JP2020129701A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】電気特性の優れた半導体装置を提供する。【解決手段】第１の絶縁体と、第２の絶縁体と、第１の酸化物半導体と、第２の酸化物半導体と、第１の導電体と、第２の導電体と、を有する半導体装置であって、第１の酸化物半導体は、第１の絶縁体上に配置され、第２の酸化物半導体は、第１の酸化物半導体上に配置され、第１の導電体は、第２の酸化物半導体の上面と接する領域を有し、第２の絶縁体は、第２の酸化物半導体の上面と接する領域を有し、第２の導電体は、第２の絶縁体を介して第２の酸化物半導体上に配置され、第２の酸化物半導体は、第１の層と、第２の層と、を有し、第１の層は、第１の酸化物半導体と接する領域を有し、第２の層は、第２の絶縁体と接する領域を有し、第１の層は、第２の層よりも酸素欠損の割合が低い半導体装置である。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、トランジスタおよび半導体装置、ならびにそれらの製造方法に関する
。または、本発明は、例えば、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、電子機器に関する。または、表示装置、液晶表示装置、発光装置、記憶装置、
電子機器の製造方法に関する。または、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置
、記憶装置、電子機器の駆動方法に関する。
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の
一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明
の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・
オブ・マター）に関するものである。
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は、用途によって非晶質シリコンと多結晶シ
リコン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を用いると好適であ
る。一方、駆動回路と画素回路とを同一基板上に形成するような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
な多結晶シリコンを用いると好適である。多結晶シリコンは、非晶質シリコンに対し高温
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。
近年は、非晶質酸化物半導体、および微結晶を有する非晶質酸化物半導体を用いたトラン
ジスタが開示されている（特許文献１参照。）。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、駆動回路と画素回路とを同一基板上に形成するような高機能の表示装置を実現できる
。また、非晶質シリコン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。
なお、２０１４年には、非晶質Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いたトランジスタと比べ、優
れた電気特性および信頼性を有する、結晶性Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いたトランジス
タについて報告されている（非特許文献１参照。）。ここでは、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ−Ａ
ｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃ
ｔｏｒ）を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、結晶粒界が明確に確認されないことが報告
されている。
また、酸化物半導体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、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流の低
いという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、酸化物半導体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２００６−１６５５２８号公報 特開２０１２−２５７１８７号公報 特開２０１２−５９８６０号公報
Ｓ． Ｙａｍａｚａｋｉ， Ｈ． Ｓｕｚａｗａ， Ｋ． Ｉｎｏｕｅ， Ｋ． Ｋａｔｏ， Ｔ． Ｈｉｒｏｈａｓｈｉ， Ｋ． Ｏｋａｚａｋｉ， ａｎｄ Ｎ． Ｋｉｍｉｚｕｋａ： Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ２０１４ ｖｏｌ．５３ ０４ＥＤ１８
電気特性の優れた半導体装置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
した半導体装置を提供することを課題の一とする。または、電気特性のばらつきの小さい
半導体装置を提供することを課題の一とする。または、集積度の高い半導体装置を提供す
ることを課題の一とする。または、該半導体装置を有するモジュールを提供することを課
題の一とする。または、該半導体装置、または該モジュールを有する電子機器を提供する
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。または、新規なモジュール
を提供することを課題の一とする。または、新規な電子機器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、第１の絶縁体と、第２の絶縁体と、第１の酸化物半導体と、第２の酸
化物半導体と、第１の導電体と、第２の導電体と、を有する半導体装置であって、第１の
酸化物半導体は、第１の絶縁体上に配置され、第２の酸化物半導体は、第１の酸化物半導
体上に配置され、第１の導電体は、第２の酸化物半導体の上面と接する領域を有し、第２
の絶縁体は、第２の酸化物半導体の上面と接する領域を有し、第２の導電体は、第２の絶
縁体を介して第２の酸化物半導体上に配置され、第２の酸化物半導体は、第１の層と、第
２の層と、を有し、第１の層は、第１の酸化物半導体と接する領域を有し、第２の層は、
第２の絶縁体と接する領域を有し、第１の層は、第２の層よりも酸素欠損の割合が低い半
導体装置である。
（２）
または、本発明の一態様は、（１）において、第２の酸化物半導体と、第２の絶縁体との
間に第３の酸化物半導体を有する半導体装置である。
（３）
または、本発明の一態様は、（１）または（２）において、第２の層は、第２の絶縁体と
接する第１の領域と、第１の導電体と接する第２の領域と、を有し、第１の領域の厚さは
、第２の領域の厚さよりも小さい半導体装置である。
（４）
または、本発明の一態様は、（１）乃至（３）のいずれか一において、第１の領域は、厚
さが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である半導体装置である。
（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、第２の領域は、第
１の領域よりも抵抗率が低い領域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（５）のいずれか一において、第１の導電体と第
２の絶縁体との間に第３の絶縁体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２の酸化物半導
体は、インジウム、元素Ｍ（元素Ｍはアルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズ
）と、亜鉛と、を有する酸化物である半導体装置である。
（８）
または、本発明の一態様は、（１）乃至（７）のいずれか一に記載の半導体装置と、プリ
ント基板と、を有するモジュールである。
（９）
または、本発明の一態様は、（１）乃至（７）のいずれか一に記載の半導体装置、または
（８）に記載のモジュールと、スピーカー、操作キー、または、バッテリーと、を有する
電子機器である。
なお、ここでは酸化物半導体を例示したが、本発明の一態様は酸化物半導体を用いた半導
体装置などに限定されない。例えば、シリコン（歪シリコン含む）、ゲルマニウム、シリ
コンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウ
ムリン、窒化ガリウムまたは有機半導体などを用いても構わない場合がある。
電気特性の優れた半導体装置を提供することができる。または、電気特性の安定した半導
体装置を提供することができる。または、電気特性のばらつきの小さい半導体装置を提供
することができる。または、集積度の高い半導体装置を提供することができる。または、
該半導体装置を有するモジュールを提供することができる。または、該半導体装置、また
は該モジュールを有する電子機器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。または、新規なモジュールを提供す
ることができる。または、新規な電子機器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説明する上面図、断面図およびバンド図。 本発明の一態様に係る酸化物半導体を説明する断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを説明する断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを説明する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説明する断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを説明する断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを説明する断面図。 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記憶装置の回路図。 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回路図。 本発明の一態様に係る電子機器を示す図。 本発明の一態様に係るトランジスタを説明する断面図およびバンド図。 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。 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。
なお、本明細書において、「膜」という表記と、「層」という表記と、を互いに入れ替え
ることが可能である。
また、二つの側面の間が曲面になっている場合、その部分を「角部」と呼ぶ。また、二つ
の側面の間が曲面になっている場合、二つの側面を一つの曲面として表記することも可能
である。
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、本明細書など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、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。
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）とゲート電極とが互いに重な
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、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）とゲート電極とが互いに重なる領域、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互いに
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 Ｃｈａｎｎｅ
ｌ 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。
なお、本明細書において、ＡがＢより迫り出した形状を有すると記載する場合、上面図ま
たは断面図において、Ａの少なくとも一端が、Ｂの少なくとも一端よりも外側にある形状
を有することを示す場合がある。したがって、ＡがＢより迫り出した形状を有すると記載
されている場合、例えば上面図において、Ａの一端が、Ｂの一端よりも外側にある形状を
