JP6647846B2 - 半導体装置 - Google Patents

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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、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、撮像装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法に関する。特に、本発明の一態様は、半導体装置またはその作製方法に関する。
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。トランジスタ、半導体回路は半導体装置の一態様である。また、記憶装置、表示装置、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に形成された半導体膜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（ＩＣ）や画像表示装置（表示装置）のような電子デバイス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薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。
例えば、トランジスタの活性層として、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、および亜鉛（Ｚｎ）を含む非晶質酸化物半導体を用いたトランジスタが特許文献１に開示されている。
特開２００６−１６５５２８号公報
酸化物半導体における酸素欠損はドナーの形成に寄与することが知られており、トランジスタのチャネル形成領域に酸化物半導体を用いる場合は、酸素欠損の極力少ない酸化物半導体層を用いることが好ましい。
しかしながら、初期の酸化物半導体層の酸素欠損が少ない場合でも、トランジスタの作製工程における様々な要因によって酸素欠損は増加しうる。酸化物半導体層中の酸素欠損が増加すると、例えば、トランジスタのノーマリーオン化、リーク電流の増大、ストレス印加によるしきい値電圧のシフトなど、電気特性の不良を引き起こす場合がある。
一方で、酸素欠損以外の要因も特性変動も起こすことが知られており、例えば、界面準位や、不純物がチャネル近傍に存在することにより電気特性の不良を引き起こす場合がある。
したがって、本発明の一態様は、酸化物半導体層中の酸素欠損を低減できる構成の半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、酸化物半導体層近傍の界面準位を低減することができる構成の半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、電気特性が良好な半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、信頼性の高い半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、低消費電力の半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、簡易な工程で形成することができる半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、新規な半導体装置などを提供することを目的の一つとする。または上記半導体装置の作製方法を提供することを目的の一つとする。
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。
本発明の一態様は、第１の絶縁層と、第１の絶縁層上に形成された第１の酸化物半導体層と、第１の酸化物半導体層上に形成された第２の酸化物半導体層と、第２の酸化物半導体層上に形成された第３の酸化物半導体層と、第３の酸化物半導体層上に形成されたソース電極層およびドレイン電極層と、ソース電極層、ドレイン電極層、および第３の酸化物半導体層上に形成された第４の酸化物半導体層と、第４の酸化物半導体層上に形成されたゲート絶縁層と、ソース電極層、ドレイン電極層、および第４の酸化物半導体層と重なるようにゲート絶縁層上に形成されたゲート電極層と、第１の絶縁層、ソース電極層、ゲート電極層、およびドレイン電極層上に形成された第２の絶縁層と、を有していることを特徴とする半導体装置である。
本発明の一態様は、第１の絶縁層と、第１の絶縁層上に形成された第１の酸化物半導体層と、第１の酸化物半導体層上に形成された第２の酸化物半導体層と、第２の酸化物半導体層上に形成された第３の酸化物半導体層と、第３の酸化物半導体層上に形成されたソース電極層およびドレイン電極層と、ソース電極層、ドレイン電極層、および第３の酸化物半導体層上に形成された第４の酸化物半導体層と、第４の酸化物半導体層上に形成されたゲート絶縁層と、ソース電極層、ドレイン電極層、および第４の酸化物半導体層と重なるようにゲート絶縁層上に形成されたゲート電極層と、第１の絶縁層、ソース電極層、ゲート電極層、およびドレイン電極層上に形成された中間層と、第１の絶縁層と、中間層上に形成された第２の絶縁層を有し、中間層は、第１の酸化物半導体層、第２の酸化物半導体層、第３の酸化物半導体層の外周を囲むように設けることを特徴とする半導体装置である。
第２の絶縁層は、水、水素、酸素に対してバリア性を有していることが好ましい。
また、第２の絶縁層は、酸素を供給する機能を有することが好ましい。
また、第２の絶縁層は、酸化アルミニウムであることが好ましい。
また、中間層は、水、水素、酸素に対してバリア性を有していることが好ましい。
中間層は、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化スズ、酸化スズインジウム、酸化タンタル、酸化シリコン、酸化マンガン、酸化ニッケル、酸化エルビウム、酸化コバルト、酸化テルル、チタン酸バリウム、窒化チタン、窒化タンタル、窒化アルミニウム、窒化タングステン、窒化コバルト、窒化シリコン、窒化マンガン、窒化ハフニウムのいずれかであることが好ましい。
本発明の一態様は、第１の絶縁層を形成し、第１の絶縁層上に第１の酸化物半導体膜を形成し、第１の酸化物半導体膜に酸素を添加し、第１の酸化物半導体膜上に第２の酸化物半導体膜を形成し、第２の酸化物半導体膜上に第３の酸化物半導体膜を形成し、第３の酸化物半導体膜上に第１の導電膜を形成し、第１のレジストマスクを用いて第１の導電膜をエッチングすることにより第１の導電層を形成し、第１の導電層をマスクとして用いて第１の酸化物半導体膜、第２の酸化物半導体膜、および第３の酸化物半導体膜を選択的にエッチングすることにより、第１の酸化物半導体層と第２の酸化物半導体層と、第３の酸化物半導体層を形成し、第２のレジストマスクを用いて第１の導電層を選択的にエッチングすることにより、ソース電極層およびドレイン電極層を形成し、第１の絶縁層、ソース電極層、ドレイン電極層、および第３の酸化物半導体層上に形成された第４の酸化物半導体膜を形成し、第４の酸化物半導体膜上に第２の絶縁膜を形成し、第２の絶縁膜上に第２の導電膜を形成し、第２の導電膜を第３のレジストマスクを用いて選択的にエッチングすることにより、ゲート電極層を形成し、第４の酸化物半導体膜と、第２の絶縁膜とを、第４のレジストマスクを用いて選択的にエッチングすることにより、第４の酸化物半導体層と、ゲート絶縁層を形成し、第１の絶縁層、ソース電極層、ゲート電極層、およびドレイン電極層上に第３の絶縁層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法である。
また、本発明の別の一態様は、第１の絶縁層を形成し、第１の絶縁層上に第１の酸化物半導体膜を形成し、第１の酸化物半導体膜に酸素を添加し、第１の酸化物半導体膜上に第２の酸化物半導体膜を形成し、第２の酸化物半導体膜上に第３の酸化物半導体膜を形成し、第３の酸化物半導体膜上に第１の導電膜を形成し、第１のレジストマスクを用いて第１の導電膜をエッチングすることにより第１の導電層を形成し、第１の導電層をマスクとして用いて第１の酸化物半導体膜、第２の酸化物半導体膜および第３の酸化物半導体膜を選択的にエッチングすることにより、第１の酸化物半導体層と、第２の酸化物半導体層と、第３の酸化物半導体層を形成し、第２のレジストマスクを用いて第１の導電層を選択的にエッチングすることにより、ソース電極層およびドレイン電極層を形成し、第１の絶縁層、ソース電極層、ドレイン電極層、および第３の酸化物半導体層上に形成された第４の酸化物半導体膜を形成し、第４の酸化物半導体膜上に第２の絶縁膜を形成し、第２の絶縁膜上に第２の導電膜を形成し、第２の導電膜を第３のレジストマスクを用いて選択的にエッチングすることにより、ゲート電極層を形成し、第４の酸化物半導体膜と、ゲート絶縁膜とを、第４のレジストマスクを用いて選択的にエッチングすることにより、第４の酸化物半導体層と、ゲート絶縁層を形成し、第１の絶縁層、ソース電極層、ゲート電極層、およびドレイン電極層上に中間膜を形成し、中間膜が第１の酸化物半導体層、第２の酸化物半導体層、および第３の酸化物半導体層の外周を囲むようなレジストマスクを用いて選択的にエッチングすることにより、中間層を形成し、第１の絶縁層、および中間層上に、第３の絶縁層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法である。
第３の絶縁膜は、スパッタリング法により形成することが好ましい。
また、中間膜は、ＡＬＤ法により形成することが好ましい。
また、第３の絶縁膜として酸化アルミニウムを形成することが好ましい。
また、中間膜として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化スズ、酸化スズインジウム、酸化タンタル、酸化シリコン、酸化マンガン、酸化ニッケル、酸化エルビウム、酸化コバルト、酸化テルル、チタン酸バリウム、窒化チタン、窒化タンタル、窒化アルミニウム、窒化タングステン、窒化コバルト、窒化シリコン、窒化マンガン、窒化ハフニウムのいずれかを形成することが好ましい。
また、本発明の別の一態様は、半導体装置と、マイクと、スピーカーと、筐体を用いた構成とする電子機器である。
本発明の一態様を用いることにより、酸化物半導体層中の酸素欠損を低減できる構成の半導体装置を提供することができる。または、酸化物半導体層近傍の界面準位を低減することができる構成の半導体装置を提供することができる。または、電気特性が良好な半導体装置を提供することができる。または、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、低消費電力の半導体装置を提供することができる。または、簡易な工程で形成することができる半導体装置を提供することができる。または、新規な半導体装置などを提供することができる。または上記半導体装置の作製方法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、必ずしも、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。
トランジスタを説明する上面図および断面図。 トランジスタの作製方法を説明する断面図。 トランジスタの作製方法を説明する断面図。 酸化物半導体層のバンド図。 ＡＬＤ成膜原理。 ＡＬＤ装置概要図。 トランジスタを説明する上面図および断面図。 トランジスタの作製方法を説明する断面図。 トランジスタを説明する上面図および断面図。 トランジスタの作製方法を説明する断面図。 トランジスタを説明する上面図および断面図。 トランジスタの作製方法を説明する断面図。 トランジスタの作製方法を説明する断面図。 トランジスタを説明する上面図および断面図。 トランジスタの作製方法を説明する断面図。 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 半導体装置の断面図および回路図。 半導体装置の断面図および回路図。 撮像装置を示す平面図。 撮像装置の画素を示す平面図。 撮像装置を示す断面図。 撮像装置を示す断面図。 ＲＦタグの構成例を説明する図。 ＣＰＵの構成例を説明する図。 記憶素子の回路図。 表示装置の構成例を説明する図および画素の回路図。 表示モジュールを説明する図。 リードフレーム型のインターポーザを用いたパッケージの断面構造を表す斜視図。 電子機器を説明する図。 電子機器を説明する図。 電子機器を説明する図。 電子機器を説明する図。 ＴＤＳ測定結果を説明する図。 ＴＤＳ測定結果を説明する図。 ＴＤＳ測定結果を説明する図。 作製したトランジスタの断面図。 トランジスタの電気特性結果。
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなく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。したがって、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、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略することがある。なお、図を構成する同じ要素のハッチングを異なる図面間で適宜省略または変更する場合もある。
例えば、本明細書等において、ＸとＹとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合と、ＸとＹとが直接接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に記載されているものとする。
ここで、Ｘ、Ｙは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
ＸとＹとが直接的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に接続されていない場合であり、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）を介さずに、ＸとＹとが、接続されている場合である。
ＸとＹとが電気的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、スイッチは、導通状態（オン状態）、または、非導通状態（オフ状態）になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有している。または、スイッチは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有している。なお、ＸとＹとが電気的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合を含むものとする。
ＸとＹとが機能的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの機能的な接続を可能とする回路（例えば、論理回路（インバータ、ＮＡＮＤ回路、ＮＯＲ回路など）、信号変換回路（ＤＡ変換回路、ＡＤ変換回路、ガンマ補正回路など）、電位レベル変換回路（電源回路（昇圧回路、降圧回路など）、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など）、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路（信号振幅または電流量などを大きく出来る回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など）、信号生成回路、記憶回路、制御回路など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、一例として、ＸとＹとの間に別の回路を挟んでいても、Ｘから出力された信号がＹへ伝達される場合は、ＸとＹとは機能的に接続されているものとする。なお、ＸとＹとが機能的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合と、ＸとＹとが電気的に接続されている場合とを含むものとする。
なお、ＸとＹとが電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の素子又は別の回路を挟んで接続されている場合）と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の回路を挟んで機能的に接続されている場合）と、ＸとＹとが直接接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の素子又は別の回路を挟まずに接続されている場合）とが、本明細書等に開示されているものとする。つまり、電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、単に、接続されている、とのみ明示的に記載されている場合と同様な内容が、本明細書等に開示されているものとする。
なお、例えば、トランジスタのソース（又は第１の端子など）が、Ｚ１を介して（又は介さず）、Ｘと電気的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）が、Ｚ２を介して（又は介さず）、Ｙと電気的に接続されている場合や、トランジスタのソース（又は第１の端子など）が、Ｚ１の一部と直接的に接続され、Ｚ１の別の一部がＸと直接的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）が、Ｚ２の一部と直接的に接続され、Ｚ２の別の一部がＹと直接的に接続されている場合では、以下のように表現することが出来る。
例えば、「ＸとＹとトランジスタのソース（又は第１の端子など）とドレイン（又は第２の端子など）とは、互いに電気的に接続されており、Ｘ、トランジスタのソース（又は第１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙの順序で電気的に接続されている。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、Ｘと電気的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）はＹと電気的に接続され、Ｘ、トランジスタのソース（又は第１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙは、この順序で電気的に接続されている」と表現することができる。または、「Ｘは、トランジスタのソース（又は第１の端子など）とドレイン（又は第２の端子など）とを介して、Ｙと電気的に接続され、Ｘ、トランジスタのソース（又は第１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙは、この接続順序で設けられている」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続の順序について規定することにより、トランジスタのソース（又は第１の端子など）と、ドレイン（又は第２の端子など）とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。
または、別の表現方法として、例えば、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、少なくとも第１の接続経路を介して、Ｘと電気的に接続され、上記第１の接続経路は、第２の接続経路を有しておらず、上記第２の接続経路は、トランジスタを介した、トランジスタのソース（又は第１の端子など）とトランジスタのドレイン（又は第２の端子など）との間の経路であり、上記第１の接続経路は、Ｚ１を介した経路であり、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）は、少なくとも第３の接続経路を介して、Ｙと電気的に接続され、上記第３の接続経路は、上記第２の接続経路を有しておらず、上記第３の接続経路は、Ｚ２を介した経路である。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、少なくとも第１の接続経路によって、Ｚ１を介して、Ｘと電気的に接続され、上記第１の接続経路は、第２の接続経路を有しておらず、上記第２の接続経路は、トランジスタを介した接続経路を有し、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）は、少なくとも第３の接続経路によって、Ｚ２を介して、Ｙと電気的に接続され、上記第３の接続経路は、上記第２の接続経路を有していない。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、少なくとも第１の電気的パスによって、Ｚ１を介して、Ｘと電気的に接続され、上記第１の電気的パスは、第２の電気的パスを有しておらず、上記第２の電気的パスは、トランジスタのソース（又は第１の端子など）からトランジスタのドレイン（又は第２の端子など）への電気的パスであり、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）は、少なくとも第３の電気的パスによって、Ｚ２を介して、Ｙと電気的に接続され、上記第３の電気的パスは、第４の電気的パスを有しておらず、上記第４の電気的パスは、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）からトランジスタのソース（又は第１の端子など）への電気的パスである。」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続経路について規定することにより、トランジスタのソース（又は第１の端子など）と、ドレイン（又は第２の端子など）とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。
なお、これらの表現方法は、一例であり、これらの表現方法に限定されない。ここで、Ｘ、Ｙ、Ｚ１、Ｚ２は、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
なお、回路図上は独立している構成要素同士が電気的に接続しているように図示されている場合であっても、１つの構成要素が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合もある。例えば配線の一部が電極としても機能する場合は、一の導電膜が、配線の機能、及び電極の機能の両方の構成要素の機能を併せ持っている。したがって、本明細書における電気的に接続とは、このような、一の導電膜が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合も、その範疇に含める。
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及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。従って、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、以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。
＜図面を説明する記載に関する付記＞
本明細書において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。従って、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
また、「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が直上又は直下で、かつ、直接接していることを限定するものではない。例えば、「絶縁層Ａ上の電極Ｂ」の表現であれば、絶縁層Ａの上に電極Ｂが直接接して形成されている必要はなく、絶縁層Ａと電極Ｂとの間に他の構成要素を含むものを除外しない。
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。
また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、説明の便宜上任意の大きさに示したものである。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は明確性を期すために模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。
また、図面において、上面図（平面図、レイアウト図ともいう）や斜視図などにおいて、図面の明確性を期すために、一部の構成要素の記載を省略している場合がある。
また、「同一」とは、同一の面積を有してよいし、同一の形状を有してもよい。また、製造工程の関係上、完全に同一の形状とならないことも想定されるので、略同一であっても同一であると言い換えることができる。
＜言い換え可能な記載に関する付記＞
本明細書等において、トランジスタの接続関係を説明する際、ソースとドレインとの一方を、「ソース又はドレインの一方」（又は第１電極、又は第１端子）と表記し、ソースとドレインとの他方を「ソース又はドレインの他方」（又は第２電極、又は第２端子）と表記している。これは、トランジスタのソースとドレインは、トランジスタの構造又は動作条件等によって変わるためである。なおトランジスタのソースとドレインの呼称については、ソース（ドレイン）端子や、ソース（ドレイン）電極等、状況に応じて適切に言い換えることができる。
また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。
また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン（ドレイン端子、ドレイン領域又はドレイン電極）とソース（ソース端子、ソース領域又はソース電極）の間にチャネル領域を有しており、ドレインとチャネル領域とソースとを介して電流を流すことができるものである。
ここで、ソースとドレインとは、トランジスタの構造又は動作条件等によって変わるため、いずれがソース又はドレインであるかを限定することが困難である。そこで、ソースとして機能する部分、及びドレインとして機能する部分を、ソース又はドレインと呼ばず、ソースとドレインとの一方を第１電極と表記し、ソースとドレインとの他方を第２電極と表記する場合がある。
なお本明細書にて用いる「第１」、「第２」、「第３」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
また、本明細書等では、表示パネルの基板に、例えばＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ）もしくはＴＣＰ（Ｔａｐｅ Ｃａｒｒｉｅｒ Ｐａｃｋａｇｅ）などが取り付けられたもの、または基板にＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）方式によりＩＣ（集積回路）が直接実装されものを、表示装置と呼ぶ場合がある。
また、「膜」という言葉と、「層」という言葉とは、場合によっては、または、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。
＜接続について＞
本明細書において、ＡとＢとが接続されている、とは、ＡとＢとが直接接続されているものの他、電気的に接続されているものを含むものとする。ここで、ＡとＢとが電気的に接続されているとは、ＡとＢとの間で、何らかの電気的作用を有する対象物が存在するとき、ＡとＢとの電気信号の授受を可能とするものをいう。
なお、ある一つの実施の形態の中で述べる内容（一部の内容でもよい）は、その実施の形態で述べる別の内容（一部の内容でもよい）、および／又は、一つ若しくは複数の別の実施の形態で述べる内容（一部の内容でもよい）に対して、適用、組み合わせ、又は置き換えなどを行うことが出来る。
なお、実施の形態の中で述べる内容とは、各々の実施の形態において、様々な図を用いて述べる内容、又は明細書に記載される文章を用いて述べる内容のことである。
なお、ある一つの実施の形態において述べる図（一部でもよい）は、その図の別の部分、その実施の形態において述べる別の図（一部でもよい）、および／又は、一つ若しくは複数の別の実施の形態において述べる図（一部でもよい）に対して、組み合わせることにより、さらに多くの図を構成させることが出来る。
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置と、その製造方法について図面を用いて説明する。
図１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明の一態様のトランジスタ１０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間の断面であり、図１（Ｃ）は図１（Ａ）に示す一点鎖線Ｂ１−Ｂ２間の断面図である。なお、図１（Ａ）では、図の明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。また、一点鎖線Ａ１−Ａ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｂ１−Ｂ２方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
トランジスタ１０は、基板１００上に形成された絶縁層１１０と、絶縁層１１０上に形成された酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３と、酸化物半導体層１２３上に形成され、ソース電極層１３０およびドレイン電極層１４０と、絶縁層１１０、酸化物半導体層１２１乃至１２３、ソース電極層１３０、ドレイン電極層１４０上に形成された酸化物半導体層１２４と、酸化物半導体層１２４上に形成されたゲート絶縁層１５０と、当該ゲート絶縁層上に形成されたゲート電極層１６０を有する。なお、ゲート電極層１６０はゲート電極層１６１およびゲート電極層１６２の積層とした例を図示したが単層であってもよい。トランジスタ１０に含まれる酸化物半導体層１２４およびゲート絶縁層１５０の端部は、ゲート電極層１６０より外側に位置する。また、ゲート絶縁層１５０およびゲート電極層１６０上には絶縁層１７０が設けられていてもよい。また、絶縁層１７０上に酸化物で形成された絶縁層１８０が有していてもよい。絶縁層１７０、絶縁層１８０は必要に応じて設ければよく、さらにその上部に他の絶縁層を形成してもよい。また、絶縁層１８０上に導電層１９０を有することができる。また、上記に述べた構造は、酸化物半導体層１２３、酸化物半導体層１２４と、ソース電極層１３０、およびドレイン電極層１４０とが接するため、トランジスタ１０の動作時に酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、および酸化物半導体層１２４内に生じる熱に対して、放熱効果が高い特徴を有する。
