JP2015135961A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】導通時の電流値が大きいトランジスタを提供する。
【解決手段】過剰酸素を含む第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の第１の酸化物半導体と、第１の酸化物半導体上の第２の酸化物半導体と、第２の酸化物半導体上に間隔を開けて配置された第１の導電体および第２の導電体と、第１の酸化物半導体の側面、第２の酸化物半導体の上面および側面、第１の導電体の上面、ならびに第２の導電体の上面と接する第３の酸化物半導体と、第３の酸化物半導体上の第２の絶縁体と、第２の絶縁体および第３の酸化物半導体を介して、第２の酸化物半導体の上面および側面と面する第３の導電体と、を有し、第１の酸化物半導体は第３の酸化物半導体よりも酸素透過性が高い半導体装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または組成物（コンポジション・オブ・マター）に関する。特に、本発明は、例えば、半導体、半導体装置、表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、プロセッサに関する。または、半導体、半導体装置、表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、プロセッサの製造方法に関する。または、半導体装置、表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、プロセッサの駆動方法に関する。
なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。表示装置、発光装置、照明装置、電気光学装置、半導体回路および電子機器は、半導体装置を有する場合がある。
絶縁表面を有する基板上の半導体を用いて、トランジスタを構成する技術が注目されている。当該トランジスタは集積回路や表示装置のような半導体装置に広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体としてシリコン層が知られている。
トランジスタの半導体に用いられるシリコン層は、用途によって非晶質シリコン層と多結晶シリコン層とが使い分けられている。例えば、大型の表示装置を構成するトランジスタに適用する場合、大面積基板への成膜技術が確立されている非晶質シリコン層が好適である。一方、駆動回路を一体形成した高機能の表示装置を構成するトランジスタに適用する場合、高い電界効果移動度を有するトランジスタを作製可能な多結晶シリコン層が好適である。多結晶シリコン層は、非晶質シリコン層に対し高温での熱処理、またはレーザ光処理を行うことで形成する方法が知られる。
また、近年は、酸化物半導体が注目されている。酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、大型の表示装置を構成するトランジスタの半導体に用いることができる。また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、高い電界効果移動度を有するため、駆動回路を一体形成した高機能の表示装置を実現できる。また、非晶質シリコン層を用いたトランジスタの生産設備の一部を改良して利用することが可能であるため、設備投資を抑えられるメリットもある。
酸化物半導体を用いたトランジスタに安定した電気特性を与える方法として、酸化物半導体と接する絶縁体への酸素ドーピング技術が開示されている（特許文献１参照。）。特許文献１に開示された技術を用いることで、酸化物半導体中の酸素欠損を低減することができる。その結果、酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを低減し、信頼性を向上させることができる。
ところで、酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいことが知られている。例えば、酸化物半導体膜を用いたトランジスタのリーク特性を応用した低消費電力のＣＰＵなどが開示されている（特許文献２参照。）。
また、半導体膜からなる活性層で井戸型ポテンシャルを構成することにより、高い電界効果移動度を有するトランジスタが得られることが開示されている（特許文献３参照。）。
特開２０１１−２４３９７４号公報 特開２０１２−２５７１８７号公報 特開２０１２−５９８６０号公報
導通時の電流（オン電流）が大きいトランジスタを提供することを課題の一とする。または、非導通時の電流が小さいトランジスタを提供することを課題の一とする。または、電気特性の安定したトランジスタを提供することを課題の一とする。または、当該トランジスタを有する半導体装置を提供することを課題の一とする。または、丈夫な半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規な半導体装置を提供することを課題の一とする。
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
（１）
本発明の一態様は、過剰酸素を含む第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の第１の酸化物半導体と、第１の酸化物半導体上の第２の酸化物半導体と、第２の酸化物半導体上に間隔を開けて配置された第１の導電体および第２の導電体と、第２の酸化物半導体上、第１の導電体上および第２の導電体上の第２の絶縁体と、第２の絶縁体を介して、第２の酸化物半導体と面する第３の導電体と、を有し、第１の酸化物半導体は酸素を透過する性質を有する半導体装置である。
（２）
または、本発明の一態様は、過剰酸素を含む第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の第１の酸化物半導体と、第１の酸化物半導体上の第２の酸化物半導体と、第２の酸化物半導体上に間隔を開けて配置された第１の導電体および第２の導電体と、第１の酸化物半導体の側面、第２の酸化物半導体の上面および側面、第１の導電体の上面、ならびに第２の導電体の上面と接する第３の酸化物半導体と、第３の酸化物半導体上の第２の絶縁体と、第２の絶縁体および第３の酸化物半導体を介して、第２の酸化物半導体の上面および側面と面する第３の導電体と、を有し、第１の酸化物半導体は第３の酸化物半導体よりも酸素透過性が高い半導体装置である。
（３）
または、本発明の一態様は、過剰酸素を含む第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の第１の酸化物半導体と、第１の酸化物半導体上の第２の酸化物半導体と、第２の酸化物半導体上に間隔を開けて配置された第１の導電体および第２の導電体と、第１の酸化物半導体の側面、第２の酸化物半導体の上面および側面、第１の導電体の上面、ならびに第２の導電体の上面と接する第３の酸化物半導体と、第３の酸化物半導体上の第２の絶縁体と、第２の絶縁体および第３の酸化物半導体を介して、第２の酸化物半導体の上面および側面と面する第３の導電体と、を有し、第１の酸化物半導体は第３の酸化物半導体よりも密度が低い半導体装置である。
（４）
または、本発明の一態様は、過剰酸素を含む第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の第１の酸化物半導体と、第１の酸化物半導体上の第２の酸化物半導体と、第２の酸化物半導体上に間隔を開けて配置された第１の導電体および第２の導電体と、第１の酸化物半導体の側面、第２の酸化物半導体の上面および側面、第１の導電体の上面、ならびに第２の導電体の上面と接する第３の酸化物半導体と、第３の酸化物半導体上の第２の絶縁体と、第２の絶縁体および第３の酸化物半導体を介して、第２の酸化物半導体の上面および側面と面する第３の導電体と、を有し、第１の酸化物半導体は第３の酸化物半導体よりも結晶性が低い半導体装置である。
（５）
または、本発明の一態様は、（１）乃至（４）のいずれか一において、少なくとも、第１の絶縁体、第１の酸化物半導体、第２の酸化物半導体を覆う第３の絶縁体を有し、第３の絶縁体が酸素をブロックする機能を有する半導体装置である。
（６）
または、本発明の一態様は、（１）乃至（４）のいずれか一において、少なくとも、第１の絶縁体、第１の酸化物半導体、第２の酸化物半導体を覆う第３の絶縁体を有し、第３の絶縁体が水素をブロックする機能を有する半導体装置である。
（７）
または、本発明の一態様は、（１）乃至（６）のいずれか一において、第１の酸化物半導体は第２の酸化物半導体よりも電子親和力が小さい半導体装置である。
（８）
または、本発明の一態様は、（２）乃至（７）のいずれか一において、第３の酸化物半導体は第２の酸化物半導体よりも電子親和力が小さい半導体装置である。
（９）
または、本発明の一態様は、（１）乃至（８）のいずれか一において、第１の酸化物半導体は第２の酸化物半導体よりもエネルギーギャップが大きい半導体装置である。
（１０）
または、本発明の一態様は、（２）乃至（９）のいずれか一において、第３の酸化物半導体は第２の酸化物半導体よりもエネルギーギャップが大きい半導体装置である。
（１１）
または、本発明の一態様は、（１）乃至（１０）のいずれか一において、第１の絶縁体は、酸化シリコン層または酸化窒化シリコン層である半導体装置である。
（１２）
または、本発明の一態様は、（２）乃至（１１）のいずれか一において、第３の酸化物半導体は、酸素をブロックする機能を有する半導体装置である。
（１３）
または、本発明の一態様は、（１）乃至（１２）のいずれか一において、第２の絶縁体は、二次イオン質量分析法における水素濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満である領域を有する半導体装置である。
（１４）
または、本発明の一態様は、（２）乃至（１３）のいずれか一において、第３の酸化物半導体、第２の絶縁体および第３の導電体は、上面から見た端部の形状が同様である半導体装置である。
（１５）
または、本発明の一態様は、（１）乃至（１４）のいずれか一において、第２の酸化物半導体が過剰酸素を含む半導体装置である。
（１６）
または、本発明の一態様は、（１）乃至（１５）のいずれか一において、第３の絶縁体上に第４の絶縁体を有し、第４の絶縁体は、第２の酸化物半導体の有する領域よりも、二次イオン質量分析法における水素濃度が高い領域を有する半導体装置である。
なお、本発明の一態様に係る半導体装置において、酸化物半導体を他の半導体に置き換えても構わない。
導通時の電流が大きいトランジスタを提供することができる。または、非導通時の電流が小さいトランジスタを提供することができる。または、電気特性の安定したトランジスタを提供することができる。または、当該トランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、丈夫な半導体装置を提供することができる。または、新規な半導体装置を提供することができる。
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの断面を示す斜視図。 本発明の一態様に係るトランジスタの一部のバンド図および導通時の電流の経路を説明する図。 本発明の一態様に係るトランジスタの導通時の電子の流れを説明する図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を示す断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を示す断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を示す断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の回路図。 本発明の一態様に係る記憶装置の回路図。 本発明の一態様に係るＲＦタグのブロック図。 本発明の一態様に係るＲＦタグの使用例を示す図。 本発明の一態様に係るＣＰＵを示すブロック図。 本発明の一態様に係る記憶素子の回路図。 本発明の一態様に係る表示装置の上面図および回路図。 本発明の一態様に係る表示モジュールを説明する図。 本発明の一態様に係る電子機器を示す図。 ＣＡＡＣ−ＯＳの断面におけるＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像、およびＣＡＡＣ−ＯＳの断面模式図。 ＣＡＡＣ−ＯＳの平面におけるＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像。 ＣＡＡＣ−ＯＳおよび単結晶酸化物半導体のＸＲＤによる構造解析を説明する図。 Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物中の酸素の移動経路を説明する図。 成膜時の基板温度と上面の粗さとの関係を示す図。 成膜時の酸素ガス割合と上面の荒さとの関係を示す図。 成膜時の基板温度および酸素ガス割合とＸＲＤスペクトルの関係を示す図。 成膜時の酸素ガス割合とＣＡＡＣ化率との関係を示す図。 成膜時の基板温度および酸素ガス割合とＸＲＤスペクトルの関係を示す図。 成膜時の基板温度および成膜時の酸素ガス割合とＣＡＡＣに起因したＸＲＤ強度との関係を示す図。 成膜時の基板温度および成膜時の酸素ガス割合と膜密度との関係を示す図。 膜密度とＣＡＡＣに起因したＸＲＤ強度との関係を示す図。 １８Ｏの拡散を示すＳＩＭＳによる分析結果を示す図。 １８Ｏの拡散を示すＳＩＭＳによる分析結果を示す図。 １８Ｏの拡散長をＳＩＭＳの分析結果から解析する方法を説明する図。 膜密度と拡散長との関係を示す図。 トランジスタの電気特性を示す図。 トランジスタの電気特性を示す図。 トランジスタの電気特性を示す図。 トランジスタの電気特性を示す図。 トランジスタの電気特性を示す図。 ＣＡＡＣ−ＯＳの電子回折パターンを示す図。 Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。
本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。なお、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
なお、図において、大きさ、膜（層）の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。
また、電圧は、ある電位と、基準の電位（例えば接地電位（ＧＮＤ）またはソース電位）との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能である。
なお、第１、第２として付される序数詞は便宜的に用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」または「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。
なお、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分低い場合は「絶縁体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「絶縁体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「絶縁体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「絶縁体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。
また、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分高い場合は「導電体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「導電体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「導電体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「導電体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。
なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が０．１原子％未満の元素は不純物である。不純物が含まれることにより、例えば、半導体にＤＯＳ（Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅ）が形成されることや、キャリア移動度が低下することや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第１族元素、第２族元素、第１４族元素、第１５族元素、主成分以外の遷移金属などがあり、特に、例えば、水素（水にも含まれる）、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、例えば水素などの不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコンである場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１５族元素などがある。
なお、以下に示す実施の形態では、半導体が酸化物半導体である場合について説明するが、これに限定されるものではない。例えば、半導体として、多結晶構造、単結晶構造などのシリコン、ゲルマニウム、などを用いてもよい。または、歪みシリコンなどの歪みを有する半導体を用いてもよい。または、半導体として高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に適用可能なヒ化ガリウム、ヒ化アルミニウムガリウム、ヒ化インジウムガリウム、窒化ガリウム、リン化インジウム、シリコンゲルマニウムなどを用いてもよい。これらの半導体を用いることで、高速動作をすることに適したトランジスタとすることができる。
なお、本明細書において、Ａが濃度Ｂの領域を有する、と記載する場合、例えば、Ａのある領域における深さ方向全体の濃度がＢである場合、Ａのある領域における深さ方向の濃度の平均値がＢである場合、Ａのある領域における深さ方向の濃度の中央値がＢである場合、Ａのある領域における深さ方向の濃度の最大値がＢである場合、Ａのある領域における深さ方向の濃度の最小値がＢである場合、Ａのある領域における深さ方向の濃度の収束値がＢである場合、測定上Ａそのものの確からしい値の得られる領域における濃度がＢである場合などを含む。
また、本明細書において、Ａが大きさＢ、長さＢ、厚さＢ、幅Ｂまたは距離Ｂの領域を有する、と記載する場合、例えば、Ａのある領域における全体の大きさ、長さ、厚さ、幅、または距離がＢである場合、Ａのある領域における大きさ、長さ、厚さ、幅、または距離の平均値がＢである場合、Ａのある領域における大きさ、長さ、厚さ、幅、または距離の中央値がＢである場合、Ａのある領域における大きさ、長さ、厚さ、幅、または距離の最大値がＢである場合、Ａのある領域における大きさ、長さ、厚さ、幅、または距離の最小値がＢである場合、Ａのある領域における大きさ、長さ、厚さ、幅、または距離の収束値がＢである場合、測定上Ａそのものの確からしい値の得られる領域での大きさ、長さ、厚さ、幅、または距離がＢである場合などを含む。
＜トランジスタの構造＞
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタの構造について説明する。
＜トランジスタ構造１＞
図１（Ａ）および図１（Ｂ）は、本発明の一態様のトランジスタの上面図および断面図である。図１（Ａ）は上面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２、および一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図１（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。
また、図２は、図１に示すトランジスタのＡ１−Ａ２断面を示す斜視図である。図２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。
図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すトランジスタは、基板４００上の導電体４１３と、基板４００上および導電体４１３上の凸部を有する絶縁体４０２と、絶縁体４０２の凸部上の半導体４０６ａと、半導体４０６ａ上の半導体４０６ｂと、半導体４０６ｂの上面および側面と接し、間隔を開けて配置された導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂと、半導体４０６ｂ上、導電体４１６ａ上および導電体４１６ｂ上の半導体４０６ｃと、半導体４０６ｃ上の絶縁体４１２と、絶縁体４１２上の導電体４０４と、導電体４１６ａ上、導電体４１６ｂ上および導電体４０４上の絶縁体４０８と、絶縁体４０８上の絶縁体４１８と、を有する。
なお、半導体４０６ｃは、Ａ３−Ａ４断面において、少なくとも半導体４０６ｂの上面および側面と接する。また、導電体４０４は、Ａ３−Ａ４断面において、半導体４０６ｃおよび絶縁体４１２を介して半導体４０６ｂの上面および側面と面する。また、導電体４１３は、絶縁体４０２を介して半導体４０６ｂの下面と面する。また、絶縁体４０２が凸部を有さなくても構わない。また、半導体４０６ｃを有さなくても構わない。また、絶縁体４０８を有さなくても構わない。また、絶縁体４１８を有さなくても構わない。
なお、半導体４０６ｂは、トランジスタのチャネル形成領域としての機能を有する。また、導電体４０４は、トランジスタの第１のゲート電極（フロントゲート電極ともいう。）としての機能を有する。また、導電体４１３は、トランジスタの第２のゲート電極（バックゲート電極ともいう。）としての機能を有する。また、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂは、トランジスタのソース電極およびドレイン電極としての機能を有する。また、絶縁体４０８は、バリア層としての機能を有する。絶縁体４０８は、例えば、酸素または／および水素をブロックする機能を有する。または、絶縁体４０８は、例えば、半導体４０６ａまたは／および半導体４０６ｃよりも、酸素または／および水素をブロックする能力が高い。
なお、絶縁体４０２は過剰酸素を含む絶縁体である。
例えば、過剰酸素を含む絶縁体は、加熱処理によって酸素を放出する機能を有する絶縁体である。例えば、過剰酸素を含む酸化シリコン層は、加熱処理などによって酸素を放出することができる酸化シリコン層である。したがって、絶縁体４０２は膜中を酸素が移動可能な絶縁体である。即ち、絶縁体４０２は酸素透過性を有する絶縁体とすればよい。例えば、絶縁体４０２は、半導体４０６ａよりも酸素透過性の高い絶縁体とすればよい。
過剰酸素を含む絶縁体は、半導体４０６ｂ中の酸素欠損を低減させる機能を有する場合がある。半導体４０６ｂ中で酸素欠損は、ＤＯＳを形成し、正孔トラップなどとなる。また、酸素欠損のサイトに水素が入ることによって、キャリアである電子を生成することがある。したがって、半導体４０６ｂ中の酸素欠損を低減することで、トランジスタに安定した電気特性を付与することができる。
ここで、加熱処理によって酸素を放出する絶縁体は、昇温脱離ガス分光法（ＴＤＳ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて、１００℃以上７００℃以下または１００℃以上５００℃以下の表面温度の範囲で１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上または１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の酸素（酸素原子数換算）を放出することもある。
ここで、ＴＤＳ分析を用いた酸素の放出量の測定方法について、以下に説明する。
測定試料をＴＤＳ分析したときの気体の全放出量は、放出ガスのイオン強度の積分値に比例する。そして標準試料との比較により、気体の全放出量を計算することができる。
例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコン基板のＴＤＳ分析結果、および測定試料のＴＤＳ分析結果から、測定試料の酸素分子の放出量（ＮＯ２）は、下に示す式で求めることができる。ここで、ＴＤＳ分析で得られる質量電荷比３２で検出されるガスの全てが酸素分子由来と仮定する。ＣＨ３ＯＨの質量電荷比は３２であるが、存在する可能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体である質量数１７の酸素原子および質量数１８の酸素原子を含む酸素分子についても、自然界における存在比率が極微量であるため考慮しない。
ＮＯ２＝ＮＨ２／ＳＨ２×ＳＯ２×α
ＮＨ２は、標準試料から脱離した水素分子を密度で換算した値である。ＳＨ２は、標準試料をＴＤＳ分析したときのイオン強度の積分値である。ここで、標準試料の基準値を、ＮＨ２／ＳＨ２とする。ＳＯ２は、測定試料をＴＤＳ分析したときのイオン強度の積分値である。αは、ＴＤＳ分析におけるイオン強度に影響する係数である。上に示す式の詳細に関しては、特開平６−２７５６９７公報を参照する。なお、上記酸素の放出量は、電子科学株式会社製の昇温脱離分析装置ＥＭＤ−ＷＡ１０００Ｓ／Ｗを用い、標準試料として１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２の水素原子を含むシリコン基板を用いて測定した。
また、ＴＤＳ分析において、酸素の一部は酸素原子として検出される。酸素分子と酸素原子の比率は、酸素分子のイオン化率から算出することができる。なお、上述のαは酸素分子のイオン化率を含むため、酸素分子の放出量を評価することで、酸素原子の放出量についても見積もることができる。
なお、ＮＯ２は酸素分子の放出量である。酸素原子に換算したときの放出量は、酸素分子の放出量の２倍となる。
または、加熱処理によって酸素を放出する絶縁体は、過酸化ラジカルを含むこともある。具体的には、過酸化ラジカルに起因するスピン密度が、５×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以上であることをいう。なお、過酸化ラジカルを含む絶縁体は、ＥＳＲにて、ｇ値が２．０１近傍に非対称の信号を有することもある。
または、過剰酸素を含む絶縁体は、酸素が過剰な酸化シリコン（ＳｉＯＸ（Ｘ＞２））であってもよい。酸素が過剰な酸化シリコン（ＳｉＯＸ（Ｘ＞２））は、シリコン原子数の２倍より多い酸素原子を単位体積当たりに含むものである。単位体積当たりのシリコン原子数および酸素原子数は、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により測定した値である。