有すると読み替えることができる。
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。
また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す
。
＜トランジスタ＞
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタについて説明する。なお、以下で説明する
トランジスタの各構成については、異なる図面間を適宜組み合わせることができる。
＜トランジスタの構造１＞
図１は、本発明の一態様に係るトランジスタを説明する図である。図１（Ａ）はトランジ
スタの上面図を示す。また、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示した一点鎖線Ａ１−Ａ２、お
よび一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応するトランジスタの断面図を示す。また、図１（Ｃ）は、
図１（Ｂ）の一点鎖線Ｅ１−Ｅ２に対応する箇所におけるバンド図を示す。
図１（Ｂ）より、トランジスタは、基板４００上の絶縁体４０２と、絶縁体４０２上の半
導体４０６ａと、半導体４０６ａ上の半導体４０６ｂと、半導体４０６ｂ上の導電体４１
６ａと、半導体４０６ｂ上の導電体４１６ｂと、導電体４１６ａ上の絶縁体４１０ａと、
導電体４１６ｂ上の絶縁体４１０ｂと、半導体４０６ｂ上の半導体４０６ｃと、半導体４
０６ｃ上の絶縁体４１２と、絶縁体４１２上の導電体４０４と、を有する。なお、トラン
ジスタを覆って絶縁体４０８を配置してもよい。また、絶縁体４０２を有さなくてもよい
場合がある。また、絶縁体４１０ａを有さなくてもよい場合がある。また、絶縁体４１０
ｂを有さなくてもよい場合がある。また、半導体４０６ａを有さなくてもよい場合がある
。また、半導体４０６ｃを有さなくてもよい場合がある。
半導体４０６ｂは、トランジスタのチャネル形成領域として機能する領域を有する。導電
体４１６ａおよび導電体４１６ｂは、トランジスタのソース電極またはドレイン電極とし
て機能する領域を有する。絶縁体４１２は、トランジスタのゲート絶縁体として機能する
領域を有する。導電体４０４は、トランジスタのゲート電極として機能する領域を有する
。絶縁体４０８は、トランジスタへの不純物の混入を防止する機能を有する。
絶縁体４０２は、半導体４０６ａなどを形成する際に、一部がエッチングされても構わな
い。即ち、絶縁体４０２の上面が凹凸を有してもよい。例えば、図１（Ｂ）に示すように
、絶縁体４０２の半導体４０６ａと接する領域が凸部となり、残りの領域が凹部となって
いてもよい。
半導体４０６ｃは、半導体４０６ｂの上面と接する領域と、導電体４１６ａの側面と接す
る領域と、導電体４１６ｂの側面と接する領域と、絶縁体４１０ａの上面および側面と接
する領域と、絶縁体４１０ｂの上面および側面と接する領域と、を有する。
導電体４１６ａの下面の全体は、半導体４０６ｂの上面と接するように配置される。即ち
、導電体４１６ａは、半導体４０６ｂの上面以外の面（側面など）と接する領域を有さな
い。また、導電体４１６ｂの下面の全体は、半導体４０６ｂの上面と接するように配置さ
れる。即ち、導電体４１６ｂは、半導体４０６ｂの上面以外の面（側面など）と接する領
域を有さない。したがって、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂは、導電体４０４など
との間における寄生容量が小さい。また、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの種類に
よっては、半導体４０６ｂと接する領域において、半導体４０６ｂに含まれる酸素を脱離
させる場合がある。そのため、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂとして、半導体４０
６ｂに含まれる酸素を脱離させる作用の小さい導電体を用いると好ましい。例えば、導電
体４１６ａおよび導電体４１６ｂとして、窒素を含む金属または金属窒化物などを用いれ
ばよい。
導電体４０４は、導電体４１６ａと重なる領域と、導電体４１６ｂと重なる領域と、を有
する。このとき、導電体４０４と導電体４１６ａとの間に絶縁体４１０ａなどを有するこ
と、および導電体４０４と導電体４１６ｂとの間に絶縁体４１０ｂなどを有することによ
り、さらに寄生容量を低減することができる。
また、導電体４０４は、半導体４０６ｂの側面とも面する領域を有する。したがって、ト
ランジスタは、導電体４０４の電界によって、半導体４０６ｂを電気的に取り囲んだ構造
を有する。このように、導電体から生じる電界によって、半導体が電気的に取り囲まれた
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（オン電流）を高くすることができる。また、ｓ−ｃｈａｎｎ
ｅｌ構造では、パンチスルー現象を抑制することができるため、トランジスタの飽和領域
における電気特性を安定にすることができる。
なお、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂが半導体４０６ｂの側面と接する領域を有さ
ないことにより、導電体４０４の電界が導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂによって遮
られる影響が小さい。したがって、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造の恩恵をさらに享受しやすく
なる。
＜半導体＞
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４０
６ｂ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４０６
ｂ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２．８
ｅＶ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４０６
ｃ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５０
ａｔｏｍｉｃ％より高く、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａ
ｔｏｍｉｃ％より高いとする。また、半導体４０６ｂがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、Ｉ
ｎ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２
５ａｔｏｍｉｃ％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。ただし、半導体４０６ａまたは／
および半導体４０６ｃがインジウムを含まなくても構わない場合がある。例えば、半導体
４０６ａまたは／および半導体４０６ｃが酸化ガリウムであっても構わない。
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。
以下では、酸化物半導体の一種であるＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の組成について説明する。な
お、元素Ｍ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。なお、［Ｉｎ］はＩｎの原子濃度を示し
、［Ｍ］は元素Ｍの原子濃度を示し、［Ｚｎ］はＺｎの原子濃度を示す。
Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の結晶はホモロガス構造を有することが知られており、ＩｎＭＯ３
（ＺｎＯ）ｍ（ｍは自然数。）で示される。また、ＩｎとＭとを置き換えることが可能で
あるため、Ｉｎ１＋αＭ１−αＯ３（ＺｎＯ）ｍで示すこともできる。これは、［Ｉｎ］
：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１＋α：１−α：１、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１＋α：１−
α：２、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１＋α：１−α：３、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ
］＝１＋α：１−α：４、および［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１＋α：１−α：５で表
される組成である。なお、この値は、例えば、原料となる酸化物を混合し、１３５０℃で
焼成した場合に固溶体となりうる組成である。
よって、上述の固溶体となりうる組成に近づけることで、結晶性の高いＣＡＡＣ−ＯＳを
得ることができる。
ところで、ＣＡＡＣ−ＯＳを成膜する際には、被成膜面である基板表面の加熱、または空
間加熱などの影響で、ソースとなるターゲットなどの組成と膜の組成とが異なる場合があ
る。例えば、酸化亜鉛は、酸化インジウムや酸化ガリウムなどと比べて昇華しやすいため
、ソースと膜との組成のずれが生じやすい。したがって、あらかじめ組成の変化を考慮し
たソースを選択することが好ましい。なお、ソースと膜との組成のずれ量は、温度以外に
も圧力や成膜に用いるガスなどの影響でも変化する。
以下に、代表的な酸化物ターゲットの組成と、該酸化物ターゲットを用いてスパッタリン
グ法で成膜した酸化物の組成について説明する。例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１
［原子数比］の酸化物ターゲットを用いて成膜すると、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の組成は
Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：（０．８以上１．１以下）：（０．５以上０．９以下）［原子数
比］となる。また、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２［原子数比］の酸化物ターゲットを用
いて成膜すると、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の組成はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：（０．８以上
１．１以下）：（１．０以上１．８以下）［原子数比］となる。また、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ
＝４：２：４．１［原子数比］の酸化物ターゲットを用いて成膜すると、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚ
ｎ酸化物の組成はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：（２．６以上３．２以下）：（２．２以上３．
４以下）［原子数比］となる。
なお、半導体４０６ａは、過剰酸素を含む半導体であることが好ましい。過剰酸素を含む
半導体は、加熱処理によって酸素を放出する機能を有す半導体である。したがって、半導
体４０６ａは膜中を酸素が移動可能な半導体である。
過剰酸素を含む半導体４０６ａ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。
図２は、半導体４０６ａ中の過剰酸素（ｅｘＯとも表記する。）が、半導体４０６ｂ中の
酸素欠損（ＶＯとも表記する。）を低減する様子を示した断面図である。図２（Ａ）に示
すように、半導体４０６ａは過剰酸素を有する。また、半導体４０６ｂは酸素欠損を有す
る。
次に、加熱処理などを行うことで、半導体４０６ａ中の過剰酸素が移動する。移動した過
剰酸素の一部は、半導体４０６ｂ中の酸素欠損まで到達すると、該酸素欠損は消失する。
このように、半導体４０６ｂは、半導体４０６ａ側から酸素欠損が低減していく。したが
って、半導体４０６ｂは、酸素欠損の割合の低い層４０６ｂ１と酸素欠損の割合の高い層
４０６ｂ２と、に分かれる（図２（Ｂ）参照。）。なお、半導体４０６ｂが、層４０６ｂ
１と層４０６ｂ２とに分かれることは、このようなメカニズムに限定されない。例えば、
半導体４０６ｂの上面側から何らかの処理を行うことによって、半導体４０６ｂの上面近
傍に酸素欠損を形成する場合も同様の層構造になる。
酸化物半導体が酸素欠損を有する場合、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。即ち、層４０６ｂ２は、層４０６ｂ１よりもキャリア密度が
