(57)【要約】【課題】新規な構成の半導体装置を提供すること。【解決手段】入力ニューロン回路、隠れニューロン回路、出力ニューロン回路が複数のシナプス回路を介して階層的に接続する。シナプス回路は、入力ニューロン回路と隠れニューロン回路間、もしくは、隠れニューロン回路と出力ニューロン回路間の結合強度に相当するデータを記憶するアナログメモリと、アナログメモリのデータを変更する書込回路と、アナログメモリのデータにしたがって入力信号に重み付けされた出力信号を出力する重み付け回路と、を有する。アナログメモリとして、極めてオフ電流の低い酸化物半導体を用いたトランジスタで構成する。記憶保持のための大規模な容量素子を搭載する必要が無く、また、定期的なリフレッシュ動作によるアナログデータの回復の必要が無いため、チップ面積の縮小、消費電力の低減が可能となる。【選択図】図１
2017102904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の回路と、第２の回路と、第３の回路と、第４の回路と、第５の回路と、を有する半導体装置であって、
前記第１の回路は、外部から入力される第１の信号を増幅して、前記第２の回路に出力する機能を有し、
前記第２の回路は、第１の結合強度に相当する第１のデータを変更する第１の乗算回路と、前記第１のデータを記憶する第１のアナログメモリと、前記第１の信号を前記第１のデータに応じて重み付けをした第２の信号として出力する第２の乗算回路と、を有し、
前記第３の回路は、前記第２の信号を電流から電圧に変換して前記第４の回路に出力する機能を有し、
前記第４の回路は、第２の結合強度に相当する第２のデータを変更する第３の乗算回路と、前記第２のデータを記憶する第２のアナログメモリと、前記第２の信号を前記第２のデータに応じて重み付けをした第３の信号として出力する第４の乗算回路と、を有し、
前記第５の回路は、前記第３の信号を電流から電圧に変換して外部へ出力する機能を有し、
前記第５の回路は、電流から電圧に変換した前記第３の信号と外部から入力される第４の信号との差分から第５の信号を生成する機能を有し、
前記第１のアナログメモリおよび前記第２のアナログメモリはそれぞれ、チャネル形成領域に酸化物半導体を有するトランジスタを有すること、を特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記第３の乗算回路は、前記第２の信号と前記第５の信号とに応じて前記第２のデータを変更する機能を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記第１の乗算回路は、前記第１の信号と前記第３の信号とに応じて前記第１のデータを変更する機能を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一に記載の半導体装置を利用した、画像データを符号化するためのエンコーダを有する電子機器であって、
前記画像データは、第１画像データと、第２画像データを有し、
前記半導体装置に前記第１画像データと前記第２画像データを入力したとき、前記半導体装置が前記第１画像データと前記映像第２データの比較を行い、前記第１データと前記第２データが一致したときに、前記第１画像データから前記第２画像データへの移動ベクトルを取得することを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一態様は、半導体装置、または該半導体装置を備えた電子機器に関する。
【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、発光装置、蓄電装置、記憶装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法、を一例として挙げることができる。
【０００３】
なお、本明細書等において、半導体装置は、半導体特性を利用することで機能しうる素子、回路、又は装置等を指す。一例としては、トランジスタ、ダイオード等の半導体素子は半導体装置である。また別の一例としては、半導体素子を有する回路は、半導体装置である。また別の一例としては、半導体素子を有する回路を備えた装置は、半導体装置である。
【背景技術】
【０００４】
神経回路網をモデル化したニューラルネットワークを利用することで、従来の所謂ノイマン型コンピュータより高性能のコンピュータを実現できると期待されており、研究開発が活発である（例えば、非特許文献１）。
【０００５】
ニューラルネットワークでは、ニューロンを模したユニットがシナプスを介して互いに結合された構成となる。当該結合の強度を学習により変更することで、様々な入力パターンに対して、パターン認識や連想記憶などを高速に実行できる。
【０００６】
パターン認識には、階層型パーセプトロンのニューラルネットワークを模したユニットを利用し、対象となる移動体のパターンを教師データとして学習した後、画像データを入力データとして与えて一致度を判定することで当該移動体が含まれるか否かを抽出する方法が有効である。当該階層型パーセプトロンのニューラルネットワークは、ニューロンを模したユニットであるニューロン回路と、シナプスを模したユニットであるシナプス回路と、から構成される。
【０００７】
シナプス回路はニューロン回路間の結合強度を記憶する機能と、ニューロン回路の出力と当該結合強度との乗算機能と、各乗算結果の加算機能とを有する必要がある。したがって、シナプス回路は、当該結合強度を保存するメモリ、乗算機能を実現する乗算回路、および加算機能を実現する加算回路、などが必要である。
【０００８】
ところで、テレビジョン（ＴＶ）は、大画面化に伴い、高精細度の映像を視聴できることが望まれている。そのため、超高精細度テレビジョン（ＵＨＤＴＶ；４Ｋ、８Ｋ）放送の実用化が推し進められている。ＵＨＤＴＶ放送が推進されている日本国では、２０１５年に通信衛星（ＣＳ）及び光回線による４Ｋ放送サービスが開始されている。今後、放送衛星（ＢＳ）によるＵＨＤＴＶ放送の試験放送の開始が予定されている。そのため、８Ｋ放送に対応するための各種の電子機器が開発されている（非特許文献２）。８Ｋの実用放送では、４Ｋ放送、２Ｋ放送（フルハイビジョン放送）も併用される予定である。
【０００９】
また、撮像素子は、デジタルカメラや携帯電話などの電子機器に広く搭載されている。前述したとおり、ＵＨＤＴＶ放送の実用化が図られており、これに伴い、近年、撮像素子の多画素化が進んでいる。撮像素子の多画素化が進むため、必然的に撮像によって得られる情報量も増大している。そのため、データの読み出しや転送の高速化が求められている。撮像素子の多画素化に伴う画像データの量の増加に対処する技術として、画像データの圧縮が知られている。特許文献１には、動画撮影時や連写時において、前回の撮像画像データと今回の撮像画像データとの差分データを算出してデータ圧縮を行う撮像素子モジュールが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−２９６３５３号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｙｕｔａｋａ  Ａｒｉｍａ  ｅｔ  ａｌ，”Ａ  Ｓｅｌｆ−Ｌｅａｒｎｉｎｇ  Ｎｅｕｒａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ｃｈｉｐ  ｗｉｔｈ  １２５  Ｎｅｕｒｏｎｓ  ａｎｄ  １０Ｋ  Ｓｅｌｆ−Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ  Ｓｙｎａｐｓｅｓ”，  ＩＥＥＥ  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＳＯＬＩＤ−ＳＴＡＴＥ  ＣＩＲＣＵＩＴＳ，  ＶＯＬ．２６，ＮＯ．４，  ＡＰＲＩＬ  １９９１，  ｐｐ．６０７−６１１
【非特許文献２】Ｓ．Ｋａｗａｓｈｉｍａ，  ｅｔ  ａｌ．，”１３．３−Ｉｎ．  ８Ｋ  Ｘ  ４Ｋ  ６６４−ｐｐｉ  ＯＬＥＤ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｕｓｉｎｇ  ＣＡＡＣ−ＯＳ  ＦＥＴｓ”、ＳＩＤ  ２０１４  ＤＩＧＥＳＴ，ｐｐ．６２７―６３０．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記メモリ、乗算回路、および加算回路をデジタル回路で構成する場合、多ビットを記憶するメモリ、多ビットの乗算回路、多ビットの加算回路が必要となる。すなわち、微細加工に頼った大規模な回路構成となる。
【００１３】
また上記メモリ、乗算回路、加算回路をアナログ回路で構成する場合、回路素子数は減らせるが、上記メモリとして理想的なアナログメモリ、すなわち、アナログ値を保持することのできるアナログメモリを構成することは非常に困難である。ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、タイプのアナログメモリセルを用いる場合、データ保持は極めて短時間となる。対策として、記憶保持のための大規模な容量素子をアナログメモリに搭載する構成や、定期的なリフレッシュ動作によるアナログデータの回復などの構成が提案されている。しかし、これらの構成では、チップ面積の増大、消費電力の増大などをもたらす。
【００１４】
そこで本発明の一態様は、既存の半導体装置等とは異なる構成を有する、新規な半導体装置等を提供することを課題の一とする。
【００１５】
または、本発明の一態様は、チップ面積の縮小が図られた、新規な構成の半導体装置等を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、消費電力の低減が図られた、新規な構成の半導体装置等を提供することを課題の一とする。
【００１６】
なお本発明の一態様の課題は、上記列挙した課題に限定されない。上記列挙した課題は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお他の課題は、以下の記載で述べる、本項目で言及していない課題である。本項目で言及していない課題は、当業者であれば明細書又は図面等の記載から導き出せるものであり、これらの記載から適宜抽出することができる。なお、本発明の一態様は、上記列挙した記載、及び／又は他の課題のうち、少なくとも一つの課題を解決するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の一態様は、第１の回路と、第２の回路と、第３の回路と、第４の回路と、第５の回路と、を有する半導体装置であって、第１の回路は、外部から入力される第１の信号を増幅して、第２の回路に出力する機能を有し、第２の回路は、第１の結合強度に相当する第１のデータを変更する第１の乗算回路と、第１のデータを記憶する第１のアナログメモリと、第１の信号を第１のデータに応じて重み付けをした第２の信号として出力する第２の乗算回路と、を有し、第３の回路は、第２の信号を電流から電圧に変換して第４の回路に出力する機能を有し、第４の回路は、第２の結合強度に相当する第２のデータを変更する第３の乗算回路と、第２のデータを記憶する第２のアナログメモリと、第２の信号を第２のデータに応じて重み付けをした第３の信号として出力する第４の乗算回路と、を有し、第５の回路は、第３の信号を電流から電圧に変換して外部へ出力する機能を有し、第５の回路は、電流から電圧に変換した第３の信号と外部から入力される第４の信号との差分から第５の信号を生成する機能を有し、第１のアナログメモリおよび第２のアナログメモリはそれぞれ、チャネル形成領域に酸化物半導体を有するトランジスタを有する半導体装置である。
【００１８】
本発明の一態様において、第３の乗算回路は、第２の信号と第５の信号とに応じて第２のデータを変更する機能を有する半導体装置が好ましい。
【００１９】
本発明の一態様において、第１の乗算回路は、第１の信号と第３の信号とに応じて第１のデータを変更する機能を有する半導体装置が好ましい。
【００２０】
本発明の一態様は上記半導体装置を利用した、画像データを符号化するためのエンコーダを有する電子機器であって、画像データは、第１画像データと、第２画像データを有し、半導体装置に第１画像データと第２画像データを入力したとき、半導体装置が第１画像データと第２画像データの比較を行い、第１画像データと第２画像データが一致したときに、第１画像データから第２画像データへの移動ベクトルを取得する電子機器が好ましい。
【００２１】
なおその他の本発明の一態様については、以下で述べる実施の形態における説明、及び図面に記載されている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の一態様は、新規な半導体装置、新規な表示装置、新規な電子機器等を提供することができる。
【００２３】
または、本発明の一態様は、チップ面積の縮小が図られた、新規な構成の半導体装置等を提供することができる。または、本発明の一態様は、消費電力の低減が図られた、新規な構成の半導体装置等を提供することができる。
【００２４】
なお本発明の一態様の効果は、上記列挙した効果に限定されない。上記列挙した効果は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお他の効果は、以下の記載で述べる、本項目で言及していない効果である。本項目で言及していない効果は、当業者であれば明細書又は図面等の記載から導き出せるものであり、これらの記載から適宜抽出することができる。なお、本発明の一態様は、上記列挙した効果、及び／又は他の効果のうち、少なくとも一つの効果を有するものである。従って本発明の一態様は、場合によっては、上記列挙した効果を有さない場合もある。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】ブロック図の一例を説明する図。
【図２】回路図の一例を説明する図。
【図３】ブロック図の一例を説明する図。
【図４】回路図の一例を説明する図。
【図５】ブロック図の一例を説明する図。
【図６】回路図の一例を説明する図。
【図７】回路図の一例を説明する図。
【図８】回路図の一例を説明する図。
【図９】回路図の一例を説明する図。
【図１０】回路図の一例を説明する図。
【図１１】回路図の一例を説明する図。
【図１２】ブロック図の一例を説明する図。
【図１３】フローチャートの一例を説明する図。
【図１４】フローチャートの一例を説明する図。
【図１５】動作の一例を説明するための図。
【図１６】フローチャートの一例を説明する図。
【図１７】ブロック図の一例を説明する図。
【図１８】模式図の一例を説明する図。
【図１９】映像配信システムの一例を説明する図。
【図２０】受信装置の一例を説明する図。
【図２１】ブロック図の一例を説明する図。
【図２２】上面図及び断面図の一例を説明する図。
【図２３】断面図及びエネルギーバンド図の一例を説明する図。
【図２４】酸素が拡散する経路を示す断面図。
【図２５】上面図及び断面図の一例を説明する図。
【図２６】上面図及び断面図の一例を説明する図。
【図２７】上面図及び断面図の一例を説明する図。
【図２８】上面図及び断面図の一例を説明する図。
【図２９】上面図及び断面図の一例を説明する図。
【図３０】上面図及び断面図の一例を説明する図。
【図３１】ＣＡＡＣ−ＯＳ及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、ならびにＣＡＡＣ−ＯＳの制限視野電子回折パターンを示す図。
【図３２】ＣＡＡＣ−ＯＳの断面ＴＥＭ像、ならびに平面ＴＥＭ像及びその画像解析像。
【図３３】ｎｃ−ＯＳの電子回折パターンを示す図、及びｎｃ−ＯＳの断面ＴＥＭ像。
【図３４】ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの断面ＴＥＭ像。
【図３５】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】
【００２６】
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下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。
【００２７】
なお本明細書等において、「第１」、「第２」、「第３」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものである。従って、構成要素の数を限定するものではない。また、構成要素の順序を限定するものではない。
【００２８】
なお図面において、同一の要素または同様な機能を有する要素、同一の材質の要素、あるいは同時に形成される要素等には同一の符号を付す場合があり、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【００２９】
（実施の形態１）
本発明における実施の形態を、図１乃至図１２を用いて説明する。
【００３０】
図１は、半導体装置のブロック図である。図１には、半導体装置を構成するｌ個（ｌは自然数）の入力ニューロン回路ＩＮ、ｍ個（ｍは自然数）の隠れニューロン回路ＨＮ、ｎ個（ｎは自然数）の出力ニューロン回路ＯＮ、（ｌ＋１）×ｍ個の隠れシナプス回路ＨＳ、（ｍ＋１）×ｎ個の出力シナプス回路ＯＳ、ｍ個の隠れ誤差回路ＨＥ、およびｎ個の出力誤差回路ＯＥを図示している。
【００３１】
以下、図１に示す回路ブロックについて説明する。
【００３２】
図２（Ａ）は、入力ニューロン回路ＩＮ［ｉ］の構成を示している。入力ニューロン回路ＩＮ［ｉ］は半導体装置外部からの入力信号Ｉ［ｉ］を増幅した出力信号ｘ［ｉ］を生成するアンプ１０１を有している。なお、当該アンプは、図２（Ｂ）に図示するように、ユニティゲインバッファ１０２とする構成が可能である。また、図２（Ｃ）に図示するように、増幅回路１０３を用いて出力信号ｘ［ｉ］の基準信号レベルを変更する機能を有していてもよい。また図２（Ｄ）に図示するように差動信号を生成するバッファ１０４を用いて、出力信号として差動信号対（ｘ［ｉ］とｘｂ［ｉ］）を生成する機能を有していてもよい。なお入力ニューロン回路ＩＮは、単に回路という場合がある。
【００３３】
図３は、隠れシナプス回路ＨＳ［ｊ，ｉ］（ｊ，ｉは自然数）の構成を示している。隠れシナプス回路ＨＳ［ｊ，ｉ］は、アナログメモリＡＭ１、乗算回路ＭＵＬ１及び乗算回路ＭＵＬ２、から構成される。アナログメモリＡＭ１は、重み係数ｗ［ｊ，ｉ］に相当するデータを格納し、対応する電圧を出力する機能を有する。乗算回路ＭＵＬ１は、入力ニューロン回路ＩＮの出力信号ｘ［ｉ］とアナログメモリＡＭ１の重み係数ｗ［ｊ，ｉ］との乗算を行い、出力信号ｗ［ｊ，ｉ］ｘ［ｉ］を生成する。なお、出力信号ｗ［ｊ，ｉ］ｘ［ｉ］として、乗算結果に対応した電流が供給される。乗算回路ＭＵＬ２は、入力ニューロン回路ＩＮの出力信号ｘ［ｉ］と隠れ誤差回路ＨＥ［ｊ］の出力信号ｄｘ［ｊ］との乗算を行い、信号ｄｗを生成する。信号ｄｗとして、乗算結果に対応した電流が供給される。信号ｄｗは、アナログメモリＡＭ１に格納された重み係数ｗ［ｊ，ｉ］の変更分に相当する電流として供給される。つまり乗算回路ＭＵＬ２は、アナログメモリＡＭ１のデータを変更する書込回路に相当する。なお、隠れシナプス回路ＨＳ［１，０］乃至ＨＳ［ｍ，０］において、入力信号ｘ［０］は−１、重み係数ｗ［１，０］乃至ｗ［ｍ，０］はθＨ［１］乃至θＨ［ｍ］が与えられており、出力信号ｗ［１，０］ｘ［０］乃至ｗ［ｍ，０］ｘ［０］として、−θＨ［１］乃至−θＨ［ｍ］に相当する電流が供給される。なお隠れシナプス回路ＨＳは、単に回路という場合がある。
【００３４】
図４（Ａ）は、隠れニューロン回路ＨＮ［ｊ］の構成を示している。隠れニューロン回路ＨＮ［ｊ］は、各隠れシナプス回路ＨＳ［ｊ，ｉ］の出力信号ｗ［ｊ，ｉ］ｘ［ｉ］（電流）の和Σｉ＝０〜ｌｗ［ｊ，ｉ］ｘ［ｉ］を入力信号とし、出力信号ｙ［ｊ］を生成する。隠れニューロン回路ＨＮ［ｊ］は、入力信号を電圧に変換する抵抗１２１と、出力信号ｙ［ｊ］を生成するアンプ１２２を有する。ここでアンプ１２２の出力信号は、入力信号Ｘを変数とすると式（１）のｆＨ（Ｘ）となる特性、あるいは、当該特性に近似できる特性とする。
【００３５】
【数１】
2017102904.tif 000003
【００３６】
式（１）においてαＨは任意の定数で、Ｘ＝０における出力信号の変化率に相当する。
【００３７】
隠れニューロン回路ＨＮ［ｊ］の出力信号ｙ［ｊ］は、式（２）で表す特性となる。
【００３８】
【数２】
2017102904.tif 000004
【００３９】
ここでΣｉ＝０〜ｌｗ［ｊ，ｉ］ｘ［ｉ］が０を超えた場合、すなわちΣｉ＝１〜ｌｗ［ｊ，ｉ］ｘ［ｉ］が閾値θＨ［ｊ］を超えた場合に、出力信号ｙ［ｊ］は１に近づく、つまり”Ｈ”（ハイレベル、Ｈレベルという）となるが、これを、隠れニューロン回路ＨＮ［ｊ］が発火する、と表現する。すなわち、閾値θＨは隠れニューロン回路ＨＮ［ｊ］が発火する際の閾値に相当する。
