CN112840208A - 测定装置 - Google Patents

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Abstract

减少测定装置的成本。使测定装置的结构简化。提供一种能够以更高的精度进行测定的测定装置。测定装置(10)包括发送部(13)、接收部(14)、控制部(11)及显示部(15)。控制部包括存储部(21)及运算部(22)。发送部具有输出用来在探针(40)中产生超声波(51)的脉冲信号的功能。接收部具有根据从探针输入的输入信号生成具有第一模拟数据(D1)的第一信号并将其输出到控制部的功能。存储部具有容纳第一模拟数据的功能。运算部具有根据存储部所保持的第一模拟数据生成向显示部输出的图像信号(S0)的功能。显示部具有根据图像信号显示图像的功能。

Description

测定装置
技术领域
本发明的一个方式涉及一种测定装置。本发明的一个方式涉及一种检查装置。本发明的一个方式涉及一种使用超声波的检查装置。
注意，本发明的一个方式不局限于上述技术领域。作为本说明书等所公开的本发明的一个方式的技术领域的一个例子，可以举出半导体装置、显示装置、发光装置、蓄电装置、存储装置、电子设备、照明装置、输入装置、输入/输出装置、其驱动方法或者其制造方法。半导体装置是指能够通过利用半导体特性而工作的所有装置。
背景技术
作为检查汽车、电车、飞机等交通工具或大楼、铁桥、隧道等建筑物体的内部是否受伤的手段，有使用超声波的非破坏检查的超声波探伤检查。超声波探伤检查是一种检查方法，其中在将超声波从被称为探针的测定端子传输到测定对象物时，根据有伤的部分与没有伤的部分的反射波的到达时间不同的关系来检查伤的有无、伤的位置。
例如，专利文献1公开了通过改变脉冲重复频率能够进行更正确的检查的超声波检查方法。
[先行技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本PCT国际申请翻译第2011-523070号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
本发明的一个方式的目的之一是减少测定装置的成本。另外，本发明的一个方式的目的之一是使测定装置的结构简化。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种能够以更高的精度进行测定的测定装置。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种具有新颖结构的测定装置。
注意，这些目的的记载不妨碍其他目的的存在。注意，本发明的一个方式并不需要实现所有上述目的。另外，可以从说明书、附图、权利要求书等的记载抽出上述以外的目的。
解决技术问题的手段
本发明的一个方式是一种包括发送部、接收部、控制部及显示部的测定装置。控制部包括存储部及运算部。发送部具有输出用来在探针中产生超声波的脉冲信号的功能。接收部具有根据从探针输入的输入信号生成具有第一模拟数据的第一信号并将其输出到控制部的功能。存储部具有容纳第一模拟数据的功能。运算部具有根据存储部所保持的第一模拟数据生成向显示部输出的图像信号的功能。显示部具有根据图像信号显示图像的功能。
另外，在上述测定装置中，接收部优选包括放大部。此时，放大部优选具有放大输入信号的电位来生成第一模拟数据的电位的功能。
另外，上述测定装置优选还包括时序电路。此时，时序电路优选具有根据来自控制部的指令生成第一时序信号及第二时序信号的功能。另外，优选的是，发送部具有根据第一时序信号输出脉冲信号的功能，接收部根据第二时序信号对从探针输入的信号进行采样来生成具有第一模拟数据的第一信号。
另外，上述测定装置优选还包括第一信号选择部及多个发送部。此时，第一信号选择部优选具有选择从多个发送部输入的多个脉冲信号中的输出到探针的脉冲信号的功能。
另外，上述测定装置优选还包括第二信号选择部。此时，第二信号选择部优选具有选择从探针输入的多个输入信号中的输入到接收部的输入信号的功能。
另外，在上述测定装置中，显示部优选包括多个像素。此时，控制部所输出的图像信号优选具有与像素的坐标相关联的第二模拟数据。并且，该第二模拟数据的电位优选与第一模拟数据的电位相等。
另外，在上述测定装置中，显示部优选包括电平移位电路。此时，电平移位电路优选具有对第二模拟数据的电位进行电平移位来生成向像素输入的电位的功能。
另外，在上述测定装置中，显示部优选具有根据第二模拟数据显示二维面分析(mapping)图像的功能。
另外，在上述测定装置中，存储部可以包括存储单元。此时，该存储单元优选包括包含氧化物半导体的第一晶体管。
另外，在上述测定装置中，运算部优选包括能够执行模拟运算的运算电路。此时，运算电路优选包括包含氧化物半导体的第二晶体管。
发明效果
根据本发明的一个方式，可以减少测定装置的成本。另外，可以使测定装置的结构简化。另外，可以提供一种能够以更高的精度进行测定的测定装置。另外，可以提供一种具有新颖结构的测定装置。
注意，这些效果的记载不妨碍其他效果的存在。此外，本发明的一个方式并不需要具有所有上述效果。另外，可以从说明书、附图、权利要求书等的记载抽出上述以外的效果。
附图说明
图1是说明测定装置的结构例子的图。
图2是说明测定装置的结构例子的图。
图3A及图3B是说明测定装置的结构例子的图。
图4A及图4B是说明测定装置的结构例子的图。
图5A及图5B是说明测定装置的结构例子的图。
图6A至图6C是说明探针的结构例子的图。
图7是说明测定装置的结构例子的图。
图8A及图8B是说明存储装置的结构例子的图。
图9A至图9H是说明存储装置的结构例子的图。
图10A及图10B是说明存储装置的结构例子的图。
图11是说明半导体装置的结构例子的图。
图12是说明半导体装置的结构例子的图。
图13A至图13C是说明半导体装置的结构例子的图。
具体实施方式
下面，参照附图对实施方式进行说明。注意，实施方式可以以多个不同方式来实施，所属技术领域的普通技术人员可以很容易地理解一个事实，就是其方式和详细内容可以被变换为各种各样的形式而不脱离本发明的宗旨及其范围。因此，本发明不应该被解释为仅限定在以下所示的实施方式所记载的内容中。
注意，在下面说明的发明结构中，在不同的附图中共同使用相同的附图标记来显示相同的部分或具有相同功能的部分，而省略反复说明。此外，当表示具有相同功能的部分时有时使用相同的阴影线，而不特别附加附图标记。
注意，在本说明书所说明的各个附图中，有时为了明确起见，夸大表示各构成要素的大小、层的厚度或区域。因此，本发明并不局限于附图中的尺寸。
在本说明书等中使用的“第一”、“第二”等序数词是为了避免构成要素的混淆而附记的，而不是为了在数目方面上进行限定的。
(实施方式1)
在本实施方式中，说明本发明的一个方式的测定装置的结构例子。
本发明的一个方式的测定装置可以被用作超声波探伤检查装置等使用超声波的非破坏检查装置。此外，根据本发明的一个方式，也可以实现使用超声波的厚度测定装置、硬度测定装置或声速测定装置等。
[测定装置的结构例子]
图1是示出本发明的一个方式的测定装置10的结构的方框图。图1明确地示出与测定装置10连接的探针40及作为测定对象物的检查材料80。
测定装置10包括控制部11、时序电路部12、发送部13、接收部14及显示部15。
注意，虽然在此测定装置10作为输出单元包括显示部15，但是也可以不包括显示部15。例如，测定装置10也可以代替显示部15包括用来将测定数据、后述图像信号等输出到外部设备的外部输出端子或无线通信部等输出单元。另外，测定装置10也可以都包括显示部15及该输出单元。
可以与测定装置10连接的探针40包括压电元件41。探针40可以根据从测定装置10输入的脉冲信号由压电元件41产生超声波51。另外，压电元件41可以接收来自检查材料80的反射波52并将其转换为电信号。探针40可以将该电信号作为测定装置10的输入信号输出到测定装置10。
图1示意性地示出：在检查材料80与探针40接触的状态下产生超声波，而超声波51传输到检查材料80的内部的状态；以及反射波52从检查材料80输入到探针40的状态。在检查材料80的内部没有伤81的场所，超声波51在检查材料80的与探针40的接触面相反一侧的面反射。另一方面，在有伤81的场所，超声波51被伤81反射。因为从产生超声波51的时刻直到反射波52到达压电元件41为止的期间根据伤81的有无而不同，所以可以检查伤81的有无及伤81的位置、深度。另外，通过分析沿着检查材料80的表面使探针40移动时的反射波52的振幅差异，可以确定伤81的形状、大小。
控制部11具有总括控制测定装置10所包括的各组件的功能。控制部11至少包括存储部21及运算部22。
时序电路部12具有根据来自控制部11的指令分别将时序信号ST1及时序信号ST2输出到发送部13及接收部14的功能。
发送部13具有生成输出到探针40的脉冲信号并将其输出的功能。
在图1中，发送部13包括脉冲信号生成部31及放大部32。脉冲信号生成部31根据时序信号ST1生成脉冲信号并将其输出到放大部32。放大部32具有放大脉冲信号生成部31所生成的脉冲信号的振幅并将其输出到探针40的功能。
接收部14具有：对从探针40输入的模拟信号进行采样来生成模拟数据的功能；将采样了的模拟数据的电位调整(也称为放大)为适于向控制部11的存储部21输入的电位来生成模拟数据D1的功能；以及将所生成的模拟数据D1输出到控制部11的功能。
在图1中，接收部14包括放大部35。在放大部35中，根据时序信号ST2对从探针40输入的模拟信号进行采样，并且放大利用采样得到的模拟数据的电位来生成模拟数据D1，将其输出到控制部11。
在此，优选使用者能够设定发送部13所输出的脉冲信号的振幅、频率、占空比及脉冲形状等。例如，控制部11可以通过根据使用者预先设定的信息控制时序电路部12来输出所希望的脉冲信号。另外，接收部14的采样时序也是同样的，优选使用者能够设定。例如，控制部11可以通过根据使用者预先设定的信息控制时序电路部12来以所希望的时序对所输入的模拟信号进行采样。
控制部11所包括的存储部21具有将模拟数据储存为模拟值的功能。控制部11可以将从接收部14输入的模拟数据D1直接容纳在存储部21中，而不将该数据转换为数字数据。
在此，在本说明书等中，模拟数据是指由连续性的量(例如数据电位)表示信息的数据。另一方面，数字数据是指由分散性的量表示信息的数据。因此，数字数据具有由2值表示的数据及3值以上的多值数据。