高い可能性がある。したがって、図１（Ｂ）の一点鎖線Ｅ１−Ｅ２に対応するバンド構造
は、図１（Ｃ）に示すようなバンド図となる。なお、図１（Ｃ）において、価電子帯上端
のエネルギーをＥＶと表記し、伝導帯下端のエネルギーをＥＣと表記し、フェルミレベル
をＥＦと表記する。
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の層４０６ｂ２にチャネルが形成される。
ここで、層４０６ｂ１と層４０６ｂ２は、同じ半導体４０６ｂ内でフェルミレベルの相対
的な位置が異なるのみである。また、その境界は明確でない可能性がある。したがって、
層４０６ｂ１と層４０６ｂ２との間で、価電子帯上端のエネルギーおよび伝導帯下端のエ
ネルギーは連続的に変化する。また、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４０
６ｂ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
の層４０６ｂ２中を主として移動する。上述したように、半導体４０６ａおよび半導体４
０６ｂ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、効率よく電子が移動すると推定
される。電子の移動は、例えば、チャネル形成領域の物理的な凹凸が大きい場合にも阻害
される。
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０．６
ｎｍ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０．４ｎ
ｍ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、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１２０ｎ
ｍ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、例えば、二次イオン質量分析法（Ｓ
ＩＭＳ：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、１×１０
１９ａｔｏｍｓ／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４０６
ｃは、ＳＩＭＳにおいて、２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１
９ａｔｏｍｓ／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／ｃ
ｍ３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。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５×１０１８ａ
ｔｏｍｓ／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。
半導体４０６ａ、半導体４０６ｂおよび半導体４０６ｃとしては、酸化物半導体を用いる
ことが好ましい。ただし、シリコン（歪シリコン含む）、ゲルマニウム、シリコンゲルマ
ニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒
化ガリウムまたは有機半導体などを用いても構わない場合がある。
＜酸化物半導体の構造＞
以下では、酸化物半導体の構造について説明する。
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体とに分けられ
る。非単結晶酸化物半導体としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ
Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半
導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕ
ｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｌｉ
ｋｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、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−Ｏ
Ｓ、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳなどがある。
非晶質構造の定義としては、一般に、準安定状態で固定化していないこと、等方的であっ
て不均質構造を持たないことなどが知られている。また、結合角度が柔軟であり、短距離
秩序性は有するが、長距離秩序性を有さない構造と言い換えることもできる。
逆の見方をすると、本質的に安定な酸化物半導体の場合、完全な非晶質（ｃｏｍｐｌｅｔ
ｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）酸化物半導体と呼ぶことはできない。また、等方的でない
（例えば、微小な領域において周期構造を有する）酸化物半導体を、完全な非晶質酸化物
半導体と呼ぶことはできない。ただし、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、微小な領域において周期
構造を有するものの、鬆（ボイドともいう。）を有し、不安定な構造である。そのため、
物性的には非晶質酸化物半導体に近いといえる。
＜ＣＡＡＣ−ＯＳ＞
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。
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 Ｍｉｃｒｏ
ｓｃｏｐｅ）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２１（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２１（Ａ）の領域（１）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を図２１（Ｂ）に示す。
図２１（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２１（Ｂ）に示すように、ＣＡＡＣ−ＯＳは特徴的な原子配列を有する。図２１（Ｃ）
は、特徴的な原子配列を、補助線で示したものである。図２１（Ｂ）および図２１（Ｃ）
より、ペレット一つの大きさは１ｎｍ以上のものや、３ｎｍ以上のものがあり、ペレット
とペレットとの傾きにより生じる隙間の大きさは０．８ｎｍ程度であることがわかる。し
たがって、ペレットを、ナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）と呼ぶこともできる
。また、ＣＡＡＣ−ＯＳを、ＣＡＮＣ（Ｃ−Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙ
ｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体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２１（Ｄ）参照。）。図２１（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２１（Ｄ）に示す領域５１６１に相当する。
また、図２２（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２２（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２２（Ｂ）、図２２（Ｃ）および図
２２（Ｄ）に示す。図２２（Ｂ）、図２２（Ｃ）および図２２（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ＣＡ
ＡＣ−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２３（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、ＩｎＧａＺ
ｎＯ４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−ｐｌａｎ
ｅ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、Ｉｎ
ＧａＺｎＯ４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２３（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２３（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、ＩｎＧａＺ
ｎＯ４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２４（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２４（Ｂ）に示す。図２４
（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２４（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２４（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。
上述したように、ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体である。酸化物半導体の結
晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、逆の見方をする
とＣＡＡＣ−ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損など）の少ない酸化物半導体ともいえる。
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。
酸化物半導体が不純物や欠陥を有する場合、光や熱などによって特性が変動する場合があ
る。例えば、酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラップとなる場合や、キャリ
ア発生源となる場合がある。また、酸化物半導体中の酸素欠損は、キャリアトラップとな
る場合や、水素を捕獲することによってキャリア発生源となる場合がある。
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、８×１０１１個／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１個／ｃｍ３未満
、さらに好ましくは１×１０１０個／ｃｍ３未満であり、１×１０−９個／ｃｍ３以上の
キャリア密度の酸化物半導体とすることができる。そのような酸化物半導体を、高純度真
性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。
＜ｎｃ−ＯＳ＞
次に、ｎｃ−ＯＳについて説明する。
ｎｃ−ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において、結晶部を確認することのできる領域と、明確
な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。ｎｃ−ＯＳに含まれる結晶部は、
１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の大きさであることが多い。なお
、結晶部の大きさが１０ｎｍより大きく１００ｎｍ以下である酸化物半導体を微結晶酸化
物半導体と呼ぶことがある。ｎｃ−ＯＳは、例えば、高分解能ＴＥＭ像では、結晶粒界を
明確に確認できない場合がある。なお、ナノ結晶は、ＣＡＡＣ−ＯＳにおけるペレットと
起源を同じくする可能性がある。そのため、以下ではｎｃ−ＯＳの結晶部をペレットと呼
ぶ場合がある。
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３
ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳは、異なるペレ
ット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。した
がって、ｎｃ−ＯＳは、分析方法によっては、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質酸化物半導体