図１（Ｂ）に示すように、半導体４０６ｂの側面は、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂと接する。また、導電体４０４の電界によって、半導体４０６ｂを電気的に取り囲むことができる（導電体から生じる電界によって、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、半導体４０６ｂの全体（バルク）にチャネルが形成される場合がある。ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造では、トランジスタのソース−ドレイン間に大電流を流すことができ、導通時の電流を高くすることができる。
高いオン電流が得られるため、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、微細化されたトランジスタに適した構造といえる。トランジスタを微細化できるため、該トランジスタを有する半導体装置は、集積度の高い、高密度化された半導体装置とすることが可能となる。例えば、トランジスタは、チャネル長が好ましくは４０ｎｍ以下、さらに好ましくは３０ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以下の領域を有し、かつ、トランジスタは、チャネル幅が好ましくは４０ｎｍ以下、さらに好ましくは３０ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以下の領域を有する。
なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース（ソース領域またはソース電極）とドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
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。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。
なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅（以下、実効的なチャネル幅と呼ぶ。）と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅（以下、見かけ上のチャネル幅と呼ぶ。）と、が異なる場合がある。例えば、立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、半導体の上面に形成されるチャネル領域の割合に対して、半導体の側面に形成されるチャネル領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
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。
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。
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。
また、導電体４１３に、ソース電極よりも低い電圧または高い電圧を印加し、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向またはマイナス方向へ変動させてもよい。例えば、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で、ゲート電圧が０Ｖであってもトランジスタが非導通状態（オフ状態）となる、ノーマリーオフが実現できる場合がある。なお、導電体４１３に印加する電圧は、可変であってもよいし、固定であってもよい。導電体４１３に印加する電圧を可変にする場合、電圧を制御する回路を導電体４１３と電気的に接続してもよい。
以下では、半導体４０６ａ、半導体４０６ｂ、半導体４０６ｃなどに適用可能な酸化物半導体の構造について説明する。なお、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。また、本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。
＜酸化物半導体の構造について＞
以下では、酸化物半導体の構造について説明する。
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体とに分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、微結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体などがある。
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、微結晶酸化物半導体などがある。
＜ＣＡＡＣ−ＯＳ＞
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。なお、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。
ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向した複数の結晶部（ペレットともいう。）を有する酸化物半導体の一つである。
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ−ＯＳの明視野像と回折パターンとの複合解析像（高分解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察すると、複数のペレットを確認することができる。一方、高分解能ＴＥＭ像ではペレット同士の境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を明確に確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
以下では、ＴＥＭによって観察したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。図３１（Ａ）に、試料面と略平行な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの断面の高分解能ＴＥＭ像を示す。高分解能ＴＥＭ像の観察には、球面収差補正（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ Ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ）機能を用いた。球面収差補正機能を用いた高分解能ＴＥＭ像を、特にＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像と呼ぶ。Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像の取得は、例えば、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡ＪＥＭ−ＡＲＭ２００Ｆなどによって行うことができる。
図３１（Ａ）の領域（１）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を図３１（Ｂ）に示す。図３１（Ｂ）より、ペレットにおいて、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層の配列は、ＣＡＡＣ−ＯＳの膜を形成する面（被形成面ともいう。）または上面の凹凸を反映しており、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面または上面と平行となる。
図３１（Ｂ）に示すように、ＣＡＡＣ−ＯＳは特徴的な原子配列を有する。図３１（Ｃ）は、特徴的な原子配列を、補助線で示したものである。図３１（Ｂ）および図３１（Ｃ）より、ペレット一つの大きさは１ｎｍ以上３ｎｍ以下程度であり、ペレットとペレットとの傾きにより生じる隙間の大きさは０．８ｎｍ程度であることがわかる。したがって、ペレットを、ナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）と呼ぶこともできる。
ここで、Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像をもとに、基板５１２０上のＣＡＡＣ−ＯＳのペレット５１００の配置を模式的に示すと、レンガまたはブロックが積み重なったような構造となる（図３１（Ｄ）参照。）。図３１（Ｃ）で観察されたペレットとペレットとの間で傾きが生じている箇所は、図３１（Ｄ）に示す領域５１６１に相当する。
また、図３２（Ａ）に、試料面と略垂直な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの平面のＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を示す。図３２（Ａ）の領域（１）、領域（２）および領域（３）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を、それぞれ図３２（Ｂ）、図３２（Ｃ）および図３２（Ｄ）に示す。図３２（Ｂ）、図３２（Ｃ）および図３２（Ｄ）より、ペレットは、金属原子が三角形状、四角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なるペレット間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
次に、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、図３３（Ａ）に示すように回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳの結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳのｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析では、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる場合がある。２θが３６°近傍のピークは、ＣＡＡＣ−ＯＳ中の一部に、ｃ軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。より好ましいＣＡＡＣ−ＯＳは、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析では、２θが３１°近傍にピークを示し、２θが３６°近傍にピークを示さない。
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ｃ軸に略垂直な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、２θが５６°近傍にピークが現れる。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＣＡＡＣ−ＯＳの場合は、２θを５６°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）として試料を回転させながら分析（φスキャン）を行っても、図３３（Ｂ）に示すように明瞭なピークは現れない。これに対し、ＩｎＧａＺｎＯ４の単結晶酸化物半導体であれば、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合、図３３（Ｃ）に示すように（１１０）面と等価な結晶面に帰属されるピークが６本観察される。したがって、ＸＲＤを用いた構造解析から、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ａ軸およびｂ軸の配向が不規則であることが確認できる。
次に、電子回折によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、試料面に平行にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させると、図５２（Ａ）に示すような回折パターン（制限視野透過電子回折パターンともいう。）が現れる場合がある。この回折パターンには、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットがｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターンを図５２（Ｂ）に示す。図５２（Ｂ）より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットのａ軸およびｂ軸は配向性を有さないことがわかる。なお、図５２（Ｂ）における第１リングは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（０１０）面および（１００）面などに起因すると考えられる。また、図５２（Ｂ）における第２リングは（１１０）面などに起因すると考えられる。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、欠陥準位密度の低い酸化物半導体である。酸化物半導体の欠陥としては、例えば、不純物に起因する欠陥や、酸素欠損などがある。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳは、不純物濃度の低い酸化物半導体ということもできる。また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、酸素欠損の少ない酸化物半導体ということもできる。
酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラップとなる場合や、キャリア発生源となる場合がある。また、酸化物半導体中の酸素欠損は、キャリアトラップとなる場合や、水素を捕獲することによってキャリア発生源となる場合がある。
なお、不純物は、酸化物半導体の主成分以外の元素で、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。
また、欠陥準位密度の低い（酸素欠損が少ない）酸化物半導体は、キャリア密度を低くすることができる。そのような酸化物半導体を、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。ＣＡＡＣ−ＯＳは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い。即ち、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体となりやすい。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳを用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性（ノーマリーオンともいう。）になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体は、キャリアトラップが少ない。酸化物半導体のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。一方、ＣＡＡＣ−ＯＳを用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。
不純物および酸素欠損の少ないＣＡＡＣ−ＯＳは、キャリア密度の低い酸化物半導体である。具体的には、キャリア密度を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、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。ＣＡＡＣ−ＯＳは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い。即ち、安定な特性を有する酸化物半導体であるといえる。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは欠陥準位密度が低いため、光の照射などによって生成されたキャリアが、欠陥準位に捕獲されることが少ない。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳを用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。
＜微結晶酸化物半導体＞
次に、微結晶酸化物半導体について説明する。
微結晶酸化物半導体は、高分解能ＴＥＭ像において、結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。微結晶酸化物半導体に含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の大きさであることが多い。特に、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の微結晶であるナノ結晶を有する酸化物半導体を、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶ。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。
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、非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットよりも大きい径のＸ線を用いるＸＲＤ装置を用いて構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットよりも大きいプローブ径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子回折（制限視野電子回折ともいう。）を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットの大きさと近いかペレットより小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、ｎｃ−ＯＳに対しナノビーム電子回折を行うと、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される場合がある。さらに、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある。
このように、ペレット（ナノ結晶）間では結晶方位が規則性を有さないことから、ｎｃ−ＯＳを、ＲＡＮＣ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体、またはＮＡＮＣ（Ｎｏｎ−Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
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、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。
＜非晶質酸化物半導体＞
次に、非晶質酸化物半導体について説明する。
非晶質酸化物半導体は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶部を有さない酸化物半導体である。石英のような無定形状態を有する酸化物半導体が一例である。
非晶質酸化物半導体は、高分解能ＴＥＭ像において結晶部を確認することができない。
非晶質酸化物半導体に対し、ＸＲＤ装置を用いた構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、非晶質酸化物半導体に対し、電子回折を行うと、ハローパターンが観測される。また、非晶質酸化物半導体に対し、ナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測されず、ハローパターンのみが観測される。
非晶質構造については、様々な見解が示されている。例えば、原子配列に全く秩序性を有さない構造を完全な非晶質構造（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）と呼ぶ場合がある。また、最近接原子間距離または第２近接原子間距離まで秩序性を有し、かつ長距離秩序性を有さない構造を非晶質構造と呼ぶ場合もある。したがって、最も厳格な定義によれば、僅かでも原子配列に秩序性を有する酸化物半導体を非晶質酸化物半導体と呼ぶことはできない。また、少なくとも、長距離秩序性を有する酸化物半導体を非晶質酸化物半導体と呼ぶことはできない。よって、結晶部を有することから、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳおよびｎｃ−ＯＳを、非晶質酸化物半導体または完全な非晶質酸化物半導体と呼ぶことはできない。
＜非晶質ライク酸化物半導体＞
なお、酸化物半導体は、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する場合がある。そのような構造を有する酸化物半導体を、特に非晶質ライク酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶ。
ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において鬆（ボイドともいう。）が観察される場合がある。また、高分解能ＴＥＭ像において、明確に結晶部を確認することのできる領域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。
鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、不安定な構造である。以下では、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳが、ＣＡＡＣ−ＯＳおよびｎｃ−ＯＳと比べて不安定な構造であることを示すため、電子照射による構造の変化を示す。
電子照射を行う試料として、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ（試料Ａと表記する。）、ｎｃ−ＯＳ（試料Ｂと表記する。）およびＣＡＡＣ−ＯＳ（試料Ｃと表記する。）を準備する。いずれの試料もＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である。
まず、各試料の高分解能断面ＴＥＭ像を取得する。高分解能断面ＴＥＭ像により、各試料は、いずれも結晶部を有することがわかる。
なお、どの部分を一つの結晶部と見なすかの判定は、以下のように行えばよい。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の単位格子は、Ｉｎ−Ｏ層を３層有し、またＧａ−Ｚｎ−Ｏ層を６層有する、計９層がｃ軸方向に層状に重なった構造を有することが知られている。これらの近接する層同士の間隔は、（００９）面の格子面間隔（ｄ値ともいう。）と同程度であり、結晶構造解析からその値は０．２９ｎｍと求められている。したがって、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所を、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶部と見なすことができる。なお、格子縞は、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａ−ｂ面に対応する。
図５３は、各試料の結晶部（２２箇所から４５箇所）の平均の大きさを調査した例である。ただし、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図５３より、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなっていくことがわかる。具体的には、図５３中に（１）で示すように、ＴＥＭによる観察初期においては１．２ｎｍ程度の大きさだった結晶部（初期核ともいう。）が、累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２においては２．６ｎｍ程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射開始時から電子の累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２までの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。具体的には、図５３中の（２）および（３）で示すように、電子の累積照射量によらず、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳの結晶部の大きさは、それぞれ１．４ｎｍ程度および２．１ｎｍ程度であることがわかる。
このように、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、電子照射によって結晶部の成長が見られる場合がある。一方、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射による結晶部の成長がほとんど見られないことがわかる。即ち、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、不安定な構造であることがわかる。
また、鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて密度の低い構造である。具体的には、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の７８．６％以上９２．３％未満となる。また、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の９２．３％以上１００％未満となる。単結晶の密度の７８％未満となる酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、菱面体晶構造を有する単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４の密度は６．３５７ｇ／ｃｍ３となる。よって、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳの密度は５．０ｇ／ｃｍ３以上５．９ｇ／ｃｍ３未満となる。また、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は５．９ｇ／ｃｍ３以上６．３ｇ／ｃｍ３未満となる。
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合がある。その場合、任意の割合で組成の異なる単結晶を組み合わせることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もることができる。所望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を組み合わせて見積もることが好ましい。
