JP6714582B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明の一態様は、半導体装置、又はそのシステムに関する。
なお本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の技術分野は、物、方法、又は、製造方法に関するものである。又は、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、又は、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関するものである。そのため、より具体的に本明細書で開示する本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、蓄電装置、撮像装置、記憶装置、プロセッサ、電子機器、それらの駆動方法、それらの製造方法、それらの検査方法、又はそれらのシステムを一例として挙げることができる。
近年、パーソナルコンピュータ、タブレット型端末、スマートフォンなどさまざまな電子機器に、記憶装置、プロセッサなどの半導体装置が用いられており、当該半導体装置は、低消費電力化、微細化など様々な面で改良が進められている。
低消費電力化、微細化などを図る方法として、半導体装置に使われているトランジスタの半導体層（以下、活性層、チャネル層、チャネル形成領域という場合がある）を酸化物半導体にする提案がある。例えば、チャネル層にインジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む酸化物（以下、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物という場合がある）を用いたトランジスタなどが挙げられる（特許文献１参照。）。
酸化物をチャネル形成領域に設けたトランジスタを半導体装置に適用した例として、記憶装置、プロセッサなどが挙げられる。該トランジスタは、ソース−ドレイン間に流れるオフ電流（以下、リーク電流という場合がある）が非常に小さい特徴を持ち、記憶装置に該トランジスタを適用することで、電力の供給無しで、記憶を保持することができる（特許文献２参照）。また、プロセッサに該トランジスタを用いることで、高速のバックアップ、及び高速のリストアが実現でき、かつプロセッサの消費電力を低減することができる（非特許文献１参照）。
特表平１１−５０５３７７号公報 特開２０１２−２５６４００号公報 特開２０１２−２３８１２６号公報
Ｈ．Ｔａｍｕｒａ， Ｋ．Ｋａｔｏ， Ｔ．Ｉｓｈｉｚｕ， Ｔ．Ｏｎｕｋｉ． Ｗ．Ｕｅｓｕｇｉ， Ｔ．Ｏｈｍａｒｕ， Ｋ．Ｏｈｓｈｉｍａ， Ｈ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ， Ｓ．Ｙｏｎｅｄａ， Ａ．Ｉｓｏｂｅ， Ｎ．Ｎａｏａｋｉ， Ｓ．Ｈｏｎｄａ， Ｙ．Ｓｕｚｕｋｉ， Ｙ．Ｏｋａｚａｋｉ， Ｔ．Ａｔｓｕｍｉ， Ｙ．Ｓｈｉｏｎｏｉｒｉ， Ｙ．Ｍａｅｈａｓｈｉ， Ｇ．Ｇｏｔｏ， Ｍ．Ｆｕｊｉｔａ， Ｊ．Ｍｙｅｒｓ， Ｐ．Ｋｏｒｐｉｎｅｎ， Ｊ．Ｋｏｙａｍａ，Ｙ．Ｙａｍａｍｏｔｏ， ａｎｄ Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ． ："Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ａｎｄ Ｃｏｒｔｅｘ−Ｍ０ Ｃｏｒｅ ｗｉｔｈ Ｂａｃｋｕｐ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｕｓｉｎｇ ａ ６０−ｎｍ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｇａｔｉｎｇ"， ＣＯＯＬ Ｃｈｉｐｓ ＸＶＩＩ， ２０１４，ＩＥＥＥ．
半導体装置の小型化が進んできたことで、カードに半導体装置、又はＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）を内蔵した電子機器、いわゆるＩＣカードも増加している。ＩＣの搭載されたカードを具体的にあげると、クレジットカード、電子マネー対応カード、免許証などの身分証明書、施設の通行許可証、企業の社員証などがある。また、カードの形態ではないが、パスポートにもＩＣが組み込まれている。そのため、本明細書では、パスポートもカードの一形態として表記する場合がある。
ＩＣカードが普及した理由の一つとして、不正利用の防止が挙げられる。ここでいう不正利用とは、例えば、他者のクレジットカード、又は電子マネー対応カードを使用して、不正に決済する場合、又は、他者の通行許可証を使用して、該他者に成りすまして、住居、又は施設などへの侵入する場合、又は、他者のパスポートを使用して、該他者に成りすまして、不法入国する場合などがある。
上記の例に挙げたような不正利用を防ぐ手段として、ＩＣカードに暗証番号やＩＤ（Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）を記憶させて、本人以外のカードの使用を未然に防ぐ方法がある。特に、指紋、静脈、虹彩、声紋、顔の形などをＩＤとして取り扱う生体認証の普及が進んでいる。例えば、ＩＣカードに指紋認識装置を組み込んだ出願がされている（特許文献３）。
上述の通り、カードに上述した認証システムを導入する場合、指紋認証センサ、記憶装置、及び認証システムを動作させるＣＰＵなどをカードに搭載する必要がある。つまり、カードに内蔵する半導体装置の数が多くなり、回路面積が大きくなる。また、半導体装置の数、回路数の増加に伴って、結果的にカード内部の消費電力も高くなる場合がある。
また、ＩＤを記憶させる手段として、ＩＣカードに記憶装置を設ける必要がある。ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などの揮発性メモリの場合では、常に電力供給を行わなければ記憶の保持ができないため、ＲｅＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などの不揮発性メモリが用いられる。しかし、従来の不揮発性メモリでは書き込み動作時と読み込み動作時における消費電力が大きくなってしまうため、非接触型ＩＣカードの場合、一次電池やバッテリーなど（以後、包括して電池という場合がある）を別途搭載する必要があり、また接触型ＩＣカードの場合、外部から電力供給する必要がある。またＩＣカードの使用期限は、発行後から概ね３年から１０年なので、ＩＣカードは、少なくとも該ＩＣカードの使用期限まで記憶情報の劣化が起こらない記憶装置を有する必要がある。
なお、上述の認証システムの利用については、カード（パスポートを含む）の形態に限定されない。例えば、近年の携帯電話やスマートフォンにも電子マネー機能、クレジット機能などを有しており、これらの不正利用についても対策を行う必要がある。
本発明の一態様は、新規な半導体装置の提供することを課題の一つとする。又は、本発明の一態様は、新規な半導体装置を有する電子機器を提供することを課題の一とする。又は、本発明の一態様は、新規な記憶装置、新規なＩＣカード、又は新規なシステムなどを提供することを課題の一とする。
又は、本発明の一態様は、認証システムを行うための半導体装置を搭載したＩＣカード、又は電子機器を提供することを課題の一とする。又は、本発明の一態様は、低消費電力を実現する半導体装置、該半導体装置を有するＩＣカード、又は該半導体装置を有する電子機器を提供することを課題の一とする。又は、本発明の一態様は、長い期間記憶を保持できる半導体装置、該半導体装置を有するＩＣカード、又は該半導体装置を有する電子機器を提供することを課題の一とする。
なお本発明の一態様の課題は、上記列挙した課題に限定されない。上記列挙した課題は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお他の課題は、以下の記載で述べる、本項目で言及していない課題である。本項目で言及していない課題は、当業者であれば明細書又は図面等の記載から導き出せるものであり、これらの記載から適宜抽出することができる。なお、本発明の一態様は、上記列挙した記載、及び他の課題のうち、少なくとも一つの課題を解決するものである。なお、本発明の一態様は、上記列挙した記載、及び他の課題の少なくとも一つについて、全ての課題を解決する必要はない。