存储部21优选在一个存储单元中可以容纳模拟值。由此，例如与使用容纳0或1的2值的数字数据的存储单元的存储部相比，可以大幅度地增大每个存储单元的信息量。因此，可以极为减小存储部21所包括的存储单元阵列的占有面积。此外，可以大幅度地提高相对于相同信息量的存储部21的数据写入速度及数据读出速度，也可以降低功耗。
作为一个例子，图7示出代替图1中的存储部21而包括容纳数字数据的存储部21D的结构。
此时，在接收部14中需要设置用来将放大部35所生成的模拟数据D1转换为数字数据D1D的模拟数字转换部36。因此，不仅扩大接收部14的电路规模而且增高接收部14的功耗。
另外，在图7所示的结构中，由于需要将模拟数据D1转换为分散性的数据的数字数据D1D，所以信息的一部分有可能被失掉。虽然数字数据D1D的位数越大信息的准确度越高，但是数据量增大，模拟数字转换部36的电路规模需要增大，功耗也增大。并且，数字数据D1D的位数越大存储部21D的规模越大，控制部11的功耗也增大。
另一方面，在图1所示的测定装置10中，与图7所示的结构相比，可以缩小接收部14的电路规模并降低功耗。此外，有时也可以降低控制部11的电路规模、功耗。通过具有这种结构，测定装置10可以减少构件个数并以低成本制造。另外，可以实现测定装置10的小型化、轻量化，容易携带。尤其是，因为探伤检查有时有大规模的用途如检查对象为建筑物体、隧道等，所以设备的小型化、轻量化是极为重要的。
尤其是，存储部21优选使用存储电路(也称为模拟存储器)，该存储电路使用包含氧化物半导体的晶体管。因为包含氧化物半导体的晶体管可以与使用硅的晶体管等相比极为减少关闭状态下的泄漏电流(关态电流)，所以可以抑制待机时的功耗。另外，通过由包含氧化物半导体的晶体管构成存储单元，可以长期保持输入到该存储单元的模拟电位，由此可以构成不容易产生数据变动的模拟存储器。
控制部11所包括的运算部22具有根据存储部21所容纳的模拟数据D1生成图像信号S0的功能。控制部11可以将运算部22所生成的图像信号S0输出到显示部15。运算部22也可以具有能够进行数字运算处理的结构，特别优选具有能够进行模拟运算处理的结构。由此，不需要将存储部21所容纳的模拟数据D1转换为数字数据而进行处理，所以可以缩小控制部11的电路规模。
作为显示部15能够显示的图像，可以举出具有所接收的超声波的波形、通过分析该波形来得到的二维面分析图像等的图像。此外，优选使用者能够选择显示部15所显示的信息。
图2是示出显示部15的结构的一个例子的方框图。
显示部15包括像素部61、源极驱动器电路62、栅极驱动器电路63及时序电路64等。像素部61包括配置为矩阵状的多个像素75。像素部61中设置有从源极驱动器电路62作为图像信号(也称为视频信号)输入信号S2的多个源极线SL以及从栅极驱动器电路63作为选择信号输入信号G的多个栅极线GL。
时序电路64具有根据从控制部11输入的图像信号S0所具有的同步信号生成输出到源极驱动器电路62或栅极驱动器电路63的信号(时钟信号CLKS、时钟信号CLKG及起始脉冲信号等)的功能。另外，时序电路64具有根据图像信号S0生成输出到源极驱动器电路62的信号S1的功能。
源极驱动器电路62具有从信号S1生成输出到各源极线SL的信号S2并根据时序信号CLKS向各源极线SL依次输出信号S2的功能。此外，栅极驱动器电路63具有根据时序信号CLKG依次选择各栅极线GL并向所选择的栅极线GL输出信号G的功能。
图2示出源极驱动器电路62包括顺序电路71及电平移位电路72的例子。另外，源极驱动器电路62也可以包括缓冲器电路等。另外，当从时序电路64输入的信号S1为数字数据时，源极驱动器电路62也可以包括D-A转换电路。
顺序电路71例如包括移位寄存器电路及锁存电路等。向顺序电路71输入的信号S1根据移位寄存器电路所生成的时序信号被采样并将其输出到电平移位电路72。
电平移位电路72具有将从顺序电路71输入的信号的电位转换为输出到源极线SL的电位的功能。例如，电平移位电路72可以增大被输入的信号的电压的振幅并将其输出。通过包括电平移位电路72，位于其上流的电路(例如顺序电路71、时序电路64等)能够以低电压驱动，由此容易进行高速工作。
在此，从控制部11输入的图像信号S0优选具有模拟信号。就是说，图像信号S0优选为具有与像素部61的各像素的坐标相关联的模拟数据D2的信号。由此，在源极驱动器电路62中不需要设置D-A转换电路，因此可以使电路结构简化。
另外，图像信号S0所具有的模拟数据D2的电位优选与存储部21所容纳的模拟数据D1的电位相等。由此，可以使时序电路64、源极驱动器电路62的顺序电路71的驱动电压(或电源电压)与存储部21的驱动电压共同化。
尤其是，当显示部15所显示的图像具有二维面分析图像时，可以由各像素75的亮度表示二维图的信息。此时，通过根据图像信号S0所具有的模拟数据D2的电位决定像素75的灰度(即亮度)，可以减轻控制部11所包括的运算部22生成图像信号时的运算处理的负载。并且，源极驱动器电路62优选由电平移位电路72对从上述顺序电路71输入的模拟数据D2的电位进行转换并将其输出到源极线SL。
[测定装置的变形例子]
上面示出了作为探针40包括一个压电元件41的例子，下面将说明能够连接包括两个以上的压电元件41的探针40的测定装置的结构例子。以下，有时省略与上述重复而可以将其援用的部分的说明。
〔变形例子1〕
图3A是与包括两个压电元件(压电元件41a、压电元件41b)的探针40连接的测定装置10a的方框图。
测定装置10a与上述测定装置10的主要不同之处是包括两个发送部(发送部13a、发送部13b)及两个接收部(接收部14a、接收部14b)。注意，在此为了容易说明示出包括两个发送部及两个接收部的结构，但是根据探针40的结构也可以包括三个以上的发送部及三个以上的接收部。
发送部13a包括脉冲信号生成部31a及放大部32a。发送部13b包括脉冲信号生成部31b及放大部32b。发送部13a具有生成输出到探针40的压电元件41a的脉冲信号并将其输出的功能。发送部13b具有生成输出到压电元件41b的脉冲信号并将其输出的功能。
脉冲信号生成部31a、脉冲信号生成部31b可以根据各自从时序电路部12输入的时序信号(未图示)生成脉冲信号。因此，不仅可以各自设定输出到压电元件41a和压电元件41b的脉冲信号的振幅、频率、占空比及脉冲形状，而且可以各自设定输出到这两个的脉冲信号的时序。由此，可以选择各种测定方法，可以实现通用性更高的测定装置10a。
接收部14a包括放大部35a。接收部14b包括放大部35b。接收部14a被输入压电元件41a所接收的信号，放大该信号作为模拟信号输出到控制部11。接收部14b被输入压电元件41b所接收的信号，放大该信号作为模拟信号输出到控制部11。
接收部14a和接收部14b各自可以接收信号并将其输出到控制部11。因此，可以同时取得不同位置的两个压电元件41a和压电元件41b各自接收的反射波52的数据。由此，可以实现各种测定方法，而可以实现精度高的测定装置10a。
〔变形例子2〕
图3B所示的测定装置10b与上述测定装置10的主要不同之处是包括两个选择电路(选择电路15a、选择电路15b)。选择电路15a及选择电路15b各自具有选择信号并将其输出的功能，这也可以被称为信号选择部。
选择电路15a具有选择将从发送部13输入的脉冲信号输出到压电元件41a及压电元件41b中的任一个的功能。由于一个发送部13可以通过选择电路15a将脉冲信号输出到多个压电元件，所以可以使测定装置的结构简化。
选择电路15b具有选择将分别从压电元件41a及压电元件41b输入的信号中的任一个输出到接收部14的功能。由于选择电路15b而不需要设置多个接收部14，所以可以使测定装置的结构简化。
例如，作为图3B所示的测定装置10b的测定方法，可以适合使用依次使探针40所包括的多个压电元件工作来取得数据的方法。
〔变形例子3〕
图4A所示的测定装置10c与上述测定装置10的主要不同之处是包括两个发送部(发送部13a、发送部13b)及选择电路15b。
在测定装置10c中，向压电元件41a和压电元件41b从彼此不同的发送部供应脉冲信号，将来自任一个压电元件的信号作为模拟信号输出到控制部11。
〔变形例子4〕
图4B所示的测定装置10d与上述测定装置10的主要不同之处在于包括选择电路15a及两个接收部(接收部14a、接收部14b)。
例如，作为测定装置10d的测定方法，可以适合使用依次从压电元件41a及压电元件41b产生超声波并同时取得两个压电元件的信息的方法。
注意，作为在此所示的各变形例子说明一个压电元件进行发送和接收的双方的情况，但是也可以两个压电元件中的一个进行发送，另一个进行接收。另外，也可以具有将发送用压电元件及接收用压电元件配置为多个的结构。此时，既可以发送用压电元件的个数与接收用压电元件的个数不同，又可以发送用压电元件及接收用压电元件中的任一个的个数为一个。例如，也可以具有配置一个发送用压电元件及多个接收用压电元件的结构。
[具体例子]
以下，说明测定装置及探针的更具体的结构例子。
〔测定装置〕
图5A是测定装置100a的外观图。测定装置100a例如可以由安装在内部的电池(优选的是，锂离子电池等二次电池)驱动，可以进行携带。测定装置100a为小型且轻量的测定装置，即便在难以携带大型装置的场所也可以简单地进行超声波探伤检查。
测定装置100a包括框体101、显示部102、操作按钮103等。另外，测定装置100a连接于用来与探针连接的连接电缆107。
另外，安装有用来保护测定装置100a的框体101的保护构件104。通过作为保护构件104使用橡胶等的耐冲击性、耐气候性、耐化学品性高的材料，可以具有能够耐受各种环境下的使用的结构。
另外，测定装置100a包括支撑构件105。支撑构件105可以以轴部为中心旋转，可以在向所希望的角度倾斜的状态下保持框体101。另外，通过将支撑构件105向框体101的上方旋转，还可以将其用作拎手，由此容易携带。
在图5A中，作为显示部102所显示的图像的一个例子示出由探针检测出的超声波的波形图像。在此观察到三个波形，从左侧依次示出探针所输出的超声波的波形、来自检查材料内部的伤的反射波(也称为回声)的波形以及来自检查材料的背面的反射波的波形，由该图像可知，检查材料的内部有伤。
图5B所示的测定装置100b示出手拿型测定装置的例子。
测定装置100b可以由单手进行握持及操作，在设置时不需要空间，因此可以扩大检查对象范围。另外，由于测定装置100b极为轻量且可以实现小型化，即便进行长时间的检查也可以减轻使用者的负载。
此外，测定装置100b的框体101中的设置有显示部102的部分的形状与设置有操作按钮103等的使用者握持的部分的形状相比横向长。由此，显示部102的面积增大，由此可以使提供给使用者的信息量增大并显示更大的文字、图像，所以是优选的。此外，显示部102也可以被用作触摸面板。
