JP6633316B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば、半導体、トランジスタおよび半導体装置に関する。または、本発明は、例えば、半導体、トランジスタおよび半導体装置の製造方法に関する。または、本発明は、例えば、半導体、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、半導体、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。
近年では、酸化物半導体（代表的にはＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物）を用いたトランジスタの開発が活発化している。酸化物半導体を用いたトランジスタは、非晶質シリコンを用いたトランジスタ、および多結晶シリコンを用いたトランジスタとは異なる特徴を有する。例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタを適用した表示装置は、消費電力が低いことが知られている。
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。
酸化物半導体の歴史は古く、１９８５年には、結晶Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の合成が報告されている（非特許文献１参照。）。また、１９９５年には、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物がホモロガス構造をとり、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍは自然数。）という組成式で記述されることが報告されている（非特許文献２参照。）。
また、１９９５年には、酸化物半導体を用いたトランジスタが発明されており、その電気特性が開示されている（特許文献１参照。）。
また、２０１４年には、結晶性酸化物半導体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３および非特許文献４参照。）。ここでは、量産化が可能であり、かつ優れた電気特性および信頼性を有するＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ−Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を用いたトランジスタが報告されている。
特表平１１−５０５３７７
Ｎ． Ｋｉｍｉｚｕｋａ， ａｎｄ Ｔ． Ｍｏｈｒｉ： Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， １９８５， ｖｏｌｕｍｅ ６０， ｐ．３８２−ｐ．３８４ Ｎ． Ｋｉｍｉｚｕｋａ， Ｍ． Ｉｓｏｂｅ， ａｎｄ Ｍ． Ｎａｋａｍｕｒａ： Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， １９９５， ｖｏｌｕｍｅ １１６， ｐ．１７０−ｐ．１７８ Ｓ． Ｙａｍａｚａｋｉ， Ｔ． Ｈｉｒｏｈａｓｈｉ， Ｍ． Ｔａｋａｈａｓｈｉ， Ｓ． Ａｄａｃｈｉ， Ｍ． Ｔｓｕｂｕｋｕ， Ｊ． Ｋｏｅｚｕｋａ， Ｋ． Ｏｋａｚａｋｉ， Ｙ． Ｋａｎｚａｋｉ， Ｈ． Ｍａｔｓｕｋｉｚｏｎｏ， Ｓ． Ｋａｎｅｋｏ， Ｓ． Ｍｏｒｉ， ａｎｄ Ｔ． Ｍａｔｓｕｏ： Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ， ２０１４， Ｖｏｌｕｍｅ ２２， ｉｓｓｕｅ １， ｐ．５５−ｐ．６７ Ｓ． Ｙａｍａｚａｋｉ， Ｔ． Ａｔｓｕｍｉ， Ｋ． Ｄａｉｒｉｋｉ， Ｋ． Ｏｋａｚａｋｉ， ａｎｄ Ｎ． Ｋｉｍｉｚｕｋａ： ＥＣＳ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２０１４， ｖｏｌｕｍｅ ３， Ｉｓｓｕｅ ９， ｐ．Ｑ３０１２−ｐ．Ｑ３０２２
誘電異方性を有する半導体にチャネルの形成され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、サブスレッショルドスイング値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、短チャネル効果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、ノーマリーオフの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、非導通時のリーク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、電気特性の優れたトランジスタを提供することを課題の一とする。または、信頼性の高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、高い周波数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、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、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、絶縁体と、半導体と、導電体と、を有し、半導体は、絶縁体を介して、半導体と導電体とが互いに重なる領域を有し、領域は、領域の上面に垂直な方向において、上面に平行な方向よりも高い誘電率を有する半導体装置である。
（２）
または、本発明の一態様は、（１）において、領域は結晶部を有し、結晶部の一の結晶軸が配向性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、上面に平行な方向が、チャネル幅方向である半導体装置である。
（４）
または、本発明の一態様は、絶縁体と、半導体と、導電体と、を有し、半導体は、絶縁体を介して、半導体と導電体とが互いに重なる領域を有し、半導体は、結晶構造を有する領域を有し、結晶構造は、第１の結晶軸と、第２の結晶軸と、を有し、結晶構造は、第１の結晶軸の方向における誘電率が、第２の結晶軸の方向における誘電率よりも高い半導体装置である。
（５）
または、本発明の一態様は、（４）において、第１の結晶軸は、半導体の上面の法線ベクトルと平行な方向に配向してい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、半導体は、インジウム、亜鉛および元素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）から選ばれた一種以上を有する酸化物を有する半導体装置である。
誘電異方性を有する半導体にチャネルの形成されるトランジスタを提供することができる。または、サブスレッショルドスイング値の小さいトランジスタを提供することができる。または、短チャネル効果の小さいトランジスタを提供することができる。または、ノーマリーオフの電気特性を有するトランジスタを提供することができる。または、非導通時のリーク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、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、信頼性の高いトランジスタを提供することができる。または、高い周波数特性を有するトランジスタを提供することができる。
または、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、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示す上面図、断面図および斜視図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す断面図およびバンド構造を示す図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す断面図。 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。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す回路図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置を示す回路図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す上面図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示すブロック図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す斜視図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示すブロック図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す回路図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す回路図、上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す回路図および断面図。 本発明の一態様に係る電子機器を示す図。 計算に用いた酸化亜鉛の構造、およびＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の構造を示す図。 計算に用いた酸化亜鉛の構造、およびＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の構造を示す図。 計算に用いたトランジスタの構造を示す断面図。 トランジスタの電気特性を示す図。 トランジスタの電気特性を示す図。 トランジスタの電気特性を示す図。
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、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 Ｃｈａｎｎｅｌ Ｗｉｄｔｈ）」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを取得して、その画像を解析することなどによって、値を決定することができる。
なお、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求める場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。
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＞
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、以下では、酸化物半導体を用いたｎチャネル型トランジスタを想定して説明する。ただし、ｐチャネル型トランジスタに適用するために、適宜用語などを読み替えても構わない。
＜トランジスタ構造＞
図１（Ａ）および図１（Ｂ）は、本発明の一態様のトランジスタの上面図および断面図である。図１（Ａ）は上面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２、および一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図１（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すトランジスタは、基板４００上の導電体４１３と、基板４００上および導電体４１３上の凸部を有する絶縁体４０２と、絶縁体４０２の凸部上の半導体４０６と、半導体４０６の上面および側面と接し、間隔を開けて配置された導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂと、半導体４０６上、導電体４１６ａ上および導電体４１６ｂ上の絶縁体４１２と、絶縁体４１２上の導電体４０４と、導電体４１６ａ上、導電体４１６ｂ上および導電体４０４上の絶縁体４０８と、絶縁体４０８上の絶縁体４１８と、を有する。なお、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４０４は、Ａ３−Ａ４断面において、絶縁体４１２を介して半導体４０６の上面および側面と面する領域を有する。また、導電体４１３は、絶縁体４０２を介して半導体４０６の下面と面する領域を有する。また、絶縁体４０２が凸部を有さなくても構わない。また、導電体４１３を有さなくても構わない。また、絶縁体４０８を有さなくても構わない。また、絶縁体４１８を有さなくても構わない。
なお、半導体４０６は、トランジスタのチャネル形成領域としての機能を有する。また、導電体４０４は、トランジスタの第１のゲート電極（フロントゲート電極ともいう。）としての機能を有する。また、導電体４１３は、トランジスタの第２のゲート電極（バックゲート電極ともいう。）としての機能を有する。また、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂは、トランジスタのソース電極およびドレイン電極としての機能を有する。また、絶縁体４０８は、バリア層としての機能を有する。絶縁体４０８は、例えば、酸素または／および水素をブロックする機能を有する。または、絶縁体４０８は、例えば、絶縁体４０２、絶縁体４１２または絶縁体４１８のいずれかよりも、酸素または／および水素をブロックする能力が高い。
図１（Ｂ）に示すように、半導体４０６の側面は、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂと接する。また、導電体４０４の電界によって、半導体４０６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４０６の全体（上面、下面および側面）にチャネルが形成される。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。
なお、トランジスタがｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有する場合、半導体４０６の側面にもチャネルが形成される。したがって、半導体４０６が厚いほどチャネル領域は大きくなる。即ち、半導体４０６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。また、半導体４０６が厚いほど、キャリアの制御性の高い領域の割合が増えるため、サブスレッショルドスイング値を小さくすることができる。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、より好ましくは１００ｎｍ以上の厚さの領域を有する半導体４０６とすればよい。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、例えば、３００ｎｍ以下、好ましくは２００ｎｍ以下、さらに好ましくは１５０ｎｍ以下の厚さの領域を有する半導体４０６とすればよい。なお、チャネル形成領域が縮小していくと、半導体４０６が薄いほうがトランジスタの電気特性が向上する場合もある。よって、半導体４０６の厚さが１０ｎｍ未満であってもよい。
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。
ここで、半導体４０６は、誘電異方性を有する半導体である。図１（Ｃ）に示すように、半導体４０６を直方体と仮定すると、半導体４０６は、例えば、それぞれ直交する第１の方向における誘電率、第２の方向における誘電率および第３の方向における誘電率を有する。なお、第１の方向における誘電率は、半導体４０６の上面または下面と平行な方向における誘電率である。また、第２の方向における誘電率は、半導体４０６の上面または下面と平行な方向における誘電率である。また、第３の方向における誘電率は、半導体４０６の上面または下面と垂直な方向における誘電率である。なお、第１の方向における誘電率はチャネル長方向における誘電率であり、第２の方向における誘電率はチャネル幅方向における誘電率であり、第３の方向の誘電率は厚さ方向における誘電率である。
例えば、半導体４０６は、第１の方向における誘電率と、第２の方向における誘電率と、第３の方向における誘電率と、が異なる。または、半導体４０６は、第１の方向における誘電率と、第２の方向における誘電率と、が異なる。または、半導体４０６は、第２の方向における誘電率と、第３の方向における誘電率と、が異なる。または、半導体４０６は、第１の方向における誘電率と、第３の方向における誘電率と、が異なる。
なお、半導体４０６は、第１の方向または／および第２の方向における誘電率が、第３の方向における誘電率よりも低いことが好ましい。以下に、その理由を説明する。