（１）
本発明の一態様は、送受信回路と、制御回路と、アナログデジタル変換回路と、記憶装置と、指紋センサと、を有する半導体装置であって、送受信回路は、アンテナを有し、制御回路は、第１トランジスタを有し、記憶装置は、第２トランジスタを有し、アナログデジタル変換回路は、第３トランジスタを有し、第１乃至第３トランジスタの少なくともいずれか一は、ソース又はドレインの一方に保持ノードと、チャネル形成領域に酸化物半導体と、を有し、記憶装置は、照合用の指紋データである第１デジタルデータと、機密データである第２デジタルデータと、が記憶され、送受信回路は、制御回路と電気的に接続され、制御回路は、指紋センサと、アナログデジタル変換回路と、記憶装置と、電気的に接続され、指紋センサは、アナログデジタル変換回路と電気的に接続され、送受信回路は、アンテナによって生成される入力交流信号から、制御回路に入力する第１電気信号を生成する機能を有し、第１電気信号は、制御回路を駆動する命令を有し、制御回路は、第１電気信号の解読後に、記憶装置に読み出し動作の命令を含む第２電気信号を送り、かつ指紋センサに駆動命令を含む第３電気信号を送る機能を有し、記憶装置は、第２電気信号を受けることで、第１デジタルデータを読み出して、制御回路に送る機能を有し、指紋センサは、第３電気信号を受けることで、指紋のアナログデータを取得して、アナログデジタル変換回路に入力する機能を有し、アナログデジタル変換回路は、指紋のアナログデータを第３デジタルデータに変換して、記憶装置及び制御回路に送る機能を有し、記憶装置は、第３デジタルデータを記憶する機能を有し、制御回路は、第１デジタルデータと第３デジタルデータを比較する機能を有し、制御回路は、第１デジタルデータと第３デジタルデータが一致した場合に、記憶装置に読み出し動作命令を含む第４電気信号を送る機能を有し、記憶装置は、第４電気信号を受けることで、第２デジタルデータを読み出して、制御回路に送る機能を有し、制御回路は、第２デジタルデータを送受信回路に送る機能を有し、送受信回路は、第２デジタルデータを変調し、アンテナから、変調された第２デジタルデータを送信する機能を有することを特徴とする半導体装置である。
（２）
本発明の一態様は、入出力端子と、制御回路と、アナログデジタル変換回路と、記憶装置と、指紋センサと、を有する半導体装置であって、制御回路は、第１トランジスタを有し、記憶装置は、第２トランジスタを有し、アナログデジタル変換回路は、第３トランジスタを有し、第１乃至第３トランジスタの少なくともいずれか一は、ソース又はドレインの一方に保持ノードと、チャネル形成領域に酸化物半導体と、を有し、記憶装置は、照合用の指紋データである第１デジタルデータと、機密データである第２デジタルデータと、が記憶され、入出力端子は、制御回路と電気的に接続され、制御回路は、指紋センサと、アナログデジタル変換回路と、記憶装置と、電気的に接続され、指紋センサは、アナログデジタル変換回路と電気的に接続され、入出力端子は、制御回路に入力する第１電気信号を半導体装置の内部に供給する機能を有し、第１電気信号は、制御回路を駆動する命令を有し、制御回路は、第１電気信号の解読後に、記憶装置に読み出し動作の命令を含む第２電気信号を送り、かつ指紋センサに駆動命令を含む第３電気信号を送る機能を有し、記憶装置は、第２電気信号を受けることで、第１デジタルデータを読み出して、制御回路に送る機能を有し、指紋センサは、第３電気信号を受けることで、指紋のアナログデータを取得して、アナログデジタル変換回路に入力する機能を有し、アナログデジタル変換回路は、指紋のアナログデータを第３デジタルデータに変換して、記憶装置及び制御回路に送る機能を有し、記憶装置は、第３デジタルデータを記憶する機能を有し、制御回路は、第１デジタルデータと第３デジタルデータを比較する機能を有し、制御回路は、第１デジタルデータと第３デジタルデータが一致した場合に、記憶装置に読み出し動作命令を含む第４電気信号を送る機能を有し、記憶装置は、第４電気信号を受けることで、第２デジタルデータを読み出して、制御回路に送る機能を有し、制御回路は、入出力端子を介して、第２デジタルデータを外部に送信する機能を有することを特徴とする半導体装置である。
（３）
本発明の一態様は、前記（１）において、更に入出力端子を有する半導体装置であって、入出力端子は、制御回路と電気的に接続され、入出力端子は、半導体装置の外部からの第５電気信号を制御回路に入力する機能を有し、第５電気信号は、制御回路を駆動する命令を有し、制御回路は、第５電気信号の解読後に、記憶装置に読み出し動作の命令を含む第２電気信号を送り、かつ指紋センサに駆動命令を含む第３電気信号を送る機能を有し、制御回路は、第２デジタルデータを受けることで、入出力端子を介して、第２デジタルデータを外部に送信する機能を有することを特徴とする半導体装置である。
（４）
本発明の一態様は、前記（３）において、更に表示部と、操作キーと、筐体と、を有する半導体装置であって、表示部は、制御回路と電気的に接続され、操作キーは、制御回路と電気的に接続されることを特徴とする半導体装置である。
（５）
本発明の一態様は、前記（４）において、表示部にタッチセンサ機能を有することを特徴とする半導体装置である。
（６）
本発明の一態様は、前記（４）、又は前記（５）において、筐体は、生物の表面、又は無生物の表面に装着可能な構造体を有することを特徴とする半導体装置である。
（７）
本発明の一態様は、前記（１）乃至（６）いずれかにおいて、容量素子を有し、容量素子は、少なくとも一の保持ノードの電圧を保持する機能を有することを特徴とする半導体装置である。
（８）
本発明の一態様は、前記（１）乃至（７）いずれかにおいて、記憶装置は、第１記憶領域と、第２記憶領域と、を有し、第１記憶領域は、データの書き込み動作及び読み出し動作が行える領域であり、第２記憶領域は、データの読み出し動作のみ行える領域であり、記憶装置は、第１記憶領域に第３デジタルデータを記憶する機能と、第２記憶領域に第１デジタルデータと、第２デジタルデータと、を保持する機能を有することを特徴とする半導体装置である。
（９）
本発明の一態様は、半導体装置と、第１外部機器と、第２外部機器と、を有するシステムであって、半導体装置は、送受信回路と、制御回路と、記憶装置と、を有し、送受信回路は、第１アンテナを有し、第１外部機器は、第２アンテナを有し、第２外部機器は、生体センサを有し、制御回路は、第１トランジスタを有し、記憶装置は、第２トランジスタを有し、第１トランジスタ、及び第２トランジスタの少なくとも一は、ソース又はドレインの一方に保持ノードと、チャネル形成領域に酸化物半導体と、を有し、記憶装置は、照合用の生体データである第１デジタルデータと、機密データである第２デジタルデータと、が記憶され、送受信回路は、制御回路と電気的に接続され、制御回路は、記憶装置と電気的に接続され、第１外部機器は、第２外部機器と電気的に接続され、送受信回路は、第１アンテナによって生成される入力交流信号から、制御回路に入力する第１電気信号を生成する機能を有し、第１電気信号は、制御回路を駆動する命令を有し、制御回路は、第１電気信号の解読後に、記憶装置に読み出し動作の命令を含む第２電気信号を送り、かつ送受信回路に第２外部機器への駆動命令を含む第３電気信号を送る機能を有し、記憶装置は、第２電気信号を受けることで、第１デジタルデータを読み出して、制御回路に送る機能を有し、送受信回路は、第３電気信号を受けることで、第１アンテナから第２アンテナに、変調された第３電気信号を送信する機能を有し、第１外部機器は、第２外部機器に第３電気信号を送信する機能を有し、第２外部機器は、第３電気信号を受けることで、生体センサを起動して、生体データである第３デジタルデータを取得する機能と、第３デジタルデータを第１外部機器に送信する機能を有し、第１外部機器は、第２アンテナから第１アンテナに、第３デジタルデータを送信する機能を有し、送受信回路は、第１アンテナが受信した第３デジタルデータを復調して、制御回路に送る機能を有し、制御回路は、第３デジタルデータを記憶装置に送り、第３デジタルデータを記憶装置に記憶させる機能を有し、制御回路は、第１デジタルデータと第３デジタルデータを比較する機能を有し、制御回路は、第１デジタルデータと第３デジタルデータが一致した場合に、記憶装置に読み出し動作命令を含む第４電気信号を送る機能を有し、記憶装置は、第４電気信号を受けることで、第２デジタルデータを読み出して、制御回路に送る機能を有し、制御回路は、第２デジタルデータを送受信回路に送る機能を有し、送受信回路は、第２デジタルデータを変調し、第１アンテナから第２アンテナへ、変調された第２デジタルデータを送信する機能を有することを特徴とするシステムである。