在图5B中，作为显示部102所显示的图像的一个例子示出使用斜角探针的测定结果的例子。在显示部102的左侧示出深度方向的回声的波形的强度分布。在右下示出测定范围及使被观察的回声波形的位置和强度可视化的图像。另外，在右上作为与检查材料的表面平行的二维面分析图像示出被观察的回声波形的位置和强度。
〔探针〕
说明可用于本发明的一个方式的测定装置的探针。
探针(probe、transducer)至少包括一个振荡器(压电元件)。振荡器在一对电极间夹有具有压电性的电介质。
作为探针，有垂直探针或斜角探针等。另外，也可以使用水浸探针。垂直探针是向与接触面垂直的方向产生超声波的元件，将使用这种探针的探伤方法也称为垂直探伤。另一方面，斜角探针是向相对于接触面倾斜的方向产生超声波的元件，将使用这种探针的探伤方法也称为斜角探伤。另外，水浸探针是用来将沉入水等液体中的检查材料经过液体进行测定的元件，将使用这种探针的探伤方法也称为水浸探伤。
在包括一个振荡器的一振荡器探针中，该振荡器进行发送和接收的双方。另一方面，在包括两个振荡器的二振荡器探针中，两个振荡器中的一个进行发送，另一个进行接收，二振荡器探针与一振荡器探针相比可以适合用于较薄的检查材料。另外，也可以使用将多个振荡器排列为一维或二维阵列状的探针。
图6A示出可用作垂直探针的探针110a的结构例子。探针110a包括振荡器111、外壳112、接触部113、端子部114、一对布线115、减震器116等。
外壳112的内部设置有振荡器111、减震器116等。另外，外壳112的一部分设置有用来使连接电缆107连接的端子部114。在图6A中，由虚线表示与端子部114连接的连接电缆107。
一对布线115各自与振荡器111的一对电极(未图示)连接。一对布线115与端子部114连接。
接触部113是与检查材料接触的部分，可以将振荡器111所产生的超声波传达到检查材料。
图6B示出被用作斜角探针的探针110b的结构例子。探针110b包括传达构件117及吸音构件118。
传达构件117以与振荡器111及接触部113接触的方式设置。传达构件117的与振荡器111接触的面具有沿着相对于接触部113的表面倾斜的方向切断的形状。由此，可以向相对于与检查材料的接触面倾斜的方向产生超声波。
另外，传达构件117的不与振荡器111及接触部113接触的面设置有吸音构件118。吸音构件118可以抑制在传达构件117的表面散射超声波，该超声波被检测为噪声，由此可以进行精度更高的测定。
图6C示出被用作二振荡器探针的探针110c的结构例子。探针110c包括发送侧的振荡器111a、接收侧的振荡器111b、音响隔离构件119及一对音响延迟构件121等。
一对音响延迟构件121各自具有与振荡器接触的面沿着相对于接触部113的表面倾斜的方向切断的形状。振荡器111a和振荡器111b各自以与音响延迟构件121接触的面彼此相对的方式在倾斜状态下配置。
通过设置音响延迟构件121，可以在振荡器111a产生超声波的时刻与振荡器111b接收超声波的时刻之间设定指定的时间差。由此，可以进行精度高的测定。
此外，一对音响延迟构件121之间设置有音响隔离构件119。音响隔离构件119可以防止发送侧的振荡器111a所产生的超声波直接传达到接收侧的振荡器111b。
以上是探针的说明。
本实施方式的至少一部分可以与本说明书所记载的其他实施方式适当地组合而实施。
(实施方式2)
在本实施方式中，说明存储装置的结构例子，该存储装置适合用于本发明的一个方式的测定装置所包括的控制部，特别是控制部所包括的存储部。
在本实施方式中，参照图8及图9，对根据本发明的一个方式的使用将氧化物用于半导体的晶体管(以下有时称为OS晶体管)及电容器的存储装置(以下有时称为OS存储装置)进行说明。OS存储装置是至少包括电容器和控制该电容器的充放电的OS晶体管的存储装置。因为OS晶体管的关态电流极小，所以OS存储装置具有优良的保持特性，从而可以被用作非易失性存储器。
<存储装置的结构例子>
图8A示出OS存储装置的结构的一个例子。存储装置1400包括外围电路1411及存储单元阵列1470。外围电路1411包括行电路1420、列电路1430、输出电路1440以及控制逻辑电路1460。
列电路1430例如包括列译码器、预充电电路、读出放大器及写入电路等。预充电电路具有对布线进行预充电的功能。读出放大器具有放大从存储单元读出的数据信号的功能。注意，上述布线是连接到存储单元阵列1470所包括的存储单元的布线，下面描述其详细内容。被放大的数据信号作为数据信号RDATA通过输出电路1440输出到存储装置1400的外部。此外，行电路1420例如包括行译码器、字线驱动器电路等，并可以选择要存取的行。
对存储装置1400从外部供应作为电源电压的低电源电压(VSS)、外围电路1411用高电源电压(VDD)及存储单元阵列1470用高电源电压(VIL)。此外，对存储装置1400从外部输入控制信号(CE、WE、RE)、地址信号ADDR及数据信号WDATA。地址信号ADDR被输入到行译码器及列译码器，WDATA被输入到写入电路。
控制逻辑电路1460对来自外部的输入信号(CE、WE、RE)进行处理来生成行译码器及列译码器的控制信号。CE是芯片使能信号，WE是写入使能信号，并且RE是读出使能信号。控制逻辑电路1460所处理的信号不局限于此，根据需要而输入其他控制信号即可。
存储单元阵列1470包括配置为行列状的多个存储单元MC及多个布线。注意，连接存储单元阵列1470和行电路1420的布线的数量取决于存储单元MC的结构、包括在一个列中的存储单元MC的数量等。此外，连接存储单元阵列1470和列电路1430的布线的数量取决于存储单元MC的结构、包括在一个行中的存储单元MC的数量等。
此外，虽然在图8A中示出在同一平面上形成外围电路1411和存储单元阵列1470的例子，但是本实施方式不局限于此。例如，如图8B所示，也可以以重叠于外围电路1411的一部分上的方式设置存储单元阵列1470。例如，也可以采用以重叠于存储单元阵列1470下的方式设置读出放大器的结构。
在图9中说明能够适用于上述存储单元MC的存储单元的结构例子。
[DOSRAM]
图9A至图9C示出DRAM(Dynamic Random Access Memory：动态随机存取存储器)的存储单元的电路结构例子。在本说明书等中，有时将使用1OS晶体管1电容器型存储单元的DRAM称为DOSRAM(Dynamic Oxide Semiconductor Random Access Memory：动态氧化物半导体随机存取存储器)。图9A所示的存储单元1471包括晶体管M1及电容器CA。此外，晶体管M1包括栅极(有时称为顶栅极)及背栅极。
晶体管M1的第一端子与电容器CA的第一端子连接，晶体管M1的第二端子与布线BIL连接，晶体管M1的栅极与布线WOL连接，晶体管M1的背栅极与布线BGL连接。电容器CA的第二端子与布线CAL连接。
布线BIL被用作位线，布线WOL被用作字线。布线CAL被用作用来对电容器CA的第二端子施加指定的电位的布线。在数据的写入及读出时，优选对布线CAL施加低电平电位。布线BGL被用作用来对晶体管M1的背栅极施加电位的布线。通过对布线BGL施加任意电位，可以控制晶体管M1的阈值电压。
此外，存储单元MC不局限于存储单元1471，而可以改变其电路结构。例如，存储单元MC也可以采用如图9B所示的存储单元1472那样的晶体管M1的背栅极不与布线BGL连接，而与布线WOL连接的结构。此外，例如，存储单元MC也可以是如图9C所示的存储单元1473那样的由单栅极结构的晶体管，即不包括背栅极的晶体管M1构成的存储单元。
通过作为晶体管M1使用OS晶体管，可以使晶体管M1的泄漏电流为极低。换言之，因为可以由晶体管M1长时间保持写入的数据，所以可以降低存储单元的刷新频率。此外，还可以不进行存储单元的刷新工作。此外，由于泄漏电流极低，因此可以将多值数据或模拟数据保持在存储单元1471、存储单元1472、存储单元1473中。
此外，在DOSRAM中，在采用以重叠于存储单元阵列1470下的方式设置读出放大器的结构时，可以缩短位线。由此，位线电容减小，从而可以减少存储单元的存储电容。
[NOSRAM]
图9D至图9G示出2晶体管1电容器的增益单元型存储单元的电路结构例子。图9D所示的存储单元1474包括晶体管M2、晶体管M3、电容器CB。此外，晶体管M2包括顶栅极(有时简称为栅极)及背栅极。在本说明书等中，有时将包括将OS晶体管用于晶体管M2的增益单元型存储单元的存储装置称为NOSRAM(Nonvolatile Oxide Semiconductor RAM：氧化物半导体非易失性随机存取存储器)。
晶体管M2的第一端子与电容器CB的第一端子连接，晶体管M2的第二端子与布线WBL连接，晶体管M2的栅极与布线WOL连接，晶体管M2的背栅极与布线BGL连接。电容器CB的第二端子与布线CAL连接。晶体管M3的第一端子与布线RBL连接，晶体管M3的第二端子与布线SL连接，晶体管M3的栅极与电容器CB的第一端子连接。
布线WBL被用作写入位线，布线RBL被用作读出位线，布线WOL被用作字线。布线CAL被用作用来对电容器CB的第二端子施加指定的电位的布线。在数据的写入、保持及读出时，优选对布线CAL施加低电平电位。布线BGL被用作用来对晶体管M2的背栅极施加电位的布线。通过对布线BGL施加任意电位，可以增加或减少晶体管M2的阈值电压。
此外，存储单元MC不局限于存储单元1474，而可以适当地改变其电路结构。例如，存储单元MC也可以采用如图9E所示的存储单元1475那样的晶体管M2的背栅极不与布线BGL连接，而与布线WOL连接的结构。此外，例如，存储单元MC也可以是如图9F所示的存储单元1476那样的由单栅极结构的晶体管，即不包括背栅极的晶体管M2构成的存储单元。此外，例如，存储单元MC也可以具有如图9G所示的存储单元1477那样的将布线WBL和布线RBL组合为一个布线BIL的结构。
通过作为晶体管M2使用OS晶体管，可以使晶体管M2的泄漏电流为极低。由此，因为可以由晶体管M2长时间保持写入的数据，所以可以降低存储单元的刷新频率。此外，还可以不进行存储单元的刷新工作。此外，由于泄漏电流极低，因此可以将多值数据或模拟数据保持在存储单元1474中。存储单元1475至存储单元1477也是同样的。
此外，晶体管M3也可以是在沟道形成区域中包含硅的晶体管(以下有时称为Si晶体管)。Si晶体管的导电型可以是n沟道型或p沟道型。Si晶体管的场效应迁移率有时比OS晶体管高。因此，作为用作读出晶体管的晶体管M3，也可以使用Si晶体管。此外，通过将Si晶体管用于晶体管M3，可以层叠于晶体管M3上地设置晶体管M2，从而可以减少存储单元的占有面积，并可以实现存储装置的高集成化。