【００４０】
なお、アンプ１２２は図４（Ｂ）に図示するように、ユニティゲインバッファ１２３とする構成が可能である。また図４（Ｃ）に図示するように、増幅回路１２４を用いて出力信号ｙ［ｊ］の基準信号レベルを変更する機能を有していてもよい。また図４（Ｄ）に図示するように差動信号を生成するバッファ１２５を用いて、出力信号として差動信号対（ｙ［ｊ］とｙｂ［ｊ］）を生成する機能を有していてもよい。また図４（Ｅ）に図示するように、非反転入力信号としてΣｉ＝０〜ｌｗ［ｊ，ｉ］ｘ［ｉ］を抵抗１２１により電圧に変換した電圧、反転入力信号として閾値θＨ［ｊ］に対応した電圧ＶθＨ［ｊ］、としたオペアンプ１２６とする構成が可能である。この場合、隠れシナプス回路ＨＳ［１，０］乃至ＨＳ［ｍ，０］は不要となる。なお隠れニューロン回路ＨＮは、単に回路という場合がある。
【００４１】
図５は、出力シナプス回路ＯＳ［ｋ，ｊ］の構成を示している。出力シナプス回路ＯＳ［ｋ，ｊ］は、アナログメモリＡＭ２、乗算回路ＭＵＬ３、乗算回路ＭＵＬ４、および乗算回路ＭＵＬ５、から構成される。アナログメモリＡＭ２は、重み係数ｖ［ｋ，ｊ］に相当するデータを格納し、対応する電圧を出力する機能を有する。乗算回路ＭＵＬ３は、隠れニューロン回路ＨＮ［ｊ］の出力信号ｙ［ｊ］とアナログメモリＡＭ２の重み係数ｖ［ｋ，ｊ］との乗算を行い、出力信号ｖ［ｋ，ｊ］ｙ［ｊ］として、乗算結果に対応した電流を出力する。乗算回路ＭＵＬ４からは、隠れニューロン回路ＨＮ［ｊ］の出力信号ｙ［ｊ］と出力誤差回路ＯＥ［ｋ］の出力信号ｄｙ［ｋ］との乗算を行い、信号ｄｖとして、乗算結果に対応した電流がアナログメモリＡＭ２に供給される。信号ｄｖは、アナログメモリＡＭ２に格納された重み係数ｖ［ｋ，ｊ］の変更分に相当する電流として供給される。乗算回路ＭＵＬ５は、出力誤差回路ＯＥ［ｋ］の出力信号ｄｙ［ｋ］とアナログメモリＡＭ２の重み係数ｖ［ｋ，ｊ］との乗算を行い、出力信号ｖ［ｋ，ｊ］ｄｙ［ｋ］として、乗算結果に対応した電流を供給する。なお、出力シナプス回路ＯＳ［１，０］乃至ＯＳ［ｎ，０］において、入力信号ｙ［０］は−１、重み係数ｖ［１，０］乃至ｖ［ｎ，０］はθＯ［１］乃至θＯ［ｎ］が与えられており、出力信号ｖ［１，０］ｙ［０］乃至ｖ［ｎ，０］ｙ［０］として、−θＯ［１］乃至−θＯ［ｎ］に相当する電流が供給される。なお出力シナプス回路ＯＳは、単に回路という場合がある。
【００４２】
図６（Ａ）は、出力ニューロン回路ＯＮ［ｋ］の構成を示している。出力ニューロン回路ＯＮ［ｋ］は、各出力シナプス回路ＯＳ［ｋ，ｊ］の出力信号ｖ［ｋ，ｊ］ｙ［ｊ］（電流）の和Σｊ＝０〜ｍｖ［ｋ，ｊ］ｙ［ｊ］を入力信号とし、出力信号Ｏ［ｋ］を生成する。出力ニューロン回路ＯＮ［ｋ］は、入力信号を電圧に変換する抵抗１４１と、出力信号Ｏ［ｋ］を生成するアンプ１４２を有する。ここで、アンプ１４２の出力信号は、入力信号Ｙを変数とすると式（３）のｆＯ（Ｙ）となる特性、あるいは、当該特性に近似できる特性とする。
【００４３】
【数３】
2017102904.tif 000005
【００４４】
式（３）においてαＯは任意の定数で、Ｙ＝０における出力信号の変化率に相当する。
【００４５】
出力ニューロン回路ＯＮ［ｋ］の出力信号Ｏ［ｋ］は、式（４）で表す特性となる。
【００４６】
【数４】
2017102904.tif 000006
【００４７】
ここでΣｊ＝０〜ｍｖ［ｋ，ｊ］ｙ［ｊ］が０を超えた場合、すなわちΣｊ＝１〜ｍｖ［ｋ，ｊ］ｙ［ｊ］が閾値θＯ［ｋ］を超えた場合に、出力信号Ｏ［ｋ］は１に近づく、つまり”Ｈ”となるが、これを、出力ニューロン回路ＯＮ［ｋ］が発火する、と表現する。すなわち、閾値θＯ［ｋ］は出力ニューロン回路ＯＮ［ｋ］が発火する際の閾値に相当する。
【００４８】
なお、アンプ１４２は図６（Ｂ）に図示するように、ユニティゲインバッファ１４４とする構成が可能である。また図６（Ｃ）に図示するように、増幅回路１４５を用いて出力信号Ｏ［ｋ］の基準信号レベルを変更する機能を有していてもよい。また図６（Ｄ）に図示するように差動信号を生成するバッファ１４６を用いて、出力信号として差動信号対（Ｏ［ｋ］とＯｂ［ｋ］）を生成する機能を有していてもよい。また図６（Ｅ）に図示するように、非反転入力信号としてΣｊ＝０〜ｍｖ［ｋ，ｊ］ｙ［ｋ］を抵抗１４１により電圧に変換した電圧、反転入力信号として閾値θＯ［ｋ］に対応した電圧ＶθＯ［ｋ］としたオペアンプ１４７とする構成が可能である。この場合、出力シナプス回路ＯＳ［１，０］乃至ＯＳ［ｎ，０］は不要となる。なお出力ニューロン回路ＯＮは、単に回路という場合がある。
【００４９】
半導体装置において、入力信号Ｉ［１］乃至Ｉ［ｌ］に対して所望の出力信号Ｏ［１］乃至Ｏ［ｎ］が得られるように、重み係数ｗ［ｊ，ｉ］、ｖ［ｋ，ｊ］に相当するデータを各アナログメモリＡＭ１、ＡＭ２に格納することが学習に相当する。より具体的には、重み係数ｗ［ｊ，ｉ］、ｖ［ｋ，ｊ］に初期値として任意の値を与え、学習に用いる入力データを入力ニューロン回路の入力信号Ｉ［１］乃至Ｉ［ｌ］に与え、出力期待値として教師信号を出力ニューロン回路の入力信号Ｔ［１］乃至Ｔ［ｎ］に与え、出力ニューロン回路の出力信号Ｏ［１］乃至Ｏ［ｎ］と入力信号Ｔ［１］乃至Ｔ［ｎ］との２乗誤差和が最小となるような重み係数ｗ［ｊ，ｉ］、ｖ［ｋ，ｊ］に収束させていくことが学習に相当する。
【００５０】
出力ニューロン回路の出力信号Ｏ［１］乃至Ｏ［ｎ］と入力信号Ｔ［１］乃至Ｔ［ｎ］との２乗誤差和は、式（５）で表すことができる。
【００５１】
【数５】
2017102904.tif 000007
【００５２】
ｅｙ［ｋ］＝Ｔ［ｋ］−Ｏ［ｋ］とすると、式（５）は式（６）のように書き表すことができる。
【００５３】
【数６】
2017102904.tif 000008
【００５４】
当該２乗誤差和の最小値を求めることは、勾配法により、重み係数ｗ［ｊ，ｉ］、ｖ［ｋ，ｊ］に対する局所最小値、つまり、式（７）、（８）を満たすｗ［ｊ，ｉ］、ｖ［ｋ，ｊ］を求めることに相当する。
【００５５】
【数７】
2017102904.tif 000009
【００５６】
【数８】
2017102904.tif 000010
【００５７】
つまり、式（７）、（８）の左辺の値に応じて、重み係数ｗ［ｊ，ｉ］、ｖ［ｋ，ｊ］を更新していくことに相当する。
【００５８】
ここで、重み係数ｖ［ｋ，ｊ］については、式（９）の関係となる。
【００５９】
【数９】
2017102904.tif 000011
【００６０】
なお、式（９）において、Ｙ＝α０Σｊ＝０〜ｍｖ［ｋ，ｊ］ｙ［ｊ］）である。よって、重み係数ｖ［ｋ，ｊ］は、ηｖ・ｅｙ［ｋ］・ｆＯ’（Ｙ）・ｙ［ｊ］に相当する分だけ値を変化させればよいことになる。なお、ηｖは定数である。
【００６１】
また、重み係数ｗ［ｊ，ｉ］については、式（１０）の関係となる。
【００６２】
【数１０】
2017102904.tif 000012
【００６３】
なお、式（１０）において、Ｘ＝αＨΣｊ＝０〜ｍｗ［ｊ，ｉ］ｘ［ｉ］、Ｙ＝α０Σｖ［ｋ，ｊ］ｙ［ｊ］である。重み係数ｗ［ｊ，ｉ］は、ηｗ・（Σｊ＝０〜ｍｅｙ［ｋ］・ｆＯ’（Ｙ）・ｖ［ｋ，ｊ］）・ｆＨ’（Ｘ）・ｘ［ｉ］に相当する分だけ値を変化させればよいことになる。図６（Ａ）乃至（Ｅ）の出力ニューロン回路ＯＮ［ｋ］において、教師信号Ｔ［ｋ］と出力信号Ｏ［ｋ］との差分をアンプ１４３で取得し、差分信号ｅｙ［ｋ］として出力する。なお、ηｗは定数である。なお出力ニューロン回路ＯＮは、単に回路という場合がある。
【００６４】
図７（Ａ）は、出力誤差回路ＯＥ［ｋ］の構成を示している。出力誤差回路ＯＥ［ｋ］は、出力シナプス回路ＯＳ［ｋ，ｊ］の出力信号ｖ［ｋ，ｊ］ｙ［ｊ］（電流）の和である信号Σｊ＝０〜ｍｖ［ｋ，ｊ］ｙ［ｊ］と、出力ニューロン回路ＯＮ［ｋ］の出力信号である差分信号ｅｙ［ｋ］と、を入力信号とし、信号Ｙを生成する。出力誤差回路ＯＥ［ｋ］は、入力信号Σｊ＝０〜ｍｖ［ｋ，ｊ］ｙ［ｊ］を電圧に変換する抵抗１５１と、信号Ｙを生成するアンプ１５２を有する。当該アンプ１５２は、図７（Ｂ）に図示するように、ユニティゲインバッファ１５５とする構成が可能である。図７（Ｃ）に図示するように、増幅回路１５６を用いて信号Ｙの基準信号レベルを変更する機能を有していてもよい。また図７（Ｄ）に図示するように差動信号を生成するバッファ１５７を用いて、信号Ｙとして差動信号対（ＹとＹｂ）を生成する機能を有していてもよい。なお出力誤差回路ＯＥは、単に回路という場合がある。
【００６５】
また、出力誤差回路ＯＥ［ｋ］は、図７（Ａ）乃至（Ｄ）に示すように、信号Ｙに対して出力信号ｆＯ’（Ｙ）を生成する微分回路ＤＶ１と、出力信号ｆＯ’（Ｙ）と誤差信号ｅｙ［ｋ］とを入力信号とする乗算回路ＭＵＬ６を有し、乗算回路ＭＵＬ６の乗算結果であるｄｙ［ｋ］＝ｅｙ［ｋ］・ｆＯ’（Ｙ）を出力信号とする。前述のように、信号ｄｙ［ｋ］は出力シナプス回路ＯＳ［ｋ，ｊ］の入力信号であり、ｄｖ＝ｄｙ［ｋ］・ｙ［ｊ］＝ｅｙ［ｋ］・ｆＯ’（Ｙ）・ｙ［ｊ］に相当する量（ηｖ・ｄｖ＝ηｖ・ｅｙ［ｋ］・ｆＯ’（Ｙ）・ｙ［ｊ］）だけアナログメモリＡＭ２のデータ（重み係数ｖ［ｋ，ｊ］）が変化することになる。なお、出力シナプス回路ＯＳ［ｋ，ｊ］の出力信号ｖ［ｋ，ｊ］ｄｙ［ｋ］＝ｅｙ［ｋ］・ｆＯ’（Ｙ）・ｖ［ｋ，ｊ］である。
【００６６】
図８（Ａ）は、隠れ誤差回路ＨＥ［ｊ］の構成を示している。隠れ誤差回路ＨＥ［ｊ］は、隠れシナプス回路ＨＳ［ｊ，ｉ］の出力信号ｗ［ｊ，ｉ］ｘ［ｉ］（電流）の和である信号Σｉ＝０〜ｌｗ［ｊ，ｉ］ｘ［ｉ］と、出力シナプス回路ＯＳ［ｋ，ｊ］の出力信号であるｖ［ｋ，ｊ］ｄｙ［ｋ］、つまり電流ｅｙ［ｋ］・ｆＯ’（Ｙ）・ｖ［ｋ，ｊ］の和である信号Σｋ＝１〜ｌｖ［ｋ，ｊ］ｄｙ［ｋ］＝Σｋ＝１〜ｌｅｙ［ｋ］・ｆＯ’（Ｙ）・ｖ［ｋ，ｊ］＝ｅｘ［ｊ］と、を入力信号とし、信号ＥＸを生成する。隠れ誤差回路ＨＥ［ｊ］は、入力信号Σｉ＝０〜ｌｗ［ｊ，ｉ］ｘ［ｉ］を電圧に変換する抵抗１６２と、信号ＥＸを生成するアンプ１６４を有する。アンプ１６２、１６４は図８（Ｂ）に図示するように、ユニティゲインバッファ１６５、１６６とする構成が可能である。また図８（Ｃ）に図示するように、増幅回路１６７、１６８を用いて信号Ｘ及び信号ＥＸの基準信号レベルを変更する機能を各々有していてもよい。また図８（Ｄ）に図示するように差動信号を生成するバッファ１６９、１７０を用いて、信号Ｘ及び信号ＥＸは差動信号対（ＸとＸｂ及びＥＸとＥＸｂ）を生成する機能を有していてもよい。
【００６７】
また、隠れ誤差回路ＨＥ［ｊ］は、図８（Ａ）乃至（Ｄ）に示すように、信号Ｘに対して出力信号ｆＨ’（Ｘ）を生成する微分回路ＤＶ２と、ｆＨ’（Ｘ）と信号ＥＸとを入力信号とする乗算回路ＭＵＬ７を有し、乗算回路ＭＵＬ７の乗算結果であるｄｘ［ｊ］＝ｅｘ［ｊ］・ｆＨ’（Ｘ）＝Σｋ＝１〜ｌｅｙ［ｋ］・ｆＯ’（Ｙ）・ｖ［ｋ，ｊ］・ｆＨ’（Ｘ）を出力信号とする。前述のように、信号ｄｘ［ｊ］は隠れシナプス回路ＨＳ［ｊ，ｉ］の入力信号であり、ｄｗ＝ｄｘ［ｊ］・ｘ［ｉ］＝Σｋ＝１〜ｌｅｙ［ｋ］・ｆＯ’（Ｙ）・ｖ［ｋ，ｊ］・ｆＨ’（Ｘ）・ｘ［ｉ］に相当する量（ηｗ・ｄｗ＝ηｗ・Σｋ＝１〜ｌｅｙ［ｋ］・ｆＯ’（Ｙ）・ｖ［ｋ，ｊ］・ｆＨ’（Ｘ）・ｘ［ｉ］）だけアナログメモリＡＭ１のデータ（重み係数ｗ［ｊ，ｉ］）が変化することになる。なお隠れ誤差回路ＨＥは、単に回路という場合がある。
【００６８】
以上のように、半導体装置において、重み係数ｗ［ｊ，ｉ］、ｖ［ｋ，ｊ］を更新していくことができ、半導体装置において、入力信号Ｉ［１］乃至Ｉ［ｌ］に対して所望の出力信号Ｏ［１］乃至Ｏ［ｎ］が得られるような、重み係数ｗ［ｊ，ｉ］、ｖ［ｋ，ｊ］に相当するデータを各アナログメモリに格納することができる。すなわち、半導体装置の学習が可能となる。
【００６９】
図９は、隠れシナプス回路ＨＳ［ｊ，ｉ］、出力シナプス回路ＯＳ［ｋ，ｊ］、出力誤差回路ＯＥ［ｋ］、隠れ誤差回路ＨＥ［ｊ］における乗算回路ＭＵＬ１乃至ＭＵＬ７に適用可能な乗算回路ＭＵＬの構成を示す。乗算回路ＭＵＬは、第１のトランジスタＴｒ０１乃至第１４のトランジスタＴｒ１４から構成される。当該乗算回路は、Ｃｈｉｂｌｅの乗算回路を応用した構成で、入力信号Ａの電位と入力信号Ｂの電位との積に比例した電流が出力信号Ｙとして得られる。
【００７０】
図１０は、出力誤差回路ＯＥ［ｋ］、隠れ誤差回路ＨＥ［ｊ］における微分回路ＤＶ１、ＤＶ２に適用可能な微分回路ＤＶの構成を示す。微分回路ＤＶは、オペアンプ１７１、オペアンプ１７２、乗算回路１７３から構成される。ここで、オペアンプ１７１は、非反転入力信号Ａと反転入力信号Ｖｒｅｆの差分Ｘ＝Ａ−Ｖｒｅｆに対して、出力信号Ｙ１＝ｆ（Ｘ）＝１／（１＋ｅ−αＸ）となる特性、あるいは、当該特性に近似できる特性を有するものとする。また、オペアンプ１７２は、非反転入力信号Ｖｒｅｆと反転入力信号Ａの差分Ｘ２＝Ｖｒｅｆ−Ａ＝−Ｘに対して、出力信号Ｙ２＝ｆ（Ｘ２）＝１／（１＋ｅ−αＸ２）となる特性、あるいは、当該特性に近似できる特性を有するものとする。ここで、Ｙ２＝ｆ（−Ｘ）＝１／（１＋ｅ＋αＸ）＝ｅ−αＸ／（ｅ−αＸ＋１）＝１−１／（１＋ｅ−αＸ）＝１−ｆ（Ｘ）である。そのため、乗算回路１７３の出力Ｙ＝Ｙ１・Ｙ２＝ｆ（Ｘ）（１−ｆ（Ｘ））＝ｆ’（Ｘ）（＝ｄｆ（Ｘ）／ｄＸ）である。すなわち、ｆ（Ｘ）の微分回路が実現できていることがわかる。
【００７１】
図１１は、隠れシナプス回路ＨＳ［ｊ，ｉ］、出力シナプス回路ＯＳ［ｋ，ｊ］におけるアナログメモリＡＭ１、ＡＭ２に適用可能なアナログメモリＡＭの構成を示す。アナログメモリＡＭは、トランジスタＴｒ１５と容量素子Ｃから構成される。トランジスタＴｒ１５を、極めてオフ電流が低い酸化物半導体を用いたトランジスタとすることで、理想的なアナログメモリが構成できる。したがって、記憶保持のための大規模な容量素子を搭載する必要が無く、また、定期的なリフレッシュ動作によるアナログデータの回復の必要が無いため、チップ面積の縮小、消費電力の低減が可能となる。なお、データ更新の際、変更分に相当する電流が供給される構成のため、信号線ＷＬを”Ｈ”とする期間を調整することで、上述のηｖ若しくはηｗ（定数）を変更することができる。
【００７２】
なお図１に示す半導体装置が有する構成を簡略化したブロック図を図１２（Ａ）に示す。図１２（Ａ）では、入力ニューロン回路ＩＮ、隠れニューロン回路ＨＮ、出力ニューロン回路ＯＮ、隠れシナプス回路ＨＳ、出力シナプス回路ＯＳ、隠れ誤差回路ＨＥ、および出力誤差回路ＯＥを図示している。図１２（Ａ）に示す構成において、入力ニューロン回路ＩＮは入力層ＩＬに相当する。また、隠れニューロン回路ＨＮ、隠れシナプス回路ＨＳ、隠れ誤差回路ＨＥは隠れ層ＨＬに相当する。また出力誤差回路ＯＥ、出力ニューロン回路ＯＮ、出力シナプス回路ＯＳは、出力層に相当する。なお信号Ｉは入力信号、信号Ｔは教師信号Ｔ、信号Ｏは出力信号に相当する。
【００７３】
なお図１２（Ａ）に示す隠れ層ＨＬは、図１２（Ｂ）に示すように２層以上としてもよい。当該構成とすることで、より深い学習を行うことができる。
【００７４】
上記半導体装置において、入力ニューロン回路の入力信号として学習データを与え、出力ニューロン回路の入力信号として当該学習データに対応する教師信号を与え、誤差信号に応じてアナログメモリのデータを更新することで学習する。学習により、入力ニューロン回路の入力信号として対象データを与えた時に、対象データと学習データとが一致もしくは類似であることを判定することが可能となる。ここで、画像データにおいて対象となる物体（移動体）のデータを学習データとすることで、画像データに当該物体を検出することが可能となる。すなわち、画像データからの移動体の効率的なパターン抽出が可能となり、動き補償予測が効率的に実行できる。
【００７５】
以上のような構成とすることで、アナログ回路で構成し、回路規模を縮小でき、アナログメモリのデータ保持にリフレッシュ動作が不要な、ニューラルネットワークを利用した半導体装置を提供することができる。
【００７６】
（実施の形態２）
本実施の形態では、図１の半導体装置の動作例について説明する。
【００７７】
＜動作例＞
半導体装置の動作とは、上記実施の形態の図１で説明した半導体装置に学習データを入力し、半導体装置に該学習データを学ばせた後、半導体装置に対象データを入力して、該学習データと該対象データとが一致、類似、又は不一致などの判定をするまでのことをいう。図１３及び図１４に、半導体装置の動作を示すフローチャートを示す。なお以下の説明では、図１に示す半導体装置の動作を一例として説明する。
【００７８】
＜＜学習＞＞
初めに半導体装置がデータを学習する動作について、図１、図１３を用いて説明する。
【００７９】
〔ステップＳ１−１〕
ステップＳ１−１では、入力ニューロン回路ＩＮに外部から学習データが入力される。学習データは、図１でいう入力信号Ｉ［１］乃至Ｉ［ｌ］に相当する。なお、ここでの学習データとは、２進数で表せられるデータであり、その学習データのビット数に応じて、入力される入力ニューロン回路ＩＮの個数が決まる。当該学習データの入力に必要の無い入力ニューロン回路ＩＮには出力信号ｘが固定値となるデータを入力する構成が好ましい。また、当該入力ニューロン回路ＩＮへの電源の供給を遮断するなどの構成を適用するのが好ましい。ここでは、学習データの種類はｌ個あり、学習データのｉビット目の値を学習データＩ［ｉ］と記載する。学習データＩ［１］乃至学習データＩ［ｌ］が、それぞれ入力ニューロン回路ＩＮ［１］乃至ＩＮ［ｌ］に入力されるとする。
【００８０】
〔ステップＳ１−２〕
ステップＳ１−２では、入力ニューロン回路ＩＮ［１］乃至ＩＮ［ｌ］から隠れシナプス回路ＨＳ［１，１］乃至ＩＮ［１，ｌ］に出力信号ｘ［１］乃至ｘ［ｌ］が入力される。ステップＳ１−２では、隠れシナプス回路ＨＳ［１，０］乃至［ｍ，０］に値が一定の信号ｘ［０］が入力される。隠れシナプス回路ＨＳ［１，０］乃至ＨＳ［１，ｌ］は、出力信号ｘ［ｉ］に、アナログメモリＡＭ１に保持された重み係数ｗ［１，ｉ］を乗じた出力信号ｗ［１，ｉ］ｘ［ｉ］を、隠れ誤差回路ＨＥ［１］および隠れニューロン回路ＨＮ［１］に出力する。
【００８１】
前述の動作は、隠れシナプス回路ＨＳ［ｍ，０］乃至ＨＳ［ｍ，ｌ］でも行われ、出力信号ｗ［ｍ，ｉ］ｘ［ｉ］を、隠れ誤差回路ＨＥ［ｍ］および隠れニューロン回路ＨＮ［ｍ］に出力する。
【００８２】
〔ステップＳ１−３〕
ステップＳ１−３では、隠れニューロン回路ＨＮ［１］に、隠れシナプス回路ＨＳ［１，０］乃至ＨＳ［１，ｌ］の出力信号の和であるΣｗ［１，ｉ］ｘ［ｉ］が入力される。同様に隠れニューロン回路ＨＮ［ｍ］に、隠れシナプス回路ＨＳ［ｍ，０］乃至ＨＳ［ｍ，ｌ］の出力信号の和であるΣｗ［ｍ，ｉ］ｘ［ｉ］が入力される。
【００８３】
なお、隠れニューロン回路ＨＮ［１］乃至ＨＮ［ｍ］の個数は学習データに応じて変更することも可能である。必要の無い隠れニューロン回路ＨＮには出力信号ｙが固定値となるデータを入力する構成が好ましい。また、当該隠れニューロン回路ＨＮへの電源の供給を遮断するなどの構成を適用するのが好ましい。ここでは、隠れニューロン回路ＨＮの個数はｍ個あり、ｊ番目の隠れニューロン回路ＨＮの入力値をΣｗ［ｊ，ｉ］ｘ［ｉ］と記載する。
【００８４】
〔ステップＳ１−４〕
ステップＳ１−４では、隠れニューロン回路ＨＮ［１］乃至ＨＮ［ｍ］から出力シナプス回路ＯＳ［１，１］乃至ＯＳ［１，ｍ］に出力信号ｙ［１］乃至ｙ［ｍ］が入力される。ステップＳ１−４では、出力シナプス回路ＯＳ［１，０］乃至ＯＳ［ｎ，０］に値が一定の信号ｙ［０］が入力される。出力シナプス回路ＯＳ［１，０］乃至ＯＳ［１，ｍ］は、出力信号ｙ［ｊ］に、アナログメモリＡＭ２に保持された重み係数ｖ［１，ｊ］を乗じた出力信号ｖ［１，ｊ］ｙ［ｊ］を、出力誤差回路ＯＥ［１］およびＯＥ［ｎ］に出力する。
【００８５】
前述の動作は、出力シナプス回路ＯＳ［ｎ，０］乃至ＯＳ［ｎ，ｍ］でも行われ、出力信号ｖ［ｎ，ｊ］ｙ［ｊ］を、出力ニューロン回路ＯＮ［１］およびＯＮ［ｎ］に出力する。
【００８６】
〔ステップＳ１−５〕
ステップＳ１−５では、出力ニューロン回路ＯＮ［１］に、出力シナプス回路ＯＳ［１，０］乃至ＯＳ［１，ｍ］の出力信号の和であるΣｖ［１，ｊ］ｙ［ｊ］が入力される。同様に出力ニューロン回路ＯＮ［ｎ］に、出力シナプス回路ＯＳ［ｎ，０］乃至ＯＳ［ｎ，ｍ］の出力信号の和であるΣｖ［ｎ，ｊ］ｙ［ｊ］が入力される。出力ニューロン回路ＯＮ［１］乃至［ｎ］は、出力信号Ｏ［１］乃至Ｏ［ｎ］を出力する。
【００８７】