（１０）
本発明の一態様は、半導体装置と、第１外部機器と、第２外部機器と、を有するシステムであって、半導体装置は、入出力端子と、制御回路と、記憶装置と、を有し、第１外部機器は、接続口を有し、第２外部機器は、生体センサを有し、制御回路は、第１トランジスタを有し、記憶装置は、第２トランジスタを有し、第１トランジスタ、及び第２トランジスタの少なくとも一は、ソース又はドレインの一方に保持ノードと、チャネル形成領域に酸化物半導体と、を有し、記憶装置は、照合用の生体データである第１デジタルデータと、機密データである第２デジタルデータと、が記憶され、入出力端子は、制御回路と電気的に接続され、制御回路は、記憶装置と電気的に接続され、第１外部機器は、第２外部機器と電気的に接続され、半導体装置を接続口に取り付けることで、第１外部機器と、入出力端子と、を電気的に接続する機能を有し、入出力端子は、制御回路に入力する第１電気信号を、第１外部機器から半導体装置の内部に供給する機能を有し、第１電気信号は、制御回路を駆動する命令を有し、制御回路は、第１電気信号の解読後に、記憶装置に読み出し動作の命令を含む第２電気信号を送り、かつ入出力端子を介して第１外部機器に第２外部機器への駆動命令を含む第３電気信号を送る機能を有し、記憶装置は、第２電気信号を受けることで、第１デジタルデータを読み出して、制御回路に送る機能を有し、第１外部機器は、第２外部機器に第３電気信号を送信する機能を有し、第２外部機器は、第３電気信号を受けることで、生体センサを起動して、生体データである第３デジタルデータを取得する機能と、第３デジタルデータを第１外部機器に送信する機能を有し、第１外部機器は、入出力端子を介して、第３デジタルデータを制御回路に送る機能を有し、制御回路は、第３デジタルデータを記憶装置に送り、第３デジタルデータを記憶装置に記憶させる機能を有し、制御回路は、第１デジタルデータと第３デジタルデータを比較する機能を有し、制御回路は、第１デジタルデータと第３デジタルデータが一致した場合に、記憶装置に読み出し動作命令を含む第４電気信号を送る機能を有し、記憶装置は、第４電気信号を受けることで、第２デジタルデータを読み出して、制御回路に送る機能を有し、制御回路は、入出力端子を介して、第２デジタルデータを第１外部機器に送信する機能を有することを特徴とするシステムである。
（１１）
本発明の一態様は、前記（９）、又は前記（１０）において、第１外部機器と第２外部機器は、同一の筐体に収納された１つの装置であることを特徴とするシステムである。
（１２）
本発明の一態様は、前記（９）において、第１外部機器と第２外部機器は、同一の第１筐体に収納された１つの装置であり、半導体装置は、更に、表示部と、操作キーと、第２筐体と、を有することを特徴とするシステムである。
（１３）
本発明の一態様は、前記（１２）において、半導体装置は、表示部にタッチセンサ機能を有することを特徴とするシステムである。
（１４）
本発明の一態様は、前記（１２）、又は前記（１３）において、第２筐体は、生物の表面、又は無生物の表面に装着可能な構造体を有することを特徴とするシステムである。
（１５）
本発明の一態様は、前記（９）、前記（１０）、前記（１２）又は前記（１３）のいずれかにおいて、生体データは、指紋、掌線、手形、指又は手のひら又は手首の静脈、声紋、虹彩、顔の形、遺伝子の少なくともいずれか一に関するデータであることを特徴とするシステムである。
（１６）
本発明の一態様は、前記（９）、前記（１０）、前記（１２）又は前記（１３）のいずれかにおいて、前記半導体装置は、容量素子を有し、容量素子は、少なくとも一の保持ノードの電圧を保持する機能を有することを特徴とするシステムである。
（１７）
本発明の一態様は、前記（９）、前記（１０）、前記（１２）又は前記（１３）のいずれかにおいて、記憶装置は、第１記憶領域と、第２記憶領域と、を有し、第１記憶領域は、データの書き込み動作及び読み出し動作が行える領域であり、第２記憶領域は、データの読み出し動作のみ行える領域であり、記憶装置は、第１記憶領域に第３デジタルデータを記憶する機能と、第２記憶領域に第１デジタルデータと、第２デジタルデータと、を保持する機能を有することを特徴とするシステムである。
本発明の一態様によって、新規な半導体装置の提供することができる。又は、本発明の一態様によって、新規な半導体装置を有する電子機器を提供することができる。又は、本発明の一態様によって、新規な記憶装置、新規なＩＣカード、又は新規なシステムなどを提供することができる。
又は、本発明の一態様によって、認証システムを行うための半導体装置を搭載したＩＣカード、又は電子機器を提供することができる。又は、本発明の一態様によって、低消費電力を実現する半導体装置、該半導体装置を有するカード、及び該半導体装置を有する電子機器を提供することができる。又は、本発明の一態様によって、長い期間記憶を保持できる半導体装置、該半導体装置を有するＩＣカード、及び該半導体装置を有する電子機器を提供することができる。
なお本発明の一態様の効果は、上記列挙した効果に限定されない。上記列挙した効果は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお他の効果は、以下の記載で述べる、本項目で言及していない効果である。本項目で言及していない効果は、当業者であれば明細書又は図面等の記載から導き出せるものであり、これらの記載から適宜抽出することができる。なお、本発明の一態様は、上記列挙した効果、及び他の効果のうち、少なくとも一つの効果を有するものである。従って本発明の一態様は、場合によっては、上記列挙した効果を有さない場合もある。
半導体装置の一例を示すブロック図。 半導体装置の一例を示すブロック図。 半導体装置とその動作例を示す図。 半導体装置の一例を示すブロック図。 半導体装置の一例を示すブロック図。 半導体装置とその動作例を示す図と断面図。 半導体装置の一例を示すブロック図。 半導体装置の動作例を示す図と断面図。 半導体装置の一例を示すブロック図。 半導体装置の一例を示すブロック図。 半導体装置の一例を示すブロック図。 半導体装置とその動作例を示す図。 図１２の動作時の断面図。 半導体装置とその動作例を示す図。 半導体装置の一例を示す図。 半導体装置の一例を示すブロック図。 半導体装置とその動作例を示す図。 半導体装置とその動作例を示す図。 ＣＰＵの一例を示すブロック図。 フリップフロップ回路の一例を示すブロック図。 メモリセルの一例を示す回路図。 記憶装置の一例を示すブロック図。 メモリセルの一例を示す回路図。 メモリセルの一例を示す回路図。 アナログデジタル変換回路の一例を示すブロック図。 アナログデジタル変換回路の一例を示すブロック図。 アナログデジタル変換回路の一部を示すブロック図。 アナログデジタル変換回路の一部を示すブロック図とその動作を示すタイミングチャート。 アナログデジタル変換回路の一部を示すブロック図。 アナログデジタル変換回路の一例を示すブロック図。 アナログデジタル変換回路の一部を示すブロック図。 トランジスタの構成例を示す上面図及び断面図。 トランジスタの構成例を示す断面図及びエネルギーバンド図。 酸素が拡散する経路を示す断面図。 トランジスタの構成例を示す上面図及び断面図。 トランジスタの構成例を示す上面図及び断面図。 トランジスタの構成例を示す上面図及び断面図。 トランジスタの構成例を示す上面図及び断面図。 トランジスタの構成例を示す上面図及び断面図。 メモリセルの構成例を示す断面図。 メモリセルの構成例を示す断面図。 トランジスタの構成例を示す断面図。 トランジスタの構成例を示す断面図。 ＣＡＡＣ−ＯＳ及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、ならびにＣＡＡＣ−ＯＳの制限視野電子回折パターンを示す図。 ＣＡＡＣ−ＯＳの断面ＴＥＭ像、ならびに平面ＴＥＭ像及びその画像解析像。 ｎｃ−ＯＳの電子回折パターンを示す図、及びｎｃ−ＯＳの断面ＴＥＭ像。 ａ−ｌｉｋｅ ＯＳの断面ＴＥＭ像。 Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。 半導体装置の作製例を示すフローチャートと半導体装置の一例を示す斜視図。