トランジスタ１０は、図１（Ｃ）に示すように、チャネル幅方向において、ゲート電極層１６０はゲート絶縁層１５０を介して酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３の側面と対向する。即ち、ゲート電極層１６０に電圧が印加されると、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３は、チャネル幅方向においてゲート電極層１６０の電界で囲まれる。ゲート電極層１６０の電界で半導体層が囲まれるトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。ここで、酸化物半導体層１２１と、酸化物半導体層１２２と、酸化物半導体層１２３と、酸化物半導体層１２４を合わせて酸化物半導体層１２０とした場合、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造のトランジスタにおいて、オン状態では酸化物半導体層１２０の全体（バルク）にチャネルが形成されるため、オン電流が増大する。一方、オフ状態の場合、酸化物半導体層１２０に形成されるチャネル領域の全領域を空乏化するため、オフ電流をさらに小さくすることができる。
＜チャネル長について＞
なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース（ソース領域またはソース電極）とドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
＜チャネル幅について＞
チャネル幅とは、例えば、上面図において半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅（以下、実効的なチャネル幅と呼ぶ。）と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅（以下、見かけ上のチャネル幅と呼ぶ。）と、が異なる場合がある。例えば、立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、半導体の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。
＜ＳＣＷについて＞
そこで、本明細書では、トランジスタの上面図において、半導体とゲート電極とが重なる領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さである見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅（ＳＣＷ：Ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｗｉｄｔｈ）」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを取得して、その画像を解析することなどによって、値を決定することができる。
なお、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求める場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。
＜トランジスタの構成＞
以下に本実施の形態のトランジスタの構成について示す。
《基板１００》
基板１００には、例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンからなる単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムからなる化合物半導体基板、ＳＯＩ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などを用いることも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを用いてもよい
基板１００は、単なる支持材料に限らず、他のトランジスタなどのデバイスが形成された基板であってもよい。この場合、トランジスタのゲート電極層１６０、ソース電極層１３０、およびドレイン電極層１４０の一つは、上記の他のデバイスと電気的に接続されていてもよい。
また、基板１００として、可撓性基板を用いてもよい。なお、可撓性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可撓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、可撓性基板である基板１００に転置する方法もある。その場合には、非可撓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１００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１００が伸縮性を有してもよい。また、基板１００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１００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１００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１００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１００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。
可撓性基板である基板１００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。可撓性基板である基板１００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。可撓性基板である基板１００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、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可撓性基板である基板１００として好適である。
《絶縁層１１０》
絶縁層１１０は、基板１００からの不純物の拡散を防止する役割を有するほか、酸化物半導体層１２０に酸素を供給する役割を担うことができる。したがって、絶縁層１１０は酸素を含む絶縁膜であることが好ましく、化学量論組成よりも多い酸素を含む絶縁膜であることがより好ましい。例えば、ＴＤＳ法にて、酸素原子に換算しての酸素放出量が１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である膜とする。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。また、上述のように基板１００が他のデバイスが形成された基板である場合、絶縁層１１０は、層間絶縁膜としての機能も有する。その場合は、表面が平坦になるようにＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法等で平坦化処理を行うことが好ましい。
《酸化物半導体層１２１、１２２、１２３、１２４》
酸化物半導体層１２３は、Ｉｎ若しくはＺｎを含む酸化物半導体膜であり、代表的には、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ酸化物、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｍｇ、またはＮｄ）がある。
酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、および酸化物半導体層１２４として用いることのできる酸化物半導体は、少なくともインジウム（Ｉｎ）もしくは亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。または、ＩｎとＺｎの双方を含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすため、それらと共に、スタビライザーを含むことが好ましい。
スタビライザーとしては、ガリウム（Ｇａ）、スズ（Ｓｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、アルミニウム（Ａｌ）、またはジルコニウム（Ｚｒ）等がある。また、他のスタビライザーとしては、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（ＴＢ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（ＹＢ）、ルテチウム（Ｌｕ）等がある。
なお、酸化物半導体層１２３がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＺｎおよびＯを除いてのＩｎとＭの原子の比率は、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６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。
酸化物半導体層１２３中のインジウムやガリウムなどの含有量は、飛行時間型二次イオン質量分析法（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ）や、Ｘ線電子分光法（ＸＰＳ）、ＩＣＰ質量分析（ＩＣＰ−ＭＳ）で比較できる。
酸化物半導体層１２３は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上であるため、トランジスタ１０のオフ電流を低減することができる。
酸化物半導体層１２３の厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。
酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２および酸化物半導体層１２４は、酸化物半導体層１２３を構成する元素の一種以上から構成される酸化物半導体膜である。このため、酸化物半導体層１２３と酸化物半導体層１２２、および酸化物半導体層１２４との界面において、界面散乱が起こりにくい。従って、該界面においてはキャリアの動きが阻害されないため、トランジスタ１０の電界効果移動度が高くなる。
酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２および酸化物半導体層１２４は、代表的には、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ酸化物、Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ酸化物、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｍｇ、またはＮｄ）であり、且つ酸化物半導体層１２３よりも伝導帯下端のエネルギー準位が真空準位に近く、代表的には、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２および酸化物半導体層１２４の伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物半導体層１２３の伝導帯下端のエネルギー準位との差が、０．０５ｅＶ以上、０．０７ｅＶ以上、０．１ｅＶ以上、または０．２ｅＶ以上、且つ２ｅＶ以下、１ｅＶ以下、０．５ｅＶ以下、または０．４ｅＶ以下である。即ち、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２および酸化物半導体層１２４の電子親和力と、酸化物半導体層１２３との電子親和力との差が、０．０５ｅＶ以上、０．０７ｅＶ以上、０．１ｅＶ以上、または０．２ｅＶ以上、且つ２ｅＶ以下、１ｅＶ以下、０．５ｅＶ以下、または０．４ｅＶ以下である。なお、電子親和力は、真空準位と伝導帯下端のエネルギー準位との差を示す。
酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２および酸化物半導体層１２４として、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｍｇ、またはＮｄを、Ｉｎより高い原子数比で有することで、以下の効果を有する場合がある。（１）酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２および酸化物半導体層１２４のエネルギーギャップを大きくする。（２）酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２および酸化物半導体層１２４の電子親和力を小さくする。（３）外部からの不純物を遮蔽する。（４）酸化物半導体層１２３と比較して、絶縁性が高くなる。（５）Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｍｇ、またはＮｄは、酸素との結合力が強い金属元素であるため、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｍｇ、またはＮｄをＩｎより高い原子数比で有することで、酸素欠損が生じにくくなる。
なお、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２および酸化物半導体層１２４は、酸化物半導体層１２３と比較して絶縁性が高いため、ゲート絶縁層と同様の機能を有する。
酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２および酸化物半導体層１２４がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＺｎおよびＯを除いてのＩｎおよびＭの原子数比率は、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。
また、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、および酸化物半導体層１２４がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｍｇ、またはＮｄ）の場合、酸化物半導体層１２３と比較して、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２および酸化物半導体層１２４に含まれるＭ（Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｍｇ、またはＮｄ）の原子数比が高く、代表的には、酸化物半導体層１２３に含まれる上記原子と比較して、１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上高い原子数比である。前述のＭで表した元素はインジウムよりも酸素と強く結合するため、酸素欠損が酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２および酸化物半導体層１２４に生じることを抑制する機能を有する。即ち、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２および酸化物半導体層１２４は酸化物半導体層１２３よりも酸素欠損が生じにくい酸化物半導体膜である。
また、酸化物半導体層１２３は、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２および酸化物半導体層１２４よりもインジウムの含有量を多くするとよい。酸化物半導体では主として重金属のｓ軌道がキャリア伝導に寄与しており、Ｉｎの含有率を多くすることにより、より多くのｓ軌道が重なるため、ＩｎがＭよりも多い組成となる酸化物はＩｎがＭと同等または少ない組成となる酸化物と比較して移動度が高くなる。そのため、酸化物半導体層１２３にインジウムの含有量が多い酸化物を用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。
また、酸化物半導体層１２３がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ｍは、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｍｇ、またはＮｄ）の場合、酸化物半導体層１２３を成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１とすると、ｘ１／ｙ１は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であって、ｚ１／ｙ１は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であることが好ましい。なお、ｚ１／ｙ１を１以上６以下とすることで、酸化物半導体層１２３としてＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜が形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、２：１：１．５、２：１：２．３、２：１：３、３：１：２、４：２：３、４：２：４．１等がある。
また、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２および酸化物半導体層１２４がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ｍは、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｍｇ、またはＮｄ）の場合、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２および酸化物半導体層１２４を成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２とすると、ｘ２／ｙ２＜ｘ１／ｙ１であって、ｚ２／ｙ２は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であることが好ましい。なお、ｚ２／ｙ２を１以上６以下とすることで、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２および酸化物半導体層１２４としてＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：２、１：３：４、１：３：６、１：３：８、１：４：４、１：４：５、１：４：６、１：４：７、１：４：８、１：５：５、１：５：６、１：５：７、１：５：８、１：６：８、１：６：４、１：９：６等がある。
なお、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２および酸化物半導体層１２４の原子数比はそれぞれ、誤差として上記の原子数比のプラスマイナス４０％の変動を含む。
また、酸化物半導体層１２４は、金属酸化物、例えば酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化シリコン、酸化ゲルマニウム、または酸化ジルコニアに置き換えることもできるし、酸化物半導体層１２４上に当該金属酸化物を有することもできる。
なお、原子数比はこれらに限られず、必要とする半導体特性に応じて適切な原子数比のものを用いればよい。
また、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２および酸化物半導体層１２４は同じ組成でもよい。例えば、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２および酸化物半導体層１２４としてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２、１：３：４、または１：４：５の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いてもよい。
または、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２および酸化物半導体層１２４は異なった組成でもよい。例えば、酸化物半導体層１２１としてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用い、酸化物半導体層１２４としてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４または１：４：５の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いてもよい。
酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３および酸化物半導体層１２４の厚さは、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましい
ここで、酸化物半導体層１２３の厚さは、少なくとも酸化物半導体層１２１と比較して、薄く形成してもよいし、同じとしてもよいし、厚く形成してもよい。たとえば、酸化物半導体層１２３を厚くした場合、トランジスタのオン電流を高めることができる。また、酸化物半導体層１２１は、酸化物半導体層１２３の界面準位の生成を抑制する効果が失われない程度の厚さであればよい。例えば、酸化物半導体層１２３の厚さは、酸化物半導体層１２１の厚さに対して、１倍よりも大きく、または２倍以上、または４倍以上、または６倍以上とすることができる。また、トランジスタのオン電流を高める必要のない場合には酸化物半導体層１２１の厚さを酸化物半導体層１２３の厚さ以上としてもよい。この場合、酸化物半導体層１２１により多くの酸素を添加することが可能であるため、加熱処理により、酸化物半導体層１２３に含まれる酸素欠損量を低減することができ、半導体装置の電気特性を安定させることができる。
また、酸化物半導体層１２４も酸化物半導体層１２１と同様に、酸化物半導体層１２３の界面準位の生成を抑制する効果が失われない程度の厚さであればよい。例えば、酸化物半導体層１２１と同等またはそれ以下の厚さとすればよい。酸化物半導体層１２４が厚いと、ゲート電極層１６１、ゲート電極層１６２による電界が酸化物半導体層１２３に届きにくくなる恐れがあるため、酸化物半導体層１２４は薄く形成することが好ましい。また、酸化物半導体層１２４に含まれる酸素がソース電極層１３０、ドレイン電極層１４０に拡散し、ソース電極層１３０、ドレイン電極層１４０が酸化するのを防ぐため、酸化物半導体層１２４の膜厚は薄い方が好ましい。例えば、酸化物半導体層１２４は酸化物半導体層１２３の厚さよりも薄くすればよい。なお、これに限られず、酸化物半導体層１２４の厚さはゲート絶縁層１１７の耐圧を考慮して、トランジスタを駆動させる電圧に応じて適宜設定すればよい。
酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、および酸化物半導体層１２４それぞれの組成が異なる場合、界面は、走査型透過電子顕微鏡ＳＴＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて観察することができる場合がある。
＜水素濃度について＞
酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、および酸化物半導体層１２４に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になると共に、酸素が脱離した格子（または酸素が脱離した部分）に酸素欠損を形成する。当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合することで、キャリアである電子を生成する場合がある。従って、水素が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。
このため、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、および酸化物半導体層１２４、およびそれぞれの界面において、酸素欠損と共に、水素ができる限り低減されていることが好ましい。例えば、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、酸化物半導体層１２４、およびそれぞれの界面において二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる水素濃度は、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以下とすることが望ましい。この結果、トランジスタ１０は、しきい値電圧がプラスとなる電気特性（ノーマリーオフ特性ともいう。）を有することができる。
＜炭素、シリコン濃度について＞
また、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、および酸化物半導体層１２４、およびそれぞれの界面において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、および酸化物半導体層１２４において酸素欠損が増加し、ｎ型領域が形成されてしまう。このため、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、酸化物半導体層１２４、およびそれぞれの界面におけるシリコン、および炭素濃度は、低減することが望ましい。例えば、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、酸化物半導体層１２４、およびそれぞれの界面においてＳＩＭＳにより得られるシリコンや炭素の濃度は、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以下とすることが望ましい。この結果、トランジスタ１０は、しきい値電圧がプラスとなる電気特性（ノーマリーオフ特性ともいう。）を有する。
＜アルカリ金属の濃度について＞
また、アルカリ金属およびアルカリ土類金属は、酸化物半導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電流が増大してしまうことがある。このため、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、および酸化物半導体層１２４、およびそれぞれの界面におけるアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。たとえば、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、酸化物半導体層１２４、およびそれぞれの界面において、二次イオン質量分析法により得られるアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることが望ましい。この結果、トランジスタ１０は、しきい値電圧がプラスとなる電気特性（ノーマリーオフ特性ともいう。）を有する。
＜窒素濃度について＞
また、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、および酸化物半導体層１２４、およびそれぞれの界面に窒素が含まれていると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、ｎ型領域が形成されてしまう。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、および酸化物半導体層１２４、およびそれぞれの界面において、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、酸化物半導体層１２４、およびそれぞれの界面においてＳＩＭＳにより得られる窒素濃度は、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以下にすることが好ましい。この結果、トランジスタ１０は、しきい値電圧がプラスとなる電気特性（ノーマリーオフ特性ともいう。）を有する。
＜キャリア密度について＞
酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、および酸化物半導体層１２４の不純物を低減することで、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、および酸化物半導体層１２４のキャリア密度を低減することができる。このため、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、および酸化物半導体層１２４は、キャリア密度が１×１０１５個／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１３個／ｃｍ３以下、さらに好ましくは８×１０１１個／ｃｍ３未満、より好ましくは１×１０１１個／ｃｍ３未満、最も好ましくは１×１０１０個／ｃｍ３未満であり、１×１０−９個／ｃｍ３以上とする。
酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、および酸化物半導体層１２４として、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜を用いることで、さらに優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができる。ここでは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い（酸素欠損の少ない）ことを高純度真性または実質的に高純度真性とよぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる場合がある。従って、当該酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、しきい値電圧がプラスとなる電気特性（ノーマリーオフ特性ともいう。）になりやすい。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、オフ電流が著しく小さく、ソース電極とドレイン電極間の電圧（ドレイン電圧）が１Ｖから１０Ｖの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち１×１０−１３Ａ以下という特性を得ることができる。従って、当該酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、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場合がある。
また、上述のように高純度化された酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いたトランジスタのオフ電流は極めて小さい。例えば、ソースとドレインとの間の電圧を０．１Ｖ、５Ｖ、または、１０Ｖ程度とした場合に、トランジスタのチャネル幅で規格化したオフ電流を数ｙＡ／μｍ乃至数ｚＡ／μｍにまで低減することが可能となる。
酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、および酸化物半導体層１２４は、例えば非単結晶構造でもよい。非単結晶構造は、例えば、後述するＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶構造、微結晶構造、または非晶質構造を含む。非単結晶構造において、非晶質構造は最も欠陥準位密度が高く、ＣＡＡＣ−ＯＳは最も欠陥準位密度が低い。
酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、および酸化物半導体層１２４は、例えば微結晶構造でもよい。微結晶構造の酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、および酸化物半導体層１２４は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ未満のサイズの微結晶を膜中に含む。または、微結晶構造の酸化物膜および酸化物半導体膜は、例えば、非晶質相に１ｎｍ以上１０ｎｍ未満の結晶部を有する混相構造である。
酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、および酸化物半導体層１２４は、例えば非晶質構造でもよい。非晶質構造の、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、および酸化物半導体層１２４は、例えば、原子配列が無秩序であり、結晶成分を有さない。または、非晶質構造の酸化物膜は、例えば、完全な非晶質構造であり、結晶部を有さない。
なお、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、および酸化物半導体層１２４が、ＣＡＡＣ−ＯＳ、微結晶構造、および非晶質構造の二以上の構造の領域を有する混合膜であってもよい。混合膜として、例えば、非晶質構造の領域と、微結晶構造の領域と、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域と、を有する単層構造がある。または、混合膜として、例えば、非晶質構造の領域と、微結晶構造の領域と、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域と、の積層構造がある。
なお、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、および酸化物半導体層１２４は、例えば、単結晶構造を有してもよい。
酸化物半導体層１２３と比較して酸素欠損の生じにくい酸化物半導体膜を酸化物半導体層１２３の上下に接して設けることで、酸化物半導体層１２３における酸素欠損を低減することができる。また、酸化物半導体層１２３は、酸化物半導体層１２３を構成する金属元素の一以上を有する酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２４と接するため、酸化物半導体層１２１と酸化物半導体層１２３との界面、酸化物半導体層１２３と酸化物半導体層１２４との界面における界面準位密度が極めて低い。このため、酸化物半導体層１２２または酸化物半導体層１２４に酸素を添加した後、加熱処理を行うことで該酸素が酸化物半導体層１２２および酸化物半導体層１２４から酸化物半導体層１２３へ酸素が移動するが、このときに界面準位において酸素が捕獲されにくく、効率よく酸化物半導体層１２２または酸化物半導体層１２４に含まれる酸素を酸化物半導体層１２３へ移動させることが可能である。この結果、酸化物半導体層１２３に含まれる酸素欠損を低減することが可能である。また、酸化物半導体層１２２または酸化物半導体層１２４に酸素が添加されるため、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２４の酸素欠損を低減することが可能である。即ち、少なくとも酸化物半導体層１２３の局在準位密度を低減することができる。
また、酸化物半導体層１２３が、構成元素の異なる絶縁膜（例えば、酸化シリコン膜を含むゲート絶縁層）と接する場合、界面準位が形成され、該界面準位はチャネルを形成することがある。このような場合、しきい値電圧の異なる第２のトランジスタが出現し、トランジスタの見かけ上のしきい値電圧が変動することがある。しかしながら、酸化物半導体層１２３を構成する金属元素を一種以上含む酸化物半導体層１２２および酸化物半導体層１２４が酸化物半導体層１２３と接するため、酸化物半導体層１２２と酸化物半導体層１２３の界面、および酸化物半導体層１２４と酸化物半導体層１２３の界面に界面準位を形成しにくくなる。
また、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２４は、それぞれ絶縁層１１０、ゲート絶縁層１５０の構成元素が酸化物半導体層１２３へ混入して、不純物による準位が形成されることを抑制するためのバリア膜としても機能する。
例えば、絶縁層１１０、またはゲート絶縁層１５０として、シリコンを含む絶縁膜を用いる場合、ゲート絶縁層１５０中のシリコン、または絶縁層１１０と、ゲート絶縁層１５０中に混入されうる炭素が、酸化物半導体層１２１または酸化物半導体層１２４の中へ界面から数ｎｍ程度まで混入することがある。シリコン、炭素等の不純物が酸化物半導体層１２３中に入ると不純物準位を形成し、不純物準位がドナーとなり電子を生成することでｎ型化することがある。
しかしながら、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２４の膜厚が、数ｎｍよりも厚ければ、混入したシリコン、炭素等の不純物が酸化物半導体層１２３にまで到達しないため、不純物準位の影響は低減される。
よって、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２４を設けることにより、トランジスタのしきい値電圧などの電気特性のばらつきを低減することができる。
また、ゲート絶縁層１５０と酸化物半導体層１２３との界面にチャネルが形成される場合、該界面で界面散乱が起こり、トランジスタの電界効果移動度が低くなる。しかしながら、酸化物半導体層１２３を構成する金属元素を一種以上含む酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２４が酸化物半導体層１２３に接して設けられるため、酸化物半導体層１２３と酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２４との界面ではキャリアの散乱が起こりにくく、トランジスタの電界効果移動度を高くすることができる。
本実施の形態においては、酸化物半導体層１２３の酸素欠損量、さらには酸化物半導体層１２３に接する酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２４の酸素欠損量を低減することが可能であり、酸化物半導体層１２３の局在準位密度を低減することができる。この結果、本実施の形態に示すトランジスタ１０は、しきい値電圧の変動が少なく、信頼性が高い特性を有することができる。また、本実施の形態に示すトランジスタ１０は優れた電気特性を有する。
なお、トランジスタのゲート絶縁層としては、シリコンを含む絶縁膜が多く用いられるため、上記理由により酸化物半導体層のチャネルとなる領域は、本発明の一態様のトランジスタのようにゲート絶縁層と接しない構造が好ましいということができる。また、ゲート絶縁層と酸化物半導体層との界面にチャネルが形成される場合、該界面でキャリアの散乱が起こり、トランジスタの電界効果移動度が低くなることがある。このような観点からも、酸化物半導体層のチャネルとなる領域はゲート絶縁層から離すことが好ましいといえる。
したがって、酸化物半導体層１２０を酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、酸化物半導体層１２４の積層構造とすることで、酸化物半導体層１２３にチャネルを形成することができ、高い電界効果移動度および安定した電気特性を有したトランジスタを形成することができる。
なお、酸化物半導体は必ずしも４層にする必要はなく、単層、２層、３層、さらには５層以上の構成としてもよい。単層とする場合、本実施の形態に示す、酸化物半導体層１２３に相当する層を用いればよい。
＜バンド構造＞
ここで、バンド構造について説明する。バンド構造は、理解を容易にするために、Ｃ１―Ｃ２間、すなわち絶縁層１１０、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、酸化物半導体層１２４およびゲート絶縁層１５０の伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）を示す。
図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示すように、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、酸化物半導体層１２４において、伝導帯下端のエネルギー準位が連続的に変化する。これは、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、酸化物半導体層１２４を構成する元素が共通することにより、酸素が相互に拡散しやすい点からも理解される。したがって、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、酸化物半導体層１２４は組成が異なる膜の積層体ではあるが、物性的に連続であるということもできる。
主成分を共通として積層された酸化物半導体膜は、各層を単に積層するのではなく連続接合（ここでは特に伝導帯下端のエネルギー準位が各層の間で連続的に変化するＵ字型の井戸（Ｕ Ｓｈａｐｅ Ｗｅｌｌ）構造）が形成されるように作製する。すなわち、各層の界面にトラップ中心や再結合中心のような欠陥準位を形成するような不純物が存在しないように積層構造を形成する。仮に、積層された多層膜の層間に不純物が混在していると、エネルギーバンドの連続性が失われ、界面でキャリアがトラップあるいは再結合により消滅してしまう。
なお、図４（Ｂ）では、酸化物半導体層１２１と、酸化物半導体層１２２と、酸化物半導体層１２４のＥｃが同様である場合について示したが、それぞれが異なっていてもよい。例えば、バンド構造の一部は、図４（Ｃ）、図４（Ｄ）に示す構造をとることができる。
図４（Ｂ）、図４（Ｃ）より、酸化物半導体層１２３がウェル（井戸）となり、トランジスタ１０において、チャネルが酸化物半導体層１２３に形成されることがわかる。なお、酸化物半導体層１２３を底として伝導帯下端のエネルギー準位が連続的に変化するＵ字型の井戸構造のチャネルを埋め込みチャネルということもできる。
なお、酸化物半導体層１２１および酸化物半導体層１２４と、酸化シリコン膜などの絶縁膜との界面近傍には、不純物や欠陥に起因したトラップ準位が形成され得る。酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２および酸化物半導体層１２４があることにより、酸化物半導体層１２３と当該トラップ準位とを遠ざけることができる。ただし、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２または酸化物半導体層１２４のＥｃと、酸化物半導体層１２３のＥｃとのエネルギー差が小さい場合、酸化物半導体層１２３の電子が該エネルギー差を越えてトラップ準位に達することがある。マイナスの電荷となる電子がトラップ準位に捕獲されることで、絶縁膜界面にマイナスの固定電荷が生じ、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。さらに、トランジスタの長期保存試験において、トラップが固定化されず、特性への変動を起こす懸念がある。
したがって、トランジスタのしきい値電圧の変動を低減するには、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、および酸化物半導体層１２４のＥｃと、酸化物半導体層１２３のＥｃとの間にエネルギー差を設けることが必要となる。それぞれの当該エネルギー差は、０．１ｅＶ以上が好ましく、０．２ｅＶ以上がより好ましい。
なお、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、酸化物半導体層１２４には、結晶部が含まれることが好ましい。特にｃ軸に配向した結晶を用い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。
また、図４（Ｂ）に示すようなバンド構造において、酸化物半導体層１２４を設けず、酸化物半導体層１２３とゲート絶縁層１５０の間にＩｎ−Ｇａ酸化物（たとえば、原子数比がＩｎ：Ｇａ＝７：９３のＩｎ−Ｇａ酸化物）を設けてもよいし、あるいは酸化ガリウムを用いてもよい。また、酸化物半導体層１２４が有した状態で酸化物半導体層１２４とゲート絶縁層１５０の間にＩｎ−Ｇａ酸化物を設けてもよいし、あるいは酸化ガリウムを設けてもよい。
酸化物半導体層１２３は、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、および酸化物半導体層１２４も電子親和力の大きい酸化物を用いる。例えば、酸化物半導体層１２３として、酸化物半導体膜１０７および酸化物半導体膜１１５よりも電子親和力が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０．２ｅＶ以上０．４ｅＶ以下大きい酸化物を用いる。
本実施の形態に示すトランジスタは、酸化物半導体層１２３を構成する金属元素を一種以上含んでいる酸化物半導体層１２１、１２２、１２４を有しているため、酸化物半導体層１２２と酸化物半導体層１２３との界面、および酸化物半導体層１２４と酸化物半導体層１２３との界面に界面準位を形成しにくくなる。よって酸化物半導体層１２１、１２２、１２４を設けることにより、トランジスタのしきい値電圧などの電気特性のばらつきや変動を低減することができる。
また、ゲート絶縁層１５０と酸化物半導体層１２３との界面にチャネルが形成される場合、該界面で界面散乱がおこり、トランジスタの電界効果移動度が低下する場合がある。しかしながら、本構成のトランジスタにおいては、酸化物半導体層１２３を構成する金属元素を一種以上含んで酸化物半導体層１２４を有しているため、酸化物半導体層１２３と酸化物半導体層１２４との界面ではキャリアの散乱が起こりにくく、トランジスタの電界効果移動度を高くすることができる。
《ソース電極層１３０、ドレイン電極層１４０》
ソース電極層１３０、ドレイン電極層１４０には、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、鉛（ＰＢ）、錫（Ｓｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、ストロンチウム（Ｓｒ）の低抵抗材料からなる単体、もしくは合金、またはこれらを主成分とする化合物を含む導電層の単層または積層とすることが好ましい。たとえば、積層する場合に、酸化物半導体層１２３と接触する下側の導電層は酸素と結合しやすい材料を有し、上側の導電層には耐酸化性の強い材料を有することができる。また、耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましい。また、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。さらに、Ｃｕ−Ｍｎ合金を用いると、酸素を含む絶縁体との界面に酸化マンガンを形成し、酸化マンガンがＣｕの拡散を抑制する機能を持つので好ましい。
また、酸素と結合しやすい導電材料と酸化物半導体層を接触させると、酸化物半導体層中の酸素が、酸素と結合しやすい導電材料側に拡散する現象が起こる。酸化物半導体層のソース電極層またはドレイン電極層と接触した近傍の領域に酸素欠損が発生し、膜中に僅かに含まれる水素が当該酸素欠損に入り込むことにより当該領域は顕著にｎ型化する。したがって、ｎ型化した当該領域はトランジスタのソースまたはドレインとして作用させることができる。
たとえば、下側の導電層としてＷを用いて、上側の導電層としてＰｔを用いた積層構造とすることで、接触した酸化物半導体をｎ型にしつつ、絶縁層１７０との接することによる導電層の酸化を抑えることができる。
《ゲート絶縁層１５０》
ゲート絶縁層１５０には、例えば、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、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、ゲート絶縁層１５０は上記材料の積層であってもよい。なお、ゲート絶縁層１５０に、ランタン（Ｌａ）、窒素、ジルコニウム（Ｚｒ）などを、不純物として含んでいてもよい。
また、ゲート絶縁層１５０の積層構造の一例について説明する。ゲート絶縁層１５０は、例えば、酸素、窒素、シリコン、ハフニウムなどを有する。具体的には、酸化ハフニウム、および酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含むと好ましい。
酸化ハフニウムは、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率が高い。したがって、酸化シリコンを用いた場合と比べて、ゲート絶縁層１５０の膜厚を大きくできるため、トンネル電流によるリーク電流を小さくすることができる。即ち、オフ電流の小さいトランジスタを実現することができる。さらに、結晶構造を有する酸化ハフニウムは、非晶質構造を有する酸化ハフニウムと比べて高い比誘電率を備える。したがって、オフ電流の小さいトランジスタとするためには、結晶構造を有する酸化ハフニウムを用いることが好ましい。結晶構造の例としては、単斜晶系や立方晶系などが挙げられる。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。
ところで、結晶構造を有する酸化ハフニウムの被形成面は、欠陥に起因した界面準位を有する場合がある。該界面準位はトラップセンターとして機能する場合がある。そのため、酸化ハフニウムがトランジスタのチャネル領域に近接して配置されるとき、該界面準位によってトランジスタの電気特性が劣化する場合がある。そこで、該界面準位の影響を低減するために、トランジスタのチャネル領域と酸化ハフニウムとの間に、別の膜を配置することによって互いに離間させることが好ましい場合がある。この膜は、緩衝機能を有する。緩衝機能を有する膜は、ゲート絶縁層１５０に含まれる膜であってもよいし、酸化物半導体膜に含まれる膜であってもよい。即ち、緩衝機能を有する膜としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化物半導体などを用いることができる。なお、緩衝機能を有する膜には、たとえば、チャネル領域となる半導体よりもエネルギーギャップの大きい半導体または絶縁体を用いる。または、緩衝機能を有する膜には、たとえば、チャネル領域となる半導体よりも電子親和力の小さい半導体または絶縁体を用いる。または、緩衝機能を有する膜には、たとえば、チャネル領域となる半導体よりもイオン化エネルギーの大きい半導体または絶縁体を用いる。
一方、上述した結晶構造を有する酸化ハフニウムの被形成面における界面準位（トラップセンター）に電荷をトラップさせることで、トランジスタのしきい値電圧を制御できる場合がある。該電荷を安定して存在させるためには、たとえば、チャネル領域と酸化ハフニウムとの間に、酸化ハフニウムよりもエネルギーギャップの大きい絶縁体を配置すればよい。または、酸化ハフニウムよりも電子親和力の小さい半導体または絶縁体を配置すればよい。または、緩衝機能を有する膜には、酸化ハフニウムよりもイオン化エネルギーの大きい半導体または絶縁体を配置すればよい。このような絶縁体を用いることで、界面準位にトラップされた電荷の放出が起こりにくくなり、長期間に渡って電荷を保持することができる。
そのような絶縁体として、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコンが挙げられる。ゲート絶縁層１５０内の界面準位に電荷を捕獲させるためには、酸化物半導体膜からゲート電極層１６０に向かって電子を移動させればよい。具体的な例としては、高い温度（例えば、１２５℃以上４５０℃以下、代表的には１５０℃以上３００℃以下）の下で、ゲート電極層１６０の電位をソース電極層１３０やドレイン電極層１４０の電位より高い状態にて１秒以上、代表的には１分以上維持すればよい。
このようにゲート絶縁層１５０などの界面準位に所望の量の電子を捕獲させたトランジスタは、しきい値電圧がプラス側にシフトする。ゲート電極層１６０の電圧や、電圧を印加する時間を調整することによって、電子を捕獲させる量（しきい値電圧の変動量）を制御することができる。なお、電荷を捕獲させることができれば、ゲート絶縁層１５０内でなくても構わない。同様の構造を有する積層膜を、他の絶縁層に用いても構わない。
《ゲート電極層１６０》
ゲート電極層１６０には、例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ａｇ、ＴａおよびＷなどの導電膜を用いることができる。また、当該ゲート電極層１６０は、ゲート電極層は積層とすることができる。例えば、ゲート電極層１６２は上記材料を用いてもよいし、ゲート電極層１６１には、上記材料の窒化物など、窒素を含んだ導電膜を用いてもよい。
《絶縁層１７０》
また、ゲート絶縁層１５０、およびゲート電極層１６２上には絶縁層１７０を有することができる。絶縁層１７０には、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、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上有することができる。
絶縁層１７０には、酸化アルミニウム膜を含むことが好ましい。酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、および酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果を有することができる。したがって、酸化アルミニウム膜は、トランジスタの作製工程中および作製後において、トランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、酸化物半導体層１２４への混入防止、主成分材料である酸素の酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、酸化物半導体層１２４からの放出防止、絶縁層１１０からの酸素の不必要な放出防止の効果を有する保護膜として用いることに適している。
また、絶縁層１７０は、酸素供給能力を有する膜とすることが好ましい。酸素供給能力を有することで、酸化物半導体中の酸素欠損に対して、酸素を補填することができ、トランジスタ特性を向上させることができる。
《絶縁層１８０》
また、絶縁層１７０上には絶縁層１８０を有することができる。絶縁層１８０には、例えば、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、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、絶縁層１８０は上記材料の積層であってもよい。
また、絶縁層１８０は化学量論組成よりも多くの酸素を有することが好ましい。絶縁層１８０から放出される酸素はゲート絶縁層１５０を経由して酸化物半導体層１２０のチャネル形成領域に拡散させることができることから、チャネル形成領域に形成された酸素欠損に酸素を補填することができる。したがって、安定したトランジスタの電気特性を得ることができる。
＜トランジスタの製造方法＞
次に、本実施の形態の半導体装置の製造方法について図２、図３を用いて説明する。なお、上記トランジスタの構成において説明した部分と重複する部分については、省略する。また、図２、図３に示すＡ１−Ａ２方向は図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示すチャネル長方向と呼称する場合がある。また、図２、図３示すＢ１−Ｂ２方向は、図１（Ａ）および図１（Ｃ）に示すチャネル幅方向と呼称する場合がある。
本実施の形態において、トランジスタを構成する各層（絶縁層、酸化物半導体層、導電層等）は、スパッタリング法、化学気相堆積（ＣＶＤ）法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法を用いて形成することができる。あるいは、塗布法や印刷法で形成することができる。成膜方法としては、スパッタリング法、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）法が代表的であるが、熱ＣＶＤ法でもよい。熱ＣＶＤ法の例として、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学堆積）法やＡＬＤ（原子層堆積）法を使ってもよい。
＜熱ＣＶＤ法＞
熱ＣＶＤ法は、プラズマを使わない成膜方法のため、プラズマダメージにより欠陥が生成されることが無いという利点を有する。
また、熱ＣＶＤ法では、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を行ってもよい。
また、ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ法などの熱ＣＶＤ法は、これまでに記載した実施形態に開示された金属膜、半導体膜、無機絶縁膜など様々な膜を形成することができ、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を成膜する場合には、トリメチルインジウム、トリメチルガリウム、およびジメチル亜鉛を用いることができる。なお、トリメチルインジウムの化学式は、Ｉｎ（ＣＨ３）３である。また、トリメチルガリウムの化学式は、Ｇａ（ＣＨ３）３である。また、ジメチル亜鉛の化学式は、Ｚｎ（ＣＨ３）２である。また、これらの組み合わせに限定されず、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウム（化学式Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３）を用いることもでき、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛（化学式Ｚｎ（Ｃ２Ｈ５）２）を用いることもできる。
＜ＡＬＤ法＞
従来のＣＶＤ法を利用した成膜装置は、成膜の際、反応のための原料ガス（プリカーサ）の１種または複数種がチャンバーに同時に供給される。ＡＬＤ法を利用した成膜装置は、反応のためのプリカーサが順次にチャンバーに導入され、そのガス導入の順序を繰り返すことで成膜を行う。例えば、それぞれのスイッチングバルブ（高速バルブとも呼ぶ）を切り替えて２種類以上のプリカーサを順番にチャンバーに供給し、複数種のプリカーサが混ざらないように第１のプリカーサの後に不活性ガス（アルゴン、或いは窒素など）などを導入し、第２のプリカーサを導入する。また、不活性ガスを導入する代わりに真空排気によって第１のプリカーサを排出した後、第２のプリカーサを導入することができる。
図５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）にＡＬＤ法の成膜過程を示す。第１のプリカーサ６０１が基板の表面に吸着して（図５（Ａ）参照）、第１の単一層が成膜される（図５（Ｂ）参照）。この際、プリカーサ中に含有する金属原子等が基板表面に存在する水酸基と結合することができる。金属原子にはメチル基やエチル基などのアルキル基が結合していてもよい。第１のプリカーサ６０１を排気した後に導入される第２のプリカーサ６０２と反応して（図５（Ｃ）参照）、第２の単一層が第１の単一層上に積層されて薄膜が形成される（図５（Ｄ）参照）。例えば、第２のプリカーサに酸化剤が含まれていた場合には第１のプリカーサ中に存在する金属原子または金属原子と結合したアルキル基と、酸化剤との間で化学反応がおこり、酸化膜を形成することができる。
ＡＬＤ法は表面化学反応に基づいた成膜方法であり、プリカーサが被成膜表面に吸着し、自己停止機構が作用することで、一層形成される。例えば、トリメチルアルミニウムのようなプリカーサと当該被成膜表面に存在する水酸基（ＯＨ基）が反応する。この時、熱による表面反応のみが起こるため、プリカーサが当該被成膜表面と接触し、熱エネルギーを用いて当該被成膜表面にプリカーサ中の金属原子等が吸着することができる。また、プリカーサは、高い蒸気圧を有し、成膜前の段階では熱的安定であり自己分解しない、基板へ化学吸着が速いなどの特徴を有する。また、プリカーサはガスとして導入されるため、交互に導入される第１のプリカーサ、第２のプリカーサが十分に拡散する時間を有することができれば、高アスペクト比の凹凸を有する領域であっても、被覆性よく成膜することができる。