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、微結晶酸化物半導体、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
以上が、半導体４０６ａ、半導体４０６ｂ、半導体４０６ｃなどに適用可能な酸化物半導体の構造である。
次に、半導体４０６ａ、半導体４０６ｂ、半導体４０６ｃなどに適用可能な半導体の、その他の要素について説明する。
半導体４０６ｂは、例えば、インジウムを含む酸化物半導体である。半導体４０６ｂは、例えば、インジウムを含むと、キャリア移動度（電子移動度）が高くなる。また、半導体４０６ｂ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、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステンなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。元素Ｍは、例えば、酸素との結合エネルギーが高い元素である。例えば、酸素との結合エネルギーがインジウムよりも高い元素である。または、元素Ｍは、例えば、酸化物半導体のエネルギーギャップを大きくする機能を有する元素である。また、半導体４０６ｂは、亜鉛を含むと好ましい。酸化物半導体は、亜鉛を含むと結晶化しやすくなる場合がある。
ただし、半導体４０６ｂは、インジウムを含む酸化物半導体に限定されない。半導体４０６ｂは、例えば、亜鉛スズ酸化物、ガリウムスズ酸化物などの、インジウムを含まず、亜鉛を含む酸化物半導体、ガリウムを含む酸化物半導体、スズを含む酸化物半導体などであっても構わない。
半導体４０６ｂは、例えば、エネルギーギャップが大きい酸化物を用いる。半導体４０６ｂのエネルギーギャップは、例えば、２．５ｅＶ以上４．２ｅＶ以下、好ましくは２．８ｅＶ以上３．８ｅＶ以下、さらに好ましくは３ｅＶ以上３．５ｅＶ以下とする。
例えば、半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃは、半導体４０６ｂを構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から構成される酸化物半導体である。半導体４０６ｂを構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃが構成されるため、半導体４０６ａと半導体４０６ｂとの界面、および半導体４０６ｂと半導体４０６ｃとの界面において、界面準位が形成されにくい。
半導体４０６ａ、半導体４０６ｂおよび半導体４０６ｃは、少なくともインジウムを含むと好ましい。なお、半導体４０６ａがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％より高く、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％より高くする。また、半導体４０６ｂがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。また、半導体４０６ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％より高く、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％より高くする。なお、半導体４０６ｃは、半導体４０６ａと同種の酸化物を用いても構わない。
半導体４０６ｂは、半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃよりも電子親和力の大きい酸化物を用いる。例えば、半導体４０６ｂとして、半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃよりも電子親和力の０．０７ｅＶ以上１．３ｅＶ以下、好ましくは０．１ｅＶ以上０．７ｅＶ以下、さらに好ましくは０．１５ｅＶ以上０．４ｅＶ以下大きい酸化物を用いる。なお、電子親和力は、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差である。
なお、インジウムガリウム酸化物は、小さい電子親和力と、高い酸素ブロック性を有する。そのため、半導体４０６ｃがインジウムガリウム酸化物を含むと好ましい。ガリウム原子割合［Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）］は、例えば、７０％以上、好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上とする。
このとき、ゲート電圧を印加すると、半導体４０６ａ、半導体４０６ｂ、半導体４０６ｃのうち、電子親和力の大きい半導体４０６ｂにチャネルが形成される。
図２に示す一点鎖線Ｅ１−Ｅ２に対応するバンド図を図３（Ａ）に示す。図３（Ａ）には、真空準位（ｖａｃｕｕｍ ｌｅｖｅｌと表記。）、各層の伝導帯下端のエネルギー（Ｅｃと表記。）および価電子帯上端のエネルギー（Ｅｖと表記。）を示す。
ここで、半導体４０６ａと半導体４０６ｂとの間には、半導体４０６ａと半導体４０６ｂとの混合領域を有する場合がある。また、半導体４０６ｂと半導体４０６ｃとの間には、半導体４０６ｂと半導体４０６ｃとの混合領域を有する場合がある。混合領域は、界面準位密度が低くなる。そのため、半導体４０６ａ、半導体４０６ｂおよび半導体４０６ｃ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。）バンド図となる。
このとき、電子は、半導体４０６ａ中および半導体４０６ｃ中ではなく、半導体４０６ｂ中を主として移動する（図３（Ｂ）参照。）。上述したように、半導体４０６ａおよび半導体４０６ｂの界面における界面準位密度、半導体４０６ｂと半導体４０６ｃとの界面における界面準位密度を低くすることによって、半導体４０６ｂ中で電子の移動が阻害されることが少なく、トランジスタのオン電流を高くすることができる。
トランジスタのオン電流は、電子の移動を阻害する要因を低減するほど、高くすることができる。例えば、電子の移動を阻害する要因のない場合、図４（Ａ）に示すように効率よく電子が移動すると推定される。電子の移動の阻害は、例えば、図４（Ｂ）に示すように物理的な凹凸が大きい場合にも起こる。
したがって、トランジスタのオン電流を高くするためには、例えば、半導体４０６ｂの上面または下面（被形成面、ここでは半導体４０６ａ）の、１μｍ×１μｍの範囲における二乗平均平方根（ＲＭＳ：Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）粗さが１ｎｍ未満、好ましくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における平均面粗さ（Ｒａともいう。）が１ｎｍ未満、好ましくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における最大高低差（Ｐ−Ｖともいう。）が１０ｎｍ未満、好ましくは９ｎｍ未満、さらに好ましくは８ｎｍ未満、より好ましくは７ｎｍ未満とすればよい。ＲＭＳ粗さ、ＲａおよびＰ−Ｖは、エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製走査型プローブ顕微鏡システムＳＰＡ−５００などを用いて測定することができる。
または、例えば、図４（Ｃ）に示すように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、半導体４０６ｂ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、半導体４０６ｂ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。
半導体４０６ｂの酸素欠損を低減するために、例えば、絶縁体４０２に含まれる過剰酸素を、半導体４０６ａを介して半導体４０６ｂまで移動させる方法などがある。この場合、半導体４０６ａは、酸素透過性を有する層（酸素を通過または透過させる層）であることが好ましい。
酸素は、加熱処理などによって絶縁体４０２から放出され、半導体４０６ａ中に取り込まれる。なお、酸素は、半導体４０６ａ中の原子間に遊離して存在する場合や、酸素などと結合して存在する場合がある。半導体４０６ａは、密度が低いほど、即ち原子間に間隙が多いほど酸素透過性が高くなる。例えば、また、半導体４０６ａが層状の結晶構造を有し、層を横切るような酸素の移動は起こりにくい場合、半導体４０６ａは適度に結晶性の低い層であると好ましい。
以下では、半導体４０６ａがＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である場合の結晶性と、酸素透過性との関係を説明する。
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の結晶における、過剰酸素（酸素）の移動に係るエネルギー障壁について計算により求める。計算には、密度汎関数理論に基づく平面波基底第一原理計算ソフトＶＡＳＰ（Ｖｉｅｎｎａ ａｂ−ｉｎｉｔｉｏ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐａｃｋａｇｅ）を用いる。なお、汎関数としてはＧＧＡ−ＰＢＥを用いる。また、平面波のカットオフエネルギーを４００ｅＶとする。また、ＰＡＷ（Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｗａｖｅ）法により内殻電子の効果を取り入れる。
ここでは、図３４に示すＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の結晶において、過剰酸素（酸素）の移動経路１、移動経路２、移動経路３および移動経路４の移動しやすさを計算する。
なお、移動経路１は、三つのインジウム原子および一つの亜鉛原子と結合した酸素に結合した過剰酸素（酸素）が、隣接する三つのインジウム原子および一つの亜鉛原子と結合した酸素に結合するまでの経路である。また、移動経路２は、三つのインジウム原子および一つのガリウム原子と結合した酸素に結合した過剰酸素（酸素）が、インジウムおよび酸素を含む層を横切って、隣接する三つのインジウム原子および一つの亜鉛原子と結合した酸素に結合するまでの経路である。また、移動経路３は、二つのガリウム原子および一つの亜鉛原子と結合した酸素に結合した過剰酸素（酸素）が、隣接する二つの亜鉛原子および一つのガリウム原子と結合した酸素に結合するまでの経路である。また、移動経路４は、二つのガリウム原子および一つの亜鉛原子と結合した酸素に結合した過剰酸素（酸素）が、ガリウム、亜鉛および酸素を含む層を横切って、隣接する三つのインジウム原子および一つのガリウム原子と結合した酸素に結合するまでの経路である。
単位時間当たりに拡散のエネルギー障壁Ｅａを越える頻度を拡散頻度Ｒとすると、Ｒは下に示す式で表すことができる。
Ｒ＝ν・ｅｘｐ［−Ｅａ／（ｋＢＴ）］
なお、νは拡散原子の熱振動の振動数、ｋＢはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。νにデバイ振動数として１０１３［１／ｓｅｃ］を与えた場合の、３５０℃および４５０℃における拡散頻度Ｒは表１のようになる。
表１に示すように、インジウムおよび酸素を含む層を横切る移動経路２において、他の移動経路よりも高いエネルギー障壁を有することがわかる。これは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の結晶は、ｃ軸方向における過剰酸素（酸素）の移動が起こりにくいことを示している。即ち、ＣＡＡＣ−ＯＳなどのように、ｃ軸配向性を有し、被形成面または上面に概略垂直な方向を向いている構造を有する場合、被形成面または上面に概略垂直な方向における過剰酸素（酸素）の移動が起こりにくい。
以上に示したように、絶縁体４０２から放出された過剰酸素（酸素）を半導体４０６ｂまで到達させるためには、半導体４０６ａが過剰酸素（酸素）を透過する程度の結晶性を有するとよいことがわかる。例えば、半導体４０６ａがＣＡＡＣ−ＯＳである場合、層全体がＣＡＡＣ化してしまうと、過剰酸素（酸素）を透過することができないため、一部に隙間を有する構造とすると好ましい。例えば、半導体４０６ａのＣＡＡＣ化率を、１００％未満、好ましくは９８％未満、さらに好ましくは９５％未満、より好ましくは９０％未満とすればよい。ただし、半導体４０６ａと半導体４０６ｂとの界面準位密度を低減させるためには、半導体４０６ａのＣＡＡＣ化率を、１０％以上、好ましくは２０％以上、さらに好ましくは５０％以上、より好ましくは７０％以上とすればよい。
なお、トランジスタがｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有する場合、半導体４０６ｂの全体にチャネルが形成される。したがって、半導体４０６ｂが厚いほどチャネル領域は大きくなる。即ち、半導体４０６ｂ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。例えば、２０ｎｍ以上、好ましくは４０ｎｍ以上、さらに好ましくは６０ｎｍ以上、より好ましくは１００ｎｍ以上の厚さの領域を有する半導体４０６ｂとすればよい。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、例えば、３００ｎｍ以下、好ましくは２００ｎｍ以下、さらに好ましくは１５０ｎｍ以下の厚さの領域を有する半導体４０６ｂとすればよい。
また、トランジスタのオン電流を高くするためには、半導体４０６ｃの厚さは小さいほど好ましい。例えば、１０ｎｍ未満、好ましくは５ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以下の領域を有する半導体４０６ｃとすればよい。一方、半導体４０６ｃは、チャネルの形成される半導体４０６ｂへ、隣接する絶縁体を構成する酸素以外の元素（水素、シリコンなど）が入り込まないようブロックする機能を有する。そのため、半導体４０６ｃは、ある程度の厚さを有することが好ましい。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する半導体４０６ｃとすればよい。また、半導体４０６ｃは、絶縁体４０２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。
また、信頼性を高くするためには、半導体４０６ａは厚く、半導体４０６ｃは薄いことが好ましい。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する半導体４０６ａとすればよい。半導体４０６ａの厚さを、厚くすることで、隣接する絶縁体と半導体４０６ａとの界面からチャネルの形成される半導体４０６ｂ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、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する半導体４０６ａとすればよい。
例えば、半導体４０６ｂと半導体４０６ａとの間に、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）において、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満のシリコン濃度となる領域を有する。また、半導体４０６ｂと半導体４０６ｃとの間に、ＳＩＭＳにおいて、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満のシリコン濃度となる領域を有する。
また、半導体４０６ｂの水素濃度を低減するために、半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃの水素濃度を低減すると好ましい。半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃは、ＳＩＭＳにおいて、２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の水素濃度となる領域を有する。また、半導体４０６ｂの窒素濃度を低減するために、半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃの窒素濃度を低減すると好ましい。半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃは、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の窒素濃度となる領域を有する。
上述の３層構造は一例である。例えば、半導体４０６ａまたは半導体４０６ｃのない２層構造としても構わない。または、半導体４０６ａの上もしくは下、または半導体４０６ｃ上もしくは下に、半導体４０６ａ、半導体４０６ｂおよび半導体４０６ｃ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。または、半導体４０６ａの上、半導体４０６ａの下、半導体４０６ｃの上、半導体４０６ｃの下のいずれか二箇所以上に、半導体４０６ａ、半導体４０６ｂおよび半導体４０６ｃ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。
導電体４１６ａ（または／および導電体４１６ｂ）の、少なくとも一部（または全部）は、半導体４０６ｂなどの半導体の、表面、側面、上面、または／および下面の少なくとも一部（または全部）に設けられている。
または、導電体４１６ａ（または／および導電体４１６ｂ）の、少なくとも一部（または全部）は、半導体４０６ｂなどの半導体の、表面、側面、上面、または／および、下面の少なくとも一部（または全部）と、接している。または、導電体４１６ａ（または／および導電体４１６ｂ）の、少なくとも一部（または全部）は、半導体４０６ｂなどの半導体の少なくとも一部（または全部）と、接している。
または、導電体４１６ａ（または／および導電体４１６ｂ）の、少なくとも一部（または全部）は、半導体４０６ｂなどの半導体の、表面、側面、上面、または／および、下面の少なくとも一部（または全部）と、電気的に接続されている。または、導電体４１６ａ（または／および導電体４１６ｂ）の、少なくとも一部（または全部）は、半導体４０６ｂなどの半導体の少なくとも一部（または全部）と、電気的に接続されている。
または、導電体４１６ａ（または／および導電体４１６ｂ）の、少なくとも一部（または全部）は、半導体４０６ｂなどの半導体の、表面、側面、上面、または／および下面の少なくとも一部（または全部）に、近接して配置されている。または、導電体４１６ａ（または／および導電体４１６ｂ）の、少なくとも一部（または全部）は、半導体４０６ｂなどの半導体の少なくとも一部（または全部）に、近接して配置されている。
または、導電体４１６ａ（または／および導電体４１６ｂ）の、少なくとも一部（または全部）は、半導体４０６ｂなどの半導体の、表面、側面、上面、または／および下面の少なくとも一部（または全部）の横側に配置されている。または、導電体４１６ａ（または／および導電体４１６ｂ）の、少なくとも一部（または全部）は、半導体４０６ｂなどの半導体の少なくとも一部（または全部）の横側に配置されている。
または、導電体４１６ａ（または／および導電体４１６ｂ）の、少なくとも一部（または全部）は、半導体４０６ｂなどの半導体の、表面、側面、上面、または／および下面の少なくとも一部（または全部）の斜め上側に配置されている。または、導電体４１６ａ（または／および導電体４１６ｂ）の、少なくとも一部（または全部）は、半導体４０６ｂなどの半導体の少なくとも一部（または全部）の斜め上側に配置されている。
または、導電体４１６ａ（または／および導電体４１６ｂ）の、少なくとも一部（または全部）は、半導体４０６ｂなどの半導体の、表面、側面、上面、または／および下面の少なくとも一部（または全部）の上側に配置されている。または、導電体４１６ａ（または／および導電体４１６ｂ）の、少なくとも一部（または全部）は、半導体４０６ｂなどの半導体の少なくとも一部（または全部）の上側に配置されている。
基板４００としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムなどの化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
また、基板４００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４００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４００として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。また、基板４００が伸縮性を有してもよい。また、基板４００は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板４００は、例えば、５μｍ以上７００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上５００μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上３００μｍ以下の厚さとなる領域を有する。基板４００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４００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４００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。
可とう性基板である基板４００としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。可とう性基板である基板４００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４００としては、例えば、線膨張率が１×１０−３／Ｋ以下、５×１０−５／Ｋ以下、または１×１０−５／Ｋ以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリルなどがある。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４００として好適である。
導電体４１３としては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。または、前述の元素を含む合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
絶縁体４０２としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。なお、絶縁体４０２が、窒化酸化シリコン、窒化シリコンなどの窒素を含む絶縁体を含んでも構わない。
絶縁体４０２は、基板４００からの不純物の拡散を防止する役割を有してもよい。また、半導体４０６ｂが酸化物半導体である場合、絶縁体４０２は、半導体４０６ｂに酸素を供給する役割を担うことができる。
導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂとしては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。または前述の元素を含む合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
絶縁体４１２としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。
導電体４０４としては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。または前述の元素を含む合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
絶縁体４０８としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。絶縁体４０８は、好ましくは酸化アルミニウム、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。
絶縁体４１８としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。絶縁体４１８は、好ましくは酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。
なお、図１では、トランジスタの第１のゲート電極である導電体４０４と第２のゲート電極である導電体４１３とが、電気的に接続しない例を示したが、本発明の一態様に係るトランジスタの構造はこれに限定されない。例えば、図５（Ａ）に示すように、導電体４０４と導電体４１３とが接する構造であっても構わない。このような構成とすることで、導電体４０４と導電体４１３とに同じ電位が供給されるため、トランジスタのスイッチング特性を向上させることができる。または、図５（Ｂ）に示すように、導電体４１３を有さない構造であっても構わない。
また、図６（Ａ）は、トランジスタの上面図の一例である。図６（Ａ）の一点鎖線Ｂ１−Ｂ２および一点鎖線Ｂ３−Ｂ４に対応する断面図の一例を図６（Ｂ）に示す。なお、図６（Ａ）では、理解を容易にするため、絶縁体などの一部を省略して示す。
また、図７（Ａ）は、トランジスタの上面図の一例である。図７（Ａ）の一点鎖線Ｃ１−Ｃ２および一点鎖線Ｃ３−Ｃ４に対応する断面図の一例を図７（Ｂ）に示す。なお、図７（Ａ）では、理解を容易にするため、絶縁体などの一部を省略して示す。
また、図８（Ａ）は、トランジスタの上面図の一例である。図８（Ａ）の一点鎖線Ｄ１−Ｄ２および一点鎖線Ｄ３−Ｄ４に対応する断面図の一例を図８（Ｂ）に示す。なお、図８（Ａ）では、理解を容易にするため、絶縁体などの一部を省略して示す。
なお、図１では、半導体４０６ｃおよび絶縁体４１２と、導電体４０４とが上面図である図１（Ａ）において同様の形状を有する、言い換えると断面図である図１（Ｂ）においていずれかの端部が突出しない（迫り出さない）形状を有する例を示したが、本発明の一態様に係るトランジスタの構造はこれに限定されない。例えば、図６（Ａ）の上面図、および図６（Ｂ）の断面図に示すように、トランジスタ内で半導体４０６ｃおよび絶縁体４１２が全面に設けられていても構わない。または、図７（Ａ）の上面図に示すように、半導体４０６ｃがトランジスタのチャネル形成領域から、その周辺の領域を覆うように設けられ、かつ絶縁体４１２が半導体４０６ｃを覆うようにトランジスタ内の全面に設けられていても構わない。なお、図７（Ｂ）の断面図では、半導体４０６ｃが導電体４０４よりも端部が突出する（迫り出す）領域を有する形状となる。または、図８（Ａ）の上面図に示すように、半導体４０６ｃおよび絶縁体４１２がトランジスタのチャネル形成領域から、その周辺の領域を覆うように設けられても構わない。なお、図８（Ｂ）の断面図では、半導体４０６ｃおよび絶縁体４１２が導電体４０４よりも端部が突出する（迫り出す）領域を有する形状となる。