本明細書において、酸化物半導体をＯＳ（Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と表記する場合がある。そのため、チャネル形成領域に酸化物半導体を有するトランジスタをＯＳトランジスタという場合がある。また、ＯＳトランジスタを用いたメモリをＯＳメモリという場合がある。また、そのメモリを用いた記憶装置をＯＳ記憶装置という場合がある。また、ＯＳトランジスタを用いたアナログデジタル変換回路をＯＳアナログデジタル変換回路という場合がある。また、ＯＳトランジスタを用いたＣＰＵをＯＳ−ＣＰＵという場合がある。
（実施の形態１）
＜構成例１＞
図２（Ａ）、及び図２（Ｂ）に、開示する発明の半導体装置の一例をブロック図で示す。半導体装置１００は、非接触型の通信で認証を行うカードである。
半導体装置１００は、送受信回路１１５と、電源回路１０５と、制御回路１０６と、アナログデジタル変換回路１０７と、指紋センサ１０８と、記憶装置１０９と、を有する。送受信回路１１５は、アンテナ１０１と、整流回路１０２と、検波回路１０３と、変調回路１０４と、を有している。
アンテナ１０１は、整流回路１０２と、検波回路１０３と、変調回路１０４と電気的に接続されている。整流回路１０２は、電源回路１０５と電気的に接続されている。制御回路１０６は、検波回路１０３と、変調回路１０４と、アナログデジタル変換回路１０７と、指紋センサ１０８と、記憶装置１０９と、電気的に接続されている。
アンテナ１０１は、無線信号を送受信するためのものである。具体的には、アンテナ１０１は、外部からのデータや半導体装置１００の駆動命令を含む無線信号を受信して電気信号に変換する機能と、半導体装置１００が有するデータを含む電気信号を無線信号に変換して外部へ送信する機能と、を有する。
整流回路１０２は、アンテナ１０１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、図２（Ａ）には図示していないが、整流回路１０２の入力側又は出力側には、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、特定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。
電源回路１０５は、整流回路１０２からの入力された電位によって、安定した電源電圧を生成するための回路である。なお、図２（Ａ）には図示していないが、電源回路１０５は、各回路に電源電圧を供給するため、各回路と電気的に接続されている。また、電源回路１０５の内部にリセット信号生成回路を設けてもよい。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、制御回路１０６の有する論理回路（後述するＣＰＵ２００）のリセット信号を生成するための回路である。
検波回路１０３は、アンテナ１０１からの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。
変調回路１０４は、アンテナ１０１から外部へ出力するデータに応じて変調を行うための回路である。
制御回路１０６は、検波回路１０３からの復調信号に含まれている情報を解読して、各回路に動作信号を送るための回路である。なお、制御回路１０６の構成例として、図２（Ｂ）に制御回路１０６ａを示す。制御回路１０６ａは、ＣＰＵ２００と、パワーマネージメントユニット２０１と、センサコントローラ２０２と、メモリコントローラ２０３と、変調回路コントローラ２０４と、バス２０５と、を有する。ＣＰＵ２００、パワーマネージメントユニット２０１、センサコントローラ２０２、メモリコントローラ２０３、及び変調回路コントローラ２０４は、バス２０５と電気的に接続されている。バス２０５は、接続端子ＪＴ１を介して検波回路１０３と電気的に接続されている。センサコントローラ２０２は、接続端子ＪＴ２を介して指紋センサ１０８及びアナログデジタル変換回路１０７と電気的に接続されている。メモリコントローラ２０３は、接続端子ＪＴ３を介して記憶装置１０９と電気的に接続されている。変調回路コントローラ２０４は、接続端子ＪＴ４を介して変調回路１０４と電気的に接続されている。
ＣＰＵ２００は、数値計算や情報処理、機器制御などを行う装置である。具体的には、検波回路１０３から送られてきた電気信号を解読し、解読した内容に基づいて、各回路に動作信号を送る装置である。また、ＣＰＵは消費電力の増加や、微細化に伴うリーク電流の増加を防ぐため、ＯＳトランジスタをＣＰＵ２００に適用することが好ましい。なお、ＯＳトランジスタを適用したＣＰＵは実施の形態５で説明する。またＯＳトランジスタについては、実施の形態９で説明する。
パワーマネージメントユニット２０１は、制御回路１０６ａ内の各回路の電源管理を行う装置である。
センサコントローラ２０２は、アナログデジタル変換回路１０７及び指紋センサ１０８を制御する装置である。具体的には、センサコントローラ２０２は、ＣＰＵ２００と、アナログデジタル変換回路１０７又は指紋センサ１０８と、の間の信号のやり取りを行う機能を有し、アナログデジタル変換回路１０７及び指紋センサ１０８へ動作信号を送信する機能を有し、アナログデジタル変換回路１０７及び指紋センサ１０８から指紋データを受信して、制御回路１０６ａ内の特定の回路に指紋データを送信する機能を有する。
メモリコントローラ２０３は、記憶装置１０９を制御する装置である。具体的には、メモリコントローラ２０３は、ＣＰＵ２００と、記憶装置１０９と、の間の信号のやり取りを行う機能を有する。記憶装置１０９へ書き込みを行うとき、メモリコントローラ２０３は記憶装置１０９に書き込み命令の信号と書き込むデータを送信する機能を有し、記憶装置１０９から読み出しを行うとき、記憶装置１０９に読み出し命令の信号を送信し、記憶装置１０９から読み出したデータを受信して、制御回路１０６ａ内の特定の回路に読み出したデータを送信する機能を有する。
変調回路コントローラ２０４は、変調回路１０４を制御する装置である。具体的には、変調回路コントローラ２０４は、ＣＰＵ２００と、変調回路１０４と、の間の信号のやり取りを行う機能を有する。変調回路コントローラ２０４は、ＣＰＵ２００から変調回路１０４へ信号を受けたとき、半導体装置１００の外部に送信するデータを受信して、変調回路１０４に該データを送信する機能を有する。
指紋センサ１０８は、制御回路１０６ａから動作信号を受けたときに、接触している指紋を読み取る装置である。
アナログデジタル変換回路１０７は、指紋センサ１０８より読み取った指紋をデジタルデータ（以下、被照合用データという場合がある）に変換するための回路である。また、詳しくは、実施の形態８で説明するが、アナログデジタル回路にＯＳトランジスタを用いたサンプルホールド回路を適用することで、消費電力を削減することができる。
記憶装置１０９は、デジタルデータに変換された指紋データを記憶する装置である。また、被照合用データを認証するための半導体装置１００の持ち主の指紋データ（以下、照合用データという場合がある）やクレジットカード情報などの機密情報が記憶された装置でもある。
認証後において被照合用データは不要となるので、被照合用データの記憶する装置は、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などの揮発性メモリであることが好ましい。特に、消費電力を低減したい場合、被照合用データの記憶する装置は、ＳＲＡＭであることが好ましい。