また、ＡＬＤ法においては、ガス導入順序を制御しつつ、所望の厚さになるまで複数回繰り返すことで、段差被覆性に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の厚さは、繰り返す回数によって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能である。また、排気能力を高めることで成膜速度を高めることができ、さらに膜中の不純物濃度を低減することができる。
また、ＡＬＤ法には、熱を用いたＡＬＤ法（熱ＡＬＤ法）、プラズマを用いたＡＬＤ法（プラズマＡＬＤ法）がある。熱ＡＬＤ法では、熱エネルギーを用いてプリカーサの反応を行うものであり、プラズマＡＬＤ法はプリカーサの反応をラジカルの状態で行うものである。
ＡＬＤ法は、極めて薄い膜が精度よく成膜できる。凹凸を有する面に対しても、表面被覆率が高く、膜密度が高い。
＜プラズマＡＬＤ＞
また、プラズマＡＬＤ法により成膜することで、熱を用いたＡＬＤ法（熱ＡＬＤ法）に比べてさらに低温での成膜が可能となる。プラズマＡＬＤ法は、例えば、１００℃以下でも成膜速度を低下させずに成膜することができる。また、プラズマＡＬＤ法では、Ｎ２をプラズマによりラジカル化することができるため、酸化物のみならず窒化物を成膜することができる。
また、プラズマＡＬＤでは、酸化剤の酸化力を高めることができる。これによりＡＬＤに膜形成を行う場合に膜中に残留するプリカーサ、あるいはプリカーサから脱離した有機成分を低減することができ、また膜中の炭素、塩素、水素などを低減することができ、不純物濃度の低い膜を有することができる。
また、プラズマＡＬＤを行う場合には、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）を用いる。これにより、プラズマを基板から離れた状態で発生させることができ、基板あるいは当該保護膜が形成される膜に対するプラズマダメージを抑えることができる。
上記より、プラズマＡＬＤ法を用いることで、他の成膜方法に比べて、プロセス温度を下げることができ、かつ表面被覆率を高めることができ、当該膜を成膜することができる。これにより、外部からの水、水素の侵入を抑えることができる。したがって、トランジスタ特性の信頼性向上することができる。
＜ＡＬＤ装置に関する説明＞
図６（Ａ）にＡＬＤ法を利用する成膜装置の一例を示す。ＡＬＤ法を利用する成膜装置は、成膜室（チャンバー１７０１）と、原料供給部１７１１ａ、１７１１ｂと、流量制御器である高速バルブ１７１２ａ、１７１２ｂと、原料導入口１７１３ａ、１７１３ｂと、原料排出口１７１４と、排気装置１７１５を有する。チャンバー１７０１内に設置される原料導入口１７１３ａ、１７１３ｂは供給管やバルブを介して原料供給部１７１１ａ、１７１１ｂとそれぞれ接続されており、原料排出口１７１４は、排出管やバルブや圧力調整器を介して排気装置１７１５と接続されている。
チャンバー内部にはヒータを備えた基板ホルダ１７１６があり、その基板ホルダ上に被成膜させる基板１７００を配置する。
原料供給部１７１１ａ、１７１１ｂでは、気化器や加熱手段などによって固体の原料や液体の原料からプリカーサを形成する。或いは、原料供給部１７１１ａ、１７１１ｂは、気体のプリカーサを供給する構成としてもよい。
また、原料供給部１７１１ａ、１７１１ｂを２つ設けている例を示しているが特に限定されず、３つ以上設けてもよい。また、高速バルブ１７１２ａ、１７１２ｂは時間で精密に制御することができ、プリカーサと不活性ガスのいずれか一方を供給する構成となっている。高速バルブ１７１２ａ、１７１２ｂはプリカーサの流量制御器であり、且つ、不活性ガスの流量制御器とも言える。
図６（Ａ）に示す成膜装置では、基板１７００を基板ホルダ１７１６上に搬入し、チャンバー１７０１を密閉状態とした後、基板ホルダ１７１６のヒータ加熱により基板１７００を所望の温度（例えば、１００℃以上または１５０℃以上）とし、プリカーサの供給と、排気装置１７１５による排気と、不活性ガスの供給と、排気装置１７１５による排気とを繰りかえすことで薄膜を基板表面に形成する。
図６（Ａ）に示す成膜装置では、原料供給部１７１１ａ、１７１１ｂに用意する原料（揮発性有機金属化合物など）を適宜選択することにより、ハフニウム、アルミニウム、タンタル、ジルコニウム等から選択された一種以上の元素を含む酸化物（複合酸化物も含む）を含んで構成される絶縁層を成膜することができる。具体的には、酸化ハフニウムを含んで構成される絶縁層、酸化アルミニウムを含んで構成される絶縁層、ハフニウムシリケートを含んで構成される絶縁層、又はアルミニウムシリケートを含んで構成される絶縁層を成膜することができる。また、原料供給部１７１１ａ、１７１１ｂに用意する原料（揮発性有機金属化合物など）を適宜選択することにより、タングステン層、チタン層などの金属層や、窒化チタン層などの窒化物層などの薄膜を成膜することもできる。
例えば、ＡＬＤ法を利用する成膜装置により酸化ハフニウム層を形成する場合には、溶媒とハフニウム前駆体化合物を含む液体（ハフニウムアルコキシドや、テトラキスジメチルアミドハフニウム（ＴＤＭＡＨ）などのハフニウムアミド）を気化させたプリカーサと、酸化剤としてオゾン（Ｏ３）の２種類のガスを用いる。この場合、原料供給部１７１１ａから供給する第１のプリカーサがＴＤＭＡＨであり、原料供給部１７１１ｂから供給する第２のプリカーサがオゾンとなる。なお、テトラキスジメチルアミドハフニウムの化学式はＨｆ［Ｎ（ＣＨ３）２］４である。また、他の材料としては、テトラキス（エチルメチルアミド）ハフニウムなどがある。なお、窒素は電荷捕獲準位を消失させる機能を有する。したがって、プリカーサが窒素を含むことで、電荷捕獲準位密度の低い酸化ハフニウムを成膜することができる。
例えば、ＡＬＤ法を利用する成膜装置により酸化アルミニウム層を形成する場合には、溶媒とアルミニウム前駆体化合物を含む液体（ＴＭＡなど）を気化させたプリカーサと、酸化剤としてＨ２Ｏの２種類のガスを用いる。この場合、原料供給部１７１１ａから供給する第１のプリカーサがＴＭＡであり、原料供給部１７１１ｂから供給する第２のプリカーサがＨ２Ｏとなる。なお、トリメチルアルミニウムの化学式はＡｌ（ＣＨ３）３である。また、他の材料液としては、トリス（ジメチルアミド）アルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、アルミニウムトリス（２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオナート）などがある。
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化シリコン膜を形成する場合には、ヘキサクロロジシランを被成膜面に吸着させ、吸着物に含まれる塩素を除去し、酸化性ガス（Ｏ２、一酸化二窒素）のラジカルを供給して吸着物と反応させる。
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置によりタングステン膜を成膜する場合には、ＷＦ６ガスとＢ２Ｈ６ガスを順次繰り返し導入して初期タングステン膜を形成し、その後、ＷＦ６ガスとＨ２ガスを順次繰り返し導入してタングステン膜を形成する。なお、Ｂ２Ｈ６ガスに代えてＳｉＨ４ガスを用いてもよい。
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化物半導体膜、例えばＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を成膜する場合には、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを順次繰り返し導入してＩｎ−Ｏ層を形成し、その後、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを順次繰り返し導入してＧａＯ層を形成し、更にその後Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスとＯ３ガスを順次繰り返し導入してＺｎＯ層を形成する。なお、これらの層の順番はこの例に限らない。また、これらのガスを用いてＩｎ−Ｇａ−Ｏ層やＩｎ−Ｚｎ−Ｏ層、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層などの混合化合物層を形成しても良い。なお、Ｏ３ガスに変えてＡｒ等の不活性ガスで純水をバブリングして得られたＨ２Ｏガスを用いても良いが、Ｈを含まないＯ３ガスを用いる方が好ましい。また、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスにかえて、Ｉｎ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いても良い。また、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスにかえて、Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いても良い。また、Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスを用いても良い。
＜絶縁層１１０の形成＞
図２（Ａ）において、基板１００上に絶縁層１１０、酸化物半導体膜１２１ａを成膜する。絶縁層１１０は、プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法（ＭＯＣＶＤ法、ＡＬＤ法）、またはスパッタ法等により、例えば、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、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、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルなどの酸化物絶縁膜、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどの窒化物絶縁膜、またはこれらの混合材料を用いて形成することができる。また、上記材料の積層であってもよく、少なくとも酸化物半導体膜１２１ａと接する積層の上層は酸化物半導体層１２３への酸素の供給源となりえる過剰な酸素を含む材料で形成することが好ましい。
本実施の形態では、絶縁層１１０としてプラズマＣＶＤ法により厚さ１００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を用いることができる。
次に、加熱処理を行って、絶縁層１１０に含まれる水、水素等を脱離させてもよい。この結果、のちに形成される絶縁層１１０に含まれる水、水素等の濃度を低減することが可能であり、加熱処理によって、酸化物半導体膜１２１ａへの水、水素等の拡散量を低減することができる。
＜酸化物半導体膜１２１ａの形成＞
酸化物半導体層１２１となる酸化物半導体膜１２１ａは、スパッタ法、ＭＯＣＶＤ法、ＰＬＤ法などにより形成することができ、スパッタ法を用いて形成することがより好ましい。スパッタ法としては、ＲＦスパッタ法、ＤＣスパッタ法、ＡＣスパッタ法等を用いることができる。
例えば、酸化物半導体膜１２１ａをスパッタ法により形成する場合、スパッタ装置における各チャンバーは、酸化物半導体にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべく、クライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて高真空化（５×１０−７Ｐａ乃至１×１０−４Ｐａ程度まで）できること、かつ、成膜される基板を１００℃以上、好ましくは４００℃以上に加熱できることが好ましい。または、ターボ分子ポンプとコールドトラップを組み合わせて排気系からチャンバー内に炭素成分や水分等を含む気体が逆流しないようにしておくことが好ましい。また、ターボ分子ポンプとクライオポンプを組み合わせた排気系を用いてもよい。
高純度真性酸化物半導体を得るためには、チャンバー内を高真空排気するのみならずスパッタガスの高純度化も必要である。スパッタガスとして用いる酸素ガスやアルゴンガスは、露点が−４０℃以下、好ましくは−８０℃以下、より好ましくは−１００℃以下にまで高純度化したガスを用いることで酸化物半導体膜に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
スパッタリングガスは、希ガス（代表的にはアルゴン）、酸素ガス、希ガスおよび酸素の混合ガスを適宜用いる。なお、希ガスおよび酸素の混合ガスの場合、希ガスに対して酸素のガス比を高めることが好ましい。
なお、酸化物半導体膜を形成する際に、例えば、スパッタリング法を用いる場合、基板温度を１５０℃以上７５０℃以下、好ましくは１５０℃以上４５０℃以下、さらに好ましくは２００℃以上４２０℃以下として、酸化物半導体膜を成膜することで、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を形成することができる。
本実施の形態では、酸化物半導体膜１２１ａとしてスパッタリング法により、厚さ１０乃至３０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４（原子数比））を形成する。
＜酸素の添加＞
続いて、図２（Ｂ）に示すように酸化物半導体膜１２１ａに酸素を添加し、酸化物半導体膜１２１ｂを形成する。
酸化物半導体膜１２１ａに添加する酸素１０８として、酸素ラジカル、酸素原子、酸素原子イオン、酸素分子イオン等のいずれか一以上を用いる。また、酸化物半導体膜１２１ａに酸素１０８を添加する方法としては、イオンドーピング法、イオン注入法、プラズマ浸漬イオン注入法等がある。
なお、酸素１０８を添加する方法としてイオン注入法を用いる場合、酸化物半導体膜１２１ａに添加する酸素１０８として、酸素原子イオンを用いてもよいし、酸素分子イオンを用いてもよい。酸素分子イオンを用いると、酸化物半導体層１２１へのダメージを低減することが可能である。酸素分子イオンは、酸化物半導体層１２１の表面で分離し、酸素原子イオンとなって、酸化物半導体層１２１に添加される。酸素分子から酸素原子に分離するためにエネルギーが使用されるため、酸素分子イオンを酸化物半導体層１２１に添加した場合における酸素原子イオンあたりのエネルギーは、酸素原子イオンを酸化物半導体層１２１に添加した場合と比較して低い。このため、酸素分子イオンを酸化物半導体層１２１へ添加することで、酸化物半導体層１２１へのダメージを低減できる。
また、酸素分子イオンを用いることで、絶縁層１１０に注入される酸素原子イオンそれぞれのエネルギーが低減するため、酸素原子イオンが注入される位置が浅い。このため、のちの加熱処理において、酸素原子が移動しやすくなり、のちに形成される酸化物半導体層１２３に、より多くの酸素を供給することができる。
また、酸素分子イオンを注入する場合は、酸素原子イオンを注入する場合と比較して、酸素原子イオンあたりのエネルギーが低い。このため、酸素分子イオンを用いて注入することで、加速電圧を高めることが可能であり、スループットを高めることが可能である。また、酸素分子イオンを用いて注入することで、酸素原子イオンを用いた場合と比較して、ドーズ量を半分にすることが可能である。この結果、スループットを高めることができる。
酸化物半導体膜１２１ａに酸素を添加する場合、酸化物半導体膜１２１ａに酸素原子イオンの濃度プロファイルのピークが位置するような条件を用いて、酸化物半導体膜１２１ａに酸素を添加することが好ましい。この結果、絶縁層１１０に酸素原子イオンを注入する場合に比べて、注入時の加速電圧を下げることができ、絶縁層１１０へのダメージを低減することが可能である。即ち、絶縁層１１０の欠陥量を低減することができ、トランジスタの電気特性の変動を抑制することが可能である。さらには、絶縁層１１０および酸化物半導体膜１２１ａ界面における酸素原子の添加量が、１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、または１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、または１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満となるように、酸化物半導体膜１２１ａに酸素を添加することで、絶縁層１１０に添加される酸素の量を低減できる。この結果、絶縁層１１０へのダメージを低減することが可能であり、トランジスタの電気特性の変動を抑制することができる。
また、酸素を有する雰囲気で発生させたプラズマに酸化物半導体層１２１を曝すプラズマ処理（プラズマ浸漬イオン注入法）により、酸化物半導体膜１２１ａに酸素を添加してもよい。酸素を有する雰囲気としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、二酸化窒素等の酸化性気体を有する雰囲気がある。なお、基板１００側にバイアスを印加した状態で発生したプラズマに酸化物半導体膜１２１ａを曝すことで、酸化物半導体膜１２１ａへの酸素添加量を増加させることが可能であり好ましい。このようなプラズマ処理を行う装置の一例として、アッシング装置がある。
本実施の形態では、加速電圧を５ｋｅＶとし、ドーズ量が１×１０１６／ｃｍ２の酸素分子イオンをイオン注入法により酸化物半導体膜１２１ａに添加する。
以上の工程により、図２（Ｂ）に示す酸素が添加された酸化物半導体膜１２１ｂを形成することができる。この結果、この後の加熱処理により酸化物半導体層１２３の酸素欠損量を低減することができる。なお、酸素が添加された酸化物半導体膜１２１ｂは、酸素が添加される前の酸化物半導体膜１２１ａと比較して、膜密度が低くなることがある
＜酸化物半導体層１２２、１２３の形成＞
続いて、酸素が添加された酸化物半導体膜１２１ｂ上に酸化物半導体膜１２２ａ、酸化物半導体膜１２３ａを成膜する。酸化物半導体膜１２２ａ、酸化物半導体膜１２３ａは、酸化物半導体膜１２１ａと同様の方法で成膜することができる。
酸化物半導体膜１２２ａは、酸化物半導体膜１２３ａよりも電子親和力が小さくなるように材料を選択することができる。
また、酸化物半導体膜１２３ａは、酸化物半導体膜１２１ａ、酸化物半導体膜１２２ａおよび酸化物半導体膜１２４ａよりもインジウムの含有量を多く有してもよい。酸化物半導体では主として重金属のｓ軌道がキャリア伝導に寄与しており、Ｉｎの含有率を多くすることにより、より多くのｓ軌道が重なるため、ＩｎがＧａよりも多い組成となる酸化物はＩｎがＧａと同等または少ない組成となる酸化物と比較して移動度が高くなる。そのため、酸化物半導体層１２３にインジウムの含有量が多い酸化物を用いることで、高い移動度のトランジスタを実現することができる。
また、酸化物半導体膜１２２ａ、酸化物半導体膜１２３ａにおいて、例えばスパッタ法により成膜する場合、マルチチャンバ方式のスパッタ装置を用いることで、酸化物半導体膜１２２ａと酸化物半導体膜１２３ａは大気に露出することなく連続成膜することができる。その場合、酸化物半導体膜１２２ａと酸化物半導体膜１２３ａの界面には余計な不純物などが入り込むことを抑えることができ、界面準位を低減することができる。この結果として、トランジスタの電気特性、とりわけ信頼性試験において特性を安定化させることができる。
また、酸素を添加した酸化物半導体膜１２１ｂにおいて酸素添加時に当該酸化物半導体膜中にダメージがあった場合に、酸化物半導体層１２２があることにより主要な電導パスとなる酸化物半導体層１２３をダメージ部から遠ざけることができ、結果としてトランジスタの電気特性、とりわけ信頼性試験において特性を安定化させることができる。
本実施の形態では、酸化物半導体膜１２２ａとしてスパッタリング法により、厚さ１０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４（原子数比））を成膜することができる。また、酸化物半導体膜１２３ａとしてスパッタリング法により、厚さ１５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（原子数比））を成膜することができる。
また、酸化物半導体膜１２２ａ、酸化物半導体膜１２３ａ成膜後の加熱処理により、酸化物半導体膜１２３ａの酸素欠損量を低減することができる。
次に、加熱処理を行って、酸素が添加された酸化物半導体膜１２１ｂに含まれる酸素の一部を酸化物半導体膜１２３ａに移動させ、酸化物半導体膜１２３ａの酸素欠損を低減させることができる。酸素欠損が低減された酸化物半導体膜１２３ａを、酸化物半導体膜１２３ｂとする。また、酸素が添加された酸化物半導体膜１２１ｂの酸素欠損を低減させることができる。該酸化物半導体膜を図２（Ｃ）において酸化物半導体膜１２１ｃと示す。また、酸素が添加された酸化物半導体膜１２１ｃおよび酸化物半導体膜１２２ａ、酸化物半導体膜１２３ｂに含まれる水素、水等を脱離させることができる。この結果、酸素が添加された酸化物半導体膜１２１ｃ、酸化物半導体膜１２２ａ、および酸化物半導体膜１２３ｂに含まれる不純物の含有量を低減することができる。
加熱処理の温度は、酸素が添加された酸化物半導体膜１２１ｂから酸化物半導体膜１２３ａへ酸素が移動する温度範囲が好ましく、代表的には、２５０℃以上基板歪み点未満、好ましくは３００℃以上６５０℃以下、更に好ましくは３５０℃以上５５０℃以下とする。
加熱処理は、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、クリプトン等の希ガス、または窒素を含む不活性ガス雰囲気で行う。または、不活性ガス雰囲気で加熱した後、酸素雰囲気または乾燥空気（露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下、好ましくは−１２０℃以下である空気）雰囲気で加熱してもよい。または減圧状態で行えばよい。なお、上記乾燥空気の他、不活性ガスおよび酸素に水素、水などが含まれないことが好ましく、代表的には露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下であることが好ましい。処理時間は３分から２４時間とする。
なお、加熱処理において、電気炉の代わりに、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である。ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。高温のガスには、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、不活性ガスが用いられる。
なお、加熱処理は、後述する酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３を形成するエッチングの後に行ってもよい。
本実施の形態では、窒素雰囲気において、４５０℃で１時間の加熱処理を行った後、酸素雰囲気において、４５０℃で１時間の加熱処理を行うことができる。
以上の工程により、酸化物半導体膜の酸素欠損の低減、また水素、水などの不純物を低減することができる。また、局在準位密度が低減された酸化物半導体膜を形成することができる。
なお、酸化物半導体膜１２２ａを有することにより酸化物半導体膜１２１ｂに添加した酸素が外方拡散することを抑えることができる。これにより、酸化物半導体層１２３を高温で成膜することが可能となる。この場合、酸化物半導体膜１２２ａ、酸化物半導体膜１２３ａ成膜後に行っていた熱処理を行うことなく、酸化物半導体層１２３成膜時に酸化物半導体膜１２１ｂに添加された酸素を酸化物半導体層に拡散させることができ、酸素欠損を低減することが可能となる。その結果、半導体装置の生産性を向上させることができる。
また、当該加熱処理は、当該工程で行わず、後の工程で行ってもよい。即ち、後の工程に行われる別の加熱工程によって、酸素が添加された酸化物半導体膜１２１ｂに含まれる酸素の一部を酸化物半導体膜１２３ａに移動させてもよい。この結果、加熱工程数を削減することが可能となり、生産性を向上させることができる。
＜導電膜１３０ａの形成＞
次に、酸化物半導体層１２３上にソース電極層１３０、ドレイン電極層１４０となる導電膜１３０ａを形成する（図３（Ｃ）参照）。導電膜１３０ａは、スパッタリング法、化学気相堆積（ＣＶＤ）法（有機金属化学堆積（ＭＯＣＶＤ）法、メタル化学気相堆積法、原子層成膜（ＡＬＤ）法あるいはプラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）法を含む。）、蒸着法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法等を用いて形成することができる。
導電膜１３０ａの材料は、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、鉛（ＰＢ）、錫（Ｓｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、ストロンチウム（Ｓｒ）の低抵抗材料からなる単体、もしくは合金、またはこれらを主成分とする化合物を含む導電膜の単層または積層とすることが好ましい。たとえば、積層する場合に、酸化物半導体層１２３と接触する下側の導電層は酸素と結合しやすい材料を有し、上側の導電層には耐酸化性の強い材料を有することができる。また、耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましい。また、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。さらに、Ｃｕ−Ｍｎ合金を用いると、酸素を含む絶縁体との界面に酸化マンガンを形成し、酸化マンガンがＣｕの拡散を抑制する機能を持つので好ましい。
本実施の形態では、厚さ２０乃至１００ｎｍのタングステン膜をスパッタリング法により導電膜１３０ａとして形成することができる。
なお、導電膜１３０ａを加工して形成される導電層１３０ｂは、この後の工程において、ハードマスクとしての機能と、ソース電極、ドレイン電極の機能を有することができ、追加の成膜工程が不要であるため、半導体製造工程の短縮を図ることができる。
次に、リソグラフィ工程によりレジストマスクを形成し、当該レジストマスクを用いて、導電膜１３０ａを選択的にエッチングし、導電層１３０ｂを形成する。続いて、導電層１３０ｂ上のレジストを除去後、導電層１３０ｂをハードマスクとして、酸化物半導体膜１２３ｂ、酸化物半導体膜１２２ａ、および酸化物半導体膜１２１ｃをそれぞれ選択的にエッチングし、酸化物半導体層１２３、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２１をアイランド状に形成することができる（図２（Ｄ）参照）。なお、エッチング方法としては、ドライエッチングを用いることができる。なお、導電層１３０ｂをハードマスクとして用いて酸化物半導体層をエッチングすることで、レジストマスクと比べてエッチングした後の酸化物半導体層のエッジラフネスを低減することができる。
＜ソース電極層１３０、ドレイン電極層１４０、ゲート絶縁層１５０の形成＞
次に、導電層１３０ｂ上にリソグラフィ工程によりレジストマスクを形成し、当該レジストマスクを用いて導電層１３０ｂを分断する形でエッチングし、ソース電極層１３０、ドレイン電極層１４０を形成することができる（図３（Ａ）参照）。
なお、チャネル長が極めて短いトランジスタを形成する場合は、少なくともソース電極層１３０、ドレイン電極層１４０となる導電層１３０ｂを分断する領域において、電子ビーム露光、液浸露光、ＥＵＶ露光などの細線加工に適した方法を用いてレジストマスク加工を行い、エッチング工程によって当該領域をエッチングすればよい。なお、電子ビーム露光でレジストマスクを形成する場合、当該レジストマスクとしては、ポジ型レジストを用いれば、露光領域を最小限にすることができ、スループットを向上させることができる。このような方法を用いれば、チャネル長を１００ｎｍ以下、さらには３０ｎｍ以下とするトランジスタを形成することができる。または、極めて波長の短い光（例えば極端紫外光（ＥＵＶ：Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａ− ｖｉｏｌｅｔ））や、Ｘ線等を用いた露光技術によって微細な加工を行ってもよい。
なお、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、ソース電極層１３０、ドレイン電極層１４０の形成順序については、変更することができる。例えば、ソース電極層１３０、ドレイン電極層１４０を形成するための隙間を先に設けてから、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３を形成してもよい。
本実施の形態では、導電層１３０ｂとして形成したタングステン層上にレジストマスクを形成し、当該レジストマスクを用いて、塩素系またはフッ素系のガスによりドライエッチングを行い、ソース電極層１３０、ドレイン電極層１４０を形成することができる。
なお、ソース電極層１３０、ドレイン電極層１４０を形成した後、エッチング残渣を除去するため、洗浄処理を行ってもよい。この洗浄処理を行うことで、ソース電極層１３０、ドレイン電極層１４０の短絡を抑制することができる。当該洗浄処理は、ＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）溶液などのアルカリ性の溶液、希釈したフッ酸、シュウ酸、リン酸などの酸性の溶液を用いて行うことができる。なお、洗浄処理により、酸化物半導体層１２３の一部がエッチングされ、凹部を有する。
＜酸化物半導体層１２４の形成＞
酸化物半導体層１２４として用いられる酸化物半導体膜１２４ａは、酸化物半導体膜１２１ａと同様の方法で成膜することができ、酸化物半導体膜１２４ａは、酸化物半導体膜１２３ａよりも電子親和力が小さくなるように材料を選択することができる。
本実施の形態では、酸化物半導体膜１２４ａとして、厚さ５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２（原子数比））を形成することができる。
＜絶縁膜１５０ａの形成＞
