JP2021121024A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた電気特性を有するトランジスタ、非導通時の電流の小さいトランジスタ、導通時の電流の大きいトランジスタ並びに当該トランジスタを有する半導体装置、集積度の高い半導体装置及び丈夫な半導体装置を提供する。【解決手段】半導体１０６ａ〜１０６ｃと、絶縁体１０２、１０８、１１２と、第１の導電体１０４と、第２の導電体１１６ａ、１１６ｂと、を有する半導体装置であって、半導体１０６ｃの上面は、絶縁体１１２と接する領域を有し、半導体１０６ｃの側面は、絶縁体１０８と接する領域を有する。第１の導電体は、絶縁体１１２を介して半導体１０６ｃと互いに重なる第１の領域を有する。第１の領域は、半導体１０６ｃの上面と面する領域と、半導体１０６ｃの側面と面する領域と、を有する。第２の導電体は、半導体１０６ｃと接する第２の領域を有する。第１の領域と、第２の領域と、は互いに重ならない。【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
憶装置または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、記憶装置または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、記憶装置または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、多結晶シ
リコン、単結晶シリコンなど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。また、集積回路などを構成
するトランジスタに適用する場合、さらに高い電界効果移動度を有する単結晶シリコンを
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。

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。

ところで、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１参照。）。このように
、ＣＰＵなどの集積回路に酸化物半導体を用いたトランジスタを応用する場合、トランジ
スタを縮小し、高集積化することが好ましい。

半導体装置は、高集積化を進めると、配線や電極などが重なり合うことに起因して形成さ
れる寄生容量の影響が無視できなくなる場合がある。特許文献２には、導体電極から半導
体中に電子を流入させることで、オフセット領域が設けられても優れた電気特性を有する
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２に開示された技術を用いるこ
とで、配線や電極などが重なり合うことに起因して形成される寄生容量を低減することが
できる。

また、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２０１２−２５７１８７号公報 特開２０１１−２２５０７号公報 特開２０１２−５９８６０号公報

優れた電気特性を有する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
時の電流の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、導通時の電流
の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、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、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、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、半導体と、絶縁体と、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、半導体の上面は、絶縁体と接する領域を有し、半導体の側面は、絶縁
体と接する領域を有し、第１の導電体は、絶縁体を介して第１の導電体と半導体とが互い
に重なる第１の領域を有し、第１の領域は、半導体の上面と面する領域と、半導体の側面
と面する領域と、を有し、第２の導電体は、半導体と接する第２の領域を有し、第１の領
域と、第２の領域と、は互いに重ならない半導体装置である。

（２）
本発明の一態様は、半導体と、絶縁体と、第１の導電体と、第２の導電体と、第３の導電
体と、を有する半導体装置であって、半導体の上面は、絶縁体と接する領域を有し、半導
体の側面は、絶縁体と接する領域を有し、第１の導電体は、絶縁体を介して第１の導電体
と半導体とが互いに重なる第１の領域を有し、第１の領域は、半導体の上面と面する領域
と、半導体の側面と面する領域と、を有し、第２の導電体は、半導体と接する第２の領域
を有し、第３の導電体は、半導体と接する第３の領域を有し、第２の領域と、第３の領域
と、は互いに重なる領域を有し、第１の領域と、第２の領域と、は互いに重ならない半導
体装置である。

（３）
本発明の一態様は、半導体と、第１の絶縁体と、第２の絶縁体と、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、半導体は、第１の絶縁体と接する領域と、第
１の導電体および第２の導電体と互いに重ならない第１の領域と、を有し、第１の導電体
は、絶縁体を介して第１の導電体と半導体とが互いに重なる第２の領域を有し、第２の導
電体は、半導体と接する第３の領域を有し、第２の絶縁体は、第１の領域と接する領域を
有する半導体装置である。

（４）
本発明の一態様は、第２の絶縁体は、第１の絶縁体よりも比誘電率が高い（３）に記載の
半導体装置である。

（５）
本発明の一態様は、半導体上における第１の導電体と、半導体上における第２の導電体と
の間の距離が３０ｎｍ以下である領域を有する（１）乃至（４）のいずれか一に記載の半
導体装置である。

（６）
本発明の一態様は、半導体は、第１の層および第２の層を有し、第１の層の電子親和力と
、第２の層の電子親和力と、は大きさが異なる（１）乃至（５）のいずれか一に記載の半
導体装置である。

（７）
本発明の一態様は、半導体が、インジウムおよび酸素を有する（１）乃至（６）のいずれ
か一に記載の半導体装置である。

（８）
本発明の一態様は、表示装置、バッテリーまたはセンサーと、（１）乃至（７）のいずれ
か一に記載の半導体装置と、を有する電子機器である。

電気特性の優れたトランジスタを提供することができる。または、非導通時の電流の小さ
いトランジスタを提供することができる。または、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、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、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、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電気特性の計算結果を示す図。 本発明の一態様に係るトランジスタの電気特性の計算結果を示す図。 本発明の一態様に係るトランジスタの電気特性の計算結果を示す図。 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。 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。 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。 半導体の積層を示す断面図、およびバンド構造を示す図。

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。

＜トランジスタ構造と電気特性の関係＞
以下では、トランジスタ構造と電気特性の関係について、計算による結果を図１乃至図６
を用いて説明する。

図１（Ａ）は、本発明の一態様に係るトランジスタ構造Ａの上面図の一例である。図１（
Ａ）の一点鎖線Ａ１−Ａ２および一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図の一例を図１（Ｂ
）に示す。なお、図１（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（Ｂ）に示すトランジスタ構造Ａは、絶縁体１０２と、絶縁体１０２上の半導体１０
６ａと、半導体１０６ａ上の半導体１０６ｂと、半導体１０６ｂと接する領域を有する導
電体１１６ａおよび導電体１１６ｂと、導電体１１６ａ上、導電体１１６ｂ上および半導
体１０６ｂ上にあり、半導体１０６ｂの上面および側面、ならびに半導体１０６ａの側面
と接する領域を有する半導体１０６ｃと、絶縁体１０２上および半導体１０６ｃ上の絶縁
体１１２と、絶縁体１１２上にあり、半導体１０６ａ、半導体１０６ｂおよび半導体１０
６ｃと互いに重なる領域を有する導電体１０４と、絶縁体１０２上、導電体１１６ａ上、
導電体１１６ｂ上、半導体１０６ｃ上および導電体１０４上の絶縁体１０８と、を有する
。なお、半導体１０６ｂは、導電体１１６ａおよび導電体１１６ｂと互いに重なる領域に
、それぞれ領域１２４ａおよび領域１２４ｂを有する。なお、本明細書において、半導体
、絶縁体、導電体は、それぞれ半導体層、絶縁層、導電層ともいう。