出力ニューロン回路ＯＮ［１］は、出力シナプス回路ＯＳ［１，０］乃至ＯＳ［１，ｍ］の出力信号の和であるΣｖ［１，ｊ］ｙ［ｊ］および外部からの教師信号Ｔ［１］をもとに、差分信号ｅｙ［１］を出力誤差回路ＯＥ［１］に出力する。同様に、出力ニューロン回路ＯＮ［ｎ］は、出力シナプス回路ＯＳ［ｎ，０］乃至ＯＳ［ｎ，ｍ］の出力信号の和であるΣｖ［ｎ，ｊ］ｙ［ｊ］および外部からの教師信号Ｔ［ｎ］をもとに、差分信号ｅｙ［ｎ］を出力誤差回路ＯＥ［ｎ］に出力する。
【００８８】
〔ステップＳ１−６〕
ステップＳ１−６では、出力ニューロン回路ＯＮ［１］から差分信号ｅｙ［１］、および出力シナプス回路ＯＳ［１，０］乃至ＯＳ［１，ｍ］の出力信号の和であるΣｖ［１，ｊ］ｙ［ｊ］が、出力誤差回路ＯＥ［１］に入力される。出力誤差回路ＯＥ［１］は、差分信号ｅｙ［１］に、Σｖ［１，ｊ］ｙ［ｊ］を微分することで得られる信号を乗じた出力信号ｄｙ［１］を、出力シナプス回路ＯＳ［１，０］乃至ＯＳ［１，ｍ］に出力する。
【００８９】
同様にステップＳ１−６では、出力ニューロン回路ＯＮ［ｎ］から差分信号ｅｙ［ｎ］、および出力シナプス回路ＯＳ［ｎ，０］乃至ＯＳ［ｎ，ｍ］の出力信号の和であるΣｖ［ｎ，ｊ］ｙ［ｊ］が、出力誤差回路ＯＥ［ｎ］に入力される。出力誤差回路ＯＥ［ｎ］は、差分信号ｅｙ［ｎ］に、Σｖ［ｎ，ｊ］ｙ［ｊ］を微分することで得られる信号を乗じた出力信号ｄｙ［ｎ］を、隠れシナプス回路ＯＳ［ｎ，０］乃至ＯＳ［ｎ，ｍ］に出力する。
【００９０】
〔ステップＳ１−７〕
ステップＳ１−７では、出力信号ｄｙ［１］をもとに、出力シナプス回路ＯＳ［１，０］乃至ＯＳ［１，ｍ］内のアナログメモリＡＭ２に保持された重み係数ｖ［１，ｊ］を更新する。同様にステップＳ１−７では、出力信号ｄｙ［ｎ］をもとに、出力シナプス回路ＯＳ［ｎ，０］乃至ＯＳ［ｎ，ｍ］内のアナログメモリＡＭ２に保持された重み係数ｖ［ｎ，ｊ］を更新する。
【００９１】
加えて、出力シナプス回路ＯＳ［１，１］乃至ＯＳ［ｎ，１］では、更新した重み係数ｖ［１，１］乃至ｖ［ｎ，１］に出力信号ｄｙ［１］乃至ｄｙ［ｎ］を乗じた出力信号ｖ［１，１］ｄｙ［１］乃至ｖ［ｎ，１］ｄｙ［ｎ］を、隠れ誤差回路ＨＥ［１］に出力する。同様に出力シナプス回路ＯＳ［１，ｍ］乃至ＯＳ［ｎ，ｍ］では、更新した重み係数ｖ［１，ｍ］乃至ｖ［ｎ，ｍ］に出力信号ｄｙ［１］乃至ｄｙ［ｎ］を乗じた出力信号ｖ［１，ｍ］ｄｙ［１］乃至ｖ［ｎ，１］ｄｙ［ｎ］を、隠れ誤差回路ＨＥ［ｍ］に出力する。
【００９２】
〔ステップＳ１−８〕
ステップＳ１−８では、隠れシナプス回路ＨＳ［１，０］乃至ＨＳ［１，ｌ］の出力信号の和であるΣｗ［１，ｉ］ｘ［ｉ］、および出力シナプス回路ＯＳ［１，１］乃至ＯＳ［ｎ，１］の出力信号の和であるｅｘ［１］が、隠れ誤差回路ＨＥ［１］に入力される。隠れ誤差回路ＨＥ［１］は、信号ｅｘ［１］に、Σｗ［１，ｉ］ｘ［ｉ］をもとに微分することで得られる信号を乗じた出力信号ｄｘ［１］を、隠れシナプス回路ＨＳ［１，０］乃至ＨＳ［１，ｌ］に出力する。
【００９３】
同様にステップＳ１−８では、隠れシナプス回路ＨＳ［ｍ，０］乃至ＨＳ［ｍ，ｌ］の出力信号の和であるΣｗ［ｍ，ｉ］ｘ［ｉ］、および出力シナプス回路ＯＳ［１，ｍ］乃至ＯＳ［ｎ，ｍ］の出力信号の和であるｅｘ［ｍ］が、隠れ誤差回路ＨＥ［ｍ］に入力される。隠れ誤差回路ＨＥ［ｍ］は、信号ｅｘ［ｍ］に、Σｗ［ｍ，ｉ］ｘ［ｉ］をもとに微分することで得られる信号を乗じた出力信号ｄｘ［ｍ］を、隠れシナプス回路ＨＳ［ｍ，０］乃至ＨＳ［ｍ，ｌ］に出力する。
【００９４】
〔ステップＳ１−９〕
ステップＳ１−９では、出力信号ｄｘ［１］をもとに、隠れシナプス回路ＨＳ［１，０］乃至ＨＳ［１，ｌ］内のアナログメモリＡＭ１に保持された重み係数ｗ［１，ｉ］を重み係数ｄｗ［１，ｉ］に更新する。同様にステップＳ１−９では、出力信号ｄｘ［ｍ］をもとに、隠れシナプス回路ＨＳ［ｍ，０］乃至ＨＳ［ｍ，ｌ］内のアナログメモリＡＭ１に保持された重み係数ｗ［ｍ，ｉ］を重み係数ｄｗ［ｍ，ｉ］にを更新する。
【００９５】
以降は、更新された重み係数ｄｗ［１，ｉ］乃至ｄｗ［ｍ，ｉ］をもとに、ステップＳ１−２乃至Ｓ１−９を所定の回数繰り返す。
【００９６】
〔ステップＳ１−１０〕
ステップＳ１−１０では、ステップＳ１−２乃至Ｓ１−９を所定の回数を繰り返したかどうかの判定が行われる。所定の回数に達したとき当該学習データに対する学習を終了する。
【００９７】
なお、ここでの所定の回数は、理想的には出力信号Ｏ［１］乃至Ｏ［ｎ］と教師信号Ｔ［１］乃至Ｔ［ｎ］との誤差が規定値内に収まるまで繰り返すことが好ましいが、経験的に決めた任意の回数としてもよい。
【００９８】
〔ステップＳ１−１１〕
ステップＳ１−１１では、全ての学習データにおいて学習したか否かを判定する。未終了の学習データがある場合はステップＳ１−１乃至Ｓ１−１０を繰り返し、全ての学習データについて学習を終了した場合には終了する。なお、一度学習した学習データについて、一通り全ての学習データに対する学習が終った後に、再度学習する構成としてもよい。
【００９９】
階層型パーセプトロンのニューラルネットワークでは、隠れ層、すなわち隠れシナプス回路および隠れニューロン回路を多層に設けることが好ましい。隠れシナプス回路および隠れニューロン回路を多層に設ける場合、重み係数の更新を繰り返し行うことができるため、学習効率を高めることができる。
【０１００】
＜＜比較＞＞
次に、先にデータを学習させた図１の半導体装置に、対象データを入力して、結果を出力する動作について、図１４を用いて説明する。ここで学習した複数のデータのうち、対象データに最も近いと連想されるデータを結果として出力する。
【０１０１】
〔ステップＳ２−１〕
ステップＳ２−１では、入力ニューロン回路ＩＮに外部から対象データが入力される。なお、ここでの対象データとは、２進数で表せられるデータであり、図１０のステップＳ１−１で入力した学習データのビット数と同じｌビットであり、それぞれが入力ニューロン回路ＩＮ［１］乃至入力ニューロン回路ＩＮ［ｌ］に入力されるとする。
【０１０２】
〔ステップＳ２−２〕
ステップＳ２−２では、入力ニューロン回路ＩＮ［１］乃至ＩＮ［ｌ］から隠れシナプス回路ＨＳ［１，１］乃至ＩＮ［１，ｌ］に、対象データに相当する出力信号ｘ［１］乃至ｘ［ｌ］が入力される。ステップＳ２−２では、隠れシナプス回路ＨＳ［１，０］乃至ＨＳ［ｍ，０］に値が一定の信号ｘ［０］が入力される。隠れシナプス回路ＨＳ［１，０］乃至ＨＳ［１，ｌ］は、出力信号ｘ［ｉ］に、学習のステップＳ１−９で保持された重み係数ｗ［１，ｉ］を乗じた出力信号ｗ［１，ｉ］ｘ［ｉ］を、隠れニューロン回路ＨＮ［１］に出力する。
【０１０３】
前述の動作は、隠れシナプス回路ＨＳ［ｍ，０］乃至ＨＳ［ｍ，ｌ］でも行われ、出力信号ｗ［ｍ，ｉ］ｘ［ｉ］を、隠れニューロン回路ＨＮ［ｍ］に出力する。
【０１０４】
〔ステップＳ２−３〕
ステップＳ２−３では、隠れニューロン回路ＨＮ［１］に、隠れシナプス回路ＨＳ［１，０］乃至ＨＳ［１，ｌ］の出力信号の和であるΣｗ［１，ｉ］ｘ［ｉ］が入力される。同様に隠れニューロン回路ＨＮ［ｍ］に、隠れシナプス回路ＨＳ［ｍ，０］乃至ＨＳ［ｍ，ｌ］の出力信号の和であるΣｗ［ｍ，ｉ］ｘ［ｉ］が入力される。
【０１０５】
〔ステップＳ２−４〕
ステップＳ２−４では、隠れニューロン回路ＨＮ［１］乃至ＨＮ［ｍ］から出力シナプス回路ＯＳ［１，１］乃至ＯＳ［ｎ，１］に出力信号ｙ［１］乃至ｙ［ｍ］が入力される。ステップＳ２−４では、出力シナプス回路ＯＳ［１，０］乃至ＯＳ［ｎ，０］に値が一定の信号ｙ［０］が入力される。出力シナプス回路ＯＳ［１，０］乃至ＯＳ［１，ｍ］は、出力信号ｙ［ｊ］に、アナログメモリＡＭ２に保持された重み係数ｖ［１，ｊ］を乗じた出力信号ｖ［１，ｊ］ｙ［ｊ］を、出力ニューロン回路ＯＮ［１］に出力する。
【０１０６】
前述の動作は、出力シナプス回路ＯＳ［ｎ，０］乃至ＯＳ［ｎ，ｍ］でも行われ、出力信号ｖ［ｎ，ｊ］ｙ［ｊ］を、出力ニューロン回路ＯＮ［ｎ］に出力する。
【０１０７】
〔ステップＳ２−５〕
ステップＳ２−５では、出力ニューロン回路ＯＮ［１］に、出力シナプス回路ＯＳ［１，０］乃至ＯＳ［１，ｍ］の出力信号の和であるΣｖ［１，ｊ］ｙ［ｊ］が入力される。同様に出力ニューロン回路ＯＮ［ｎ］に、出力シナプス回路ＯＳ［ｎ，０］乃至ＯＳ［ｎ，ｍ］の出力信号の和であるΣｖ［ｎ，ｊ］ｙ［ｊ］が入力される。出力ニューロン回路ＯＮ［１］乃至［ｎ］は、出力信号Ｏ［１］乃至Ｏ［ｎ］を出力する。
【０１０８】
ここで、出力された出力信号Ｏ［１］乃至Ｏ［ｎ］は、学習した複数のデータのうち、一致するデータもしくは非常に近いデータがある場合には、当該学習データを学習した際に教師信号として与えたデータである。すなわち、学習データと対象データが一致（類似を含む）、又は不一致の判定を行うことができる。
【０１０９】
上記のステップＳ１−１乃至ステップＳ１−１０、及びステップＳ２−１乃至ステップＳ２−５を行うことによって、図１の半導体装置に学習データを学習させ、その後、対象データが、学習データに一致、又は不一致したデータに対応した信号を出力することができる。これにより、図１の半導体装置は、パターン認識や連想記憶などの処理を行うことができる。
【０１１０】
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１で説明した図１の半導体装置をエンコーダとして利用した場合の動作例について説明する。
【０１１１】
＜物体の動きの検出例＞
初めに、物体の動きの検出する方法の一例について説明する。図１５は、画像データに対してエンコーダで実行する物体の動き検出のアルゴリズムを説明するものである。
【０１１２】
図１５（Ａ）は、画像データ１０を示し、画像データ１０は、三角形１１及び円１２を有する。図１５（Ｂ）は、画像データ２０を示し、画像データ２０は、画像データ１０が有する三角形１１及び円１２が右上方向に移動した画像データとする。
【０１１３】
図１５（Ｃ）の画像データ３０は、画像データ１０から三角形１１及び円１２を含む領域３１を抽出する操作を示している。画像データ３０は、抽出した領域３１の左上のマスを基準（０，０）とし、左右方向及び上下方向の位置を示す数値を添字として、画像データ１０に付したものである。ここで、図１５（Ｃ）で抽出した領域３１を、図１５（Ｅ）に示す。
【０１１４】
図１５（Ｄ）の画像データ４０は、画像データ２０から一領域を切り出して、領域４１を複数抽出する操作を示している。画像データ４０は、画像データ３０に付した左右方向及び上下方向の位置を示す数値を、画像データ２０にも付したものである。つまり、画像データ３０、及び画像データ４０から、領域３１がどの位置に移動したかを変位（移動ベクトル）で表すことができる。図１５（Ｆ）は、抽出した複数の領域４１の一部を示している。
【０１１５】
領域４１の複数抽出の動作後では、物体の動きを検出するため、領域３１を複数の領域４１と順次比較する動作が行われる。この動作によって、領域３１と移動ベクトル（１，−１）の領域４１とが一致していることを検出し、且つ領域３１と移動ベクトル（１，−１）以外の領域４１とが不一致していることを検出する。これにより、領域３１から領域４１への移動ベクトル（１，−１）を取得することができる。
【０１１６】
なお、本明細書では、上述の領域３１のデータを学習データと表記する場合があり、上述の複数の領域４１の一のデータを対象データと表記する場合がある。
【０１１７】
なお、図１５では、４×４からなる領域で、抽出、比較、そして検出の動作を行っているが、本動作例では、領域の大きさはこれに限定されない。抽出する画像データの大きさに合わせて適宜領域を変更する構成にしてもよい。例えば、３×５からなる領域で抽出、比較、そして検出の動作を行ってもよい。また、マスを形成する画素の数についても限定せず、例えば、１０ピクセル×１０ピクセルを１マスとしてもよいし、１ピクセルを１マスとして定義して領域を構成してもよい。また、例えば、５ピクセル×１０ピクセルを１マスとして定義して領域を構成してもよい。
【０１１８】
なお、映像の内容によっては、領域３１に含まれる画像データが変化する場合がある。例えば、領域３１に含まれる三角形１１又は円１２が、画像データ４０では拡大、又は縮小している場合がある。また、例えば、領域３１に含まれる三角形１１又は円１２が、画像データ４０では回転している場合がある。この場合、領域３１と複数の領域４１との比較でどの程度一致しているかを求めるのが有効である。具体的には、初めに、領域３１と複数の領域４１との外部出力信号を算出し、次に、領域３１との外部出力信号の差が最小となる場合の領域４１の変位（移動ベクトル）を検出する構成にすればよい。そのためには、領域３１と複数の領域４１とで特徴抽出などにより物体が同一であることを確認する構成であることが好ましい。なお、領域３１の画像データから、領域３１が該移動ベクトル方向に移動した画像データを生成し、当該画像データと複数の領域４１との差分を取得することで、動き補償予測が可能となる。また、領域３１の画像データの移動量が画素ピッチの整数倍に一致しない場合、領域３１と複数の領域４１との比較でそれぞれの外部出力信号を算出し、それらの外部出力信号の差が最小となる変位を推測し、これを物体の変位（移動ベクトル）として検出する構成が可能である。
【０１１９】
＜画像データの一致、類似、不一致の判定＞
次に、エンコーダを用いた、動き補償予測の方法について、図１６を用いて説明する。
【０１２０】
〔ステップＳ３−１〕
ステップＳ３−１では、領域３１のデータを学習データとして、図１の半導体装置の入力ニューロン回路ＩＮ［１］乃至入力ニューロン回路ＩＮ［ｌ］に入力する。なお、学習データは領域３１のデータを２進数で表したデータであり、ｌビットで構成されたデータであるとする。
【０１２１】
〔ステップＳ３−２〕
ステップＳ３−２では、領域３１のデータの入力について、ステップＳ１−２乃至ステップＳ１−１０と同様の動作を行う。つまり、全ての隠れシナプス回路ＨＳおよび出力シナプス回路ＯＳに対して、それぞれの重み係数ｖおよび重み係数ｗの更新を繰り返し行い、領域３１のデータに応じた隠れシナプス回路ＨＳおよび出力シナプス回路ＯＳの重み係数ｖおよび重み係数ｗを更新する。
【０１２２】
〔ステップＳ３−３〕
ステップＳ３−３では、複数の領域４１の一を対象データとして、ステップＳ３−２で更新した重み係数ｖおよび重み係数ｗを有する図１の半導体装置に入力する。なお、対象データは領域４１の一のデータを、２進数で表したデータであり、ｌビットで構成されたデータであるとする。
【０１２３】
〔ステップＳ３−４〕
ステップＳ３−４では、複数の領域４１の一の入力について、ステップＳ２−２乃至ステップＳ２−５と同様の動作を行う。つまり、領域３１のデータを学習させた半導体装置１００に対して、複数の領域４１の一のデータを入力することで、連想されるデータに対応したデータを出力する。
【０１２４】
ここで、領域３１のデータと複数の領域４１の一と、が一致する、又は一致しない、のいずれかの判定を行う。
【０１２５】
〔ステップＳ３−５〕
ステップＳ３−５では、上述の判定結果に応じて、どのステップに進むかの判定が行われる。
【０１２６】
該判定結果が、領域３１のデータと複数の領域４１の一とが一致しなかったとき、複数の領域４１の一とは別の領域４１を対象データとして、ステップＳ３−３とステップＳ３−４の動作が再度行われる。
【０１２７】
また、該判定結果が、領域３１のデータと複数の領域４１の一とが一致したとき、領域３１を基準とした複数の領域４１の一の移動ベクトルを取得して、本動作が終了する。移動ベクトルを取得したことにより、移動ベクトルを差分とした、動き補償予測が可能となる。動き補償予測を行うことで、画像データの圧縮を効率よく行うことができる。
【０１２８】
また、領域３１のデータと複数の領域４１の一とが類似する場合にも、該判定結果は一致となる。なお、複数の領域４１のデータと類似する場合は、当該複数の領域４１に対して一致と判定される。この場合、当該複数の領域４１との一致度を各々判定することで、物体の変位を推測して、これを物体の移動ベクトルとして取得を行う。その後、本動作は終了する。
【０１２９】
また、該判定結果で、全ての領域４１のデータを対象データとして比較を行い、学習データと全ての対象データとが一致しなかったとき、または、類似しなかったとき、領域３１のデータと複数の領域４１のデータから動き補償予測を行うための移動ベクトルの取得ができないと判断して、本動作が終了する。
【０１３０】
上記の動作を行うことによって、階層型パーセプトロンのニューラルネットワークを画像データの圧縮を行うエンコーダとして利用することができる。これにより、大容量の画像データの圧縮を行うことができる高効率のエンコーダを実現することができる。
【０１３１】
（実施の形態３）
本実施の形態では、開示する発明に係る放送システムについて説明する。
【０１３２】
＜放送システム＞
図１７は、放送システムの構成例を模式的に示すブロック図である。放送システム５００は、カメラ５１０、送信装置５１１、受信装置５１２、表示装置５１３を有する。カメラ５１０はイメージセンサ５２０、画像処理装置５２１を有する。送信装置５１１は、エンコーダ５２２及び変調器５２３を有する。受信装置５１２は、復調器５２５及びデコーダ５２６を有する。表示装置５１３は画像処理装置５２７及び表示部５２８を有する。
【０１３３】
カメラ５１０が８Ｋ映像を撮影が可能である場合、イメージセンサ５２０は、８Ｋのカラー画像を撮像可能な画素数を有する。例えば、１画素が１の赤用（Ｒ）サブ画素、２の緑用（Ｇ）サブ画素、及び１の青用（Ｂ）サブ画素でなる場合、イメージセンサ５２０には、少なくとも７６８０×４３２０×４［Ｒ、Ｇ＋Ｇ、Ｂ］の画素が必要となり、また、４Ｋ用のカメラであれば、イメージセンサ５２０の画素数は、少なくとも３８４０×２１６０×４であり、２Ｋ用のカメラであれば、画素数は、少なくとも１９２０×１０８０×４である。
【０１３４】
イメージセンサ５２０は未加工のＲａｗデータ５４０を生成する。画像処理装置５２１は、Ｒａｗデータ５４０に画像処理（ノイズ除去、補間処理など）を施し、画像データ５４１を生成する。画像データ５４１は送信装置５１１に出力される。
【０１３５】
送信装置５１１は、画像データ５４１を処理して、放送帯域に適合する放送信号５４３を生成する（放送信号を搬送波という場合がある）。エンコーダ５２２は画像データ５４１を処理し、符号化データ５４２を生成する。エンコーダ５２２は、画像データ５４１を符号化する処理、画像データ５４１に放送制御用データ（例えば認証用のデータ）を付加する処理、暗号化処理、スクランブル処理（スペクトラム拡散のためのデータ並び替え処理）等を行う。
【０１３６】
変調器５２３は符号化データ５４２をＩＱ変調（直交位相振幅変調）することで、放送信号５４３を生成し、出力する。放送信号５４３は、Ｉ（同位相）成分とＱ（直交成分）成分の情報を持つ複合信号である。ＴＶ放送局は、画像データ５４１の取得、及び放送信号５４３の供給を担う。
【０１３７】
放送信号５４３は受信装置５１２で受信される。受信装置５１２は、放送信号５４３を表示装置５１３で表示可能な画像データ５４４に変換する機能を有する。復調器５２５は、放送信号５４３を復調して、Ｉ信号、Ｑ信号の２つのアナログ信号に分解する。
【０１３８】
デコーダ５２６は、Ｉ信号及びＱ信号をデジタル信号に変換する処理を有する。また、デコーダ５２６は、デジタル信号に対して、各種の処理を実行し、データストリームを生成する。この処理には、フレーム分離、ＬＤＰＣ（Ｌｏｗ  Ｄｅｎｓｉｔｙ  Ｐａｒｉｔｙ  Ｃｈｅｃｋ）符号の復号、放送制御用データの分離、デスクランブル処理等がある。デコーダ５２６は、データストリームを復号化し、画像データ５４４を生成する。復号化のための処理には、直交変換（ＤＣＴ：離散コサイン変換、ＤＳＴ：離散サイン変換）、フレーム内予測処理、動き補償予測処理等がある。
【０１３９】
画像データ５４４は、表示装置５１３の画像処理装置５２７に入力される。画像処理装置５２７は、画像データ５４４を処理し、表示部５２８に入力可能なデータ信号５４５を生成する。画像処理装置５２７での処理は、画像処理（ガンマ処理）、デジタル−アナログ変換処理等がある。データ信号５４５が入力されることで、表示部５２８は表示を行う。
【０１４０】
図１８に、放送システムにおけるデータ伝送を模式的に示す。図１８には、放送局５６１から送信された電波（放送信号）が、各家庭のテレビジョン受信装置（ＴＶ）５６０に届けられるまでの経路を示している。ＴＶ５６０は、受信装置５１２及び表示装置５１３を備えている。人工衛星５６２として、例えば、ＣＳ衛星、ＢＳ衛星などが挙げられる。アンテナ５６４として、例えば、ＢＳ・１１０°ＣＳアンテナ、ＣＳアンテナなどが挙げられる。アンテナ５６５として、例えば、ＵＨＦ（Ｕｌｔｒａ  Ｈｉｇｈ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）アンテナなどが挙げられる。
【０１４１】