図１に示すトランジスタは、半導体４０６の上面に垂直な方向、即ち第３の方向における誘電率が高いため、主として半導体４０６の上面に形成されるチャネルは深く（厚く）なる。チャネルが深くなると、半導体４０６の深さ方向全体におけるキャリアの制御性が高まるため、サブスレッショルドスイング値を小さくすることができる。また、これによって、半導体４０６を厚くすることができる。半導体４０６を厚くすることで、半導体４０６の側面に形成されるチャネルを大きくすることができる。即ち、実効的なチャネル幅を大きくすることができるため、トランジスタのオン電流を大きくすることができる。
したがって、チャネル形成領域が誘電異方性を有することによって、電気特性を良好にすることができる。
また、別の観点からも、半導体４０６は、第１の方向または／および第２の方向における誘電率が、第３の方向における誘電率よりも低いことが好ましい。
例えば、ドレイン電圧を高くすると、空乏層が広がることによりピンチオフ点がソース側にずれ、実効上のチャネル長が小さくなる。これは、チャネル長変調効果と呼ばれる。チャネル長変調効果は、微細なトランジスタほど影響が大きくなる。
また、トランジスタを微細化し、チャネル長が小さくなっていくと、しきい値電圧の低下などの電気特性の悪化が起こる。これは、短チャネル効果と呼ばれる。例えば、ドレイン電圧を高くすると、チャネル形成領域のポテンシャルが低下することでしきい値電圧の低下が起こる。これは、ＤＩＢＬ（Ｄｒａｉｎ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｌｏｗｅｒｉｎｇ）と呼ばれる。また、上述したように、ドレイン電圧を高くしていくとチャネル長変調効果が起こり、実効上のチャネル長が小さくなる。微細なトランジスタでは、ドレインからの電界によって生じる空乏層がソースまで達することでゲートからの電界を要しなくてもソース−ドレイン間に電流（ドレイン電流ともいう。）が流れてしまう。これは、パンチスルー現象と呼ばれる。
このように、ドレイン電圧が高くなることで、トランジスタの電気特性を悪化させる場合がある。こういったドレイン電圧の影響を低減するためには、第１の方向または／および第２の方向における誘電率の低い半導体４０６を用いることが好ましい。
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層は、加熱処理などによって酸素を放出することができる酸化シリコン層である。したがって、絶縁体４０２は膜中を酸素が移動可能な絶縁体である。即ち、絶縁体４０２は酸素透過性を有する絶縁体とすればよい。例えば、絶縁体４０２は、半導体４０６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４０６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４０６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４０６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７００℃以下または１００℃以上５００℃以下の表面温度の範囲で１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上または１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の酸素（酸素原子数換算）を放出することもある。
ここで、ＴＤＳ分析を用いた酸素の放出量の測定方法について、以下に説明する。
測定試料をＴＤＳ分析したときの気体の全放出量は、放出ガスのイオン強度の積分値に比例する。そして標準試料との比較により、気体の全放出量を計算することができる。
例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコン基板のＴＤＳ分析結果、および測定試料のＴＤＳ分析結果から、測定試料の酸素分子の放出量（ＮＯ２）は、下に示す式で求めることができる。ここで、ＴＤＳ分析で得られる質量電荷比３２で検出されるガスの全てが酸素分子由来と仮定する。ＣＨ３ＯＨの質量電荷比は３２であるが、存在する可能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体である質量数１７の酸素原子および質量数１８の酸素原子を含む酸素分子についても、自然界における存在比率が極微量であるため考慮しない。
ＮＯ２＝ＮＨ２／ＳＨ２×ＳＯ２×α
ＮＨ２は、標準試料から脱離した水素分子を密度で換算した値である。ＳＨ２は、標準試料をＴＤＳ分析したときのイオン強度の積分値である。ここで、標準試料の基準値を、ＮＨ２／ＳＨ２とする。ＳＯ２は、測定試料をＴＤＳ分析したときのイオン強度の積分値である。αは、ＴＤＳ分析におけるイオン強度に影響する係数である。上に示す式の詳細に関しては、特開平６−２７５６９７公報を参照する。なお、上記酸素の放出量は、電子科学株式会社製の昇温脱離分析装置ＥＭＤ−ＷＡ１０００Ｓ／Ｗを用い、標準試料として、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、ＥＳＲにて、ｇ値が２．０１近傍に非対称の信号を有することもある。
または、過剰酸素を含む絶縁体は、酸素が過剰な酸化シリコン（ＳｉＯＸ（Ｘ＞２））であってもよい。酸素が過剰な酸化シリコン（ＳｉＯＸ（Ｘ＞２））は、シリコン原子数の２倍より多い酸素原子を単位体積当たりに含むものである。単位体積当たりのシリコン原子数および酸素原子数は、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により測定した値である。
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。
半導体４０６の上下に半導体を配置することで、トランジスタの電気特性を向上させることができる場合がある。以下では、半導体４０６、およびその上下に配置する半導体について、図２を用いて詳細に説明する。
図２（Ａ）は、図１（Ｂ）に示したトランジスタの、チャネル長方向における半導体４０６近傍を拡大した断面図である。また、図２（Ｂ）は、図１（Ｂ）に示したトランジスタの、チャネル幅方向における半導体４０６近傍を拡大した断面図である。
図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すトランジスタの構造では、絶縁体４０２と半導体４０６との間に、半導体４０６ａが配置される。また、導電体４１６ａ、導電体４１６ｂおよび絶縁体４１２と、半導体４０６と、の間に半導体４０６ｃが配置される。
または、トランジスタが図２（Ｃ）および図２（Ｄ）に示す構造を有しても構わない。
図２（Ｃ）は、図１（Ｂ）に示したトランジスタの、チャネル長方向における半導体４０６近傍を拡大した断面図である。また、図２（Ｄ）は、図１（Ｂ）に示したトランジスタの、チャネル幅方向における半導体４０６近傍を拡大した断面図である。
図２（Ｃ）および図２（Ｄ）に示すトランジスタの構造では、絶縁体４０２と半導体４０６との間に、半導体４０６ａが配置される。また、導電体４１６ａ、導電体４１６ｂ、半導体４０６、半導体４０６ａおよび絶縁体４０２と、絶縁体４１２と、の間に半導体４０６ｃが配置される。
半導体４０６は、例えば、インジウムを含む酸化物半導体である。半導体４０６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４０６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、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４０６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４０６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４０６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４０６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のエネルギーギャップは、例えば、２．５ｅＶ以上４．２ｅＶ以下、好ましくは２．８ｅＶ以上３．８ｅＶ以下、さらに好ましくは３ｅＶ以上３．５ｅＶ以下とする。
例えば、半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃは、半導体４０６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４０６を構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃが構成されるため、半導体４０６ａと半導体４０６との界面、および半導体４０６と半導体４０６ｃとの界面において、欠陥準位が形成されにくい。
半導体４０６ａ、半導体４０６および半導体４０６ｃは、少なくともインジウムを含むと好ましい。なお、半導体４０６ａがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％より高く、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％より高いとする。また、半導体４０６がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。また、半導体４０６ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％より高く、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％より高くする。なお、半導体４０６ｃは、半導体４０６ａと同種の酸化物を用いても構わない。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。なお、半導体４０６ａ、半導体４０６および半導体４０６ｃに含まれる各元素の原子数が、簡単な整数比にならなくても構わない。
半導体４０６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４０６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４０６、半導体４０６ｃのうち、電子親和力の大きい半導体４０６にチャネルが形成される。
ここで、半導体４０６ａと半導体４０６との間には、半導体４０６ａと半導体４０６との混合領域を有する場合がある。また、半導体４０６と半導体４０６ｃとの間には、半導体４０６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、欠陥準位密度が低くなる。そのため、半導体４０６ａ、半導体４０６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（図２（Ｅ）参照。）。なお、半導体４０６ａ、半導体４０６および半導体４０６ｃは、それぞれの界面を明確に判別できない場合がある。
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４０６中を主として移動する。上述したように、半導体４０６ａと半導体４０６との界面における欠陥準位密度、および半導体４０６と半導体４０６ｃとの界面における欠陥準位密度を低くすることによって、半導体４０６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４０６の上面または下面（被形成面、ここでは半導体４０６ａ）の、１μｍ×１μｍの範囲における二乗平均平方根（ＲＭＳ：Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）粗さが１ｎｍ未満、好ましくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における平均面粗さ（Ｒａともいう。）が１ｎｍ未満、好ましくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における最大高低差（Ｐ−Ｖともいう。）が１０ｎｍ未満、好ましくは９ｎｍ未満、さらに好ましくは８ｎｍ未満、より好ましくは７ｎｍ未満とすればよい。ＲＭＳ粗さ、ＲａおよびＰ−Ｖは、エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製走査型プローブ顕微鏡システムＳＰＡ−５００などを用いて測定することができる。
または、例えば、チャネルの形成される領域中の欠陥準位密度が高い場合にも、電子の移動は阻害される。
例えば、半導体４０６が酸素欠損（ＶＯとも表記。）を有する場合、酸素欠損のサイトに水素が入り込むことでドナー準位を形成することがある。以下では酸素欠損のサイトに水素が入り込んだ状態をＶＯＨと表記する場合がある。ＶＯＨは電子を散乱するため、トランジスタのオン電流を低下させる要因となる。なお、酸素欠損のサイトは、水素が入るよりも酸素が入る方が安定する。したがって、半導体４０６中の酸素欠損を低減することで、トランジスタのオン電流を高くすることができる場合がある。
また、チャネルの形成される領域中の欠陥準位密度が高いと、トランジスタの電気特性を変動させる場合がある。例えば、欠陥準位がキャリア発生源となる場合、トランジスタのしきい値電圧を変動させる場合がある。
半導体４０６の酸素欠損を低減するために、例えば、絶縁体４０２に含まれる過剰酸素を、半導体４０６ａを介して半導体４０６まで移動させる方法などがある。この場合、半導体４０６ａは、酸素透過性を有する層（酸素を通過または透過させる層）であることが好ましい。
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４０６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４０６までの距離を離すことができる。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、例えば、２００ｎｍ以下、好ましくは１２０ｎｍ以下、さらに好ましくは８０ｎｍ以下の厚さの領域を有する半導体４０６ａとすればよい。なお、半導体４０６ｃの誘電率は高いほうが好ましい。半導体４０６ｃの誘電率が高いことで、導電体４０４から半導体４０６に印加される電界の強度をより高くすることができる。また、半導体４０６ｃが誘電異方性を有することが好ましい。例えば、半導体４０６ｃの被形成面の法線方向における誘電率が、被形成面の法線方向に垂直な方向における誘電率よりも高いことが好ましい。半導体４０６ｃの被形成面の法線方向は、半導体４０６と導電体４０４とが向かいあう方向である。よって、この方向における誘電率が高い場合、導電体４０４から半導体４０６に印加される電界の強度をより高くすることができる。即ち、トランジスタの電気特性を向上させることができる。
例えば、半導体４０６と半導体４０６ａとの間に、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）において、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のシリコン濃度となる領域を有する。また、半導体４０６と半導体４０６ｃとの間に、ＳＩＭＳにおいて、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のシリコン濃度となる領域を有する。
また、半導体４０６は、ＳＩＭＳにおいて、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の水素濃度となる領域を有する。また、半導体４０６の水素濃度を低減するために、半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃの水素濃度を低減すると好ましい。半導体４０６ａおよび半導体４０６ｃは、ＳＩＭＳにおいて、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の水素濃度となる領域を有する。また、半導体４０６は、ＳＩＭＳにおいて、１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の窒素濃度となる領域を有する。また、半導体４０６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、１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上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４０６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４０６および半導体４０６ｃとして例示した半導体のいずれか一以上を有するｎ層構造（ｎは５以上の整数）としても構わない。