トランジスタ構造Ａにおいて、絶縁体１０２は下地絶縁体としての機能を有する。また、
絶縁体１１２はゲート絶縁体としての機能を有する。また、導電体１０４はゲート電極と
しての機能を有する。また、導電体１１６ａおよび導電体１１６ｂは、ソース電極および
ドレイン電極としての機能を有する。また、領域１２４ａおよび領域１２４ｂ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、半導体１０６ｂの一部はチャネル
形成領域としての機能を有する。また、半導体１０６ａおよび半導体１０６ｃは、半導体
１０６ｂに含まれるチャネル形成領域を絶縁体１０２および絶縁体１１２から離間させる
機能を有する。

また、トランジスタ構造Ａにおいて、Ａ１−Ａ２断面における導電体１０４の幅をＬｇ、
領域１２４ａと領域１２４ｂとの間の領域または間隔をＬと呼ぶ。また、Ａ１−Ａ２断面
における導電体１０４と領域１２４ａとの間の領域または間隔をＬｏｆｆ１、導電体１０
４と領域１２４ｂとの間の領域または間隔をＬｏｆｆ２と呼ぶ。また、Ａ３−Ａ４断面に
おける半導体１０６ｂの幅をＷと呼ぶ。また、Ａ３−Ａ４断面における導電体１０４の最
下面から半導体１０６ｂの下面までの高さをｈと呼ぶ。半導体１０６ｂにおいて、導電体
１０４と互いに重なる領域のみをチャネル形成領域とすれば、Ｌｏｆｆ１およびＬｏｆｆ
２はオフセット領域となる。

また、図２（Ａ）は、本発明の一態様に係るトランジスタ構造Ｂの上面図の一例である。
図２（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
２（Ｂ）に示す。なお、図２（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。

トランジスタ構造Ｂは、絶縁体１０２と、絶縁体１０２上の半導体１０６ａと、半導体１
０６ａ上の半導体１０６ｂと、半導体１０６ｂと接する領域を有する導電体１１６ａおよ
び導電体１１６ｂと、導電体１１６ａ上、導電体１１６ｂ上および半導体１０６ｂ上にあ
り、半導体１０６ｂの上面および側面、ならびに半導体１０６ａの側面と接する領域を有
する半導体１０６ｃと、絶縁体１０２上、半導体１０６ｃ上、導電体１１６ａ上および導
電体１１６ｂ上の絶縁体１１２と、絶縁体１１２上にあり、半導体１０６ａ、半導体１０
６ｂおよび半導体１０６ｃと互いに重なる領域を有する導電体１０４と、絶縁体１０２上
、導電体１１６ａ上、導電体１１６ｂ上および導電体１０４上の絶縁体１０８と、を有す
る。なお、半導体１０６ｂは、導電体１１６ａおよび導電体１１６ｂと互いに重なる領域
に、それぞれ領域１２４ａおよび領域１２４ｂを有する。

トランジスタ構造Ｂにおいて、絶縁体１０２は下地絶縁体としての機能を有する。また、
絶縁体１１２はゲート絶縁体としての機能を有する。また、導電体１０４はゲート電極と
しての機能を有する。また、導電体１１６ａおよび導電体１１６ｂは、ソース電極および
ドレイン電極としての機能を有する。また、領域１２４ａおよび領域１２４ｂ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、半導体１０６ｂの一部はチャネル
形成領域としての機能を有する。また、半導体１０６ａおよび半導体１０６ｃは、半導体
１０６ｂに含まれるチャネル形成領域を絶縁体１０２および絶縁体１１２から離間させる
機能を有する。

また、トランジスタ構造Ｂにおいて、Ｂ１−Ｂ２断面における導電体１０４の幅をＬｇ、
領域１２４ａと領域１２４ｂとの間隔をＬと呼ぶ。また、Ｂ１−Ｂ２断面における導電体
１０４と領域１２４ａとの間の領域またはその間隔をＬｏｆｆ１、導電体１０４と領域１
２４ｂとの間の領域またはその間隔をＬｏｆｆ２と呼ぶ。また、Ｂ３−Ｂ４断面における
半導体１０６ｂの幅をＷと呼ぶ。また、Ｂ３−Ｂ４断面における導電体１０４の最下面か
ら半導体１０６ｂの下面までの高さをｈと呼ぶ。半導体１０６ｂにおいて、導電体１０４
と互いに重なる領域のみをチャネル形成領域とすれば、Ｌｏｆｆ１およびＬｏｆｆ２はオ
フセット領域となる。

したがって、トランジスタ構造Ｂは、トランジスタ構造Ａと絶縁体１１２の形状が異なる
。

また、図３（Ａ）は、本発明の一態様に係るトランジスタ構造Ｃの上面図の一例である。
図３（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
３（Ｂ）に示す。なお、図３（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。

トランジスタ構造Ｃは、絶縁体１０２と、絶縁体１０２上の半導体１０６ａと、半導体１
０６ａ上の半導体１０６ｂと、半導体１０６ｂと接する領域を有する導電体１１６ａおよ
び導電体１１６ｂと、導電体１１６ａ上、導電体１１６ｂ上および半導体１０６ｂ上にあ
り、半導体１０６ｂの上面および側面、ならびに半導体１０６ａの側面と接する領域を有
する半導体１０６ｃと、絶縁体１０２上、半導体１０６ｃ上、導電体１１６ａ上および導
電体１１６ｂ上の絶縁体１１２と、絶縁体１１２上にあり、半導体１０６ａ、半導体１０
６ｂ、半導体１０６ｃ、導電体１１６ａおよび導電体１１６ｂと互いに重なる領域を有す
る導電体１０４と、絶縁体１０２上、導電体１１６ａ上、導電体１１６ｂ上および導電体
１０４上の絶縁体１０８と、を有する。なお、半導体１０６ｂは、導電体１１６ａおよび
導電体１１６ｂと重なる領域に、それぞれ領域１２４ａおよび領域１２４ｂを有する。