此外，晶体管M3也可以是OS晶体管。在将OS晶体管用于晶体管M2、晶体管M3时，在存储单元阵列1470中可以只使用n型晶体管构成电路。
此外，图9H示出3晶体管1电容器的增益单元型存储单元的一个例子。图9H所示的存储单元1478包括晶体管M4至晶体管M6及电容器CC。电容器CC可以适当地设置。存储单元1478与布线BIL、布线RWL、布线WWL、布线BGL及布线GNDL电连接。布线GNDL是供应低电平电位的布线。此外，也可以将存储单元1478电连接到布线RBL、布线WBL，而不与布线BIL电连接。
晶体管M4是包括背栅极的OS晶体管，该背栅极与布线BGL电连接。此外，也可以使晶体管M4的背栅极和栅极互相电连接。或者，晶体管M4也可以不包括背栅极。
此外，晶体管M5、晶体管M6各自可以是n沟道型Si晶体管或p沟道型Si晶体管。或者，晶体管M4至晶体管M6都是OS晶体管。在此情况下，可以在存储单元阵列1470中只使用n型晶体管构成电路。
通过作为晶体管M4使用OS晶体管，可以使晶体管M4的泄漏电流为极低。
注意，本实施方式所示的外围电路1411及存储单元阵列1470等的结构不局限于上述结构。另外，也可以根据需要改变，去除或追加这些电路及连接到该电路的布线、电路元件等的配置或功能。
本实施方式的至少一部分可以与本说明书所记载的其他实施方式适当地组合而实施。
(实施方式3)
在本实施方式中，说明可用于本发明的一个方式的测定装置所包括的控制部等的芯片。
在本实施方式中，参照图10说明芯片1200的一个例子。在芯片1200上安装有多个电路(系统)。如此，在一个芯片上集成有多个电路(系统)的技术有时被称为系统芯片(System on Chip：SoC)。
如图10A所示，芯片1200包括CPU1211、GPU1212、一个或多个模拟运算部1213、一个或多个存储控制器1214、一个或多个接口1215、一个或多个网络电路1216等。
在芯片1200上设置有凸块(未图示)，该凸块如图10B所示那样与印刷线路板(Printed Circuit Board：PCB)1201的第一面连接。此外，在PCB1201的第一面的背面设置有多个凸块1202，该凸块1202与母板1203连接。
此外，也可以在母板1203上设置有DRAM1221、快闪存储器1222等的存储装置。例如，可以将上述实施方式所示的DOSRAM应用于DRAM1221。此外，例如，可以将上述实施方式所示的NOSRAM应用于快闪存储器1222。
CPU1211优选具有多个CPU核。此外，GPU1212优选具有多个GPU核。此外，CPU1211和GPU1212可以分别具有暂时储存数据的存储器。或者，也可以在芯片1200上设置有CPU1211和GPU1212共同使用的存储器。可以将上述NOSRAM或DOSRAM应用于该存储器。此外，GPU1212适合用于多个数据的并行计算，其可以用于图像处理或积和运算。通过作为GPU1212设置使用本发明的氧化物半导体的图像处理电路或积和运算电路，可以以低功耗执行图像处理及积和运算。此外，CPU1211及GPU1212也可以适合执行模拟运算。
此外，因为在同一芯片上设置有CPU1211和GPU1212，所以可以缩短CPU1211和GPU1212之间的布线，并可以以高速进行从CPU1211到GPU1212的数据传送、CPU1211及GPU1212所具有的存储器之间的数据传送以及GPU1212中的运算结束之后的从GPU1212到CPU1211的运算结果传送。
模拟运算部1213具有A/D(模拟/数字)转换电路和D/A(数字/模拟)转换电路中的一方或双方。此外，也可以在模拟运算部1213中设置上述积和运算电路。
存储控制器1214具有用作DRAM1221的控制器的电路及用作快闪存储器1222的接口的电路。
另外，在由CPU1211、GPU1212进行模拟运算时，存储控制器1214优选具有与DRAM1221或快闪存储器1222进行模拟数据通信的功能。
接口1215具有与如显示装置、扬声器、麦克风、影像拍摄装置、控制器等外部连接设备之间的接口电路。控制器包括鼠标、键盘、游戏机用控制器等。作为上述接口，可以使用USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)、HDMI(High-Definition MultimediaInterface，高清晰度多媒体接口)(注册商标)等。
网络电路1216具有LAN(Local Area Network，局域网)等网络电路。此外，还可以具有网络安全用电路。
上述电路(系统)可以经同一制造工序形成在芯片1200上。由此，即使芯片1200所需的电路个数增多，也不需要增加制造工序，可以以低成本制造芯片1200。
可以将包括设置有具有GPU1212的芯片1200的PCB1201、DRAM1221以及快闪存储器1222的母板1203称为GPU模块1204。
GPU模块1204因具有使用SoC技术的芯片1200而可以减少其尺寸。此外，GPU模块1204因具有高图像处理能力而适合用于智能手机、平板终端、膝上型个人计算机、便携式(可携带)游戏机等便携式电子设备。此外，通过利用使用GPU1212的积和运算电路，可以执行深度神经网络(DNN)、卷积神经网络(CNN)、递归神经网络(RNN)、自动编码器、深度玻尔兹曼机(DBM)、深度置信网络(DBN)等方法，由此可以将芯片1200用作AI芯片，或者，可以将GPU模块1204用作AI系统模块。
(实施方式4)
在本实施方式中，说明可用于本发明的一个方式的测定装置的半导体装置的结构例子。特别是，可以将以下所示的半导体装置用于控制部所包括的存储部。除此之外，还可以将其用于运算部或时序电路部等。
图11所示的半导体装置包括晶体管300、晶体管500及电容器800。图13A是晶体管500的沟道长度方向上的截面图，图13B是晶体管500的沟道宽度方向上的截面图，图13C是晶体管300的沟道宽度方向上的截面图。
晶体管500是在沟道形成区域中包含金属氧化物的晶体管(OS晶体管)。由于晶体管500的关态电流小，所以通过将该晶体管用于半导体装置所包括的OS晶体管，可以长期间保持写入的数据。
如图11所示，在本发明的一个方式中说明的半导体装置包括晶体管300、晶体管500及电容器800。晶体管500设置在晶体管300的上方，电容器800设置在晶体管300及晶体管500的上方。
晶体管300设置在衬底311上，并包括：导电体316、绝缘体315、由衬底311的一部分构成的半导体区域313；以及被用作源区域和漏区域的低电阻区域314a及低电阻区域314b。另外，晶体管300例如可以应用于上述实施方式的存储器所包括的晶体管等。
如图13C所示，在晶体管300中，导电体316隔着绝缘体315覆盖半导体区域313的顶面及沟道宽度方向的侧面。如此，通过使晶体管300具有Fin型结构，实效上的沟道宽度增加，所以可以改善晶体管300的通态特性。此外，由于可以增加栅电极的电场的影响，所以可以改善晶体管300的关闭特性。
另外，晶体管300可以为p沟道型晶体管或n沟道型晶体管。
半导体区域313的沟道形成区域、其附近的区域、被用作源区域或漏区域的低电阻区域314a及低电阻区域314b等优选包含硅类半导体等半导体，更优选包含单晶硅。此外，也可以使用包含Ge(锗)、SiGe(硅锗)、GaAs(砷化镓)、GaAlAs(镓铝砷)等的材料形成。可以使用对晶格施加应力，改变晶面间距而控制有效质量的硅。此外，晶体管300也可以是使用GaAs和GaAlAs等的HEMT(High Electron Mobility Transistor：高电子迁移率晶体管)。
在低电阻区域314a及低电阻区域314b中，除了应用于半导体区域313的半导体材料之外，还包含砷、磷等赋予n型导电性的元素或硼等赋予p型导电性的元素。
作为被用作栅电极的导电体316，可以使用包含砷、磷等赋予n型导电性的元素或硼等赋予p型导电性的元素的硅等半导体材料、金属材料、合金材料或金属氧化物材料等导电材料。
此外，由于导电体的材料决定功函数，所以通过选择该导电体的材料，可以调整晶体管的阈值电压。具体而言，作为导电体优选使用氮化钛或氮化钽等材料。为了兼具导电性和埋入性，作为导电体优选使用钨或铝等金属材料的叠层，尤其在耐热性方面上优选使用钨。
注意，图11所示的晶体管300的结构只是一个例子，不局限于上述结构，根据电路结构或驱动方法使用适当的晶体管即可。例如，当只由OS晶体管构成半导体装置时，如图12所示，作为晶体管300的结构采用与使用氧化物半导体的晶体管500相同的结构即可。在后面说明晶体管500的详细结构。
以覆盖晶体管300的方式依次层叠有绝缘体320、绝缘体322、绝缘体324及绝缘体326。
作为绝缘体320、绝缘体322、绝缘体324及绝缘体326，例如可以使用氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧氮化铝、氮氧化铝及氮化铝等。
注意，在本说明书中，“氧氮化硅”是指在其组成中氧含量多于氮含量的材料，而“氮氧化硅”是指在其组成中氮含量多于氧含量的材料。注意，在本说明书中，“氧氮化铝”是指氧含量多于氮含量的材料，“氮氧化铝”是指氮含量多于氧含量的材料。
绝缘体322也可以被用作使因设置在其下方的晶体管300等而产生的台阶平坦化的平坦化膜。例如，为了提高绝缘体322的顶面的平坦性，其顶面也可以通过利用化学机械抛光(CMP)法等的平坦化处理被平坦化。
作为绝缘体324，优选使用能够防止氢或杂质从衬底311或晶体管300等扩散到设置有晶体管500的区域中的具有阻挡性的膜。
作为对氢具有阻挡性的膜的一个例子，例如可以使用通过CVD法形成的氮化硅。在此，有时氢扩散到晶体管500等具有氧化物半导体的半导体元件中，导致该半导体元件的特性下降。因此，优选在晶体管500与晶体管300之间设置抑制氢的扩散的膜。具体而言，抑制氢的扩散的膜是指氢的脱离量少的膜。
氢的脱离量例如可以利用热脱附谱分析法(TDS)等测定。例如，在TDS分析中的膜表面温度为50℃至500℃的范围内，当将换算为氢原子的脱离量换算为绝缘体324的每单位面积的量时，绝缘体324中的氢的脱离量为10×1015atoms/cm2以下，优选为5×1015atoms/cm2以下，即可。
注意，绝缘体326的介电常数优选比绝缘体324低。例如，绝缘体326的相对介电常数优选低于4，更优选低于3。例如，绝缘体326的相对介电常数优选为绝缘体324的相对介电常数的0.7倍以下，更优选为0.6倍以下。通过将介电常数低的材料用于层间膜，可以减少产生在布线之间的寄生电容。