電波５６６Ａ、５６６Ｂは、衛星放送用の放送信号である。人工衛星５６２は電波５６６Ａを受信すると、地上に向けて電波５６６Ｂを伝送する。各家庭において、電波５６６Ｂはアンテナ５６４で受信され、ＴＶ５６０において衛星ＴＶ放送を視聴することができる。あるいは、電波５６６Ｂは他の放送局のアンテナで受信され、放送局内の受信装置によって光ケーブルに伝送できる信号に加工される。放送局は光ケーブル網を利用して放送信号を各家庭のＴＶ５６０に送信する。電波５６７Ａ、５６７Ｂは、地上波放送用の放送信号である。電波塔５６３は、受信した電波５６７Ａを増幅して、電波５６７Ｂを送信する。各家庭では、アンテナ５６５で電波５６７Ｂを受信することで、ＴＶ５６０で地上波ＴＶ放送を視聴することができる。
【０１４２】
また、本実施の形態の映像配信システムは、ＴＶ放送用のシステムに限定されるものではない。また配信する画像データは、動画像データでもよいし、静止画像データでもよい。
【０１４３】
例えば、高速ＩＰネットワークを通じてカメラ５１０の画像データ５４１を配信してもよい。例えば、画像データ５４１の配信システムは医療分野では、遠隔診断、遠隔診療に用いることができる。医療業務行為に利用する映像は、正確な画像診断を行う場合には高解像度（８Ｋ、４Ｋ、２Ｋ）の映像求められる。図１９は、画像データの配信システムを利用した救急医療システムを模式的に示す。
【０１４４】
救急車６００（救急車；救急搬送車両）と医療機関６０１との間、又は、医療機関６０１と医療機関６０２との間の通信は、高速ネットワーク６０５を利用して行われる。救急車６００には、カメラ６１０、エンコーダ６１１、通信装置６１２が搭載されている。
【０１４５】
カメラ６１０は、医療機関６０１へ搬送する患者を撮影する。カメラ６１０で取得した画像データ６１５は、通信装置６１２によって非圧縮で送信することもできる。これにより遅延を少なくして、高解像度の画像データ６１５を医療機関６０１に伝送することができる。救急車６００と医療機関６０１と間の通信に、高速ネットワーク６０５を利用できない場合は、エンコーダ６１１で画像データ６１５を符号化し、符号化した画像データ６１６を送ることもできる。
【０１４６】
医療機関６０１では、救急車６００から送られた画像データを通信装置６２０で受信される。受信した画像データが非圧縮データであれば、通信装置６２０を介して、表示装置６２３に送られ、表示される。画像データが圧縮データであれば、デコーダ６２１でデータ伸長された後、サーバ６２２、及び表示装置６２３に送られ、表示装置６２３に表示される。医師は、表示装置６２３の画像から、救急車６００の救急隊員への指示、あるいは、患者の治療にあたる医療機関６０１内のスタッフに指示を行う。図１９の配信システムは高精細な画像を伝送することができるので、医療機関６０１内において、医師は救急搬送中の患者の細部を確認することができる。そのため、医師は短時間でより的確な指示を救急隊員やスタッフに与えることができ、患者の救命率の向上につながる。
【０１４７】
医療機関６０１と医療機関６０２間の画像データの通信も、上記と同様である。医療機関６０１の画像診断装置（ＣＴ、ＭＲＩ等）で取得した医療画像を医療機関６０２に伝送することができる。また、ここでは、救急車６００を例に挙げたが、患者を搬送する手段は、ヘリコプターなどの航空機や、船舶でもよい。
【０１４８】
図２０は、受信装置の形態の例を示している。ＴＶ５６０は、受信装置で放送信号を受信して、ＴＶ５６０に表示させることができる。図２０（Ａ）では、受信装置５７１を、ＴＶ５６０の外側に設けた場合を示している。また、別の例として、図２０（Ｂ）では、アンテナ５６４、５６５とＴＶ５６０は、無線機５７２及び無線機５７３を介して、データの授受を行っている場合を示している。この場合、無線機５７２又は無線機５７３は、受信装置の機能も有する。また、図２０（Ｃ）に示すとおり、ＴＶ５６０は、無線機５７３を内蔵してもよい。
【０１４９】
受信装置は、携帯可能な大きさにすることもできる。図２０（Ｄ）に示す受信装置５７４は、コネクタ部５７５を有する。表示装置、及び情報端末（例えば、パーソナルコンピュータ、スマートフォン、携帯電話、タブレット型端末など）等の電子機器がコネクタ部５７５と接続可能な端子を備えていれば、これらで衛星放送や地上波放送を視聴することが可能となる。
【０１５０】
図１７の放送システム５００において、エンコーダ５２２に、実施の形態１で説明した半導体装置１００を適用することができる。また、専用ＩＣやプロセッサ（例えば、ＧＰＵ、ＣＰＵ）等を組み合わせてエンコーダ５２２を構成することができる。また、エンコーダ５２２を一の専用ＩＣチップに集積化することもできる。
【０１５１】
＜エンコーダ＞
図２１は、エンコーダ５２２の一例を示すブロック図である。エンコーダ５２２は、回路５９１乃至回路５９４を有する。
【０１５２】
回路５９１は、ソース符号化を行う回路であり、フレーム間予測回路５９１ａ、動き補償予測回路５９１ｂ、ＤＣＴ回路５９１ｃを有する。回路５９２は、ビデオ・マルチプレックス符号化処理回路を有する。回路５９３は、ＬＤＰＣ符号化回路５９３ａ（ＬＤＰＣ；Ｌｏｗ  Ｄｅｎｓｉｔｙ  Ｐａｒｉｔｙ  Ｃｈｅｃｋ）、認証付与処理回路５９３ｂ、スクランブラ５９３ｃを有する。回路５９４はＤＡＣ（デジタルアナログ変換）部である。
【０１５３】
回路５９１は、送られてきた画像データ５４１に対してソース符号化を行う回路である。ソース符号化とは、画像情報に含まれる冗長な成分を除く処理のことを指す。なお、この回路５９１から出力されたデータから、完全な元の画像データに戻すことはできないため、ソース符号化は、非可逆な処理といえる。
【０１５４】
フレーム間予測回路５９１ａは、符号化するフレーム（画像）に対して、その前のフレーム、又はその後ろのフレーム、又はその両方のフレームから予測画像を作成して、該予測画像を符号化する回路である。動き補償予測回路５９１ｂは、画像データ５４１に含まれる被写体の動作、変形などを検出し、その変位、その回転量、その伸縮量などを算出し、該被写体の含まれるフレームに対して予測画像を作成して、該予測画像を符号化する回路である。ＤＣＴ回路５９１ｃは、離散コサイン変換を用いて、画像データの画素領域の情報を周波数領域の情報に変換する回路である。
【０１５５】
回路５９１は、フレーム間予測回路５９１ａ、動き補償予測回路５９１ｂ、及びＤＣＴ回路５９１ｃを通して、ソース符号化された画像データ５４１を量子化する機能を有する。ここでいう量子化とは、ＤＣＴ回路５９１ｃによって得られた周波数成分を、それぞれ離散的な値に対応付ける動作のことをいう。この動作によって、画像データ５４１に含まれる大きな情報を削減することができる。そして、回路５９１は、ソース符号化と量子化が行われた画像データ、及び動き補償予測して得られた情報を含むデータストリーム５５１を回路５９２に送信される。
【０１５６】
回路５９２は、データストリーム５５１に含まれる情報を可変長符号化して圧縮し、それらを多重化する回路である。ここでいう多重化とは、複数の情報を１つのビット列、又はバイト列として送信できるように並べる処理のことである。ビデオ・マルチプレックス符号化された情報は、データストリーム５５２として、回路５９３に送信される。
【０１５７】
回路５９３は、回路５９２から送られてきたデータストリーム５５２に対して主に誤り訂正符号化、認証付与、暗号化を行う回路である。ＬＤＰＣ符号化回路５９３ａは、誤り訂正符号化を行って、ノイズのある通信チャンネルを通してデータを送信する回路である。認証付与処理回路５９３ｂは、送信するデータに対して、ＩＤコード（ＩＤ；Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）やパスワードなどを付与して、意図しない受信機側でのデータの復元を防ぐための回路である。スクランブラ５９３ｃは、送信するデータに対して、送信データ列を信号データ列と無関係なランダム列に変換する装置である。変換されたデータは、受信機側のデスクランブルによって、元のデータに復元することができる。回路５９３は、データストリーム５５２に対して、誤り訂正符号化、認証付与、暗号化の処理を行い、データストリーム５５３として、回路５９４に送信される。
【０１５８】
回路５９４は、データストリーム５５３を受信装置５１２に送るために、データストリーム５５３をデジタルアナログ変換するための回路である。デジタルアナログ変換されたデータストリーム５５３は符号化データ５４２として、変調器５２３に送信される。
【０１５９】
（実施の形態４）
本実施の形態では、開示する発明の一態様に係るトランジスタについて説明する。
【０１６０】
なお、本発明の一態様に係るトランジスタは、実施の形態５で説明するｎｃ−ＯＳ又はＣＡＡＣ−ＯＳを有することが好ましい。
【０１６１】
＜トランジスタの構成例１＞
図２２（Ａ）乃至図２２（Ｃ）は、トランジスタ１４００ａの上面図及び断面図である。図２２（Ａ）は上面図である。図２２（Ｂ）は、図２２（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図であり、図２２（Ｃ）は、図２２（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図２２（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。なお、一点鎖線Ａ１−Ａ２をトランジスタ１４００ａのチャネル長方向、一点鎖線Ａ３−Ａ４をトランジスタ１４００ａのチャネル幅方向と呼ぶ場合がある。
【０１６２】
トランジスタ１４００ａは、基板１４５０と、基板１４５０上の絶縁膜１４０１と、絶縁膜１４０１上の導電膜１４１４と、導電膜１４１４を覆うように形成された絶縁膜１４０２と、絶縁膜１４０２上の絶縁膜１４０３と、絶縁膜１４０３上の絶縁膜１４０４と、絶縁膜１４０４上に、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２の順で形成された積層と、金属酸化物１４３２の上面及び側面と接する導電膜１４２１と、同じく金属酸化物１４３２の上面及び側面と接する導電膜１４２３と、導電膜１４２１上の導電膜１４２２と、導電膜１４２３上の導電膜１４２４と、導電膜１４２２、導電膜１４２４上の絶縁膜１４０５と、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２、導電膜１４２１乃至導電膜１４２４及び絶縁膜１４０５と接する金属酸化物１４３３と、金属酸化物１４３３上の絶縁膜１４０６と、絶縁膜１４０６上の導電膜１４１１と、導電膜１４１１上の導電膜１４１２と、導電膜１４１２上の導電膜１４１３と、導電膜１４１３を覆うように形成された絶縁膜１４０７と、絶縁膜１４０７上の絶縁膜１４０８を有する。なお、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２及び金属酸化物１４３３をまとめて、金属酸化物１４３０と呼称する。
【０１６３】
金属酸化物１４３２は半導体であり、トランジスタ１４００ａのチャネルとしての機能を有する。
【０１６４】
また、金属酸化物１４３１及び金属酸化物１４３２は、領域１４４１及び領域１４４２を有する。領域１４４１は、導電膜１４２１と、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２が接する領域の近傍に形成され、領域１４４２は、導電膜１４２３と、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２が接する領域の近傍に形成される。
【０１６５】
領域１４４１、領域１４４２は低抵抗領域としての機能を有する。金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２は、領域１４４１を有することで、導電膜１４２１との間のコンタクト抵抗を低減させることが可能になる。同様に、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２は、領域１４４２を有することで、導電膜１４２３との間のコンタクト抵抗を低減させることが可能になる。
【０１６６】
導電膜１４２１、導電膜１４２２は、トランジスタ１４００ａのソース電極又はドレイン電極の一方としての機能を有する。導電膜１４２３、導電膜１４２４は、トランジスタ１４００ａのソース電極又はドレイン電極の他方としての機能を有する。
【０１６７】
導電膜１４２２は導電膜１４２１よりも酸素を透過しにくい機能を有する。これにより、酸化による導電膜１４２１の導電率の低下を防ぐことが可能になる。
【０１６８】
同様に、導電膜１４２４は導電膜１４２３よりも酸素を透過しにくい機能を有する。これにより、酸化による導電膜１４２３の導電率の低下を防ぐことが可能になる。
【０１６９】
導電膜１４１１乃至導電膜１４１３は、トランジスタ１４００ａの第１のゲート電極としての機能を有する。
【０１７０】
導電膜１４１１、導電膜１４１３は、導電膜１４１２よりも酸素を透過しにくい機能を有する。これにより、酸化による導電膜１４１２の導電率の低下を防ぐことが可能になる。
【０１７１】
絶縁膜１４０６は、トランジスタ１４００ａの第１のゲート絶縁膜としての機能を有する。
【０１７２】
導電膜１４１４は、トランジスタ１４００ａの第２のゲート電極としての機能を有する。
【０１７３】
導電膜１４１１乃至導電膜１４１３と導電膜１４１４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１４１４は、場合によっては省略してもよい。
【０１７４】
絶縁膜１４０１乃至絶縁膜１４０４は、トランジスタ１４００ａの下地絶縁膜としての機能を有する。また、絶縁膜１４０２乃至絶縁膜１４０４は、トランジスタ１４００ａの第２のゲート絶縁膜としての機能も有する。
【０１７５】
絶縁膜１４０５乃至１４０８は、トランジスタ１４００ａの保護絶縁膜又は層間絶縁膜としての機能を有する。
【０１７６】
図２２（Ｃ）に示すように、金属酸化物１４３２の側面は、導電膜１４１１に囲まれている。上記構成をとることで、導電膜１４１１の電界によって、金属酸化物１４３２を電気的に取り囲むことができる。ゲート電極の電界によって、半導体を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ  ｃｈａｎｎｅｌ（ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。そのため、金属酸化物１４３２の全体（バルク）にチャネルが形成される。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、トランジスタのオン電流を高くすることができる。
【０１７７】
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。
【０１７８】
トランジスタ１４００ａにおいて、ゲート電極として機能する領域は、絶縁膜１４０５などに形成された開口部１４１５を埋めるように自己整合（ｓｅｌｆ  ａｌｉｇｎ）的に形成される。
【０１７９】
図２２（Ｂ）に示すように、導電膜１４１１と導電膜１４２２は、絶縁膜を間に介して、互いに重なる領域を有する。同様に、導電膜１４１１と導電膜１４２３は、絶縁膜を間に介して、互いに重なる領域を有する。これらの領域は、ゲート電極と、ソース電極又はドレイン電極との間に生じた寄生容量として機能し、トランジスタ１４００ａの動作速度を低下させる原因になり得る。トランジスタ１４００ａは、絶縁膜１４０５を設けることで、上述の寄生容量を低下させることが可能になる。絶縁膜１４０５は、比誘電率の低い材料からなることが好ましい。
【０１８０】
図２３（Ａ）は、トランジスタ１４００ａの中央部を拡大したものである。図２３（Ａ）において、導電膜１４１１の底面が、絶縁膜１４０６及び金属酸化物１４３３を介して、金属酸化物１４３２の上面と平行に面する領域の長さを、幅ＬＧとして示す。幅ＬＧは、ゲート電極の線幅を表す。また、図２３（Ａ）において、導電膜１４２１と導電膜１４２３の間の長さを、幅ＬＳＤとして示す。幅ＬＳＤは、ソース電極とドレイン電極との間の長さを表す。
【０１８１】
幅ＬＳＤは最小加工寸法で決定されることが多い。図２３（Ａ）に示すように、幅ＬＧは、幅ＬＳＤよりも小さい。すなわち、トランジスタ１４００ａは、ゲート電極の線幅を、最小加工寸法より小さくすることが可能になる。具体的には、幅ＬＧは、５ｎｍ以上且つ６０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上且つ３０ｎｍ以下とすることが可能になる。
【０１８２】
図２３（Ａ）において、導電膜１４２１及び導電膜１４２２の厚さの合計、又は、導電膜１４２３及び導電膜１４２４の厚さの合計を高さＨＳＤと表す。
【０１８３】
絶縁膜１４０６の厚さを、高さＨＳＤ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印加することが可能になり好ましい。絶縁膜１４０６の厚さは、３０ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以下とする。
【０１８４】
また、導電膜１４２２と導電膜１４１１の間に形成される寄生容量、及び、導電膜１４２４と導電膜１４１１の間に形成される寄生容量の値は、絶縁膜１４０５の厚さに反比例する。例えば、絶縁膜１４０５の厚さを、絶縁膜１４０６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り、好ましい。その結果、トランジスタ１４００ａを高周波数で動作させることが可能になる。
【０１８５】
以下、トランジスタ１４００ａの各構成要素について説明を行う。
【０１８６】
＜＜金属酸化物層＞＞
まず、金属酸化物１４３１乃至金属酸化物１４３３に適用可能な金属酸化物について説明を行う。
【０１８７】
トランジスタ１４００ａは、非導通状態においてソースとドレインとの間を流れる電流（オフ電流）が低いことが好適である。オフ電流が低いトランジスタとしては、チャネル形成領域に酸化物半導体を有するトランジスタが挙げられる。
【０１８８】
金属酸化物１４３２は、例えば、インジウム（Ｉｎ）を含む酸化物半導体である。金属酸化物１４３２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、金属酸化物１４３２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）又はスズ（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）、マグネシウム（Ｍｇ）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。又は、元素Ｍは、例えば、金属酸化物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、金属酸化物１４３２は、亜鉛（Ｚｎ）を含むと好ましい。金属酸化物は、亜鉛を含むと結晶化しやすくなる場合がある。
【０１８９】
ただし、金属酸化物１４３２は、インジウムを含む酸化物半導体に限定されない。金属酸化物１４３２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。
【０１９０】
金属酸化物１４３２は、例えば、エネルギーギャップが大きい酸化物半導体を用いる。金属酸化物１４３２のエネルギーギャップは、例えば、２．５ｅＶ以上且つ４．２ｅＶ以下、好ましくは２．８ｅＶ以上且つ３．８ｅＶ以下、さらに好ましくは３ｅＶ以上且つ３．５ｅＶ以下とする。
【０１９１】
金属酸化物１４３２は、実施の形態５に後述するＣＡＡＣ−ＯＳ膜であることが好ましい。
【０１９２】
例えば、金属酸化物１４３１及び金属酸化物１４３３は、金属酸化物１４３２を構成する酸素以外の元素一種以上から構成される金属酸化物である。金属酸化物１４３２を構成する酸素以外の元素一種以上から金属酸化物１４３１及び金属酸化物１４３３が構成されるため、金属酸化物１４３１と金属酸化物１４３２との界面、及び金属酸化物１４３２と金属酸化物１４３３との界面において、界面準位が形成されにくい。
【０１９３】
なお、金属酸化物１４３１がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、Ｉｎ及び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。金属酸化物１４３１をスパッタリング法で成膜する場合、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４などの原子数比を満たすスパッタリングターゲットを用いることができる。
【０１９４】