トランジスタ構造Ｃにおいて、絶縁体１０２は下地絶縁体としての機能を有する。また、
絶縁体１１２はゲート絶縁体としての機能を有する。また、導電体１０４はゲート電極と
しての機能を有する。また、導電体１１６ａおよび導電体１１６ｂは、ソース電極および
ドレイン電極としての機能を有する。また、領域１２４ａおよび領域１２４ｂ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、半導体１０６ｂの一部はチャネル
形成領域としての機能を有する。また、半導体１０６ａおよび半導体１０６ｃは、半導体
１０６ｂに含まれるチャネル形成領域を絶縁体１０２および絶縁体１１２から離間させる
機能を有する。

また、トランジスタ構造Ｃにおいて、Ｃ１−Ｃ２断面における領域１２４ａと領域１２４
ｂとの間隔をＬと呼ぶ。また、Ｃ１−Ｃ２断面における導電体１０４と領域１２４ａとが
互いに重なる領域またはその幅をＬｏｖ１、導電体１０４と領域１２４ｂとが互いに重な
る領域またはその幅をＬｏｖ２と呼ぶ。また、Ｃ３−Ｃ４断面における半導体１０６ｂの
幅をＷと呼ぶ。また、Ｃ３−Ｃ４断面における導電体１０４の最下面から半導体１０６ｂ
の下面までの高さをｈと呼ぶ。半導体１０６ｂにおいて、領域１２４ａと領域１２４ｂと
の間の導電体１０４と重なる領域をチャネル形成領域とすれば、Ｌｏｖ１およびＬｏｖ２
はオーバーラップ領域となる。

したがって、トランジスタ構造Ｃは、トランジスタ構造Ａおよびトランジスタ構造Ｂと、
導電体１０４の形状が異なる。具体的には、トランジスタ構造Ａおよびトランジスタ構造
Ｂは、導電体１１６ａおよび導電体１１６ｂと導電体１０４とが互いに重なる領域を有さ
ない構造であるが、トランジスタ構造Ｃは、導電体１１６ａおよび導電体１１６ｂと導電
体１０４とが互いに重なる領域を有する構造である。

ここで、オフセット領域を有する構造（トランジスタ構造Ａおよびトランジスタ構造Ｂ）
は、オーバーラップ領域を有する構造（トランジスタ構造Ｃ）よりもオン電流（Ｉｏｎと
も表記する。）が小さくなると推測される。これは、オフセット領域がトランジスタのオ
ン抵抗となることに起因する。一方、オーバーラップ領域を有する構造は、オフセット領
域を有する構造よりも寄生容量が大きくなる。なお、オン電流とは、トランジスタのゲー
ト電極にしきい値電圧以上の電圧を印加した際に、ソース−ドレイン間を流れる電流をい
う。

次に、上述したトランジスタ構造Ａ、トランジスタ構造Ｂおよびトランジスタ構造Ｃにつ
いて、Ｌの違いによる電気特性の変化を計算により評価する。なお、計算には、ｓｙｎｏ
ｐｓｙｓ社のＳｅｎｔａｕｒｕｓを用い、三次元構造を用いる。

計算に用いた条件を下表に示す。

なお、Ｅｇはエネルギーギャップ、Ｎｃは伝導帯の実効状態密度、Ｎｖは価電子帯の実効
状態密度を示す。

また、ｈを２０ｎｍ、Ｗを４０ｎｍとし、トランジスタ構造Ａおよびトランジスタ構造Ｂ
ではＬｇを６０ｎｍとし、トランジスタ構造ＣではＬｏｖを２０ｎｍとしている。このと
き、Ｌを６０ｎｍ、８０ｎｍ、１００ｎｍ、１２０ｎｍ、１４０ｎｍまたは２６０ｎｍと
して電気特性の計算を行う。また、トランジスタ構造Ａおよびトランジスタ構造Ｂにおけ
るＬｏｆｆ１およびＬｏｆｆ２は、ＬからＬｇを差し引いた値を２で除した値となり、具
体的には０ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍ、４０ｎｍまたは１００ｎｍとなる。な
お、半導体１０６ａおよび半導体１０６ｂの、Ｌ方向における長さは、Ｌに１２０ｎｍを
加えた値としている。

計算により得られた、ゲート電圧（Ｖｇとも表記する。）−ドレイン電流（Ｉｄとも表記
する）特性を図４に示す。なお、図４において、点線はトランジスタ構造Ａ、破線はトラ
ンジスタ構造Ｂ、実線はトランジスタ構造Ｃを示す。また、図４に示したＶｇ−Ｉｄ特性
から、各Ｌにおけるオン電流およびサブスレッショルドスイング値（Ｓ値とも表記する。
）を導出し、図５に示す。なお、オン電流は、ドレイン電圧（Ｖｄとも表記する。）を１
Ｖとし、ゲート電圧をしきい値電圧（Ｖｔｈとも表記する。）に１．５Ｖ加えた電圧とし
たとき、またはゲート電圧が２．７Ｖのときのドレイン電流を示す。また、サブスレッシ
ョルドスイング値は、ドレイン電圧を１Ｖとしたとき、または０．１Ｖとしたときの値を
示す。

図６に、トランジスタ構造Ｃのオン電流に対する、トランジスタ構造Ａおよびトランジス
タ構造Ｂのオン電流の比を示す。Ｌが大きくなるほど、トランジスタ構造Ｃとのオン電流
の差が広がっていく。