トランジスタが、図６、図７または図８に示す構造を有することで、半導体４０６ｃの表面、絶縁体４１２の表面などを介したリーク電流を低減することができる場合がある。即ち、トランジスタのオフ電流を、より小さくすることができる。また、絶縁体４１２および半導体４０６ｃのエッチング時に、導電体４０４をマスクとしなくてもよいため、導電体４０４がプラズマに曝されることがない。したがって、アンテナ効果によるトランジスタの静電破壊が生じにくく、半導体装置を歩留まり高く生産することができる。また、半導体装置の設計の自由度が高くなるため、複雑な構造を有するＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）やＶＬＳＩ（Ｖｅｒｙ Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）などの集積回路に好適である。
また、図９（Ａ）は、トランジスタの上面図の一例である。図９（Ａ）の一点鎖線Ｆ１−Ｆ２および一点鎖線Ｆ３−Ｆ４に対応する断面図の一例を図９（Ｂ）に示す。なお、図９（Ａ）では、理解を容易にするため、絶縁体などの一部を省略して示す。
図１などではソース電極およびドレイン電極として機能する導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂと、ゲート電極として機能する導電体４０４とが重なる領域を有する構造を示したが、本発明の一態様に係るトランジスタの構造はこれに限定されない。例えば、図９に示すように、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂと、導電体４０４とが重なる領域を有さない構造であっても構わない。このような構造とすることで、寄生容量の小さいトランジスタとすることができる。そのため、スイッチング特性が良好で、ノイズの小さいトランジスタとなる。
なお、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂと、導電体４０４とが重ならないことにより、導電体４１６ａと導電体４１６ｂとの間の抵抗が高くなる場合がある。その場合、トランジスタのオン電流が小さくなることがあるため、該抵抗をなるべく低くすることが好ましい。例えば、導電体４１６ａ（導電体４１６ｂ）と、導電体４０４との距離を小さくすればよい。例えば、導電体４１６ａ（導電体４１６ｂ）と、導電体４０４との距離を０μｍ以上１μｍ以下、好ましくは０μｍ以上０．５μｍ以下、さらに好ましくは０μｍ以上０．２μｍ以下、より好ましくは０μｍ以上０．１μｍ以下とすればよい。
または、導電体４１６ａ（導電体４１６ｂ）と導電体４０４との間にある半導体４０６ｂまたは／および半導体４０６ａに低抵抗領域４２３ａ（低抵抗領域４２３ｂ）を設ければよい。なお、低抵抗領域４２３ａおよび低抵抗領域４２３ｂは、例えば、半導体４０６ｂまたは／および半導体４０６ａのほかの領域よりもキャリア密度の高い領域を有する。または、低抵抗領域４２３ａおよび低抵抗領域４２３ｂは、半導体４０６ｂまたは／および半導体４０６ａのほかの領域よりも不純物濃度の高い領域を有する。または、低抵抗領域４２３ａおよび低抵抗領域４２３ｂは、半導体４０６ｂまたは／および半導体４０６ａのほかの領域よりもキャリア移動度の高い領域を有する。低抵抗領域４２３ａおよび低抵抗領域４２３ｂは、例えば、導電体４０４、導電体４１６ａ、導電体４１６ｂなどをマスクとし、半導体４０６ｂまたは／および半導体４０６ａに不純物を添加することで形成すればよい。
なお、導電体４１６ａ（導電体４１６ｂ）と、導電体４０４との距離を小さくし、かつ導電体４１６ａ（導電体４１６ｂ）と導電体４０４との間にある半導体４０６ｂまたは／および半導体４０６ａに低抵抗領域４２３ａ（低抵抗領域４２３ｂ）を設けても構わない。
また、図１０（Ａ）は、トランジスタの上面図の一例である。図１０（Ａ）の一点鎖線Ｇ１−Ｇ２および一点鎖線Ｇ３−Ｇ４に対応する断面図の一例を図１０（Ｂ）に示す。なお、図１０（Ａ）では、理解を容易にするため、絶縁体などの一部を省略して示す。
図１などではソース電極およびドレイン電極として機能する導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂが、半導体４０６ｂの上面および側面、絶縁体４０２の上面などと接する例を示したが、本発明の一態様に係るトランジスタの構造はこれに限定されない。例えば、図１０に示すように、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂが半導体４０６ｂの上面のみと接する構造であっても構わない。
また、図１０（Ｂ）に示すように、絶縁体４１８上に絶縁体４２８を有してもよい。絶縁体４２８は、上面が平坦な絶縁体であると好ましい。なお、絶縁体４２８は、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。なお、絶縁体４２８が、窒化酸化シリコン、窒化シリコンなどの窒素を含む絶縁体を含んでも構わない。絶縁体４２８の上面を平坦化するために、化学機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法などによって平坦化処理を行ってもよい。
または、絶縁体４２８は、樹脂を用いてもよい。例えば、ポリイミド、ポリアミド、アクリル、シリコーンなどを含む樹脂を用いればよい。樹脂を用いることで、絶縁体４２８の上面を平坦化処理しなくてもよい場合がある。また、樹脂は短い時間で厚い膜を成膜することができるため、生産性を高めることができる。
また、図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）に示すように、絶縁体４２８上に導電体４２４ａおよび導電体４２４ｂを有してもよい。導電体４２４ａおよび導電体４２４ｂは、例えば、配線としての機能を有する。また、絶縁体４２８が開口部を有し、該開口部を介して導電体４１６ａと導電体４２４ａとが電気的に接続しても構わない。また、絶縁体４２８が別の開口部を有し、該開口部を介して導電体４１６ｂと導電体４２４ｂとが電気的に接続しても構わない。このとき、それぞれの開口部内に導電体４２６ａ、導電体４２６ｂを有しても構わない。
導電体４２４ａおよび導電体４２４ｂとしては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。または前述の元素を含む合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
図１０に示すトランジスタは、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂは、半導体４０６ｂの側面と接しない。したがって、第１のゲート電極として機能する導電体４０４から半導体４０６ｂの側面に向けて印加される電界が、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂによって遮蔽されにくい構造である。また、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂは、絶縁体４０２の上面と接しない。そのため、絶縁体４０２から放出される過剰酸素（酸素）が導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂを酸化させるために消費されない。したがって、絶縁体４０２から放出される過剰酸素（酸素）を、半導体４０６ｂの酸素欠損を低減するために効率的に利用することのできる構造である。即ち、図１０に示す構造のトランジスタは、高いオン電流、高い電界効果移動度、低いサブスレッショルドスイング値、高い信頼性などを有する優れた電気特性のトランジスタである。
また、図１１（Ａ）は、トランジスタの上面図の一例である。図１１（Ａ）の一点鎖線Ｈ１−Ｈ２および一点鎖線Ｈ３−Ｈ４に対応する断面図の一例を図１１（Ｂ）に示す。なお、図１１（Ａ）では、理解を容易にするため、絶縁体などの一部を省略して示す。
トランジスタは、図１１に示すように、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂを有さず、導電体４２６ａおよび導電体４２６ｂと、半導体４０６ｂとが接する構造であっても構わない。この場合、半導体４０６ｂまたは／および半導体４０６ａの、少なくとも導電体４２６ａおよび導電体４２６ｂと接する領域に低抵抗領域４２３ａ（低抵抗領域４２３ｂ）を設けると好ましい。低抵抗領域４２３ａおよび低抵抗領域４２３ｂは、例えば、導電体４０４などをマスクとし、半導体４０６ｂまたは／および半導体４０６ａに不純物を添加することで形成すればよい。なお、導電体４２６ａおよび導電体４２６ｂが、半導体４０６ｂの孔（貫通しているもの）または窪み（貫通していないもの）に設けられていても構わない。導電体４２６ａおよび導電体４２６ｂが、半導体４０６ｂの孔または窪みに設けられることで、導電体４２６ａおよび導電体４２６ｂと、半導体４０６ｂとの接触面積が大きくなるため、接触抵抗の影響を小さくすることができる。即ち、トランジスタのオン電流を大きくすることができる。
＜トランジスタ構造１の作製方法＞
次に、図１に示すトランジスタの作製方法について説明する。
まず、基板４００を準備する。
次に、導電体４１３となる導電体を成膜する。導電体４１３となる導電体は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法またはパルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、原子層堆積法（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて成膜すればよい。
なお、ＣＶＤ法は、プラズマを利用するプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）法、熱を利用する熱ＣＶＤ（ＴＣＶＤ：Ｔｈｅｒｍａｌ ＣＶＤ）法などに分類できる。さらに用いる原料ガスによって金属ＣＶＤ（ＭＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ ＣＶＤ）法、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ ＣＶＤ）法に分けることができる。
プラズマＣＶＤ法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。熱ＣＶＤ法は、プラズマを用いないため、プラズマダメージが生じず、欠陥の少ない膜が得られる。
ＣＶＤ法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御することができる。例えば、ＭＣＶＤ法およびＭＯＣＶＤ法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、ＭＣＶＤ法およびＭＯＣＶＤ法では、成膜しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間の分、成膜に掛かる時間を短くすることができる。したがって、トランジスタの生産性を高めることができる。
次に、導電体４１３となる導電体の一部をエッチングし、導電体４１３を形成する。
次に、絶縁体４０２を成膜する（図１２（Ａ）参照。）。絶縁体４０２は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて成膜すればよい。なお、ここでは、絶縁体４０２は、ＣＭＰ法などによって、上面から平坦化する場合について説明する。絶縁体４０２の上面を平坦化することで、後の工程が容易となり、トランジスタの歩留まりを高くすることができる。例えば、ＣＭＰ法によって、絶縁体４０２のＲＭＳ粗さを１ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以下、さらに好ましくは０．３ｎｍ以下とする。または、１μｍ×１μｍの範囲におけるＲａを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未満とする。または、１μｍ×１μｍの範囲におけるＰ−Ｖを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未満とする。ただし、本発明の一態様に係るトランジスタは、絶縁体４０２の上面を平坦化した場合に限定されない。
絶縁体４０２は、過剰酸素を含ませるように成膜すればよい。または、絶縁体４０２の成膜後に酸素を添加しても構わない。酸素の添加は、例えば、イオン注入法により、加速電圧を２ｋＶ以上１００ｋＶ以下とし、ドーズ量を５×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上５×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下として行えばよい。
なお、絶縁体４０２を積層膜で構成する場合には、それぞれの膜を、上記のような成膜方法を用いて、異なる成膜方法で成膜してもよい。例えば、１層目の膜をＣＶＤ法で成膜し、２層目の膜をＡＬＤ法で成膜してもよい。または、１層目の膜をスパッタリング法で成膜し、２層目の膜をＡＬＤ法で成膜してもよい。このように、それぞれ異なる成膜方法を用いることによって、各層の膜に異なる機能や性質を持たせることができる。そして、それらの膜を積層することによって、積層膜全体として、より適切な膜を構成することができる。
つまり、ｎ層目（ｎは自然数）の膜を、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などのうちの少なくとも１つの方法で成膜し、ｎ＋１層目の膜を、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などのうちの少なくとも１つの方法で成膜する。なお、ｎ層目の膜と、ｎ＋１層目の膜とで、成膜方法が同じでも異なっていてもよい。なお、ｎ層目の膜とｎ＋２層目の膜とで、成膜方法が同じでもよい。または、すべての膜において、成膜方法が同じでもよい。
次に、半導体４０６ａとなる半導体、および半導体４０６ｂとなる半導体をこの順に成膜する。半導体４０６ａとなる半導体、および半導体４０６ｂとなる半導体は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて成膜すればよい。
なお、半導体４０６ａとなる半導体、および半導体４０６ｂとなる半導体として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物層をＭＯＣＶＤ法によって成膜する場合、原料ガスとしてトリメチルインジウム、トリメチルガリウムおよびジメチル亜鉛などを用いればよい。なお、上記原料ガスの組み合わせに限定されず、トリメチルインジウムに代えてトリエチルインジウムなどを用いてもよい。また、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウムなどを用いてもよい。また、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛などを用いてもよい。
次に、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６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下で行えばよい。第１の加熱処理は、不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを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。または、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％以上または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、半導体４０６ａとなる半導体、および半導体４０６ｂとなる半導体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などができる。
次に、半導体４０６ａとなる半導体、および半導体４０６ｂとなる半導体の一部をエッチングし、半導体４０６ａおよび半導体４０６ｂを形成する（図１２（Ｂ）参照。）。このとき、半導体４０６ａおよび半導体４０６ｂが、導電体４１３の少なくとも一部と重なるように形成する。
次に、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂとなる導電体を成膜する。導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂとなる導電体は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて成膜すればよい。
導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂは、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂとなる導電体を成膜した後で、該導電体の一部をエッチングすることで形成される。したがって、該導電体の成膜時に、半導体４０６ｂへダメージを与えない成膜方法を用いると好ましい。即ち、該導電体の成膜には、ＭＣＶＤ法などを用いると好ましい。
なお、該導電体を積層膜で構成する場合には、それぞれの膜を、スパッタリング法、ＣＶＤ法（プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、ＭＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法など）、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などのような成膜方法を用いて、異なる成膜方法で成膜してもよい。例えば、１層目の膜をＭＯＣＶＤ法で成膜し、２層目の膜をスパッタリング法で成膜してもよい。または、１層目の膜をＡＬＤ法で成膜し、２層目の膜をＭＯＣＶＤ法で成膜してもよい。または、１層目の膜をＡＬＤ法で成膜し、２層目の膜をスパッタリング法で成膜してもよい。または、１層目の膜をＡＬＤ法で成膜し、２層目の膜をスパッタリング法で成膜し、３層目の膜をＡＬＤ法で成膜してもよい。このように、それぞれ、異なる成膜方法を用いることによって、各層の膜に異なる機能や性質を持たせることができる。そして、それらの膜を積層することによって、積層膜全体として、より適切な膜を構成することができる。
つまり、該導電体を積層膜で構成する場合には、例えば、ｎ層目（ｎは自然数）の膜を、スパッタリング法、ＣＶＤ法（プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、ＭＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法など）、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などのうちの少なくとも１つの方法で成膜し、ｎ＋１層目の膜を、スパッタリング法、ＣＶＤ法（プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、ＭＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法など）、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などのうちの少なくとも１つの方法で成膜し、ｎ層目の膜と、ｎ＋１層目の膜とで、成膜方法が異なっていてもよい。なお、ｎ層目の膜とｎ＋２層目の膜とで、成膜方法が同じでもよい。または、すべての膜において、成膜方法が同じでもよい。
なお、該導電体、または該導電体の積層膜の内の少なくとも一つの膜と、半導体４０６ａとなる半導体、または半導体４０６ｂとなる半導体とは、同じ成膜方法を用いてもよい。例えば、どちらも、ＡＬＤ法を用いてもよい。これにより、大気に触れさせずに成膜することができる。その結果、不純物の混入を防ぐことができる。
なお、該導電体、または該導電体の積層膜の内の少なくとも一つの膜と、半導体４０６ａとなる半導体、または半導体４０６ｂとなる半導体と、絶縁体４０２、または絶縁体４０２の積層膜の内の少なくとも一つの膜とは、同じ成膜方法を用いてもよい。例えば、どれも、スパッタリング法を用いてもよい。これにより、大気に触れさせずに成膜することができる。その結果、不純物の混入を防ぐことができる。ただし、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法は、これらに限定されない。
次に、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂとなる導電体の一部をエッチングし、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂを形成する（図１３（Ａ）参照。）。次に、半導体４０６ｃとなる半導体を成膜する。半導体４０６ｃとなる半導体は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて成膜すればよい。
なお、半導体４０６ｃとなる半導体として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物層をＭＯＣＶＤ法によって成膜する場合、原料ガスとしてトリメチルインジウム、トリメチルガリウムおよびジメチル亜鉛などを用いればよい。なお、上記原料ガスの組み合わせに限定されず、トリメチルインジウムに代えてトリエチルインジウムなどを用いてもよい。また、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウムなどを用いてもよい。また、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛などを用いてもよい。
次に、第２の加熱処理を行っても構わない。例えば、半導体４０６ａとして、半導体４０６ｃとなる半導体よりも酸素透過性の高い半導体を選択する。即ち、半導体４０６ｃとなる半導体として、半導体４０６ａよりも酸素透過性の低い半導体を選択する。換言すると、半導体４０６ａとして、酸素を透過する機能を有する半導体を選択する。また、半導体４０６ｃとなる半導体として、酸素をブロックする機能を有する半導体を選択する。このとき、第２の加熱処理を行うことで、半導体４０６ａを介して、絶縁体４０２に含まれる過剰酸素が半導体４０６ｂまで移動する。半導体４０６ｂは半導体４０６ｃとなる半導体で覆われているため、過剰酸素の外方拡散が起こりにくい。そのため、このタイミングで第２の加熱処理を行うことで、効率的に半導体４０６ｂの欠陥（酸素欠損）を低減することができる。なお、第２の加熱処理は、絶縁体４０２中の過剰酸素（酸素）が半導体４０６ｂ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。または、第２の加熱処理は、第１の加熱処理よりも２０℃以上１５０℃以下、好ましくは４０℃以上１００℃以下低い温度で行うと、絶縁体４０２から余分に過剰酸素（酸素）が放出されないため好ましい。
次に、絶縁体４１２となる絶縁体を成膜する。絶縁体４１２となる絶縁体は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて成膜すればよい。
なお、絶縁体４１２となる絶縁体を積層膜で構成する場合には、それぞれの膜を、スパッタリング法、ＣＶＤ法（プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、ＭＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法など）、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などのような成膜方法を用いて、異なる成膜方法で成膜してもよい。例えば、１層目の膜をＭＯＣＶＤ法で成膜し、２層目の膜をスパッタリング法で成膜してもよい。または、１層目の膜をＡＬＤ法で成膜し、２層目の膜をＭＯＣＶＤ法で成膜してもよい。または、１層目の膜をＡＬＤ法で成膜し、２層目の膜をスパッタリング法で成膜してもよい。または、１層目の膜をＡＬＤ法で成膜し、２層目の膜をスパッタリング法で成膜し、３層目の膜をＡＬＤ法で成膜してもよい。このように、それぞれ、異なる成膜方法を用いることによって、各層の膜に異なる機能や性質を持たせることができる。そして、それらの膜を積層することによって、積層膜全体として、より適切な膜を構成することができる。
つまり、絶縁体４１２となる絶縁体を積層膜で構成する場合には、例えば、ｎ層目（ｎは自然数）の膜を、スパッタリング法、ＣＶＤ法（プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、ＭＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法など）、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などのうちの少なくとも１つの方法で成膜し、ｎ＋１層目の膜を、スパッタリング法、ＣＶＤ法（プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、ＭＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法など）、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などのうちの少なくとも１つの方法で成膜し、ｎ層目の膜と、ｎ＋１層目の膜とで、成膜方法が異なっていてもよい。なお、ｎ層目の膜とｎ＋２層目の膜とで、成膜方法が同じでもよい。または、すべての膜において、成膜方法が同じでもよい。
なお、絶縁体４１２となる絶縁体、または絶縁体４１２となる絶縁体の積層膜の内の少なくとも一つの膜と、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂとなる導電体、または該導電体の積層膜の内の少なくとも一つの膜とは、同じ成膜方法を用いてもよい。例えば、どちらも、ＡＬＤ法を用いてもよい。これにより、大気に触れさせずに成膜することができる。その結果、不純物の混入を防ぐことができる。または、例えば、絶縁体４１２となる絶縁体と接する導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂとなる導電体と、該導電体と接する絶縁体４１２となる絶縁体とは、同じ成膜方法を用いてもよい。これにより、同じチャンバーで成膜することができる。その結果、不純物の混入を防ぐことができる。