また、金属酸化物１４３２がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、Ｉｎ及び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。金属酸化物１４３２をスパッタリング法で成膜する場合、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などの原子数比を満たすスパッタリングターゲットを用いることができる。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、成膜される金属酸化物１４３２の原子数比は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３近傍となる場合がある。
【０１９５】
また、金属酸化物１４３３がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、Ｉｎ及び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。例えば、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：２またはその近傍値、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４またはその近傍値などが好ましい。また、金属酸化物１４３３は、金属酸化物１４３１と同種の金属酸化物を用いても構わない。
【０１９６】
また、金属酸化物１４３１又は金属酸化物１４３３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、金属酸化物１４３１又は金属酸化物１４３３が酸化ガリウムであっても構わない。
【０１９７】
次に、金属酸化物１４３１乃至金属酸化物１４３３の積層により構成される金属酸化物１４３０の機能及びその効果について、図２３（Ｂ）に示すエネルギーバンド構造図を用いて説明する。図２３（Ｂ）は、図２３（Ａ）にＹ１−Ｙ２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２３（Ｂ）は、トランジスタ１４００ａのチャネル形成領域とその近傍のエネルギーバンド構造を示している。
【０１９８】
図２３（Ｂ）中、Ｅｃ１４０４、Ｅｃ１４３１、Ｅｃ１４３２、Ｅｃ１４３３、Ｅｃ１４０６は、それぞれ、絶縁膜１４０４、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２、金属酸化物１４３３、絶縁膜１４０６の伝導帯下端のエネルギーを示している。
【０１９９】
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。
【０２００】
絶縁膜１４０４と絶縁膜１４０６は絶縁体であるため、Ｅｃ１４０６とＥｃ１４０４は、Ｅｃ１４３１、Ｅｃ１４３２、及びＥｃ１４３３よりも真空準位に近い（電子親和力が小さい）。
【０２０１】
金属酸化物１４３２は、金属酸化物１４３１及び金属酸化物１４３３よりも電子親和力の大きい金属酸化物を用いる。例えば、金属酸化物１４３２として、金属酸化物１４３１及び金属酸化物１４３３よりも電子親和力の０．０７ｅＶ以上且つ１．３ｅＶ以下、好ましくは０．１ｅＶ以上且つ０．７ｅＶ以下、さらに好ましくは０．１５ｅＶ以上且つ０．４ｅＶ以下大きい金属酸化物を用いる。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。
【０２０２】
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、金属酸化物１４３３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。
【０２０３】
このとき、ゲート電圧を印加すると、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２、金属酸化物１４３３のうち、電子親和力の大きい金属酸化物１４３２にチャネルが形成される。
【０２０４】
そのため、電子は、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３３の中ではなく、金属酸化物１４３２の中を主として移動する。そのため、金属酸化物１４３１と絶縁膜１４０４との界面、あるいは、金属酸化物１４３３と絶縁膜１４０６との界面に、電子の流れを阻害する界面準位が多く存在したとしても、トランジスタのオン電流にはほとんど影響を与えない。金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３３は、絶縁膜のように機能する。
【０２０５】
金属酸化物１４３１と金属酸化物１４３２との間には、金属酸化物１４３１と金属酸化物１４３２との混合領域を有する場合がある。また、金属酸化物１４３２と金属酸化物１４３３との間には、金属酸化物１４３２と金属酸化物１４３３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、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２及び金属酸化物１４３３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。
【０２０６】
金属酸化物１４３１と金属酸化物１４３２の界面、あるいは、金属酸化物１４３２と金属酸化物１４３３との界面は、上述したように界面準位密度が小さいため、金属酸化物１４３２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可能になる。
【０２０７】
例えば、トランジスタ中の電子の移動は、チャネル形成領域の物理的な凹凸が大きい場合に阻害される。トランジスタのオン電流を高くするためには、例えば、金属酸化物１４３２の上面又は下面（被形成面、ここでは金属酸化物１４３１の上面）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及び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。
【０２０８】
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。例えば、金属酸化物１４３２が酸素欠損（ＶＯとも表記。）を有する場合、酸素欠損のサイトに水素が入り込むことでドナー準位を形成することがある。以下では酸素欠損のサイトに水素が入り込んだ状態をＶＯＨと表記する場合がある。ＶＯＨは電子を散乱するため、トランジスタのオン電流を低下させる要因となる。なお、酸素欠損のサイトは、水素が入るよりも酸素が入る方が安定する。したがって、金属酸化物１４３２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。
【０２０９】
例えば、金属酸化物１４３２のある深さにおいて、又は、金属酸化物１４３２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。
【０２１０】
金属酸化物１４３２の酸素欠損を低減するために、例えば、絶縁膜１４０４に含まれる過剰酸素を、金属酸化物１４３１を介して金属酸化物１４３２まで移動させる方法などがある。この場合、金属酸化物１４３１は、酸素透過性を有する層（酸素を通過又は透過させる層）であることが好ましい。
【０２１１】
なお、トランジスタがｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有する場合、金属酸化物１４３２の全体にチャネルが形成される。したがって、金属酸化物１４３２が厚いほどチャネル領域は大きくなる。即ち、金属酸化物１４３２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。
【０２１２】
また、トランジスタのオン電流を高くするためには、金属酸化物１４３３は薄いほど好ましい。金属酸化物１４３３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、金属酸化物１４３３は、チャネルの形成される金属酸化物１４３２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、金属酸化物１４３３は、ある程度の厚さを有することが好ましい。金属酸化物１４３３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、金属酸化物１４３３は、絶縁膜１４０４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。
【０２１３】
また、信頼性を高くするためには、金属酸化物１４３１は厚く、金属酸化物１４３３は薄いことが好ましい。金属酸化物１４３１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。金属酸化物１４３１の厚さを、厚くすることで、隣接する絶縁体と金属酸化物１４３１との界面からチャネルの形成される金属酸化物１４３２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、金属酸化物１４３１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。
【０２１４】
例えば、金属酸化物１４３２と金属酸化物１４３１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、金属酸化物１４３２と金属酸化物１４３３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。
【０２１５】
また、金属酸化物１４３２の水素濃度を低減するために、金属酸化物１４３１及び金属酸化物１４３３の水素濃度を低減すると好ましい。金属酸化物１４３１及び金属酸化物１４３３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、金属酸化物１４３２の窒素濃度を低減するために、金属酸化物１４３１及び金属酸化物１４３３の窒素濃度を低減すると好ましい。金属酸化物１４３１及び金属酸化物１４３３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。
【０２１６】
金属酸化物１４３１乃至金属酸化物１４３３の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法又はＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて行えばよい。
【０２１７】
金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２を形成した後に、第１の加熱処理を行うと好ましい。第１の加熱処理は、２５０℃以上且つ６５０℃以下、好ましくは４５０℃以上且つ６００℃以下、さらに好ましくは５２０℃以上且つ５７０℃以下で行えばよい。第１の加熱処理は、不活性ガス雰囲気、又は酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。第１の加熱処理は減圧状態で行ってもよい。又は、第１の加熱処理は、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、１％以上又は１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。第１の加熱処理によって、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２の結晶性を高めることや、水素や水などの不純物を除去することが可能になる。
【０２１８】
上述の３層構造は一例である。例えば、金属酸化物１４３１又は金属酸化物１４３３のない２層構造としても構わない。又は、金属酸化物１４３１の上もしくは下、又は金属酸化物１４３３上もしくは下に、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２及び金属酸化物１４３３として例示した半導体のいずれか一を有する４層構造としても構わない。又は、金属酸化物１４３１の上、金属酸化物１４３１の下、金属酸化物１４３３の上、金属酸化物１４３３の下のいずれか二箇所以上に、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２及び金属酸化物１４３３として例示した半導体のいずれか一を有するｎ層構造（ｎは５以上の整数）としても構わない。
【０２１９】
＜＜基板＞＞
基板１４５０としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板又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、又は炭化シリコン、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。又は、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又は半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体又は絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体又は絶縁体が設けられた基板などがある。又は、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。
【０２２０】
また、基板１４５０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１４５０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１４５０として、繊維を編みこんだシート、フィルム又は箔などを用いてもよい。また、基板１４５０が伸縮性を有してもよい。また、基板１４５０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。又は、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板１４５０の厚さは、例えば、５μｍ以上且つ７００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上且つ５００μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上且つ３００μｍ以下とする。基板１４５０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１４５０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１４５０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。
【０２２１】
可とう性基板である基板１４５０としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、又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１４５０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１４５０としては、例えば、線膨張率が１×１０−３／Ｋ以下、５×１０−５／Ｋ以下、又は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１４５０として好適である。
【０２２２】
＜＜下地絶縁膜＞＞
絶縁膜１４０１は、基板１４５０と導電膜１４１４を電気的に分離させる機能を有する。
【０２２３】
絶縁膜１４０１又は絶縁膜１４０２は、単層構造又は積層構造の絶縁膜で形成される。絶縁膜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。
【０２２４】
また、絶縁膜１４０２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。
【０２２５】
また、絶縁膜１４０２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。
【０２２６】
絶縁膜１４０４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１４０４から脱離した酸素は金属酸化物１４３０に供給され、金属酸化物１４３０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。
【０２２７】
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、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℃以上且つ７００℃以下、又は１００℃以上且つ５００℃以下の範囲が好ましい。
【０２２８】
絶縁膜１４０４は、金属酸化物１４３０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、酸化シリコン又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。
【０２２９】
又は、絶縁膜１４０４として、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等の金属酸化物を用いてもよい。
【０２３０】
絶縁膜１４０４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１４０４の成膜を行えばよい。又は、成膜後の絶縁膜１４０４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。
【０２３１】
例えば、成膜後の絶縁膜１４０４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。
【０２３２】
酸素導入方法には、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。又は、水素等を含ませてもよい。例えば、二酸化炭素、水素及びアルゴンの混合ガスを用いるとよい。
【０２３３】
また、絶縁膜１４０４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。
【０２３４】
絶縁膜１４０３は、絶縁膜１４０４に含まれる酸素が、導電膜１４１４に含まれる金属と結びつき、絶縁膜１４０４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。
【０２３５】
絶縁膜１４０３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１４０３を設けることで、金属酸化物１４３０からの酸素の外部への拡散と、外部から金属酸化物１４３０への水素、水等の入り込みを防ぐことができる。
【０２３６】
絶縁膜１４０３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。
【０２３７】
トランジスタ１４００ａは、電荷捕獲層に電子を注入することで、しきい値電圧を制御することが可能になる。電荷捕獲層は、絶縁膜１４０２又は絶縁膜１４０３に設けることが好ましい。例えば、絶縁膜１４０３を酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタル、アルミニウムシリケート等で形成することで、電荷捕獲層として機能させることができる。
【０２３８】
＜＜ゲート電極＞＞
導電膜１４１１乃至導電膜１４１４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、合金、又はこれらを主成分とする化合物を含む導電膜の単層又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。
【０２３９】
＜＜ソース電極、ドレイン電極＞＞
導電膜１４２１乃至導電膜１４２４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、合金、又はこれらを主成分とする化合物を含む導電膜の単層又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。
【０２４０】
また、導電膜１４２１乃至導電膜１４２４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。