と区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットよりも大きい径のＸ
線を用いた場合、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークは検
出されない。また、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットよりも大きいプローブ径（例えば５０ｎ
ｍ以上）の電子線を用いる電子回折を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観
測される。一方、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットの大きさと近いかペレットより小さいプロ
ーブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、ｎ
ｃ−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、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる
。ただし、ｎｃ−ＯＳは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため
、ｎｃ−ＯＳは、ＣＡＡＣ−ＯＳと比べて欠陥準位密度が高くなる。
＜ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ＞
ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半
導体である。
ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において鬆が観察される場合がある。また、高
分解能ＴＥＭ像において、明確に結晶部を確認することのできる領域と、結晶部を確認す
ることのできない領域と、を有する。
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２５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２５より、ａ−ｌｉｋ
ｅ 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２５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−／ｎｍ
２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
２５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−Ｏ
Ｓ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、ｎｃ−ＯＳ、
ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
＜トランジスタの構成要素＞
以下では本発明の一態様に係るトランジスタのそのほかの構成要素について説明する。
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４
００の厚さは、例えば、５μｍ以上７００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上５００μｍ
以下、さらに好ましくは１５μｍ以上３００μｍ以下とする。基板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１×１
０−５／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。
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。例えば、絶縁体４０２としては、酸化アルミニウム、酸
化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、
酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン
、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。
絶縁体４０２は、基板４００など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。
なお、絶縁体４０２は過剰酸素を含む絶縁体であると好ましい。
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４０６ｂ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、ＴＤＳ分析にて、１００℃以上７０
０℃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／ｃｍ
３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、Ｎ
Ｈ２／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、
例えば１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２の水素原子を含むシリコン基板を用いて測定する
。
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、電子スピン共鳴にて、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 Ｂ
ａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により測定した値である。
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。例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、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。例えば、絶縁体４１２としては、酸化アルミニウム、酸
化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、
酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン
、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。
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。例えば、
合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、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。
＜トランジスタの構造１の変形例＞
図１に示したトランジスタは、様々に変形することが可能である。
例えば、図３（Ａ）に示すトランジスタは、図１に示したトランジスタとは、絶縁体４１
０ａおよび絶縁体４１０ｂを有さない点、ならびに半導体４０６ａの側面の一部、および
半導体４０６ｂの上面の一部、および側面の一部に領域４０９ａおよび領域４０９ｂを有
する点が異なる。なお、領域４０９ａおよび領域４０９ｂは、チャネル形成領域には配置
されない。領域４０９ａおよび領域４０９ｂは、例えば、導電体４１６ａまたは／および
導電体４１６ｂよりも抵抗率が高く、半導体４０６ｂのほかの領域よりも抵抗率が低い領
域である。また、領域４０９ａおよび領域４０９ｂは、導電体４１６ａおよび導電体４１
６ｂと、半導体４０６ｂと、の接触抵抗を低減する機能を有する。その結果、トランジス
タの飽和領域における電気特性を安定にすることができる場合がある。また、トランジス
タのオン電流を大きくすることができる場合がある。領域４０９ａおよび領域４０９ｂは
、例えば、半導体４０６ａおよび半導体４０６ｂの一部に水素、ホウ素、窒素、リンまた
はアルゴンなどから選ばれた一種以上の元素を添加することで形成することができる。特
に、３価または５価の元素を添加することが好ましい。元素の添加は、例えば、プラズマ
処理またはイオン注入処理によって行えばよい。
また、例えば、図３（Ｂ）に示すトランジスタは、図１に示したトランジスタとは、絶縁
体４１０ａおよび絶縁体４１０ｂを有さない点、ならびに半導体４０６ｂの下に絶縁体４
０２を介して導電体４１３を有する点が異なる。導電体４１３は、トランジスタのチャネ
ル形成領域と重なるように配置され、第２のゲート電極としての機能を有する。または、
トランジスタのしきい値電圧を制御する機能を有する。トランジスタのしきい値電圧を制
御するためには、例えば、導電体４１３に一定の電位を印加すればよい。例えば、導電体
４１３にトランジスタのソース電極よりも高い電位を印加すれば、トランジスタのオン電
流を大きくすることができる。また、例えば、導電体４１３にトランジスタのソース電極
よりも低い電位を印加すれば、トランジスタのオフ電流を小さくすることができる。した
がって、導電体４１３に任意の電位を印加することができれば、トランジスタのオン電流
を高くし、かつトランジスタのオフ電流を低くすることができる。導電体４１３は、例え
ば、導電体４０４についての記載を参照すればよい。
また、例えば、図３（Ｃ）に示すトランジスタは、図１に示したトランジスタとは、絶縁
体４１０ａおよび絶縁体４１０ｂを有さない点、半導体４０６ｂの下に絶縁体４０２を介
して導電体４１３を有する点，ならびに半導体４０６ｃが導電体４１６ａ、導電体４１６
ｂ、半導体４０６ａおよび半導体４０６ｂを覆う点が異なる。また、図３（Ｃ）に示すト
ランジスタは、図３（Ｂ）に示したトランジスタとは、導電体４０４と導電体４１３とが
電気的な接続を有する点が異なる。図３（Ｃ）に示すトランジスタは、導電体４１３によ
ってもトランジスタのチャネル形成領域が取り囲まれた構造を有する。したがって、さら
にｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造の恩恵を享受できる構造である。また、半導体４０６ｃが導電
体４１６ａ、導電体４１６ｂ、半導体４０６ａおよび半導体４０６ｂを覆うことにより、
導電体４１６ａと、導電体４１６ｂと、導電体４０４と、の間で生じるリーク電流を低減
できる場合がある。
＜トランジスタの構造２＞
図４は、本発明の一態様に係るトランジスタを説明する図である。図４（Ａ）はトランジ
スタの上面図を示す。また、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示した一点鎖線Ｂ１−Ｂ２、お
よび一点鎖線Ｂ３−Ｂ４に対応するトランジスタの断面図を示す。
図４（Ｂ）より、トランジスタは、基板４００上の絶縁体４０２と、絶縁体４０２上の半
導体４０６ａと、半導体４０６ａ上の半導体４０６ｂと、半導体４０６ｂ上の導電体４１
６ａと、半導体４０６ｂ上の導電体４１６ｂと、導電体４１６ａ上の絶縁体４１０ａと、
導電体４１６ｂ上の絶縁体４１０ｂと、半導体４０６ｂ上の半導体４０６ｃと、半導体４
０６ｃ上の絶縁体４１２と、絶縁体４１２上の導電体４０４と、を有する。なお、トラン
ジスタを覆って絶縁体４０８を配置してもよい。また、絶縁体４０２を有さなくてもよい
場合がある。また、絶縁体４１０ａを有さなくてもよい場合がある。また、絶縁体４１０
ｂを有さなくてもよい場合がある。また、半導体４０６ａを有さなくてもよい場合がある
。また、半導体４０６ｃを有さなくてもよい場合がある。
導電体４１６ａの下面は、半導体４０６ａの側面、ならびに半導体４０６ｂの上面および
側面と接するように配置される。即ち、導電体４１６ａは、半導体４０６ｂの上面以外の
面（側面など）と接する領域を有する。また、導電体４１６ｂの下面は、半導体４０６ａ
の側面、ならびに半導体４０６ｂの上面および側面と接するように配置される。即ち、導
電体４１６ｂは、半導体４０６ｂの上面以外の面（側面など）と接する領域を有する。し
たがって、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂは、半導体４０６ｂとの間における接触
抵抗が小さい。即ち、オン電流の大きいトランジスタである。
なお、そのほかの構成については図１に示したトランジスタの構成の記載を参酌する。
＜トランジスタの構造２の変形例＞
図４に示したトランジスタは、様々に変形することが可能である。
例えば、図５（Ａ）に示すトランジスタは、図４に示したトランジスタとは、絶縁体４１