次に、酸化物半導体膜１２３ａ上にゲート絶縁層１５０となる絶縁膜１５０ａを形成する。絶縁膜１５０ａには、例えば、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、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルなどを用いることができる。なお、絶縁膜１５０ａは、上記材料の積層であってもよい。絶縁膜１５０ａは、スパッタ法、ＣＶＤ法（プラズマＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＡＬＤ法など）、ＭＢＥ法、などを用いて形成することができる。また、絶縁膜１５０ａは、絶縁層１１０と同様の方法を適宜用いて絶縁膜を形成することができる。
本実施の形態では、絶縁膜１５０ａとしてプラズマＣＶＤ法により酸化窒化シリコンを１０ｎｍ形成することができる。
＜導電膜１６１ａ、導電膜１６２ａの形成＞
次に、絶縁膜１５０ａ上にゲート電極層１６１、１６２となる導電膜１６１ａ（図示なし）、導電膜１６２ｂ（図示なし）を成膜する。導電膜１６１ａ、導電膜１６２ｂとしては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、銀（Ａｇ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、またはこれらを主成分とする合金材料を用いることができる。導電膜１６１ａ、導電膜１６２ｂは、スパッタ法やＣＶＤ法などにより形成することができる。また、導電膜１６１ａとしては、窒素を含んだ導電膜を用いてもよく、上記導電膜と窒素を含んだ導電膜の積層を用いてもよい。
本実施の形態では、導電膜１６１ａとしてスパッタリング法により窒化チタンを１０ｎｍ、導電膜１６２ｂとしてタングステンを３０ｎｍの積層構造とすることができる。
次に、導電膜１６１ａ、導電膜１６２ｂ上にリソグラフィ工程によりマスクを形成する。当該マスクを用いて、導電膜１６１ａ、導電膜１６２ｂを選択的にエッチングし、ゲート電極層１６１、ゲート電極層１６２を形成することができる（図３（Ｂ）参照）。
次に、ゲート電極層１６１、ゲート電極層１６２、および絶縁膜１５０ａ上にリソグラフィ工程によりレジストマスクを形成する。当該マスクは、ゲート電極層１６１、ゲート電極層１６２を形成したマスクよりも広い面積を有しており、当該マスクにより絶縁膜１５０ａと、酸化物半導体膜１２４ａを選択的にエッチングし、ゲート絶縁層１５０、酸化物半導体層１２４を形成することができる（図３（Ｃ）参照）。
トランジスタ１０においては、酸素欠損が生じにくい酸化物半導体層１２４を設けることにより、チャネル幅方向における酸化物半導体層１２３の側面からの酸素の脱離が抑制され、酸素欠損の生成を抑制することができる。その結果、電気的特性が向上され、信頼性の高いトランジスタを実現できる。
次に、図３（Ｄ）に示すように、絶縁層１１０、ゲート絶縁層１５０、ソース電極層１３０、ドレイン電極層１４０、酸化物半導体層１２４、ゲート絶縁層１５０およびゲート電極層１６１、ゲート電極層１６２上に、絶縁膜１７０ａおよび絶縁膜１８０ａを順に積層形成する。
《絶縁膜１７０ａ、絶縁膜１８０ａの形成》
絶縁膜１７０ａおよび絶縁膜１８０ａは、絶縁層１１０と同様の材料、方法などを用いて形成することができる。
また、絶縁膜１７０ａは、スパッタリング法により形成した酸化アルミニウム膜とすることが好ましい。スパッタリング法で酸化アルミニウム膜を成膜する際に、成膜時に使用するガスとして、酸素ガスを有することが望ましい。また、全体のガス流量に対する酸素ガスの割合は１％以上１００％以下、好ましくは４％以上１００％以下、さらに好ましくは１０％以上１００％以下であることが望ましい。酸素を流量比１％以上とすることで、当該絶縁膜中、あるいは接する絶縁層に対して余剰酸素を供給することができる。また、当該膜に接した層に対して酸素を添加することができる。これにより、酸化物半導体中に存在する酸素欠損をさらに低減することができ、トランジスタ特性を向上させることができる。
また、絶縁膜１８０ａとして化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化絶縁膜を形成する場合、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化絶縁膜は、ＣＶＤ法またはスパッタリング法等により形成することができる。また、ＣＶＤ法またはスパッタリング法等により酸化絶縁膜を形成した後、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマ処理などを用いて当該酸化絶縁膜に酸素を添加してもよい。
本実施の形態では、絶縁膜１７０ａとして、酸化アルミニウムをターゲットに用いて、スパッタリング時に用いるガスとして、酸素分子を５０％含有させて成膜を行い、厚さは２０ｎｍ乃至４０ｎｍとすることができる。また、絶縁膜１８０ａとして、プラズマＣＶＤ法により厚さ１５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成する。
次に、加熱処理を行ってもよい。当該加熱処理は、代表的には、１５０℃以上基板歪み点未満、好ましくは２５０℃以上５００℃以下、更に好ましくは３００℃以上４５０℃以下とすることができる。
本実施の形態では、酸素雰囲気下で、４００℃１時間の加熱処理を行うことができる。
《導電層１９０の形成》
次に、絶縁膜１７０ａ、絶縁膜１８０ｂに対して開口を行い、絶縁層１７０、絶縁層１８０を形成後、絶縁層１８０上に導電膜１９０ａを形成する（図示なし）。
導電膜１９０ａは、導電膜１３０ａと同様の方法、材料で成膜することができる。
導電膜１９０ａを成膜後、リソグラフィ工程によりマスクを形成する。当該マスクを用いて、導電膜１９０ａを選択的にエッチングし、導電層１９０を形成することができる（図３（Ｅ）参照）。
本実施の形態では、導電層１９０として、スパッタリング法を用いて、厚さ２０ｎｍのチタン、厚さ３０ｎｍの窒化チタン、厚さ５０ｎｍのアルミニウム、厚さ５０ｎｍの窒化チタンを積層して形成することができる。
以上の工程により、酸化物半導体膜の局在準位密度が低減され、優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができる。また、経時変化やストレス試験による電気特性の変動の少ない、信頼性の高いトランジスタを作製することができる。
＜トランジスタ１０の変形例１＞
図１に示すトランジスタ１０の変形例であるトランジスタ１１について、図７を用いて説明する。トランジスタ１１とトランジスタ１０は、ソース電極層１３０と、ドレイン電極層１４０の形状が異なる。
図７（Ａ）、図７（Ｂ）、図７（Ｃ）は、トランジスタ１１の上面図および断面図である。図７（Ａ）はトランジスタ１１の上面図であり、図７（Ｂ）は、図６（Ａ）の一点鎖線Ａ１−Ａ２間の断面図であり、図７（Ｃ）は、図７（Ａ）の一点鎖線Ｂ１−Ｂ２間の断面図である。
トランジスタ１１は、酸化物半導体層１２３およびソース電極層１３０、ドレイン電極層１４０に接する酸化物半導体層１２４と、該酸化物半導体層１２４に接するゲート絶縁層１５０とを有する。また、ゲート絶縁層１５０は、ゲート電極層１６１と接する領域を有する。
チャネル長方向において、トランジスタ１１に含まれるソース電極層１３０と、ドレイン電極層１４０の一方の端部は、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３より外側に位置しており、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３を覆うことができる点でトランジスタ１０と異なる。なお、図７（Ｃ）において、トランジスタ１１のチャネル幅方向の断面は、トランジスタ１０と同様とすることができる。
トランジスタ１１の作製方法を説明する。図２（Ａ）乃至図２（Ｄ）の工程を経て、基板１００上に絶縁層１１０、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３を形成する。
次に、導電膜１３０ａを除去後、導電層１３１ａ（図示なし）を成膜し、リソグラフィ工程によりレジストマスクを形成し、ソース電極層１３０、ドレイン電極層１４０を形成する（図８（Ａ）参照）。
こののち、トランジスタ１０と同様の工程を経ることで、トランジスタ１１を作製することができる
（図８（Ｂ）乃至（Ｅ）参照）。
＜トランジスタ１０の変形例２＞
図９（Ａ）、図９（Ｂ）、図９（Ｃ）は、半導体装置が有するトランジスタ１２の上面図および断面図である。図９（Ａ）はトランジスタ１２の上面図であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）の一点鎖線Ａ１−Ａ２間の断面図であり、図９（Ｃ）は、図９（Ａ）の一点鎖線Ｂ１−Ｂ２間の断面図である。
トランジスタ１２は、酸化物半導体層１２３およびソース電極層１３０、ドレイン電極層１４０に接する酸化物半導体層１２４と、当該酸化物半導体層１２４に接するゲート絶縁層１５０とを有する。また、ゲート絶縁層１５０は、ゲート電極層１６１と接する領域を有する。
トランジスタ１２に含まれる酸化物半導体層１２４と、ゲート絶縁層１５０の端部は、酸化物半導体層１２１、１２２、１２３よりも外側に位置しており、酸化物半導体層１２４と、ゲート絶縁層１５０は酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３を覆うことができ、酸化物半導体層の端部からの酸素の外方拡散を抑えることができる。
トランジスタ１２の作製方法を以下に説明する。図２（Ａ）乃至図２（Ｄ）および図３（Ａ）の工程を経て、図１０（Ａ）に示すように基板１００上に絶縁層１１０、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、ソース電極層１３０、ドレイン電極層１４０、酸化物半導体膜１２４ａ、絶縁膜１５０ａ、ゲート電極層１６１、およびゲート電極層１６２を形成する。
次に、酸化物半導体膜１２４ａ、絶縁膜１５０ａ上にリソグラフィ工程を用いて酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３を覆うようにレジストマスクを形成し、絶縁膜１５０ａ、酸化物半導体膜１２４ａをドライエッチングにより、選択的にエッチングすることで、酸化物半導体層１２４、ゲート絶縁層１５０を形成する（図１０（Ｂ）参照）。
こののち、トランジスタ１０と同様の工程を経ることで、トランジスタ１２を作製することができる（図１０（Ｃ）、図１０（Ｄ）参照）。
＜トランジスタ１０の変形例３＞
図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）、図１１（Ｃ）、図１１（Ｄ）は、半導体装置が有するトランジスタ１３の上面図および断面図である。図１１（Ａ）はトランジスタ１３の上面図であり、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）の一点鎖線Ａ１−Ａ２間の断面図であり、図１１（Ｃ）は、図１１（Ａ）の一点鎖線Ｂ１−Ｂ２間の断面図である。図１１（Ｄ）は、図１１（Ｃ）の変形例である。
トランジスタ１３は、絶縁層１１０の下にバックゲート電極層１０５を有し、バックゲート電極層１０５と絶縁層１１０が接している点が、トランジスタ１０と異なる。なお、図１１（Ｃ）のように、ゲート電極層１６１、１６２と、バックゲート電極層１０５とは、電気的に接続せずに別々の電位を有してもよいし、図１１（Ｄ）のようにゲート電極層１６１、１６２と、バックゲート電極層１０５とが、電気的に接続して、同一の電位が供給されてもよい。バックゲート電極を有することで、トランジスタ特性を向上させることができる、とりわけトランジスタの閾値電圧を制御することができる。
トランジスタ１３の作製方法を説明する。はじめに基板１００上に導電膜１０５ａを形成し、リソグラフィにより、レジストマスクを形成後、導電膜１０５ａを選択的にエッチングし、バックゲート電極層１０５を形成する。次に、バックゲート電極層１０５上に絶縁層１１０、酸化物半導体膜１２１ａを成膜する（図１２（Ａ）参照）。続いて、図１２（Ｂ）、図１２（Ｃ）、図１２（Ｄ）、図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）、図１３（Ｃ）、図１３（Ｄ）、図１３（Ｅ）に示すように、トランジスタ１０と同様の工程を経ることで、トランジスタ１２を作製することができる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１で説明したトランジスタ１０、トランジスタ１１、トランジスタ１２、トランジスタ１３とは構造の異なるトランジスタ、および当該トランジスタの作製方法について説明する。
図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）、図１４（Ｃ）は、本発明の一態様のトランジスタ１４の上面図および断面図である。図１４（Ａ）は上面図であり、図１４（Ｂ）は図１４（Ａ）の一点鎖線Ａ１−Ａ２間の断面図であり、図１４（Ｃ）は図１１（Ａ）の一点鎖線Ｂ１−Ｂ２間の断面図である。また、図１４（Ａ）では、図の明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。また、一点鎖線Ａ１−Ａ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｂ１−Ｂ２方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）、および図１４（Ｃ）に示すトランジスタ１４は、絶縁層１７０の下に絶縁層１７１を有する。絶縁層１７１の端部は、絶縁層１７０の端部より内側に位置し、絶縁層１７１が酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、酸化物半導体層１２４を覆っている。また、図１４（Ｂ）に示す断面図において、導電層１９０の形状および導電層１９１を有する点がトランジスタ１０、トランジスタ１１、トランジスタ１２、トランジスタ１３とは異なるが、トランジスタ１０、トランジスタ１１、トランジスタ１２、トランジスタ１３も同様の構造とすることができる。導電層１９１は、導電層１９０と同様の材料を有することができる。
《絶縁層１７１》
絶縁層１７１には、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、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を用いることができる。
絶縁層１７１には、バリア性を有する膜を用いることが好ましい。例えば、絶縁層１７１として、酸化アルミニウム膜を含むことが好ましい。酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、および酸素の両方に対して膜を透過させないバリア性を有する。したがって、酸化アルミニウム膜は、トランジスタの作製工程中および作製後において、トランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体層１２０への混入防止、主成分材料である酸素の酸化物半導体層１２０からの放出防止、絶縁層１１０からの酸素の不必要な放出防止の効果を有する保護膜として用いることに適している。また、酸化アルミニウム膜に含まれる酸素を酸化物半導体層１２０中に拡散させることもできる。
＜トランジスタ１４の作製方法＞
トランジスタ１４の作製方法を以下に説明する。はじめに、トランジスタ１３と同様に図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）、図１２（Ｃ）、図１２（Ｄ）、図１３（Ａ）の工程を経て、基板１００上にバックゲート電極層１０５、絶縁層１１０、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、およびソース電極層１３０、ドレイン電極層１４０を形成する。
次に、図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）に示すように絶縁層１１０、ソース電極層１３０、ドレイン電極層１４０、酸化物半導体層１２３上に、酸化物半導体層１２４、ゲート絶縁層１５０、ゲート電極層１６１、ゲート電極層１６２を形成する。
次に、絶縁膜１７１ａ（図示なし）を成膜する。絶縁膜１７１ａは、ＡＬＤ法を用いて成膜することが望ましい。ＡＬＤ法を用いることで凹凸を有する部分に対しても非常に均一に絶縁膜１７１ａを成膜することできる。絶縁膜１７１ａは３ｎｍ以上１００ｎｍ未満、好ましくは、５ｎｍ以上５０ｎｍ未満、さらに好ましくは５ｎｍ以上３０ｎｍ未満とすることが望ましい。
また、絶縁膜１７１ａは、レジストマスクを用いてドライエッチングにより加工され、絶縁層１７１が形成される。このとき、絶縁層１７１の端部は、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３の端部よりも外側に位置しており、酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２、酸化物半導体層１２３、および酸化物半導体層１２４の側面、ゲート絶縁層１５０の側面および上面、ゲート電極層１６１およびゲート電極層１６２の側面、およびゲート電極層１６２の上面が、絶縁層１７１で隙間なく覆われる（図１５（Ｃ）参照）。
したがって、絶縁層１７１を有することで酸化物半導体層への水分、または水素等の侵入、酸素の外方拡散を抑えることができ、トランジスタ特性、とりわけトランジスタ動作の長期信頼性を向上させることができる。
次に絶縁膜１７０ａを成膜する。絶縁膜１７０ａは、スパッタリング法を用いて成膜することが望ましい。スパッタリング法を用いて成膜する場合、酸素ガスを有することが望ましい。また、全体のガス流量に対する酸素ガスの割合は１％以上１００％以下、好ましくは４％以上１００％以下、さらに好ましくは１０％以上１００％以下であることが望ましい。酸素を流量比１％以上とすることで、当該絶縁層中、あるいは接する絶縁層に対して余剰酸素を供給することができる。また、当該膜に接した層に対して酸素を添加することができる。これにより、酸化物半導体中に存在する酸素欠損をさらに低減することができ、トランジスタ特性を向上させることができる。
なお、絶縁層１７１と、絶縁層１７０は、入れ替えて用いてもよい。
次に絶縁膜１８０ａを成膜後、レジストマスクを形成し、開口処理を行い、絶縁層１７０、絶縁層１８０を形成する。次に、当該開口部に対して導電膜１９０ａ（図示なし）を成膜する。導電膜１９０ａは、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ（ＣＭＰ）により平坦にすることで導電層１９０を形成できる。さらに導電膜１９１ａを成膜し、レジストマスクを形成後、ドライエッチングを行うことで導電層１９１を形成することができる（図１５（Ｄ）参照）。
なお、図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）、図１４（Ｃ）に示すトランジスタ１４においては、酸化物半導体を第１の酸化物半導体層１２１、第２の酸化物半導体層１２２、および第３の酸化物半導体層１２３、酸化物半導体層１２４の４層構造として図示しているが、酸化物半導体層１２３相当の材料を用いた単層構造であってもよい。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態３）
＜微細化における特性向上＞
半導体装置を高集積化するにはトランジスタの微細化が必須である。一方、トランジスタの微細化によりトランジスタの電気特性が悪化することが知られており、チャネル幅が縮小するとオン電流が低下する。
例えば、図１に示す本発明の一態様のトランジスタでは、前述したように、チャネルが形成される酸化物半導体層１２３を覆うように第３の酸化物半導体層１２３が形成されており、チャネル形成層とゲート絶縁層が接しない構成となっている。そのため、チャネル形成層とゲート絶縁層との界面で生じるキャリアの散乱を抑えることができ、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、本発明の一態様のトランジスタでは、チャネルとなる酸化物半導体層１２３のチャネル幅方向を電気的に取り囲むようにゲート電極層１６１、ゲート電極層１６２が形成されているため、酸化物半導体層１２３に対しては垂直方向からのゲート電界に加えて、側面方向からのゲート電界が印加される。すなわち、酸化物半導体層の全体にゲート電界が印加されることとなり、電流は酸化物半導体層１２３全体に流れるようになるため、さらにオン電流を高められる。
また、本発明の一態様のトランジスタは、酸化物半導体層１２３を酸化物半導体層１２１、酸化物半導体層１２２上に形成することで界面準位を形成しにくくする効果や、酸化物半導体層１２３を中間に位置する層とすることで上下からの不純物混入の影響を排除できる効果などを併せて有する。そのため、上述したトランジスタのオン電流の向上に加えて、しきい値電圧の安定化や、Ｓ値（サブスレッショルド値）を小さくすることができる。したがって、Ｉｃｕｔ（ゲート電圧ＶＧが０Ｖ時の電流）を下げることができ、消費電力を低減させることができる。また、トランジスタのしきい値電圧が安定化することから、半導体装置の長期信頼性を向上させることができる。
なお、本実施の形態において、チャネルなどにおいて、酸化物半導体層１２０などを用いた場合の例を示したが、本発明の実施形態の一態様は、これに限定されない。例えば、チャネルやその近傍、ソース領域、ドレイン領域などを、場合によっては、または、状況に応じて、シリコン（歪シリコン含む）、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、有機半導体、などを有する材料で形成してもよい。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、本発明の一態様であるトランジスタに使用することができる酸化物半導体膜について説明する。
＜酸化物半導体の構造＞
以下では、酸化物半導体の構造について説明する。
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体とに分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｌｉｋｅ 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−ＯＳ、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（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）酸化物半導体と呼ぶことはできない。また、等方的でない（例えば、微小な領域において周期構造を有する）酸化物半導体を、完全な非晶質酸化物半導体と呼ぶことはできない。ただし、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、微小な領域において周期構造を有するものの、鬆（ボイドともいう。）を有し、不安定な構造である。そのため、物性的には非晶質酸化物半導体に近いといえる。
＜ＣＡＡＣ−ＯＳ＞
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。
ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向した複数の結晶部（ペレットともいう。）を有する酸化物半導体の一つである。
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ−ＯＳの明視野像と回折パターンとの複合解析像（高分解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察すると、複数のペレットを確認することができる。一方、高分解能ＴＥＭ像ではペレット同士の境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を明確に確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
以下では、ＴＥＭによって観察したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。図１６（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１６（Ａ）の領域（１）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を図１６（Ｂ）に示す。図１６（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１６（Ｂ）に示すように、ＣＡＡＣ−ＯＳは特徴的な原子配列を有する。図１６（Ｃ）は、特徴的な原子配列を、補助線で示したものである。図１６（Ｂ）および図１６（Ｃ）より、ペレット一つの大きさは１ｎｍ以上のものや、３ｎｍ以上のものがあり、ペレットとペレットとの傾きにより生じる隙間の大きさは０．８ｎｍ程度であることがわかる。したがって、ペレットを、ナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）と呼ぶこともできる。また、ＣＡＡＣ−ＯＳを、ＣＡＮＣ（Ｃ−Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ 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１６（Ｄ）参照。）。図１６（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１６（Ｄ）に示す領域５１６１に相当する。
また、図１７（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１７（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１７（Ｂ）、図１７（Ｃ）および図１７（Ｄ）に示す。図１７（Ｂ）、図１７（Ｃ）および図１７（Ｄ）より、ペレットは、金属原子が三角形状、四角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なるペレット間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
次に、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、図１８（Ａ）に示すように回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳの結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳのｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析では、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる場合がある。２θが３６°近傍のピークは、ＣＡＡＣ−ＯＳ中の一部に、ｃ軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。より好ましいＣＡＡＣ−ＯＳは、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析では、２θが３１°近傍にピークを示し、２θが３６°近傍にピークを示さない。
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ｃ軸に略垂直な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、２θが５６°近傍にピークが現れる。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＣＡＡＣ−ＯＳの場合は、２θを５６°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）として試料を回転させながら分析（φスキャン）を行っても、図１８（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１８（Ｃ）に示すように（１１０）面と等価な結晶面に帰属されるピークが６本観察される。したがって、ＸＲＤを用いた構造解析から、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ａ軸およびＢ軸の配向が不規則であることが確認できる。
次に、電子回折によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、試料面に平行にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させると、図１９（Ａ）に示すような回折パターン（制限視野透過電子回折パターンともいう。）が現れる場合がある。この回折パターンには、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットがｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターンを図１９（Ｂ）に示す。図１９（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１９（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１９（Ｂ）における第２リングは（１１０）面などに起因すると考えられる。
上述したように、ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体である。酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、逆の見方をするとＣＡＡＣ−ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損など）の少ない酸化物半導体ともいえる。
なお、不純物は、酸化物半導体の主成分以外の元素で、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。