【０２４１】
＜＜低抵抗領域＞＞
領域１４４１、領域１４４２は、例えば、導電膜１４２１、導電膜１４２３が、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２の酸素を引き抜くことで形成される。酸素の引き抜きは、高い温度で加熱するほど起こりやすい。トランジスタの作製工程には、いくつかの加熱工程があることから、領域１４４１、領域１４４２には酸素欠損が形成される。また、加熱により該酸素欠損のサイトに水素が入りこみ、領域１４４１、領域１４４２に含まれるキャリア濃度が増加する。その結果、領域１４４１、領域１４４２が低抵抗化する。
【０２４２】
＜＜ゲート絶縁膜＞＞
絶縁膜１４０６は、比誘電率の高い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁膜１４０６は、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、アルミニウム及びハフニウムを有する酸化物、アルミニウム及びハフニウムを有する酸化窒化物、シリコン及びハフニウムを有する酸化物、又はシリコン及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。
【０２４３】
また、絶縁膜１４０６は、酸化シリコン又は酸化窒化シリコンと、比誘電率の高い絶縁体と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコン及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体と組み合わせることで、熱的に安定且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、酸化ガリウム又は酸化ハフニウムを金属酸化物１４３３側に有することで、酸化シリコン又は酸化窒化シリコンに含まれるシリコンが、金属酸化物１４３２に混入することを抑制することができる。
【０２４４】
また、例えば、酸化シリコン又は酸化窒化シリコンを金属酸化物１４３３側に有することで、酸化アルミニウム、酸化ガリウム又は酸化ハフニウムと、酸化シリコン又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。
【０２４５】
＜＜層間絶縁膜、保護絶縁膜＞＞
絶縁膜１４０５は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁膜１４０５は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン又は樹脂などを有することが好ましい。又は、絶縁膜１４０５は、酸化シリコン又は酸化窒化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコン及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、熱的に安定且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、ポリカーボネート又はアクリルなどがある。
【０２４６】
絶縁膜１４０７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１４０７を設けることで、金属酸化物１４３０からの酸素の外部への拡散と、外部から金属酸化物１４３０への水素、水等の入り込みを防ぐことができる。
【０２４７】
絶縁膜１４０７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。
【０２４８】
酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の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１４０７に適用するのに好ましい。
【０２４９】
絶縁膜１４０７は、スパッタリング法またはＣＶＤ法などにより酸素を含むプラズマを用いて成膜することで、絶縁膜１４０５、絶縁膜１４０６の側面及び表面に、酸素を添加することが可能になる。また、絶縁膜１４０７を成膜した後、何れかのタイミングにおいて、第２の加熱処理を行うことが好ましい。第２の加熱処理によって、絶縁膜１４０５、絶縁膜１４０６に添加された酸素が、絶縁膜中を拡散し、金属酸化物１４３０に到達し、金属酸化物１４３０の酸素欠損を低減することが可能になる。
【０２５０】
図２４（Ａ）、（Ｂ）は、絶縁膜１４０７を成膜する際に絶縁膜１４０５、絶縁膜１４０６に添加された酸素が、第２の加熱処理によって絶縁膜中を拡散し、金属酸化物１４３０に到達する様子を描いた模式図である。図２４（Ａ）は、図２２（Ｂ）の断面図において、酸素が拡散する様子を矢印で示している。同様に、図２４（Ｂ）は、図２２（Ｃ）の断面図において、酸素が拡散する様子を矢印で示している。
【０２５１】
図２４（Ａ）、図２４（Ｂ）に示すように、絶縁膜１４０６の側面に添加された酸素が、絶縁膜１４０６の内部を拡散し、金属酸化物１４３０に到達する。また、絶縁膜１４０７と絶縁膜１４０５の界面近傍に、酸素を過剰に含む領域１４６１、領域１４６２及び領域１４６３が形成される場合がある。領域１４６１乃至１４６３に含まれる酸素は、絶縁膜１４０５、絶縁膜１４０４を経由し、金属酸化物１４３０に到達する。絶縁膜１４０５が酸化シリコンを含み、絶縁膜１４０７が酸化アルミニウムを含む場合、領域１４６１乃至１４６３は、シリコンとアルミニウムと酸素の混合層が形成される場合がある。
【０２５２】
絶縁膜１４０７は、酸素をブロックする機能を有し、酸素が絶縁膜１４０７より上方に拡散することを防ぐ。同様に、絶縁膜１４０３は、酸素をブロックする機能を有し、酸素が絶縁膜１４０３より下方に拡散することを防ぐ。
【０２５３】
なお、第２の加熱処理は、絶縁膜１４０５、絶縁膜１４０６に添加された酸素が金属酸化物１４３０まで拡散する温度で行えばよい。例えば、第１の加熱処理についての記載を参照しても構わない。又は、第２の加熱処理は、第１の加熱処理よりも低い温度が好ましい。第１の加熱処理と第２の加熱処理の温度差は、２０℃以上且つ１５０℃以下、好ましくは４０℃以上且つ１００℃以下とする。これにより、絶縁膜１４０４から余分に酸素が放出することを抑えることができる。なお、第２の加熱処理は、同等の加熱処理を各層の成膜時の加熱によって兼ねることができる場合、行わなくてもよい場合がある。
【０２５４】
このように、金属酸化物１４３０は、絶縁膜１４０７の成膜及び第２の加熱処理によって、上下方向から酸素が供給されることが可能になる。
【０２５５】
また、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物など、酸化インジウムを含む膜を絶縁膜１４０７として成膜することで、絶縁膜１４０５、絶縁膜１４０６に酸素を添加してもよい。
【０２５６】
絶縁膜１４０８には、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上含む絶縁体を用いることができる。また、絶縁膜１４０８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樹脂を用いることもできる。また、絶縁膜１４０８は上記材料の積層であってもよい。
【０２５７】
＜トランジスタの構成例２＞
図２２に示すトランジスタ１４００ａは、導電膜１４１４及び絶縁膜１４０２、絶縁膜１４０３を省略してもよい。その場合の例を図２５に示す。
【０２５８】
図２５（Ａ）乃至図２５（Ｃ）は、トランジスタ１４００ｂの上面図及び断面図である。図２５（Ａ）は上面図である。図２５（Ｂ）は、図２５（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図であり、図２５（Ｃ）は、図２５（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図２５（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。なお、一点鎖線Ａ１−Ａ２をトランジスタ１４００ｂのチャネル長方向、一点鎖線Ａ３−Ａ４をトランジスタ１４００ｂのチャネル幅方向と呼ぶ場合がある。
【０２５９】
図２２に示すトランジスタ１４００ａにおいて、導電膜１４２１、導電膜１４２３は、ゲート電極（導電膜１４１１乃至導電膜１４１３）と重なる部分の膜厚を薄くしてもよい。その場合の例を図２６に示す。
【０２６０】
図２６（Ａ）乃至図２６（Ｃ）は、トランジスタ１４００ｃの上面図及び断面図である。図２６（Ａ）は上面図である。図２６（Ｂ）は、図２６（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図であり、図２６（Ｃ）は、図２６（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図２６（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。なお、一点鎖線Ａ１−Ａ２をトランジスタ１４００ｃのチャネル長方向、一点鎖線Ａ３−Ａ４をトランジスタ１４００ｃのチャネル幅方向と呼ぶ場合がある。
【０２６１】
図２６（Ｂ）のトランジスタ１４００ｃにおいて、ゲート電極と重なる部分の導電膜１４２１が薄膜化され、その上を導電膜１４２２が覆っている。同様に、ゲート電極と重なる部分の導電膜１４２３が薄膜化され、その上を導電膜１４２４が覆っている。
【０２６２】
トランジスタ１４００ｃは、図２６（Ｂ）に示すような構成にすることで、ゲート電極とソース電極との間の距離、又は、ゲート電極とドレイン電極との間の距離を長くすることが可能になり、ゲート電極とソース電極及びドレイン電極との間に形成される寄生容量を低減することが可能になる。その結果、高速動作が可能なトランジスタを得ることが可能になる。
【０２６３】
＜トランジスタの構成例３＞
図２６に示すトランジスタ１４００ｃにおいて、Ａ３−Ａ４方向に、金属酸化物１４３１、１４３２の幅を広げてもよい。その場合の例を図２７に示す。
【０２６４】
図２７（Ａ）乃至図２７（Ｃ）は、トランジスタ１４００ｄの上面図及び断面図である。図２７（Ａ）は上面図である。図２７（Ｂ）は、図２７（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図であり、図２７（Ｃ）は、図２７（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図２７（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。なお、一点鎖線Ａ１−Ａ２をトランジスタ１４００ｄのチャネル長方向、一点鎖線Ａ３−Ａ４をトランジスタ１４００ｄのチャネル幅方向と呼ぶ場合がある。
【０２６５】
トランジスタ１４００ｄは、図２７に示す構成にすることで、オン電流を増大させることが可能になる。
【０２６６】
＜トランジスタの構成例４＞
図２６に示すトランジスタ１４００ｃにおいて、Ａ３−Ａ４方向に、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２から成る領域（以下、フィンと呼ぶ）を複数設けてもよい。その場合の例を図２８に示す。
【０２６７】
図２８（Ａ）乃至図２８（Ｃ）は、トランジスタ１４００ｅの上面図及び断面図である。図２８（Ａ）は上面図である。図２８（Ｂ）は、図２８（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図であり、図２８（Ｃ）は、図２８（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図２８（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。なお、一点鎖線Ａ１−Ａ２をトランジスタ１４００ｅのチャネル長方向、一点鎖線Ａ３−Ａ４をトランジスタ１４００ｅのチャネル幅方向と呼ぶ場合がある。
【０２６８】
トランジスタ１４００ｅは、金属酸化物１４３１ａ、金属酸化物１４３２ａから成る第１のフィンと、金属酸化物１４３１ｂ、金属酸化物１４３２ｂから成る第２のフィンと、金属酸化物１４３１ｃ、金属酸化物１４３２ｃから成る第３のフィンと、を有している。
【０２６９】
トランジスタ１４００ｅは、チャネルが形成される金属酸化物１４３２ａ乃至金属酸化物１４３２ｃを、ゲート電極が取り囲むことで、チャネル全体にゲート電界を印加することが可能になり、オン電流が高いトランジスタを得ることが可能になる。
【０２７０】
＜トランジスタの構成例５＞
図２９（Ａ）乃至図２９（Ｄ）は、トランジスタ１４００ｆの上面図及び断面図である。図２９（Ａ）は、トランジスタ１４００ｆの上面図であり、図２９（Ｂ）は図２９（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図であり、図２９（Ｃ）は一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、一点鎖線Ａ１−Ａ２をチャネル長方向、一点鎖線Ａ３−Ａ４をチャネル幅方向という場合がある。トランジスタ１４００ｆもトランジスタ１４００ａ等と同様に、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造のトランジスタである。トランジスタ１４００ｆでは、ゲート電極を構成する導電膜１４１２の側面に接して、絶縁膜１４０９が設けられている。絶縁膜１４０９及び導電膜１４１２が絶縁膜１４０７、絶縁膜１４０８に覆われている。絶縁膜１４０９はトランジスタ１４００ｆのサイドウォール絶縁膜として機能する。トランジスタ１４００ａと同様に、ゲート電極を導電膜１４１１乃至導電膜１４１３の積層としてもよい。
【０２７１】
絶縁膜１４０６及び導電膜１４１２は、少なくとも一部が導電膜１４１４及び金属酸化物１４３２と重なる。導電膜１４１２のチャネル長方向の側面端部と絶縁膜１４０６のチャネル長方向の側面端部は概略一致していることが好ましい。ここで、絶縁膜１４０６はトランジスタ１４００ｆのゲート絶縁膜として機能し、導電膜１４１２はトランジスタ１４００ｆのゲート電極として機能する。
【０２７２】
金属酸化物１４３２は、金属酸化物１４３３及び絶縁膜１４０６を介して導電膜１４１２と重なる領域を有する。金属酸化物１４３１の外周が金属酸化物１４３２の外周と概略一致し、金属酸化物１４３３の外周が金属酸化物１４３１及び金属酸化物１４３２の外周よりも外側に位置することが好ましい。ここでは、金属酸化物１４３３の外周が金属酸化物１４３１の外周よりも外側に位置する形状となっているが、本実施の形態に示すトランジスタはこれに限られるものではない。例えば、金属酸化物１４３１の外周が金属酸化物１４３３の外周より外側に位置してもよいし、金属酸化物１４３１の側面端部と、金属酸化物１４３３の側面端部とが概略一致する形状としてもよい。
【０２７３】
図２９（Ｄ）に図２９（Ｂ）の部分拡大図を示す。図２９（Ｄ）に示すように、金属酸化物１４３０には、領域１４６１ａ、１４６１ｂ、１４６１ｃ、１４６１ｄ及び１４６１ｅが形成されている。領域１４６１ｂ乃至領域１４６１ｅは、領域１４６１ａと比較してドーパントの濃度が高く、低抵抗化されている。さらに、領域１４６１ｂ及び領域１４６１ｃは、領域１４６１ｄ及び領域１４６１ｅと比較して水素の濃度が高く、より低抵抗化されている。例えば、領域１４６１ａは、領域１４６１ｂ又は領域１４６１ｃのドーパントの最大濃度に対して、５％以下の濃度の領域、２％以下の濃度の領域、又は１％以下の濃度の領域とすればよい。なお、ドーパントを、ドナー、アクセプター、不純物又は元素と言い換えてもよい。
【０２７４】
図２９（Ｄ）に示すように、金属酸化物１４３０において、領域１４６１ａは導電膜１４１２と概ね重なる領域であり、領域１４６１ｂ、領域１４６１ｃ、領域１４６１ｄ及び領域１４６１ｅは、領域１４６１ａを除いた領域である。領域１４６１ｂ及び領域１４６１ｃにおいては、金属酸化物１４３３の上面が絶縁膜１４０７と接する。領域１４６１ｄ及び領域１４６１ｅにおいては、金属酸化物１４３３の上面が絶縁膜１４０９又は絶縁膜１４０６と接する。つまり、図２９（Ｄ）に示すように、領域１４６１ｂと領域１４６１ｄの境界は、絶縁膜１４０７と絶縁膜１４０９の側面端部の境界と重なる部分である。領域１４６１ｃと領域１４６１ｅの境界についても同様である。ここで、領域１４６１ｄ及び領域１４６１ｅの一部が、金属酸化物１４３２の導電膜１４１２と重なる領域（チャネル形成領域）の一部と重なることが好ましい。例えば、領域１４６１ｄ及び領域１４６１ｅのチャネル長方向の側面端部は、導電膜１４１２の側面端部より距離ｄだけ導電膜１４１２の内側に位置することが好ましい。このとき、絶縁膜１４０６の膜厚ｔ４０６及び距離ｄは、０．２５ｔ４０６＜ｄ＜ｔ４０６を満たすことが好ましい。
【０２７５】
このように、金属酸化物１４３０の導電膜１４１２と重なる領域の一部に領域１４６１ｄ及び領域１４６１ｅが形成される。これにより、トランジスタ１４００ｆのチャネル形成領域と低抵抗化された領域１４６１ｄ及び領域１４６１ｅが接し、領域１４６１ｄ及び領域１４６１ｅと、領域１４６１ａとの間に、高抵抗のオフセット領域が形成されないため、トランジスタ１４００ｆのオン電流を増大させることができる。さらに、領域１４６１ｄ及び領域１４６１ｅのチャネル長方向の側面端部が上記の範囲を満たして形成されることで、領域１４６１ｄ及び領域１４６１ｅがチャネル形成領域に対して深く形成されすぎて常に導通状態になってしまうことも防ぐことができる。
【０２７６】
領域１４６１ｂ、領域１４６１ｃ、領域１４６１ｄ及び領域１４６１ｅは、イオン注入法などのイオンドーピング処理により形成される。このため、図２９（Ｄ）に示すように、領域１４６１ｄ及び領域１４６１ｅのチャネル長方向の側面端部の位置が、金属酸化物１４３３上面から深くなるにしたがって、金属酸化物１４３０のチャネル長方向の側面端部側にシフトする場合がある。このとき、距離ｄは、最も導電膜１４１２の内側の近くに位置する、領域１４６１ｄ及び領域１４６１ｅのチャネル長方向の側面端部と導電膜１４１２のチャネル長方向の側面端部との距離とする。
【０２７７】
この場合、例えば、金属酸化物１４３１中に形成される領域１４６１ｄ及び領域１４６１ｅが導電膜１４１２と重なる領域に形成されない場合がある。この場合、金属酸化物１４３１又は金属酸化物１４３２に形成される領域１４６１ｄ及び領域１４６１ｅの少なくとも一部が導電膜１４１２と重なる領域に形成されることが好ましい。
【０２７８】
また、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２及び金属酸化物１４３３の絶縁膜１４０７との界面近傍に低抵抗領域１４５１及び低抵抗領域１４５２が形成されることが好ましい。低抵抗領域１４５１及び低抵抗領域１４５２は、絶縁膜１４０７に含まれる元素の少なくとも一が含まれる。低抵抗領域１４５１及び低抵抗領域１４５２の一部が、金属酸化物１４３２の導電膜１４１２と重なる領域（チャネル形成領域）と概略接するか、当該領域の一部と重なることが好ましい。
【０２７９】
また、金属酸化物１４３３は絶縁膜１４０７と接する領域が大きいため、低抵抗領域１４５１及び低抵抗領域１４５２は金属酸化物１４３３に形成されやすい。金属酸化物１４３３における低抵抗領域１４５１と低抵抗領域１４５２は、金属酸化物１４３３の低抵抗領域１４５１及び低抵抗領域１４５２ではない領域（例えば、金属酸化物１４３３の導電膜１４１２と重なる領域）より、絶縁膜１４０７に含まれる元素の濃度が高い。
【０２８０】
領域１４６１ｂ中に低抵抗領域１４５１が形成され、領域１４６１ｃ中に低抵抗領域１４５２が形成される。金属酸化物１４３０の理想的な構造は、例えば、添加元素の濃度が最も高い領域が低抵抗領域１４５１、１４５２であり、次に濃度が高い領域が、領域１４６１ｂ、領域１４６１ｃ―１４６１ｅの低抵抗領域１４５１、１４５２を含まない領域であり、濃度が最も低い領域が領域１４６１ａであることである。添加元素とは、領域１４６１ｂ、１４６１ｃを形成するためのドーパント、及び低抵抗領域１４５１、１４５２に絶縁膜１４０７から添加される元素が該当する。
【０２８１】
なおトランジスタ１４００ｆでは低抵抗領域１４５１、１４５２が形成される構成としているが、本実施の形態に示す半導体装置は、必ずしもこれに限られるものではない。例えば、領域１４６１ｂ及び領域１４６１ｃの抵抗が十分低い場合、低抵抗領域１４５１及び低抵抗領域１４５２を形成する必要はない。
【０２８２】
＜トランジスタの構成例６＞