０ａおよび絶縁体４１０ｂを有さない点、ならびに半導体４０６ａの側面の一部、および
半導体４０６ｂの上面の一部、および側面の一部に領域４０９ａおよび領域４０９ｂを有
する点が異なる。なお、領域４０９ａおよび領域４０９ｂは、チャネル形成領域には配置
されない。領域４０９ａおよび領域４０９ｂは、例えば、導電体４１６ａまたは／および
導電体４１６ｂよりも抵抗率が高く、半導体４０６ｂのほかの領域よりも抵抗率が低い領
域である。また、領域４０９ａおよび領域４０９ｂは、導電体４１６ａおよび導電体４１
６ｂと、半導体４０６ｂと、の接触抵抗を低減する機能を有する。その結果、トランジス
タの飽和領域における電気特性を安定にすることができる場合がある。また、トランジス
タのオン電流を大きくすることができる場合がある。領域４０９ａおよび領域４０９ｂは
、例えば、半導体４０６ａおよび半導体４０６ｂの一部に水素、ホウ素、窒素、リンまた
はアルゴンなどから選ばれた一種以上の元素を添加することで形成することができる。特
に、３価または５価の元素を添加することが好ましい。元素の添加は、例えば、プラズマ
処理またはイオン注入処理によって行えばよい。
また、例えば、図５（Ｂ）に示すトランジスタは、図４に示したトランジスタとは、絶縁
体４１０ａおよび絶縁体４１０ｂを有さない点、ならびに半導体４０６ｂの下に絶縁体４
０２を介して導電体４１３を有する点が異なる。導電体４１３は、トランジスタのチャネ
ル形成領域と重なるように配置され、第２のゲート電極としての機能を有する。または、
トランジスタのしきい値電圧を制御する機能を有する。トランジスタのしきい値電圧を制
御するためには、例えば、導電体４１３に一定の電位を印加すればよい。例えば、導電体
４１３にトランジスタのソース電極よりも高い電位を印加すれば、トランジスタのオン電
流を大きくすることができる。また、例えば、導電体４１３にトランジスタのソース電極
よりも低い電位を印加すれば、トランジスタのオフ電流を小さくすることができる。した
がって、導電体４１３に任意の電位を印加することができれば、トランジスタのオン電流
を高くし、かつトランジスタのオフ電流を低くすることができる。導電体４１３は、例え
ば、導電体４０４についての記載を参照すればよい。
また、例えば、図５（Ｃ）に示すトランジスタは、図４に示したトランジスタとは、絶縁
体４１０ａおよび絶縁体４１０ｂを有さない点、半導体４０６ｂの下に絶縁体４０２を介
して導電体４１３を有する点，ならびに半導体４０６ｃが導電体４１６ａ、導電体４１６
ｂ、半導体４０６ａおよび半導体４０６ｂを覆う点が異なる。また、図５（Ｃ）に示すト
ランジスタは、図５（Ｂ）に示したトランジスタとは、導電体４０４と導電体４１３とが
電気的な接続を有する点が異なる。図５（Ｃ）に示すトランジスタは、導電体４１３によ
ってもトランジスタのチャネル形成領域が取り囲まれた構造を有する。したがって、さら
にｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造の恩恵を享受できる構造である。また、半導体４０６ｃが導電
体４１６ａ、導電体４１６ｂ、半導体４０６ａおよび半導体４０６ｂを覆うことにより、
導電体４１６ａと、導電体４１６ｂと、導電体４０４と、の間で生じるリーク電流を低減
できる場合がある。
＜トランジスタの作製方法＞
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法について説明する。
ここで、本発明の一態様に係るトランジスタを作製する際に用いるレジストの形成方法の
一例を説明する。まず、感光性を有する有機物または無機物の層を、スピンコート法など
を用いて形成する。次に、フォトマスクを用いて、感光性を有する有機物または無機物の
層に光を照射する。当該光としては、ＫｒＦエキシマレーザ光、ＡｒＦエキシマレーザ光
、ＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光などを用いればよい。また、基
板と投影レンズとの間に液体（例えば水）を満たして露光する、液浸技術を用いてもよい
。また、感光性を有する有機物または無機物の層に照射する光に代えて、電子ビームやイ
オンビームを用いてもよい。なお、電子ビームやイオンビームを用いる場合には、フォト
マスクは不要となる。次に、現像液を用いて、感光性を有する有機物または無機物の層の
露光された領域を、除去または残存させてレジストを形成する。
なお、本明細書において、単にレジストを形成するという場合、レジストの下に反射防止
層（ＢＡＲＣ：Ｂｏｔｔｏｍ Ａｎｔｉ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ Ｃｏａｔｉｎｇ）を形
成する場合も含まれる。ＢＡＲＣを用いる場合、まずレジストによってＢＡＲＣをエッチ
ングする。次に、レジストおよびＢＡＲＣを用いて、加工したい対象をエッチングする。
ただし、ＢＡＲＣに代えて、反射防止層の機能を有さない有機物または無機物を用いても
構わない場合がある。
また、本明細書において、レジストを除去するという場合、プラズマ処理または／および
ウェットエッチングを用いる。なお、プラズマ処理としては、プラズマアッシングが好適
である。レジストなどの除去が不十分な場合、０．００１ｖｏｌｕｍｅ％以上１ｖｏｌｕ
ｍｅ％以下の濃度のフッ化水素酸または／およびオゾン水などによって取り残したレジス
トなどを除去しても構わない。
また、本明細書において、導電体、絶縁体および半導体の成膜は、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（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、熱酸化法また
はプラズマ酸化法などを用いて行うことができる。
なお、ＣＶＤ法は、プラズマを利用するプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｅ
ｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）法、熱を利用する熱ＣＶＤ（ＴＣＶＤ：Ｔｈｅｒｍａｌ ＣＶ
Ｄ）法、光を利用する光ＣＶＤ（Ｐｈｏｔｏ 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。また、熱ＣＶＤ法は、プラズ
マを用いないため、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法で
ある。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子（トランジスタ、容量素子など）
などは、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、
蓄積した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合が
ある。一方、プラズマを用いない熱ＣＶＤ法の場合、こういったプラズマダメージが生じ
ないため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、熱ＣＶＤ法では、成膜
中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。
また、ＡＬＤ法も、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法で
ある。また、ＡＬＤ法も、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が
得られる。
ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、ターゲットなどから放出される粒子が堆積する成膜方法とは
異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって
、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に
、ＡＬＤ法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の
高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。ただし、ＡＬＤ法は、比較的成膜速
度が遅いため、成膜速度の速いＣＶＤ法などの他の成膜方法と組み合わせて用いることが
好ましい場合もある。
ＣＶＤ法およびＡＬＤ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、ＣＶＤ法およびＡＬＤ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、ＣＶＤ法およびＡＬＤ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、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。
ここでは、図１に示したトランジスタの作製方法について、図６および図７を用いて説明
する。
まず、基板４００を準備する。次に、絶縁体４０２を成膜する。次に、半導体４０６ａと
なる半導体４３６ａを成膜する。
なお、半導体４３６ａは、過剰酸素を含むように成膜することが好ましい。または、半導
体４３６ａを成膜した後で、酸素を添加する処理を行っても構わない。酸素を添加する処
理としては、プラズマ処理またはイオン注入処理などがある。
プラズマ処理で半導体４３６ａに酸素を添加する場合、例えば、酸素、オゾンまたは亜酸
化窒素などの酸化性ガスを用いてプラズマを生成し、半導体４３６ａを該プラズマに曝す
ことで行えばよい。または、半導体４３６ａ上に導電体を成膜し、該導電体を介して半導
体４３６ａを上述したプラズマに曝すことで行えばよい。プラズマ処理を行う際、基板４
００側に酸素が引き寄せられるようバイアス電圧を印加することが好ましい。バイアス電
圧によって、半導体４３６ａ中により多くの酸素を添加することができる。バイアス電圧
は、セルフバイアス電圧であっても構わない。また、プラズマ処理を行う際には、基板４
００を加熱した状態で行うことが好ましい。基板４００を加熱することによって、半導体
４３６ａ中により多くの酸素を添加することができる。なお、導電体としては、例えば、
金属、透明導電体などを用いればよい。特に、窒化チタン、窒化タンタル、Ｉｎ−Ｓｎ酸
化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｓｉ酸化物、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を用いることが好ましい。特に、
酸化物を用いることで、酸化性ガスと化学的な反応が起こりにくいため、より多くの酸素
を添加することができる。
次に、半導体４０６ｂとなる半導体４３６ｂを成膜する（図６（Ａ）参照。）。
次に、加熱処理を行う。加熱処理を行うことで、半導体４３６ａ中の過剰酸素の一部が半
導体４３６ｂ中に移動する。そのため、図２などで示したメカニズムにより、半導体４３
６ｂが層４３６ｂ１と層４３６ｂ２とに分かれる（図６（Ｂ）参照。）。なお、層４３６
ｂ１は、後の工程により層４０６ｂ１となる。また、層４３６ｂ２は、後の工程により層
４０６ｂ２となる。
次に、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂとなる導電体４４６を成膜する。次に、絶縁
体４１０ａおよび絶縁体４１０ｂとなる絶縁体４４０を成膜する（図６（Ｃ）参照。）。
次に、レジストを形成する。次に、該レジストをマスクとして、絶縁体４４０をエッチン
グすることで絶縁体４１０を形成する。また、該レジストおよび絶縁体４１０をマスクと
して、導電体４４６をエッチングすることで導電体４１６を形成する。また、該レジスト
、絶縁体４１０および導電体４１６をマスクとして、半導体４３６ｂをエッチングするこ
とで半導体４０６ｂを形成する。なお、半導体４０６ｂが形成される際に、層４３６ｂ１
は層４０６ｂ１となり、層４３６ｂ２は層４０６ｂ２となる。また、該レジスト、絶縁体
４１０、導電体４１６および半導体４０６ｂをマスクとして、半導体４３６ａをエッチン
グすることで半導体４０６ａを形成する。次に、レジストを除去する（図７（Ａ）参照。
）。
次に、レジストを形成する。次に、該レジストをマスクとして、絶縁体４１０をエッチン
グすることで絶縁体４１０ａおよび絶縁体４１０ｂを形成する。また、該レジスト、絶縁
体４１０ａおよび絶縁体４１０ｂをマスクとして、導電体４１６をエッチングすることで
導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂを形成する。また、該レジスト、絶縁体４１０ａ、