基板４００としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムなどの化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
また、基板４００として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可とう性基板である基板４００に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。なお、基板４００として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。また、基板４００が伸縮性を有してもよい。また、基板４００は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板４００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１×１０−５／Ｋ以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可とう性基板である基板４００として好適である。
導電体４１３としては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。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。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４０６が酸化物半導体である場合、絶縁体４０２は、半導体４０６に酸素を供給する役割を担うことができる。
導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂとしては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。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。
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。例えば、絶縁体４１８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。
なお、図１では、トランジスタの第１のゲート電極である導電体４０４と第２のゲート電極である導電体４１３とが、電気的に接続しない例を示したが、本発明の一態様に係るトランジスタの構造はこれに限定されない。例えば、図３（Ａ）に示すように、導電体４０４と導電体４１３とが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３（Ｂ）に示すように、導電体４１３を有さない構造であっても構わない。
また、図４（Ａ）は、トランジスタの上面図の一例である。図４（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４（Ｂ）に示す。なお、図４（Ａ）では、理解を容易にするため、絶縁体などの一部を省略して示す。
また、図１などではソース電極およびドレイン電極として機能する導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂが半導体４０６の上面および側面、絶縁体４０２の上面などと接する例を示したが、本発明の一態様に係るトランジスタの構造はこれに限定されない。例えば、図４に示すように、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂが半導体４０６の上面のみと接する構造であっても構わない。
また、図４（Ｂ）に示すように、絶縁体４１８上に絶縁体４２８を有してもよい。絶縁体４２８は、上面が平坦な絶縁体であると好ましい。なお、絶縁体４２８は、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体４２８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４２８の上面を平坦化するために、化学機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法などによって平坦化処理を行ってもよい。
または、絶縁体４２８は、樹脂を用いてもよい。例えば、ポリイミド、ポリアミド、アクリル、シリコーンなどを含む樹脂を用いればよい。樹脂を用いることで、絶縁体４２８の上面を平坦化処理しなくてもよい場合がある。また、樹脂は短い時間で厚い膜を成膜することができるため、生産性を高めることができる。
また、図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示すように、絶縁体４２８上に導電体４２４ａおよび導電体４２４ｂを有してもよい。導電体４２４ａおよび導電体４２４ｂは、例えば、配線としての機能を有する。また、絶縁体４２８が開口部を有し、該開口部を介して導電体４１６ａと導電体４２４ａとが電気的に接続しても構わない。また、絶縁体４２８が別の開口部を有し、該開口部を介して導電体４１６ｂと導電体４２４ｂとが電気的に接続しても構わない。このとき、それぞれの開口部内に導電体４２６ａ、導電体４２６ｂを有しても構わない。
導電体４２４ａおよび導電体４２４ｂとしては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。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４に示すトランジスタは、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂは、半導体４０６の側面と接しない。したがって、第１のゲート電極として機能する導電体４０４から半導体４０６の側面に向けて印加される電界が、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂなどによって遮蔽されにくい構造である。また、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂは、絶縁体４０２の上面と接しない。そのため、絶縁体４０２から放出される過剰酸素（酸素）が導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂを酸化させるために消費されない。したがって、絶縁体４０２から放出される過剰酸素（酸素）を、半導体４０６の酸素欠損を低減するために効率的に利用することのできる構造である。即ち、図４に示す構造のトランジスタは、高いオン電流、高い電界効果移動度、低いサブスレッショルドスイング値、高い信頼性などを有する電気特性の優れたトランジスタである。
図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、本発明の一態様のトランジスタの上面図および断面図である。図５（Ａ）は上面図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す一点鎖線Ｇ１−Ｇ２、および一点鎖線Ｇ３−Ｇ４に対応する断面図である。なお、図５（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
トランジスタは、図５に示すように、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂを有さず、導電体４２６ａおよび導電体４２６ｂと、半導体４０６と、が接する構造であっても構わない。この場合、半導体４０６の、少なくとも導電体４２６ａおよび導電体４２６ｂと接する領域に低抵抗領域４２３ａ（低抵抗領域４２３ｂ）を設けると好ましい。低抵抗領域４２３ａおよび低抵抗領域４２３ｂは、例えば、導電体４０４などをマスクとし、半導体４０６に不純物を添加することで形成すればよい。なお、導電体４２６ａおよび導電体４２６ｂが、半導体４０６の孔（貫通しているもの）または窪み（貫通していないもの）に設けられていても構わない。導電体４２６ａおよび導電体４２６ｂが、半導体４０６の孔または窪みに設けられることで、導電体４２６ａおよび導電体４２６ｂと、半導体４０６との接触面積が大きくなるため、接触抵抗の影響を小さくすることができる。即ち、トランジスタのオン電流を大きくすることができる。
また、図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、本発明の一態様のトランジスタの上面図および断面図である。図６（Ａ）は上面図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示す一点鎖線Ｊ１−Ｊ２、および一点鎖線Ｊ３−Ｊ４に対応する断面図である。なお、図６（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示すトランジスタは、基板６００上の導電体６０４と、導電体６０４上の絶縁体６１２と、絶縁体６１２上の半導体６０６と、半導体６０６と接し、間隔を開けて配置された導電体６１６ａおよび導電体６１６ｂと、半導体６０６上、導電体６１６ａ上および導電体６１６ｂ上の絶縁体６１８と、を有する。なお、導電体６０４は、絶縁体６１２を介して半導体６０６の下面と面する。また、絶縁体６１２が凸部を有しても構わない。また、基板６００と導電体６０４の間に絶縁体を有しても構わない。該絶縁体は、絶縁体４０２や絶縁体４０８についての記載を参照する。また、絶縁体６１８を有さなくても構わない。
なお、半導体６０６は、トランジスタのチャネル形成領域としての機能を有する。また、導電体６０４は、トランジスタの第１のゲート電極（フロントゲート電極ともいう。）としての機能を有する。また、導電体６１６ａおよび導電体６１６ｂは、トランジスタのソース電極およびドレイン電極としての機能を有する。
なお、絶縁体６１８は過剰酸素を含む絶縁体であると好ましい。
なお、基板６００は、基板４００についての記載を参照する。また、導電体６０４は、導電体４０４についての記載を参照する。また、絶縁体６１２は、絶縁体４１２についての記載を参照する。また、半導体６０６は、半導体４０６についての記載を参照する。また、導電体６１６ａおよび導電体６１６ｂは、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂについての記載を参照する。また、絶縁体６１８は、絶縁体４０２についての記載を参照する。
なお、絶縁体６１８上には、表示素子が設けられていてもよい。例えば、画素電極、液晶層、共通電極、発光層、有機ＥＬ層、陽極、陰極などが設けられていてもよい。表示素子は、例えば、導電体６１６ａなどと接続されている。
また、図７（Ａ）は、トランジスタの上面図の一例である。図７（Ａ）の一点鎖線Ｋ１−Ｋ２および一点鎖線Ｋ３−Ｋ４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。
なお、半導体の上に、チャネル保護膜として機能させることができる絶縁体を配置してもよい。例えば、図７に示すように、導電体６１６ａおよび導電体６１６ｂと、半導体６０６との間に、絶縁体６２０を配置してもよい。その場合、導電体６１６ａ（導電体６１６ｂ）と半導体６０６とは、絶縁体６２０中の開口部を介して接続される。絶縁体６２０は、絶縁体６１８についての記載を参照すればよい。
なお、図６（Ｂ）や図７（Ｂ）において、絶縁体６１８の上に、導電体６１３を配置してもよい。その場合の例を図８（Ａ）および図８（Ｂ）に示す。なお、導電体６１３については、導電体４１３についての記載を参照する。また、導電体６１３には、導電体６０４と同じ電位や同じ信号が供給されてもよいし、異なる電位や信号が供給されてもよい。例えば、導電体６１３に、一定の電位を供給して、トランジスタのしきい値電圧を制御してもよい。つまり、導電体６１３は、第２のゲート電極としての機能を有することができる。また、導電体６１３などによってｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を形成していても構わない。
＜酸化物半導体の構造＞
以下では、半導体４０６および半導体６０６などの半導体に適用可能な、酸化物半導体の構造について説明する。
酸化物半導体は、例えば、非単結晶酸化物半導体と単結晶酸化物半導体とに分けられる。または、酸化物半導体は、例えば、結晶性酸化物半導体と非晶質酸化物半導体とに分けられる。
なお、非単結晶酸化物半導体としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、微結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体などがある。また、結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、ＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶酸化物半導体、微結晶酸化物半導体などがある。
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（ナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）ともいう。）を有する酸化物半導体の一つである。
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ−ＯＳの明視野像および回折パターンの複合解析像（高分解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察することで複数のナノ結晶を確認することができる。一方、高分解能ＴＥＭ像によっても明確なナノ結晶同士の境界、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。
例えば、図９（Ａ）に示すように、試料面と略平行な方向から、ＣＡＡＣ−ＯＳの断面の高分解能ＴＥＭ像を観察する。ここでは、球面収差補正（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ Ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ）機能を用いてＴＥＭ像を観察する。なお、球面収差補正機能を用いた高分解能ＴＥＭ像を、以下では、特にＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像と呼ぶ。なお、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９（Ａ）の領域（１）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を図９（Ｂ）に示す。図９（Ｂ）より、ナノ結晶において、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た形状であり、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面または上面と平行に配列する。
図９（Ｂ）において、ＣＡＡＣ−ＯＳは特徴的な原子配列を有する。図９（Ｃ）は、特徴的な原子配列を、補助線で示したものである。図９（Ｂ）および図９（Ｃ）より、ナノ結晶一つの大きさは１ｎｍ以上３ｎｍ以下程度であり、ナノ結晶とナノ結晶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。
ここで、Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像から、基板５１２０上のＣＡＡＣ−ＯＳのナノ結晶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９（Ｄ）参照。）。図９（Ｃ）で観察されたナノ結晶とナノ結晶との間で傾きが生じている箇所は、図９（Ｄ）に示す領域５１６１に相当する。
また、例えば、図１０（Ａ）に示すように、試料面と略垂直な方向から、ＣＡＡＣ−ＯＳの平面のＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を観察する。図１０（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１０（Ｂ）、図１０（Ｃ）および図１０（Ｄ）に示す。図１０（Ｂ）、図１０（Ｃ）および図１０（Ｄ）より、ナノ結晶は、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、異なるナノ結晶間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）装置を用いてｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、図１１（Ａ）に示すように回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳの結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。