此外，在绝缘体320、绝缘体322、绝缘体324及绝缘体326中埋入与电容器800或晶体管500连接的导电体328、导电体330等。此外，导电体328及导电体330具有插头或布线的功能。注意，有时使用同一附图标记表示具有插头或布线的功能的多个导电体。此外，在本说明书等中，布线、与布线连接的插头也可以是一个构成要素。就是说，导电体的一部分有时被用作布线，并且导电体的一部分有时被用作插头。
作为各插头及布线(导电体328及导电体330等)的材料，可以使用金属材料、合金材料、金属氮化物材料或金属氧化物材料等导电材料的单层或叠层。优选使用兼具耐热性和导电性的钨或钼等高熔点材料，尤其优选使用钨。或者，优选使用铝或铜等低电阻导电材料。通过使用低电阻导电材料可以降低布线电阻。
也可以在绝缘体326及导电体330上形成布线层。例如，在图11中，依次层叠有绝缘体350、绝缘体352及绝缘体354。此外，在绝缘体350、绝缘体352及绝缘体354中形成有导电体356。导电体356具有与晶体管300连接的插头或布线的功能。此外，导电体356可以使用与导电体328及导电体330同样的材料形成。
此外，与绝缘体324同样，绝缘体350例如优选使用对氢具有阻挡性的绝缘体。此外，导电体356优选包含对氢具有阻挡性的导电体。尤其是，在对氢具有阻挡性的绝缘体350所具有的开口中形成对氢具有阻挡性的导电体。通过采用该结构，可以使用阻挡层将晶体管300与晶体管500分离，从而可以抑制氢从晶体管300扩散到晶体管500中。
注意，作为对氢具有阻挡性的导电体，例如优选使用氮化钽等。此外，通过层叠氮化钽和导电性高的钨，不但可以保持作为布线的导电性而且可以抑制氢从晶体管300扩散。此时，对氢具有阻挡性的氮化钽层优选与对氢具有阻挡性的绝缘体350接触。
此外，也可以在绝缘体354及导电体356上形成布线层。例如，在图11中，依次层叠有绝缘体360、绝缘体362及绝缘体364。此外，在绝缘体360、绝缘体362及绝缘体364中形成有导电体366。导电体366具有插头或布线的功能。此外，导电体366可以使用与导电体328及导电体330同样的材料形成。
此外，与绝缘体324同样，绝缘体360例如优选使用对氢具有阻挡性的绝缘体。此外，导电体366优选包含对氢具有阻挡性的导电体。尤其是，在对氢具有阻挡性的绝缘体360所具有的开口中形成对氢具有阻挡性的导电体。通过采用该结构，可以使用阻挡层将晶体管300与晶体管500分离，从而可以抑制氢从晶体管300扩散到晶体管500中。
此外，也可以在绝缘体364及导电体366上形成布线层。例如，在图11中，依次层叠有绝缘体370、绝缘体372及绝缘体374。此外，在绝缘体370、绝缘体372及绝缘体374中形成有导电体376。导电体376具有插头或布线的功能。此外，导电体376可以使用与导电体328及导电体330同样的材料形成。
此外，与绝缘体324同样，绝缘体370例如优选使用对氢具有阻挡性的绝缘体。此外，导电体376优选包含对氢具有阻挡性的导电体。尤其是，在对氢具有阻挡性的绝缘体370所具有的开口中形成对氢具有阻挡性的导电体。通过采用该结构，可以使用阻挡层将晶体管300与晶体管500分离，从而可以抑制氢从晶体管300扩散到晶体管500中。
此外，也可以在绝缘体374及导电体376上形成布线层。例如，在图11中，依次层叠有绝缘体380、绝缘体382及绝缘体384。此外，在绝缘体380、绝缘体382及绝缘体384中形成有导电体386。导电体386具有插头或布线的功能。此外，导电体386可以使用与导电体328及导电体330同样的材料形成。
此外，与绝缘体324同样，绝缘体380例如优选使用对氢具有阻挡性的绝缘体。此外，导电体386优选包含对氢具有阻挡性的导电体。尤其是，在对氢具有阻挡性的绝缘体380所具有的开口中形成对氢具有阻挡性的导电体。通过采用该结构，可以使用阻挡层将晶体管300与晶体管500分离，从而可以抑制氢从晶体管300扩散到晶体管500中。
在上面说明包括导电体356的布线层、包括导电体366的布线层、包括导电体376的布线层及包括导电体386的布线层，但是本实施方式的半导体装置不局限于此。与包括导电体356的布线层同样的布线层可以为三层以下，与包括导电体356的布线层同样的布线层可以为五层以上。
在绝缘体384上依次层叠有绝缘体510、绝缘体512、绝缘体514及绝缘体516。作为绝缘体510、绝缘体512、绝缘体514及绝缘体516中的一个，优选使用对氧或氢具有阻挡性的物质。
例如，作为绝缘体510及绝缘体514，优选使用能够防止氢或杂质从衬底311或设置有晶体管300的区域等扩散到设置有晶体管500的区域中的具有阻挡性的膜。因此，绝缘体510及绝缘体514可以使用与绝缘体324同样的材料。
作为对氢具有阻挡性的膜的一个例子，可以使用通过CVD法形成的氮化硅。在此，有时氢扩散到晶体管500等具有氧化物半导体的半导体元件中，导致该半导体元件的特性下降。因此，优选在晶体管500与晶体管300之间设置抑制氢的扩散的膜。具体而言，抑制氢的扩散的膜是指氢的脱离量少的膜。
例如，作为对氢具有阻挡性的膜，绝缘体510及绝缘体514优选使用氧化铝、氧化铪、氧化钽等金属氧化物。
尤其是，氧化铝的不使氧及导致晶体管的电特性变动的氢、水分等杂质透过膜的阻挡效果高。因此，在晶体管的制造工序中及制造工序之后，氧化铝可以防止氢、水分等杂质进入晶体管500中。此外，氧化铝可以抑制氧从构成晶体管500的氧化物释放。因此，氧化铝适合用于晶体管500的保护膜。
另外，例如，作为绝缘体512及绝缘体516，可以使用与绝缘体320同样的材料。此外，通过作为上述绝缘体使用介电常数较低的材料，可以减少产生在布线之间的寄生电容。例如，作为绝缘体512及绝缘体516，可以使用氧化硅膜和氧氮化硅膜等。
此外，在绝缘体510、绝缘体512、绝缘体514及绝缘体516中例如埋入有导电体518、构成晶体管500的导电体(例如，导电体503)等。此外，导电体518被用作与电容器800或晶体管300连接的插头或布线。导电体518可以使用与导电体328及导电体330同样的材料形成。
尤其是，与绝缘体510及绝缘体514接触的区域的导电体518优选为对氧、氢及水具有阻挡性的导电体。通过采用该结构，可以利用对氧、氢及水具有阻挡性的层将晶体管300与晶体管500分离，从而可以抑制氢从晶体管300扩散到晶体管500中。
绝缘体516的上方设置有晶体管500。
如图13A和图13B所示，晶体管500包括：嵌入在绝缘体514及绝缘体516中的导电体503；配置在绝缘体516及导电体503上的绝缘体520；配置在绝缘体520上的绝缘体522；配置在绝缘体522上的绝缘体524；配置在绝缘体524上的氧化物530a；配置在氧化物530a上的氧化物530b；配置在氧化物530b上且彼此隔开的导电体542a及导电体542b；配置在导电体542a及导电体542b上且形成有与导电体542a和导电体542b之间重叠的开口的绝缘体580；配置在开口的底面及侧面上的氧化物530c；配置在氧化物530c的形成面的绝缘体550；以及配置在绝缘体550的形成面上的导电体560。
另外，如图13A和图13B所示，优选在氧化物530a、氧化物530b、导电体542a及导电体542b与绝缘体580之间配置有绝缘体544。此外，如图13A和图13B所示，导电体560优选包括设置在绝缘体550的内侧的导电体560a及嵌入在导电体560a的内侧的导电体560b。此外，如图13A和图13B所示，优选在绝缘体580、导电体560及绝缘体550上配置有绝缘体574。
注意，下面有时将氧化物530a、氧化物530b及氧化物530c总称为氧化物530。
在晶体管500中，在形成沟道的区域及其附近层叠有氧化物530a、氧化物530b及氧化物530c的三层，但是本发明不局限于此。例如，可以设置氧化物530b的单层、氧化物530b与氧化物530a的两层结构、氧化物530b与氧化物530c的两层结构或者四层以上的叠层结构。另外，在晶体管500中，导电体560具有两层结构，但是本发明不局限于此。例如，导电体560也可以具有单层结构或三层以上的叠层结构。注意，图11、图13A所示的晶体管500的结构只是一个例子而不局限于上述结构，可以根据电路结构或驱动方法使用适当的晶体管。
在此，导电体560被用作晶体管的栅电极，导电体542a及导电体542b被用作源电极或漏电极。如上所述，导电体560填埋于绝缘体580的开口中及夹在导电体542a与导电体542b之间的区域中。导电体560、导电体542a及导电体542b相对于绝缘体580的开口的配置是自对准地被选择。换言之，在晶体管500中，可以在源电极与漏电极之间自对准地配置栅电极。由此，可以在不设置用于对准的余地的方式形成导电体560，所以可以实现晶体管500的占有面积的缩小。由此，可以实现半导体装置的微型化及高集成化。
再者，导电体560自对准地形成在导电体542a与导电体542b之间的区域，所以导电体560不包括与导电体542a或导电体542b重叠的区域。由此，可以降低形成在导电体560与导电体542a及导电体542b之间的寄生电容。因此，可以提高晶体管500的开关速度，从而晶体管500可以具有高频率特性。
导电体560有时被用作第一栅(也称为顶栅极)电极。导电体503有时被用作第二栅(也称为底栅极)电极。在此情况下，通过独立地改变供应到导电体503的电位而不使其与供应到导电体560的电位联动，可以控制晶体管500的阈值电压。尤其是，通过对导电体503供应负电位，可以使晶体管500的阈值电压大于0V且可以减小关态电流。因此，与不对导电体503供应负电位时相比，在对导电体503施加负电位的情况下，可以减小对导电体560供应的电位为0V时的漏极电流。
导电体503以与氧化物530及导电体560重叠的方式配置。由此，在对导电体560及导电体503供应电位的情况下，从导电体560产生的电场和从导电体503产生的电场连接，可以覆盖形成在氧化物530中的沟道形成区域。在本说明书等中，将由第一栅电极的电场和第二栅电极的电场电围绕沟道形成区域的晶体管的结构称为surrounded channel(S-channel：围绕沟道)结构。
另外，导电体503具有与导电体518同样的结构，以与绝缘体514及绝缘体516的开口的内壁接触的方式形成有导电体503a，其内侧形成有导电体503b。另外，在晶体管500中，叠层有导电体503a与导电体503b，但是本发明不局限于此。例如，导电体503可以具有单层结构，也可以具有三层以上的叠层结构。