なお、絶縁体４１２となる絶縁体、または絶縁体４１２となる絶縁体の積層膜の内の少なくとも一つの膜と、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂとなる導電体、または該導電体の積層膜の内の少なくとも一つの膜と、半導体４０６ａとなる半導体、または半導体４０６ａとなる半導体の積層膜の内の少なくとも一つの膜と、半導体４０６ｂとなる半導体、または半導体４０６ｂとなる半導体の積層膜の内の少なくとも一つの膜と、絶縁体４０２、または絶縁体４０２の積層膜の内の少なくとも一つの膜とは、同じ成膜方法を用いてもよい。例えば、どれも、スパッタリング法を用いてもよい。これにより、大気に触れさせずに成膜することができる。その結果、不純物の混入を防ぐことができる。
次に、第３の加熱処理を行っても構わない。例えば、半導体４０６ａとして、半導体４０６ｃとなる半導体よりも酸素透過性の高い半導体を選択する。即ち、半導体４０６ｃとなる半導体として、半導体４０６ａよりも酸素透過性の低い半導体を選択する。また、半導体４０６ｃとなる半導体として、酸素をブロックする機能を有する半導体を選択する。または、例えば、半導体４０６ａとして、絶縁体４１２となる絶縁体よりも酸素透過性の高い半導体を選択する。即ち、絶縁体４１２となる絶縁体として、半導体４０６ａよりも酸素透過性の低い半導体を選択する。換言すると、半導体４０６ａとして、酸素を透過する機能を有する半導体を選択する。また、絶縁体４１２となる絶縁体として、酸素をブロックする機能を有する絶縁体を選択する。このとき、第３の加熱処理を行うことで、半導体４０６ａを介して、絶縁体４０２に含まれる過剰酸素が半導体４０６ｂまで移動する。半導体４０６ｂは半導体４０６ｃとなる半導体および絶縁体４１２となる絶縁体で覆われているため、過剰酸素の外方拡散が起こりにくい。そのため、このタイミングで第３の加熱処理を行うことで、効率的に半導体４０６ｂの欠陥（酸素欠損）を低減することができる。なお、第３の加熱処理は、絶縁体４０２中の過剰酸素（酸素）が半導体４０６ｂ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。または、第３の加熱処理は、第１の加熱処理よりも２０℃以上１５０℃以下、好ましくは４０℃以上１００℃以下低い温度で行うと、絶縁体４０２から余分に過剰酸素（酸素）が放出されないため好ましい。なお、絶縁体４１２となる絶縁体が酸素をブロックする機能を有する場合、半導体４０６ｃとなる半導体が酸素をブロックする機能を有さなくても構わない。
次に、導電体４０４となる導電体を成膜する。導電体４０４となる導電体は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて成膜すればよい。
絶縁体４１２となる絶縁体は、トランジスタのゲート絶縁体として機能する。したがって導電体４０４となる導電体の成膜時に、絶縁体４１２となる絶縁体へダメージを与えない成膜方法を用いると好ましい。即ち、該導電体の成膜には、ＭＣＶＤ法などを用いると好ましい。
なお、導電体４０４となる導電体を積層膜で構成する場合には、それぞれの膜を、スパッタリング法、ＣＶＤ法（プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、ＭＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法など）、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などのような成膜方法を用いて、異なる成膜方法で成膜してもよい。例えば、１層目の膜をＭＯＣＶＤ法で成膜し、２層目の膜をスパッタリング法で成膜してもよい。または、１層目の膜をＡＬＤ法で成膜し、２層目の膜をＭＯＣＶＤ法で成膜してもよい。または、１層目の膜をＡＬＤ法で成膜し、２層目の膜をスパッタリング法で成膜してもよい。または、１層目の膜をＡＬＤ法で成膜し、２層目の膜をスパッタリング法で成膜し、３層目の膜をＡＬＤ法で成膜してもよい。このように、それぞれ、異なる成膜方法を用いることによって、各層の膜に異なる機能や性質を持たせることができる。そして、それらの膜を積層することによって、積層膜全体として、より適切な膜を構成することができる。
つまり、導電体４０４となる導電体を積層膜で構成する場合には、例えば、ｎ層目（ｎは自然数）の膜を、スパッタリング法、ＣＶＤ法（プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、ＭＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法など）、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などのうちの少なくとも１つの方法で成膜し、ｎ＋１層目の膜を、スパッタリング法、ＣＶＤ法（プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、ＭＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法など）、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などのうちの少なくとも１つの方法で成膜し、ｎ層目の膜と、ｎ＋１層目の膜とで、成膜方法が異なっていてもよい。なお、ｎ層目の膜とｎ＋２層目の膜とで、成膜方法が同じでもよい。または、すべての膜において、成膜方法が同じでもよい。
なお、導電体４０４となる導電体、または導電体４０４となる導電体の積層膜の内の少なくとも一つの膜と、絶縁体４１２となる絶縁体、または絶縁体４１２となる絶縁体の積層膜の内の少なくとも一つの膜とは、同じ成膜方法を用いてもよい。例えば、どちらも、ＡＬＤ法を用いてもよい。これにより、大気に触れさせずに成膜することができる。その結果、不純物の混入を防ぐことができる。または、例えば、絶縁体４１２となる絶縁体と接する導電体４０４となる導電体と、導電体４０４となる導電体と接する絶縁体４１２となる絶縁体とは、同じ成膜方法を用いてもよい。これにより、同じチャンバーで成膜することができる。その結果、不純物の混入を防ぐことができる。
なお、導電体４０４となる導電体、または導電体４０４となる導電体の積層膜の内の少なくとも一つの膜と、絶縁体４１２となる絶縁体、または絶縁体４１２となる絶縁体の積層膜の内の少なくとも一つの膜と、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂとなる導電体、または該導電体の積層膜の内の少なくとも一つの膜と、半導体４０６ａとなる半導体と、半導体４０６ｂとなる半導体と、半導体４０６ｃとなる半導体と、絶縁体４０２、または絶縁体４０２の積層膜の内の少なくとも一つの膜とは、同じ成膜方法を用いてもよい。例えば、どれも、スパッタリング法を用いてもよい。これにより、大気に触れさせずに成膜することができる。その結果、不純物の混入を防ぐことができる。
次に、導電体４０４となる導電体の一部をエッチングして導電体４０４を形成する。なお、導電体４０４は、半導体４０６ｂの少なくとも一部と重なるように形成する。
次に、導電体４０４となる導電体と同様に、絶縁体４１２となる絶縁体の一部をエッチングして絶縁体４１２を形成する。
次に、導電体４０４となる導電体および絶縁体４１２となる絶縁体と同様に、半導体４０６ｃとなる半導体の一部をエッチングして半導体４０６ｃを形成する（図１３（Ｂ）参照。）。
なお、導電体４０４となる導電体、絶縁体４１２となる絶縁体および半導体４０６ｃとなる半導体の一部をエッチングする際には、同一のフォトリソグラフィ工程など用いてもよい。または、導電体４０４をマスクとして用いて絶縁体４１２となる絶縁体および半導体４０６ｃとなる半導体をエッチングしてもよい。そのため、導電体４０４、絶縁体４１２および半導体４０６ｃは、上面図において同様の形状となる。なお、絶縁体４１２、半導体４０６ｃ、導電体４０４の全部または一部を異なるフォトリソグラフィ工程で形成してもよい。その場合、図１３（Ｃ１）に示す拡大断面のように、導電体４０４よりも絶縁体４１２または／および半導体４０６ｃが突出した（迫り出した）形状となる場合や、図１３（Ｃ２）に示す拡大断面のように、導電体４０４が絶縁体４１２または／および半導体４０６ｃよりも突出した（迫り出した）形状となる場合がある。これらに示すような形状とすることによって、形状不良が低減され、ゲートリーク電流を低減できる場合がある。
次に、絶縁体４０８を成膜する（図１４（Ａ）参照。）。絶縁体４０８は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて成膜すればよい。
次に、第４の加熱処理を行っても構わない。例えば、半導体４０６ａとして、半導体４０６ｃよりも酸素透過性の高い半導体を選択する。即ち、半導体４０６ｃとして、半導体４０６ａよりも酸素透過性の低い半導体を選択する。また、半導体４０６ｃとして、酸素をブロックする機能を有する半導体を選択する。または、例えば、半導体４０６ａとして、絶縁体４１２よりも酸素透過性の高い半導体を選択する。即ち、絶縁体４１２として、半導体４０６ａよりも酸素透過性の低い半導体を選択する。または、例えば、半導体４０６ａとして、絶縁体４０８よりも酸素透過性の高い半導体を選択する。即ち、絶縁体４０８として、半導体４０６ａよりも酸素透過性の低い半導体を選択する。換言すると、半導体４０６ａとして、酸素を透過する機能を有する半導体を選択する。また、絶縁体４０８として、酸素をブロックする機能を有する絶縁体を選択する。このとき、第４の加熱処理を行うことで、半導体４０６ａを介して、絶縁体４０２に含まれる過剰酸素が半導体４０６ｂまで移動する。半導体４０６ｂは半導体４０６ｃ、絶縁体４１２、絶縁体４０８のいずれかで覆われているため、過剰酸素の外方拡散が起こりにくい。そのため、このタイミングで第４の加熱処理を行うことで、効率的に半導体４０６ｂの欠陥（酸素欠損）を低減することができる。なお、第４の加熱処理は、絶縁体４０２中の過剰酸素（酸素）が半導体４０６ｂ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。または、第４の加熱処理は、第１の加熱処理よりも２０℃以上１５０℃以下、好ましくは４０℃以上１００℃低い温度で行うと、絶縁体４０２から余分に過剰酸素（酸素）が放出されないため好ましい。なお、絶縁体４０８が酸素をブロックする機能を有する場合、半導体４０６ｃまたは／および絶縁体４１２が酸素をブロックする機能を有さなくても構わない。
なお、第１の加熱処理、第２の加熱処理、第３の加熱処理および第４の加熱処理の全てまたは一部を行わなくても構わない。
次に、絶縁体４１８を成膜する（図１４（Ｂ）参照。）。絶縁体４１８は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて成膜すればよい。
以上のようにして、図１に示したトランジスタを作製することができる。
＜トランジスタ構造２＞
図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）は、本発明の一態様のトランジスタの上面図および断面図である。図１５（Ａ）は上面図であり、図１５（Ｂ）は、図１５（Ａ）に示す一点鎖線Ｉ１−Ｉ２、および一点鎖線Ｉ３−Ｉ４に対応する断面図である。なお、図１５（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。
図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）に示すトランジスタは、基板５００上の導電体５１３と、基板５００上および導電体５１３上の凸部を有する絶縁体５０２と、絶縁体５０２の凸部上の半導体５０６ａと、半導体５０６ａ上の半導体５０６ｂと、半導体５０６ｂ上の半導体５０６ｃと、半導体５０６ａ、半導体５０６ｂおよび半導体５０６ｃと接し、間隔を開けて配置された導電体５１６ａおよび導電体５１６ｂと、半導体５０６ｃ上、導電体５１６ａ上および導電体５１６ｂ上の絶縁体５１２と、絶縁体５１２上の導電体５０４と、導電体５１６ａ上、導電体５１６ｂ上、絶縁体５１２上および導電体５０４上の絶縁体５０８と、絶縁体５０８上の絶縁体５１８と、を有する。
なお、絶縁体５１２は、Ｉ３−Ｉ４断面において、少なくとも半導体５０６ｂの側面と接する。また、導電体５０４は、Ｉ３−Ｉ４断面において、少なくとも絶縁体５１２を介して半導体５０６ｂの上面および側面と面する。また、導電体５１３は、絶縁体５０２を介して半導体５０６ｂの下面と面する。また、絶縁体５０２が凸部を有さなくても構わない。また、半導体５０６ｃを有さなくても構わない。また、絶縁体５０８を有さなくても構わない。また、絶縁体５１８を有さなくても構わない。
なお、半導体５０６ｂは、トランジスタのチャネル形成領域としての機能を有する。また、導電体５０４は、トランジスタの第１のゲート電極（フロントゲート電極ともいう。）としての機能を有する。また、導電体５１３は、トランジスタの第２のゲート電極（バックゲート電極ともいう。）としての機能を有する。また、導電体５１６ａおよび導電体５１６ｂは、トランジスタのソース電極およびドレイン電極としての機能を有する。また、絶縁体５０８は、バリア層としての機能を有する。絶縁体５０８は、例えば、酸素または／および水素をブロックする機能を有する。または、絶縁体５０８は、例えば、半導体５０６ａまたは／および半導体５０６ｃよりも、酸素または／および水素をブロックする能力が高い。
なお、絶縁体５０２は過剰酸素を含む絶縁体である。
なお、基板５００は、基板４００についての記載を参照する。また、導電体５１３は、導電体４１３についての記載を参照する。また、絶縁体５０２は、絶縁体４０２についての記載を参照する。また、半導体５０６ａは、半導体４０６ａについての記載を参照する。また、半導体５０６ｂは、半導体４０６ｂについての記載を参照する。また、半導体５０６ｃは、半導体４０６ｃについての記載を参照する。また、導電体５１６ａおよび導電体５１６ｂは、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂについての記載を参照する。また、絶縁体５１２は、絶縁体４１２についての記載を参照する。また、導電体５０４は、導電体４０４についての記載を参照する。また、絶縁体５０８は、絶縁体４０８についての記載を参照する。また、絶縁体５１８は、絶縁体４１８についての記載を参照する。
したがって、図１５に示すトランジスタは、図１に示したトランジスタと一部の構造が異なるのみである。具体的には、図１に示したトランジスタの半導体４０６ａ、半導体４０６ｂおよび半導体４０６ｃの構造と、図１５に示すトランジスタの半導体５０６ａ、半導体５０６ｂおよび半導体５０６ｃの構造が異なるのみである。したがって、図１５に示すトランジスタは、図１に示したトランジスタについての説明を適宜参照することができる。
なお、図１５では、トランジスタの第１のゲート電極である導電体５０４と第２のゲート電極である導電体５１３とが、電気的に接続しない例を示したが、本発明の一態様に係るトランジスタの構造はこれに限定されない。例えば、図１６（Ａ）に示すように、導電体５０４と導電体５１３とが接する構造であっても構わない。このような構成とすることで、導電体５０４と導電体５１３とに同じ電位が供給されるため、トランジスタのスイッチング特性を向上させることができる。または、図１６（Ｂ）に示すように、導電体５１３を有さない構造であっても構わない。
また、図１７（Ａ）は、トランジスタの上面図の一例である。図１７（Ａ）の一点鎖線Ｊ１−Ｊ２および一点鎖線Ｊ３−Ｊ４に対応する断面図の一例を図１７（Ｂ）に示す。なお、図１７（Ａ）では、理解を容易にするため、絶縁体などの一部を省略して示す。
なお、図１５（Ａ）に示す上面図では、絶縁体５１２が導電体５０４と同様の形状である例を示したが、本発明の一態様に係るトランジスタの構造はこれに限定されない。例えば、図１７（Ａ）および図１７（Ｂ）に示すように、絶縁体５１２が絶縁体５０２上、半導体５０６ｃ上、導電体５１６ａ上および導電体５１６ｂ上に配置されていてもよい。
＜トランジスタ構造３＞
図１８（Ａ）および図１８（Ｂ）は、本発明の一態様のトランジスタの上面図および断面図である。図１８（Ａ）は上面図であり、図１８（Ｂ）は、図１８（Ａ）に示す一点鎖線Ｋ１−Ｋ２、および一点鎖線Ｋ３−Ｋ４に対応する断面図である。なお、図１８（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。
図１８（Ａ）および図１８（Ｂ）に示すトランジスタは、基板６００上の導電体６０４と、導電体６０４上の絶縁体６１２と、絶縁体６１２上の半導体６０６ａと、半導体６０６ａ上の半導体６０６ｂと、半導体６０６ｂ上の半導体６０６ｃと、半導体６０６ａ、半導体６０６ｂおよび半導体６０６ｃと接し、間隔を開けて配置された導電体６１６ａおよび導電体６１６ｂと、半導体６０６ｃ上、導電体６１６ａ上および導電体６１６ｂ上の絶縁体６１８と、を有する。なお、導電体６０４は、絶縁体６１２を介して半導体６０６ｂの下面と面する。また、絶縁体６１２が凸部を有しても構わない。また、基板６００と導電体６０４の間に絶縁体を有しても構わない。該絶縁体は、絶縁体５０２や絶縁体５０８についての記載を参照する。また、半導体６０６ａを有さなくても構わない。また、絶縁体６１８を有さなくても構わない。
なお、半導体６０６ｂは、トランジスタのチャネル形成領域としての機能を有する。また、導電体６０４は、トランジスタの第１のゲート電極（フロントゲート電極ともいう。）としての機能を有する。また、導電体６１６ａおよび導電体６１６ｂは、トランジスタのソース電極およびドレイン電極としての機能を有する。
なお、絶縁体６１８は過剰酸素を含む絶縁体である。
なお、基板６００は、基板５００についての記載を参照する。また、導電体６０４は、導電体５０４についての記載を参照する。また、絶縁体６１２は、絶縁体５１２についての記載を参照する。また、半導体６０６ａは、半導体５０６ｃについての記載を参照する。また、半導体６０６ｂは、半導体５０６ｂについての記載を参照する。また、半導体６０６ｃは、半導体５０６ａについての記載を参照する。また、導電体６１６ａおよび導電体６１６ｂは、導電体５１６ａおよび導電体５１６ｂついての記載を参照する。また、絶縁体６１８は、絶縁体５０２についての記載を参照する。
したがって、図１８に示すトランジスタは、図１５に示したトランジスタと一部の構造が異なるのみとみなせる場合がある。具体的には、図１５に示したトランジスタの導電体５０４を有さない構造と類似する。したがって、図１８に示すトランジスタは、図１５に示したトランジスタについての説明を適宜参照することができる。
なお、トランジスタは、絶縁体６１８を介して半導体６０６ｂと重なる導電体を有してもよい。該導電体は、トランジスタの第２のゲート電極として機能する。該導電体は、導電体５１３についての記載を参照する。また、該第２のゲート電極によってｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を形成していても構わない。
なお、絶縁体６１８上には、表示素子が設けられていてもよい。例えば、画素電極、液晶層、共通電極、発光層、有機ＥＬ層、陽極、陰極などが設けられていてもよい。表示素子は、例えば、導電体６１６ａなどと接続されている。
また、図１９（Ａ）は、トランジスタの上面図の一例である。図１９（Ａ）の一点鎖線Ｌ１−Ｌ２および一点鎖線Ｌ３−Ｌ４に対応する断面図の一例を図１９（Ｂ）に示す。なお、図１９（Ａ）では、理解を容易にするため、絶縁体などの一部を省略して示す。
なお、半導体の上に、チャネル保護膜として機能させることができる絶縁体を配置してもよい。例えば、図１９に示すように、導電体６１６ａおよび導電体６１６ｂと、半導体６０６ｃとの間に、絶縁体６２０を配置してもよい。その場合、導電体６１６ａ（導電体６１６ｂ）と半導体６０６ｃとは、絶縁体６２０中の開口部を介して接続される。絶縁体６２０は、絶縁体６１８についての記載を参照すればよい。
なお、図１８（Ｂ）や図１９（Ｂ）において、絶縁体６１８の上に、導電体６１３を配置してもよい。その場合の例を図２０に示す。なお、導電体６１３については、導電体５１３についての記載を参照する。また、導電体６１３には、導電体６０４と同じ電位や同じ信号が供給されてもよいし、異なる電位や信号が供給されてもよい。例えば、導電体６１３に、一定の電位を供給して、トランジスタのしきい値電圧を制御してもよい。つまり、導電体６１３は、第２のゲート電極としての機能を有することができる。
＜半導体装置＞
以下では、本発明の一態様に係る半導体装置を例示する。
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタを利用した半導体装置の一例について説明する。
図２１（Ａ）に本発明の一態様の半導体装置の断面図を示す。図２１（Ａ）に示す半導体装置は、下部に第１の半導体を用いたトランジスタ２２００を有し、上部に第２の半導体を用いたトランジスタ２１００を有している。図２１（Ａ）では、第２の半導体を用いたトランジスタ２１００として、図１で例示したトランジスタを適用した例を示している。
第１の半導体は、第２の半導体と異なるエネルギーギャップを持つ半導体を用いてもよい。例えば、第１の半導体を酸化物半導体以外の半導体とし、第２の半導体を酸化物半導体とする。第１の半導体として多結晶構造、単結晶構造などのシリコン、ゲルマニウム、などを用いてもよい。または、歪みシリコンなどの歪みを有する半導体を用いてもよい。または、第１の半導体としてＨＥＭＴに適用可能なヒ化ガリウム、ヒ化アルミニウムガリウム、ヒ化インジウムガリウム、窒化ガリウム、リン化インジウム、シリコンゲルマニウムなどを用いてもよい。これらの半導体を第１の半導体に用いることで、高速動作をすることに適したトランジスタ２２００とすることができる。また、酸化物半導体を第２の半導体に用いることで、オフ電流の低いトランジスタ２１００とすることができる。
なお、トランジスタ２２００は、ｎチャネル型、ｐチャネル型のどちらでもよいが、回路によって適切なトランジスタを用いる。また、トランジスタ２１００または／およびトランジスタ２２００として、上述したトランジスタや図２１（Ａ）に示したトランジスタを用いなくても構わない場合がある。
図２１（Ａ）に示す半導体装置は、絶縁体２２０１および絶縁体２２０７を介して、トランジスタ２２００の上部にトランジスタ２１００を有する。また、トランジスタ２２００とトランジスタ２１００の間には、配線として機能する複数の導電体２２０２が配置されている。また各種絶縁体に埋め込まれた複数の導電体２２０３により、上層と下層にそれぞれ配置された配線や電極が電気的に接続されている。また、該半導体装置は、トランジスタ２１００上の絶縁体２２０４と、絶縁体２２０４上の導電体２２０５と、トランジスタ２１００のソース電極およびドレイン電極と同一層に（同一工程を経て）形成された導電体２２０６と、を有する。
絶縁体２２０４は、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。なお、絶縁体２２０４が、窒化酸化シリコン、窒化シリコンなどの窒素を含む絶縁体を含んでも構わない。
または、絶縁体２２０４は、樹脂を用いてもよい。例えば、ポリイミド、ポリアミド、アクリル、シリコーンなどを含む樹脂を用いればよい。樹脂を用いることで、絶縁体２２０４の上面を平坦化処理しなくてもよい場合がある。また、樹脂は短い時間で厚い膜を成膜することができるため、生産性を高めることができる。
複数のトランジスタを積層した構造とすることにより、高密度に複数の回路を配置することができる。
ここで、トランジスタ２２００に用いる第１の半導体に単結晶シリコンを用いた場合、トランジスタ２２００の第１の半導体の近傍の絶縁体の水素濃度が高いことが好ましい。該水素により、シリコンのダングリングボンドを終端させることで、トランジスタ２２００の信頼性を向上させることができる。一方、トランジスタ２１００に用いる第２の半導体に酸化物半導体を用いた場合、トランジスタ２１００の第２の半導体の近傍の絶縁体の水素濃度が低いことが好ましい。該水素は、酸化物半導体中にキャリアを生成する要因の一つとなるため、トランジスタ２１００の信頼性を低下させる要因となる場合がある。したがって、単結晶シリコンを用いたトランジスタ２２００、および酸化物半導体を用いたトランジスタ２１００を積層する場合、これらの間に水素をブロックする機能を有する絶縁体２２０７を配置することは両トランジスタの信頼性を高めるために有効である。
絶縁体２２０７としては、例えば酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタ２１００を覆うように、トランジスタ２１００上に水素をブロックする機能を有する絶縁体を形成することが好ましい。絶縁体としては、絶縁体２２０７と同様の絶縁体を用いることができ、特に酸化アルミニウムを適用することが好ましい。酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物および酸素の双方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、トランジスタ２１００を覆う絶縁体２２０８として酸化アルミニウム膜を用いることで、トランジスタ２１００に含まれる酸化物半導体からの酸素の脱離を防止するとともに、酸化物半導体への水および水素の混入を防止することができる。
なお、トランジスタ２２００は、プレーナ型のトランジスタだけでなく、様々なタイプのトランジスタとすることができる。例えば、ＦＩＮ（フィン）型のトランジスタなどとすることができる。その場合の断面図の例を、図２１（Ｂ）に示す。半導体基板２２１１の上に、絶縁層２２１２が配置されている。半導体基板２２１１は、先端の細い凸部（フィンともいう。）を有する。なお、凸部は、先端が細くなくてもよく、例えば、略直方体の凸部であってもよいし、先端が太い凸部であってもよい。半導体基板２２１１の凸部の上には、ゲート絶縁体２２１４が配置され、その上には、ゲート電極２２１３が配置されている。半導体基板２２１１には、ソース領域およびドレイン領域２２１５が形成されている。なお、ここでは、半導体基板２２１１が、凸部を有する例を示したが、本発明の一態様に係る半導体装置は、これに限定されない。例えば、ＳＯＩ基板を加工して、凸型の半導体領域を形成しても構わない。
上記回路において、トランジスタ２１００やトランジスタ２２００の電極の接続を異ならせることにより、様々な回路を構成することができる。以下では、本発明の一態様の半導体装置を用いることにより実現できる回路構成の例を説明する。
図２２（Ａ）に示す回路図は、ｐチャネル型のトランジスタ２２００とｎチャネル型のトランジスタ２１００を直列に接続し、かつそれぞれのゲートを接続した、いわゆるＣＭＯＳインバータの構成を示している。
また図２２（Ｂ）に示す回路図は、トランジスタ２１００とトランジスタ２２００のそれぞれのソースとドレインを接続した構成を示している。このような構成とすることで、いわゆるＣＭＯＳアナログスイッチとして機能させることができる。