なお、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有する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。ＣＡＡＣ−ＯＳ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ことが好ましい。
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ｃ軸に略垂直な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、２θが５６°近傍にピークが現れる。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＣＡＡＣ−ＯＳの場合は、２θを５６°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）として試料を回転させながら分析（φスキャン）を行っても、図１１（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１１（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、ＣＡＡＣ−ＯＳであるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物に対し、試料面に平行な方向からプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターン（制限視野透過電子回折パターンともいう。）を図１２（Ａ）に示す。図１２（Ａ）より、例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に起因するスポットが確認される。したがって、電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるナノ結晶が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わかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直な方向からプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターンを図１２（Ｂ）に示す。図１２（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に含まれるナノ結晶の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１２（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１２（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。
このように、それぞれのナノ結晶の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から、ＣＡＡＣ−ＯＳをＣＡＮＣ（Ｃ−Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
ＣＡＡＣ−ＯＳは、不純物濃度の低い酸化物半導体である。不純物は、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体の主成分以外の元素である。特に、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、酸化物半導体内部に含まれると、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。なお、酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、欠陥準位密度の低い酸化物半導体である。例えば、酸化物半導体中の酸素欠損は、キャリアトラップとなることや、水素を捕獲することによってキャリア発生源となることがある。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳを用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。
次に、微結晶酸化物半導体について説明する。
微結晶酸化物半導体は、高分解能ＴＥＭ像において、結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。微結晶酸化物半導体に含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の大きさであることが多い。特に、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の微結晶であるナノ結晶を有する酸化物半導体を、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶ。また、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におけるナノ結晶と同じ起源を有する可能性がある。そのため、以下ではｎｃ−ＯＳの結晶部をナノ結晶と呼ぶ場合がある。
ｎｃ−ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ−ＯＳは、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ−ＯＳに対し、ナノ結晶よりも大きい径のＸ線を用いるＸＲＤ装置を用いて構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、ｎｃ−ＯＳに対し、ナノ結晶よりも大きいプローブ径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子回折（制限視野電子回折ともいう。）を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ−ＯＳに対し、ナノ結晶の大きさと近いかナノ結晶より小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、ｎｃ−ＯＳに対しナノビーム電子回折を行うと、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される場合がある。また、ｎｃ−ＯＳに対しナノビーム電子回折を行うと、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、それぞれのナノ結晶の結晶方位が規則性を有さないことから、ｎｃ−ＯＳをＮＡＮＣ（Ｎｏｎ−Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
ｎｃ−ＯＳは、非晶質酸化物半導体よりも規則性の高い酸化物半導体である。そのため、ｎｃ−ＯＳは、非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、ｎｃ−ＯＳは、異なるナノ結晶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。
次に、非晶質酸化物半導体について説明する。
非晶質酸化物半導体は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶部を有さない酸化物半導体である。石英のような無定形状態を有する酸化物半導体が一例である。
非晶質酸化物半導体は、高分解能ＴＥＭ像において結晶部を確認することができない。
非晶質酸化物半導体に対し、ＸＲＤ装置を用いた構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、非晶質酸化物半導体に対し、電子回折を行うと、ハローパターンが観測される。また、非晶質酸化物半導体に対し、ナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測されず、ハローパターンが観測される。
非晶質構造については、様々な見解が示されている。例えば、原子配列に全く秩序性を有さない構造を完全な非晶質構造（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）と呼ぶ場合がある。また、最近接原子間距離または第２近接原子間距離まで秩序性を有し、かつ長距離秩序性を有さない構造を非晶質構造と呼ぶ場合もある。したがって、最も厳格な定義によれば、僅かでも原子配列に秩序性を有する酸化物半導体を非晶質酸化物半導体と呼ぶことはできない。また、少なくとも、長距離秩序性を有する酸化物半導体を非晶質酸化物半導体と呼ぶことはできない。よって、結晶部を有することから、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳおよびｎｃ−ＯＳを、非晶質酸化物半導体または完全な非晶質酸化物半導体と呼ぶことはできない。
なお、酸化物半導体は、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の物性を示す構造を有する場合がある。そのような構造を有する酸化物半導体を、特に非晶質ライク酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶ。
ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において鬆（ボイドともいう。）が観察される場合がある。また、高分解能ＴＥＭ像において、明確に結晶部を確認することのできる領域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。
以下では、酸化物半導体の構造による電子照射の影響の違いについて説明する。
ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳ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。
さらに、各試料の結晶部の大きさを計測する。図１３は、各試料の結晶部（２２箇所から４５箇所）の平均の大きさの変化を調査した例である。図１３より、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなっていくことがわかる。具体的には、図１３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が、累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２においては２．６ｎｍ程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射開始時から電子の累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２になるまでの範囲で、電子の累積照射量によらず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１３中の（２）で示すように、ＴＥＭによる観察の経過によらず、結晶部の大きさは１．４ｎｍ程度であることがわかる。また、図１３中の（３）で示すように、ＴＥＭによる観察の経過によらず、結晶部の大きさは２．１ｎｍ程度であることがわかる。
このように、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ＴＥＭによる観察程度の微量な電子照射によって、結晶化が起こり、結晶部の成長が見られる場合がある。一方、良質なｎｃ−ＯＳ、およびＣＡＡＣ−ＯＳであれば、ＴＥＭによる観察程度の微量な電子照射による結晶化はほとんど見られないことがわかる。
なお、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳおよびｎｃ−ＯＳの結晶部の大きさの計測は、高分解能ＴＥＭ像を用いて行うことができる。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶は層状構造を有し、Ｉｎ−Ｏ層の間に、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層を２層有する。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。よって、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。そのため、高分解能ＴＥＭ像における格子縞に着目し、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所においては、それぞれの格子縞がＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａ−ｂ面に対応する。
また、酸化物半導体は、構造ごとに密度が異なる場合がある。例えば、ある酸化物半導体の組成がわかれば、該組成と同じ組成における単結晶の密度と比較することにより、その酸化物半導体の構造を推定することができる。例えば、単結晶の密度に対し、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳの密度は７８．６％以上９２．３％未満となる。また、例えば、単結晶の密度に対し、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は９２．３％以上１００％未満となる。なお、単結晶の密度に対し密度が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。
上記について、具体例を用いて説明する。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、所望の組成の単結晶に相当する密度を算出することができる。所望の組成の単結晶の密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて算出すればよい。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算出することが好ましい。
なお、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ、微結晶酸化物半導体、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い（酸素欠損が少ない）酸化物半導体は、キャリア密度を低くすることができる。したがって、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およびｎｃ−ＯＳは、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳおよび非晶質酸化物半導体よりも不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い。即ち、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体となりやすい。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳまたはｎｃ−ＯＳを用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性（ノーマリーオンともいう。）になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体は、キャリアトラップが少ない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳまたはｎｃ−ＯＳを用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。なお、酸化物半導体のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