一方、トランジスタ構造Ａにおいて、Ｌが１４０ｎｍであってもトランジスタ構造Ｃの８
０％程度のオン電流が得られることが示された。また、Ｌが１２０ｎｍであってもトラン
ジスタ構造Ｃの９０％程度のオン電流が得られることが示された。また、Ｌが１００ｎｍ
であってもトランジスタ構造Ｃの９８％程度のオン電流が得られることが示された。なお
、トランジスタ構造Ａは、Ｌが８０ｎｍ以下のとき、トランジスタ構造Ｃよりもオン電流
が高くなることが示された。したがって、オフセット領域がある程度以下の大きさであれ
ば、トランジスタ構造Ａとトランジスタ構造Ｃとはオン電流の差がほとんど見られないこ
とがわかった。具体的には、トランジスタ構造Ａにおいて、Ｌｏｆｆ１およびＬｏｆｆ２
が４０ｎｍ以下、好ましくは３０ｎｍ以下、さらに好ましくは２０ｎｍ以下であるとき、
オン電流が高く、かつ寄生容量の小さいトランジスタが実現できることがわかる。

また、トランジスタ構造Ｂにおいて、Ｌが１２０ｎｍであってもトランジスタ構造Ｃの８
０％程度のオン電流が得られることが示された。また、Ｌが１００ｎｍであってもトラン
ジスタ構造Ｃの９０％程度のオン電流が得られることが示された。また、Ｌが８０ｎｍで
あってもトランジスタ構造Ｃの９５％程度のオン電流が得られることが示された。したが
って、オフセット領域がある程度以下の大きさであれば、トランジスタ構造Ｂとトランジ
スタ構造Ｃとはオン電流の差がほとんど見られないことがわかった。具体的には、トラン
ジスタ構造Ｃにおいて、Ｌｏｆｆ１およびＬｏｆｆ２が３０ｎｍ以下、好ましくは２０ｎ
ｍ以下、さらに好ましくは１０ｎｍ以下であるとき、オン電流が高く、かつ寄生容量の小
さいトランジスタが実現できることがわかる。

トランジスタ構造Ａおよびトランジスタ構造Ｂにおいても、トランジスタ構造Ｃとほとん
ど差のないオン電流が得られた理由としては、ゲート電極（導電体１０４）によるフリン
ジ電界の寄与が示唆される。即ち、フリンジ電界によって、オフセット領域にもキャリア
が誘起され、大きな抵抗とならなかった可能性がある。

フリンジ電界の寄与があることは、トランジスタ構造Ａとトランジスタ構造Ｂとを比較す
ることで理解できる。トランジスタ構造Ａは、トランジスタ構造Ｂとは絶縁体１１２をオ
フセット領域上に有さない点が異なる。また、絶縁体１０８は、絶縁体１１２よりも高い
比誘電率を有する。そのため、フリンジ電界によるオフセット領域へのキャリアの誘起が
多くなり、よりオン電流の低下が抑制された可能性が高い。このことから、オフセット領
域を有するトランジスタのオン電流には、フリンジ電界が寄与していることがわかる。

なお、フリンジ電界の寄与は、導電体１０４が厚いほど高まる。したがって、導電体１０
４が厚いほど好ましい。例えば、導電体１０４の厚さを２０ｎｍ以上、好ましくは３０ｎ
ｍ以上、さらに好ましくは５０ｎｍ以上、より好ましくは１００ｎｍ以上とすればよい。

また、トランジスタ構造Ａにおいて、フリンジ電界の寄与は、半導体１０６ｃおよび絶縁
体１０８の比誘電率が高いほど高まる。したがって、半導体１０６ｃおよび絶縁体１０８
の比誘電率が高いほど好ましい。例えば、半導体１０６ｃの比誘電率を１０以上、好まし
くは１５以上、さらに好ましくは２０以上、より好ましくは２５以上とすればよい。また
、例えば、絶縁体１０８の比誘電率を５以上、好ましくは１０以上、さらに好ましくは１
５以上、より好ましくは２０以上とすればよい。

また、トランジスタ構造Ｂにおいて、フリンジ電界の寄与は、半導体１０６ｃ、絶縁体１
１２および絶縁体１０８の比誘電率が高いほど高まる。したがって、半導体１０６ｃ、絶
縁体１１２および絶縁体１０８の比誘電率が高いほど好ましい。例えば、絶縁体１１２の
比誘電率を３以上、好ましくは４以上、さらに好ましくは６以上、より好ましくは１０以
上とすればよい。また、例えば、半導体１０６ｃの比誘電率を１０以上、好ましくは１５
以上、さらに好ましくは２０以上、より好ましくは２５以上とすればよい。また、例えば
、絶縁体１０８の比誘電率を５以上、好ましくは１０以上、さらに好ましくは１５以上、
より好ましくは２０以上とすればよい。

なお、トランジスタ構造Ａおよびトランジスタ構造Ｂは、導電体１０４の電界によって、
半導体１０６ｂ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１０６ｂ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。

ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有することで、フリンジ電界の寄与も半導体１０６ｂの側面ま
で及ぶ。したがって、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、フリンジ電界によるオフセット領域の
低抵抗化に適した構造であることがわかる。

＜トランジスタ構造１＞
図７（Ａ）は、本発明の一態様に係るトランジスタの上面図の一例である。図７（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。

図７（Ａ）および図７（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、絶
縁体４０２上、半導体４０６ｂ上および導電体４０４上の絶縁体４０８と、を有する。な
お、ここでは、導電体４１３をトランジスタの一部としているが、これに限定されない。
例えば、導電体４１３がトランジスタとは独立した構成要素であるとしてもよい。

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、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４
０６ｃ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。

トランジスタは、導電体４２６ａおよび導電体４２６ｂなどを介して、導電体４２４ａお
よび導電体４２４ｂとそれぞれ電気的に接続していても構わない。なお、導電体４２６ａ
および導電体４２６ｂは、絶縁体４０８と、絶縁体４０８上の絶縁体４１８と、絶縁体４
１８上の絶縁体４２８と、に設けられた開口部を介して、それぞれトランジスタのソース
領域およびドレイン領域と電気的に接続する。また、導電体４２４ａおよび導電体４２４
ｂは、例えば、半導体装置の配線としての機能を有する。

なお、半導体４０６ｃは、Ｄ３−Ｄ４断面において、少なくとも半導体４０６ｂの上面お
よび側面と接する領域を有する。また、導電体４０４は、Ｄ３−Ｄ４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。

