２】
逆の見方をすると、本質的に安定な酸化物半導体の場合、完全な非晶質（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）酸化物半導体と呼ぶことはできない。また、等方的でない（例えば、微小な領域において周期構造を有する）酸化物半導体を、完全な非晶質酸化物半導体と呼ぶことはできない。ただし、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、微小な領域において周期構造を有するものの、鬆（ボイドともいう。）を有し、不安定な構造である。そのため、物性的には非晶質酸化物半導体に近いといえる。
【０３４３】
＜ＣＡＡＣ−ＯＳ＞
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。
【０３４４】
ＣＡＡＣ−ＯＳ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。
【０３４５】
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ−ＯＳの明視野像と回折パターンとの複合解析像（高分解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察すると、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像では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。）を明確に確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ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。
【０３４６】
以下では、ＴＥＭによって観察したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。図２４（Ａ）に、試料面と略平行な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの断面の高分解能ＴＥＭ像を示す。高分解能ＴＥＭ像の観察には、球面収差補正（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ  Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ  Ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ）機能を用いた。球面収差補正機能を用いた高分解能ＴＥＭ像を、特にＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像と呼ぶ。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。
【０３４７】
図２４（Ａ）の領域（１）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を図２４（Ｂ）に示す。図２４（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。金属原子の各層の配列は、ＣＡＡＣ−ＯＳ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ており、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面または上面と平行となる。
【０３４８】
図２４（Ｂ）に示すように、ＣＡＡＣ−ＯＳは特徴的な原子配列を有する。図２４（Ｃ）は、特徴的な原子配列を、補助線で示したものである。図２４（Ｂ）および図２４（Ｃ）より、ペレット一つの大きさは１ｎｍ以上のものや、３ｎｍ以上のものがあり、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。また、ＣＡＡＣ−ＯＳを、ＣＡＮＣ（Ｃ−Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
【０３４９】
ここで、Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像をもとに、基板５１２０上のＣＡＡＣ−ＯＳ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２４（Ｄ）参照。）。図２４（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２４（Ｄ）に示す領域５１６１に相当する。
【０３５０】
また、図２５（Ａ）に、試料面と略垂直な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの平面のＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を示す。図２５（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２５（Ｂ）、図２５（Ｃ）および図２５（Ｄ）に示す。図２５（Ｂ）、図２５（Ｃ）および図２５（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。
【０３５１】
次に、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、図２６（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。
【０３５２】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ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。より好ましいＣＡＡＣ−ＯＳは、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析では、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。
【０３５３】
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ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２６（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２６（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。
【０３５４】
次に、電子回折によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、試料面に平行にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させると、図２７（Ａ）に示すような回折パターン（制限視野透過電子回折パターンともいう。）が現れる場合がある。この回折パターンには、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳ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、試料面に垂直にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターンを図２７（Ｂ）に示す。図２７（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２７（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２７（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。
【０３５５】
上述したように、ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体である。酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、逆の見方をするとＣＡＡＣ−ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損など）の少ない酸化物半導体ともいえる。
【０３５６】
なお、不純物は、酸化物半導体の主成分以外の元素で、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体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、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を乱し、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、酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。