ところで、照合用データやカード情報などの場合、半導体装置１００の持ち主が変わることがないため、照合用データやカード情報などを書き換える必要はない。そのため、照合用データやカード情報などを記憶する装置は、ＲｅＲＡＭなどのＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）であることが好ましい。したがって、記憶装置１０９は、図２（Ｃ）のブロック図に示すとおり、書き込み及び読み出し可能な揮発性メモリ１０９ａと、読み出し専用の不揮発性メモリ１０９ｂを有し、揮発性メモリ１０９ａと、不揮発性メモリ１０９ｂと、は接続端子ＪＴ３と電気的に接続されていることが好ましい。
特に、消費電力を低減、かつ長時間照合用データを保持したい場合、ＯＳトランジスタをメモリセルに適用した記憶装置を用いることがより好ましい。なお、ＯＳトランジスタを適用したメモリセルについては実施の形態７で、また、その記憶装置については実施の形態６で説明する。加えてＯＳトランジスタについては、実施の形態９で説明する。
半導体装置１００に、ＯＳトランジスタを適用した一例を図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示す。図１（Ａ）の半導体装置１５０は、半導体装置１００におけるアナログデジタル変換回路１０７をＯＳアナログデジタル変換回路１５７に置き換え、記憶装置１０９をＯＳ記憶装置１５９に置き換えた構成となっている。また、制御回路１０６の構成例として図１（Ｂ）の制御回路１０６ｂに示す。制御回路１０６ｂは、半導体装置１００の制御回路１０６ａにおけるＣＰＵ２００をＯＳ−ＣＰＵ２１１に置き換えた構成となっている。
＜動作例１＞
次に構成例１で述べた半導体装置１００の動作例について、説明する。
図３（Ａ）は、図２（Ａ）の半導体装置１００のブロック図の構成を有する半導体装置の外観を示す。なお、本動作例では、半導体装置３００は、クレジットカードを一例として示している。半導体装置３００は、印字部３０１と、指紋センサ１０８を有する。印字部３０１は、カード番号、使用期限、カードの持ち主の名前などが印字されている。
図３（Ｂ）は、半導体装置３００と、半導体装置３００と通信を行う外部機器と、の動作例を示している。外部機器である非接触型カードリーダ４００は、読み取り部４０１と、表示部４０２と、配線４０３と、を有している。表示部４０２は、決済時の金額、半導体装置３００と非接触型カードリーダとの間で通信ができたか否かの応答、エラー内容又はエラーコードなどを表示する。なお、非接触型カードリーダ４００は、表示部４０２を有さない構成であってもよい。
図３（Ｂ）は、手３０２で半導体装置３００を持ち、指紋センサ１０８に指３０２ａを当てながら非接触型カードリーダ４００と通信を行っている様子を示している。
クレジットカードで決済を行うとき、店員の操作によって、非接触型カードリーダ４００を起動させる。具体的には、店側のキャッシュレジスタなどからの操作で、配線４０３を経由して、非接触型カードリーダ４００を起動させスタンバイ状態にする。スタンバイ状態とは、読み取り部４０１から無線信号３０８ａが送信されている状態である。
非接触型カードリーダ４００がスタンバイ状態になったら、消費者は、半導体装置３００を読み取り部４０１にかざす。このとき、半導体装置３００は、アンテナ１０１によって、無線信号３０８ａを受信する。受信した無線信号３０８ａは、アンテナ１０１によって交流電気信号に変換され、整流回路１０２、及び検波回路１０３に送られる。
整流回路１０２は、送られてきた交流電気信号を整流し、電源回路１０５に入力するための入力電位を生成する。電源回路１０５は、入力電位を受けることで、半導体装置３００内の各回路に電力を供給することができる。
検波回路１０３は、送られてきた交流電気信号を包絡線検出することにより復調して、復調信号を生成する。復調信号は、制御回路１０６ａのＣＰＵ２００に送られ、復調信号に含まれている動作命令を解読する。動作命令を解読後、ＣＰＵ２００は、メモリコントローラ２０３を介して、記憶装置１０９に照合用データを読み出す命令を送信する。記憶装置１０９は、該命令を受けることで、照合用データを読み出しＣＰＵ２００に送信する。
ＣＰＵ２００は、照合用データを取得後、センサコントローラ２０２を介して、指紋センサ１０８に動作信号を送信する。指紋センサ１０８は、動作信号を受けることで、指紋データの取得を行う。なお、指紋センサ１０８に指３０２ａを付けるタイミングは特に限定しないが、半導体装置３００は無線信号３０８ａによって電力を供給しているので、読み取り部４０１にかざしている間に指紋センサ１０８に指３０２ａを付けるのが好ましい。また、表示部４０２に、該タイミングを表示して知らせる機能を有してもよい。指紋センサ１０８は、指３０２ａの指紋の取得を行い、取得した指紋データは、アナログデジタル変換回路１０７によって、デジタルデータに変換される。そして、そしてデジタルデータに変換された指紋データ（被照合用データ）は、センサコントローラ２０２を介して、ＣＰＵ２００に送信される。
ＣＰＵ２００は、被照合用データを受け取った後、記憶装置１０９に一時的に保存する。ＣＰＵ２００は、記憶装置１０９から読み出した照合用データと、指紋センサ１０８によって取得した被照合用データと、を比較する計算を行う。照合用データと被照合用データが一致しなかった場合、ＣＰＵ２００は再度、指紋センサ１０８に動作信号を送信し、新たに被照合用データの取得を行う。そして、新たに取得した被照合用データを、記憶装置１０９に一時的に保存されていた被照合用データに上書き保存し、ＣＰＵ２００は、再度、照合用データと被照合用データの比較計算を行う。照合用データと、被照合用データと、が一致するまで、これらの動作を繰り返す。
照合用データと被照合用データが一致した場合、ＣＰＵ２００は、記憶装置１０９からクレジットカード番号、使用期限、クレジットカード名義などのクレジットカード情報を読み出して、変調回路コントローラ２０４を介して、それらの情報を変調回路１０４に送信する。
なお、比較計算の手法の１つとして、ニューラルネットワークを用いる方法がある。ニューラルネットワークとは、神経回路網をモデルにした情報処理システムであり、パターン認識や連想記憶などを高速に実行できると考えられている。つまり、ニューラルネットワークを用いることで、指紋の認証を高速に処理することができる場合がある。
変調回路１０４によって、クレジットカード番号、使用期限、クレジットカード名義などが含まれている電気信号に変調処理が施される。その後、アンテナ１０１に変調された電気信号が送信される。
アンテナ１０１は、変調された電気信号を受け取った後、電気信号を無線信号３０８ｂに変換して非接触型カードリーダ４００に送信する。非接触型カードリーダ４００は、無線信号３０８ｂを受信後、配線４０３を介して、キャッシュレジスタなどの装置にクレジットカード番号、使用期限、クレジットカード名義などの情報を送信する。
このように、クレジットカードに指紋センサを設けることで、本人以外がクレジットカードを使用する不正利用を防ぐことができる。
なお、本動作例は、半導体装置１００を一例として説明したが、本実施の形態はこれに限定されない。例えば、ＯＳトランジスタを適用した半導体装置１５０においても、同様に動作することができる。またＯＳトランジスタを用いることにより、半導体装置１００よりも消費電力を低減することができる。
なお、本動作例は、クレジットカードを一例として説明したが、本実施の形態はこれに限定されない。例えば、電子マネー対応カードに上記のシステムを適用してもよい。電子マネー対応カードに認証システムを適用することで、本人以外の人間による電子マネーの支払いを防ぐことができる。また、例えば、住居、オフィス、商業施設など関係者以外の立ち入りを禁止するエリアの出入り口に非接触型カードリーダ４００を設け、半導体装置３００で認証できるようにしてもよい。このような構成にすることで、関係者でない人間による半導体装置３００を使用した立ち入り禁止エリアへの侵入を防ぐことができる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態２）
＜構成例２＞