図７（Ｂ）において、トランジスタは、導電体４２６ａと接する箇所と、半導体４０６ｂ
の導電体４０４と重なる箇所との間の領域が高抵抗であっても、導電体４０４のフリンジ
電界によって該領域の抵抗が低減されるためトランジスタのオン電流の低下が起こりにく
い構造である。フリンジ電界については、図１乃至図６などの説明を参照する。

ただし、該領域が、それ以外の領域よりも抵抗が低い領域であっても構わない。該領域が
、例えば、希ガスなどの不活性な元素、酸素との結合エネルギーの高い元素、酸素との反
応性の高い元素、または酸素と反応して安定な酸化物を形成する元素を含む領域であって
も構わない。また、該領域が、例えば、ヘリウム、ホウ素、炭素、窒素、ネオン、マグネ
シウム、アルミニウム、シリコン、リン、アルゴン、カルシウム、チタン、バナジウム、
クロム、マンガン、鉄、コバルト、ゲルマニウム、クリプトン、ストロンチウム、イット
リウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、キセノン、ランタン、セリウム、ネオジム
、ハフニウム、タンタルまたはタングステンから選択された一種以上を含む領域であって
も構わない。該領域が、例えば、上述の元素を５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、好
ましくは１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、さらに好ましくは２×１０^２０ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ^３以上、より好ましくは５×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上含む領域であって
も構わない。本明細書中では、上述の元素を不純物と呼ぶこともある。

なお、以下では、半導体４０６ａ、半導体４０６ｂおよび半導体４０６ｃが酸化物半導体
である場合について説明するが、半導体４０６ａ、半導体４０６ｂおよび半導体４０６ｃ
が酸化物半導体以外の半導体であってもよい。

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、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１×１０^１８ａｔｏｍｓ／
ｃｍ^３以上、１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上または１×１０^２０ａｔｏｍｓ／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（Ｎ_Ｏ２）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。ＣＨ_３ＯＨ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。

Ｎ_Ｏ２＝Ｎ_Ｈ２／Ｓ_Ｈ２×Ｓ_Ｏ２×α

Ｎ_Ｈ２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。Ｓ_Ｈ２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／Ｓ_Ｈ２とする。Ｓ_Ｏ２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１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２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、Ｎ_Ｏ２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、５×１０^１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３
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（ＳｉＯ_Ｘ（Ｘ＞２））で
あってもよい。酸素が過剰な酸化シリコン（ＳｉＯ_Ｘ（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。

図７（Ｂ）は、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ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造である。そのため、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。

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、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。

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。

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
元素のうち一種以上、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４０６
ｂを構成する酸素以外の元素のうち一種以上、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５０
ａｔｏｍｉｃ％以上、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏ
ｍｉｃ％以上とする。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％以上、
Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが６
６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。また、半導体４０６ｃ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５０ａｔｏｍｉｃ
％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％以上、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満
、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％以上とする。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。

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。）バンド構造となる。なお、図３２（Ａ）は、半導体４０６ａ、半導体４０６ｂお
よび半導体４０６ｃが、この順番に積層した断面図である。図３２（Ｂ）は、図３２（Ａ
）の一点鎖線Ｐ１−Ｐ２に対応する伝導帯下端のエネルギー（Ｅｃ）であり、半導体４０
６ａより半導体４０６ｃの電子親和力が大きい場合を示す。また、図３２（Ｃ）は、半導
体４０６ａより半導体４０６ｃの電子親和力が小さい場合を示す。

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。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、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。

酸化物半導体において、酸素欠損はトランジスタの電気特性を劣化させる要因となる場合
がある。よって、チャネル形成領域における酸素欠損を低減することがトランジスタに安
定した電気特性を付与するためには重要となる。一方、トランジスタのソース領域および
ドレイン領域に酸化物半導体を用いる場合、酸素欠損に起因して酸化物半導体を低抵抗化
させることができる。よって、トランジスタのオン電流を大きくするために酸素欠損を有
するほうがよい場合がある。

例えば、酸化物半導体が酸素欠損（Ｖ_Ｏ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Ｖ_ＯＨと表記する場合がある。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、酸化物半導体に酸素を供給することで
、Ｖ_ＯＨを低減することができる。

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２
００ｎｍ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
、１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未
満、さらに好ましくは２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３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／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに
好ましくは２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３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４０６
ｃ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、２×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１９ａｔｏｍｓ／
ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは５
×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の水素濃度となる領域を有する。また、半導体４０６
ｂ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、５×１０
^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好
ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは５×１０^１７ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ^３以下の窒素濃度となる領域を有する。

なお、酸化物半導体に銅が混入すると、電子トラップを生成する場合がある。電子トラッ
プは、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向へ変動させる場合がある。したがって、
半導体４０６ｂの表面または内部における銅濃度は低いほど好ましい。例えば、半導体４
０６ｂは、銅濃度が１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ^３以下、または１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下となる領域を有すると好ましい。
また、半導体４０６ａの表面または内部における銅濃度は低いほど好ましい。例えば、半
導体４０６ａは、銅濃度が１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、５×１０^１８ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ^３以下、または１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下となる領域を有すると好ま
しい。また、半導体４０６ｃの表面または内部における銅濃度は低いほど好ましい。例え
ば、半導体４０６ｃは、銅濃度が１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、５×１０^１８ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、または１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下となる領域を有する
と好ましい。

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。

以下では、酸化物半導体の構造について説明する。

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
。

＜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２７（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２７（Ａ）の領域（１）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を図２７（Ｂ）に示す。
図２７（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２７（Ｂ）に示すように、ＣＡＡＣ−ＯＳは特徴的な原子配列を有する。図２７（Ｃ）
は、特徴的な原子配列を、補助線で示したものである。図２７（Ｂ）および図２７（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。また、ＣＡ
ＡＣ−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。

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２７（Ｄ）参照。）。図２７（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２７（Ｄ）に示す領域５１６１に相当する。