在此，作为导电体503a优选使用具有抑制氢原子、氢分子、水分子、铜原子等杂质的扩散的功能(不容易使上述杂质透过)的导电材料。另外，优选使用具有抑制氧(例如，氧原子、氧分子等中的至少一个)的扩散的功能(不容易使上述氧透过)的导电材料。在本说明书中，“抑制杂质或氧的扩散的功能”是指抑制上述杂质和上述氧中的任一个或全部的扩散的功能。
例如，通过使导电体503a具有抑制氧的扩散的功能，可以抑制因导电体503b氧化而导致导电率的下降。
另外，在导电体503还具有布线的功能的情况下，作为导电体503b，优选使用以钨、铜或铝为主要成分的导电性高的导电材料。在此情况下，不必须设置导电体505。在附图中，导电体503b具有单层结构，但是也可以具有叠层结构，例如，可以采用钛或者氮化钛和上述导电材料的叠层结构。
绝缘体520、绝缘体522、绝缘体524及绝缘体550被用作第二栅极绝缘膜。
在此，与氧化物530接触的绝缘体524优选使用包含超过化学计量组成的氧的绝缘体。换言之，优选在绝缘体524中形成有过剩氧区域。通过以与氧化物530接触的方式设置上述包含过剩氧的绝缘体，可以减少氧化物530中的氧缺陷，从而可以提高晶体管500的可靠性。
具体而言，作为具有过剩氧区域的绝缘体，优选使用通过加热使一部分的氧脱离的氧化物材料。通过加热使氧脱离的氧化物是指在TDS(Thermal DesorptionSpectroscopy：热脱附谱)分析中换算为氧原子的氧的脱离量为1.0×1018atoms/cm3以上，优选为1.0×1019atoms/cm3以上，进一步优选为2.0×1019atoms/cm3以上，或者3.0×1020atoms/cm3以上的氧化物膜。另外，进行上述TDS分析时的膜的表面温度优选在100℃以上且700℃以下，或者100℃以上且400℃以下的范围内。
当绝缘体524具有过剩氧区域时，绝缘体522优选具有抑制氧(例如，氧原子、氧分子等)的扩散的功能(不容易使上述氧透过)。
当绝缘体522具有抑制氧或杂质的扩散的功能时，氧化物530所包含的氧不扩散到绝缘体520一侧，所以是优选的。另外，可以抑制导电体503与绝缘体524或氧化物530所包含的氧起反应。
作为绝缘体522，例如优选使用包含氧化铝、氧化铪、含有铝及铪的氧化物(铝酸铪)、氧化钽、氧化锆、锆钛酸铅(PZT)、钛酸锶(SrTiO3)或(Ba，Sr)TiO3(BST)等所谓的high-k材料的绝缘体的单层或叠层。当进行晶体管的微型化及高集成化时，由于栅极绝缘膜的薄膜化，有时发生泄漏电流等问题。通过作为被用作栅极绝缘膜的绝缘体使用high-k材料，可以在保持物理厚度的同时降低晶体管工作时的栅极电位。
尤其是，优选使用作为具有抑制杂质及氧等的扩散的功能(不容易使上述氧透过)的绝缘材料的包含铝和铪中的一方或双方的氧化物的绝缘体。作为包含铝和铪中的一方或双方的氧化物的绝缘体，优选使用氧化铝、氧化铪、包含铝及铪的氧化物(铝酸铪)等。当使用这种材料形成绝缘体522时，绝缘体522被用作抑制氧从氧化物530释放或氢等杂质从晶体管500的周围部进入氧化物530的层。
或者，例如也可以对上述绝缘体添加氧化铝、氧化铋、氧化锗、氧化铌、氧化硅、氧化钛、氧化钨、氧化钇、氧化锆。此外，也可以对上述绝缘体进行氮化处理。还可以在上述绝缘体上层叠氧化硅、氧氮化硅或氮化硅。
绝缘体520优选具有热稳定性。例如，因为氧化硅及氧氮化硅具有热稳定性，所以是优选的。另外，通过high-k材料的绝缘体与氧化硅或氧氮化硅组合，可以形成具有热稳定性且相对介电常数高的叠层结构的绝缘体520、绝缘体526。
在图13A及图13B的晶体管500中，作为由三层叠层结构构成的第二栅极绝缘膜使用绝缘体520、绝缘体522及绝缘体524，但是第二栅极绝缘膜也可以具有单层、两层或四层以上的叠层结构。此时，不局限于使用相同材料构成的叠层结构，也可以是使用不同材料形成的叠层结构。
在晶体管500中，优选将被用作氧化物半导体的金属氧化物用于包含沟道形成区域的氧化物530。例如，作为氧化物530优选使用In-M-Zn氧化物(元素M为选自铝、镓、钇、铜、钒、铍、硼、钛、铁、镍、锗、锆、钼、镧、铈、钕、铪、钽、钨和镁等中的一种或多种)等金属氧化物。尤其是，能够应用于氧化物530的In-M-Zn氧化物优选为后述的CAAC-OS或CAC-OS。此外，作为氧化物530，也可以使用In-Ga氧化物、In-Zn氧化物。
作为在氧化物530中被用作沟道形成区域的金属氧化物，优选使用其带隙为2eV以上，优选为2.5eV以上的金属氧化物。如此，通过使用带隙较宽的金属氧化物，可以减小晶体管的关态电流。
在氧化物530中，当氧化物530b之下设置有氧化物530a时，可以防止杂质从形成在氧化物530a下的结构物扩散到氧化物530b。当氧化物530b之上设置有氧化物530c时，可以防止杂质从形成在氧化物530c的上方的结构物扩散到氧化物530b。
另外，氧化物530优选具有各金属原子的原子个数比互不相同的氧化物的叠层结构。具体而言，用于氧化物530a的金属氧化物的构成元素中的元素M的原子个数比优选大于用于氧化物530b的金属氧化物的构成元素中的元素M的原子个数比。另外，用于氧化物530a的金属氧化物中的相对于In的元素M的原子个数比优选大于用于氧化物530b的金属氧化物中的相对于In的元素M的原子个数比。另外，用于氧化物530b的金属氧化物中的相对于元素M的In的原子个数比优选大于用于氧化物530a的金属氧化物中的相对于元素M的In的原子个数比。另外，氧化物530c可以使用可用于氧化物530a或氧化物530b的金属氧化物。
优选的是，使氧化物530a及氧化物530c的导带底的能量高于氧化物530b的导带底的能量。换言之，氧化物530a及氧化物530c的电子亲和势优选小于氧化物530b的电子亲和势。
在此，在氧化物530a、氧化物530b及氧化物530c的接合部中，导带底的能级平缓地变化。换言之，也可以将上述情况表达为氧化物530a、氧化物530b及氧化物530c的接合部的导带底的能级连续地变化或者连续地接合。为此，优选降低形成在氧化物530a与氧化物530b的界面以及氧化物530b与氧化物530c的界面的混合层的缺陷态密度。
具体而言，通过使氧化物530a与氧化物530b、以及氧化物530b与氧化物530c除了氧之外包含共同元素(为主要成分)，可以形成缺陷态密度低的混合层。例如，在氧化物530b为In-Ga-Zn氧化物的情况下，作为氧化物530a及氧化物530c优选使用In-Ga-Zn氧化物、Ga-Zn氧化物及氧化镓等。
此时，载流子的主要路径为氧化物530b。通过使氧化物530a及氧化物530c具有上述结构，可以降低氧化物530a与氧化物530b的界面及氧化物530b与氧化物530c的界面的缺陷态密度。因此，界面散射对载流子传导的影响减少，可以提高晶体管500的通态电流。
氧化物530b上设置有被用作源电极及漏电极的导电体542a及导电体542b。作为导电体542a及导电体542b，优选使用选自铝、铬、铜、银、金、铂、钽、镍、钛、钼、钨、铪、钒、铌、锰、镁、锆、铍、铟、钌、铱、锶和镧中的金属元素、以上述金属元素为成分的合金或者组合上述金属元素的合金等。例如，优选使用氮化钽、氮化钛、钨、包含钛和铝的氮化物、包含钽和铝的氮化物、氧化钌、氮化钌、包含锶和钌的氧化物、包含镧和镍的氧化物等。另外，氮化钽、氮化钛、包含钛和铝的氮化物、包含钽和铝的氮化物、氧化钌、氮化钌、包含锶和钌的氧化物、包含镧和镍的氧化物是不容易氧化的导电材料或者吸收氧也维持导电性的材料，所以是优选的。再者，氮化钽等金属氮化物膜对氢或氧具有阻挡性，所以是优选的。
此外，虽然在图13中示出单层结构的导电体542a及导电体542b，但是也可以采用两层以上的叠层结构。例如，优选层叠氮化钽膜及钨膜。另外，也可以层叠钛膜及铝膜。另外，也可以采用在钨膜上层叠铝膜的两层结构、在铜-镁-铝合金膜上层叠铜膜的两层结构、在钛膜上层叠铜膜的两层结构、在钨膜上层叠铜膜的两层结构。
另外，也可以使用：在钛膜或氮化钛膜上层叠铝膜或铜膜并在其上形成钛膜或氮化钛膜的三层结构、在钼膜或氮化钼膜上层叠铝膜或铜膜并在其上形成钼膜或氮化钼膜的三层结构等。另外，也可以使用包含氧化铟、氧化锡或氧化锌的透明导电材料。
另外，如图13A所示，有时在氧化物530与导电体542a(导电体542b)的界面及其附近作为低电阻区域形成有区域543a及区域543b。此时，区域543a被用作源区域和漏区域中的一个，区域543b被用作源区域和漏区域中的另一个。此外，沟道形成区域形成在夹在区域543a和区域543b之间的区域中。
通过以与氧化物530接触的方式形成上述导电体542a(导电体542b)，区域543a(区域543b)的氧浓度有时降低。另外，在区域543a(区域543b)中有时形成包括包含在导电体542a(导电体542b)中的金属及氧化物530的成分的金属化合物层。在此情况下，区域543a(区域543b)的载流子浓度增加，区域543a(区域543b)成为低电阻区域。
绝缘体544以覆盖导电体542a及导电体542b的方式设置，抑制导电体542a及导电体542b的氧化。此时，绝缘体544也可以以覆盖氧化物530的侧面且与绝缘体524接触的方式设置。
作为绝缘体544，可以使用包含选自铪、铝、镓、钇、锆、钨、钛、钽、镍、锗、钕、镧和镁等中的一种或两种以上的金属氧化物。另外，作为绝缘体544也可以使用氮氧化硅或氮化硅等。
尤其是，作为绝缘体544，优选使用作为包含铝和铪中的一方或双方的氧化物的绝缘体的氧化铝、氧化铪、包含铝及铪的氧化物(铝酸铪)等。尤其是，铝酸铪的耐热性比氧化铪膜高。因此，在后面的工序的热处理中不容易晶化，所以是优选的。另外，在导电体542a及导电体542b是具有耐氧化性的材料或者吸收氧也其导电性不会显著降低的情况下，不需要必须设置绝缘体544。根据所需要的晶体管特性，适当地设计即可。
通过包括绝缘体544，可以抑制绝缘体580所包含的水及氢等杂质经过氧化物530c、绝缘体550扩散到氧化物530b。此外，可以抑制绝缘体580所包含的过剩氧使导电体560氧化。
另外，绝缘体550被用作第一栅极绝缘膜。绝缘体550优选以与氧化物530c的内侧(上面及侧面)接触的方式配置。与上述绝缘体524同样，绝缘体550优选使用包含过量氧且通过加热释放氧的绝缘体形成。
具体而言，可以使用包含过剩氧的氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、添加有氟的氧化硅、添加有碳的氧化硅、添加有碳及氮的氧化硅、具有空孔的氧化硅。尤其是，氧化硅及氧氮化硅具有热稳定性，所以是优选的。