図４（Ａ）、及び図４（Ｂ）に、開示する発明の半導体装置の一例をブロック図で示す。半導体装置１１０は、接触型の通信で認証を行うカードである。
半導体装置１１０は、入出力端子１１１と、電源回路１０５と、制御回路１０６と、アナログデジタル変換回路１０７と、指紋センサ１０８と、記憶装置１０９と、を有する。
入出力端子１１１は、電源回路１０５と、制御回路１０６と電気的に接続されている。制御回路１０６は、アナログデジタル変換回路１０７と、指紋センサ１０８と、記憶装置１０９と、電気的に接続されている。
入出力端子１１１は、外部機器と接続するためのもので、これにより半導体装置１１０を電気信号によって入出力させることができる。
電源回路１０５は、入出力端子１１１から入力された電位で、安定した電源電圧を生成する。なお、図４（Ａ）には図示していないが、電源回路１０５は、各回路に電源電圧を供給するため、各回路と電気的に接続されている。なお、安定した電源電圧を外部機器側から半導体装置１１０に供給できる場合、電源回路１０５に電源電圧を生成する機能を有する必要はなく、各回路に電源電圧を供給する機能のみ有していればよい。また、電源回路１０５の内部にリセット信号生成回路を設けてもよい。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、制御回路１０６の有する論理回路（後述するＣＰＵ２００）のリセット信号を生成するための回路である。
制御回路１０６は、入出力端子１１１から電気信号に含まれている情報を解読して、各回路に動作信号を送るための回路である。なお、制御回路１０６の構成例として、図４（Ｂ）に制御回路１０６ｃを示す。制御回路１０６ｃは、ＣＰＵ２００と、パワーマネージメントユニット２０１と、センサコントローラ２０２と、メモリコントローラ２０３と、バス２０５と、を有する。ＣＰＵ２００、パワーマネージメントユニット２０１、センサコントローラ２０２、及びメモリコントローラ２０３は、バス２０５と電気的に接続されている。バス２０５は、接続端子ＪＴ１を介して検波回路１０３と電気的に接続されている。センサコントローラ２０２は、接続端子ＪＴ２を介して指紋センサ１０８及びアナログデジタル変換回路１０７と電気的に接続されている。メモリコントローラ２０３は、接続端子ＪＴ３を介して記憶装置１０９と電気的に接続されている。
ＣＰＵ２００は、数値計算や情報処理、機器制御などを行う装置である。具体的には、検波回路１０３から送られてきた電気信号を解読し、解読した内容に基づいて、各回路に動作信号を送る装置である。また、詳しくは実施の形態５にて説明する。ＣＰＵ２００は、ＣＰＵ２００が保持する情報を短期間だけ退避するため、バックアップ可能なフリップフロップ回路を、又はバックアップが可能なＳＲＡＭセルを、有する構成が好ましい。特に、バックアップ可能なフリップフロップ回路、及びＳＲＡＭセルはＯＳトランジスタを有することがより好ましい。これにより、トランジスタにおいて低いオフ電流を実現することができ、長期間電源供給が無くても、情報を保持することができる。
パワーマネージメントユニット２０１は、制御回路１０６ｃ内の各回路の電源管理を行う装置である。
センサコントローラ２０２は、アナログデジタル変換回路１０７及び指紋センサ１０８を制御する装置である。具体的には、センサコントローラ２０２は、ＣＰＵ２００と、アナログデジタル変換回路１０７又は指紋センサ１０８と、の間の信号のやり取りを行う機能を有し、アナログデジタル変換回路１０７及び指紋センサ１０８へ動作信号の送信する機能を有し、アナログデジタル変換回路１０７及び指紋センサ１０８から指紋データを受信して、制御回路１０６ｃ内の特定の回路に指紋データを送信する機能を有する。
メモリコントローラ２０３は、記憶装置１０９を制御する装置である。具体的には、メモリコントローラ２０３は、ＣＰＵ２００と、記憶装置１０９と、の間の信号のやり取りを行う機能を有する。記憶装置１０９へ書き込みを行うとき、メモリコントローラ２０３は記憶装置１０９に書き込み命令の信号と書き込むデータを送信する機能を有し、記憶装置１０９から読み出しを行うとき、記憶装置１０９に読み出し命令の信号を送信し、記憶装置１０９から読み出したデータを受信して、制御回路１０６ｃ内の特定の回路に読み出したデータを送信する機能を有する。
指紋センサ１０８は、制御回路１０６ｃから動作信号を受けたときに、接触している指紋を読み取る装置である。
アナログデジタル変換回路１０７は、指紋センサ１０８より読み取った指紋をデジタルデータ（被照合用データ）に変換するための回路である。また、詳しくは、実施の形態８で説明するが、アナログデジタル回路にＯＳトランジスタを用いたサンプルホールド回路を適用することで、消費電力を削減することができる。
記憶装置１０９は、デジタルデータに変換された指紋データを記憶する装置である。また、被照合用データを認証するための半導体装置１１０の持ち主の指紋データ（以下、照合用データという場合がある）やクレジットカード情報などの機密情報を記憶する装置でもある。
認証後において被照合用データは不要となるので、被照合用データの記憶する装置は、ＤＲＡＭなどの揮発性メモリであることが好ましい。特に、消費電力を低減したい場合、被照合用データの記憶する装置は、ＳＲＡＭであることが好ましい。
ところで、照合用データの場合、半導体装置１１０の持ち主が変わることがないため、照合用データを書き換える必要はない。そのため、照合用データを記憶する装置は、ＲｅＲＡＭなどのＲＯＭであることが好ましい。したがって、記憶装置１０９は、図２（Ｃ）のブロック図に示すような、書き込み及び読み出し可能な揮発性メモリ１０９ａと、読み出し専用の不揮発性メモリ１０９ｂを有し、揮発性メモリ１０９ａと、不揮発性メモリ１０９ｂと、は接続端子ＪＴ３と電気的に接続されていることが好ましい。
特に、消費電力を低減、かつ長時間照合用データを保持したい場合、ＯＳトランジスタをメモリセルに適用した記憶装置を用いることがより好ましい。なお、ＯＳトランジスタを適用したメモリセルについては実施の形態７で、また、その記憶装置については、それぞれ実施の形態６で説明する。加えてＯＳトランジスタについては、実施の形態９で説明する。
半導体装置１１０に、ＯＳトランジスタを適用した一例を図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示す。図５（Ａ）の半導体装置１６０は、半導体装置１１０におけるアナログデジタル変換回路１０７をＯＳアナログデジタル変換回路１５７に置き換え、記憶装置１０９をＯＳ記憶装置１５９に置き換えた構成となっている。また、制御回路１０６の構成例として図５（Ｂ）の制御回路１０６ｄに示す。制御回路１０６ｄは、半導体装置１１０の制御回路１０６ｃにおけるＣＰＵ２００をＯＳ−ＣＰＵ２１１に置き換えた構成となっている。
＜動作例２＞
次に構成例２で述べた半導体装置１１０の動作例について、説明する。
図６（Ａ）は、図４（Ａ）の半導体装置１１０のブロック図の構成を有する半導体装置の外観を示す。なお、本動作例では、半導体装置３１０は、クレジットカードを一例として示している。半導体装置３１０は、印字部３０１と、指紋センサ１０８と、入出力端子１１１と、を有する。印字部３０１は、カード番号と、使用期限と、カードの持ち主の名前と、などが印字されている。
図６（Ｂ）は、半導体装置３１０と通信を行う外部機器を示している。外部機器である接触型カードリーダ４１０は、内部端子４１４と、表示部４１２と、配線４１３と、カード差込口４１６と、を有している。表示部４１２は、決済時の金額、半導体装置３１０と非接触型カードリーダとの間で通信ができたか否かの応答、エラー内容又はエラーコードなどを表示する。なお、接触型カードリーダ４１０は、表示部４１２を有さない構成であってもよい。
図６（Ｂ）は、手３０２で半導体装置３１０を持ち、指紋センサ１０８に指３０２ａを当てながら接触型カードリーダ４１０と通信を行っている様子を示している。