図３０（Ａ）及び図３０（Ｂ）は、トランジスタ１６８０の上面図及び断面図である。図３０（Ａ）は上面図であり、図３０（Ａ）に示す一点鎖線Ａ−Ｂ方向の断面が図３０（Ｂ）に相当する。なお、図３０（Ａ）及び図３０（Ｂ）では、図の明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、又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。
【０２８３】
図３０（Ｂ）に示すトランジスタ１６８０は、第１のゲートとして機能する導電膜１６８９と、第２のゲートとして機能する導電膜１６８８と、半導体１６８２と、ソース及びドレインとして機能する導電膜１６８３及び導電膜１６８４と、絶縁膜１６８１と、絶縁膜１６８５と、絶縁膜１６８６と、絶縁膜１６８７と、を有する。
【０２８４】
導電膜１６８９は、絶縁表面上に設けられる。導電膜１６８９と、半導体１６８２とは、絶縁膜１６８１を間に挟んで、互いに重なる。また、導電膜１６８８と、半導体１６８２とは、絶縁膜１６８５、絶縁膜１６８６及び絶縁膜１６８７を間に挟んで、互いに重なる。また、導電膜１６８３及び導電膜１６８４は、半導体１６８２に、接続されている。
【０２８５】
導電膜１６８９及び導電膜１６８８の詳細は、図２２に示す導電膜１４１１乃至導電膜１４１４の記載を参照すればよい。
【０２８６】
導電膜１６８９と導電膜１６８８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１６８０は、第２のゲート電極として機能する導電膜１６８８を設けることで、しきい値電圧を安定化させることが可能になる。なお、導電膜１６８８は、場合によっては省略してもよい。
【０２８７】
半導体１６８２の詳細は、図２２に示す金属酸化物１４３２の記載を参照すればよい。また、半導体１６８２は、一層でも良いし、複数の半導体層の積層でも良い。
【０２８８】
導電膜１６８３及び導電膜１６８４の詳細は、図２２に示す導電膜１４２１乃至１４２４の記載を参照すればよい。
【０２８９】
絶縁膜１６８１の詳細は、図２２に示す絶縁膜１４０６の記載を参照すればよい。
【０２９０】
なお、図３０（Ｂ）では、半導体１６８２、導電膜１６８３及び導電膜１６８４上に、順に積層された絶縁膜１６８５乃至絶縁膜１６８７が設けられている場合を例示しているが、半導体１６８２、導電膜１６８３及び導電膜１６８４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。
【０２９１】
半導体１６８２に酸化物半導体を用いた場合、絶縁膜１６８６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１６８２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１６８６を半導体１６８２上に直接設けると、絶縁膜１６８６の形成時に半導体１６８２にダメージが与えられる場合、図３０（Ｂ）に示すように、絶縁膜１６８５を半導体１６８２と絶縁膜１６８６の間に設けると良い。絶縁膜１６８５は、その形成時に半導体１６８２に与えるダメージが絶縁膜１６８６の場合よりも小さく、なお且つ、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１６８２に与えられるダメージを小さく抑えつつ、半導体１６８２上に絶縁膜１６８６を直接形成することができるのであれば、絶縁膜１６８５は必ずしも設けなくとも良い。
【０２９２】
例えば、絶縁膜１６８５及び絶縁膜１６８６として、酸化シリコン又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。又は、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。
【０２９３】
絶縁膜１６８７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１６８７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。
【０２９４】
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程、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。
【０２９５】
絶縁膜１６８７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１６８２に侵入するのを防ぐことができる。半導体１６８２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又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１６８７を用いることで、トランジスタ１６８０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。
【０２９６】
また、半導体１６８２に酸化物半導体を用いる場合、絶縁膜１６８７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１６８０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。
【０２９７】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０２９８】
（実施の形態５）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明したＯＳトランジスタに適用可能な酸化物半導体膜の構造について説明する。
【０２９９】
＜酸化物半導体の構造＞
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  ａｎｄ  ａ−ｂ−ｐｌａｎｅ  ａｎｃｈｏｒｅｄ  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）及び非晶質酸化物半導体などがある。
【０３００】
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及びｎｃ−ＯＳなどがある。
【０３０１】
非晶質構造は、一般に、等方的であって不均質構造を持たない、準安定状態で原子の配置が固定化していない、結合角度が柔軟である、短距離秩序は有するが長距離秩序を有さない、などといわれている。
【０３０２】
即ち、安定な酸化物半導体を完全な非晶質（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）酸化物半導体とは呼べない。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は呼べない。一方、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、等方的でないが、鬆（ボイドともいう。）を有する不安定な構造である。不安定であるという点では、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、物性的に非晶質酸化物半導体に近い。
【０３０３】
＜ＣＡＡＣ−ＯＳ＞
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。
【０３０４】
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種である。
【０３０５】
ＣＡＡＣ−ＯＳをＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって解析した場合について説明する。例えば、空間群Ｒ−３ｍに分類される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３１（Ａ）に示すように回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる。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では、結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳの膜を形成する面（被形成面ともいう。）、又は上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。なお、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、空間群Ｆｄ−３ｍに分類される結晶構造に起因する。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、該ピークを示さないことが好ましい。
【０３０６】
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳに対し、被形成面に平行な方向から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。そして、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３１（Ｂ）に示すように明瞭なピークは現れない。一方、単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４に対し、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合、図３１（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軸及びｂ軸の配向が不規則であることが確認できる。
【０３０７】
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、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面に平行にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させると、図３１（Ｄ）に示すような回折パターン（制限視野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軸が被形成面又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３１（Ｅ）に示す。図３１（Ｅ）より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、プローブ径が３００ｎｍの電子線を用いた電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットのａ軸及びｂ軸は配向性を有さないことがわかる。なお、図３１（Ｅ）における第１リングは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（０１０）面及び（１００）面などに起因すると考えられる。また、図３１（Ｅ）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。
【０３０８】
また、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像であっても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場合がある。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。
【０３０９】
図３２（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などによって観察することができる。
【０３１０】
図３２（Ａ）より、金属原子が層状に配列している領域であるペレットを確認することができる。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。ペレットは、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面又は上面の凹凸を反映しており、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面又は上面と平行となる。
【０３１１】
また、図３２（Ｂ）及び図３２（Ｃ）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３２（Ｄ）及び図３２（Ｅ）は、それぞれ図３２（Ｂ）及び図３２（Ｃ）を画像処理した像である。以下では、画像処理の方法について説明する。まず、図３２（Ｂ）を高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理することでＦＦＴ像を取得する。次に、取得したＦＦＴ像において原点を基準に、２．８ｎｍ−１から５．０ｎｍ−１の間の範囲を残すマスク処理する。次に、マスク処理したＦＦＴ像を、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ：Ｉｎｖｅｒｓｅ  Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理することで画像処理した像を取得する。こうして取得した像をＦＦＴフィルタリング像と呼ぶ。ＦＦＴフィルタリング像は、Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像から周期成分を抜き出した像であり、格子配列を示している。
【０３１２】
図３２（Ｄ）では、格子配列の乱れた箇所を破線で示している。破線で囲まれた領域が、一つのペレットである。そして、破線で示した箇所がペレットとペレットとの連結部である。破線は、六角形状であるため、ペレットが六角形状であることがわかる。なお、ペレットの形状は、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合が多い。
【０３１３】
図３２（Ｅ）では、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間を点線で示し、格子配列の向きを破線で示している。点線近傍においても、明確な結晶粒界を確認することはできない。点線近傍の格子点を中心に周囲の格子点を繋ぐと、歪んだ六角形や、五角形、七角形などが形成できる。即ち、格子配列を歪ませることによって結晶粒界の形成を抑制していることがわかる。これは、ＣＡＡＣ−ＯＳが、ａ−ｂ面方向において原子配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。
【０３１４】
以上に示すように、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向性を有し、且つａ−ｂ面方向において複数のペレット（ナノ結晶）が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。よって、ＣＡＡＣ−ＯＳを、ＣＡＡ  ｃｒｙｓｔａｌ（ｃ−ａｘｉｓ−ａｌｉｇｎｅｄ  ａ−ｂ−ｐｌａｎｅ−ａｎｃｈｏｒｅｄ  ｃｒｙｓｔａｌ）を有する酸化物半導体と称することもできる。
【０３１５】
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、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。
【０３１６】
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（又は分子半径）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。
【０３１７】
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。例えば、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。
【０３１８】
不純物及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。具体的には、８×１０１１／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０−９／ｃｍ３以上のキャリア密度の酸化物半導体とすることができる。そのような酸化物半導体を、高純度真性又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。
【０３１９】
＜ｎｃ−ＯＳ＞
次に、ｎｃ−ＯＳについて説明する。
【０３２０】
ｎｃ−ＯＳをＸＲＤによって解析した場合について説明する。例えば、ｎｃ−ＯＳに対し、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、配向性を示すピークが現れない。即ち、ｎｃ−ＯＳの結晶は配向性を有さない。
【０３２１】
また、例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するｎｃ−ＯＳを薄片化し、厚さが３４ｎｍの領域に対し、被形成面に平行にプローブ径が５０ｎｍの電子線を入射させると、図３３（Ａ）に示すようなリング状の回折パターン（ナノビーム電子回折パターン）が観測される。また、同じ試料にプローブ径が１ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターン（ナノビーム電子回折パターン）を図３３（Ｂ）に示す。図３３（Ｂ）より、リング状の領域内に複数のスポットが観測される。したがって、ｎｃ−ＯＳは、プローブ径が５０ｎｍの電子線を入射させることでは秩序性が確認されないが、プローブ径が１ｎｍの電子線を入射させることでは秩序性が確認される。
【０３２２】
また、厚さが１０ｎｍ未満の領域に対し、プローブ径が１ｎｍの電子線を入射させると、図３３（Ｃ）に示すように、スポットが略正六角状に配置された電子回折パターンを観測される場合がある。したがって、厚さが１０ｎｍ未満の範囲において、ｎｃ−ＯＳが秩序性の高い領域、即ち結晶を有することがわかる。なお、結晶が様々な方向を向いているため、規則的な電子回折パターンが観測されない領域もある。
【０３２３】
図３３（Ｄ）に、被形成面と略平行な方向から観察したｎｃ−ＯＳの断面のＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を示す。ｎｃ−ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において、補助線で示す箇所などのように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以下の大きさであり、特に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（ｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）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。
【０３２４】
このように、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。
【０３２５】
なお、ペレット（ナノ結晶）間で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、又はＮＡＮＣ（Ｎｏｎ−Ａｌｉｇｎｅｄ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
【０３２６】
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。
【０３２７】
＜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。
【０３２８】
図３４に、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像を示す。ここで、図３４（Ａ）は電子照射開始時におけるａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像である。図３４（Ｂ）は４．３×１０８ｅ−／ｎｍ２の電子（ｅ−）照射後におけるａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像である。図３４（Ａ）及び図３４（Ｂ）より、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは電子照射開始時から、縦方向に延伸する縞状の明領域が観察されることがわかる。また、明領域は、電子照射後に形状が変化することがわかる。なお、明領域は、鬆又は低密度領域と推測される。