また、図２８（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２８（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２８（Ｂ）、図２８（Ｃ）および図
２８（Ｄ）に示す。図２８（Ｂ）、図２８（Ｃ）および図２８（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、ＩｎＧａＺｎＯ_４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２９（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
ｎＯ_４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
ＧａＺｎＯ_４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２９（Ｂ）に示すように明瞭なピークは現れない。これに対
し、ＩｎＧａＺｎＯ_４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２９（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
ｎＯ_４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３０（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、ＩｎＧａＺｎＯ_４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３０（Ｂ）に示す。図３０
（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３０（Ｂ）における第１リングは、ＩｎＧａＺｎＯ_４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３０（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、キャリア密度を８×１０^１１／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１１／
ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１０／ｃｍ^３未満であり、１×１０^−９／ｃｍ^３
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。

＜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（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、
ＩｎＧａＺｎＯ_４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、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶部と見
なすことができる。なお、格子縞は、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶のａ−ｂ面に対応する。

図３１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３１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３１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４．２×１０^８ｅ⁻／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４．２×１０^８ｅ⁻／
ｎｍ^２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
３１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ＩｎＧａＺｎＯ_４の密度は６．３５７ｇ／ｃｍ^３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／ｃｍ^３以上５．９ｇ／ｃｍ^３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／ｃｍ^３以上６．３ｇ／ｃｍ^３
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。

図７において、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 Ｉｎｓｕｌａ
ｔｏｒ）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。

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。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。

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。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。

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。

絶縁体４２８としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、ア
ルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム
、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層
で、または積層で用いればよい。絶縁体４２８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。

導電体４２６ａおよび導電体４２６ｂ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。

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。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７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８（Ａ）に示すように、導電体４０
４と導電体４１３とが導電体４０５などを介して電気的に接続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８（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。

または、図７では、トランジスタのソース領域およびドレイン領域と電気的に接続する導
電体４２６ａおよび導電体４２６ｂが、半導体４０６ｂと接する領域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９（Ａ
）に示すように、導電体４２６ａおよび導電体４２６ｂが半導体４０６ｂおよび半導体４
０６ａを貫通して、絶縁体４０２と接する領域を有していても構わない。または、図９（
Ｂ）に示すように、半導体４０６ｂを貫通して、半導体４０６ａと接する領域を有してい
ても構わない。

または、図７では、半導体４０６ｃおよび絶縁体４１２が、導電体４０４と重なる領域に
のみ配置される例を示したが、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（Ａ）に示すように、半導体４０６ｃおよび絶縁体４１２を、半
導体４０６ｂおよび半導体４０６ａを覆うように配置しても構わない。または、図１０（
Ｂ）に示すように、半導体４０６ｃを半導体４０６ｂと重なるように配置し、絶縁体４１
２を半導体４０６ｃ、半導体４０６ｂおよび半導体４０６ａを覆うように配置しても構わ
ない。

＜トランジスタ構造２＞
図１１（Ａ）は、本発明の一態様に係るトランジスタの上面図の一例である。図１１（Ａ
）の一点鎖線Ｅ１−Ｅ２および一点鎖線Ｅ３−Ｅ４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。

図１１（Ａ）および図１１（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
と接する領域を有し、半導体４０６ｂの側面と接しない導電体４１６ａおよび導電体４１
６ｂと、半導体４０６ｂ上の、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂと重ならない領域に
配置された半導体４０６ｃと、半導体４０６ｃ上の絶縁体４１２と、絶縁体４１２上の導
電体４０４と、絶縁体４０２上、半導体４０６ｂ上および導電体４０４上の絶縁体４０８
と、を有する。なお、ここでは、導電体４１３をトランジスタの一部としているが、これ
に限定されない。例えば、導電体４１３がトランジスタとは独立した構成要素であるとし
てもよい。

なお、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。

図１１に示すトランジスタは、図７などに示したトランジスタと比べて、導電体４１６ａ
および導電体４１６ｂを有する点が異なるが、そのほかの構成については類似している。
したがって、図１１に示すトランジスタの詳細は、図７などに示したトランジスタについ
ての記載を参酌することができる。

図１１に示すトランジスタは、図７などに示したトランジスタと比べて、導電体４１６ａ
および導電体４１６ｂを有する分だけ、オン電流の大きいトランジスタを実現することが
できる場合がある。

＜トランジスタ構造３＞
図１２（Ａ）は、本発明の一態様に係るトランジスタの上面図の一例である。図１２（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１２（Ｂ
）に示す。なお、図１２（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１２（Ａ）および図１２（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
および側面と接する領域を有する導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂと、半導体４０６
ｂ上の、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂと重ならない領域に配置された半導体４０
６ｃと、半導体４０６ｃ上の絶縁体４１２と、絶縁体４１２上の導電体４０４と、絶縁体
４０２上、半導体４０６ｂ上および導電体４０４上の絶縁体４０８と、を有する。なお、
ここでは、導電体４１３をトランジスタの一部としているが、これに限定されない。例え
ば、導電体４１３がトランジスタとは独立した構成要素であるとしてもよい。

図１２に示すトランジスタは、図１１に示したトランジスタと比べて、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する点が異なるが、そのほ
かの構成については類似している。したがって、図１２に示すトランジスタの詳細は、図
１１などに示したトランジスタについての記載を参酌することができる。

図１２に示すトランジスタは、図１１などに示したトランジスタと比べて、導電体４１６
ａおよび導電体４１６ｂが半導体４０６ｂの側面に接する領域を有する分だけ、オン電流
の大きいトランジスタを実現することができる場合がある。

なお、図１２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１３（Ａ）に示すように、導電体
４０４と導電体４１３とが接する領域を有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１３（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。

または、図１２では、半導体４０６ｃおよび絶縁体４１２が、導電体４０４と重なる領域
にのみ配置される例を示したが、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１４（Ａ）に示すように、半導体４０６ｃを、半導体４０６ｂおよ
び半導体４０６ａを覆うように配置しても構わない。または、図１４（Ｂ）に示すように
、半導体４０６ｃを、半導体４０６ｂおよび半導体４０６ａを覆うように配置し、絶縁体
４１２を導電体４１６ａ、導電体４１６ｂ、半導体４０６ｃ、半導体４０６ｂおよび半導
体４０６ａを覆うように配置しても構わない。