図６（Ｃ）は、図６（Ｂ）の接触型カードリーダ４１０と半導体装置３１０との断面図を示している。図６（Ｃ）において、半導体装置３１０は、入出力端子１１１と、内部回路１１２と、指紋センサ１０８と、配線１１３と、配線１１４と、を有している。半導体装置３１０が、半導体装置１１０の構成となっている場合、内部回路１１２は、電源回路１０５と、制御回路１０６と、アナログデジタル変換回路１０７と、記憶装置１０９と、を有している。また、半導体装置３１０が、半導体装置１６０の構成となっている場合、内部回路１１２は、電源回路１０５と、制御回路１０６と、ＯＳアナログデジタル変換回路１５７と、ＯＳ記憶装置１５９と、を有している。
図６（Ｃ）において、接触型カードリーダ４１０は、配線４１１と、内部端子４１４と、制御装置４１５と、を有している。制御装置４１５は、配線４１１と、配線４１３と、内部端子４１４と電気的に接続されている。配線４１１は、表示部４１２と電気的に接続されている。図６（Ｃ）のとおり、半導体装置３１０を接触型カードリーダ４１０のカード差込口４１６に挿入することで、入出力端子１１１と、内部端子４１４と、が接触する。これにより、接触型カードリーダ４１０と半導体装置３１０との間は、電気的に接続される。これによって、配線４１３から接触型カードリーダ４１０を経由して半導体装置３１０に電力を供給することができ、かつ接触型カードリーダ４１０と半導体装置３１０は、相互に通信可能な状態となる。
制御装置４１５は、接触型カードリーダ４１０の動作を制御する機能を有する。具体的には、制御装置４１５は、配線４１３から送られる接触型カードリーダ４１０の駆動信号を受け取る機能と、配線４１１を介して表示部４１２に表示させる情報を送信する機能と、内部端子４１４を介して半導体装置３１０に動作命令を含む信号又はデータなどを送信する機能と、内部端子４１４を介して半導体装置３１０からカード情報を受信する機能と、を有する。
クレジットカードで決済を行うとき、店員の操作によって、接触型カードリーダ４１０を起動させる。具体的には、店側のキャッシュレジスタなどからの操作で、配線４１３を経由して、接触型カードリーダ４１０を駆動させる。接触型カードリーダ４１０が駆動状態のとき、半導体装置３１０を接触型カードリーダ４１０に挿入することで、配線４１３と、内部端子４１４と、を経由して、半導体装置３１０に電力が供給される。そして、制御装置４１５から内部端子４１４を介して半導体装置３１０に駆動信号が送信される。
半導体装置３１０に供給された電力は、電源回路１０５に送られる。電源回路１０５は、入力電位を受けることで、半導体装置３１０の各回路に電力を供給することができる。
半導体装置３１０に送られた駆動信号は、入出力端子１１１から制御回路１０６に入力される。具体的には、駆動信号は、制御回路１０６ｃのＣＰＵ２００に送られ、駆動信号に含まれている動作命令を解読する。動作命令を解読後、ＣＰＵ２００は、メモリコントローラ２０３を介して、記憶装置１０９にあらかじめ記憶されている照合用データ（半導体装置３１０の持ち主の指紋データ）を読み出す命令を含む信号を送信する。記憶装置１０９は、該命令を受けることで、照合用データを読み出しＣＰＵ２００に送信する。
ＣＰＵ２００は、照合用データを取得後、センサコントローラ２０２を介して、指紋センサ１０８に動作信号を送信する。指紋センサ１０８は、動作信号を受けることで、指紋データ（被照合用データ）の取得を行う。なお、指紋センサ１０８に指３０２ａを付けるタイミングは特に限定しないが、半導体装置３１０は内部端子４１４によって電力を供給しているので、接触型カードリーダ４１０に半導体装置３１０が挿入されている間に指紋センサ１０８に指３０２ａを付けるのが好ましい。指紋センサ１０８は、指３０２ａの指紋の取得を行い、取得した指紋データは、アナログデジタル変換回路１０７によって、デジタルデータに変換される。そして、そしてデジタルデータに変換された指紋データ（被照合用データ）は、センサコントローラ２０２を介して、ＣＰＵ２００に送信される。
ＣＰＵ２００は、被照合用データを受け取った後、記憶装置１０９に一時的に保存する。ＣＰＵ２００は、記憶装置１０９から読み出した照合用データと、指紋センサ１０８によって取得した被照合用データと、を比較する計算を行う。照合用データと被照合用データが一致しなかった場合、ＣＰＵ２００は再度、指紋センサ１０８に動作信号を送信し、新たに被照合用データの取得を行う。そして、新たに取得した被照合用データを、記憶装置１０９に一時的に保存されていた被照合用データに上書き保存し、ＣＰＵ２００は、再度、照合用データと被照合用データの比較計算を行う。照合用データと、被照合用データと、が一致するまで、これらの動作を繰り返す。
照合用データと被照合用データが一致した場合、ＣＰＵ２００は、記憶装置１０９にカード番号、使用期限、カード名義などのカード情報を読み出す命令を含む信号を送信する。記憶装置１０９は、その命令信号を受信後、該カード情報をＣＰＵ２００に送信する。ＣＰＵ２００は、入出力端子１１１を介して、接触型カードリーダ４１０に該カード情報を送信する。
接触型カードリーダ４１０は、入出力端子１１１からカード情報を受信後、配線４１３を介して、キャッシュレジスタなどの装置にカード番号、使用期限、カード名義などの情報を送信する。
このように、クレジットカードに指紋センサを設けることで、本人以外がクレジットカードを使用する不正利用を防ぐことができる。
なお、本動作例は、半導体装置１１０を一例として説明したが、本実施の形態はこれに限定されない。例えば、ＯＳトランジスタを適用した半導体装置１６０においても、同様に動作することができる。またＯＳトランジスタを用いることにより、半導体装置１１０よりも消費電力を低減することができる。
なお、本動作例は、クレジットカードを一例として説明したが、本実施の形態はこれに限定されない。例えば、電子マネー対応カードに上記のシステムを適用してもよい。電子マネー対応カードに認証システムを適用することで、本人以外の人間による電子マネーの支払いを防ぐことができる。また、例えば、住居、オフィス、商業施設など関係者以外の立ち入りを禁止するエリアの出入り口に接触型カードリーダ４１０を設け、半導体装置３１０で認証できるようにしてもよい。このような構成にすることで、関係者でない人間による半導体装置３１０を使用した立ち入り禁止エリアへの侵入を防ぐことができる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１、及び実施の形態２とは異なる構成例について、説明する。
＜構成例３＞
図７（Ａ）、及び図７（Ｂ）に、開示する発明の半導体装置の一例をブロック図で示す。半導体装置１３０は、接触型及び非接触型の両方の通信が可能なカードである。
半導体装置１３０は、送受信回路１１５と、入出力端子１１１と、電源回路１０５と、制御回路１０６と、アナログデジタル変換回路１０７と、指紋センサ１０８と、記憶装置１０９と、を有する。送受信回路１１５は、アンテナ１０１と、整流回路１０２と、検波回路１０３と、変調回路１０４と、を有する。
制御回路１０６の構成例として、図７（Ｂ）に制御回路１０６ｅを示す。制御回路１０６ｅは、ＣＰＵ２００と、パワーマネージメントユニット２０１と、センサコントローラ２０２と、メモリコントローラ２０３と、変調回路コントローラ２０４と、バス２０５と、を有する。ＣＰＵ２００、パワーマネージメントユニット２０１、センサコントローラ２０２、メモリコントローラ２０３、及び変調回路コントローラ２０４は、バス２０５と電気的に接続されている。バス２０５は、接続端子ＪＴ１を介して、検波回路１０３と電気的に接続されている。センサコントローラ２０２は、接続端子ＪＴ２を介して、指紋センサ１０８及びアナログデジタル変換回路１０７と電気的に接続されている。メモリコントローラ２０３は、接続端子ＪＴ３を介して、記憶装置１０９と電気的に接続されている。変調回路コントローラ２０４は、接続端子ＪＴ４を介して、変調回路１０４と電気的に接続されている。バス２０５は、接続端子ＪＴ５を介して、電源回路１０５及び入出力端子１１１と電気的に接続されている。
半導体装置１３０は、構成例１の半導体装置１００と、構成例２の半導体装置１１０と、を合わせた構成となっている。そのため、半導体装置１３０を構成する回路の説明は、構成例１及び構成例２を参照する。
このような構成とすることで、接触型と非接触型の通信の両方に対応することができる。