通过作为绝缘体550以与氧化物530c的顶面接触的方式设置通过加热而释放氧的绝缘体，可以有效地从绝缘体550通过氧化物530c对氧化物530b的沟道形成区域供应氧。此外，与绝缘体524同样，优选降低绝缘体550中的水或氢等杂质的浓度。绝缘体550的厚度优选为1nm以上且20nm以下。
另外，为了将绝缘体550所包含的过剩氧高效地供应到氧化物530，也可以在绝缘体550与导电体560之间设置金属氧化物。该金属氧化物优选抑制从绝缘体550到导电体560的氧扩散。通过设置抑制氧的扩散的金属氧化物，从绝缘体550到导电体560的过剩氧的扩散得到抑制。换言之，可以抑制供应到氧化物530的过剩氧的减少。另外，可以抑制因过剩氧导致的导电体560的氧化。作为该金属氧化物，可以使用可用于绝缘体544的材料。
另外，与第二栅极绝缘膜同样，绝缘体550也可以具有叠层结构。当进行晶体管的微型化及高集成化时，由于栅极绝缘膜的薄膜化，有时发生泄漏电流等问题，所以通过使被用作栅极绝缘膜的绝缘体具有high-k材料与具有热稳定性的材料的叠层结构，可以在保持物理厚度的同时降低晶体管工作时的栅极电位。此外，可以实现具有热稳定性及高相对介电常数的叠层结构。
在图13A及图13B中，被用作第一栅电极的导电体560具有两层结构，但是也可以具有单层结构或三层以上的叠层结构。
作为导电体560a，优选使用具有抑制氢原子、氢分子、水分子、氮原子、氮分子、氧化氮分子(N2O、NO、NO2等)、铜原子等杂质的扩散的功能的导电材料。另外，优选使用具有抑制氧(例如，氧原子、氧分子等中的至少一个)的扩散的功能的导电材料。通过使导电体560a具有抑制氧的扩散的功能，可以抑制因绝缘体550所包含的氧导致导电体560b氧化而导电率下降。作为具有抑制氧的扩散的功能的导电材料，例如，优选使用钽、氮化钽、钌或氧化钌等。另外，作为导电体560a可以使用能够应用于氧化物530的氧化物半导体。此时，通过使用溅射法形成导电体560b，可以降低导电体560a的电阻值而使其成为导电体。可以将该导电体称为OC(OxideConductor)电极。
作为导电体560b，优选使用以钨、铜或铝为主要成分的导电材料。由于导电体560b还被用作布线，所以优选使用导电性高的导电体。例如，可以使用以钨、铜或铝为主要成分的导电材料。导电体560b也可以具有叠层结构，例如，可以采用钛或者氮化钛和上述导电材料的叠层结构。
绝缘体580优选隔着绝缘体544设置在导电体542a及导电体542b上。绝缘体580优选具有过剩氧区域。例如，绝缘体580优选包含氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、添加有氟的氧化硅、添加有碳的氧化硅、添加有碳及氮的氧化硅、具有空孔的氧化硅或树脂等。尤其是，氧化硅及氧氮化硅具有热稳定性，所以是优选的。尤其是，氧化硅和具有空孔的氧化硅容易在后面的工序中形成过剩氧区域，所以是优选的。
绝缘体580优选具有过剩氧区域。通过以与氧化物530c接触的方式设置通过加热而释放氧的绝缘体580，可以将绝缘体580中的氧通过氧化物530c高效地供应给氧化物530。另外，优选降低绝缘体580中的水或氢等杂质的浓度。
绝缘体580的开口以与导电体542a和导电体542b之间的区域重叠的方式形成。由此，导电体560填埋于绝缘体580的开口中及夹在导电体542a与导电体542b之间的区域中。
在进行半导体装置的微型化时，需要缩短栅极长度，但是需要防止导电体560的导电性的下降。为此，在增大导电体560的厚度的情况下，导电体560有可能具有纵横比高的形状。在本实施方式中，由于将导电体560填埋于绝缘体580的开口，所以即使导电体560具有纵横比高的形状，在工序中也不发生导电体560的倒塌。
绝缘体574优选以与绝缘体580的顶面、导电体560的顶面及绝缘体550的顶面接触的方式设置。通过利用溅射法形成绝缘体574，可以在绝缘体550及绝缘体580中形成过剩氧区域。由此，可以将氧从该过剩氧区域供应到氧化物530中。
例如，作为绝缘体574，可以使用包含选自铪、铝、镓、钇、锆、钨、钛、钽、镍、锗和镁等中的一种或两种以上的金属氧化物。
尤其是，氧化铝具有高阻挡性，即使是0.5nm以上且3.0nm以下的薄膜，也可以抑制氢及氮的扩散。由此，通过利用溅射法形成的氧化铝可以在被用作氧供应源的同时还具有氢等杂质的阻挡膜的功能。
另外，优选在绝缘体574上设置被用作层间膜的绝缘体581。与绝缘体524等同样，优选降低绝缘体581中的水或氢等杂质的浓度。
另外，在形成于绝缘体581、绝缘体574、绝缘体580及绝缘体544中的开口配置导电体540a及导电体540b。导电体540a及导电体540b以隔着导电体560彼此对置的方式设置。导电体540a及导电体540b具有与后面说明的导电体546及导电体548同样的结构。
绝缘体581上设置有绝缘体582。绝缘体582优选使用对氧或氢具有阻挡性的物质。因此，作为绝缘体582可以使用与绝缘体514同样的材料。例如，作为绝缘体582优选使用氧化铝、氧化铪、氧化钽等金属氧化物。
尤其是，氧化铝的不使氧及导致晶体管的电特性变动的氢、水分等杂质透过的阻挡效果高。因此，在晶体管的制造工序中及制造工序之后，氧化铝可以防止氢、水分等杂质进入晶体管500中。此外，氧化铝可以抑制氧从构成晶体管500的氧化物释放。因此，氧化铝适合用于晶体管500的保护膜。
此外，绝缘体582上设置有绝缘体586。作为绝缘体586可以使用与绝缘体320同样的材料。此外，通过将介电常数较低的材料用于上述绝缘体，可以减少产生在布线之间的寄生电容。例如，作为绝缘体586，可以使用氧化硅膜及氧氮化硅膜等。
此外，在绝缘体520、绝缘体522、绝缘体524、绝缘体544、绝缘体580、绝缘体574、绝缘体581、绝缘体582及绝缘体586中埋入导电体546及导电体548等。
导电体546及导电体548被用作与电容器800、晶体管500或晶体管300连接的插头或布线。导电体546及导电体548可以使用与导电体328及导电体330同样的材料形成。
接着，晶体管500的上方设置有电容器800。电容器800包括导电体810、导电体820及绝缘体830。
此外，也可以在导电体546及导电体548上设置导电体812。导电体812被用作与晶体管500连接的插头或者布线。导电体810被用作电容器800的电极。此外，可以同时形成导电体812及导电体810。
作为导电体812及导电体810可以使用包含选自钼、钛、钽、钨、铝、铜、铬、钕、钪中的元素的金属膜或以上述元素为成分的金属氮化物膜(氮化钽膜、氮化钛膜、氮化钼膜、氮化钨膜)等。或者，也可以使用铟锡氧化物、包含氧化钨的铟氧化物、包含氧化钨的铟锌氧化物、包含氧化钛的铟氧化物、包含氧化钛的铟锡氧化物、铟锌氧化物、添加有氧化硅的铟锡氧化物等导电材料。
在图11中，导电体812及导电体810具有单层结构，但是不局限于此，也可以具有两层以上的叠层结构。例如，也可以在具有阻挡性的导电体与导电性高的导电体之间形成与具有阻挡性的导电体以及导电性高的导电体紧密性高的导电体。
以隔着绝缘体830重叠于导电体810的方式设置导电体820。作为导电体820可以使用金属材料、合金材料、金属氧化物材料等导电材料。优选使用兼具耐热性和导电性的钨或钼等高熔点材料，尤其优选使用钨。当与导电体等其他构成要素同时形成导电体820时，使用低电阻金属材料的Cu(铜)或Al(铝)等即可。
导电体820及绝缘体830上设置有绝缘体840。绝缘体840可以使用与绝缘体320同样的材料形成。此外，绝缘体840可以被用作覆盖其下方的凹凸形状的平坦化膜。
通过采用本结构，在使用包含氧化物半导体的晶体管的半导体装置中，可以在抑制电特性的变动的同时提高可靠性。另外，可以实现使用包含氧化物半导体的晶体管的存储装置、运算装置等的微型化或高集成化。
[金属氧化物]
以下，对可用于晶体管的形成沟道的半导体层(氧化物530)的金属氧化物进行说明。
另外，在本说明书等中，有时将包含氮的金属氧化物称为金属氧化物(metaloxide)。此外，也可以将包含氮的金属氧化物称为金属氧氮化物(metal oxynitride)。例如，也可以将锌氧氮化物(ZnON)等含有氮的金属氧化物用于半导体层。
在本说明书等中，有时记载CAAC(c-axis aligned crystal)或CAC(Cloud-Aligned Composite)。CAAC是指结晶结构的一个例子，CAC是指功能或材料构成的一个例子。
例如，作为半导体层，可以使用CAC(Cloud-Aligned Composite)-OS。
CAC-OS或CAC-metal oxide在材料的一部分中具有导电性的功能，在材料的另一部分中具有绝缘性的功能，作为材料的整体具有半导体的功能。此外，在将CAC-OS或CAC-metal oxide用于晶体管的半导体层的情况下，导电性的功能是使被用作载流子的电子(或空穴)流过的功能，绝缘性的功能是不使被用作载流子的电子流过的功能。通过导电性的功能和绝缘性的功能的互补作用，可以使CAC-OS或CAC-metal oxide具有开关功能(控制开启/关闭的功能)。通过在CAC-OS或CAC-metal oxide中使各功能分离，可以最大限度地提高各功能。
此外，CAC-OS或CAC-metal oxide包括导电性区域及绝缘性区域。导电性区域具有上述导电性的功能，绝缘性区域具有上述绝缘性的功能。此外，在材料中，导电性区域和绝缘性区域有时以纳米粒子级分离。另外，导电性区域和绝缘性区域有时在材料中不均匀地分布。此外，有时观察到其边缘模糊而以云状连接的导电性区域。
此外，在CAC-OS或CAC-metal oxide中，导电性区域和绝缘性区域有时以0.5nm以上且10nm以下，优选为0.5nm以上且3nm以下的尺寸分散在材料中。
此外，CAC-OS或CAC-metal oxide由具有不同带隙的成分构成。例如，CAC-OS或CAC-metal oxide由具有起因于绝缘性区域的宽隙的成分及具有起因于导电性区域的窄隙的成分构成。在该结构中，当使载流子流过时，载流子主要在具有窄隙的成分中流过。此外，具有窄隙的成分与具有宽隙的成分互补作用，与具有窄隙的成分联动地在具有宽隙的成分中载流子流过。因此，在将上述CAC-OS或CAC-metal oxide用于晶体管的沟道形成区域时，在晶体管的导通状态中可以得到高电流驱动力，即大通态电流及高场效应迁移率。
就是说，也可以将CAC-OS或CAC-metal oxide称为基质复合材料(matrixcomposite)或金属基质复合材料(metal matrix composite)。