＜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１４（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１５は、図１４（Ａ）に対応する半導体装置の断面図である。図１５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２１００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１５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４５０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１５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４６４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４９０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４９４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２１００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２１００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１６に示す半導体装置は、図１５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１６に示す半導体装置については、図１５に示した半導体装置の記載を参酌する。具体的には、図１６に示す半導体装置は、トランジスタ２２００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、実効的な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１７に示す半導体装置は、図１５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１７に示す半導体装置については、図１５に示した半導体装置の記載を参酌する。具体的には、図１７に示す半導体装置は、トランジスタ２２００がＳＯＩ基板に設けられた場合を示している。図１７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１５乃至図１７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１４（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、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３３００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３００５は容量素子３４００の電極の他方と電気的に接続されている。
図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。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（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ３２００は「非導通状態」のままである。このため、第２の配線３００２の電位を判別することで、ノードＦＧに保持されている情報を読み出すことができる。
なお、メモリセルをアレイ状に配置する場合、読み出し時には、所望のメモリセルの情報を読み出さなくてはならない。ほかのメモリセルの情報を読み出さないためには、ノードＦＧに与えられた電荷によらずトランジスタ３２００が「非導通状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｈより低い電位を第５の配線３００５に与えればよい。または、ノードＦＧに与えられた電荷によらずトランジスタ３２００が「導通状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｌより高い電位を第５の配線３００５に与えればよい。
＜半導体装置の構造２＞
図１９は、図１８（Ａ）に対応する半導体装置の断面図である。図１９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１５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１５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１９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１９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４９６ｃ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４６４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４９０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４９４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、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４０４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３３００などの構成要素のいずれかが有する開口部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４１２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る。また、導電体４１４として、トランジスタ３３００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る。
そのほかの構造については、適宜図１５などについての記載を参酌することができる。
なお、図２０に示す半導体装置は、図１９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２０に示す半導体装置については、図１９に示した半導体装置の記載を参酌する。具体的には、図２０に示す半導体装置は、トランジスタ３２００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１６に示したトランジスタ２２００の記載を参照する。なお、図１６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２１に示す半導体装置は、図１９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２１に示す半導体装置については、図１９に示した半導体装置の記載を参酌する。具体的には、図２１に示す半導体装置は、トランジスタ３２００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１７に示したトランジスタ２２００の記載を参照する。なお、図１７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×Ｖ１）／（ＣＢ＋Ｃ））は、電位Ｖ０を保持している場合の第３の配線３００３の電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ０）／（ＣＢ＋Ｃ））よりも高くなることがわかる。
そして、第３の配線３００３の電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができる。
この場合、メモリセルを駆動させるための駆動回路に上記第１の半導体が適用されたトランジスタを用い、トランジスタ３３００として第２の半導体が適用されたトランジスタを駆動回路上に積層して配置する構成とすればよい。
以上に示した半導体装置は、酸化物半導体を用いたオフ電流の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。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。
＜撮像装置＞
以下では、本発明の一態様に係る撮像装置について説明する。
図２２（Ａ）は、本発明の一態様に係る撮像装置２００の例を示す平面図である。撮像装置２００は、画素部２１０と、画素部２１０を駆動するための周辺回路２６０と、周辺回路２７０、周辺回路２８０と、周辺回路２９０と、を有する。画素部２１０は、ｐ行ｑ列（ｐおよびｑは２以上の整数）のマトリクス状に配置された複数の画素２１１を有する。周辺回路２６０、周辺回路２７０、周辺回路２８０および周辺回路２９０は、それぞれ複数の画素２１１に接続し、複数の画素２１１を駆動するための信号を供給する機能を有する。なお、本明細書等において、周辺回路２６０、周辺回路２７０、周辺回路２８０および周辺回路２９０などの全てを指して「周辺回路」または「駆動回路」と呼ぶ場合がある。例えば、周辺回路２６０は周辺回路の一部といえる。
また、撮像装置２００は、光源２９１を有することが好ましい。光源２９１は、検出光Ｐ１を放射することができる。
また、周辺回路は、少なくとも、論理回路、スイッチ、バッファ、増幅回路、または変換回路の１つを有する。また、周辺回路は、画素部２１０を形成する基板上に配置してもよい。また、周辺回路は、その一部または全部をＩＣ等の半導体装置で実装してもよい。なお、周辺回路は、周辺回路２６０、周辺回路２７０、周辺回路２８０および周辺回路２９０のいずれか一以上を省略してもよい。
また、図２２（Ｂ）に示すように、撮像装置２００が有する画素部２１０において、画素２１１を傾けて配置してもよい。画素２１１を傾けて配置することにより、行方向および列方向の画素間隔（ピッチ）を短くすることができる。これにより、撮像装置２００における撮像の品質をより高めることができる。
＜画素の構成例１＞
撮像装置２００が有する１つの画素２１１を複数の副画素２１２で構成し、それぞれの副画素２１２に特定の波長帯域の光を透過するフィルタ（カラーフィルタ）を組み合わせることで、カラー画像表示を実現するための情報を取得することができる。
図２３（Ａ）は、カラー画像を取得するための画素２１１の一例を示す平面図である。図２３（Ａ）に示す画素２１１は、赤（Ｒ）の波長帯域を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２（以下、「副画素２１２Ｒ」ともいう）、緑（Ｇ）の波長帯域を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２（以下、「副画素２１２Ｇ」ともいう）および青（Ｂ）の波長帯域を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２（以下、「副画素２１２Ｂ」ともいう）を有する。副画素２１２は、フォトセンサとして機能させることができる。
副画素２１２（副画素２１２Ｒ、副画素２１２Ｇ、および副画素２１２Ｂ）は、配線２３１、配線２４７、配線２４８、配線２４９、配線２５０と電気的に接続される。また、副画素２１２Ｒ、副画素２１２Ｇ、および副画素２１２Ｂは、それぞれが独立した配線２５３に接続している。また、本明細書等において、例えばｎ行目の画素２１１に接続された配線２４８および配線２４９を、それぞれ配線２４８［ｎ］および配線２４９［ｎ］と記載する。また、例えばｍ列目の画素２１１に接続された配線２５３を、配線２５３［ｍ］と記載する。なお、図２３（Ａ）において、ｍ列目の画素２１１が有する副画素２１２Ｒに接続する配線２５３を配線２５３［ｍ］Ｒ、副画素２１２Ｇに接続する配線２５３を配線２５３［ｍ］Ｇ、および副画素２１２Ｂに接続する配線２５３を配線２５３［ｍ］Ｂと記載している。副画素２１２は、上記配線を介して周辺回路と電気的に接続される。
また、撮像装置２００は、隣接する画素２１１の、同じ波長帯域を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２同士がスイッチを介して電気的に接続する構成を有する。図２３（Ｂ）に、ｎ行（ｎは１以上ｐ以下の整数）ｍ列（ｍは１以上ｑ以下の整数）に配置された画素２１１が有する副画素２１２と、該画素２１１に隣接するｎ＋１行ｍ列に配置された画素２１１が有する副画素２１２の接続例を示す。図２３（Ｂ）において、ｎ行ｍ列に配置された副画素２１２Ｒと、ｎ＋１行ｍ列に配置された副画素２１２Ｒがスイッチ２０１を介して接続されている。また、ｎ行ｍ列に配置された副画素２１２Ｇと、ｎ＋１行ｍ列に配置された副画素２１２Ｇがスイッチ２０２を介して接続されている。また、ｎ行ｍ列に配置された副画素２１２Ｂと、ｎ＋１行ｍ列に配置された副画素２１２Ｂがスイッチ２０３を介して接続されている。
なお、副画素２１２に用いるカラーフィルタは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）に限定されず、それぞれシアン（Ｃ）、黄（Ｙ）およびマゼンダ（Ｍ）の光を透過するカラーフィルタを用いてもよい。１つの画素２１１に３種類の異なる波長帯域の光を検出する副画素２１２を設けることで、フルカラー画像を取得することができる。
または、それぞれ赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２に加えて、黄（Ｙ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２を有する画素２１１を用いてもよい。または、それぞれシアン（Ｃ）、黄（Ｙ）およびマゼンダ（Ｍ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２に加えて、青（Ｂ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２を有する画素２１１を用いてもよい。１つの画素２１１に４種類の異なる波長帯域の光を検出する副画素２１２を設けることで、取得した画像の色の再現性をさらに高めることができる。
また、例えば、図２３（Ａ）において、赤の波長帯域を検出する副画素２１２、緑の波長帯域を検出する副画素２１２、および青の波長帯域を検出する副画素２１２の画素数比（または受光面積比）は、１：１：１でなくても構わない。例えば、画素数比（受光面積比）を赤：緑：青＝１：２：１とするＢａｙｅｒ配列としてもよい。または、画素数比（受光面積比）を赤：緑：青＝１：６：１としてもよい。
なお、画素２１１に設ける副画素２１２は１つでもよいが、２つ以上が好ましい。例えば、同じ波長帯域を検出する副画素２１２を２つ以上設けることで、冗長性を高め、撮像装置２００の信頼性を高めることができる。
また、可視光を吸収または反射して、赤外光を透過するＩＲ（ＩＲ：Ｉｎｆｒａｒｅｄ）フィルタを用いることで、赤外光を検出する撮像装置２００を実現することができる。
また、ＮＤ（ＮＤ：Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタ（減光フィルタ）を用いることで、光電変換素子（受光素子）に大光量光が入射した時に生じる出力飽和することを防ぐことができる。減光量の異なるＮＤフィルタを組み合わせて用いることで、撮像装置のダイナミックレンジを大きくすることができる。
また、前述したフィルタ以外に、画素２１１にレンズを設けてもよい。ここで、図２４の断面図を用いて、画素２１１、フィルタ２５４、レンズ２５５の配置例を説明する。レンズ２５５を設けることで、光電変換素子が入射光を効率よく受光することができる。具体的には、図２４（Ａ）に示すように、画素２１１に形成したレンズ２５５、フィルタ２５４（フィルタ２５４Ｒ、フィルタ２５４Ｇおよびフィルタ２５４Ｂ）、および画素回路２３０等を通して光２５６を光電変換素子２２０に入射させる構造とすることができる。
ただし、二点鎖線で囲んだ領域に示すように、矢印で示す光２５６の一部が配線２５７の一部によって遮光されてしまうことがある。したがって、図２４（Ｂ）に示すように光電変換素子２２０側にレンズ２５５およびフィルタ２５４を配置して、光電変換素子２２０が光２５６を効率良く受光させる構造が好ましい。光電変換素子２２０側から光２５６を光電変換素子２２０に入射させることで、検出感度の高い撮像装置２００を提供することができる。
図２４に示す光電変換素子２２０として、ｐｎ型接合またはｐｉｎ型の接合が形成された光電変換素子を用いてもよい。
また、光電変換素子２２０を、放射線を吸収して電荷を発生させる機能を有する物質を用いて形成してもよい。放射線を吸収して電荷を発生させる機能を有する物質としては、セレン、ヨウ化鉛、ヨウ化水銀、ヒ化ガリウム、テルル化カドミウム、カドミウム亜鉛合金等がある。
例えば、光電変換素子２２０にセレンを用いると、可視光や、紫外光、赤外光に加えて、Ｘ線や、ガンマ線といった幅広い波長帯域にわたって光吸収係数を有する光電変換素子２２０を実現できる。
ここで、撮像装置２００が有する１つの画素２１１は、図２３に示す副画素２１２に加えて、第１のフィルタを有する副画素２１２を有してもよい。