本発明の一態様に係るトランジスタを用いた、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置（記憶装置）の一例を図２３に示す。
図２３（Ａ）に示す半導体装置は、第１の半導体を用いたトランジスタ３２００と第２の半導体を用いたトランジスタ３３００、および容量素子３４００を有している。なお、トランジスタ３３００としては、上述したトランジスタを用いることができる。
トランジスタ３３００は、酸化物半導体を用いたトランジスタである。トランジスタ３３００のオフ電流が小さいことにより、半導体装置の特定のノードに長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、またはリフレッシュ動作の頻度が極めて少なくすることが可能となるため、消費電力の低い半導体装置となる。
図２３（Ａ）において、第１の配線３００１はトランジスタ３２００のソースと電気的に接続され、第２の配線３００２はトランジスタ３２００のドレインと電気的に接続される。また、第３の配線３００３はトランジスタ３３００のソース、ドレインの一方と電気的に接続され、第４の配線３００４はトランジスタ３３００のゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ３２００のゲート、およびトランジスタ３３００のソース、ドレインの他方は、容量素子３４００の電極の一方と電気的に接続され、第５の配線３００５は容量素子３４００の電極の他方と電気的に接続されている。
図２３（Ａ）に示す半導体装置は、トランジスタ３２００のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第４の配線３００４の電位を、トランジスタ３３００が導通状態となる電位にして、トランジスタ３３００を導通状態とする。これにより、第３の配線３００３の電位が、トランジスタ３２００のゲート、および容量素子３４００の電極の一方と電気的に接続するノードＦＧに与えられる。すなわち、トランジスタ３２００のゲートには、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下Ｌｏｗレベル電荷、Ｈｉｇｈレベル電荷という。）のどちらかが与えられるものとする。その後、第４の配線３００４の電位を、トランジスタ３３００が非導通状態となる電位にして、トランジスタ３３００を非導通状態とすることにより、ノードＦＧに電荷が保持される（保持）。
トランジスタ３３００のオフ電流は極めて小さいため、ノードＦＧの電荷は長期間にわたって保持される。
次に情報の読み出しについて説明する。第１の配線３００１に所定の電位（定電位）を与えた状態で、第５の配線３００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、第２の配線３００２は、ノードＦＧに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ３２００をｎチャネル型とすると、トランジスタ３２００のゲートにＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタ３２００のゲートにＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ３２００を「導通状態」とするために必要な第５の配線３００５の電位をいうものとする。したがって、第５の配線３００５の電位をＶｔｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ０とすることにより、ノードＦＧに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、ノードＦＧにＨｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ３２００は「導通状態」となる。一方、ノードＦＧにＬｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ０（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ３２００は「非導通状態」のままである。このため、第２の配線３００２の電位を判別することで、ノードＦＧに保持されている情報を読み出すことができる。
なお、メモリセルをアレイ状に配置する場合、読み出し時には、所望のメモリセルの情報を読み出さなくてはならない。ほかのメモリセルの情報を読み出さないためには、ノードＦＧに与えられた電荷によらずトランジスタ３２００が「非導通状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｈより低い電位を第５の配線３００５に与えればよい。または、ノードＦＧに与えられた電荷によらずトランジスタ３２００が「導通状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｌより高い電位を第５の配線３００５に与えればよい。
図２３（Ｂ）に示す半導体装置は、トランジスタ３２００を有さない点で図２３（Ａ）に示した半導体装置と異なる。この場合も図２３（Ａ）に示した半導体装置と同様の動作により情報の書き込みおよび保持動作が可能である。
図２３（Ｂ）に示す半導体装置における、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ３３００が導通状態になると、浮遊状態である第３の配線３００３と容量素子３４００とが導通し、第３の配線３００３と容量素子３４００の間で電荷が再分配される。その結果、第３の配線３００３の電位が変化する。第３の配線３００３の電位の変化量は、容量素子３４００の電極の一方の電位（または容量素子３４００に蓄積された電荷）によって、異なる値をとる。
例えば、容量素子３４００の電極の一方の電位をＶ、容量素子３４００の容量をＣ、第３の配線３００３が有する容量成分をＣＢ、電荷が再分配される前の第３の配線３００３の電位をＶＢ０とすると、電荷が再分配された後の第３の配線３００３の電位は、（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ）／（ＣＢ＋Ｃ）となる。したがって、メモリセルの状態として、容量素子３４００の電極の一方の電位がＶ１とＶ０（Ｖ１＞Ｖ０）の２つの状態をとるとすると、電位Ｖ１を保持している場合の第３の配線３００３の電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ１）／（ＣＢ＋Ｃ））は、電位Ｖ０を保持している場合の第３の配線３００３の電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ０）／（ＣＢ＋Ｃ））よりも高くなることがわかる。
そして、第３の配線３００３の電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができる。
この場合、メモリセルを駆動させるための駆動回路に上記第１の半導体が適用されたトランジスタを用い、トランジスタ３３００として第２の半導体が適用されたトランジスタを駆動回路上に積層して配置する構成とすればよい。
以上に示した半導体装置は、酸化物半導体を用いたオフ電流の極めて小さいトランジスタを適用することで、長期にわたって記憶内容を保持することが可能となる。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、またはリフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力の低い半導体装置を実現することができる。また、電力の供給がない場合（ただし、電位は固定されていることが好ましい）であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
また、該半導体装置は、情報の書き込みに高い電圧が不要であるため、素子の劣化が起こりにくい。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行わないため、絶縁体の劣化といった問題が全く生じない。すなわち、本発明の一態様に係る半導体装置は、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上した半導体装置である。さらに、トランジスタの導通状態、非導通状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作が可能となる。
＜ＲＦタグ＞
以下では、上述したトランジスタ、または記憶装置を含むＲＦタグについて、図２４を用いて説明する。
本発明の一態様に係るＲＦタグは、内部に記憶回路を有し、記憶回路に情報を記憶し、非接触手段、例えば無線通信を用いて外部と情報の授受を行うものである。このような特徴から、ＲＦタグは、物品などの個体情報を読み取ることにより物品の識別を行う個体認証システムなどに用いることが可能である。なお、これらの用途に用いるためには高い信頼性が要求される。
ＲＦタグの構成について図２４を用いて説明する。図２４は、ＲＦタグの構成例を示すブロック図である。
図２４に示すようにＲＦタグ８００は、通信器８０１（質問器、リーダ／ライタなどともいう）に接続されたアンテナ８０２から送信される無線信号８０３を受信するアンテナ８０４を有する。またＲＦタグ８００は、整流回路８０５、定電圧回路８０６、復調回路８０７、変調回路８０８、論理回路８０９、記憶回路８１０、ＲＯＭ８１１を有している。なお、復調回路８０７に含まれる整流作用を示すトランジスタの半導体には、逆方向電流を十分に抑制することが可能な、例えば、酸化物半導体を用いてもよい。これにより、逆方向電流に起因する整流作用の低下を抑制し、復調回路の出力が飽和することを防止できる。つまり、復調回路の入力に対する復調回路の出力を線形に近づけることができる。なお、データの伝送形式は、一対のコイルを対向配置して相互誘導によって交信を行う電磁結合方式、誘導電磁界によって交信する電磁誘導方式、電波を利用して交信する電波方式の３つに大別される。ＲＦタグ８００は、そのいずれの方式に用いることも可能である。
次に各回路の構成について説明する。アンテナ８０４は、通信器８０１に接続されたアンテナ８０２との間で無線信号８０３の送受信を行うためのものである。また、整流回路８０５は、アンテナ８０４で無線信号を受信することにより生成される入力交流信号を整流、例えば、半波２倍圧整流し、後段の容量素子により、整流された信号を平滑化することで入力電位を生成するための回路である。なお、整流回路８０５の入力側または出力側には、リミッタ回路を有してもよい。リミッタ回路とは、入力交流信号の振幅が大きく、内部生成電圧が大きい場合に、ある電力以上の電力を後段の回路に入力しないように制御するための回路である。
定電圧回路８０６は、入力電位から安定した電源電圧を生成し、各回路に供給するための回路である。なお、定電圧回路８０６は、内部にリセット信号生成回路を有していてもよい。リセット信号生成回路は、安定した電源電圧の立ち上がりを利用して、論理回路８０９のリセット信号を生成するための回路である。
復調回路８０７は、入力交流信号を包絡線検出することにより復調し、復調信号を生成するための回路である。また、変調回路８０８は、アンテナ８０４より出力するデータに応じて変調をおこなうための回路である。
論理回路８０９は復調信号を解析し、処理を行うための回路である。記憶回路８１０は、入力された情報を保持する回路であり、ロウデコーダ、カラムデコーダ、記憶領域などを有する。また、ＲＯＭ８１１は、固有番号（ＩＤ）などを格納し、処理に応じて出力を行うための回路である。
なお、上述の各回路は、適宜、取捨することができる。
ここで、上述した記憶装置を、記憶回路８１０に用いることができる。本発明の一態様に係る記憶装置は、電源が遮断された状態であっても情報を保持できるため、ＲＦタグに好適である。さらに本発明の一態様に係る記憶装置は、データの書き込みに必要な電力（電圧）が従来の不揮発性メモリに比べて低いため、データの読み出し時と書込み時の最大通信距離の差を生じさせないことも可能である。さらに、データの書き込み時に電力が不足し、誤動作または誤書込みが生じることを抑制することができる。
また、本発明の一態様に係る記憶装置は、不揮発性メモリとして用いることが可能であるため、ＲＯＭ８１１に適用することもできる。その場合には、生産者がＲＯＭ８１１にデータを書き込むためのコマンドを別途用意し、ユーザが自由に書き換えできないようにしておくことが好ましい。生産者が出荷前に固有番号を書込んだのちに製品を出荷することで、作製したＲＦタグすべてについて固有番号を付与するのではなく、出荷する良品にのみ固有番号を割り当てることが可能となり、出荷後の製品の固有番号が不連続になることがなく出荷後の製品に対応した顧客管理が容易となる。
＜ＲＦタグの使用例＞
以下では、本発明の一態様に係るＲＦタグの使用例について図２５を用いて説明する。ＲＦタグの用途は広範にわたるが、例えば、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、証書類（運転免許証や住民票等、図２５（Ａ）参照。）、包装用容器類（包装紙やボトル等、図２５（Ｃ）参照。）、記録媒体（ＤＶＤやビデオテープ等、図２５（Ｂ）参照。）、乗り物類（自転車等、図２５（Ｄ）参照。）、身の回り品（鞄や眼鏡等）、食品類、植物類、動物類、人体、衣類、生活用品類、薬品や薬剤を含む医療品、または電子機器（液晶表示装置、ＥＬ表示装置、テレビジョン装置、または携帯電話）等の物品、もしくは各物品に取り付ける荷札（図２５（Ｅ）および図２５（Ｆ）参照。）等に設けて使用することができる。
本発明の一態様に係るＲＦタグ４０００は、表面に貼る、または埋め込むことにより、物品に固定される。例えば、本であれば紙に埋め込み、有機樹脂からなるパッケージであれば当該有機樹脂の内部に埋め込み、各物品に固定される。本発明の一態様に係るＲＦタグ４０００は、小型、薄型、軽量を実現するため、物品に固定した後もその物品自体のデザイン性を損なうことがない。また、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、または証書類等に本発明の一態様に係るＲＦタグ４０００により、認証機能を付与することができ、この認証機能を活用すれば、偽造を防止することができる。また、包装用容器類、記録媒体、身の回り品、食品類、衣類、生活用品類、または電子機器等に本発明の一態様に係るＲＦタグ４０００を取り付けることにより、検品システム等のシステムの効率化を図ることができる。また、乗り物類であっても、本発明の一態様に係るＲＦタグ４０００を取り付けることにより、盗難などに対するセキュリティ性を高めることができる。
以上のように、本発明の一態様に係るＲＦタグは、上述したような各用途に用いることができる。
＜ＣＰＵ＞
以下では、上述したトランジスタや上述した記憶装置などの半導体装置を含むＣＰＵについて説明する。
図２６は、上述したトランジスタを一部に用いたＣＰＵの一例の構成を示すブロック図である。
図２６に示すＣＰＵは、基板１１９０上に、ＡＬＵ１１９１（ＡＬＵ：Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｌｏｇｉｃ ｕｎｉｔ、演算回路）、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、タイミングコントローラ１１９５、レジスタ１１９６、レジスタコントローラ１１９７、バスインターフェース１１９８（Ｂｕｓ Ｉ／Ｆ）、書き換え可能なＲＯＭ１１９９、およびＲＯＭインターフェース１１８９（ＲＯＭ Ｉ／Ｆ）を有している。基板１１９０は、半導体基板、ＳＯＩ基板、ガラス基板などを用いる。ＲＯＭ１１９９およびＲＯＭインターフェース１１８９は、別チップに設けてもよい。もちろん、図２６に示すＣＰＵは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のＣＰＵはその用途によって多種多様な構成を有している。例えば、図２６に示すＣＰＵまたは演算回路を含む構成を一つのコアとし、当該コアを複数含み、それぞれのコアが並列で動作するような構成としてもよい。また、ＣＰＵが内部演算回路やデータバスで扱えるビット数は、例えば８ビット、１６ビット、３２ビット、６４ビットなどとすることができる。
バスインターフェース１１９８を介してＣＰＵに入力された命令は、インストラクションデコーダ１１９３に入力され、デコードされた後、ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５に入力される。
ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行なう。具体的にＡＬＵコントローラ１１９２は、ＡＬＵ１１９１の動作を制御するための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ１１９４は、ＣＰＵのプログラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ１１９７は、レジスタ１１９６のアドレスを生成し、ＣＰＵの状態に応じてレジスタ１１９６の読み出しや書き込みを行なう。
また、タイミングコントローラ１１９５は、ＡＬＵ１１９１、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、およびレジスタコントローラ１１９７の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイミングコントローラ１１９５は、基準クロック信号ＣＬＫ１を元に、内部クロック信号ＣＬＫ２を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号ＣＬＫ２を上記各種回路に供給する。
図２６に示すＣＰＵでは、レジスタ１１９６に、メモリセルが設けられている。レジスタ１１９６のメモリセルとして、上述したトランジスタや記憶装置などを用いることができる。
図２６に示すＣＰＵにおいて、レジスタコントローラ１１９７は、ＡＬＵ１１９１からの指示に従い、レジスタ１１９６における保持動作の選択を行う。すなわち、レジスタ１１９６が有するメモリセルにおいて、フリップフロップによるデータの保持を行うか、容量素子によるデータの保持を行うかを、選択する。フリップフロップによるデータの保持が選択されている場合、レジスタ１１９６内のメモリセルへの、電源電圧の供給が行われる。容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き換えが行われ、レジスタ１１９６内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止することができる。
図２７は、レジスタ１１９６として用いることのできる記憶素子１２００の回路図の一例である。記憶素子１２００は、電源遮断で記憶データが揮発する回路１２０１と、電源遮断で記憶データが揮発しない回路１２０２と、スイッチ１２０３と、スイッチ１２０４と、論理素子１２０６と、容量素子１２０７と、選択機能を有する回路１２２０と、を有する。回路１２０２は、容量素子１２０８と、トランジスタ１２０９と、トランジスタ１２１０と、を有する。なお、記憶素子１２００は、必要に応じて、ダイオード、抵抗素子、インダクタなどのその他の素子をさらに有していてもよい。
ここで、回路１２０２には、上述した記憶装置を用いることができる。記憶素子１２００への電源電圧の供給が停止した際、回路１２０２のトランジスタ１２０９のゲートにはＧＮＤ（０Ｖ）、またはトランジスタ１２０９がオフする電位が入力され続ける構成とする。例えば、トランジスタ１２０９のゲートが抵抗等の負荷を介して接地される構成とする。
スイッチ１２０３は、一導電型（例えば、ｎチャネル型）のトランジスタ１２１３を用いて構成され、スイッチ１２０４は、一導電型とは逆の導電型（例えば、ｐチャネル型）のトランジスタ１２１４を用いて構成した例を示す。ここで、スイッチ１２０３の第１の端子はトランジスタ１２１３のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ１２０３の第２の端子はトランジスタ１２１３のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ１２０３はトランジスタ１２１３のゲートに入力される制御信号ＲＤによって、第１の端子と第２の端子の間の導通または非導通（つまり、トランジスタ１２１３の導通状態または非導通状態）が選択される。スイッチ１２０４の第１の端子はトランジスタ１２１４のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ１２０４の第２の端子はトランジスタ１２１４のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ１２０４はトランジスタ１２１４のゲートに入力される制御信号ＲＤによって、第１の端子と第２の端子の間の導通または非導通（つまり、トランジスタ１２１４の導通状態または非導通状態）が選択される。
トランジスタ１２０９のソースとドレインの一方は、容量素子１２０８の一対の電極のうちの一方、およびトランジスタ１２１０のゲートと電気的に接続される。ここで、接続部分をノードＭ２とする。トランジスタ１２１０のソースとドレインの一方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ線）に電気的に接続され、他方は、スイッチ１２０３の第１の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの一方）と電気的に接続される。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）はスイッチ１２０４の第１の端子（トランジスタ１２１４のソースとドレインの一方）と電気的に接続される。スイッチ１２０４の第２の端子（トランジスタ１２１４のソースとドレインの他方）は電源電位ＶＤＤを供給することのできる配線と電気的に接続される。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）と、スイッチ１２０４の第１の端子（トランジスタ１２１４のソースとドレインの一方）と、論理素子１２０６の入力端子と、容量素子１２０７の一対の電極のうちの一方と、は電気的に接続される。ここで、接続部分をノードＭ１とする。容量素子１２０７の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位（ＧＮＤ等）または高電源電位（ＶＤＤ等）が入力される構成とすることができる。容量素子１２０７の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ線）と電気的に接続される。容量素子１２０８の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位（ＧＮＤ等）または高電源電位（ＶＤＤ等）が入力される構成とすることができる。容量素子１２０８の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ線）と電気的に接続される。
なお、容量素子１２０７および容量素子１２０８は、トランジスタや配線の寄生容量等を積極的に利用することによって省略することも可能である。
トランジスタ１２０９のゲートには、制御信号ＷＥが入力される。スイッチ１２０３およびスイッチ１２０４は、制御信号ＷＥとは異なる制御信号ＲＤによって第１の端子と第２の端子の間の導通状態または非導通状態を選択され、一方のスイッチの第１の端子と第２の端子の間が導通状態のとき他方のスイッチの第１の端子と第２の端子の間は非導通状態となる。
トランジスタ１２０９のソースとドレインの他方には、回路１２０１に保持されたデータに対応する信号が入力される。図２７では、回路１２０１から出力された信号が、トランジスタ１２０９のソースとドレインの他方に入力される例を示した。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号は、論理素子１２０６によってその論理値が反転された反転信号となり、回路１２２０を介して回路１２０１に入力される。
なお、図２７では、スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号は、論理素子１２０６および回路１２２０を介して回路１２０１に入力する例を示したがこれに限定されない。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号が、論理値を反転させられることなく、回路１２０１に入力されてもよい。例えば、回路１２０１内に、入力端子から入力された信号の論理値が反転した信号が保持されるノードが存在する場合に、スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号を当該ノードに入力することができる。
また、図２７において、記憶素子１２００に用いられるトランジスタのうち、トランジスタ１２０９以外のトランジスタは、酸化物半導体以外の半導体でなる膜または基板１１９０にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。例えば、シリコン層またはシリコン基板にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。また、記憶素子１２００に用いられるトランジスタ全てを、チャネルが酸化物半導体で形成されるトランジスタとすることもできる。または、記憶素子１２００は、トランジスタ１２０９以外にも、チャネルが酸化物半導体で形成されるトランジスタを含んでいてもよく、残りのトランジスタは酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板１１９０にチャネルが形成されるトランジスタとすることもできる。
図２７における回路１２０１には、例えばフリップフロップ回路を用いることができる。また、論理素子１２０６としては、例えばインバータやクロックドインバータ等を用いることができる。
本発明の一態様に係る半導体装置では、記憶素子１２００に電源電圧が供給されない間は、回路１２０１に記憶されていたデータを、回路１２０２に設けられた容量素子１２０８によって保持することができる。
また、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジスタはオフ電流が極めて小さい。例えば、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流は、結晶性を有するシリコンにチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流に比べて著しく低い。そのため、当該トランジスタをトランジスタ１２０９として用いることによって、記憶素子１２００に電源電圧が供給されない間も容量素子１２０８に保持された信号は長期間にわたり保たれる。こうして、記憶素子１２００は電源電圧の供給が停止した間も記憶内容（データ）を保持することが可能である。