絶縁体４１０ｂ、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂをマスクとして、半導体４０６ｂ
の一部をエッチングすることで半導体４０６ｂを薄くする。このとき、チャネル形成領域
における層４０６ｂ２の厚さが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上５ｎｍ以
下となるようにエッチングする。層４０６ｂ２は、トランジスタのチャネル形成領域とし
て機能する領域を有するため、層４０６ｂ２が上述の厚さとなることで、トランジスタの
ゲート電極から生じる電界による制御性が高まる。次に、レジストを除去する（図７（Ｂ
）参照。）なお、チャネル形成領域における層４０６ｂ２を完全にエッチングしてしまっ
ても構わない。その場合、作製するトランジスタは、図２０（Ａ）に示す断面形状となる
。また、図２０（Ａ）の一点鎖線Ｅ１−Ｅ２に対応するバンド図は、図２０（Ｂ）のよう
になる。チャネル形成領域において層４０６ｂ２を有さないため、トランジスタのしきい
値電圧が正の値をとりやすくなる。
次に、半導体４０６ｃとなる半導体を成膜する。次に、絶縁体４１２となる絶縁体を成膜
する。次に、導電体４０４となる導電体を成膜する。次に、導電体４０４となる導電体上
にレジストを形成する。次に、該レジストをマスクとして、導電体４０４となる導電体を
エッチングすることで導電体４０４を形成する。また、該レジストおよび導電体４０４を
マスクとして、絶縁体４１２となる絶縁体をエッチングすることで絶縁体４１２を形成す
る。また、該レジスト、導電体４０４および絶縁体４１２をマスクとして、半導体４０６
ｃとなる半導体をエッチングすることで半導体４０６ｃを形成する。次に、レジストを除
去する。次に、絶縁体４０８を成膜することでトランジスタを作製することができる（図
７（Ｃ）参照。）。なお、導電体４０４となる導電体と、レジストとの間にハードマスク
を形成しても構わない。ハードマスクとしては、例えば、タングステン、チタン、タンタ
ル、窒化タングステン、窒化タンタル、窒化チタン、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、
窒化シリコン、窒化酸化シリコンまたは酸化アルミニウムなどを、単層または積層構造で
用いればよい。
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。
＜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。
＜回路＞
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回路の一例について説明する。
＜ＣＭＯＳインバータ＞
図８（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。
＜半導体装置の構造１＞
図９は、図８（Ａ）に対応する半導体装置の断面図である。図９に示す半導体装置は、ト
ランジスタ２２００と、トランジスタ２１００と、を有する。また、トランジスタ２１０
０は、トランジスタ２２００の上方に配置する。なお、トランジスタ２１００として、図
１に示したトランジスタを用いた例を示しているが、本発明の一態様に係る半導体装置は
、これに限定されるものではない。例えば、図３、図４または図５に示したトランジスタ
などを、トランジスタ２１００として用いても構わない。よって、トランジスタ２１００
については、適宜上述したトランジスタについての記載を参酌する。
図９に示すトランジスタ２２００は、半導体基板４５０を用いたトランジスタである。ト
ランジスタ２２００は、半導体基板４５０中の領域４７２ａと、半導体基板４５０中の領
域４７２ｂと、絶縁体４６２と、導電体４５４と、を有する。
トランジスタ２２００において、領域４７２ａおよび領域４７２ｂは、ソース領域および
ドレイン領域としての機能を有する。また、絶縁体４６２は、ゲート絶縁体としての機能
を有する。また、導電体４５４は、ゲート電極としての機能を有する。したがって、導電
体４５４に印加する電位によって、チャネル形成領域の抵抗を制御することができる。即
ち、導電体４５４に印加する電位によって、領域４７２ａと領域４７２ｂとの間の導通・
非導通を制御することができる。
半導体基板４５０としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、ま
たは炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛
、酸化ガリウムなどの化合物半導体基板などを用いればよい。好ましくは、半導体基板４
５０として単結晶シリコン基板を用いる。
半導体基板４５０は、ｎ型の導電型を付与する不純物を有する半導体基板を用いる。ただ
し、半導体基板４５０として、ｐ型の導電型を付与する不純物を有する半導体基板を用い
ても構わない。その場合、トランジスタ２２００となる領域には、ｎ型の導電型を付与す
る不純物を有するウェルを配置すればよい。または、半導体基板４５０がｉ型であっても
構わない。
半導体基板４５０の上面は、（１１０）面を有することが好ましい。こうすることで、ト
ランジスタ２２００のオン特性を向上させることができる。
領域４７２ａおよび領域４７２ｂは、ｐ型の導電型を付与する不純物を有する領域である
。このようにして、トランジスタ２２００はｐチャネル型トランジスタを構成する。
なお、トランジスタ２２００は、領域４６０などによって隣接するトランジスタと分離さ
れる。領域４６０は、絶縁性を有する領域である。
図９に示す半導体装置は、絶縁体４６４と、絶縁体４６６と、絶縁体４６８と、導電体４
８０ａと、導電体４８０ｂと、導電体４８０ｃと、導電体４７８ａと、導電体４７８ｂと
、導電体４７８ｃと、導電体４７６ａと、導電体４７６ｂと、導電体４７４ａと、導電体
４７４ｂと、導電体４７４ｃと、導電体４９６ａと、導電体４９６ｂと、導電体４９６ｃ
と、導電体４９６ｄと、導電体４９８ａと、導電体４９８ｂと、導電体４９８ｃと、絶縁
体４９０と、絶縁体４９２と、絶縁体４９４と、を有する。
絶縁体４６４は、トランジスタ２２００上に配置する。また、絶縁体４６６は、絶縁体４
６４上に配置する。また、絶縁体４６８は、絶縁体４６６上に配置する。また、絶縁体４
９０は、絶縁体４６８上に配置する。また、トランジスタ２１００は、絶縁体４９０上に
配置する。また、絶縁体４９２は、トランジスタ２１００上に配置する。また、絶縁体４
９４は、絶縁体４９２上に配置する。
絶縁体４６４は、領域４７２ａに達する開口部と、領域４７２ｂに達する開口部と、導電
体４５４に達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４８０ａ、導
電体４８０ｂまたは導電体４８０ｃが埋め込まれている。
また、絶縁体４６６は、導電体４８０ａに達する開口部と、導電体４８０ｂに達する開口
部と、導電体４８０ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体
４７８ａ、導電体４７８ｂまたは導電体４７８ｃが埋め込まれている。
また、絶縁体４６８は、導電体４７８ｂに達する開口部と、導電体４７８ｃに達する開口
部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４７６ａまたは導電体４７６ｂが埋
め込まれている。
また、絶縁体４９０は、トランジスタ２１００のチャネル形成領域と重なる開口部と、導
電体４７６ａに達する開口部と、導電体４７６ｂに達する開口部と、を有する。また、開
口部には、それぞれ導電体４７４ａ、導電体４７４ｂまたは導電体４７４ｃが埋め込まれ
ている。
導電体４７４ａは、トランジスタ２１００のゲート電極としての機能を有しても構わない
。または、例えば、導電体４７４ａに一定の電位を印加することで、トランジスタ２１０
０のしきい値電圧などの電気特性を制御しても構わない。または、例えば、導電体４７４
ａとトランジスタ２１００のゲート電極としての機能を有する導電体４０４とを電気的に
接続しても構わない。こうすることで、トランジスタ２１００のオン電流を大きくするこ
とができる。また、パンチスルー現象を抑制することができるため、トランジスタ２１０
０の飽和領域における電気特性を安定にすることができる。
また、絶縁体４９２は、トランジスタ２１００のソース電極またはドレイン電極の一方で
ある導電体４１６ｂを通って、導電体４７４ｂに達する開口部と、トランジスタ２１００
のソース電極またはドレイン電極の他方である導電体４１６ａに達する開口部と、トラン
ジスタ２１００のゲート電極である導電体４０４に達する開口部と、導電体４７４ｃに達
する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４９６ａ、導電体４９６ｂ
、導電体４９６ｃまたは導電体４９６ｄが埋め込まれている。ただし、それぞれの開口部
は、さらにトランジスタ２１００などの構成要素のいずれかを介する場合がある。
また、絶縁体４９４は、導電体４９６ａに達する開口部と、導電体４９６ｂおよび導電体
４９６ｄに達する開口部と、導電体４９６ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部
には、それぞれ導電体４９８ａ、導電体４９８ｂまたは導電体４９８ｃが埋め込まれてい
る。
絶縁体４６４、絶縁体４６６、絶縁体４６８、絶縁体４９０、絶縁体４９２および絶縁体
４９４としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニ
ウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジル
コニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、ま
たは積層で用いればよい。例えば、絶縁体４０１としては、酸化アルミニウム、酸化マグ
ネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガ
リウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化
ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。
絶縁体４６４、絶縁体４６６、絶縁体４６８、絶縁体４９０、絶縁体４９２または絶縁体
４９４の一以上は、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体を有
することが好ましい。トランジスタ２１００の近傍に、水素などの不純物および酸素をブ
ロックする機能を有する絶縁体を配置することによって、トランジスタ２１００の電気特
性を安定にすることができる。
水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体としては、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４８０ａ、導電体４８０ｂ、導電体４８０ｃ、導電体４７８ａ、導電体４７８ｂ、
導電体４７８ｃ、導電体４７６ａ、導電体４７６ｂ、導電体４７４ａ、導電体４７４ｂ、
導電体４７４ｃ、導電体４９６ａ、導電体４９６ｂ、導電体４９６ｃ、導電体４９６ｄ、
導電体４９８ａ、導電体４９８ｂおよび導電体４９８ｃとしては、例えば、ホウ素、窒素
、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト
、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウ
ム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層
で、または積層で用いればよい。例えば、合金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。
なお、図１０に示す半導体装置は、図９に示した半導体装置のトランジスタ２２００の構
造が異なるのみである。よって、図１０に示す半導体装置については、図９に示した半導
体装置の記載を参酌する。具体的には、図１０に示す半導体装置は、トランジスタ２２０
０がＦｉｎ型である場合を示している。トランジスタ２２００をＦｉｎ型とすることによ
り、実効上のチャネル幅が増大することによりトランジスタ２２００のオン特性を向上さ
せることができる。また、ゲート電極の電界の寄与を高くすることができるため、トラン
ジスタ２２００のオフ特性を向上させることができる。
また、図１１に示す半導体装置は、図９に示した半導体装置のトランジスタ２２００の構
造が異なるのみである。よって、図１１に示す半導体装置については、図９に示した半導
体装置の記載を参酌する。具体的には、図１１に示す半導体装置は、トランジスタ２２０
０がＳＯＩ基板に設けられた場合を示している。図１１には、絶縁体４５２によって領域