＜画素の構成例２＞
以下では、シリコンを用いたトランジスタと、酸化物半導体を用いたトランジスタと、を用いて画素を構成する一例について説明する。
図２５（Ａ）、図２５（Ｂ）は、撮像装置を構成する素子の断面図である。図２５（Ａ）に示す撮像装置は、シリコン基板３００に設けられたシリコンを用いたトランジスタ３５１、トランジスタ３５１上に積層して配置された酸化物半導体を用いたトランジスタ３５２およびトランジスタ３５３、ならびにシリコン基板３００に設けられたフォトダイオード３６０を含む。各トランジスタおよびフォトダイオード３６０は、種々のプラグ３７０および配線３７１と電気的な接続を有する。また、フォトダイオード３６０は、アノード３６１およびカソード３６２を有し、アノード３６１は、低抵抗領域３６３を介してプラグ３７０と電気的に接続を有する。
また撮像装置は、シリコン基板３００に設けられたトランジスタ３５１およびフォトダイオード３６０を有する層３１０と、層３１０と接して設けられ、配線３７１を有する層３２０と、層３２０と接して設けられ、トランジスタ３５２およびトランジスタ３５３を有する層３３０と、層３３０と接して設けられ、配線３７２および配線３７３を有する層３４０を備えている。
なお図２５（Ａ）の断面図の一例では、シリコン基板３００において、トランジスタ３５１が形成された面とは逆側の面にフォトダイオード３６０の受光面を有する構成とする。該構成とすることで、各種トランジスタや配線などの影響を受けずに光路を確保することができる。そのため、高開口率の画素を形成することができる。なお、フォトダイオード３６０の受光面をトランジスタ３５１が形成された面と同じとすることもできる。
なお、トランジスタを用いて画素を構成する場合には、層３１０を、トランジスタを有する層とすればよい。または層３１０を省略し、トランジスタのみで画素を構成してもよい。
なおトランジスタを用いて画素を構成する場合には、層３３０を省略すればよい。層３３０を省略した断面図の一例を図２５（Ｂ）に示す。層３３０を省略する場合、層３４０の配線３７２も省略することができる。
なお、シリコン基板３００は、ＳＯＩ基板であってもよい。また、シリコン基板３００に替えて、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ヒ化ガリウム、ヒ化アルミニウムガリウム、リン化インジウム、窒化ガリウムまたは有機半導体を有する基板を用いることもできる。
ここで、トランジスタ３５１およびフォトダイオード３６０を有する層３１０と、トランジスタ３５２およびトランジスタ３５３を有する層３３０と、の間には絶縁体３８０が設けられる。ただし、絶縁体３８０の位置は限定されない。
トランジスタ３５１のチャネル形成領域近傍に設けられる絶縁体中の水素はシリコンのダングリングボンドを終端し、トランジスタ３５１の信頼性を向上させる効果がある。一方、トランジスタ３５２およびトランジスタ３５３などの近傍に設けられる絶縁体中の水素は、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。そのため、トランジスタ３５２およびトランジスタ３５３など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、シリコン系半導体を用いたトランジスタの上層に酸化物半導体を用いたトランジスタを積層して設ける場合、これらの間に水素をブロックする機能を有する絶縁体３８０を設けることが好ましい。絶縁体３８０より下層に水素を閉じ込めることで、トランジスタ３５１の信頼性が向上させることができる。さらに、絶縁体３８０より下層から、絶縁体３８０より上層に水素が拡散することを抑制できるため、トランジスタ３５２およびトランジスタ３５３などの信頼性を向上させることができる。
絶縁体３８０としては、例えば、絶縁体４０８の記載を参照する。
また、図２５（Ａ）の断面図において、層３１０に設けるフォトダイオード３６０と、層３３０に設けるトランジスタとを重なるように形成することができる。そうすると、画素の集積度を高めることができる。すなわち、撮像装置の解像度を高めることができる。
また、図２６（Ａ１）および図２６（Ｂ１）に示すように、撮像装置の一部または全部を湾曲させてもよい。図２６（Ａ１）は、撮像装置を同図中の二点鎖線Ｘ１−Ｘ２の方向に湾曲させた状態を示している。図２６（Ａ２）は、図２６（Ａ１）中の二点鎖線Ｘ１−Ｘ２で示した部位の断面図である。図２６（Ａ３）は、図２６（Ａ１）中の二点鎖線Ｙ１−Ｙ２で示した部位の断面図である。
図２６（Ｂ１）は、撮像装置を同図中の二点鎖線Ｘ３−Ｘ４の方向に湾曲させ、かつ、同図中の二点鎖線Ｙ３−Ｙ４の方向に湾曲させた状態を示している。図２６（Ｂ２）は、図２６（Ｂ１）中の二点鎖線Ｘ３−Ｘ４で示した部位の断面図である。図２６（Ｂ３）は、図２６（Ｂ１）中の二点鎖線Ｙ３−Ｙ４で示した部位の断面図である。
撮像装置を湾曲させることで、像面湾曲や非点収差を低減することができる。よって、撮像装置と組み合わせて用いるレンズなどの光学設計を容易とすることができる。例えば、収差補正のためのレンズ枚数を低減できるため、撮像装置を用いた電子機器などの小型化や軽量化を実現することができる。また、撮像された画像の品質を向上させる事ができる。
＜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２７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２７に示すＣＰＵは、基板１１９０上に、ＡＬＵ１１９１（ＡＬＵ：Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｌｏｇｉｃ ｕｎｉｔ、演算回路）、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、タイミングコントローラ１１９５、レジスタ１１９６、レジスタコントローラ１１９７、バスインターフェース１１９８、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。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２７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２７に示すＣＰＵまたは演算回路を含む構成を一つのコアとし、当該コアを複数含み、それぞれのコアが並列で動作するような構成としてもよい。また、ＣＰＵが内部演算回路やデータバスで扱えるビット数は、例えば８ビット、１６ビット、３２ビット、６４ビットなどとすることができる。
バスインターフェース１１９８を介してＣＰＵに入力された命令は、インストラクションデコーダ１１９３に入力され、デコードされた後、ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５に入力される。
ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行なう。具体的にＡＬＵコントローラ１１９２は、ＡＬＵ１１９１の動作を制御するための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ１１９４は、ＣＰＵのプログラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ１１９７は、レジスタ１１９６のアドレスを生成し、ＣＰＵの状態に応じてレジスタ１１９６の読み出しや書き込みを行なう。
また、タイミングコントローラ１１９５は、ＡＬＵ１１９１、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、およびレジスタコントローラ１１９７の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイミングコントローラ１１９５は、基準クロック信号を元に、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２７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２７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２８は、レジスタ１１９６として用いることのできる記憶素子１２００の回路図の一例である。記憶素子１２００は、電源遮断で記憶データが揮発する回路１２０１と、電源遮断で記憶データが揮発しない回路１２０２と、スイッチ１２０３と、スイッチ１２０４と、論理素子１２０６と、容量素子１２０７と、選択機能を有する回路１２２０と、を有する。回路１２０２は、容量素子１２０８と、トランジスタ１２０９と、トランジスタ１２１０と、を有する。なお、記憶素子１２００は、必要に応じて、ダイオード、抵抗素子、インダクタなどのその他の素子をさらに有していてもよい。
ここで、回路１２０２には、上述した記憶装置を用いることができる。記憶素子１２００への電源電圧の供給が停止した際、回路１２０２のトランジスタ１２０９のゲートにはＧＮＤ（０Ｖ）、またはトランジスタ１２０９がオフする電位が入力され続ける構成とする。例えば、トランジスタ１２０９のゲートが抵抗等の負荷を介して接地される構成とする。
スイッチ１２０３は、一導電型（例えば、ｎチャネル型）のトランジスタ１２１３を用いて構成され、スイッチ１２０４は、一導電型とは逆の導電型（例えば、ｐチャネル型）のトランジスタ１２１４を用いて構成した例を示す。ここで、スイッチ１２０３の第１の端子はトランジスタ１２１３のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ１２０３の第２の端子はトランジスタ１２１３のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ１２０３はトランジスタ１２１３のゲートに入力される制御信号ＲＤによって、第１の端子と第２の端子の間の導通または非導通（つまり、トランジスタ１２１３の導通状態または非導通状態）が選択される。スイッチ１２０４の第１の端子はトランジスタ１２１４のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ１２０４の第２の端子はトランジスタ１２１４のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ１２０４はトランジスタ１２１４のゲートに入力される制御信号ＲＤによって、第１の端子と第２の端子の間の導通または非導通（つまり、トランジスタ１２１４の導通状態または非導通状態）が選択される。
トランジスタ１２０９のソースとドレインの一方は、容量素子１２０８の一対の電極のうちの一方、およびトランジスタ１２１０のゲートと電気的に接続される。ここで、接続部分をノードＭ２とする。トランジスタ１２１０のソースとドレインの一方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ線）に電気的に接続され、他方は、スイッチ１２０３の第１の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの一方）と電気的に接続される。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）はスイッチ１２０４の第１の端子（トランジスタ１２１４のソースとドレインの一方）と電気的に接続される。スイッチ１２０４の第２の端子（トランジスタ１２１４のソースとドレインの他方）は電源電位ＶＤＤを供給することのできる配線と電気的に接続される。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）と、スイッチ１２０４の第１の端子（トランジスタ１２１４のソースとドレインの一方）と、論理素子１２０６の入力端子と、容量素子１２０７の一対の電極のうちの一方と、は電気的に接続される。ここで、接続部分をノードＭ１とする。容量素子１２０７の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位（ＧＮＤ等）または高電源電位（ＶＤＤ等）が入力される構成とすることができる。容量素子１２０７の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ線）と電気的に接続される。容量素子１２０８の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位（ＧＮＤ等）または高電源電位（ＶＤＤ等）が入力される構成とすることができる。容量素子１２０８の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ線）と電気的に接続される。
なお、容量素子１２０７および容量素子１２０８は、トランジスタや配線の寄生容量等を積極的に利用することによって省略することも可能である。
トランジスタ１２０９のゲートには、制御信号ＷＥが入力される。スイッチ１２０３およびスイッチ１２０４は、制御信号ＷＥとは異なる制御信号ＲＤによって第１の端子と第２の端子の間の導通状態または非導通状態を選択され、一方のスイッチの第１の端子と第２の端子の間が導通状態のとき他方のスイッチの第１の端子と第２の端子の間は非導通状態となる。
トランジスタ１２０９のソースとドレインの他方には、回路１２０１に保持されたデータに対応する信号が入力される。図２８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２８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２８において、記憶素子１２００に用いられるトランジスタのうち、トランジスタ１２０９以外のトランジスタは、酸化物半導体以外の半導体でなる膜または基板１１９０にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。例えば、シリコン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膜または基板１１９０にチャネルが形成されるトランジスタとすることもできる。
図２８における回路１２０１には、例えばフリップフロップ回路を用いることができる。また、論理素子１２０６としては、例えばインバータやクロックドインバータ等を用いることができる。
本発明の一態様に係る半導体装置では、記憶素子１２００に電源電圧が供給されない間は、回路１２０１に記憶されていたデータを、回路１２０２に設けられた容量素子１２０８によって保持することができる。
また、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジスタはオフ電流が極めて小さい。例えば、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流は、結晶性を有するシリコンにチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流に比べて著しく低い。そのため、当該トランジスタをトランジスタ１２０９として用いることによって、記憶素子１２００に電源電圧が供給されない間も容量素子１２０８に保持された信号は長期間にわたり保たれる。こうして、記憶素子１２００は電源電圧の供給が停止した間も記憶内容（データ）を保持することが可能である。
また、スイッチ１２０３およびスイッチ１２０４を設けることによって、プリチャージ動作を行うことを特徴とする記憶素子であるため、電源電圧供給再開後に、回路１２０１が元のデータを保持しなおすまでの時間を短くすることができる。
また、回路１２０２において、容量素子１２０８によって保持された信号はトランジスタ１２１０のゲートに入力される。そのため、記憶素子１２００への電源電圧の供給が再開された後、容量素子１２０８に保持された信号によって、トランジスタ１２１０の導通状態、または非導通状態が切り替わり、その状態に応じて信号を回路１２０２から読み出すことができる。それ故、容量素子１２０８に保持された信号に対応する電位が多少変動していても、元の信号を正確に読み出すことが可能である。
このような記憶素子１２００を、プロセッサが有するレジスタやキャッシュメモリなどの記憶装置に用いることで、電源電圧の供給停止による記憶装置内のデータの消失を防ぐことができる。また、電源電圧の供給を再開した後、短時間で電源供給停止前の状態に復帰することができる。よって、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ、または複数の論理回路において、短い時間でも電源停止を行うことができるため、消費電力を抑えることができる。
記憶素子１２００をＣＰＵに用いる例として説明したが、記憶素子１２００は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、カスタムＬＳＩ、ＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）等のＬＳＩ、ＲＦ−ＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）にも応用可能である。