酸化物半導体が不純物や欠陥を有する場合、光や熱などによって特性が変動する場合がある。例えば、酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラップとなる場合や、キャリア発生源となる場合がある。また、酸化物半導体中の酸素欠損は、キャリアトラップとなる場合や、水素を捕獲することによってキャリア発生源となる場合がある。
不純物および酸素欠損の少ないＣＡＡＣ−ＯＳは、キャリア密度の低い酸化物半導体である。具体的には、８×１０１１／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０−９／ｃｍ３以上のキャリア密度の酸化物半導体とすることができる。そのような酸化物半導体を、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。ＣＡＡＣ−ＯＳは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い。即ち、安定な特性を有する酸化物半導体であるといえる。
＜ｎｃ−ＯＳ＞
次に、ｎｃ−ＯＳについて説明する。
ｎｃ−ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において、結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。ｎｃ−ＯＳに含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の大きさであることが多い。なお、結晶部の大きさが１０ｎｍより大きく１００ｎｍ以下である酸化物半導体を微結晶酸化物半導体と呼ぶことがある。ｎｃ−ＯＳは、例えば、高分解能ＴＥＭ像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。なお、ナノ結晶は、ＣＡＡＣ−ＯＳにおけるペレットと起源を同じくする可能性がある。そのため、以下ではｎｃ−ＯＳの結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。
ｎｃ−ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ−ＯＳは、分析方法によっては、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５０ｎｍ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、ｎｃ−ＯＳに対しナノビーム電子回折を行うと、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される場合がある。さらに、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある。
このように、ペレット（ナノ結晶）間では結晶方位が規則性を有さないことから、ｎｃ−ＯＳを、ＲＡＮＣ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体、またはＮＡＮＣ（Ｎｏｎ−Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
ｎｃ−ＯＳは、非晶質酸化物半導体よりも規則性の高い酸化物半導体である。そのため、ｎｃ−ＯＳは、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、ｎｃ−ＯＳは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、ｎｃ−ＯＳは、ＣＡＡＣ−ＯＳと比べて欠陥準位密度が高くなる。
＜ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ＞
ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。
ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において鬆が観察される場合がある。また、高分解能ＴＥＭ像において、明確に結晶部を確認することのできる領域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。
鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、不安定な構造である。以下では、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳが、ＣＡＡＣ−ＯＳおよびｎｃ−ＯＳと比べて不安定な構造であることを示すため、電子照射による構造の変化を示す。
電子照射を行う試料として、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ（試料Ａと表記する。）、ｎｃ−ＯＳ（試料Ｂと表記する。）およびＣＡＡＣ−ＯＳ（試料Ｃと表記する。）を準備する。いずれの試料もＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である。
まず、各試料の高分解能断面ＴＥＭ像を取得する。高分解能断面ＴＥＭ像により、各試料は、いずれも結晶部を有することがわかる。
なお、どの部分を一つの結晶部と見なすかの判定は、以下のように行えばよい。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の単位格子は、Ｉｎ−Ｏ層を３層有し、またＧａ−Ｚｎ−Ｏ層を６層有する、計９層がｃ軸方向に層状に重なった構造を有することが知られている。これらの近接する層同士の間隔は、（００９）面の格子面間隔（ｄ値ともいう。）と同程度であり、結晶構造解析からその値は０．２９ｎｍと求められている。したがって、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所を、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶部と見なすことができる。なお、格子縞は、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａ−Ｂ面に対応する。
図２０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２０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２０中に（１）で示すように、ＴＥＭによる観察初期においては１．２ｎｍ程度の大きさだった結晶部（初期核ともいう。）が、累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２においては２．６ｎｍ程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射開始時から電子の累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２までの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。具体的には、図２０中の（２）および（３）で示すように、電子の累積照射量によらず、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳの結晶部の大きさは、それぞれ１．４ｎｍ程度および２．１ｎｍ程度であることがわかる。
このように、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、電子照射によって結晶部の成長が見られる場合がある。一方、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射による結晶部の成長がほとんど見られないことがわかる。即ち、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、不安定な構造であることがわかる。
また、鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて密度の低い構造である。具体的には、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の７８．６％以上９２．３％未満となる。また、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の９２．３％以上１００％未満となる。単結晶の密度の７８％未満となる酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、菱面体晶構造を有する単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４の密度は６．３５７ｇ／ｃｍ３となる。よって、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳの密度は５．０ｇ／ｃｍ３以上５．９ｇ／ｃｍ３未満となる。また、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は５．９ｇ／ｃｍ３以上６．３ｇ／ｃｍ３未満となる。
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合がある。その場合、任意の割合で組成の異なる単結晶を組み合わせることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もることができる。所望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を組み合わせて見積もることが好ましい。
以上のように、酸化物半導体は、様々な構造をとり、それぞれが様々な特性を有する。なお、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ、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。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態５）
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタを利用した回路の一例について図面を参照して説明する。
＜断面構造＞
図２１（Ａ）に本発明の一態様の半導体装置の断面図を示す。図２１（Ａ）において、Ｘ１−Ｘ２方向はチャネル長方向、Ｙ１−Ｙ２方向はチャネル幅方向を示す。図２１（Ａ）に示す半導体装置は、下部に第１の半導体材料を用いたトランジスタ２２００を有し、上部に第２の半導体材料を用いたトランジスタ２１００を有している。図２１（Ａ）では、第２の半導体材料を用いたトランジスタ２１００として、先の実施の形態で例示したトランジスタを適用した例を示している。なお、一点鎖線より左側がトランジスタのチャネル長方向の断面、右側がチャネル幅方向の断面である。
第１の半導体材料と第２の半導体材料は異なる禁制帯幅を持つ材料とすることが好ましい。例えば、第１の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料（シリコン（歪シリコン含む）、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、有機半導体など）とし、第２の半導体材料を酸化物半導体とすることができる。酸化物半導体以外の材料として単結晶シリコンなどを用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、先の実施の形態で例示したトランジスタを適用することで、優れたサブスレッショルド特性が得られ、微細なトランジスタとすることが可能である。また、スイッチ速度が速いため高速動作が可能であり、オフ電流が低いためリーク電流が小さい。
トランジスタ２２００は、ｎチャネル型のトランジスタまたはｐチャネル型のトランジスタのいずれであってもよく、回路によって適切なトランジスタを用いればよい。また、酸化物半導体を用いた本発明の一態様のトランジスタを用いるほかは、用いる材料や構造など、半導体装置の具体的な構成をここで示すものに限定する必要はない。
図２１（Ａ）に示す構成では、トランジスタ２２００の上部に、絶縁体２２０１、絶縁体２２０７を介してトランジスタ２１００が設けられている。また、トランジスタ２２００とトランジスタ２１００の間には、複数の配線２２０２が設けられている。また、各種絶縁体に埋め込まれた複数のプラグ２２０３により、上層と下層にそれぞれ設けられた配線や電極が電気的に接続されている。また、トランジスタ２１００を覆う絶縁体２２０４と、絶縁体２２０４上に配線２２０５と、が設けられている。
このように、２種類のトランジスタを積層することにより、回路の占有面積が低減され、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、下層に設けられるトランジスタ２２００にシリコン系半導体材料を用いた場合、トランジスタ２２００の半導体膜の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２２００の信頼性を向上させる効果がある。一方、上層に設けられるトランジスタ２１００に酸化物半導体を用いた場合、トランジスタ２１００の半導体膜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、シリコン系半導体材料を用いたトランジスタ２２００の上層に酸化物半導体を用いたトランジスタ２１００を積層して設ける場合、これらの間に水素の拡散を防止する機能を有する絶縁体２２０７を設けることは特に効果的である。絶縁体２２０７により、下層に水素を閉じ込めることでトランジスタ２２００の信頼性が向上することに加え、下層から上層に水素が拡散することが抑制されることでトランジスタ２１００の信頼性も同時に向上させることができる。
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）等を用いることができる。
また、酸化物半導体膜を含んで構成されるトランジスタ２１００を覆うように、トランジスタ２１００上に水素の拡散を防止する機能を有するブロック膜２２０８（絶縁層１８０に相当）を形成することが好ましい。ブロック膜２２０８としては、絶縁体２２０７と同様の材料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（ブロッキング）効果が高い。したがって、トランジスタ２１００を覆うブロック膜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膜からの酸素の脱離を防止するとともに、酸化物半導体膜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、ＴＲＩ−ＧＡＴＥ（トライゲート）型などのトランジスタなどとすることができる。その場合の断面図の例を、図２１（Ｄ）に示す。半導体基板２２１１の上に、絶縁体２２１２が設けられている。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、凸部の上には、絶縁体が設けられていてもよい。その絶縁体は、凸部を形成するときに、半導体基板２２１１がエッチングされないようにするためのマスクとして機能するものである。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が設けられ、その上には、ゲート電極２２１３が設けられている。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、凸部を有する半導体領域を形成しても構わない。
＜回路構成例＞
上記構成において、トランジスタ２１００やトランジスタ２２００の電極の接続構成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。
＜ＣＭＯＳインバータ回路＞
図２１（Ｂ）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、且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。
＜ＣＭＯＳアナログスイッチ＞
また、図２１（Ｃ）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。図２１（Ａ）において、Ｘ１−Ｘ２方向はチャネル長方向、Ｙ１−Ｙ２方向はチャネル幅方向を示す。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。
＜記憶装置の例＞
本発明の一態様であるトランジスタを使用し、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２２に示す。
図２２（Ａ）に示す半導体装置は、第１の半導体材料を用いたトランジスタ３２００と第２の半導体材料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、実施の形態１乃至３で説明したトランジスタを用いることができる。
図２２（Ｂ）に図２２（Ａ）に示す半導体装置の断面図を示す。当該断面図の半導体装置では、トランジスタ３３００にバックゲートを設けた構成を示しているが、バックゲートを設けない構成であってもよい。
トランジスタ３３００は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ３３００は、オフ電流が小さいため、これを用いることにより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、或いは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導体記憶装置とすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。
図２２（Ａ）において、第１の配線３００１はトランジスタ３２００のソース電極と電気的に接続され、第２の配線３００２はトランジスタ３２００のドレイン電極と電気的に接続されている。また、第３の配線３００３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のゲート電極と電気的に接続されている。そして、トランジスタ３２００のゲート電極は、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、および容量素子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２２（Ａ）に示す半導体装置では、トランジスタ３２００のゲート電極の電位が保持可能という特徴を活かすことで、次のように、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がオン状態となる電位にして、トランジスタ３３００をオン状態とする。これにより、第３の配線３００３の電位が、トランジスタ３２００のゲート電極、および容量素子３４００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）のいずれ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がオフ状態となる電位にして、トランジスタ３３００をオフ状態とすることにより、トランジスタ３２００のゲートに与えられた電荷が保持される（保持）。
トランジスタ３３００のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタ３２００のゲートの電荷は長時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、トランジスタ３２００のゲートに保持された電荷量に応じて、第２の配線３００２は異なる電位をとる。一般に、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のゲート電極にＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタ３２００のゲート電極にＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Ｖｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけのしきい値電圧とは、トランジスタ３２００を「オン状態」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、トランジスタ３２００のゲート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、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「オン状態」となる。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「オフ状態」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、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して用いる場合、所望のメモリセルの情報のみを読み出せることが必要になる。このように情報を読み出さない場合には、ゲートの状態にかかわらずトランジスタ３２００が「オフ状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｈより小さい電位を第５の配線３００５に与えればよい。または、ゲートの状態にかかわらずトランジスタ３２００が「オン状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｌより大きい電位を第５の配線３００５に与えればよい。
図２２（Ｃ）に示す半導体装置は、トランジスタ３２００を設けていない点で図２２（Ａ）と相違している。この場合も上記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。
次に、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ３３００がオン状態となると、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の第１の端子の電位（あるいは容量素子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の第１の端子の電位を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の第１の端子の電位がＶ１とＶ０（Ｖ１＞Ｖ０）の２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の半導体材料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の半導体材料が適用されたトランジスタを駆動回路上に積層して設ける構成とすればよい。
本実施の形態に示す半導体装置では、チャネル形成領域に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、極めて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、消費電力を十分に低減することができる。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望ましい）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、本実施の形態に示す半導体装置では、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。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う必要がないため、ゲート絶縁層の劣化といった問題が生じにくい。すなわち、開示する発明に係る半導体装置では、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する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。
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言える。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ケースが考えられる場合には、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言える。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。
なお、本明細書等においては、ある一つの実施の形態において述べる図または文章において、その一部分を取り出して、発明の一態様を構成することは可能である。したがって、ある部分を述べる図または文章が記載されている場合、その一部分の図または文章を取り出した内容も、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ものとする。そのため、例えば、能動素子（トランジスタ、ダイオードなど）、配線、受動素子（容量素子、抵抗素子など）、導電層、絶縁層、半導体層、有機材料、無機材料、部品、装置、動作方法、製造方法などが単数または複数記載された図面または文章において、その一部分を取り出して、発明の一態様を構成することが可能であるものとする。例えば、Ｎ個（Ｎは整数）の回路素子（トランジスタ、容量素子等）を有して構成される回路図から、Ｍ個（Ｍは整数で、Ｍ＜Ｎ）の回路素子（トランジスタ、容量素子等）を抜き出して、発明の一態様を構成することは可能である。別の例としては、Ｎ個（Ｎは整数）の層を有して構成される断面図から、Ｍ個（Ｍは整数で、Ｍ＜Ｎ）の層を抜き出して、発明の一態様を構成することは可能である。さらに別の例としては、Ｎ個（Ｎは整数）の要素を有して構成されるフローチャートから、Ｍ個（Ｍは整数で、Ｍ＜Ｎ）の要素を抜き出して、発明の一態様を構成することは可能である。
＜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２３（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形成してもよい。また、周辺回路はの一部または全部にＩＣチップ等の半導体装置を用いてもよい。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２３（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２４（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２４（Ａ）に示す画素２１１は、赤（Ｒ）の波長域の光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）の波長域の光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）の波長域の光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（ｎは１以上ｐ以下の整数）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（ｍは１以上ｑ以下の整数）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２４（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、同じ波長域の光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２４（Ｂ）に、ｎ行ｍ列に配置された画素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２４（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２４（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２５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２５（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、一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２５（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２５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２４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２６（Ａ）、図２６（Ｂ）は、撮像装置を構成する素子の断面図である。
図２６（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、アノード３６１と、カソード３６２を有するフォトダイオード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のアノード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２６（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、酸化物半導体を用いたトランジスタのみを用いて画素を構成する場合には、層３１０を、酸化物半導体を用いた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、酸化物半導体を用いたトランジスタのみで画素を構成してもよい。