４５６が半導体基板４５０と分離されている構造を示す。ＳＯＩ基板を用いることによっ
て、パンチスルー現象などを抑制することができるためトランジスタ２２００のオフ特性
を向上させることができる。なお、絶縁体４５２は、半導体基板４５０の一部を絶縁体化
させることによって形成することができる。例えば、絶縁体４５２としては、酸化シリコ
ンを用いることができる。
図９乃至図１１に示した半導体装置は、半導体基板を用いてｐチャネル型トランジスタを
作製し、その上方にｎチャネル型トランジスタを作製するため、素子の占有面積を縮小す
ることができる。即ち、半導体装置の集積度を高くすることができる。また、ｎチャネル
型トランジスタと、ｐチャネル型トランジスタとを同一の半導体基板を用いて作製した場
合と比べて、工程を簡略化することができるため、半導体装置の生産性を高くすることが
できる。また、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、ｐチャネル型トラ
ンジスタは、ＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ Ｄｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）領域、シャロートレン
チ構造、歪み設計などの複雑な工程を省略できる場合がある。そのため、ｎチャネル型ト
ランジスタを、半導体基板を用いて作製する場合と比べて、生産性および歩留まりを高く
することができる場合がある。
＜ＣＭＯＳアナログスイッチ＞
また図８（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。
＜記憶装置１＞
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１２
に示す。
図１２（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、オフ電流の小さいトランジスタが好ましい。トランジスタ３３
００は、例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタを用いることができる。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１２（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３０
０５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１２（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。即ち、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のオフ電流が小さいため、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（＜Ｖ
ｔｈ＿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。
＜半導体装置の構造２＞
図１３は、図１２（Ａ）に対応する半導体装置の断面図である。図１３に示す半導体装置
は、トランジスタ３２００と、トランジスタ３３００と、容量素子３４００と、を有する
。また、トランジスタ３３００および容量素子３４００は、トランジスタ３２００の上方
に配置する。なお、トランジスタ３３００としては、上述したトランジスタ２１００につ
いての記載を参照する。また、トランジスタ３２００としては、図９に示したトランジス
タ２２００についての記載を参照する。なお、図９では、トランジスタ２２００がｐチャ
ネル型トランジスタである場合について説明したが、トランジスタ３２００がｎチャネル
型トランジスタであっても構わない。
図１３に示すトランジスタ３２００は、半導体基板４５０を用いたトランジスタである。
トランジスタ３２００は、半導体基板４５０中の領域４７２ａと、半導体基板４５０中の
領域４７２ｂと、絶縁体４６２と、導電体４５４と、を有する。
図１３に示す半導体装置は、絶縁体４６４と、絶縁体４６６と、絶縁体４６８と、導電体
４８０ａと、導電体４８０ｂと、導電体４８０ｃと、導電体４７８ａと、導電体４７８ｂ
と、導電体４７８ｃと、導電体４７６ａと、導電体４７６ｂと、導電体４７４ａと、導電
体４７４ｂと、導電体４７４ｃと、導電体４９６ａと、導電体４９６ｂと、導電体４９６
ｃと、導電体４９６ｄと、導電体４９８ａと、導電体４９８ｂと、導電体４９８ｃと、導
電体４９８ｄと、絶縁体４９０と、絶縁体４９２と、絶縁体４９４と、を有する。
絶縁体４６４は、トランジスタ３２００上に配置する。また、絶縁体４６６は、絶縁体４
６４上に配置する。また、絶縁体４６８は、絶縁体４６６上に配置する。また、絶縁体４
９０は、絶縁体４６８上に配置する。また、トランジスタ３３００は、絶縁体４９０上に
配置する。また、絶縁体４９２は、トランジスタ３３００上に配置する。また、絶縁体４
９４は、絶縁体４９２上に配置する。
絶縁体４６４は、領域４７２ａに達する開口部と、領域４７２ｂに達する開口部と、導電
体４５４に達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４８０ａ、導
電体４８０ｂまたは導電体４８０ｃが埋め込まれている。
また、絶縁体４６６は、導電体４８０ａに達する開口部と、導電体４８０ｂに達する開口
部と、導電体４８０ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体
４７８ａ、導電体４７８ｂまたは導電体４７８ｃが埋め込まれている。
また、絶縁体４６８は、導電体４７８ｂに達する開口部と、導電体４７８ｃに達する開口
部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４７６ａまたは導電体４７６ｂが埋
め込まれている。
また、絶縁体４９０は、トランジスタ３３００のチャネル形成領域と重なる開口部と、導
電体４７６ａに達する開口部と、導電体４７６ｂに達する開口部と、を有する。また、開
口部には、それぞれ導電体４７４ａ、導電体４７４ｂまたは導電体４７４ｃが埋め込まれ
ている。
導電体４７４ａは、トランジスタ３３００のボトムゲート電極としての機能を有しても構
わない。または、例えば、導電体４７４ａに一定の電位を印加することで、トランジスタ
３３００のしきい値電圧などの電気特性を制御しても構わない。または、例えば、導電体
４７４ａとトランジスタ３３００のトップゲート電極である導電体４０４とを電気的に接
続しても構わない。こうすることで、トランジスタ３３００のオン電流を大きくすること
ができる。また、パンチスルー現象を抑制することができるため、トランジスタ３３００
の飽和領域における電気特性を安定にすることができる。
また、絶縁体４９２は、トランジスタ３３００のソース電極またはドレイン電極の一方で
ある導電体４１６ｂを通って、導電体４７４ｂに達する開口部と、トランジスタ３３００
のソース電極またはドレイン電極の他方である導電体４１６ａと絶縁体４１２を介して重
なる導電体４１４に達する開口部と、トランジスタ３３００のゲート電極である導電体４
０４に達する開口部と、トランジスタ３３００のソース電極またはドレイン電極の他方で
ある導電体４１６ａを通って、導電体４７４ｃに達する開口部と、を有する。また、開口
部には、それぞれ導電体４９６ａ、導電体４９６ｂ、導電体４９６ｃまたは導電体４９６
ｄが埋め込まれている。ただし、それぞれの開口部は、さらにトランジスタ３３００など
の構成要素のいずれかを介する場合がある。
また、絶縁体４９４は、導電体４９６ａに達する開口部と、導電体４９６ｂに達する開口
部と、導電体４９６ｃに達する開口部と、導電体４９６ｄに達する開口部と、を有する。
また、開口部には、それぞれ導電体４９８ａ、導電体４９８ｂ、導電体４９８ｃまたは導
電体４９８ｄが埋め込まれている。
絶縁体４６４、絶縁体４６６、絶縁体４６８、絶縁体４９０、絶縁体４９２または絶縁体
４９４の一以上は、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体を有
することが好ましい。トランジスタ３３００の近傍に、水素などの不純物および酸素をブ
ロックする機能を有する絶縁体を配置することによって、トランジスタ３３００の電気特
性を安定にすることができる。
導電体４９８ｄとしては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アル
ミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イッ
トリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルお
よびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば
、合金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。
トランジスタ３２００のソースまたはドレインは、導電体４８０ｂと、導電体４７８ｂと
、導電体４７６ａと、導電体４７４ｂと、導電体４９６ｃと、を介してトランジスタ３３
００のソース電極またはドレイン電極の一方である導電体４１６ｂと電気的に接続する。
また、トランジスタ３２００のゲート電極である導電体４５４は、導電体４８０ｃと、導
電体４７８ｃと、導電体４７６ｂと、導電体４７４ｃと、導電体４９６ｄと、を介してト
ランジスタ３３００のソース電極またはドレイン電極の他方である導電体４１６ａと電気
的に接続する。
容量素子３４００は、トランジスタ３３００のソース電極またはドレイン電極の他方と電
気的に接続する電極と、導電体４１４と、絶縁体４１２と、を有する。なお、絶縁体４１
２は、トランジスタ３３００のゲート絶縁体と同一工程を経て形成できるため、生産性を
高めることができて好ましい場合がある。また、導電体４１４として、トランジスタ３３
００のゲート電極と同一工程を経て形成した層を用いると、生産性を高めることができて
好ましい場合がある。
そのほかの構造については、適宜図９などについての記載を参酌することができる。
なお、図１４に示す半導体装置は、図１３に示した半導体装置のトランジスタ３２００の
構造が異なるのみである。よって、図１４に示す半導体装置については、図１３に示した
半導体装置の記載を参酌する。具体的には、図１４に示す半導体装置は、トランジスタ３
２００がＦｉｎ型である場合を示している。Ｆｉｎ型であるトランジスタ３２００につい
ては、図１０に示したトランジスタ２２００の記載を参照する。なお、図１０では、トラ
ンジスタ２２００がｐチャネル型トランジスタである場合について説明したが、トランジ
スタ３２００がｎチャネル型トランジスタであっても構わない。
また、図１５に示す半導体装置は、図１３に示した半導体装置のトランジスタ３２００の
構造が異なるのみである。よって、図１５に示す半導体装置については、図１３に示した
半導体装置の記載を参酌する。具体的には、図１５に示す半導体装置は、トランジスタ３
２００がＳＯＩ基板である半導体基板４５０に設けられた場合を示している。ＳＯＩ基板
である半導体基板４５０に設けられたトランジスタ３２００については、図１１に示した
トランジスタ２２００の記載を参照する。なお、図１１では、トランジスタ２２００がｐ
チャネル型トランジスタである場合について説明したが、トランジスタ３２００がｎチャ
ネル型トランジスタであっても構わない。
＜記憶装置２＞
図１２（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１２（Ａ）に
示した半導体装置と異なる。この場合も図１２（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１２（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×Ｖ
１）／（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。即ち、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。
＜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１６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１６に示すＣＰＵは、基板１１９０上に、ＡＬＵ１１９１（ＡＬＵ：Ａｒｉｔｈｍｅｔ
ｉｃ 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１