【０３２９】
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及び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。
【０３３０】
試料として、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ、ｎｃ−ＯＳ及びＣＡＡＣ−ＯＳを準備する。いずれの試料もＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である。
【０３３１】
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。
【０３３２】
なお、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、以下では、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所を、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶部と見なした。なお、格子縞は、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａ−ｂ面に対応する。
【０３３３】
図３５は、各試料の結晶部（２２箇所から３０箇所）の平均の大きさを調査した例である。なお、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図３５より、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ＴＥＭ像の取得などに係る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。図３５より、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、電子（ｅ−）の累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２においては１．９ｎｍ程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、ｎｃ−ＯＳ及び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。図３５より、電子の累積照射量によらず、ｎｃ−ＯＳ及びＣＡＡＣ−ＯＳの結晶部の大きさは、それぞれ１．３ｎｍ程度及び１．８ｎｍ程度であることがわかる。なお、電子線照射及びＴＥＭの観察は、日立透過電子顕微鏡Ｈ−９０００ＮＡＲを用いた。電子線照射条件は、加速電圧を３００ｋＶ、電流密度を６．７×１０５ｅ−／（ｎｍ２・ｓ）、照射領域の直径を２３０ｎｍとした。
【０３３４】
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及び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。即ち、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳ及びＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、不安定な構造であることがわかる。
【０３３５】
また、鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳ及び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％未満である。また、ｎｃ−ＯＳの密度及びＣＡＡＣ−ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の９２．３％以上１００％未満である。単結晶の密度の７８％未満である酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。
【０３３６】
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である。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未満である。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の密度及びＣＡＡＣ−ＯＳの密度は５．９ｇ／ｃｍ３以上６．３ｇ／ｃｍ３未満である。
【０３３７】
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合、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。
【０３３８】
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。
【０３３９】
（本明細書等の記載に関する付記）
以上の実施の形態における各構成の説明について、以下に付記する。
【０３４０】
＜実施の形態で述べた本発明の一態様に関する付記＞
各実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて、本発明の一態様とすることができる。また、１つの実施の形態の中に、複数の構成例が示される場合は、互いに構成例を適宜組み合わせることが可能である。
【０３４１】
なお、ある一つの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出来る。
【０３４２】
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。
【０３４３】
なお、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出来る。
【０３４４】
＜図面を説明する記載に関する付記＞
本明細書等において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化する。そのため、配置を示す語句は、明細書で説明した記載に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
【０３４５】
また、「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が直上または直下で、かつ、直接接していることを限定するものではない。例えば、「絶縁層Ａ上の電極Ｂ」の表現であれば、絶縁層Ａの上に電極Ｂが直接接して形成されている必要はなく、絶縁層Ａと電極Ｂとの間に他の構成要素を含むものを除外しない。
【０３４６】
また本明細書等において、ブロック図では、構成要素を機能毎に分類し、互いに独立したブロックとして示している。しかしながら実際の回路等においては、構成要素を機能毎に切り分けることが難しく、一つの回路に複数の機能が係わる場合や、複数の回路にわたって一つの機能が関わる場合があり得る。そのため、ブロック図のブロックは、明細書で説明した構成要素に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
【０３４７】
また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、説明の便宜上任意の大きさに示したものである。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は明確性を期すために模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。例えば、ノイズによる信号、電圧、若しくは電流のばらつき、又は、タイミングのずれによる信号、電圧、若しくは電流のばらつきなどを含むことが可能である。
【０３４８】
＜言い換え可能な記載に関する付記＞
本明細書等において、トランジスタの接続関係を説明する際、ソースとドレインとの一方を、「ソース又はドレインの一方」（又は第１電極、又は第１端子）と表記し、ソースとドレインとの他方を「ソース又はドレインの他方」（又は第２電極、又は第２端子）と表記している。これは、トランジスタのソースとドレインは、トランジスタの構造又は動作条件等によって変わるためである。なおトランジスタのソースとドレインの呼称については、ソース（ドレイン）端子や、ソース（ドレイン）電極等、状況に応じて適切に言い換えることができる。
【０３４９】
また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。
【０３５０】
また、本明細書等において、電圧と電位は、適宜言い換えることができる。電圧は、基準となる電位からの電位差のことであり、例えば基準となる電位をグラウンド電位（接地電位）とすると、電圧を電位に言い換えることができる。グラウンド電位は必ずしも０Ｖを意味するとは限らない。なお電位は相対的なものであり、基準となる電位によっては、配線等に与える電位を変化させる場合がある。
【０３５１】
なお本明細書等において、「膜」、「層」などの語句は、場合によっては、または、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。
【０３５２】
＜語句の定義に関する付記＞
以下では、上記実施の形態中で言及しなかった語句の定義について説明する。
【０３５３】
＜＜スイッチについて＞＞
本明細書等において、スイッチとは、導通状態（オン状態）、または、非導通状態（オフ状態）になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有するものをいう。または、スイッチとは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有するものをいう。
【０３５４】
一例としては、電気的スイッチ又は機械的なスイッチなどを用いることができる。つまり、スイッチは、電流を制御できるものであればよく、特定のものに限定されない。
【０３５５】
電気的なスイッチの一例としては、トランジスタ（例えば、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳトランジスタなど）、ダイオード（例えば、ＰＮダイオード、ＰＩＮダイオード、ショットキーダイオード、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｍｅｔａｌ）ダイオード、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）ダイオード、ダイオード接続のトランジスタなど）、又はこれらを組み合わせた論理回路などがある。
【０３５６】
なお、スイッチとしてトランジスタを用いる場合、トランジスタの「導通状態」とは、トランジスタのソース電極とドレイン電極が電気的に短絡されているとみなせる状態をいう。また、トランジスタの「非導通状態」とは、トランジスタのソース電極とドレイン電極が電気的に遮断されているとみなせる状態をいう。なおトランジスタを単なるスイッチとして動作させる場合には、トランジスタの極性（導電型）は特に限定されない。
【０３５７】
機械的なスイッチの一例としては、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）のように、ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）技術を用いたスイッチがある。そのスイッチは、機械的に動かすことが可能な電極を有し、その電極が動くことによって、導通と非導通とを制御して動作する。
【０３５８】
＜＜チャネル長について＞＞
本明細書等において、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の間の距離をいう。
【０３５９】
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。
【０３６０】
＜＜チャネル幅について＞＞
本明細書等において、チャネル幅とは、例えば、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、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。
【０３６１】
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。
【０３６２】
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。
【０３６３】
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。
【０３６４】
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。
【０３６５】
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。
【０３６６】
＜＜接続について＞＞
本明細書等において、ＡとＢとが接続されている、とは、ＡとＢとが直接接続されているものの他、電気的に接続されているものを含むものとする。ここで、ＡとＢとが電気的に接続されているとは、ＡとＢとの間で、何らかの電気的作用を有する対象物が存在するとき、ＡとＢとの電気信号の授受を可能とするものをいう。
【符号の説明】
【０３６７】
Ａ１−Ａ２    一点鎖線
Ａ３−Ａ４    一点鎖線
ＡＭ１    アナログメモリ
ＡＭ２    アナログメモリ
ＤＶ１    微分回路
ＤＶ２    微分回路
ＭＵＬ１    乗算回路
ＭＵＬ２    乗算回路
ＭＵＬ３    乗算回路
ＭＵＬ４    乗算回路
ＭＵＬ５    乗算回路
ＭＵＬ６    乗算回路
ＭＵＬ７    乗算回路
Ｔｒ０１−Ｔｒ１５    トランジスタ
１０    画像データ
１１    三角形
１２    円
２０    画像データ
３０    画像データ
３１    領域
４０    画像データ
４１    領域
１０１    アンプ
１０２    ユニティゲインバッファ
１０３    増幅回路
１０４    バッファ
１２１    抵抗
１２２    アンプ
１２３    ユニティゲインバッファ
１２５    バッファ
１２６    オペアンプ
１４１    抵抗
１４２    アンプ
１４３    アンプ
１４４    ユニティゲインバッファ
１４５    増幅回路
１４６    バッファ
１４７    オペアンプ
１５１    抵抗
１５２    アンプ
１５５    ユニティゲインバッファ
１５６    増幅回路
１６１    抵抗
１６２    アンプ
１６３    抵抗
１６４    アンプ
１６５    ユニティゲインバッファ
１６６    ユニティゲインバッファ
１６７    増幅回路
１６８    増幅回路
１６９    バッファ
１７０    バッファ
１７１    オペアンプ
１７２    オペアンプ
１７３    乗算回路
５００    放送システム
５１０    カメラ
５１１    送信装置
５１２    受信装置
５１３    表示装置
５２０    イメージセンサ
５２１    画像処理装置
５２２    エンコーダ
５２３    変調器
５２５    復調器
５２６    デコーダ
５２７    画像処理装置
５２８    表示部
５４０    Ｒａｗデータ
５４１    画像データ
５４２    符号化データ
５４３    放送信号
５４４    画像データ
５４５    データ信号
５５１    データストリーム
５５２    データストリーム
５５３    データストリーム
５６０    ＴＶ
５６１    放送局
５６２    人工衛星
５６３    電波塔
５６４    アンテナ
５６５    アンテナ
５６６Ａ    電波
５６６Ｂ    電波
５６７Ａ    電波
５６７Ｂ    電波
５７１    受信装置
５７２    無線機
５７３    無線機
５７４    受信装置
５７５    コネクタ部
５９１    回路
５９１ａ    フレーム間予測回路
５９１ｂ    補償予測回路
５９１ｃ    ＤＣＴ回路
５９２    回路
５９３    回路
５９３ａ    ＬＤＰＣ符号化回路
５９３ｂ    認証付与処理回路
５９３ｃ    スクランブラ
５９４    回路
６００    救急車
６０１    医療機関
６０２    医療機関
６０５    高速ネットワーク
６１０    カメラ
６１１    エンコーダ
６１２    通信装置
６１５    画像データ
６１６    画像データ
６２０    通信装置
６２１    デコーダ
６２３    表示装置
１４００ａ    トランジスタ
１４００ｂ    トランジスタ
１４００ｃ    トランジスタ
１４００ｄ    トランジスタ
１４００ｅ    トランジスタ
１４００ｆ    トランジスタ
１４０１    絶縁膜
１４０２    絶縁膜
１４０３    絶縁膜
１４０４    絶縁膜
１４０５    絶縁膜
１４０６    絶縁膜
１４０７    絶縁膜
１４０８    絶縁膜
１４０９    絶縁膜
１４１１    導電膜
１４１２    導電膜
１４１３    導電膜
１４１４    導電膜
１４１５    開口部
１４２１    導電膜
１４２２    導電膜
１４２３    導電膜
１４２４    導電膜
１４３０    金属酸化物
１４３１    金属酸化物
１４３１ａ    金属酸化物
１４３１ｂ    金属酸化物
１４３１ｃ    金属酸化物
１４３２    金属酸化物
１４３２ａ    金属酸化物
１４３２ｂ    金属酸化物
１４３２ｃ    金属酸化物
１４３３    金属酸化物
１４４１    領域
１４４２    領域
１４５０    基板
１４５１    低抵抗領域
１４５２    低抵抗領域
１４６１    領域
１４６１ａ    領域
１４６１ｂ    領域
１４６１ｃ    領域
１４６１ｄ    領域
１４６１ｅ    領域
１４６２    領域
１４６３    領域
１６８０    トランジスタ
１６８１    絶縁膜
１６８２    半導体
１６８３    導電膜
１６８４    導電膜
１６８５    絶縁膜
１６８６    絶縁膜
１６８７    絶縁膜
１６８８    導電膜
１６８９    導電膜
【図１】
2017102904.tif 000013
【図２】
2017102904.tif 000014
【図３】
2017102904.tif 000015
【図４】
2017102904.tif 000016
【図５】
2017102904.tif 000017
【図６】
2017102904.tif 000018
【図７】
2017102904.tif 000019
【図８】
2017102904.tif 000020
【図９】
2017102904.tif 000021
【図１０】
2017102904.tif 000022
【図１１】
2017102904.tif 000023
【図１２】
2017102904.tif 000024
【図１３】
2017102904.tif 000025
【図１４】
2017102904.tif 000026
【図１５】
2017102904.tif 000027
【図１６】
2017102904.tif 000028
【図１７】
2017102904.tif 000029
【図１８】
2017102904.tif 000030
【図１９】
2017102904.tif 000031
【図２０】
2017102904.tif 000032
【図２１】
2017102904.tif 000033
【図２２】
2017102904.tif 000034
【図２３】
2017102904.tif 000035
【図２４】
2017102904.tif 000036
【図２５】
2017102904.tif 000037
【図２６】
2017102904.tif 000038
【図２７】
2017102904.tif 000039
【図２８】
2017102904.tif 000040
【図２９】
2017102904.tif 000041
【図３０】
2017102904.tif 000042
【図３１】
2017102904.tif 000043
【図３２】
2017102904.tif 000044
【図３３】
2017102904.tif 000045
【図３４】
2017102904.tif 000046
【図３５】
2017102904.tif 000047