＜トランジスタ構造４＞
図１５（Ａ）は、本発明の一態様に係るトランジスタの上面図の一例である。図１５（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１５（Ｂ
）に示す。なお、図１５（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１５（Ａ）および図１５（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
および側面と接する領域を有する導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂと、半導体４０６
ｂ上の、導電体４１６ａと重ならず、導電体４１６ｂと重なる領域に配置された半導体４
０６ｃと、半導体４０６ｃ上の絶縁体４１２と、絶縁体４１２上の導電体４０４と、絶縁
体４０２上、半導体４０６ｂ上および導電体４０４上の絶縁体４０８と、を有する。なお
、図１５に示すトランジスタは、導電体４０４が導電体４１６ｂと重なる領域を有する。
なお、ここでは、導電体４１３をトランジスタの一部としているが、これに限定されない
。例えば、導電体４１３がトランジスタとは独立した構成要素であるとしてもよい。

図１５に示すトランジスタは、図１２に示したトランジスタと比べて、導電体４０４が導
電体４１６ｂと重なる領域を有する点が異なるが、そのほかの構成については類似してい
る。したがって、図１５に示すトランジスタの詳細は、図１２などに示したトランジスタ
についての記載を参酌することができる。

なお、図１５（Ｂ）に示すように、トランジスタにおいてゲート電極としての機能を有す
る導電体４０４と、チャネル形成領域としての機能を有する半導体４０６ｂとが互いに重
なる領域をＬｏｖ領域と呼ぶ。

Ｌｏｖ領域が大きすぎると、寄生容量が増大するため、トランジスタのスイッチング特性
を低下させる場合がある。したがって、図１５（Ｂ）に示すＬｏｖ領域の大きさは、チャ
ネル形成領域の大きさの１００％未満、好ましくは８０％未満、さらに好ましくは５０％
未満とする。例えば、Ｌｏｖ領域の大きさは、５０ｎｍ未満、好ましくは２０ｎｍ未満、
さらに好ましくは１０ｎｍ未満とする。

図１５に示すトランジスタは、図１２などに示したトランジスタと比べて、導電体４０４
が導電体４１６ｂと重なる領域を有する分だけ、オン電流の大きいトランジスタを実現す
ることができる場合がある。

以上に示したトランジスタの構造は一例であり、これらを組み合わせたものも本発明の一
態様の範疇に含まれる。

＜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１６（Ａ）に本発明の一態様の半導体装置の断面図を示す。図１６（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１６（Ａ）では、第２の半導体を用いた
トランジスタ２１００として、図１１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の半導体として高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎ 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、オフ電流の小さいトランジスタ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１６（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１６（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２２０
４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の半導体に半導体基板２２１１に含まれる単
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１６（Ｂ）に示す。半導体基板２２１１の
上に、絶縁体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１７（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ＣＭＯ
Ｓインバータの構成を示している。

また図１７（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１８
に示す。

図１８（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３３
００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１８（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１８（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Ｖ_ｔｈ＿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Ｖ_ｔｈ＿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Ｖ_ｔｈ＿ＨとＶ_ｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ_０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Ｖ_０（＞
Ｖ_ｔｈ＿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Ｖ_０（＜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、Ｖ_ｔｈ＿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、Ｖ_ｔｈ＿Ｌより高い電位を第５の配線３００５に与えればよい。

図１８（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１８（Ａ）に
示した半導体装置と異なる。この場合も図１８（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１８（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１９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１９を用いて説明する。図１９は、ＲＦタグの構成例を示すブ
ロック図である。

図１９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８
０４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８
０７、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８
０５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８０
９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２０を用いて説明する。Ｒ
Ｆ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２０（Ａ）参照。）、包装用容器類（包装紙やボトル等、
図２０（Ｃ）参照。）、記録媒体（ＤＶＤやビデオテープ等、図２０（Ｂ）参照。）、乗
り物類（自転車等、図２０（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２０（Ｅ）および図２０（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２１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２１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（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２１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２１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２１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２１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１１
９６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２２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２２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２２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２２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１
２００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２２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小さい。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１２
００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２３（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２３（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２３（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２３（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 Ｐｒｉｎｔｅ
ｄ 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Ｉ
Ｃ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２３（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５０
１３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５０
１７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２３（Ｂ）に示す画素回路に限定されない。
例えば、図２３（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２３（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２３（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２３（Ｃ）に示す画素構成に限定されない。
例えば、図２３（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２３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）、Ｌ
ＥＤ（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）、ＭＥ
ＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）を用いた表示素子、デジタルマイ
クロミラーデバイス（ＤＭＤ）、ＤＭＳ（デジタル・マイクロ・シャッター）、ＩＭＯＤ
（インターフェアレンス・モジュレーション）素子、シャッター方式のＭＥＭＳ表示素子
、光干渉方式のＭＥＭＳ表示素子、エレクトロウェッティング素子、圧電セラミックディ
スプレイ、カーボンナノチューブを用いた表示素子などの少なくとも一つを有している。
これらの他にも、電気的または磁気的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率
などが変化する表示媒体を有していてもよい。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 Ｄｉｓ
ｐｌａｙ）などがある。液晶素子を用いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ（
透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型
液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ）などがある。電子インク、または電気泳動
素子を用いた表示装置の一例としては、電子ペーパーなどがある。なお、半透過型液晶デ
ィスプレイや反射型液晶ディスプレイを実現する場合には、画素電極の一部または全部が
、反射電極としての機能を有するようにすればよい。例えば、画素電極の一部または全部
が、アルミニウム、銀などを有するようにすればよい。さらに、その場合、反射電極の下
に、ＳＲＡＭなどの記憶回路を設けることも可能である。これにより、消費電力をさらに
低減することができる。

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２４
を用いて説明を行う。

図２４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８０１
０、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８
０１１、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８０
０６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
光センサーを設け、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８００
６の各画素内にタッチセンサー用電極を設け、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２５に示
す。

図２５（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２５（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２５（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２５（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２５（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２５（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２５（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。

＜表示領域または発光領域に曲面を有する電子機器＞
以下では、本発明の一態様に係る電子機器の一例である表示領域または発光領域に曲面を
有する電子機器について、図２６を参照しながら説明する。なお、ここでは、電子機器の
一例として、情報機器、特に携帯性を有する情報機器（携帯機器）について説明する。携
帯性を有する情報機器としては、例えば、携帯電話機（ファブレット、スマートフォン（
スマホ））、タブレット端末（スレートＰＣ）なども含まれる。