＜表示装置＞
以下では、本発明の一態様に係る表示装置について、図２９および図３０を用いて説明する。
表示装置に用いられる表示素子としては液晶素子（液晶表示素子ともいう。）、発光素子（発光表示素子ともいう。）などを用いることができる。発光素子は、電流または電圧によって輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、有機ＥＬなどを含む。以下では、表示装置の一例としてＥＬ素子を用いた表示装置（ＥＬ表示装置）および液晶素子を用いた表示装置（液晶表示装置）について説明する。
なお、以下に示す表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントローラを含むＩＣなどを実装した状態にあるモジュールとを含む。
また、以下に示す表示装置は画像表示デバイス、または光源（照明装置含む）を指す。また、コネクター、例えばＦＰＣ、ＴＣＰが取り付けられたモジュール、ＴＣＰの先にプリント配線板を有するモジュールまたは表示素子にＣＯＧ方式によりＩＣ（集積回路）が直接実装されたモジュールも全て表示装置に含むものとする。
図２９は、本発明の一態様に係るＥＬ表示装置の一例である。図２９（Ａ）に、ＥＬ表示装置の画素の回路図を示す。図２９（Ｂ）は、ＥＬ表示装置全体を示す上面図である。
図２９（Ａ）は、ＥＬ表示装置に用いられる画素の回路図の一例である。
なお、本明細書等においては、能動素子（トランジスタ、ダイオードなど）、受動素子（容量素子、抵抗素子など）などが有するすべての端子について、その接続先を特定しなくても、当業者であれば、発明の一態様を構成することは可能な場合がある。つまり、接続先を特定しなくても、発明の一態様が明確であるといえる。そして、接続先が特定された内容が、本明細書等に記載されている場合、接続先を特定しない発明の一態様が、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。特に、端子の接続先として複数の箇所が想定される場合には、その端子の接続先を特定の箇所に限定する必要はない。したがって、能動素子（トランジスタ、ダイオードなど）、受動素子（容量素子、抵抗素子など）などが有する一部の端子についてのみ、その接続先を特定することによって、発明の一態様を構成することが可能な場合がある。
なお、本明細書等においては、ある回路について、少なくとも接続先を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。または、ある回路について、少なくとも機能を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。つまり、機能を特定すれば、発明の一態様が明確であるといえる。そして、機能が特定された発明の一態様が、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。したがって、ある回路について、機能を特定しなくても、接続先を特定すれば、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。または、ある回路について、接続先を特定しなくても、機能を特定すれば、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。
図２９（Ａ）に示すＥＬ表示装置は、スイッチ素子７４３と、トランジスタ７４１と、容量素子７４２と、発光素子７１９と、を有する。
なお、図２９（Ａ）などは、回路構成の一例であるため、さらに、トランジスタを追加することが可能である。逆に、図２９（Ａ）の各ノードにおいて、トランジスタ、スイッチ、受動素子などを追加しないようにすることも可能である。
トランジスタ７４１のゲートはスイッチ素子７４３の一端および容量素子７４２の一方の電極と電気的に接続される。トランジスタ７４１のソースは容量素子７４２の他方の電極と電気的に接続され、発光素子７１９の一方の電極と電気的に接続される。トランジスタ７４１のドレインは電源電位ＶＤＤが与えられる。スイッチ素子７４３の他端は信号線７４４と電気的に接続される。発光素子７１９の他方の電極は定電位が与えられる。なお、定電位は接地電位ＧＮＤまたはそれより小さい電位とする。
スイッチ素子７４３としては、トランジスタを用いると好ましい。トランジスタを用いることで、画素の面積を小さくでき、解像度の高いＥＬ表示装置とすることができる。また、スイッチ素子７４３として、トランジスタ７４１と同一工程を経て作製されたトランジスタを用いると、ＥＬ表示装置の生産性を高めることができる。なお、トランジスタ７４１または／およびスイッチ素子７４３としては、例えば、上述したトランジスタを適用することができる。
図２９（Ｂ）は、ＥＬ表示装置の上面図である。ＥＬ表示装置は、基板７００と、基板７５０と、シール材７３４と、駆動回路７３５と、駆動回路７３６と、画素７３７と、ＦＰＣ７３２と、を有する。シール材７３４は、画素７３７、駆動回路７３５および駆動回路７３６を囲むように基板７００と基板７５０との間に配置される。なお、駆動回路７３５または／および駆動回路７３６をシール材７３４の外側に配置しても構わない。
図２９（Ｃ）は、図２９（Ｂ）の一点鎖線Ｍ−Ｎの一部に対応するＥＬ表示装置の断面図である。
図２９（Ｃ）には、トランジスタ７４１として、基板７００上の導電体７０４ａと、導電体７０４ａ上の絶縁体７１２ａと、絶縁体７１２ａ上の絶縁体７１２ｂと、絶縁体７１２ｂ上にあり導電体７０４ａと重なる半導体７０６と、半導体７０６と接する導電体７１６ａおよび導電体７１６ｂと、半導体７０６上、導電体７１６ａ上および導電体７１６ｂ上の絶縁体７１８ａと、絶縁体７１８ａ上の絶縁体７１８ｂと、絶縁体７１８ｂ上の絶縁体７１８ｃと、絶縁体７１８ｃ上にあり半導体７０６と重なる導電体７１４ａと、を有する構造を示す。なお、トランジスタ７４１の構造は一例であり、図２９（Ｃ）に示す構造と異なる構造であっても構わない。
したがって、図２９（Ｃ）に示すトランジスタ７４１において、導電体７０４ａはゲート電極としての機能を有し、絶縁体７１２ａおよび絶縁体７１２ｂはゲート絶縁体としての機能を有し、導電体７１６ａはソース電極としての機能を有し、導電体７１６ｂはドレイン電極としての機能を有し、絶縁体７１８ａ、絶縁体７１８ｂおよび絶縁体７１８ｃはゲート絶縁体としての機能を有し、導電体７１４ａはゲート電極としての機能を有する。なお、半導体７０６は、光が当たることで電気特性が変動する場合がある。したがって、導電体７０４ａ、導電体７１６ａ、導電体７１６ｂ、導電体７１４ａのいずれか一以上が遮光性を有すると好ましい。
なお、絶縁体７１８ａおよび絶縁体７１８ｂの界面を破線で表したが、これは両者の境界が明確でない場合があることを示す。例えば、絶縁体７１８ａおよび絶縁体７１８ｂとして、同種の絶縁体を用いた場合、観察手法によっては両者の区別が付かない場合がある。
図２９（Ｃ）には、容量素子７４２として、基板上の導電体７０４ｂと、導電体７０４ｂ上の絶縁体７１２ａと、絶縁体７１２ａ上の絶縁体７１２ｂと、絶縁体７１２ｂ上にあり導電体７０４ｂと重なる導電体７１６ａと、導電体７１６ａ上の絶縁体７１８ａと、絶縁体７１８ａ上の絶縁体７１８ｂと、絶縁体７１８ｂ上の絶縁体７１８ｃと、絶縁体７１８ｃ上にあり導電体７１６ａと重なる導電体７１４ｂと、を有し、導電体７１６ａおよび導電体７１４ｂの重なる領域で、絶縁体７１８ａおよび絶縁体７１８ｂの一部が除去されている構造を示す。
容量素子７４２において、導電体７０４ｂおよび導電体７１４ｂは一方の電極として機能し、導電体７１６ａは他方の電極として機能する。
したがって、容量素子７４２は、トランジスタ７４１と共通する膜を用いて作製することができる。また、導電体７０４ａおよび導電体７０４ｂを同種の導電体とすると好ましい。その場合、導電体７０４ａおよび導電体７０４ｂは、同一工程を経て形成することができる。また、導電体７１４ａおよび導電体７１４ｂを同種の導電体とすると好ましい。その場合、導電体７１４ａおよび導電体７１４ｂは、同一工程を経て形成することができる。
図２９（Ｃ）に示す容量素子７４２は、占有面積当たりの容量が大きい容量素子である。したがって、図２９（Ｃ）は表示品位の高いＥＬ表示装置である。なお、図２９（Ｃ）に示す容量素子７４２は、導電体７１６ａおよび導電体７１４ｂの重なる領域を薄くするため、絶縁体７１８ａおよび絶縁体７１８ｂの一部が除去された構造を有するが、本発明の一態様に係る容量素子はこれに限定されるものではない。例えば、導電体７１６ａおよび導電体７１４ｂの重なる領域を薄くするため、絶縁体７１８ｃの一部が除去された構造を有しても構わない。
トランジスタ７４１および容量素子７４２上には、絶縁体７２０が配置される。ここで、絶縁体７２０は、トランジスタ７４１のソース電極として機能する導電体７１６ａに達する開口部を有してもよい。絶縁体７２０上には、導電体７８１が配置される。導電体７８１は、絶縁体７２０の開口部を介してトランジスタ７４１と電気的に接続してもよい。
導電体７８１上には、導電体７８１に達する開口部を有する隔壁７８４が配置される。隔壁７８４上には、隔壁７８４の開口部で導電体７８１と接する発光層７８２が配置される。発光層７８２上には、導電体７８３が配置される。導電体７８１、発光層７８２および導電体７８３の重なる領域が、発光素子７１９となる。
ここまでは、ＥＬ表示装置の例について説明した。次に、液晶表示装置の例について説明する。
図３０（Ａ）は、液晶表示装置の画素の構成例を示す回路図である。図３０に示す画素は、トランジスタ７５１と、容量素子７５２と、一対の電極間に液晶の充填された素子（液晶素子）７５３とを有する。
トランジスタ７５１では、ソース、ドレインの一方が信号線７５５に電気的に接続され、ゲートが走査線７５４に電気的に接続されている。
容量素子７５２では、一方の電極がトランジスタ７５１のソース、ドレインの他方に電気的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線に電気的に接続されている。
液晶素子７５３では、一方の電極がトランジスタ７５１のソース、ドレインの他方に電気的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線に電気的に接続されている。なお、上述した容量素子７５２の他方の電極が電気的に接続する配線に与えられる共通電位と、液晶素子７５３の他方の電極に与えられる共通電位とが異なる電位であってもよい。
なお、液晶表示装置も、上面図はＥＬ表示装置と同様として説明する。図２９（Ｂ）の一点鎖線Ｍ−Ｎに対応する液晶表示装置の断面図を図３０（Ｂ）に示す。図３０（Ｂ）において、ＦＰＣ７３２は、端子７３１を介して配線７３３ａと接続される。なお、配線７３３ａは、トランジスタ７５１を構成する導電体または半導体のいずれかと同種の導電体または半導体を用いてもよい。
トランジスタ７５１は、トランジスタ７４１についての記載を参照する。また、容量素子７５２は、容量素子７４２についての記載を参照する。なお、図３０（Ｂ）には、図２９（Ｃ）の容量素子７４２に対応した容量素子７５２の構造を示したが、これに限定されない。
なお、トランジスタ７５１の半導体に酸化物半導体を用いた場合、極めてオフ電流の小さいトランジスタとすることができる。したがって、容量素子７５２に保持された電荷がリークしにくく、長期間に渡って液晶素子７５３に印加される電圧を維持することができる。そのため、動きの少ない動画や静止画の表示の際に、トランジスタ７５１をオフ状態とすることで、トランジスタ７５１の動作のための電力が不要となり、消費電力の小さい液晶表示装置とすることができる。また、容量素子７５２の占有面積を小さくできるため、開口率の高い液晶表示装置、または高精細化した液晶表示装置を提供することができる。
トランジスタ７５１および容量素子７５２上には、絶縁体７２１が配置される。ここで、絶縁体７２１は、トランジスタ７５１に達する開口部を有する。絶縁体７２１上には、導電体７９１が配置される。導電体７９１は、絶縁体７２１の開口部を介してトランジスタ７５１と電気的に接続する。
導電体７９１上には、配向膜として機能する絶縁体７９２が配置される。絶縁体７９２上には、液晶層７９３が配置される。液晶層７９３上には、配向膜として機能する絶縁体７９４が配置される。絶縁体７９４上には、スペーサ７９５が配置される。スペーサ７９５および絶縁体７９４上には、導電体７９６が配置される。導電体７９６上には、基板７９７が配置される。
上述した構造を有することで、占有面積の小さい容量素子を有する表示装置を提供することができる、または、表示品位の高い表示装置を提供することができる。または、高精細の表示装置を提供することができる。
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できる。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（有機物及び無機物を含むＥＬ素子、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子）、白色、赤色、緑色または青色などの発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、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（ＰＤＰ）、ＭＥＭＳ（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 Ｄｉｓｐｌａｙ）などがある。液晶素子を用いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ（透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ）などがある。電子インクまたは電気泳動素子を用いた表示装置の一例としては、電子ペーパーなどがある。なお、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、さらに、消費電力を低減することができる。
なお、ＬＥＤを用いる場合、ＬＥＤの電極や窒化物半導体の下に、グラフェンやグラファイトを配置してもよい。グラフェンやグラファイトは、複数の層を重ねて、多層膜としてもよい。このように、グラフェンやグラファイトを設けることにより、その上に、窒化物半導体、例えば、結晶を有するｎ型ＧａＮ半導体などを容易に成膜することができる。さらに、その上に、結晶を有するｐ型ＧａＮ半導体などを設けて、ＬＥＤを構成することができる。なお、グラフェンやグラファイトと、結晶を有するｎ型ＧａＮ半導体との間に、ＡｌＮ層を設けてもよい。なお、ＬＥＤが有するＧａＮ半導体は、ＭＯＣＶＤで成膜してもよい。ただし、グラフェンを設けることにより、ＬＥＤが有するＧａＮ半導体は、スパッタリング法で成膜することも可能である。
＜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３１に示す。
図３１（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３１（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３１（Ｂ）は携帯データ端末であり、筐体９１１、筐体９１２、表示部９１３、表示部９１４、接続部９１５、操作キー９１６等を有する。表示部９１３は筐体９１１に設けられており、表示部９１４は筐体９１２に設けられている。そして、筐体９１１と筐体９１２とは、接続部９１５により接続されており、筐体９１１と筐体９１２の間の角度は、接続部９１５により変更が可能である。表示部９１３における映像を、接続部９１５における筐体９１１と筐体９１２との間の角度にしたがって、切り替える構成としてもよい。また、表示部９１３および表示部９１４の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしてもよい。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。または、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。
図３１（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３１（Ｄ）は電気冷凍冷蔵庫であり、筐体９３１、冷蔵室用扉９３２、冷凍室用扉９３３等を有する。
図３１（Ｅ）はビデオカメラであり、筐体９４１、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は筐体９４１に設けられており、表示部９４３は筐体９４２に設けられている。そして、筐体９４１と筐体９４２とは、接続部９４６により接続されており、筐体９４１と筐体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における筐体９４１と筐体９４２との間の角度にしたがって切り替える構成としてもよい。