【０３５７】
酸化物半導体が不純物や欠陥を有する場合、光や熱などによって特性が変動する場合がある。例えば、酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラップとなる場合や、キャリア発生源となる場合がある。また、酸化物半導体中の酸素欠損は、キャリアトラップとなる場合や、水素を捕獲することによってキャリア発生源となる場合がある。
【０３５８】
不純物および酸素欠損の少ないＣＡＡＣ−ＯＳは、キャリア密度の低い酸化物半導体である。そのような酸化物半導体を、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。ＣＡＡＣ−ＯＳは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い。即ち、安定な特性を有する酸化物半導体であるといえる。
【０３５９】
＜ｎｃ−ＯＳ＞
次に、ｎｃ−ＯＳについて説明する。
【０３６０】
ｎｃ−ＯＳ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。ｎｃ−ＯＳに含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の大きさであることが多い。なお、結晶部の大きさが１０ｎｍより大きく１００ｎｍ以下である酸化物半導体を微結晶酸化物半導体と呼ぶことがある。ｎｃ−ＯＳ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におけるペレットと起源を同じくする可能性がある。そのため、以下ではｎｃ−ＯＳの結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。
【０３６１】
ｎｃ−ＯＳ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は、分析方法によっては、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットよりも大きい径のＸ線を用いた場合、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークは検出されない。また、ｎｃ−ＯＳ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。さらに、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。
【０３６２】
このように、ペレット（ナノ結晶）間では結晶方位が規則性を有さないことから、ｎｃ−ＯＳを、ＲＡＮＣ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｌｉｇｎｅｄ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体、またはＮＡＮＣ（Ｎｏｎ−Ａｌｉｇｎｅｄ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
【０３６３】
ｎｃ−ＯＳは、非晶質酸化物半導体よりも規則性の高い酸化物半導体である。そのため、ｎｃ−ＯＳは、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳや非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、ｎｃ−ＯＳ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は、ＣＡＡＣ−ＯＳと比べて欠陥準位密度が高くなる。
【０３６４】
＜ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ＞
ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。
【０３６５】
ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において鬆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。
【０３６６】
鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、不安定な構造である。以下では、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳが、ＣＡＡＣ−ＯＳおよびｎｃ−ＯＳと比べて不安定な構造であることを示すため、電子照射による構造の変化を示す。
【０３６７】
電子照射を行う試料として、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ（Ｓａｍｐｌｅ  Ａと表記する。）、ｎｃ−ＯＳ（Ｓａｍｐｌｅ  Ｂと表記する。）およびＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｓａｍｐｌｅ  Ｃと表記する。）を準備する。いずれの試料もＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である。
【０３６８】
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。
【０３６９】
なお、どの部分を一つの結晶部と見なすかの判定は、以下のように行えばよい。例えば、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ことが知られている。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。したがって、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所を、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶部と見なすことができる。なお、格子縞は、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａ−ｂ面に対応する。
【０３７０】
図２８は、各試料の結晶部（２２箇所から４５箇所）の平均の大きさを調査した例である。ただし、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図２８より、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ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２８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（初期核ともいう。）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およびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射開始時から電子の累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２までの範囲で、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２８中の（２）および（３）で示すように、電子の累積照射量によらず、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳの結晶部の大きさは、それぞれ１．４ｎｍ程度および２．１ｎｍ程度であることがわかる。
【０３７１】
このように、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、電子照射によって結晶部の成長が見られる場合がある。一方、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射による結晶部の成長がほとんど見られないことがわかる。即ち、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、不安定な構造であることがわかる。
【０３７２】
また、鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて密度の低い構造である。具体的には、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の７８．６％以上９２．３％未満となる。また、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の９２．３％以上１００％未満となる。単結晶の密度の７８％未満となる酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。