また、スイッチ１２０３およびスイッチ１２０４を設けることによって、プリチャージ動作を行うことを特徴とする記憶素子であるため、電源電圧供給再開後に、回路１２０１が元のデータを保持しなおすまでの時間を短くすることができる。
また、回路１２０２において、容量素子１２０８によって保持された信号はトランジスタ１２１０のゲートに入力される。そのため、記憶素子１２００への電源電圧の供給が再開された後、容量素子１２０８によって保持された信号を、トランジスタ１２１０の状態（導通状態、または非導通状態）に変換して、回路１２０２から読み出すことができる。それ故、容量素子１２０８に保持された信号に対応する電位が多少変動していても、元の信号を正確に読み出すことが可能である。
このような記憶素子１２００を、プロセッサが有するレジスタやキャッシュメモリなどの記憶装置に用いることで、電源電圧の供給停止による記憶装置内のデータの消失を防ぐことができる。また、電源電圧の供給を再開した後、短時間で電源供給停止前の状態に復帰することができる。よって、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ、または複数の論理回路において、短い時間でも電源停止を行うことができるため、消費電力を抑えることができる。
記憶素子１２００をＣＰＵに用いる例として説明したが、記憶素子１２００は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、カスタムＬＳＩ、ＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）等のＬＳＩ、ＲＦ−ＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）にも応用可能である。
＜表示装置＞
以下では、本発明の一態様に係る表示装置の構成例について説明する。
［構成例］
図２８（Ａ）には、本発明の一態様に係る表示装置の上面図を示す。また、図２８（Ｂ）には、本発明の一態様に係る表示装置の画素に液晶素子を用いた場合における画素回路を示す。また、図２８（Ｃ）には、本発明の一態様に係る表示装置の画素に有機ＥＬ素子を用いた場合における画素回路を示す。
画素に用いるトランジスタは、上述したトランジスタを用いることができる。ここでは、ｎチャネル型のトランジスタを用いる例を示す。なお、画素に用いたトランジスタと、同一工程を経て作製したトランジスタを駆動回路として用いても構わない。このように、画素や駆動回路に上述したトランジスタを用いることにより、表示品位が高い、または／および信頼性の高い表示装置となる。
アクティブマトリクス型表示装置の上面図の一例を図２８（Ａ）に示す。表示装置の基板５０００上には、画素部５００１、第１の走査線駆動回路５００２、第２の走査線駆動回路５００３、信号線駆動回路５００４が配置される。画素部５００１は、複数の信号線によって信号線駆動回路５００４と電気的に接続され、複数の走査線によって第１の走査線駆動回路５００２、および第２の走査線駆動回路５００３と電気的に接続される。なお、走査線と信号線とによって区切られる領域には、それぞれ表示素子を有する画素が配置されている。また、表示装置の基板５０００は、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の接続部を介して、タイミング制御回路（コントローラ、制御ＩＣともいう）に電気的に接続されている。
第１の走査線駆動回路５００２、第２の走査線駆動回路５００３および信号線駆動回路５００４は、画素部５００１と同じ基板５０００上に形成される。そのため、駆動回路を別途作製する場合と比べて、表示装置を作製するコストを低減することができる。また、駆動回路を別途作製した場合、配線間の接続数が増える。したがって、同じ基板５０００上に駆動回路を設けることで、配線間の接続数を減らすことができ、信頼性の向上、または／および歩留まりの向上を図ることができる。
〔液晶表示装置〕
また、画素の回路構成の一例を図２８（Ｂ）に示す。ここでは、ＶＡ型液晶表示装置の画素などに適用することができる画素回路を示す。
この画素回路は、一つの画素に複数の画素電極を有する構成に適用できる。それぞれの画素電極は異なるトランジスタに接続され、各トランジスタは異なるゲート信号で駆動できるように構成されている。これにより、マルチドメイン設計された画素の個々の画素電極に印加する信号を、独立して制御できる。
トランジスタ５０１６のゲート配線５０１２と、トランジスタ５０１７のゲート配線５０１３には、異なるゲート信号を与えることができるように分離されている。一方、データ線として機能するソース電極またはドレイン電極５０１４は、トランジスタ５０１６とトランジスタ５０１７で共通に用いられている。トランジスタ５０１６とトランジスタ５０１７は上述したトランジスタを適宜用いることができる。これにより、表示品位が高い、または／および信頼性の高い液晶表示装置を提供することができる。
トランジスタ５０１６と電気的に接続する第１の画素電極と、トランジスタ５０１７と電気的に接続する第２の画素電極の形状について説明する。第１の画素電極と第２の画素電極の形状は、スリットによって分離されている。第１の画素電極はＶ字型に広がる形状を有し、第２の画素電極は第１の画素電極の外側を囲むように形成される。
トランジスタ５０１６のゲート電極はゲート配線５０１２と電気的に接続され、トランジスタ５０１７のゲート電極はゲート配線５０１３と電気的に接続されている。ゲート配線５０１２とゲート配線５０１３に異なるゲート信号を与えてトランジスタ５０１６とトランジスタ５０１７の動作タイミングを異ならせ、液晶の配向を制御することができる。
また、容量配線５０１０と、誘電体として機能するゲート絶縁体と、第１の画素電極または第２の画素電極と電気的に接続する容量電極とで容量素子を形成してもよい。
マルチドメイン構造は、一画素に第１の液晶素子５０１８と第２の液晶素子５０１９を備える。第１の液晶素子５０１８は第１の画素電極と対向電極とその間の液晶層とで構成され、第２の液晶素子５０１９は第２の画素電極と対向電極とその間の液晶層とで構成される。
なお、本発明の一態様に係る表示装置は、図２８（Ｂ）に示す画素回路に限定されない。例えば、図２８（Ｂ）に示す画素回路に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ、センサ、または論理回路などを追加してもよい。
〔有機ＥＬ表示装置〕
画素の回路構成の他の一例を図２８（Ｃ）に示す。ここでは、有機ＥＬ素子を用いた表示装置の画素構造を示す。
有機ＥＬ素子は、発光素子に電圧を印加することにより、有機ＥＬ素子が有する一対の電極の一方から電子が、他方から正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、電子および正孔が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
図２８（Ｃ）は、画素回路の一例を示す図である。ここでは１つの画素にｎチャネル型のトランジスタを２つ用いる例を示す。なお、ｎチャネル型のトランジスタには、上述したトランジスタを用いることができる。また、当該画素回路は、デジタル時間階調駆動を適用することができる。
適用可能な画素回路の構成およびデジタル時間階調駆動を適用した場合の画素の動作について説明する。
画素５０２０は、スイッチング用トランジスタ５０２１、駆動用トランジスタ５０２２、発光素子５０２４および容量素子５０２３を有する。スイッチング用トランジスタ５０２１は、ゲート電極が走査線５０２６に接続され、第１電極（ソース電極、ドレイン電極の一方）が信号線５０２５に接続され、第２電極（ソース電極、ドレイン電極の他方）が駆動用トランジスタ５０２２のゲート電極に接続されている。駆動用トランジスタ５０２２は、ゲート電極が容量素子５０２３を介して電源線５０２７に接続され、第１電極が電源線５０２７に接続され、第２電極が発光素子５０２４の第１電極（画素電極）に接続されている。発光素子５０２４の第２電極は共通電極５０２８に相当する。共通電極５０２８は、同一基板上に形成される共通電位線と電気的に接続される。
スイッチング用トランジスタ５０２１および駆動用トランジスタ５０２２は上述したトランジスタを用いることができる。これにより、表示品位の高い、または／および信頼性の高い有機ＥＬ表示装置となる。
発光素子５０２４の第２電極（共通電極５０２８）の電位は低電源電位に設定する。なお、低電源電位とは、電源線５０２７に供給される高電源電位より低い電位であり、例えばＧＮＤ、０Ｖなどを低電源電位として設定することができる。発光素子５０２４の順方向のしきい値電圧以上となるように高電源電位と低電源電位を設定し、その電位差を発光素子５０２４に印加することにより、発光素子５０２４に電流を流して発光させる。なお、発光素子５０２４の順方向電圧とは、所望の輝度とする場合の電圧を指しており、少なくとも順方向しきい値電圧を含む。
なお、容量素子５０２３は駆動用トランジスタ５０２２のゲート容量を代用することにより省略できる場合がある。駆動用トランジスタ５０２２のゲート容量については、チャネル形成領域とゲート電極との間で容量が形成されていてもよい。
次に、駆動用トランジスタ５０２２に入力する信号について説明する。電圧入力電圧駆動方式の場合、駆動用トランジスタ５０２２がオンまたはオフの二つの状態となるようなビデオ信号を、駆動用トランジスタ５０２２に入力する。なお、駆動用トランジスタ５０２２を線形領域で動作させるために、電源線５０２７の電圧よりも高い電圧を駆動用トランジスタ５０２２のゲート電極に与える。また、信号線５０２５には、電源線電圧に駆動用トランジスタ５０２２のしきい値電圧Ｖｔｈを加えた値以上の電圧をかける。
アナログ階調駆動を行う場合、駆動用トランジスタ５０２２のゲート電極に発光素子５０２４の順方向電圧に駆動用トランジスタ５０２２のしきい値電圧Ｖｔｈを加えた値以上の電圧をかける。なお、駆動用トランジスタ５０２２が飽和領域で動作するようにビデオ信号を入力し、発光素子５０２４に電流を流す。また、駆動用トランジスタ５０２２を飽和領域で動作させるために、電源線５０２７の電位を、駆動用トランジスタ５０２２のゲート電位より高くする。ビデオ信号をアナログとすることで、発光素子５０２４にビデオ信号に応じた電流を流し、アナログ階調駆動を行うことができる。
なお、本発明の一態様に係る表示装置は、図２８（Ｃ）に示す画素構成に限定されない。例えば、図２８（Ｃ）に示す画素回路にスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサ、トランジスタまたは論理回路などを追加してもよい。
図２８で例示した回路に上述したトランジスタを適用する場合、低電位側にソース電極（第１の電極）、高電位側にドレイン電極（第２の電極）がそれぞれ電気的に接続される構成とする。さらに、制御回路等により第１のゲート電極の電位を制御し、第２のゲート電極にはソース電極に与える電位よりも低い電位など、上記で例示した電位を入力可能な構成とすればよい。
例えば、本明細書等において、表示素子、表示素子を有する装置である表示装置、発光素子、および発光素子を有する装置である発光装置は、様々な形態を用いること、または様々な素子を有することが出来る。表示素子、表示装置、発光素子または発光装置は、例えば、ＥＬ素子（有機物および無機物を含むＥＬ素子、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子）、ＬＥＤ（白色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤなど）、トランジスタ（電流に応じて発光するトランジスタ）、電子放出素子、液晶素子、電子インク、電気泳動素子、グレーティングライトバルブ（ＧＬＶ）、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）、ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、ＤＭＳ（デジタル・マイクロ・シャッター）、ＩＭＯＤ（インターフェアレンス・モジュレーション）素子、エレクトロウェッティング素子、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチューブを用いた表示素子などの少なくとも一つを有している。これらのほかにも、電気的または磁気的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率などが変化する表示媒体を有してもよい。ＥＬ素子を用いた表示装置の一例としては、ＥＬディスプレイなどがある。電子放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）またはＳＥＤ方式平面型ディスプレイ（ＳＥＤ：Ｓｕｒｆａｃｅ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｅｍｉｔｔｅｒ Ｄｉｓｐｌａｙ）などがある。液晶素子を用いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ（透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ）などがある。電子インクまたは電気泳動素子を用いた表示装置の一例としては、電子ペーパーなどがある。
なお、バックライト（有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子、ＬＥＤ、蛍光灯など）に白色光（Ｗ）を用いて表示装置をフルカラー表示させるために、着色層（カラーフィルターともいう。）を用いてもよい。着色層は、例えば、レッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）、ブルー（Ｂ）、イエロー（Ｙ）などを適宜組み合わせて用いることができる。着色層を用いることで、着色層を用いない場合と比べて色の再現性を高くすることができる。このとき、着色層を有する領域と、着色層を有さない領域と、を配置することによって、着色層を有さない領域における白色光を直接表示に利用しても構わない。一部に着色層を有さない領域を配置することで、明るい表示の際に、着色層による輝度の低下を少なくでき、消費電力を２割から３割程度低減できる場合がある。ただし、有機ＥＬ素子や無機ＥＬ素子などの自発光素子を用いてフルカラー表示する場合、Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｙ、Ｗを、それぞれの発光色を有する素子から発光させても構わない。自発光素子を用いることで、着色層を用いた場合よりも、さらに消費電力を低減できる場合がある。
＜モジュール＞
以下では、本発明の一態様に係る半導体装置を適用した表示モジュールについて、図２９を用いて説明を行う。
図２９に示す表示モジュール８０００は、上部カバー８００１と下部カバー８００２との間に、ＦＰＣ８００３に接続されたタッチパネル８００４、ＦＰＣ８００５に接続されたセル８００６、バックライトユニット８００７、フレーム８００９、プリント基板８０１０、バッテリー８０１１を有する。なお、バックライトユニット８００７、バッテリー８０１１、タッチパネル８００４などを有さない場合もある。
本発明の一態様に係る半導体装置は、例えば、セル８００６に用いることができる。
上部カバー８００１および下部カバー８００２は、タッチパネル８００４およびセル８００６のサイズに合わせて、形状や寸法を適宜変更することができる。
タッチパネル８００４は、抵抗膜方式または静電容量方式のタッチパネルをセル８００６に重畳して用いることができる。また、セル８００６の対向基板（封止基板）に、タッチパネル機能を持たせるようにすることも可能である。または、セル８００６の各画素内に光センサを設け、光学式のタッチパネルとすることも可能である。または、セル８００６の各画素内にタッチセンサ用電極を設け、静電容量方式のタッチパネルとすることも可能である。
バックライトユニット８００７は、光源８００８を有する。光源８００８をバックライトユニット８００７の端部に設け、光拡散板を用いる構成としてもよい。
フレーム８００９は、セル８００６の保護機能の他、プリント基板８０１０の動作により発生する電磁波を遮断するための電磁シールドとしての機能を有してもよい。またフレーム８００９は、放熱板としての機能を有していてもよい。
プリント基板８０１０は、電源回路、ビデオ信号およびクロック信号を出力するための信号処理回路を有する。電源回路に電力を供給する電源としては、外部の商用電源であってもよいし、別途設けたバッテリー８０１１による電源であってもよい。商用電源を用いる場合には、バッテリー８０１１を有さなくてもよい。
また、表示モジュール８０００には、偏光板、位相差板、プリズムシートなどの部材を追加して設けてもよい。
＜電子機器＞
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置（代表的にはＤＶＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置）に用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等）、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機（ＡＴＭ）、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図３０に示す。
図３０（Ａ）は携帯型ゲーム機であり、筐体９０１、筐体９０２、表示部９０３、表示部９０４、マイクロフォン９０５、スピーカー９０６、操作キー９０７、スタイラス９０８等を有する。なお、図３０（Ａ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示部９０３と表示部９０４とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。
図３０（Ｂ）は携帯データ端末であり、第１筐体９１１、第２筐体９１２、第１表示部９１３、第２表示部９１４、接続部９１５、操作キー９１６等を有する。第１表示部９１３は第１筐体９１１に設けられており、第２表示部９１４は第２筐体９１２に設けられている。そして、第１筐体９１１と第２筐体９１２とは、接続部９１５により接続されており、第１筐体９１１と第２筐体９１２の間の角度は、接続部９１５により変更が可能である。第１表示部９１３における映像を、接続部９１５における第１筐体９１１と第２筐体９１２との間の角度にしたがって、切り替える構成としてもよい。また、第１表示部９１３および第２表示部９１４の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしてもよい。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。または、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。
図３０（Ｃ）はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体９２１、表示部９２２、キーボード９２３、ポインティングデバイス９２４等を有する。
図３０（Ｄ）は電気冷凍冷蔵庫であり、筐体９３１、冷蔵室用扉９３２、冷凍室用扉９３３等を有する。
図３０（Ｅ）はビデオカメラであり、第１筐体９４１、第２筐体９４２、表示部９４３、操作キー９４４、レンズ９４５、接続部９４６等を有する。操作キー９４４およびレンズ９４５は第１筐体９４１に設けられており、表示部９４３は第２筐体９４２に設けられている。そして、第１筐体９４１と第２筐体９４２とは、接続部９４６により接続されており、第１筐体９４１と第２筐体９４２の間の角度は、接続部９４６により変更が可能である。表示部９４３における映像を、接続部９４６における第１筐体９４１と第２筐体９４２との間の角度にしたがって切り替える構成としてもよい。
図３０（Ｆ）は普通自動車であり、車体９５１、車輪９５２、ダッシュボード９５３、ライト９５４等を有する。
本実施例では、本発明の一態様に係る半導体を有する試料を作製し、その物理的性質について評価した。
＜平坦性＞
まずは、半導体の平坦性について評価した。以下では、試料の作製方法について説明する。
まず、基板としてシリコン基板を準備した。
次に、熱酸化法により、シリコン基板に１００ｎｍの厚さの酸化シリコン膜を形成した。
次に、スパッタリング法により、３００ｎｍの厚さの酸化シリコン膜を形成した。次に、該酸化シリコン膜の上面からＣＭＰ法によって平坦化処理を行った。なお、平坦化処理によって、酸化シリコン膜は、厚さが１２ｎｍ程度薄くなり、かつ上面の平均面粗さが０．２ｎｍ以下となった。
次に、スパッタリング法により、厚さが２０ｎｍの第１の半導体を成膜した。第１の半導体の成膜は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］）ターゲットを用いて行った。なお、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］）ターゲットを用いて成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物層を＜１３４＞とも表記する。なお、成膜時の基板温度を２００℃、２５０℃、３００℃または３５０℃、酸素ガス割合［Ｏ２／（Ｏ２＋Ａｒ）］を３３％、圧力を０．４Ｐａ、ＤＣ電力を０．５ｋＷとした。
または、第１の半導体の成膜は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］）ターゲットを用いて行った。なお、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］）ターゲットを用いて成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物層を＜１３２＞とも表記する。なお、成膜時の基板温度を２００℃と、酸素ガス割合［Ｏ２／（Ｏ２＋Ａｒ）］を３３％、圧力を０．４Ｐａ、ＤＣ電力を０．５ｋＷとした。
次に、一部の試料ではスパッタリング法により、厚さが１５ｎｍの第２の半導体を成膜した。第２の半導体の成膜は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］）ターゲットを用いて行った。なお、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］）ターゲットを用いて成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物層を＜１１１＞とも表記する。なお、成膜時の基板温度を３００℃、酸素ガス割合［Ｏ２／（Ｏ２＋Ａｒ）］を３３％、圧力を０．４Ｐａ、ＤＣ電力を０．５ｋＷとした。
次に、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を用いて、ＲＭＳ粗さ、ＲａおよびＰ−Ｖを測定した。なお、測定範囲は１μｍ×１μｍとし、データ数をＸ＝５１２、Ｙ＝５１２とした。
結果を図３５に示す。ＲＭＳ粗さは、基板温度が高くなるにしたがって大きくなることがわかった。特に、＜１３４＞上に＜１１１＞を配置した積層構造（＜１３４＞＼＜１１１＞とも表記する。）において傾向が顕著となった。また、＜１３２＞単層、および＜１３２＞上に＜１１１＞を配置した積層構造（＜１３２＞＼＜１１１＞とも表記する。）では、ＲＭＳ粗さは０．４ｎｍ以下まで小さくなることがわかった。
また、ＲａもＲＭＳ粗さと同様の傾向であった。また、＜１３２＞単層、および＜１３２＞＼＜１１１＞では、Ｒａは０．３ｎｍ以下まで小さくなることがわかった。
また、Ｐ−Ｖは、＜１３４＞＼＜１１１＞では、基板温度が高くなるにしたがって大きくなることがわかった。一方、＜１３４＞単層では基板温度によらずＰ−Ｖは一定であった。
次に、上記試料のうち、＜１３４＞単層と同様の構造を有し、第１の半導体の成膜条件のみ異なる試料について、ＲＭＳ粗さ、ＲａおよびＰ−Ｖを測定した。なお、第１の半導体の成膜は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］）ターゲットを用いて行った。なお、成膜時の基板温度を２００℃、酸素ガス割合［Ｏ２／（Ｏ２＋Ａｒ）］を１１％、３３％、５０％または１００％、圧力を０．４Ｐａ、ＤＣ電力を０．５ｋＷとした。
結果を図３６に示す。ＲＭＳ粗さは、酸素ガス割合が高くなるにしたがって大きくなることがわかった。また、酸素ガス割合が１１％および３３％の試料では、ＲＭＳ粗さは０．５ｎｍ以下まで小さくなることがわかった。
また、ＲａもＲＭＳ粗さと同様の傾向であった。また、酸素ガス割合が１１％および３３％の試料では、Ｒａは０．４ｎｍ以下まで小さくなることがわかった。
また、Ｐ−Ｖは、４ｎｍ以上６ｎｍ以下程度となった。
＜結晶性＞
次に、半導体の結晶性について評価した。
試料の構造は、平坦性の評価を行った＜１３４＞単層の試料と同様である。即ち、シリコン基板と、シリコン基板表面に熱酸化法により形成された厚さが１００ｎｍの酸化シリコン膜と、該酸化シリコン膜上にスパッタリング法によって成膜され、かつＣＭＰ法により平坦化された厚さが２８８ｎｍ（ＣＭＰ法による薄膜化分を含む。）の酸化シリコン膜と、該酸化シリコン膜上にスパッタリング法により形成された厚さが２０ｎｍの半導体＜１３４＞と、を有する試料である。
ただし、＜１３４＞は、成膜時の基板温度を、室温（２５℃程度。ＲＴとも表記する。）、１００℃、２００℃、２５０℃、３００℃または３５０℃とした。また、それぞれの基板温度条件に対して、酸素ガス割合を１１％、３３％、５０％または１００％とした試料を準備した。
結晶性の評価は、Ｂｒｕｋｅｒ ＡＸＳ社製Ｘ線回折装置Ｄ８ ＡＤＶＡＮＣＥを用い、Ｏｕｔ ｏｆ Ｐｌａｎｅ法で行った。
結果を図３７に示す。室温で成膜した全ての試料、ならびに１００℃で成膜した酸素ガス割合が１１％および３３％の試料を除き、２θが３０°付近に配向性を示すピークが確認できた。該ピークを有する試料は、ｃ軸方向に配向性を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の結晶を含むと推測される。したがって、該試料はＣＡＡＣ−ＯＳであることが推測される。
次に、上記のうち、２００℃で成膜した酸素ガス割合が１１％、３３％および１００％の試料に対し、プローブ径を１ｎｍとしたナノビーム電子回折を行い、ＣＡＡＣ化率を測定した。ＣＡＡＣ化率の測定方法については、先の実施の形態の記載を参照する。
ここでは、各試料の上面に対し、５ｎｍ／秒の速度で６０秒間スキャンしながら透過電子回折パターンを取得した。そして、観測された回折パターンを０．５秒ごとに静止画に変換することで、ＣＡＡＣ化率を導出した。