図３１（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。
本実施例では、酸化物半導体の誘電率を、密度汎関数摂動論によって評価した。
計算に用いる酸化物半導体は、酸化亜鉛、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、およびＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物とした。計算に用いた構造において、酸化亜鉛の場合は原子数を４個、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の場合は原子数を２８個とした。
酸化亜鉛は、ウルツ鉱型構造の場合を仮定した（図３２（Ａ）参照。）。Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、ホモロガス構造をとるＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍにおいて、ｍが１の場合を仮定した（図３２（Ｂ）参照。）。また、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物と同様の構造を仮定し、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層のＧａをＩｎで置換することで組成を調整したものを用いた。したがって、ＧａをＩｎで置換する位置によって、複数種の構造をとりうる。ここでは、３種類の構造を仮定した。構造最適化前の原子配置を、それぞれ図３２（Ｃ）、図３２（Ｄ）および図３２（Ｅ）に示す。なお、図３２（Ｃ）には、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層の、一列全てのＧａをＩｎに置換した構造（構造Ａとも表記する。）を示す。また、図３２（Ｄ）には、ａ−ｃ面上において、ＩｎおよびＧａを互い違いに配置した構造（構造Ｂとも表記する。）を示す。また、図３２（Ｅ）には、あるａ−ｃ面上にＩｎを揃えて配置し、別のａ−ｃ面上にＧａを揃えて配置した構造（構造Ｃとも表記する。）を示す。なお、図３２（Ｆ）には、各シンボルに対応する元素を示す。
次に、第一原理計算によって、図３２（Ａ）、図３２（Ｂ）、図３２（Ｃ）、図３２（Ｄ）および図３２（Ｅ）に示した構造の構造最適化を行った。なお、計算には、平面波基底第一原理計算ソフトＶＡＳＰ（Ｖｉｅｎｎａ ａｂ−ｉｎｉｔｉｏ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐａｃｋａｇｅ）を用いた。なお、汎関数としてはＧＧＡ−ＰＢＥを用いた。また、平面波のカットオフエネルギーを、酸化亜鉛の場合は８００ｅＶとし、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の場合は６００ｅＶとした。また、ＰＡＷ（Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｗａｖｅ）法により内殻電子の効果を取り入れた。構造最適化後の構造を、それぞれ図３３（Ａ）、図３３（Ｂ）、図３３（Ｃ）、図３３（Ｄ）および図３３（Ｅ）に示す。構造最適化後も、仮定した構造に大きな乱れは見られなかった。なお、構造最適化時は、酸化亜鉛の場合は２４×２４×１６のｋ点メッシュとし、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の場合は１×１×１のｋ点メッシュとした。なお、図３３（Ｆ）には、各シンボルに対応する元素を示す。
Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の最適化後の各構造のエネルギーは、図３３（Ｃ）に示した構造が−１４９．４９３ｅＶ、図３３（Ｄ）に示した構造が−１４９．６７３ｅＶ、図３３（Ｅ）に示した構造が−１４９．８１０ｅＶとなった。したがって、構造が安定な順は、図３３（Ｅ）に示した構造、図３３（Ｄ）に示した構造、図３３（Ｃ）に示した構造となる。
次に、構造最適化後の構造において、静的誘電率の計算を行う。結果を下表に示す。なお、計算は、構造最適化に用いた条件と同じとした。なお、誘電率算出時は、酸化亜鉛の場合は２４×２４×１６のｋ点メッシュとし、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の場合は１１×９×６のｋ点メッシュとした。
酸化亜鉛に着目すると、ｃ軸に平行な方向の静的誘電率ε０‖ｃ（ε０ ３３またはε０ ｚｚとも表記する。）がわずかに高いが、ｃ軸に垂直な方向の静的誘電率ε０⊥ｃ（ε０ １１またはε０ ｘｘ、およびε０ ２２またはε０ ｙｙとも表記する。）とほとんど同程度であった。なお、上表には酸化亜鉛の実験値（Ｊ． Ｗｒｏｂｅｌ， Ｋｒｚｙｓｚｔｏｆ Ｊ． Ｋｕｒｚｙｄｌｏｗｓｋｉ， Ｋ． Ｈｕｍｍｅｒ， Ｇ． Ｋｒｅｓｓｅ ａｎｄ Ｊ． Ｐｉｅｃｈｏｔａ： Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ ２００９， Ｖｏｌｕｍｅ ８０， １５５１２４参照。）も併記する。計算値と実験値とを比較すると、計算値は実験値の傾向を再現できていることがわかった。ところで、静的誘電率の絶対値に着目すると、計算値は実験値よりも過大評価となっていることがわかる。これは、本計算手法では、エネルギーギャップを過小評価してしまうことに起因する。したがって、ここで得られた静的誘電率は相対的な値であり、実際にはもう少し低い値となる可能性が高い。なお、ε０ ｘｘと、ε０ ｙｙと、ε０ ｚｚと、は互いに直交する方向の静的誘電率を示す。
次に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物に着目すると、いずれの条件においてもｃ軸に平行な方向の静的誘電率ε０ ｚｚが大きく、ｃ軸に垂直な方向の静的誘電率ε０ ｘｘおよびε０ ｙｙが低いことがわかった。即ち、ε０ ｘｘおよびε０ ｙｙが、ε０ ｚｚよりも低いことをわかる。なお、ここでは、計算値のみ示したが、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物に関しても、静的誘電率の絶対値は、実験値との比較により導出することができる。
本実施例より、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の結晶が誘電異方性を有することがわかった。したがって、例えば、配向性を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、誘電異方性を有する可能性が高い。
本実施例では、チャネル形成領域の誘電率とトランジスタの電気特性との関連を計算により評価した。
図３４（Ａ）、図３４（Ｂ）および図３４（Ｃ）は、電気特性を計算した３次元構造のトランジスタの断面図である。なお、図３４（Ａ）は、チャネル長方向の断面図を示す。また、図３４（Ｂ）は、図３４（Ａ）において一点鎖線Ｂで示した箇所の断面図である。また、図３４（Ｃ）は、図３４（Ａ）において一点鎖線Ｃで示した箇所の断面図である。
図３４（Ａ）より、トランジスタは、第１の絶縁体（ＢＩと表記する。）と、ＢＩ上の第１の半導体（Ｓ１と表記する。）と、Ｓ１上の第２の半導体（Ｓ２と表記する。）と、Ｓ２上の第１の導電体および第２の導電体（ともにＭＥと表記する。）と、Ｓ２上およびＭＥ上の第３の半導体（Ｓ３と表記する。）と、Ｓ３上の第２の絶縁体（ＧＩと表記する。）と、ＧＩ上の第３の導電体（ＧＥと表記する。）と、を有する。また、トランジスタは、第３の絶縁体（ＰＩとも表記する。）に覆われている。図３４（Ａ）において、二つのＭＥの間の長さがチャネル長（Ｌとも表記する。）である。また、各ＭＥとＧＥとの重なる領域の長さがオーバーラップ長（Ｌｏｖとも表記する。）である。
なお、Ｓ２はチャネル形成領域としての機能を有する。また、ＭＥ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、ＧＩはゲート絶縁体としての機能を有する。また、ＧＥはゲート電極としての機能を有する。
また、図３４（Ａ）において、上下方向（例えば、ｃ軸方向）のＳ２の比誘電率をε＿ｃと表記する。また、左右方向（例えば、ａ軸方向およびｂ軸方向）のＳ２の比誘電率をε＿ａｂと表記する。また、図３４（Ｂ）および図３４（Ｃ）においても、上下方向のＳ２の比誘電率はε＿ｃであり、左右方向のＳ２の比誘電率はε＿ａｂである（図示せず。）。
図３４（Ｂ）において、Ｓ１の底部の長さがチャネル幅（Ｗとも表記する。）である。また、図３４（Ｂ）に示すように、Ｓ２の上面および側面は、Ｓ３およびＧＩを介してＧＥと面する構造を有する。なお、Ｓ２の下面から、ＧＥとＧＩとの界面（ＧＥの最下面）までの高さをｈと表記する。
図３４（Ａ）および図３４（Ｃ）に示すように、ＭＥは、Ｓ２の側面と接する領域を有さない。
計算ソフトには、Ｓｙｎｏｐｓｙｓ社のＳｅｎｔａｕｒｕｓを用いた。また、計算に用いた条件を下表に示す。
なお、Ｓ２は、Ｓ２とＭＥとの界面近傍に厚さが１ｎｍの低抵抗領域（ＭＥ下とも表記する。）を配置した。また、ＢＩのさらに下に電位を固定するためのバックゲート電極（ＢＧとも表記する。）を配置した。なお、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。
計算によって導出したＩｄ−Ｖｇ特性を図３５に示す。なお、ドレイン電圧Ｖｄは１．８Ｖとした。図３５（Ａ）は、Ｗが３０ｎｍにおけるＩｄ−Ｖｇ特性を示す。図３５（Ｂ）は、Ｗが６０ｎｍにおけるＩｄ−Ｖｇ特性を示す。図３５（Ｃ）は、Ｗが９０ｎｍにおけるＩｄ−Ｖｇ特性を示す。図３５（Ｄ）は、Ｗが１２０ｎｍにおけるＩｄ−Ｖｇ特性を示す。図３５（Ｅ）は、Ｗが１５０ｎｍにおけるＩｄ−Ｖｇ特性を示す。図３５（Ｆ）は、Ｗが１８０ｎｍにおけるＩｄ−Ｖｇ特性を示す。
図３５で得られたＩｄ−Ｖｇ特性より、ドレイン電流Ｉｄが１×１０−１２Ａとなるときのゲート電圧Ｖｇと、ε＿ａｂと、の関係を図３６（Ａ）に示す。図３６（Ａ）より、いずれのチャネル幅においても、ドレイン電流Ｉｄが１×１０−１２Ａにおけるゲート電圧Ｖｇは、ε＿ａｂを小さくするほど高い値をとることがわかった。
また、図３５で得られたＩｄ−Ｖｇ特性より、サブスレッショルドスイング値と、ε＿ａｂと、の関係を図３６（Ｂ）に示す。図３６（Ｂ）より、いずれのチャネル幅においても、ε＿ａｂを小さくするほど低いサブスレッショルドスイング値をとることがわかった。
次に、図３５で得られたＩｄ−Ｖｇ特性より、トランジスタの電界効果移動度を導出した（図３７参照。）。なお、図３５（Ａ）、図３５（Ｂ）、図３５（Ｃ）、図３５（Ｄ）、図３５（Ｅ）および図３５（Ｆ）と、図３７（Ａ）、図３７（Ｂ）、図３７（Ｃ）、図３７（Ｄ）、図３７（Ｅ）および図３７（Ｆ）と、がそれぞれ対応する。
図３７より、いずれのチャネル幅においても、ε＿ａｂが低いほど、電界効果移動度が高くなることがわかった。
以上に示したように、ε＿ｃを固定してε＿ａｂを変化させた場合、ε＿ａｂが低いほどトランジスタの電気特性が良好になることがわかる。
２００ 撮像装置
２０１ スイッチ
２０２ スイッチ
２０３ スイッチ
２１０ 画素部
２１１ 画素
２１２ 副画素
２１２Ｂ 副画素
２１２Ｇ 副画素
２１２Ｒ 副画素
２２０ 光電変換素子
２３０ 画素回路
２３１ 配線
２４７ 配線
２４８ 配線
２４９ 配線
２５０ 配線
２５３ 配線
２５４ フィルタ
２５４Ｂ フィルタ
２５４Ｇ フィルタ
２５４Ｒ フィルタ
２５５ レンズ
２５６ 光
２５７ 配線
２６０ 周辺回路
２７０ 周辺回路
２８０ 周辺回路
２９０ 周辺回路
２９１ 光源
３００ シリコン基板
３１０ 層
３２０ 層
３３０ 層
３４０ 層
３５１ トランジスタ
３５２ トランジスタ
３５３ トランジスタ
３６０ フォトダイオード
３６１ アノード
３６３ 低抵抗領域
３７０ プラグ
３７１ 配線
３７２ 配線
３７３ 配線
３８０ 絶縁体
４００ 基板
４０１ 絶縁体
４０２ 絶縁体
４０４ 導電体
４０６ 半導体
４０６ａ 半導体
４０６ｃ 半導体
４０８ 絶縁体
４１２ 絶縁体
４１３ 導電体
４１４ 導電体
４１６ａ 導電体
４１６ｂ 導電体
４１８ 絶縁体
４２３ａ 低抵抗領域
４２３ｂ 低抵抗領域
４２４ａ 導電体
４２４ｂ 導電体
４２６ａ 導電体
４２６ｂ 導電体
４２８ 絶縁体
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
６００ 基板
６０４ 導電体
６０６ 半導体
６１２ 絶縁体
６１３ 導電体
６１６ａ 導電体
６１６ｂ 導電体
６１８ 絶縁体
６２０ 絶縁体
７００ 基板
７０４ａ 導電体
７０４ｂ 導電体
７０６ 半導体
７１２ａ 絶縁体
７１２ｂ 絶縁体
７１４ａ 導電体
７１４ｂ 導電体
７１６ａ 導電体
７１６ｂ 導電体
７１８ａ 絶縁体
７１８ｂ 絶縁体
７１８ｃ 絶縁体
７１９ 発光素子
７２０ 絶縁体
７２１ 絶縁体
７３１ 端子
７３２ ＦＰＣ
７３３ａ 配線
７３４ シール材
７３５ 駆動回路
７３６ 駆動回路
７３７ 画素
７４１ トランジスタ
７４２ 容量素子
７４３ スイッチ素子
７４４ 信号線
７５０ 基板
７５１ トランジスタ
７５２ 容量素子
７５３ 液晶素子
７５４ 走査線
７５５ 信号線
７８１ 導電体
７８２ 発光層
７８３ 導電体
７８４ 隔壁
７９１ 導電体
７９２ 絶縁体
７９３ 液晶層
７９４ 絶縁体
７９５ スペーサ
７９６ 導電体
７９７ 基板
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
５１００ ナノ結晶
５１２０ 基板
５１６１ 領域

Claims (3)

  1. 第１のゲート電極と、
    前記第１のゲート電極上方の第１のゲート絶縁体と、
    前記第１のゲート絶縁体上方の酸化物半導体と、
    前記酸化物半導体上方の第１の導電体及び第２の導電体と、
    前記酸化物半導体上方、前記第１の導電体上方、かつ、前記第２の導電体上方の第２のゲート絶縁体と、
    前記第２のゲート絶縁体上方の第２のゲート電極と、
    前記第２のゲート電極上方、前記第１の導電体上方、かつ、前記第２の導電体上方の絶縁体と、を有し、
    前記第１の導電体は、前記第２のゲート絶縁体を介して前記第２のゲート電極と重なる領域を有し、
    前記第２の導電体は、前記第２のゲート絶縁体を介して前記第２のゲート電極と重なる領域を有し、
    前記第１の導電体の下端部は、前記酸化物半導体の上端部と一致している領域を有し、
    前記第２の導電体の下端部は、前記酸化物半導体の上端部と一致している領域を有し、
    前記絶縁体は、前記酸化物半導体の側面と接する領域を有し、
    前記酸化物半導体の膜厚方向における誘電率は、前記酸化物半導体のチャネル長方向における誘電率、または、前記酸化物半導体のチャネル幅方向における誘電率よりも高い半導体装置。
  2. 第１のゲート電極と、
    前記第１のゲート電極上方の第１のゲート絶縁体と、
    前記第１のゲート絶縁体上方の酸化物半導体と、
    前記酸化物半導体上方の第１の導電体及び第２の導電体と、
    前記酸化物半導体上方、前記第１の導電体上方、かつ、前記第２の導電体上方の第２のゲート絶縁体と、
    前記第２のゲート絶縁体上方の第２のゲート電極と、
    前記第２のゲート電極上方、前記第１の導電体上方、かつ、前記第２の導電体上方の絶縁体と、を有し、
    前記第１の導電体は、前記第２のゲート絶縁体を介して前記第２のゲート電極と重なる領域を有し、
    前記第２の導電体は、前記第２のゲート絶縁体を介して前記第２のゲート電極と重なる領域を有し、
    前記第１の導電体の下端部は、前記酸化物半導体の上端部と一致している領域を有し、
    前記第２の導電体の下端部は、前記酸化物半導体の上端部と一致している領域を有し、
    前記絶縁体は、前記酸化物半導体の側面と接する領域を有し、
    前記絶縁体は、酸素または水素をブロックする機能を有し、
    前記酸化物半導体の膜厚方向における誘電率は、前記酸化物半導体のチャネル長方向における誘電率、または、前記酸化物半導体のチャネル幅方向における誘電率よりも高い半導体装置。
  3. 請求項１または請求項２において、
    前記酸化物半導体は、インジウム、亜鉛、及び元素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）から選ばれた一種以上を有する半導体装置。
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