１９８、書き換え可能なＲＯＭ１１９９、およびＲＯＭインターフェース１１８９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。ＲＯＭ１
１９９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１６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１６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１１９
２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、および
レジスタコントローラ１１９７の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタ
イミングコントローラ１１９５は、基準クロック信号を元に、内部クロック信号を生成す
る内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号を上記各種回路に供給する。
図１６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１６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。即ち、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１７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１２
１０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Ｇ
ＮＤ（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１２０
８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１７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１７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１７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１１９
０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、シリコン膜または
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１７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１２０
０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（Ｐｒ
ｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）等のＬＳＩ、ＲＦ−ＩＤ（Ｒａｄｉ
ｏ 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１８（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１８（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１８（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一例を図１８（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５００
３、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 Ｃｉ
ｒｃｕｉｔ）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５
００４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１８（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の走査線５０１２と、トランジスタ５０１７の走査線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
機能する信号線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。
また、トランジスタ５０１６には、第１の画素電極が電気的に接続され、トランジスタ５
０１７には、第２の画素電極が電気的に接続される。第１の画素電極と第２の画素電極と
は分離されている。なお、第１の画素電極及び第２の画素電極の形状としては、特に限定
は無い。例えば、第１の画素電極は、Ｖ字状とすればよい。
トランジスタ５０１６のゲート電極は走査線５０１２と電気的に接続され、トランジスタ
５０１７のゲート電極は走査線５０１３と電気的に接続されている。走査線５０１２と走
査線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１８（Ｂ）に示す画素回路に限定されない。
例えば、図１８（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、センサー、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１８（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１８（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５０２
１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５０２
２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５０
２４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１８（Ｃ）に示す画素構成に限定されない。
例えば、図１８（Ｃ）に示す画素回路にスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサー、トラ
ンジスタまたは論理回路などを追加してもよい。
図１８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。
＜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１９に示
す。
図１９（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１９（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１９（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９
１３、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９
１２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、
フォトセンサー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１９（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１９（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９３
３等を有する。
図１９（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９４
２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１９（Ｆ）は自動車であり、車体９５１、車輪９５２、ダッシュボード９５３、ライト
９５４等を有する。
４００ 基板
４０１ 絶縁体
４０２ 絶縁体
４０４ 導電体
４０６ａ 半導体
４０６ｂ 半導体
４０６ｂ１ 層
４０６ｂ２ 層
４０６ｃ 半導体
４０８ 絶縁体
４０９ａ 領域
４０９ｂ 領域
４１０ 絶縁体
４１０ａ 絶縁体
４１０ｂ 絶縁体
４１２ 絶縁体
４１３ 導電体
４１４ 導電体
４１６ 導電体
４１６ａ 導電体
４１６ｂ 導電体
４３６ａ 半導体
４３６ｂ 半導体
４３６ｂ１ 層
４３６ｂ２ 層
４４０ 絶縁体
４４６ 導電体
４５０ 半導体基板
４５２ 絶縁体
４５４ 導電体
４５６ 領域
４６０ 領域
４６２ 絶縁体
４６４ 絶縁体
４６６ 絶縁体
４６８ 絶縁体
４７２ａ 領域
４７２ｂ 領域
４７４ａ 導電体
４７４ｂ 導電体
４７４ｃ 導電体
４７６ａ 導電体
４７６ｂ 導電体
４７８ａ 導電体
４７８ｂ 導電体
４７８ｃ 導電体
４８０ａ 導電体
４８０ｂ 導電体
４８０ｃ 導電体
４９０ 絶縁体
４９２ 絶縁体
４９４ 絶縁体
４９６ａ 導電体
４９６ｂ 導電体
４９６ｃ 導電体
４９６ｄ 導電体
４９８ａ 導電体
４９８ｂ 導電体
４９８ｃ 導電体
４９８ｄ 導電体
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
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
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 容量線
５０１２ 走査線
５０１３ 走査線
５０１４ 信号線
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
５１００ ペレット
５１２０ 基板
５１６１ 領域

Claims (5)

  1. 基板上の第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の酸化物半導体上の第１の導電体及び第２の導電体と、
    前記第１の導電体上、前記第２の導電体上、及び前記第２の酸化物半導体上の第１の絶縁体と、
    前記第１の絶縁体を介して、前記第２の酸化物半導体と重なる領域を有する第３の導電体と、を有し、
    前記第１の導電体の下面全体は、前記第２の酸化物半導体の上面と接し、
    前記第２の導電体の下面全体は、前記第２の酸化物半導体の上面と接し、
    チャネル幅方向において、前記第３の導電体は、前記第２の酸化物半導体の側面と面する領域を有する半導体装置。
  2. 基板上の第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の酸化物半導体上の第１の導電体及び第２の導電体と、
    前記第１の導電体上、前記第２の導電体上、及び前記第２の酸化物半導体上の第１の絶縁体と、
    前記第１の絶縁体を介して、前記第２の酸化物半導体と重なる領域を有する第３の導電体と、
    前記第３の導電体上の第２の絶縁体と、を有し、
    前記第１の導電体の下面全体は、前記第２の酸化物半導体の上面と接し、
    前記第２の導電体の下面全体は、前記第２の酸化物半導体の上面と接し、
    チャネル長方向において、前記第２の絶縁体は、前記第２の酸化物半導体の側面と接する領域と、前記第１の酸化物半導体の側面と接する領域と、を有し、
    チャネル幅方向において、前記第３の導電体は、前記第２の酸化物半導体の側面と面する領域を有する半導体装置。
  3. 請求項１または請求項２において、
    前記第１の導電体と前記第１の絶縁体との間に第３の絶縁体を有し、
    前記第２の導電体と前記第１の絶縁体との間に第４の絶縁体を有し、
    前記第３の絶縁体の下面全体は、前記第１の導電体の上面と接し、
    前記第４の絶縁体の下面全体は、前記第２の導電体の上面と接する半導体装置。
  4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
    前記第２の酸化物半導体と前記第１の絶縁体との間に第３の酸化物半導体を有し、
    前記第３の酸化物半導体は、前記第２の酸化物半導体の側面と接する領域と、前記第１の導電体の側面と接する領域と、前記第２の導電体の側面と接する領域と、を有し、
    チャネル幅方向において、前記第３の酸化物半導体は、前記第２の酸化物半導体の側面と接する半導体装置。
  5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
    前記第１の導電体及び前記第２の導電体の各々は、窒素を含む半導体装置。
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