氧化物半导体(金属氧化物)被分为单晶氧化物半导体和非单晶氧化物半导体。作为非单晶氧化物半导体例如有CAAC-OS(c-axis aligned crystalline oxidesemiconductor)、多晶氧化物半导体、nc-OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、a-like OS(amorphous-like oxide semiconductor)及非晶氧化物半导体等。
CAAC-OS具有c轴取向性，其多个纳米晶在a-b面方向上连结而结晶结构具有畸变。畸变是指在多个纳米晶连结的区域中晶格排列一致的区域与其他晶格排列一致的区域之间的晶格排列的方向变化的部分。
纳米晶基本上为六角形，但是不局限于正六角形，有时为非正六角形。另外，纳米晶有时在畸变中具有五角形或七角形等晶格排列。另外，在CAAC-OS中，即使在畸变附近也难以观察明确的晶界(grain boundary)。即，可知由于晶格排列畸变，可抑制晶界的形成。这是由于CAAC-OS因为a-b面方向上的氧原子排列的低密度或因金属元素被取代而使原子间的键合距离产生变化等而能够包容畸变。
CAAC-OS有具有层状结晶结构(也称为层状结构)的倾向，在该层状结晶结构中层叠有包含铟及氧的层(下面称为In层)和包含元素M、锌及氧的层(下面称为(M，Zn)层)。另外，铟和元素M彼此可以取代，在用铟取代(M，Zn)层中的元素M的情况下，也可以将该层表示为(In，M，Zn)层。另外，在用元素M取代In层中的铟的情况下，也可以将该层表示为(In，M)层。
CAAC-OS是结晶性高的金属氧化物。另一方面，在CAAC-OS中不容易观察明确的晶界，因此不容易发生起因于晶界的电子迁移率的下降。此外，金属氧化物的结晶性有时因杂质的进入或缺陷的生成等而降低，因此可以说CAAC-OS是杂质或缺陷(氧空位(也称为VO(：oxygen vacancy))等)少的金属氧化物。因此，包含CAAC-OS的金属氧化物的物理性质稳定。因此，具有CAAC-OS的金属氧化物具有耐热性及高可靠性。
在nc-OS中，微小的区域(例如1nm以上且10nm以下的区域，特别是1nm以上且3nm以下的区域)中的原子排列具有周期性。另外，nc-OS在不同的纳米晶之间观察不到结晶取向的规律性。因此，在膜整体中观察不到取向性。所以，有时nc-OS在某些分析方法中与a-likeOS或非晶氧化物半导体没有差别。
另外，在包含铟、镓和锌的金属氧化物的一种的铟-镓-锌氧化物(以下，IGZO)有时在由上述纳米晶构成时具有稳定的结构。尤其是，IGZO有在大气中不容易进行晶体生长的倾向，所以有时与在IGZO由大结晶(在此，几mm的结晶或者几cm的结晶)形成时相比在IGZO由小结晶(例如，上述纳米结晶)形成时在结构上稳定。
a-like OS是具有介于nc-OS与非晶氧化物半导体之间的结构的金属氧化物。a-like OS包含空洞或低密度区域。也就是说，a-like OS的结晶性比nc-OS及CAAC-OS的结晶性低。
氧化物半导体(金属氧化物)具有各种结构及各种特性。本发明的一个方式的氧化物半导体也可以包括非晶氧化物半导体、多晶氧化物半导体、a-like OS、nc-OS、CAAC-OS中的两种以上。
用作半导体层的金属氧化物膜可以使用非活性气体和氧气体中的任一个或两个形成。注意，对形成金属氧化物膜时的氧流量比(氧分压)没有特别的限制。但是，在要获得场效应迁移率高的晶体管的情况下，形成金属氧化物膜时的氧流量比(氧分压)优选为0％以上且30％以下，更优选为5％以上且30％以下，进一步优选为7％以上且15％以下。另一方面，在要获得结晶性高的金属氧化物膜的情况下，氧流量比(氧分压)越高越优选，例如氧流量比(氧分压)优选为30％以上且100％以下，更优选为50％以上且100％以下，进一步优选为60％以上且100％以下。
金属氧化物的能隙优选为2eV以上，更优选为2.5eV以上，进一步优选为3eV以上。如此，通过使用能隙宽的金属氧化物，可以减少晶体管的关态电流。
形成金属氧化物膜时的衬底温度优选为350℃以下，更优选为室温以上且200℃以下，进一步优选为室温以上且130℃以下。形成金属氧化物膜时的衬底温度优选为室温，由此可以提高生产率。另一方面，形成金属氧化物膜时的温度越高，越可以提高结晶性。
金属氧化物膜可以通过溅射法形成。除此之外，例如还可以利用PLD法、PECVD法、热CVD法、ALD法、真空蒸镀法等。
另外，优选使用载流子密度低的金属氧化物。在降低金属氧化物的载流子密度的情况下，降低金属氧化物中的杂质浓度而降低缺陷态密度即可。在本说明书等中，将杂质浓度低且缺陷态密度低的状态称为“高纯度本征”或“实质上高纯度本征”。作为金属氧化物中的杂质例如有氢、氮、碱金属、碱土金属、铁、镍、硅等。
尤其是，包含在金属氧化物中的氢与键合于金属原子的氧起反应生成水，因此有时在金属氧化物中形成氧缺陷。当金属氧化物中的沟道形成区域中包括氧空位时，晶体管有时具有常开启特性。再者，有时氢进入氧空位中而成的缺陷被用作供体而生成作为载流子的电子。此外，氢的一部分键合到与金属原子键合的氧而生成作为载流子的电子。因此，使用包含多量氢的金属氧化物的晶体管容易具有常开启特性。
氢进入氧缺陷的缺陷会用作金属氧化物的供体。然而，难以定量地评价该缺陷。于是，在金属氧化物中，有时不是使用供体浓度而是使用载流子浓度进行评价。因此，在本说明书等中，作为金属氧化物的参数，有时不是使用供体浓度而是使用假定不施加电场的状态下的载流子浓度。换言之，本说明书等所记载的“载流子浓度”有时也可以称为“供体浓度”。
因此，优选尽量减少金属氧化物中的氢。具体而言，在金属氧化物中，利用二次离子质谱(SIMS：Secondary Ion Mass Spectrometry)测得的氢浓度低于1×1020atoms/cm3，优选低于1×1019atoms/cm3，更优选低于5×1018atoms/cm3，进一步优选低于1×1018atoms/cm3。通过将氢等杂质被充分降低的金属氧化物用于晶体管的沟道形成区域，可以使晶体管具有稳定的电特性。
另外，金属氧化物的沟道形成区域中的载流子浓度优选为1×1018cm-3以下，更优选小于1×1017cm-3，进一步优选小于1×1016cm-3，更进一步优选小于1×1013cm-3，还进一步优选小于1×1012cm-3。注意，对金属氧化物的沟道形成区域中的载流子浓度的下限值没有特别的限制，例如可以设定为1×10-9cm-3。
本实施方式的至少一部分可以与本说明书所记载的其他实施方式适当地组合而实施。
[符号说明]
10、10a至d：测定装置、11：控制部、12：时序电路部、13、13a、13b：发送部、14、14a、14b：接收部、15：显示部、15a、15b：选择电路、21：存储部、21D：存储部、22：运算部、31、31a、31b：脉冲信号生成部、32、32a、32b、35、35a、35b：放大部、36：模拟数字转换部、40：探针、41、41a、41b：压电元件、51：超声波、52：反射波、61：像素部、62：源极驱动器电路、63：栅极驱动器电路、64：时序电路、71：顺序电路、72:电平移位电路、75：像素、80：检查材料、81：伤、100a、100b：测定装置、101：框体、102：显示部、103：操作按钮、104：保护构件、105：支撑构件、107：连接电缆、110a、110b、110c：探针、111、111a、111b：振荡器、112：外壳、113：接触部、114：端子部、115：布线、116：减震器、117：传达构件、118：吸音构件、119：音响隔离构件、121：音响延迟构件

Claims (10)

1.一种测定装置，包括：
发送部；
接收部；
控制部；以及
显示部，
其中，所述控制部包括存储部及运算部，
所述发送部具有输出用来在探针中产生超声波的脉冲信号的功能，
所述接收部具有根据从所述探针输入的输入信号生成具有第一模拟数据的第一信号并将其输出到所述控制部的功能，
所述存储部具有容纳所述第一模拟数据的功能，
所述运算部具有根据所述存储部所保持的所述第一模拟数据生成向所述显示部输出的图像信号的功能，
并且，所述显示部具有根据所述图像信号显示图像的功能。
2.根据权利要求1所述的测定装置，
其中所述接收部包括放大部，
并且所述放大部具有放大所述输入信号的电位来生成所述第一模拟数据的电位的功能。
3.根据权利要求1或2所述的测定装置，还包括时序电路，
其中所述时序电路根据来自所述控制部的指令生成第一时序信号及第二时序信号，
所述发送部具有根据所述第一时序信号输出所述脉冲信号的功能，
并且所述接收部根据所述第二时序信号对从所述探针输入的信号进行采样来生成具有所述第一模拟数据的所述第一信号。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的测定装置，还包括第一信号选择部及多个所述发送部，
其中所述第一信号选择部具有选择从多个所述发送部输入的多个所述脉冲信号中的输出到所述探针的所述脉冲信号的功能。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的测定装置，还包括第二信号选择部，
其中所述第二信号选择部具有选择从所述探针输入的多个所述输入信号中的输入到所述接收部的所述输入信号的功能。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的测定装置，
其中所述显示部包括多个像素，
所述控制部所输出的所述图像信号具有与所述像素的坐标相关联的第二模拟数据，
并且所述第二模拟数据的电位与所述第一模拟数据的电位相等。
7.根据权利要求6所述的测定装置，
其中所述显示部包括电平移位电路，
并且所述电平移位电路具有对所述第二模拟数据的电位进行电平移位来生成向所述像素输入的电位的功能。
8.根据权利要求6或7所述的测定装置，
其中所述显示部具有根据所述第二模拟数据显示二维面分析图像的功能。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的测定装置，
其中所述存储部包括存储单元，
并且所述存储单元包括包含氧化物半导体的第一晶体管。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的测定装置，
其中所述运算部包括能够执行模拟运算的运算电路，
并且所述运算电路包括包含氧化物半导体的第二晶体管。
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