各試料におけるＣＡＡＣ化率を図３８に示す。酸素ガス割合が１１％である＜１３４＞のＣＡＡＣ化率は９１．８％（非ＣＡＡＣ化率は８．２％）であった。また、酸素ガス割合が３３％である＜１３４＞のＣＡＡＣ化率は９５．０％（非ＣＡＡＣ化率は５．０％）であった。また、酸素ガス割合が１００％である＜１３４＞のＣＡＡＣ化率は１００．０％（非ＣＡＡＣ化率は０．０％）であった。したがって、これらの各試料は全てＣＡＡＣ−ＯＳであることがわかった。また、酸素ガス割合が高いほど、非ＣＡＡＣ化率が低くなる（ＣＡＡＣ化率が高くなる）ことがわかった。換言すると、酸素ガス割合が低いほど、非ＣＡＡＣ化率が高くなる（ＣＡＡＣ化率が低くなる）ことがわかった。
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳと異なる回折パターンのほとんどはｎｃ−ＯＳと同様の回折パターンであった。
次に、＜１３４＞を１００ｎｍまで厚くすることでＸＲＤ強度を高め、改めて結晶性の比較を行った。なお、そのほかの条件については同じとした。
結果を、図３９に示す。＜１３４＞が２０ｎｍである試料と比べ、２θが３０°付近のピーク強度が大きい。そのため、２０ｎｍの試料でピークを確認することができなかった室温で成膜した試料においても、酸素ガス割合が５０％および１００％の条件でピークを確認することができた。
ここで、各試料における、ＣＡＡＣ起因と見られる３０°付近のピークのＸＲＤ強度（ＸＲＤ強度｜ＣＡＡＣとも表記する。）を図４０に示す。なお、ＸＲＤ強度は、基板など他の要素に起因するバックグラウンドを差し引くことでピークのみを分離し、該ピークをローレンツ関数でフィッティングすることで導出した。
以上に示した結晶性の評価より、ＣＡＡＣ−ＯＳの形成には、あるしきい値が存在することが示唆された。即ち、良質なＣＡＡＣ−ＯＳである＜１３４＞単層を成膜するためには、例えば、成膜時の基板温度は１００℃以上、好ましくは２００℃以上とすればよいことがわかる。ただし、成膜時の基板温度が高いほど、酸素ガス割合が高いほど結晶性が高まるとも限らないことがわかった。したがって、求められる結晶性の高さに応じて、適宜条件の組み合わせを選択することが重要である。
＜膜密度＞
次に、半導体の膜密度について評価した。
試料の構造は、結晶性の評価を行った＜１３４＞単層の試料と同様である。即ち、シリコン基板と、シリコン基板表面に熱酸化法により形成された厚さが１００ｎｍの酸化シリコン膜と、該酸化シリコン膜上にスパッタリング法によって成膜され、かつＣＭＰ法により平坦化された厚さが２８８ｎｍ（ＣＭＰ法による薄膜化分を含む。）の酸化シリコン膜と、該酸化シリコン膜上にスパッタリング法により形成された厚さが２０ｎｍの半導体＜１３４＞と、を有する試料である。
膜密度の測定は、Ｂｒｕｋｅｒ ＡＸＳ社製Ｘ線回折装置Ｄ８ ＡＤＶＡＮＣＥを用い、Ｘ線反射率（ＸＲＲ：Ｘ−Ｒａｙ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）測定法によって行った。なお、膜密度の導出は、下面、上面における界面層を除外して行った。
結果を図４１に示す。＜１３４＞単層の膜密度は、５．５ｇ／ｃｍ３から６．４ｇ／ｃｍ３までの範囲をとることがわかった。また、傾向として、成膜時の酸素ガス割合が高いほど、成膜時の基板温度が高いほど膜密度が高くなる条件が多く見られた。
次に、横軸に膜密度、縦軸にＸＲＤ強度｜ＣＡＡＣをとり、図４０および図４１のデータ（２４点）をプロットした（図４２参照。）。図４２には、近似直線および相関係数Ｒの二乗（Ｒ２とも表記する。）を示す。結果、＜１３４＞の膜密度と結晶性には正の相関関係が見られることがわかった。即ち、結晶性が高いほど膜密度が高くなり、膜密度が高いほど結晶性が高くなることがわかった。
＜酸素の拡散＞
次に、半導体中における酸素の拡散について評価した。以下は、試料の作製方法について説明する。
まず、基板として一辺が１２６．６ｍｍの角型シリコン基板を準備した。
次に、熱酸化法により、シリコン基板に１００ｎｍの厚さの酸化シリコン膜を形成した。
次に、スパッタリング法により、３００ｎｍの厚さの酸化シリコン膜を形成した。酸化シリコン膜の成膜は、合成石英ターゲットを用いて行った。なお、酸素ガスとして１８Ｏ２を用い、酸素ガス割合［Ｏ２／（Ｏ２＋Ａｒ）］を５０％とした。次に、該酸化シリコン膜の上面からＣＭＰ法によって平坦化処理を行った。なお、平坦化処理によって、酸化シリコン膜は、厚さが１２ｎｍ程度薄くなり、かつ上面の平均面粗さが０．２ｎｍ以下となった。
次に、スパッタリング法により、厚さが５０ｎｍの半導体を成膜した。半導体の成膜は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］）ターゲットを用いて行った。なお、成膜時の基板温度を１００℃、２００℃、２５０℃または３００℃、酸素ガス割合［Ｏ２／（Ｏ２＋Ａｒ）］を１１％、３３％、５０％または１００％、圧力を０．４Ｐａ、ＤＣ電力を０．５ｋＷとした。
次に、加熱処理を行った。加熱処理は、窒素ガス雰囲気にて１時間行った後、酸素ガス雰囲気にて１時間行った。また、加熱処理の温度は、３５０℃、４００℃または４５０℃とした。
酸素の拡散は、アルバック・ファイ株式会社製四重極型二次イオン質量分析装置ＰＨＩ ＡＤＥＰＴ１０１０を用いて＜１３４＞中の深さ方向の１８Ｏの濃度分布を測定することで評価した。このように、酸素の同位体元素である１８Ｏを含む酸化シリコン膜から＜１３４＞への１８Ｏの拡散を測定することで、酸素を主成分とする層中であっても酸素の拡散を評価することが可能となる。
図４３に、成膜時の基板温度（成膜温度とも表記する。）ごとの各試料の深さ方向の１８Ｏの濃度分布を示す。なお、成膜時の酸素ガス割合は３３％とした。また、図４４に、成膜時の酸素ガス割合と各試料の深さ方向の１８Ｏの濃度分布を示す。なお、成膜時の基板温度は２００℃とした。また、図４３および図４４では、比較として加熱処理を行っていない試料（ａｓ−ｄｅｐｏとも表記する。）の深さ方向の１８Ｏの濃度分布も示す。
次に、深さ方向の１８Ｏの濃度分布から、酸化シリコン膜から拡散する１８Ｏの＜１３４＞中における拡散長を求める手順について、図４５を用いて説明する。
図４５などに示すように、１８Ｏ２を用いて成膜した酸化シリコン膜（ＳｉＯｘ １８Ｏとも表記する。）は、１８Ｏの深さ方向の濃度分布が略一定となる領域を有する。ここでは、酸化シリコン膜中における１８Ｏ濃度の最大値を図中に破線で示す。次に、酸化シリコン膜中における１８Ｏ濃度の最大値に１／ｅを乗じた値を図中に破線で示す。そして、この値となる深さを酸化シリコン膜と＜１３４＞との境界とする。ただし、本実施例では、該領域において１８Ｏ濃度の定量は行っていない。
また、＜１３４＞中にも、１８Ｏの深さ方向の濃度分布が略一定となる領域を有する。該領域における１８Ｏ濃度は、１８Ｏの拡散によらず元来＜１３４＞に含まれる１８Ｏ濃度である可能性が高い。したがって、該領域を有さない試料においては、１８Ｏの拡散を評価することは困難となる場合がある。該領域を形成するために、適宜＜１３４＞の厚さを変えてもよい。
本実施例では、１８Ｏ濃度が１８Ｏ濃度の最大値に１／ｅを乗じた値から２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（図中に破線で示す。）となる深さまでの領域を＜１３４＞への１８Ｏの拡散領域と見なして評価した。
即ち、図４５中に両矢印で示した深さが、＜１３４＞における１８Ｏの拡散長である。
この手順によって、図４３および図４４に示した各試料における１８Ｏの拡散長を導出した。結果を表２に示す。
次に、横軸に膜密度をとり、縦軸に拡散長をとって、データをプロットしたものを図４６に示す。なお、膜密度は、前出の膜密度を利用している。そのため、酸素の拡散を評価した試料とは＜１３４＞の厚さが異なる。また、成膜後の加熱処理によって膜密度が変化する場合もあるが、本実施例では考慮しない。
図４６において、ａｓ−ｄｅｐｏの試料においては、膜密度と拡散長に関係性は見出せなかった。したがって、＜１３４＞の成膜時などに形成される、酸化シリコンと＜１３４＞との混合領域の厚さは、ほとんど＜１３４＞の膜密度によらないことがわかった。または、該混合領域の厚さは、ほとんど＜１３４＞の成膜条件によらないことがわかった。
また、３５０℃、４００℃、４５０℃にて加熱処理を行った場合、膜密度が低い試料ほど拡散長が大きいことがわかった。即ち、膜密度が低いほど酸素は拡散しやすいことがわかった。
本実施例では、半導体の物性について多角的に評価を行ってきた。その結果、平坦性と結晶性との関係性、結晶性と膜密度との関係性、膜密度と酸素の拡散との関係性など相互の結びつきを確認することができた。
本実施例では、本発明の一態様に係るトランジスタを作製し、その電気特性を評価した。以下に試料の作製方法を説明する。なお、本実施例で作製したトランジスタの構造は、図１に示した構造と比べて、第２のゲート電極として機能する導電体４１３を有さない点が異なる。即ち、図５（Ｂ）に示した構造と同様の構造である。したがって、以下では、図１、図５（Ｂ）図１２、図１３および図１４などに記載の符号などを用いて説明する。
まず、基板４００としてシリコン基板を準備した。
次に、熱酸化法により、シリコン基板に１００ｎｍの厚さの酸化シリコン膜を形成した。
次に、ＰＥＣＶＤ法により、３００ｎｍの厚さの酸化窒化シリコン膜を形成した。次に、該酸化窒化シリコン膜の上面からＣＭＰ法によって平坦化処理を行った。なお、平坦化処理によって、酸化窒化シリコン膜は、厚さが１２ｎｍ程度薄くなり、かつ上面の平均面粗さが０．２ｎｍ以下となった。
次に、イオン注入法により、酸化窒化シリコン膜に酸素を添加した。イオン注入法は、加速電圧を６０ｋＶとし、１６Ｏ＋イオンを２×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２の濃度で行った。
なお、酸化シリコン膜および酸化窒化シリコン膜は、絶縁体４０２に相当する。
次に、スパッタリング法により、半導体４０６ａに相当する厚さが２０ｎｍの半導体と、半導体４０６ｂに相当する厚さが１５ｎｍの半導体の積層構造を形成した。
半導体４０６ａに相当する半導体の成膜は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］）ターゲットを用いて行った。なお、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］）ターゲットを用いて成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物層を＜１３４＞とも表記する。なお、成膜時の基板温度を２００℃、酸素ガス割合［Ｏ２／（Ｏ２＋Ａｒ）］を１１％、３３％、５０％または１００％、圧力を０．４Ｐａ、ＤＣ電力を０．５ｋＷとした。
半導体４０６ｂに相当する半導体の成膜は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］）ターゲットを用いて行った。なお、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］）ターゲットを用いて成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物層を＜１１１＞とも表記する。なお、成膜時の基板温度を３００℃、酸素ガス割合［Ｏ２／（Ｏ２＋Ａｒ）］を３３％、圧力を０．４Ｐａ、ＤＣ電力を０．５ｋＷとした。
次に、加熱処理を行った。加熱処理は、窒素ガス雰囲気にて１時間行った後、酸素ガス雰囲気にて１時間行った。また、加熱処理の温度は４５０℃とした。
次に、スパッタリング法により、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂに相当する厚さが１００ｎｍのタングステン膜を形成した。
次に、スパッタリング法により半導体４０６ｃに相当する厚さが５ｎｍの半導体と、ＰＥＣＶＤ法により絶縁体４１２に相当する厚さが２０ｎｍの酸化窒化シリコン膜と、スパッタリング法により厚さが３０ｎｍの窒化タンタル膜と、スパッタリング法により厚さが１３５ｎｍのタングステン膜と、を形成した。なお、窒化タンタル膜とタングステン膜との積層構造は、導電体４０４に相当する。半導体４０６ｃに相当する半導体の成膜は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］）ターゲットを用いて行った（＜１３２＞とも表記する。）。なお、成膜時の基板温度を２００℃、酸素ガス割合［Ｏ２／（Ｏ２＋Ａｒ）］を３３％、圧力を０．４Ｐａ、ＤＣ電力を０．５ｋＷとした。
次に、スパッタリング法により絶縁体４０８に相当する厚さが７０ｎｍの酸化アルミニウム膜と、ＰＥＣＶＤ法により絶縁体４１８に相当する厚さが３００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を成膜する。
次に、加熱処理を行った。加熱処理は、酸素ガス雰囲気にて１時間行った。また、加熱処理の温度は４００℃とした。
以上のようにして作製したトランジスタに、端子部を形成して、電気特性を測定した。
＜Ｖｇ−Ｉｄ特性＞
まずは、ドレイン電圧を印加した状態で、ゲート電圧Ｖｇを変動させたときのドレイン電流Ｉｄの変化（Ｖｇ−Ｉｄ特性ともいう。）を測定した。なお、トランジスタは、チャネル長Ｌを０．４５μｍ、チャネル幅Ｗ（ＳＣＷ）を１μｍとした。
なお、印加したドレイン電圧Ｖｄは、０．１Ｖまたは３Ｖとした。また、各ドレイン電圧における基板面内に満遍なく配置された２５箇所にて測定を行った。ただし、一部の異常点を除く場合がある。
結果を図４７に示す。また、図４７を解析することで電界効果移動度（μＦＥとも表記する。）、サブスレッショルドスイング値（Ｓ値とも表記する。）およびシフト値（Ｓｈｉｆｔとも表記する。）を導出した。なお、電界効果移動度およびサブスレッショルドスイング値は、ドレイン電圧Ｖｄが０．１ＶのＶｇ−Ｉｄ特性から導出した。また、シフト値はドレイン電圧Ｖｄが３ＶのＶｇ−Ｉｄ特性から導出した。
なお、シフト値は、Ｖｇ−Ｉｄ特性において、最大傾きである接線を外挿したときの直線と、ドレイン電流Ｉｄが１×１０―１２Ａを示す直線との交点におけるゲート電圧Ｖｇとして算出した。
図４８は、＜１３４＞の成膜時の酸素ガス割合と、上記電気特性との関係を示す図である。なお、図４８に示すプロットを繋ぐ線は、それぞれの中央値を繋いだ線である。
図４８より、＜１３４＞の成膜時の酸素ガス割合が小さいほど、電界効果移動度が高くなることがわかった。また、成膜時の酸素ガス割合が小さいほど、サブスレッショルドスイング値が小さくなることがわかった。また、成膜時の酸素ガス割合が小さいほど、シフト値が小さくなるものの、ノーマリーオフを維持していることがわかった。
本実施例では、＜１３４＞の成膜時の酸素ガス割合のもっとも小さい１１％のトランジスタにおいて、良好な電気特性が実現していることがわかった。実施例１に示したように、＜１３４＞は成膜時の酸素ガス割合が小さいほど平坦性が向上することがわかっている。したがって、図４（Ｂ）に示したモデルのように、物理的な凹凸が小さくなったことで電気特性が向上した可能性がある。また、成膜時の酸素ガス割合の小さい＜１３４＞は、比較的酸素透過性の高い性質を有するため、酸素ガス割合の大きい条件よりも＜１１１＞中の酸素欠損を低減できると推測される。即ち、酸素欠損に起因する欠陥準位密度が低減することで電気特性が向上した可能性がある。
＜信頼性＞
次に、トランジスタの信頼性を評価した。信頼性の評価は、ゲートＢＴストレス試験によって行った。
プラスゲートＢＴストレス試験（＋ＧＢＴ）の測定方法について説明する。プラスゲートＢＴストレス試験の対象となるトランジスタの初期（ストレス印加前）の電気特性を測定するため、基板温度を４０℃とし、ドレイン電圧Ｖｄを０．１Ｖまたは３Ｖとし、ゲート電圧を−３Ｖから＋３Ｖまで変化させたときのドレイン電流Ｉｄの変化特性、すなわちＶｇ−Ｉｄ特性を測定した。
次に、基板温度を１５０℃まで上昇させた後、トランジスタのドレイン電圧Ｖｄを０Ｖとした。次に、絶縁体４１２に相当する絶縁体へ印加される電界強度が１．６５ＭＶ／ｃｍとなるようにゲート電圧３．３Ｖを印加し、３６００秒保持した。
なお、マイナスゲートＢＴストレス試験（−ＧＢＴ）では、ゲート電圧−３．３Ｖを印加した。
各試料のゲートＢＴストレス試験前後のＶｇ−Ｉｄ特性を、図４９および図５０に示す。図４９は、チャネル長Ｌが０．４５μｍ、チャネル幅Ｗ（ＳＣＷ）が１μｍのトランジスタ、図５０は、チャネル長Ｌが０．４５μｍ、チャネル幅Ｗ（ＳＣＷ）が１０μｍのトランジスタのゲートＢＴストレス試験結果を示す。なお、図４９および図５０において、実線はゲートＢＴストレス試験前（ＧＢＴ前）の電気特性を示し、破線はゲートＢＴストレス試験後（ＧＢＴ後）の電気特性を示す。また、図４９および図５０において、上段にプラスゲートＢＴストレス試験前後のＶｇ−Ｉｄ特性を示し、下段にマイナスゲートＢＴストレス試験前後のＶｇ−Ｉｄ特性を示す。
図４９および図５０から得られたゲートＢＴストレス試験前後のしきい値電圧の変化（ΔＶｔｈ）およびシフト値の変化（ΔＳｈｉｆｔ）を表３に示す。なお、しきい値電圧（Ｖｔｈ）とは、チャネルが形成されたときのゲート電圧（ソースとゲート間の電圧）をいう。しきい値電圧（Ｖｔｈ）は、ゲート電圧Ｖｇを横軸にとり、ドレイン電流Ｉｄの平方根を縦軸にとり、データをプロットすることで作成した曲線（Ｖｇ−√Ｉｄ特性）において、最大傾きである接線を外挿したときの直線とドレイン電流Ｉｄの平方根が０（Ｉｄが０Ａ）との交点におけるゲート電圧Ｖｇとして算出した。
表３に示したゲートＢＴストレス試験の結果を図５１にも示す。表３および図５１より、＜１３４＞の成膜時の酸素ガス割合が小さいほど、信頼性も高くなる傾向を有する場合があることがわかった。
＜１３４＞の成膜時の酸素ガス割合を小さくすることで、＜１１１＞および＜１１１＞の有する界面における準位密度を低減できるため、信頼性が高くなった可能性がある。
４００ 基板
４０２ 絶縁体
４０４ 導電体
４０６ａ 半導体
４０６ｂ 半導体
４０６ｃ 半導体
４０８ 絶縁体
４１２ 絶縁体
４１３ 導電体
４１６ａ 導電体
４１６ｂ 導電体
４１８ 絶縁体
４２３ａ 低抵抗領域
４２３ｂ 低抵抗領域
４２４ａ 導電体
４２４ｂ 導電体
４２６ａ 導電体
４２６ｂ 導電体
４２８ 絶縁体
５００ 基板
５０２ 絶縁体
５０４ 導電体
５０６ａ 半導体
５０６ｂ 半導体
５０６ｃ 半導体
５０８ 絶縁体
５１２ 絶縁体
５１３ 導電体
５１６ａ 導電体
５１６ｂ 導電体
５１８ 絶縁体
６００ 基板
６０４ 導電体
６０６ａ 半導体
６０６ｂ 半導体
６０６ｃ 半導体
６１２ 絶縁体
６１３ 導電体
６１６ａ 導電体
６１６ｂ 導電体
６１８ 絶縁体
６２０ 絶縁体
８００ ＲＦタグ
８０１ 通信器
８０２ アンテナ
８０３ 無線信号
８０４ アンテナ
８０５ 整流回路
８０６ 定電圧回路
８０７ 復調回路
８０８ 変調回路
８０９ 論理回路
８１０ 記憶回路
８１１ ＲＯＭ
９０１ 筐体
９０２ 筐体
９０３ 表示部
９０４ 表示部
９０５ マイクロフォン
９０６ スピーカー
９０７ 操作キー
９０８ スタイラス
９１１ 筐体
９１２ 筐体
９１３ 表示部
９１４ 表示部
９１５ 接続部
９１６ 操作キー
９２１ 筐体
９２２ 表示部
９２３ キーボード
９２４ ポインティングデバイス
９３１ 筐体
９３２ 冷蔵室用扉
９３３ 冷凍室用扉
９４１ 筐体
９４２ 筐体
９４３ 表示部
９４４ 操作キー
９４５ レンズ
９４６ 接続部
９５１ 車体
９５２ 車輪
９５３ ダッシュボード
９５４ ライト
１１８９ ＲＯＭインターフェース
１１９０ 基板
１１９１ ＡＬＵ
１１９２ ＡＬＵコントローラ
１１９３ インストラクションデコーダ
１１９４ インタラプトコントローラ
１１９５ タイミングコントローラ
１１９６ レジスタ
１１９７ レジスタコントローラ
１１９８ バスインターフェース
１１９９ ＲＯＭ
１２００ 記憶素子
１２０１ 回路
１２０２ 回路
１２０３ スイッチ
１２０４ スイッチ
１２０６ 論理素子
１２０７ 容量素子
１２０８ 容量素子
１２０９ トランジスタ
１２１０ トランジスタ
１２１３ トランジスタ
１２１４ トランジスタ
１２２０ 回路
２１００ トランジスタ
２２００ トランジスタ
２２０１ 絶縁体
２２０２ 導電体
２２０３ 導電体
２２０４ 絶縁体
２２０５ 導電体
２２０６ 導電体
２２０７ 絶縁体
２２０８ 絶縁体
２２１１ 半導体基板
２２１２ 絶縁層
２２１３ ゲート電極
２２１４ ゲート絶縁体
２２１５ ソース領域およびドレイン領域
３００１ 配線
３００２ 配線
３００３ 配線
３００４ 配線
３００５ 配線
３２００ トランジスタ
３３００ トランジスタ
３４００ 容量素子
４０００ ＲＦタグ
５０００ 基板
５００１ 画素部
５００２ 走査線駆動回路
５００３ 走査線駆動回路
５００４ 信号線駆動回路
５０１０ 容量配線
５０１２ ゲート配線
５０１３ ゲート配線
５０１４ ドレイン電極
５０１６ トランジスタ
５０１７ トランジスタ
５０１８ 液晶素子
５０１９ 液晶素子
５０２０ 画素
５０２１ スイッチング用トランジスタ
５０２２ 駆動用トランジスタ
５０２３ 容量素子
５０２４ 発光素子
５０２５ 信号線
５０２６ 走査線
５０２７ 電源線
５０２８ 共通電極
５１２０ 基板
５１６１ 領域
８０００ 表示モジュール
８００１ 上部カバー
８００２ 下部カバー
８００３ ＦＰＣ
８００４ タッチパネル
８００５ ＦＰＣ
８００６ セル
８００７ バックライトユニット
８００８ 光源
８００９ フレーム
８０１０ プリント基板
８０１１ バッテリー

Claims (16)

  1. 過剰酸素を含む第１の絶縁体と、
    前記第１の絶縁体上の第１の酸化物半導体と、
    前記第１の酸化物半導体上の第２の酸化物半導体と、
    前記第２の酸化物半導体上に間隔を開けて配置された第１の導電体および第２の導電体と、
    前記第２の酸化物半導体上、第１の導電体上および第２の導電体上の第２の絶縁体と、
    前記第２の絶縁体を介して、前記第２の酸化物半導体と面する第３の導電体と、を有し、
    前記第１の酸化物半導体は酸素を透過する性質を有することを特徴とする半導体装置。
  2. 過剰酸素を含む第１の絶縁体と、
    前記第１の絶縁体上の第１の酸化物半導体と、
    前記第１の酸化物半導体上の第２の酸化物半導体と、
    前記第２の酸化物半導体上に間隔を開けて配置された第１の導電体および第２の導電体と、
    前記第１の酸化物半導体の側面、前記第２の酸化物半導体の上面および側面、前記第１の導電体の上面、ならびに前記第２の導電体の上面と接する第３の酸化物半導体と、
    前記第３の酸化物半導体上の第２の絶縁体と、
    前記第２の絶縁体および前記第３の酸化物半導体を介して、前記第２の酸化物半導体の上面および側面と面する第３の導電体と、を有し、
    前記第１の酸化物半導体は前記第３の酸化物半導体よりも酸素透過性が高いことを特徴とする半導体装置。
  3. 過剰酸素を含む第１の絶縁体と、
    前記第１の絶縁体上の第１の酸化物半導体と、
    前記第１の酸化物半導体上の第２の酸化物半導体と、
    前記第２の酸化物半導体上に間隔を開けて配置された第１の導電体および第２の導電体と、
    前記第１の酸化物半導体の側面、前記第２の酸化物半導体の上面および側面、前記第１の導電体の上面、ならびに前記第２の導電体の上面と接する第３の酸化物半導体と、
    前記第３の酸化物半導体上の第２の絶縁体と、
    前記第２の絶縁体および前記第３の酸化物半導体を介して、前記第２の酸化物半導体の上面および側面と面する第３の導電体と、を有し、
    前記第１の酸化物半導体は前記第３の酸化物半導体よりも密度が低いことを特徴とする半導体装置。
  4. 過剰酸素を含む第１の絶縁体と、
    前記第１の絶縁体上の第１の酸化物半導体と、
    前記第１の酸化物半導体上の第２の酸化物半導体と、
    前記第２の酸化物半導体上に間隔を開けて配置された第１の導電体および第２の導電体と、
    前記第１の酸化物半導体の側面、前記第２の酸化物半導体の上面および側面、前記第１の導電体の上面、ならびに前記第２の導電体の上面と接する第３の酸化物半導体と、
    前記第３の酸化物半導体上の第２の絶縁体と、
    前記第２の絶縁体および前記第３の酸化物半導体を介して、前記第２の酸化物半導体の上面および側面と面する第３の導電体と、を有し、
    前記第１の酸化物半導体は前記第３の酸化物半導体よりも結晶性が低いことを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
    少なくとも、前記第１の絶縁体、前記第１の酸化物半導体、前記第２の酸化物半導体を覆う第３の絶縁体を有し、
    前記第３の絶縁体が酸素をブロックする機能を有することを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
    少なくとも、前記第１の絶縁体、前記第１の酸化物半導体、前記第２の酸化物半導体を覆う第３の絶縁体を有し、
    前記第３の絶縁体が水素をブロックする機能を有することを特徴とする半導体装置。
  7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一において、
    前記第１の酸化物半導体は前記第２の酸化物半導体よりも電子親和力が小さいことを特徴とする半導体装置。
  8. 請求項２乃至請求項７のいずれか一において、
    前記第３の酸化物半導体は前記第２の酸化物半導体よりも電子親和力が小さいことを特徴とする半導体装置。
  9. 請求項１乃至請求項８のいずれか一において、
    前記第１の酸化物半導体は前記第２の酸化物半導体よりもエネルギーギャップが大きいことを特徴とする半導体装置。
  10. 請求項２乃至請求項９のいずれか一において、
    前記第３の酸化物半導体は前記第２の酸化物半導体よりもエネルギーギャップが大きいことを特徴とする半導体装置。
  11. 請求項１乃至請求項１０のいずれか一において、
    前記第１の絶縁体は、酸化シリコン層または酸化窒化シリコン層であることを特徴とする半導体装置。
  12. 請求項２乃至請求項１１のいずれか一において、
    前記第３の酸化物半導体は、酸素をブロックする機能を有することを特徴とする半導体装置。
  13. 請求項１乃至請求項１２のいずれか一において、
    前記第２の絶縁体は、二次イオン質量分析法における水素濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満である領域を有することを特徴とする半導体装置。
  14. 請求項２乃至請求項１３のいずれか一において、
    前記第３の酸化物半導体、前記第２の絶縁体および前記第３の導電体は、上面から見た端部の形状が同様であることを特徴とする半導体装置。
  15. 請求項１乃至請求項１４のいずれか一において、
    前記第２の酸化物半導体が過剰酸素を含むことを特徴とする半導体装置。
  16. 請求項１乃至請求項１５のいずれか一において、
    前記第３の絶縁体上に第４の絶縁体を有し、
    前記第４の絶縁体は、前記第２の酸化物半導体が有する領域よりも、二次イオン質量分析法における水素濃度が高い領域を有することを特徴とする半導体装置。
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