【０３７３】
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、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において、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ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において、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は５．９ｇ／ｃｍ３以上６．３ｇ／ｃｍ３未満となる。
【０３７４】
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、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もることができる。所望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて見積もればよい。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見積もることが好ましい。
【０３７５】
以上のように、酸化物半導体は、様々な構造をとり、それぞれが様々な特性を有する。なお、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ、ｎｃ−ＯＳ、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
【０３７６】
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。
【符号の説明】
【０３７７】
３００    トランジスタ
３０１    絶縁膜
３０２    絶縁膜
３０３    絶縁膜
３１０    導電膜
３８０    導電膜
３８１    絶縁膜
３８２    半導体膜
３８３    導電膜
３８４    導電膜
３８５    絶縁膜
３８６    絶縁膜
３８７    絶縁膜
３８８    導電膜
４００    基板
４０１    絶縁膜
４０２    絶縁膜
４０４ａ    導電膜
４０４ｂ    導電膜
４０４ｃ    導電膜
４０４ｗ    ゲート線幅
４０６ａ    酸化物膜
４０６ｂ    半導体膜
４０６ｃ    酸化物膜
４０７    領域
４０８    絶縁膜
４１０    絶縁膜
４１２    絶縁膜
４１６ａ１    導電膜
４１６ａ２    導電膜
４１６ｂ１    導電膜
４１６ｂ２    導電膜
４１６ｃ    領域
４１６ｄ    領域
４１６ｅ    領域
４１６ｆ    領域
４２８    絶縁膜
４３８    導電膜
４５０    半導体基板
４５４    導電膜
４６０    領域
４６２    絶縁膜
４６４    絶縁膜
４６５    絶縁膜
４６６    絶縁膜
４６７    絶縁膜
４６８    絶縁膜
４６９    絶縁膜
４７０    絶縁膜
４７２    絶縁膜
４７４ａ    領域
４７４ｂ    領域
４７５    絶縁膜
４７６ａ    導電膜
４７６ｂ    導電膜
４７６ｃ    導電膜
４７７ａ    導電膜
４７７ｂ    導電膜
４７７ｃ    導電膜
４７８ａ    導電膜
４７８ｂ    導電膜
４７８ｃ    導電膜
４７９ａ    導電膜
４７９ｂ    導電膜
４７９ｃ    導電膜
４８０ａ    導電膜
４８０ｂ    導電膜
４８０ｃ    導電膜
４８２ａ    導電膜
４８２ｃ    導電膜
４８３ａ    導電膜
４８３ｂ    導電膜
４８３ｃ    導電膜
４８３ｄ    導電膜
４８４ａ    導電膜
４８４ｂ    導電膜
４８４ｃ    導電膜
４８４ｄ    導電膜
４８５ａ    導電膜
４８５ｂ    導電膜
４８５ｃ    導電膜
４８５ｄ    導電膜
４８７ａ    導電膜
４８７ｂ    導電膜
４８７ｃ    導電膜
４８８ａ    導電膜
４８８ｂ    導電膜
４８８ｃ    導電膜
４８９ａ    導電膜
４８９ｂ    導電膜
４９０ａ    導電膜
４９０ｂ    導電膜
４９１ａ    導電膜
４９１ｂ    導電膜
４９１ｃ    導電膜
４９２ａ    導電膜
４９２ｂ    導電膜
４９２ｃ    導電膜
４９４    導電膜
４９６    導電膜
４９８    絶縁膜
５００    トランジスタ
６００    トランジスタ
６４０    基板
６５１    絶縁膜
６５１ａ    絶縁膜
６５１ｂ    絶縁膜
６５２    絶縁膜
６５３    絶縁膜
６５４    絶縁膜
６５５    絶縁膜
６５６    絶縁膜
６６０    多層膜
６６１    酸化物膜
６６２    半導体膜
６６３    酸化物膜
６７１    導電膜
６７１ａ    導電膜
６７１ｂ    導電膜
６７２    導電膜
６７２ａ    導電膜
６７２ｂ    導電膜
６７３    導電膜
６７４    導電膜
６７８    ハードマスク
７００    基板
７０４    導電膜
７０６ａ    酸化物膜
７０６ｂ    半導体膜
７０６ｃ    酸化物膜
７１２ａ    絶縁膜
７１２ｂ    絶縁膜
７１４ａ    導電膜
７１４ｂ    導電膜
７１４ｃ    導電膜
７１６ａ    導電膜
７１６ｂ    導電膜
７１８ａ    絶縁膜
７１８ｂ    絶縁膜
７１８ｃ    絶縁膜
７１９    発光素子
７２０    絶縁膜
７２１    絶縁膜
７３１    端子
７３２    ＦＰＣ
７３３    配線
７３４    シール材
７３５    駆動回路
７３６    駆動回路
７３７    画素
７４１    トランジスタ
７４２    容量素子
７４３    スイッチ素子
７４４    信号線
７５０    基板
７５１    トランジスタ
７５２    容量素子
７５３    液晶素子
７５４    走査線
７５５    信号線
７８１    導電膜
７８２    発光層
７８３    導電膜
７８４    隔壁
７９１    導電膜
７９２    絶縁膜
７９３    液晶層
７９４    絶縁膜
７９５    スペーサ
７９６    導電膜
７９７    基板
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
３００１    配線
３００２    配線
３００３    配線
３００４    配線
３００５    配線
３４００    容量素子
４０００    ＲＦデバイス
５１００    ペレット
５１２０    基板
５１６１    領域
【図１】
2016157827.tif 000014
【図２】
2016157827.tif 000015
【図３】
2016157827.tif 000016
【図４】
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【図５】
2016157827.tif 000018
【図６】
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【図７】
2016157827.tif 000020
【図８】
2016157827.tif 000021
【図９】
2016157827.tif 000022
【図１０】
2016157827.tif 000023
【図１１】
2016157827.tif 000024
【図１２】
2016157827.tif 000025
【図１３】
2016157827.tif 000026
【図１４】
2016157827.tif 000027
【図１５】
2016157827.tif 000028
【図１６】
2016157827.tif 000029
【図１７】
2016157827.tif 000030
【図１８】
2016157827.tif 000031
【図１９】
2016157827.tif 000032
【図２０】
2016157827.tif 000033
【図２１】
2016157827.tif 000034
【図２２】
2016157827.tif 000035
【図２３】
2016157827.tif 000036
【図２４】
2016157827.tif 000037
【図２５】
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【図２６】
2016157827.tif 000039
【図２７】
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【図２８】
2016157827.tif 000041