また、図２６（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（Ｂ）は、撮像装置は層３４０側にフォトダイオード３６５をトランジスタの上に配置した構造とすることができる。図２６（Ｂ）において、例えば層３１０には、シリコン用いたトランジスタ３５１と、トランジスタ３５２を有し、層３２０には配線３７１を有し、層３３０には酸化物半導体層を用いたトランジスタ３５２、トランジスタ３５３を有し、層３４０にはフォトダイオード３６５を有しており、フォトダイオード３６５は半導体層３６６、半導体層３６７、半導体層３６８で構成されており、配線３７３と、プラグ３７０を介した配線３７４と電気的に接続している。
図２６（Ｂ）に示す素子構成とすることで、開口率を広くすることができる。
また、フォトダイオード３６５には、非晶質シリコン膜や微結晶シリコン膜などを用いたｐｉｎ型ダイオード素子などを用いてもよい。フォトダイオード３６５は、ｎ型の半導体層３６８、ｉ型の半導体層３６７、およびｐ型の半導体層３６６が順に積層された構成を有している。ｉ型の半導体層３６７には非晶質シリコンを用いることが好ましい。また、ｐ型の半導体層３６６およびｎ型の半導体層３６８には、それぞれの導電型を付与するドーパントを含む非晶質シリコンまたは微結晶シリコンなどを用いることができる。非晶質シリコンを光電変換層とするフォトダイオード３６５は可視光の波長領域における感度が高く、微弱な可視光を検知しやすい。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態６）
＜ＲＦタグ＞
本実施の形態では、先の実施の形態で説明したトランジスタ、または記憶装置を含むＲＦタグについて、図２７を参照して説明する。
本実施の形態におけるＲＦタグは、内部に記憶回路を有し、記憶回路に必要な情報を記憶し、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極めて高い信頼性が要求される。
ＲＦタグの構成について図２７を用いて説明する。図２７は、ＲＦタグの構成例を示すブロック図である。
図２７に示すようにＲＦタグ８００は、通信器８０１（質問器、リーダ／ライタなどともいう）に接続されたアンテナ８０２から送信される無線信号８０３を受信するアンテナ８０４を有する。またＲＦタグ８００は、整流回路８０５、定電圧回路８０６、復調回路８０７、変調回路８０８、論理回路８０９、記憶回路８１０、ＲＯＭ８１１を有している。なお、復調回路８０７に含まれる整流作用を示すトランジスタに逆方向電流を十分に抑制することが可能な材料、例えば、酸化物半導体、が用いられた構成としてもよい。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。本実施の形態に示すＲＦタグ８００は、そのいずれの方式に用いることも可能である。
次に各回路の構成について説明する。アンテナ８０４は、通信器８０１に接続されたアンテナ８０２との間で無線信号８０３の送受信を行うためのものである。また、整流回路８０５は、アンテナ８０４で無線信号を受信することにより生成される入力交流信号を整流、例えば、半波２倍圧整流し、後段に設けられた容量素子により、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、リミッタ回路を設けてもよい。リミッタ回路とは、入力交流信号の振幅が大きく、内部生成電圧が大きい場合に、ある電力以上の電力を後段の回路に入力しないように制御するための回路である。
定電圧回路８０６は、入力電位から安定した電源電圧を生成し、各回路に供給するための回路である。なお、定電圧回路８０６は、内部にリセット信号生成回路を有していてもよい。リセット信号生成回路は、安定した電源電圧の立ち上がりを利用して、論理回路８０９のリセット信号を生成するための回路である。
復調回路８０７は、入力交流信号を包絡線検出することにより復調し、復調信号を生成するための回路である。また、変調回路８０８は、アンテナ８０４より出力するデータに応じて変調を行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、必要に応じて、適宜、取捨することができる。
ここで、先の実施の形態で説明した記憶回路を、記憶回路８１０に用いることができる。本発明の一態様のトランジスタを用いた記憶回路は、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タグに好適に用いることができる。さらに本発明の一態様のトランジスタを用いた記憶回路は、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著しく小さいため、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、本発明の一態様のトランジスタを用いた記憶回路は、不揮発性の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。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態７）
本実施の形態では、先の実施の形態で説明した記憶装置を含むＣＰＵについて説明する。
図２８は、先の実施の形態で説明したトランジスタを少なくとも一部に用いたＣＰＵの一例の構成を示すブロック図である。
＜ＣＰＵの回路図＞
図２８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２８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２８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２８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、実施の形態１乃至３に示したトランジスタを用いることができる。
図２８に示すＣＰＵにおいて、レジスタコントローラ１１９７は、ＡＬＵ１１９１からの指示に従い、レジスタ１１９６における保持動作の選択を行う。すなわち、レジスタ１１９６が有するメモリセルにおいて、フリップフロップによるデータの保持を行うか、容量素子によるデータの保持を行うかを、選択する。フリップフロップによるデータの保持が選択されている場合、レジスタ１１９６内のメモリセルへの、電源電圧の供給が行われる。容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き換えが行われ、レジスタ１１９６内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止することができる。
＜記録回路＞
図２９は、レジスタ１１９６として用いることのできる記憶素子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良い。
ここで、回路１２０２には、先の実施の形態で説明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のゲートには接地電位（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の第１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のオン状態またはオフ状態）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のオン状態またはオフ状態）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の第１ゲート（第１のゲート電極）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。
なお、図２９におけるトランジスタ１２０９では第２ゲート（第２のゲート電極：バックゲート）を有する構成を図示している。第１ゲートには制御信号ＷＥを入力し、第２ゲートには制御信号ＷＥ２を入力することができる。制御信号ＷＥ２は、一定の電位の信号とすればよい。当該一定の電位には、例えば、接地電位ＧＮＤやトランジスタ１２０９のソース電位よりも小さい電位などが選ばれる。このとき、制御信号ＷＥ２は、トランジスタ１２０９のしきい値電圧を制御するための電位信号であり、トランジスタ１２０９のゲート電圧が０Ｖの時のドレイン電流をより低減することができる。また、制御信号ＷＥ２は、制御信号ＷＥと同じ電位信号であってもよい。なお、トランジスタ１２０９としては、第２ゲートを有さないトランジスタを用いることもできる。
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２９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２９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ができる。例えば、シリコン層またはシリコン基板にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。また、記憶素子１２００に用いられるトランジスタ全てを、チャネルが酸化物半導体層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層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２９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。
本発明の一態様における半導体装置では、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、酸化物半導体層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、酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流は、結晶性を有するシリコンにチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流に比べて著しく低い。そのため、当該トランジスタをトランジスタ１２０９として用いることによって、記憶素子１２００に電源電圧が供給されない間も容量素子１２０８に保持された信号は長期間にわたり保たれる。こうして、記憶素子１２００は電源電圧の供給が停止した間も記憶内容（データ）を保持することが可能である。
また、スイッチ１２０３およびスイッチ１２０４を設けることによって、プリチャージ動作を行うことを特徴とする記憶素子であるため、電源電圧供給再開後に、回路１２０１が元のデータを保持しなおすまでの時間を短くすることができる。
また、回路１２０２において、容量素子１２０８によって保持された信号はトランジスタ１２１０のゲートに入力される。そのため、記憶素子１２００への電源電圧の供給が再開された後、容量素子１２０８によって保持された信号を、トランジスタ１２１０の状態（オン状態、またはオフ状態）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。
本実施の形態では、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（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）タグにも応用可能である。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態８）
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタを利用した表示装置の構成例について説明する。
＜表示装置回路構成例＞
図３０（Ａ）は、本発明の一態様の表示装置の上面図であり、図３０（Ｂ）は、本発明の一態様の表示装置の画素に液晶素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説明するための回路図である。また、図３０（Ｃ）は、本発明の一態様の表示装置の画素に有機ＥＬ素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説明するための回路図である。
画素部に配置するトランジスタは、実施の形態１乃至３に従って形成することができる。また、当該トランジスタはｎチャネル型とすることが容易なので、駆動回路のうち、ｎチャネル型トランジスタで構成することができる駆動回路の一部を画素部のトランジスタと同一基板上に形成する。このように、画素部や駆動回路に上記実施の形態に示すトランジスタを用いることにより、信頼性の高い表示装置を提供することができる。
アクティブマトリクス型表示装置の上面図の一例を図３０（Ａ）に示す。表示装置の基板７００上には、画素部７０１、第１の走査線駆動回路７０２、第２の走査線駆動回路７０３、信号線駆動回路７０４を有する。画素部７０１には、複数の信号線が信号線駆動回路７０４から延伸して配置され、複数の走査線が第１の走査線駆動回路７０２、および第２の走査線駆動回路７０３から延伸して配置されている。なお走査線と信号線との交差領域には、各々、表示素子を有する画素がマトリクス状に設けられている。また、表示装置の基板７００はＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の接続部を介して、タイミング制御回路（コントローラ、制御ＩＣともいう）に接続されている。
図３０（Ａ）では、第１の走査線駆動回路７０２、第２の走査線駆動回路７０３、信号線駆動回路７０４は、画素部７０１と同じ基板７００上に形成される。そのため、外部に設ける駆動回路等の部品の数が減るので、コストの低減を図ることができる。また、基板７００の外部に駆動回路を設けた場合、配線を延伸させる必要が生じ、配線間の接続数が増える。同じ基板７００上に駆動回路を設けた場合、その配線間の接続数を減らすことができ、信頼性の向上、または歩留まりの向上を図ることができる。なお、第１の走査線駆動回路７０２、第２の走査線駆動回路７０３、信号線駆動回路７０４のいずれかが基板７００上に実装された構成や基板７００の外部に設けられた構成としてもよい。
＜液晶表示装置＞
また、画素の回路構成の一例を図３０（Ｂ）に示す。ここでは、一例としてＶＡ型液晶表示装置の画素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層を有する構成に適用できる。それぞれの画素電極層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層に印加する信号を、独立して制御できる。
トランジスタ７１６の走査線７１２と、トランジスタ７１７の走査線７１３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、信号線７１４は、トランジスタ７１６とトランジスタ７１７で共通に用いられている。トランジスタ７１６とトランジスタ７１７は実施の形態１乃至３で説明するトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い液晶表示装置を提供することができる。
また、トランジスタ７１６には、第１の画素電極が電気的に接続され、トランジスタ７１７には、第２の画素電極が電気的に接続される。第１の画素電極と第２の画素電極とは分離されている。なお、第１の画素電極及び第２の画素電極の形状としては、特に限定は無い。例えば、第１の画素電極は、Ｖ字状とすればよい。
トランジスタ７１６のゲート電極は走査線７１２と接続され、トランジスタ７１７のゲート電極は走査線７１３と接続されている。走査線７１２と走査線７１３に異なるゲート信号を与えてトランジスタ７１６とトランジスタ７１７の動作タイミングを異ならせ、液晶の配向を制御できる。
また、容量配線７１０と、誘電体として機能するゲート絶縁層と、第１の画素電極層または第２の画素電極層と電気的に接続する容量電極とで保持容量を形成してもよい。
マルチドメイン設計では、一画素に第１の液晶素子７１８と第２の液晶素子７１９を備える。第１の液晶素子７１８は第１の画素電極層と対向電極層とその間の液晶層とで構成され、第２の液晶素子７１９は第２の画素電極層と対向電極層とその間の液晶層とで構成される。
なお、図３０（Ｂ）に示す画素回路は、これに限定されない。例えば、図３０（Ｂ）に示す画素回路に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ、センサ、または論理回路などを追加してもよい。
＜有機ＥＬ表示装置＞
画素の回路構成の他の一例を図３０（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、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３０（Ｃ）は、適用可能な画素回路の一例を示す図である。ここではｎチャネル型のトランジスタを１つの画素に２つ用いる例を示す。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７２０は、スイッチング用トランジスタ７２１、駆動用トランジスタ７２２、発光素子７２４および容量素子７２３を有している。スイッチング用トランジスタ７２１は、ゲート電極層が走査線７２６に接続され、第１電極（ソース電極層およびドレイン電極層の一方）が信号線７２５に接続され、第２電極（ソース電極層およびドレイン電極層の他方）が駆動用トランジスタ７２２のゲート電極層に接続されている。駆動用トランジスタ７２２は、ゲート電極層が容量素子７２３を介して電源線７２７に接続され、第１電極が電源線７２７に接続され、第２電極が発光素子７２４の第１電極（画素電極）に接続されている。発光素子７２４の第２電極は共通電極７２８に相当する。共通電極７２８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７２１および駆動用トランジスタ７２２には実施の形態１乃至３で説明するトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い有機ＥＬ表示装置を提供することができる。
発光素子７２４の第２電極（共通電極７２８）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７２７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７２４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７２４に印加することにより、発光素子７２４に電流を流して発光させる。なお、発光素子７２４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７２３は駆動用トランジスタ７２２のゲート容量を代用することにより省略できる。
次に、駆動用トランジスタ７２２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７２２が十分にオンするか、オフするか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７２２に入力する。なお、駆動用トランジスタ７２２を線形領域で動作させるために、電源線７２７の電圧よりも高い電圧を駆動用トランジスタ７２２のゲート電極層にかける。また、信号線７２５には、電源線電圧に駆動用トランジスタ７２２の閾値電圧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７２２のゲート電極層に発光素子７２４の順方向電圧に駆動用トランジスタ７２２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７２２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７２４に電流を流す。また、駆動用トランジスタ７２２を飽和領域で動作させるために、電源線７２７の電位を、駆動用トランジスタ７２２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７２４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、画素回路の構成は、図３０（Ｃ）に示す画素構成に限定されない。例えば、図３０（Ｃ）に示す画素回路にスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサ、トランジスタまたは論理回路などを追加してもよい。
図３０で例示した回路に上記実施の形態で例示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のゲート電極には図示しない配線によりソース電極に与える電位よりも低い電位を印加するなど、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（エレクトロルミネッセンス）素子（有機物および無機物を含むＥＬ素子、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子）、ＬＥＤ（白色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤなど）、トランジスタ（電流に応じて発光するトランジスタ）、電子放出素子、液晶素子、電子インク、電気泳動素子、グレーティングライトバルブ（ＧＬＶ）、プラズマディスプレイ（ＰＤＰ）、ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、ＤＭＳ（デジタル・マイクロ・シャッター）、ＭＩＲＡＳＯＬ（登録商標）、ＩＭＯＤ（インターフェアレンス・モジュレーション）素子、エレクトロウェッティング素子、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチューブを用いた表示素子などの少なくとも一つを有している。これらの他にも、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良い。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、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態９）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を適用した表示モジュールについて、図３１を用いて説明を行う。
＜表示モジュール＞
図３１に示す表示モジュール６０００は、上部カバー６００１と下部カバー６００２との間に、ＦＰＣ６００３に接続されたタッチパネル６００４、ＦＰＣ６００５に接続された表示パネル６００６、バックライトユニット６００７、フレーム６００９、プリント基板６０１０、バッテリー６０１１を有する。なお、バックライトユニット６００７、バッテリー６０１１、タッチパネル６００４などは、設けられない場合もある。
本発明の一態様の半導体装置は、例えば、表示パネル６００６であったり、プリント基板に実装された集積回路に用いることができる。
上部カバー６００１および下部カバー６００２は、タッチパネル６００４および表示パネル６００６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６００４は、抵抗膜方式または静電容量方式のタッチパネルを表示パネル６００６に重畳して用いることができる。また、表示パネル６００６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、表示パネル６００６の各画素内に光センサを設け、光学式のタッチパネル機能を付加することも可能である。または、表示パネル６００６の各画素内にタッチセンサ用電極を設け、静電容量方式のタッチパネル機能を付加することも可能である。
バックライトユニット６００７は、光源６００８を有する。光源６００８をバックライトユニット６００７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６００９は、表示パネル６００６の保護機能の他、プリント基板６０１０から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する。またフレーム６００９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６０１０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良いし、別途設けたバッテリー６０１１であってもよい。なお、商用電源を用いる場合には、バッテリー６０１１を省略することができる。
また、表示モジュール６０００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。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態１０）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の使用例について説明する。
＜リードフレーム型のインターポーザを用いたパッケージ＞
図３２（Ａ）に、リードフレーム型のインターポーザを用いたパッケージの断面構造を表す斜視図を示す。図３２（Ａ）に示すパッケージは、本発明の一態様に係る半導体装置に相当するチップ１７５１が、ワイヤボンディング法により、インターポーザ１７５０上の端子１７５２と接続されている。端子１７５２は、インターポーザ１７５０のチップ１７５１がマウントされている面上に配置されている。そしてチップ１７５１はモールド樹脂１７５３によって封止されていてもよいが、各端子１７５２の一部が露出した状態で封止されるようにする。
パッケージが回路基板に実装されている電子機器（携帯電話）のモジュールの構成を、図３２（Ｂ）に示す。図３２（Ｂ）に示す携帯電話のモジュールは、プリント配線基板１８０１に、パッケージ１８０２と、バッテリー１８０４とが実装されている。また、表示素子が設けられたパネル１８００に、プリント配線基板１８０１がＦＰＣ１８０３によって実装されている。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態１１）
本実施の形態では、本発明の一態様の電子機器及び照明装置について、図面を用いて説明する。
＜電子機器＞
本発明の一態様の半導体装置を用いて、電子機器や照明装置を作製できる。また、本発明の一態様の半導体装置を用いて、信頼性の高い電子機器や照明装置を作製できる。また本発明の一態様の半導体装置を用いて、タッチセンサの検出感度が向上した電子機器や照明装置を作製できる。
電子機器としては、例えば、テレビジョン装置（テレビ、又はテレビジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられる。
また、本発明の一態様の電子機器又は照明装置は可撓性を有する場合、家屋やビルの内壁もしくは外壁、又は、自動車の内装もしくは外装の曲面に沿って組み込むことも可能である。
また、本発明の一態様の電子機器は、二次電池を有していてもよく、非接触電力伝送を用いて、二次電池を充電することができると好ましい。
二次電池としては、例えば、ゲル状電解質を用いるリチウムポリマー電池（リチウムイオンポリマー電池）等のリチウムイオン二次電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニカド電池、有機ラジカル電池、鉛蓄電池、空気二次電池、ニッケル亜鉛電池、銀亜鉛電池などが挙げられる。
本発明の一態様の電子機器は、アンテナを有していてもよい。アンテナで信号を受信することで、表示部で映像や情報等の表示を行うことができる。また、電子機器が二次電池を有する場合、アンテナを、非接触電力伝送に用いてもよい。
図３３（Ａ）は携帯型ゲーム機であり、筐体７１０１、筐体７１０２、表示部７１０３、表示部７１０４、マイク７１０５、スピーカー７１０６、操作キー７１０７、スタイラス７１０８等を有する。本発明の一態様に係る半導体装置は、筐体７１０１に内蔵されている集積回路、ＣＰＵなどに用いることができる。表示部７１０３または表示部７１０４に本発明の一態様に係る発光装置を用いることで、ユーザーの使用感に優れ、品質の低下が起こりにくい携帯型ゲーム機を提供することができる。なお、図３３（Ａ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示部７１０３と表示部７１０４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３３（Ｂ）は、スマートウオッチであり、筐体７３０２、表示部７３０４、操作ボタン７３１１、７３１２、接続端子７３１３、バンド７３２１、留め金７３２２、等を有する。本発明の一態様に係る半導体装置は筐体７３０２に内蔵されているメモリ、ＣＰＵなどに用いることができる。
図３３（Ｃ）は、携帯情報端末であり、筐体７５０１に組み込まれた表示部７５０２の他、操作ボタン７５０３、外部接続ポート７５０４、スピーカー７５０５、マイク７５０６、表示部７５０２などを備えている。本発明の一態様に係る半導体装置は、筐体７５０１に内蔵されているモバイル用メモリ、ＣＰＵなどに用いることができる。なお、表示部７５０２は、非常に高精細とすることができるため、中小型でありながらフルハイビジョン、４ｋ、または８ｋなど、様々な表示を行うことができ、非常に鮮明な画像を得ることができる。
図３３（Ｄ）はビデオカメラであり、第１筐体７７０１、第２筐体７７０２、表示部７７０３、操作キー７７０４、レンズ７７０５、接続部７７０６等を有する。操作キー７７０４およびレンズ７７０５は第１筐体７７０１に設けられており、表示部７７０３は第２筐体７７０２に設けられている。そして、第１筐体７７０１と第２筐体７７０２とは、接続部７７０６により接続されており、第１筐体７７０１と第２筐体７７０２の間の角度は、接続部７７０６により変更が可能である。表示部７７０３における映像を、接続部７７０６における第１筐体７７０１と第２筐体７７０２との間の角度に従って切り替える構成としても良い。レンズ７７０５の焦点となる位置には本発明の一態様の撮像装置を備えることができる。本発明の一態様に係る半導体装置は、第１筐体７７０１に内蔵されている集積回路、ＣＰＵなどに用いることができる。
図３３（Ｅ）は、デジタルサイネージであり、電柱７９０１に設置された表示部７９０２を備えている。本発明の一態様に係る表示装置は、表示部７９０２の制御回路に用いることができる。