図２６（Ａ−１）は、携帯機器１３００Ａの外形を説明する斜視図である。図２６（Ａ−
２）は、携帯機器１３００Ａの上面図である。図２６（Ａ−３）は、携帯機器１３００Ａ
の使用状態を説明する図である。

図２６（Ｂ−１）および図２６（Ｂ−２）は、携帯機器１３００Ｂの外形を説明する斜視
図である。

図２６（Ｃ−１）および図２６（Ｃ−２）は、携帯機器１３００Ｃの外形を説明する斜視
図である。

＜携帯機器＞
携帯機器１３００Ａは、例えば電話、電子メール作成閲覧、手帳または情報閲覧などの機
能から選ばれた一つまたは複数の機能を有する。

携帯機器１３００Ａは、筐体の複数の面に沿って表示部が設けられている。例えば、可と
う性を有する表示装置を、筐体の内側に沿うように配置することで表示部を設ければよい
。これにより、文字情報や画像情報などを第１の領域１３１１または／および第２の領域
１３１２に表示することができる。

例えば、３つの操作の用に供する画像を第１の領域１３１１に表示することができる（図
２６（Ａ−１）参照。）。また、図中に破線の矩形で示すように文字情報などを第２の領
域１３１２に表示することができる（図２６（Ａ−２）参照。）。

携帯機器１３００Ａの上部に第２の領域１３１２を配置した場合、携帯機器１３００Ａを
洋服の胸ポケットに収納したままの状態で、携帯機器１３００Ａの第２の領域１３１２に
表示された文字や画像情報を、使用者は容易に確認することができる（図２６（Ａ−３）
参照。）。例えば、着信した電話の発信者の電話番号または氏名などを、携帯機器１３０
０Ａの上方から観察できる。

なお、携帯機器１３００Ａは、表示装置と筐体との間、表示装置内または筐体上に入力装
置などを有してもよい。入力装置は、例えば、タッチセンサー、光センサー、超音波セン
サーなどを用いればよい。入力装置を表示装置と筐体との間または筐体上に配置する場合
、マトリクススイッチ方式、抵抗膜方式、超音波表面弾性波方式、赤外線方式、電磁誘導
方式、静電容量方式などのタッチパネルを用いればよい。また、入力装置を表示装置内に
配置する場合、インセルタイプのセンサー、またはオンセルタイプのセンサーなどを用い
ればよい。

なお、携帯機器１３００Ａは、振動センサーなどと、当該振動センサーなどに検知された
振動に基づいて、着信を拒否するモードに移行するプログラムを記憶した記憶装置を備え
ることができる。これにより、使用者は携帯機器１３００Ａを洋服の上から軽く叩いて振
動を与えることにより着信を拒否するモードに移行させることができる。

携帯機器１３００Ｂは、第１の領域１３１１および第２の領域１３１２を有する表示部と
、表示部を支持する筐体１３１０を有する。

筐体１３１０は複数の屈曲部を備え、筐体１３１０が備える最も長い屈曲部が、第１の領
域１３１１と第２の領域１３１２に挟まれる。

携帯機器１３００Ｂは、最も長い屈曲部に沿って設けられた第２の領域１３１２を側面に
向けて使用することができる。

携帯機器１３００Ｃは、第１の領域１３１１および第２の領域１３１２を有する表示部と
、表示部を支持する筐体１３１０を有する。

筐体１３１０は複数の屈曲部を備え、筐体１３１０が備える二番目に長い屈曲部が、第１
の領域１３１１と第２の領域１３１２に挟まれる。

携帯機器１３００Ｃは、第２の領域１３１２を上部に向けて使用することができる。

１０２ 絶縁体
１０４ 導電体
１０６ａ 半導体
１０６ｂ 半導体
１０６ｃ 半導体
１０８ 絶縁体
１１２ 絶縁体
１１６ａ 導電体
１１６ｂ 導電体
１２４ａ 領域
１２４ｂ 領域
４００ 基板
４０２ 絶縁体
４０４ 導電体
４０５ 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
４２４ａ 導電体
４２４ｂ 導電体
４２６ａ 導電体
４２６ｂ 導電体
４２８ 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
１３００Ａ 携帯機器
１３００Ｂ 携帯機器
１３００Ｃ 携帯機器
１３１０ 筐体
１３１１ 領域
１３１２ 領域
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 絶縁体
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
５１００ ペレット
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 (2)

1. トランジスタを有する半導体装置であって、
   第１のゲート電極と、
   前記第１のゲート電極上の第１の絶縁体と、
   前記第１の絶縁体を介して前記第１のゲート電極上に位置する酸化物半導体と、
   第２の絶縁体を介して前記酸化物半導体上に位置する第２のゲート電極と、
   前記第２のゲート電極上の第３の絶縁体と、
   前記酸化物半導体上に位置し、前記酸化物半導体と電気的に接続された第１の導電体と、を有し、
   前記トランジスタのチャネル長方向に平行な断面視において、前記酸化物半導体は、前記第２の絶縁体と接する第１の領域と、前記第１の導電体と接する第２の領域と、前記第１の領域と前記第２の領域の間に位置し、且つ前記第３の絶縁体と接する第３の領域と、を有し、
   前記第３の領域における前記酸化物半導体の膜厚は、前記第１の領域における前記酸化物半導体の膜厚より小さく、
   前記第２の領域における前記酸化物半導体の膜厚は、前記第３の領域における前記酸化物半導体の膜厚より小さく、
   前記第３の領域における前記酸化物半導体の膜厚と、前記第２の領域における前記酸化物半導体の膜厚との差は、前記第３の領域における前記酸化物半導体の膜厚と、前記第１の領域における前記酸化物半導体の膜厚との差よりも大きく、
   前記第２のゲート電極と、前記第１の導電体とは、互いに重なる領域を有さない半導体装置。
2. 請求項１において、
   前記第１の絶縁体は、前記酸化物半導体と接する第４の領域と、前記第３の絶縁体と接する第５の領域とを有し、
   前記第４の領域における前記第１の絶縁体の膜厚は、前記第５の領域における前記第１の絶縁体の膜厚より大きい半導体装置。

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