図３４（Ａ）はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体８１２１、表示部８１２２、キーボード８１２３、ポインティングデバイス８１２４等を有する。本発明の一態様に係る半導体装置は、筐体８１２１内に内蔵されているＣＰＵや、メモリに適用することができる。なお、表示部８１２２は、非常に高精細とすることができるため、中小型でありながら８ｋの表示を行うことができ、非常に鮮明な画像を得ることができる。
図３４（Ｂ）に自動車９７００の外観を示す。図３４（Ｃ）に自動車９７００の運転席を示す。自動車９７００は、車体９７０１、車輪９７０２、ダッシュボード９７０３、ライト９７０４等を有する。本発明の一態様の半導体装置は、自動車９７００の表示部、および制御用の集積回路に用いることができる。例えば、図３４（Ｃ）に示す表示部９７１０乃至表示部９７１５に本発明の一態様の半導体を設けることができる。
表示部９７１０と表示部９７１１は、自動車のフロントガラスに設けられた表示装置、または入出力装置である。本発明の一態様の表示装置、または入出力装置は、表示装置、または入出力装置が有する電極を、透光性を有する導電性材料で作製することによって、反対側が透けて見える、いわゆるシースルー状態の表示装置、または入出力装置とすることができる。シースルー状態の表示装置、または入出力装置であれば、自動車９７００の運転時にも視界の妨げになることがない。よって、本発明の一態様の表示装置、または入出力装置を自動車９７００のフロントガラスに設置することができる。なお、表示装置、または入出力装置に、表示装置、または入出力装置を駆動するためのトランジスタなどを設ける場合には、有機半導体材料を用いた有機トランジスタや、酸化物半導体を用いたトランジスタなど、透光性を有するトランジスタを用いるとよい。
表示部９７１２はピラー部分に設けられた表示装置である。例えば、車体に設けられた撮像手段からの映像を表示部９７１２に映し出すことによって、ピラーで遮られた視界を補完することができる。表示部９７１３はダッシュボード部分に設けられた表示装置である。例えば、車体に設けられた撮像手段からの映像を表示部９７１３に映し出すことによって、ダッシュボードで遮られた視界を補完することができる。すなわち、自動車の外側に設けられた撮像手段からの映像を映し出すことによって、死角を補い、安全性を高めることができる。また、見えない部分を補完する映像を映すことによって、より自然に違和感なく安全確認を行うことができる。
また、図３４（Ｄ）は、運転席と助手席にベンチシートを採用した自動車の室内を示している。表示部９７２１は、ドア部に設けられた表示装置、または入出力装置である。例えば、車体に設けられた撮像手段からの映像を表示部９７２１に映し出すことによって、ドアで遮られた視界を補完することができる。また、表示部９７２２は、ハンドルに設けられた表示装置である。表示部９７２３は、ベンチシートの座面の中央部に設けられた表示装置である。なお、表示装置を座面や背もたれ部分などに設置して、当該表示装置を、当該表示装置の発熱を熱源としたシートヒーターとして利用することもできる。
表示部９７１４、表示部９７１５、または表示部９７２２はナビゲーション情報、スピードメーターやタコメーター、走行距離、給油量、ギア状態、エアコンの設定など、その他様々な情報を提供することができる。また、表示部に表示される表示項目やレイアウトなどは、使用者の好みに合わせて適宜変更することができる。なお、上記情報は、表示部９７１０乃至表示部９７１３、表示部９７２１、表示部９７２３にも表示することができる。また、表示部９７１０乃至表示部９７１５、表示部９７２１乃至表示部９７２３は照明装置として用いることも可能である。また、表示部９７１０乃至表示部９７１５、表示部９７２１乃至表示部９７２３は加熱装置として用いることも可能である。
また、図３５（Ａ）に、カメラ８０００の外観を示す。カメラ８０００は、筐体８００１、表示部８００２、操作ボタン８００３、シャッターボタン８００４、結合部８００５等を有する。またカメラ８０００には、レンズ８００６を取り付けることができる。
結合部８００５は、電極を有し、後述するファインダー８１００のほか、ストロボ装置等を接続することができる。
ここではカメラ８０００として、レンズ８００６を筐体８００１から取り外して交換することが可能な構成としたが、レンズ８００６と筐体が一体となっていてもよい。
シャッターボタン８００４を押すことにより、撮像することができる。また、表示部８００２はタッチパネルとしての機能を有し、表示部８００２をタッチすることにより撮像することも可能である。
表示部８００２に、本発明の一態様の表示装置、または入出力装置を適用することができる。
図３５（Ｂ）には、カメラ８０００にファインダー８１００を取り付けた場合の例を示している。
ファインダー８１００は、筐体８１０１、表示部８１０２、ボタン８１０３等を有する。
筐体８１０１には、カメラ８０００の結合部８００５と係合する結合部を有しており、ファインダー８１００をカメラ８０００に取り付けることができる。また当該結合部には電極を有し、当該電極を介してカメラ８０００から受信した映像等を表示部８１０２に表示させることができる。
ボタン８１０３は、電源ボタンとしての機能を有する。ボタン８１０３により、表示部８１０２の表示のオン・オフを切り替えることができる。
筐体８１０１の中にある、集積回路、イメージセンサに本発明の一態様の半導体装置を適用することができる。
なお、図３５（Ａ）（Ｂ）では、カメラ８０００とファインダー８１００とを別の電子機器とし、これらを脱着可能な構成としたが、カメラ８０００の筐体８００１に、本発明の一態様の表示装置、または入出力装置を備えるファインダーが内蔵されていてもよい。
また、図３５（Ｃ）には、ヘッドマウントディスプレイ８２００の外観を示している。
ヘッドマウントディスプレイ８２００は、装着部８２０１、レンズ８２０２、本体８２０３、表示部８２０４、ケーブル８２０５等を有している。また装着部８２０１には、バッテリ８２０６が内蔵されている。
ケーブル８２０５は、バッテリ８２０６から本体８２０３に電力を供給する。本体８２０３は無線受信機等を備え、受信した画像データ等の映像情報を表示部８２０４に表示させることができる。また、本体８２０３に設けられたカメラで使用者の眼球やまぶたの動きを捉え、その情報をもとに使用者の視点の座標を算出することにより、使用者の視点を入力手段として用いることができる。
また、装着部８２０１には、使用者に触れる位置に複数の電極が設けられていてもよい。本体８２０３は使用者の眼球の動きに伴って電極に流れる電流を検知することにより、使用者の視点を認識する機能を有していてもよい。また、当該電極に流れる電流を検知することにより、使用者の脈拍をモニタする機能を有していてもよい。また、装着部８２０１には、温度センサ、圧力センサ、加速度センサ等の各種センサを有していてもよく、使用者の生体情報を表示部８２０４に表示する機能を有していてもよい。また、使用者の頭部の動きなどを検出し、表示部８２０４に表示する映像をその動きに合わせて変化させてもよい。
本体８２０３の内部の集積回路に、本発明の一態様の半導体装置を適用することができる。
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
（実施の形態１２）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置を用いたＲＦタグの使用例について図３６を用いながら説明する。
＜ＲＦタグの使用例＞
ＲＦタグの用途は広範にわたるが、例えば、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、証書類（運転免許証や住民票等、図３６（Ａ）参照）、乗り物類（自転車等、図３６（Ｂ）参照）、包装用容器類（包装紙やボトル等、図３６（Ｃ）参照）、記録媒体（ＤＶＤやビデオテープ等身の回り品（鞄や眼鏡等、図３６（Ｄ）参照）、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、若しくは各物品に取り付ける荷札（図３６（Ｅ）、図３６（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を設けることにより、認証機能を設けることができ、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わる半導体装置を用いたＲＦタグを、本実施の形態に挙げた各用途に用いることにより、情報の書込みや読み出しを含む動作電力を低減できるため、最大通信距離を長くとることが可能となる。また、電力が遮断された状態であっても情報を極めて長い期間保持可能であるため、書き込みや読み出しの頻度が低い用途にも好適に用いることができる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせることができる。
スパッタ法により成膜した酸化アルミニウム膜による酸素供給能力について評価を行った結果について説明する。
評価方法として、シリコンウェーハを９５０℃で塩酸酸化により熱酸化膜を１００ｎｍ形成後、当該熱酸化膜上にスパッタリング法により酸化アルミニウム膜を７０ｎｍ成膜し、当該酸化アルミニウム膜を硝酸、酢酸、リン酸の混合液でウェットエッチングにより除去後、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により酸素の脱離量を測定した。スパッタリング時のターゲットには酸化アルミニウムターゲットを用い、成膜時のチャンバー内圧力を０．４Ｐａとし、成膜時のパワーはＲＦ電源を用いて２．５ｋＷとした。また、サンプルーターゲット間の距離を６０ｍｍとし、成膜時の基板加熱温度を２５０℃とした。ＴＤＳ測定には、電子科学株式会社社製高精度昇温脱離ガス分析装置（ＥＭＤ−ＷＡ１０００Ｓ）を用い、膜の表面温度が０乃至６００℃の範囲で測定を行った。
図３７に、酸素分子の熱脱離量測定結果を示す。横軸にスパッタリング時に用いるガス中の酸素分子含有量、縦軸に酸素放出量を示す。
図３７より、当該ガス中に酸素分子を４％以上含有させることで、熱酸化膜から酸素（酸素原子、酸素分子）が熱脱離していることがわかる。このことは、スパッタリング時にスパッタターゲットに衝突した酸素が、その後エネルギーを保持した状態で熱酸化膜中に侵入していくことによる。したがって、当該熱酸化膜中に酸素（酸素原子、酸素分子）を供給、添加することができ、トランジスタの信頼性、トランジスタ特性のノーマリオフ化において、特性を向上させることができる。
酸化アルミニウム膜による水素バリア性について評価を行った結果について説明する。
評価方法として、シリコンウェハを９５０℃で塩酸酸化により熱酸化膜を１００ｎｍ形成後、当該熱酸化膜上にスパッタリング法により酸化シリコン膜（ＳｉＯｘ）を成膜し、当該酸化シリコン膜上に、スパッタリング法、あるいはＡＬＤ法により酸化アルミニウム膜（ＡｌＯｘ）を２０ｎｍ形成し、ＴＤＳにより酸素の脱離量を測定した。
スパッタリング法を用いた酸化シリコン膜の成膜条件は、ターゲットには酸化シリコンターゲットを用い、成膜時のチャンバー内圧力を０．４Ｐａとし、成膜時のパワーはＲＦ電源を用いて１．５ｋＷとし、スパッタリング用のガス流量を酸素ガス５０ｓｃｃｍとし、サンプルーターゲット間の距離を６０ｍｍとし、成膜時の基板加熱温度を１００℃とした。また、スパッタリング法を用いた酸化アルミニウム膜の成膜条件は、ターゲットには酸化アルミニウムターゲットを用い、成膜時のチャンバー内圧力を０．４Ｐａとし、成膜時のパワーはＲＦ電源を用いて２．５ｋＷとし、スパッタリング用のガス流量はＡｒガスを２５ｓｃｃｍ、酸素ガスを２５ｓｃｃｍとし、サンプルーターゲット間の距離を６０ｍｍとし、成膜時の基板加熱温度を２５０℃とした。また、ＡＬＤ法を用いた酸化アルミニウム膜の成膜条件はプリカーサとしてＴＭＡと、酸化剤としてオゾンを用いてチャンバー内温度を２５０℃とした。図３８に、酸素分子の熱脱離量測定結果を示す。
図３８より、酸化アルミニウム膜を成膜しない場合には、スパッタリングにより成膜した酸化シリコン膜から酸素の放出が確認されるが、スパッタリング法、ＡＬＤ法いずれの方法を用いても酸化アルミニウム膜を成膜することで、酸素の放出が抑えられていることが分かる。したがって、酸化アルミニウム膜に酸素バリア性の効果があることが分かる。これにより、トランジスタの信頼性、トランジスタ特性のノーマリオフ化において、特性を向上させることができる。
酸化アルミニウムによる水素バリア性について評価を行った結果について説明する。
評価方法として、シリコンウェーハを９５０℃でプラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜を５０ｎｍ形成後、当該窒化シリコン膜上にスパッタリング法、あるいはＡＬＤ法により酸化アルミニウム膜（ＡｌＯｘ）を２０ｎｍ形成し、ＴＤＳにより水素の脱離量を測定した。
プラズマＣＶＤ法を用いた窒化シリコン膜の成膜条件は、成膜用ガス流量をシラン６０ｓｃｃｍ、アンモニア４８０ｓｃｃｍとし、窒素１０００ｓｃｃｍとし、成膜時のチャンバー内圧力を３００Ｐａとし、ＲＦ電源周波数を２７ＭＨｚとし、成膜時のパワーは３５０Ｗとし、電極間の距離を２５ｍｍとし、成膜時の基板加熱温度を３５０℃とした。また、スパッタリング法を用いた酸化アルミニウム膜の成膜条件は、ターゲットには酸化アルミニウムターゲットを用い、成膜時のチャンバー内圧力を０．４Ｐａとし、成膜時のパワーはＲＦ電源を用いて２．５ｋＷとし、スパッタリング用のガス流量をＡｒガス２５ｓｃｃｍ、酸素ガス２５ｓｃｃｍとし、サンプルーターゲット間の距離を６０ｍｍとし、成膜時の基板加熱温度を２５０℃とした。また、ＡＬＤ法を用いた酸化アルミニウム膜の成膜条件はプリカーサとしてＴＭＡと、酸化剤としてオゾンを用いてチャンバー内温度を２５０℃とした。図３９に、水素分子の熱脱離量測定結果を示す。
図３９より、酸化アルミニウム膜を成膜しない場合には、スパッタリングにより成膜した酸化シリコン膜から水素の放出が確認されるが、スパッタリング法、ＡＬＤ法いずれの方法を用いても酸化アルミニウム膜を成膜することで、水素の放出が抑えられていることが分かる。したがって、酸化アルミニウム膜に水素バリア性の効果があることが分かる。これにより、トランジスタの信頼性、トランジスタ特性のノーマリオフ化において、特性を向上させることができる。
ＡＬＤ法を用いた酸化アルミニウム膜の被覆性について、トランジスタを作製し、断面観察を行った結果について説明する。
観察用のサンプルは、実施の形態１において説明した方法により作製した。観察は、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｃｏｐｅ）により行い、装置は日立ハイテクノロジーズ社製ＨＤ−２３００を用いた。図４０にトランジスタの断面ＳＴＥＭ観察結果を示す。
図４０より、絶縁層１１０、酸化物半導体層１２０、ソース電極層１３０、ドレイン電極層１４０、ゲート絶縁層１５０、ゲート電極層１６０が形成されており、ＡＬＤ法により形成した絶縁層１７１がトランジスタを隙間なく覆っていることが分かる。これにより、トランジスタへの不純物の侵入を防ぐことができ、トランジスタ特性を向上させることができる。
本実施例では、酸化物半導体層１２２の導入有無によるトランジスタ特性の結果について説明する。
トランジスタは、実施の形態１で説明した方法を用いて作製した。
絶縁層１１０は、プラズマＣＶＤ法で７０ｎｍ成膜した酸化窒化シリコンを用いた。当該酸化窒化シリコン膜の成膜条件は、成膜用ガス流量をシラン２．３ｓｃｃｍ、一酸化二窒素８００ｓｃｃｍとし、成膜時のチャンバー内圧力を隔膜式バラトロンセンサーおよびＡＰＣバルブ制御により４０Ｐａとし、ＲＦ電源周波数を２７ＭＨｚとし、成膜時のパワーは５０Ｗとし、電極間の距離を１５ｍｍとし、成膜時の基板加熱温度を４００℃とした。
酸化物半導体層１２１は、スパッタリング法を用いてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４（原子数比）の組成のターゲットを用いて３０ｎｍを成膜したものを用いた。酸化物半導体層１２１の成膜条件は、成膜時のチャンバー内圧力を０．７Ｐａとし、成膜時のパワーはＤＣ電源を用いて０．５ｋＷとし、スパッタリング用のガス流量をＡｒガス４０ｓｃｃｍ、酸素ガス５ｓｃｃｍとし、サンプルーターゲット間の距離を６０ｍｍとし、成膜時の基板加熱温度を２００℃とした。
酸素添加処理は、イオン注入法により１６Ｏ＋イオンを加速電圧１ＫｅＶ、ドーズ量を１×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ３の条件で行った。酸化物半導体層１２２は、スパッタリング法を用いてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４の組成のターゲットを用いて１０ｎｍを成膜したものを用いた。
酸化物半導体層１２２の成膜条件は、成膜時のチャンバー内圧力を０．７Ｐａとし、成膜時のパワーはＤＣ電源を用いて０．５ｋＷとし、スパッタリング用のガス流量をＡｒガス４０ｓｃｃｍ、酸素ガス５ｓｃｃｍとし、サンプルーターゲット間の距離を６０ｍｍとし、成膜時の基板加熱温度を２００℃とした。
酸化物半導体層１２３は、スパッタリング法を用いてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の組成のターゲットを用いて１５ｎｍを成膜したものを用いた。酸化物半導体層１２３の成膜条件は、成膜時のチャンバー内圧力を０．７Ｐａとし、成膜時のパワーはＤＣ電源を用いて０．５ｋＷとし、スパッタリング用のガス流量をＡｒガス３０ｓｃｃｍ、酸素ガス１５ｓｃｃｍとし、サンプルーターゲット間の距離を６０ｍｍとし、成膜時の基板加熱温度を３００℃とした。
ソース電極層１３０、ドレイン電極層１４０は、スパッタリング法により５０ｎｍ成膜したタングステンを用いた。当該タングステンの成膜条件は、成膜時のチャンバー内圧力を０．４Ｐａとし、成膜時のパワーはＤＣ電源を用いて１ｋＷとし、スパッタリング用のガス流量をＡｒガス１００ｓｃｃｍ、加熱したＡｒガス１０ｓｃｃｍとし、サンプルーターゲット間の距離を６０ｍｍとし、成膜時の基板加熱温度を１３０℃とした。
酸化物半導体層１２４は、スパッタリング法を用いてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２の組成のターゲットを用いて２０ｎｍを成膜したものを用いた。酸化物半導体層１２４の成膜条件は、成膜時のチャンバー内圧力を２．０Ｐａとし、成膜時のパワーはＤＣ電源を用いて０．５ｋＷとし、スパッタリング用のガス流量をＡｒガス３０ｓｃｃｍ、酸素ガス１５ｓｃｃｍとし、サンプルーターゲット間の距離を６０ｍｍとし、成膜時の基板加熱温度を３００℃とした。
ゲート絶縁層１５０は、プラズマＣＶＤ法で１３ｎｍ成膜した酸化シリコンを用いた。当該酸化シリコン膜の成膜条件は、成膜用ガス流量をシラン１ｓｃｃｍ、一酸化二窒素８００ｓｃｃｍとし、成膜時のチャンバー内圧力を隔膜式バラトロンセンサーおよびＡＰＣバルブ制御により２００Ｐａとし、ＲＦ電源周波数を６０ＭＨｚとし、成膜時のパワーは１５０Ｗとし、電極間の距離を２８ｍｍとし、成膜時の基板加熱温度を３５０℃とした。
ゲート電極層１６１、ゲート電極層１６２は、スパッタリング法により３０ｎｍ成膜した窒化チタンと、１３５ｎｍ成膜したタングステンを用いた。窒化チタンの成膜条件は、チタンをターゲットに用いて成膜時のチャンバー内圧力を０．２Ｐａとし、成膜時のパワーはＤＣ電源を用いて１２ｋＷとし、スパッタリング用のガス流量を加熱したＮ２ガス５０ｓｃｃｍとし、サンプルーターゲット間の距離を４００ｍｍとし、室温成膜とした。タングステンの成膜条件は、成膜時のチャンバー内圧力を２．０Ｐａとし、成膜時のパワーはＤＣ電源を用いて４ｋＷとし、スパッタリング用のガス流量をＡｒガス１００ｓｃｃｍ、加熱したＡｒガス１０ｓｃｃｍとし、サンプルーターゲット間の距離を６０ｍｍとし、成膜時の基板加熱温度を１３０℃とした。
絶縁層１７０は、スパッタリング法により４０ｎｍ成膜した酸化アルミニウム膜を用いた。酸化アルミニウム膜の成膜条件は、ターゲットには酸化アルミニウムターゲットを用い、成膜時のチャンバー内圧力を０．４Ｐａとし、成膜時のパワーはＲＦ電源を用いて２．５ｋＷとし、スパッタリング用のガス流量をＡｒガス２５ｓｃｃｍ、酸素ガス２５ｓｃｃｍとし、サンプルーターゲット間の距離を６０ｍｍとし、成膜時の基板加熱温度を２５０℃とした。
今回評価を行ったトランジスタのサイズは、チャネル長（Ｌ）が０．６３μｍ、チャネル幅（Ｗ）が０．７６μｍであった。図４１（Ａ）、図４１（Ｂ）に、Ｖｄ＝０Ｖ、１．８ＶにおけるＩｄ−Ｖｇ特性を示す。図４１（Ａ）は、酸化物半導体層１２２がないトランジスタであり、図４１（Ｂ）は酸化物半導体層１２２があるトランジスタである。また、表１に図４１（Ａ）、図４１（Ｂ）のトランジスタ特性を示す。
表１より、酸化物半導体層１２２を導入することで、ノーマリオフを維持しながら、サブスレショルド係数（Ｓ−ｖａｌｕｅ）の低下、オン電流の上昇が確認された。本発明の実施によりトランジスタ特性が向上することが確認された。
１０ トランジスタ
１１ トランジスタ
１２ トランジスタ
１３ トランジスタ
１４ トランジスタ
１００ 基板
１０５ バックゲート電極層
１０５ａ 導電膜
１０７ 酸化物半導体膜
１０８ 酸素
１１０ 絶縁層
１１５ 酸化物半導体膜
１１７ ゲート絶縁層
１２０ 酸化物半導体層
１２１ 酸化物半導体層
１２１ａ 酸化物半導体膜
１２１ｂ 酸化物半導体膜
１２１ｃ 酸化物半導体膜
１２２ 酸化物半導体層
１２２ａ 酸化物半導体膜
１２３ 酸化物半導体層
１２３ａ 酸化物半導体膜
１２３ｂ 酸化物半導体膜
１２４ 酸化物半導体層
１２４ａ 酸化物半導体膜
１３０ ソース電極層
１３０ａ 導電膜
１３０ｂ 導電層
１３１ａ 導電層
１４０ ドレイン電極層
１５０ ゲート絶縁層
１５０ａ 絶縁膜
１６０ ゲート電極層
１６１ ゲート電極層
１６１ａ 導電膜
１６２ ゲート電極層
１６２ａ 導電膜
１６２ｂ 導電膜
１７０ 絶縁層
１７０ａ 絶縁膜
１７１ 絶縁層
１７１ａ 絶縁膜
１８０ 絶縁層
１８０ａ 絶縁膜
１８０ｂ 絶縁膜
１９０ 導電層
１９０ａ 導電膜
１９１ 導電層
１９１ａ 導電膜
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
３６２ カソード
３６３ 低抵抗領域
３６５ フォトダイオード
３６６ 半導体層
３６７ 半導体層
３６８ 半導体層
３７０ プラグ
３７１ 配線
３７２ 配線
３７３ 配線
３７４ 配線
６０１ プリカーサ
６０２ プリカーサ
７００ 基板
７０１ 画素部
７０２ 走査線駆動回路
７０３ 走査線駆動回路
７０４ 信号線駆動回路
７１０ 容量配線
７１２ 走査線
７１３ 走査線
７１４ 信号線
７１６ トランジスタ
７１７ トランジスタ
７１８ 液晶素子
７１９ 液晶素子
７２０ 画素
７２１ スイッチング用トランジスタ
７２２ 駆動用トランジスタ
７２３ 容量素子
７２４ 発光素子
７２５ 信号線
７２６ 走査線
７２７ 電源線
７２８ 共通電極
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
１０００Ｓ ＥＭＤ−ＷＡ
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
１７００ 基板
１７０１ チャンバー
１７１１ａ 原料供給部
１７１１ｂ 原料供給部
１７１２ａ 高速バルブ
１７１２ｂ 高速バルブ
１７１３ａ 原料導入口
１７１３ｂ 原料導入口
１７１４ 原料排出口
１７１５ 排気装置
１７１６ 基板ホルダ
１７５０ インターポーザ
１７５１ チップ
１７５２ 端子
１７５３ モールド樹脂
１８００ パネル
１８０１ プリント配線基板
１８０２ パッケージ
１８０３ ＦＰＣ
１８０４ バッテリー
２１００ トランジスタ
２２００ トランジスタ
２２０１ 絶縁体
２２０２ 配線
２２０３ プラグ
２２０４ 絶縁体
２２０５ 配線
２２０７ 絶縁体
２２０８ ブロック膜
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
５１００ ペレット
５１２０ 基板
５１６１ 領域
６０００ 表示モジュール
６００１ 上部カバー
６００２ 下部カバー
６００３ ＦＰＣ
６００４ タッチパネル
６００５ ＦＰＣ
６００６ 表示パネル
６００７ バックライトユニット
６００８ 光源
６００９ フレーム
６０１０ プリント基板
６０１１ バッテリー
７１０１ 筐体
７１０２ 筐体
７１０３ 表示部
７１０４ 表示部
７１０５ マイク
７１０６ スピーカー
７１０７ 操作キー
７１０８ スタイラス
７３０２ 筐体
７３０４ 表示部
７３１１ 操作ボタン
７３１２ 操作ボタン
７３１３ 接続端子
７３２１ バンド
７３２２ 留め金
７５０１ 筐体
７５０２ 表示部
７５０３ 操作ボタン
７５０４ 外部接続ポート
７５０５ スピーカー
７５０６ マイク
７７０１ 筐体
７７０２ 筐体
７７０３ 表示部
７７０４ 操作キー
７７０５ レンズ
７７０６ 接続部
７９０１ 電柱
７９０２ 表示部
８０００ カメラ
８００１ 筐体
８００２ 表示部
８００３ 操作ボタン
８００４ シャッターボタン
８００５ 結合部
８００６ レンズ
８１００ ファインダー
８１０１ 筐体
８１０２ 表示部
８１０３ ボタン
８１２１ 筐体
８１２２ 表示部
８１２３ キーボード
８１２４ ポインティングデバイス
８２００ ヘッドマウントディスプレイ
８２０１ 装着部
８２０２ レンズ
８２０３ 本体
８２０４ 表示部
８２０５ ケーブル
８２０６ バッテリ
９７００ 自動車
９７０１ 車体
９７０２ 車輪
９７０３ ダッシュボード
９７０４ ライト
９７１０ 表示部
９７１１ 表示部
９７１２ 表示部
９７１３ 表示部
９７１４ 表示部
９７１５ 表示部
９７２１ 表示部
９７２２ 表示部
９７２３ 表示部

Claims (7)

  1. 第１の絶縁層と、
    前記第１の絶縁層上に形成された第１の酸化物半導体層と、
    前記第１の酸化物半導体層上に形成された第２の酸化物半導体層と、
    前記第２の酸化物半導体層上に形成された第３の酸化物半導体層と、
    前記第３の酸化物半導体層上に形成されたソース電極層およびドレイン電極層と、
    前記ソース電極層、前記ドレイン電極層、および前記第３の酸化物半導体層上に形成された第４の酸化物半導体層と、
    前記第４の酸化物半導体層上に形成されたゲート絶縁層と、
    前記ソース電極層、前記ドレイン電極層、および前記第４の酸化物半導体層と重なるように前記ゲート絶縁層上に形成されたゲート電極層と、
    前記第１の絶縁層、前記ソース電極層、前記ゲート電極層、および前記ドレイン電極層上に形成された第２の絶縁層と、を有し、
    前記第２の酸化物半導体層の伝導帯の下端のエネルギー準位が、前記第１の酸化物半導体層の伝導帯の下端のエネルギー準位よりも真空準位に近く、
    前記第２の酸化物半導体層の伝導帯の下端のエネルギー準位が、前記第３の酸化物半導体層の伝導帯の下端のエネルギー準位よりも真空準位に近く、
    前記第２の酸化物半導体層の伝導帯の下端のエネルギー準位が、前記第４の酸化物半導体層の伝導帯の下端のエネルギー準位よりも真空準位に近いことを特徴とする半導体装置。
  2. 第１の絶縁層と、
    前記第１の絶縁層上に形成された第１の酸化物半導体層と、
    前記第１の酸化物半導体層上に形成された第２の酸化物半導体層と、
    前記第２の酸化物半導体層上に形成された第３の酸化物半導体層と、
    前記第３の酸化物半導体層上に形成されたソース電極層およびドレイン電極層と、
    前記ソース電極層、前記ドレイン電極層、および前記第３の酸化物半導体層上に形成された第４の酸化物半導体層と、
    前記第４の酸化物半導体層上に形成されたゲート絶縁層と、
    前記ソース電極層、前記ドレイン電極層、および前記第４の酸化物半導体層と重なるように前記ゲート絶縁層上に形成されたゲート電極層と、
    前記第１の絶縁層、前記ソース電極層、前記ゲート電極層、および前記ドレイン電極層上に形成された中間層と、
    前記第１の絶縁層と、前記中間層上に形成された第２の絶縁層を有し、
    前記中間層は、前記第１の酸化物半導体層、前記第２の酸化物半導体層、前記第３の酸化物半導体層の外周を囲むように設けられており、
    前記第２の酸化物半導体層の伝導帯の下端のエネルギー準位が、前記第１の酸化物半導体層の伝導帯の下端のエネルギー準位よりも真空準位に近く、
    前記第２の酸化物半導体層の伝導帯の下端のエネルギー準位が、前記第３の酸化物半導体層の伝導帯の下端のエネルギー準位よりも真空準位に近く、
    前記第２の酸化物半導体層の伝導帯の下端のエネルギー準位が、前記第４の酸化物半導体層の伝導帯の下端のエネルギー準位よりも真空準位に近いことを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項２において、
    前記中間層は、水、水素、酸素に対してバリア性を有していることを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項２または３において、
    前記中間層は、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化スズ、酸化スズインジウム、酸化タンタル、酸化シリコン、酸化マンガン、酸化ニッケル、酸化エルビウム、酸化コバルト、酸化テルル、チタン酸バリウム、窒化チタン、窒化タンタル、窒化アルミニウム、窒化タングステン、窒化コバルト、窒化シリコン、窒化マンガン、窒化ハフニウムのいずれかであることを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項１乃至４のいずれか一項において、
    前記第２の絶縁層は、水、水素、酸素に対してバリア性を有していることを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項１乃至５のいずれか一項において、
    前記第２の絶縁層は、酸素を供給する機能を有することを特徴とする半導体装置。
  7. 請求項１乃至６のいずれか一項において、
    前記第２の絶縁層は、酸化アルミニウムであることを特徴とする半導体装置。
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