また、記憶装置１０９は、構成例１及び構成例２で述べた図２（Ｃ）の構成を適用することができる。
また、半導体装置１３０は、図１（Ａ）、図１（Ｂ）のように、ＯＳトランジスタを適用することができる。その場合、アナログデジタル変換回路１０７をＯＳアナログデジタル変換回路１５７に、記憶装置１０９をＯＳ記憶装置１５９に、ＣＰＵ２００をＯＳ−ＣＰＵ２１１に置き換えた構成を適用すればよい（図示しない）。これにより、半導体装置１３０の低消費電力、微細化を実現できる。
＜動作例３＞
半導体装置１３０の動作例については、非接触型の通信は＜動作例１＞に、接触型の通信は＜動作例２＞に説明する。
＜構成例４＞
図８（Ａ）、図８（Ｂ）に、実施の形態１、及び実施の形態２とは異なる認証方法を用いたカードリーダを示す。
図８（Ａ）は、入出力端子１１１と、指紋センサ１０８を有する半導体装置３１０を接触型カードリーダ４２０に挿入した様子を示している。なお、半導体装置３１０は、図４の半導体装置１１０のブロック図の構成を有している。接触型カードリーダ４２０は、表示部４１２と、配線４１３と、入力ボタン部４２１と、カード差込口４１６と、を有する。
表示部４１２は、決済時の金額、半導体装置３１０と接触型カードリーダ４２０との間で通信ができたか否かの応答、エラー内容又はエラーコードなどを表示する。また、表示部４１２は、入力ボタン部４２１を使用して、入力した内容も表示する。ただし、機密性を有する暗証番号などは、内容を表示せず、番号の代わりに＊を表示させる。なお、接触型カードリーダ４２０は、表示部４１２を有さない構成であってもよい。
配線４１３は、店側のキャッシュレジスタなどの装置と電気的に接続するためのもので、配線４１３を介して、接触型カードリーダと店側のキャッシュレジスタなどの装置との間で通信を相互に行う。
入力ボタン部４２１は、０乃至９の入力ボタン、決定ボタン、訂正ボタン、キャンセルボタンなどを有している（図８（Ａ）では、０乃至９のボタン、Ｃと書かれたボタン、Ｅと書かれたボタン、４つの無地のボタンを図示している）。なお、本構成例では上述したボタンに限定されない。例えば、上述したボタンが全て必要ではない場合や上述したボタンでは足りない場合は、必要なボタンだけ選択して設計すればよい。
このように、入力ボタン部４２１を接触型カードリーダに設けることで、指紋認証に加え、暗証番号による認証も行うことができる。
図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の断面図を示している。図８（Ｂ）において、半導体装置３１０は、入出力端子１１１と、内部回路１１２と、指紋センサ１０８と、配線１１３と、配線１１４と、を有している。半導体装置３１０が、半導体装置１１０の構成となっている場合、内部回路１１２は、電源回路１０５と、制御回路１０６と、アナログデジタル変換回路１０７と、記憶装置１０９と、を有している。また、半導体装置３１０が、半導体装置１６０の構成となっている場合、内部回路１１２は、電源回路１０５と、制御回路１０６と、ＯＳアナログデジタル変換回路１５７と、ＯＳ記憶装置１５９と、を有している。
図８（Ｂ）において、接触型カードリーダ４２０は、内部に制御装置４１５を有し、制御装置４１５は、接触型カードリーダ４２０の動作を制御する機能を有している。
制御装置４１５は、配線４１１と、配線４１３と、配線４２２と、内部端子４１４と電気的に接続されている。表示部４１２は、配線４１１と電気的に接続されている。入力ボタン部４２１は、配線４２２と電気的に接続されている。制御装置４１５は、配線４１１を介して、表示部４１２に情報を表示する機能を有する。また、制御装置４１５は、配線４２２を介して、入力ボタン部４２１で入力された内容を、読み出す機能を有する。
図８（Ａ）、及び図８（Ｂ）のとおり、半導体装置３１０を接触型カードリーダ４２０のカード差込口４１６に挿入することで、入出力端子１１１と、内部端子４１４と、が接触する。つまり、接触型カードリーダ４２０と半導体装置３１０との間は、電気的に接続される。これによって、配線４１３から接触型カードリーダ４２０を経由して半導体装置３１０に電力を供給することができ、かつ接触型カードリーダ４２０と半導体装置３１０は、相互に通信可能な状態となる。
＜動作例４＞
クレジットカードで決済を行うとき、店員の操作によって、接触型カードリーダ４２０を起動させる。具体的には、店側のキャッシュレジスタなどからの操作で、配線４１３を経由して、接触型カードリーダ４２０を駆動させる。接触型カードリーダ４２０が駆動状態のとき、半導体装置３１０を接触型カードリーダ４２０に挿入することで、配線４１３と、内部端子４１４と、を経由して、半導体装置３１０に電力が供給される。そして、制御装置４１５から半導体装置３１０に駆動信号が送信される。
半導体装置３１０に供給された電力は、電源回路１０５に送られる。電源回路１０５は、入力電位を受けることで、半導体装置３１０の各回路に電力を供給することができる。
半導体装置３１０に送られた駆動信号は、制御回路１０６に入力される。具体的には、駆動信号は、制御回路１０６ｃのＣＰＵ２００に送られ、駆動信号に含まれている動作命令を解読する。動作命令を解読後、ＣＰＵ２００は、メモリコントローラ２０３を介して、記憶装置１０９に照合用データを読み出す命令を送信する。記憶装置１０９は、該命令を受けることで、照合用データを読み出しＣＰＵ２００に送信する。
ＣＰＵ２００は、照合用データを取得後、センサコントローラ２０２を介して、指紋センサ１０８に動作信号を送信する。指紋センサ１０８は、動作信号を受けることで、指紋データ（被照合用データ）の取得を行う。なお、指紋センサ１０８に指３０２ａを付けるタイミングは特に限定しないが、半導体装置３１０は内部端子４１４によって電力を供給しているので、接触型カードリーダ４２０に半導体装置３１０が挿入されている間に指紋センサ１０８に指３０２ａを付けるのが好ましい。指紋センサ１０８は、指３０２ａの指紋の取得を行い、取得した指紋データは、アナログデジタル変換回路１０７によって、デジタルデータに変換される。そして、そしてデジタルデータに変換された指紋データ（被照合用データ）は、センサコントローラ２０２を介して、ＣＰＵ２００に送信される。
ＣＰＵ２００は、被照合用データを受け取った後、記憶装置１０９に一時的に保存する。ＣＰＵ２００は、記憶装置１０９から読み出した照合用データと、指紋センサ１０８によって取得した被照合用データと、を比較する計算を行う。照合用データと被照合用データが一致しなかった場合、ＣＰＵ２００は再度、指紋センサ１０８に動作信号を送信し、新たに被照合用データの取得を行う。そして、新たに取得した被照合用データを、記憶装置１０９に一時的に保存されていた被照合用データに上書き保存し、ＣＰＵ２００は、再度、照合用データと被照合用データの比較計算を行う。照合用データと、被照合用データと、が一致するまで、これらの動作を繰り返す。
この動作を繰り返している間に、暗証番号を入力する期間が与えられる。入力ボタン部４２１から暗証番号（以後、被照合用暗証番号という）を入力すると、配線４２２と、制御装置４１５と、内部端子４１４と、を介して、入出力端子１１１に被照合用暗証番号を含む駆動信号が入力される。入力された電気信号はＣＰＵ２００に送られる。
ＣＰＵ２００は、駆動信号を受け取った後、被照合用暗証番号を解読する。解読後、ＣＰＵ２００は、メモリコントローラ２０３を介して、記憶装置１０９に照合用暗証番号を読み出す命令を送信する。記憶装置１０９は、該命令を受けることで、照合用暗証番号を読み出し、ＣＰＵ２００に送信する。ＣＰＵ２００は、照合用暗証番号を受け取った後、照合用暗証番号と、先に受け取った被照合用暗証番号と、の比較を行う。
照合用データと被照合用データが一致し、かつ照合用暗証番号と被照合用暗証番号が一致した場合、ＣＰＵ２００は、記憶装置１０９からカード番号、使用期限、カード名義などのカード情報を読み出して、それらの情報を入出力端子１１１に送信する。
接触型カードリーダ４１０は、入出力端子１１１からカード情報を受信後、配線４１３を介して、キャッシュレジスタなどの装置にカード番号、使用期限、カード名義などの情報を送信する。
このように、クレジットカードに指紋センサを設けるだけでなく、カードリーダにおいて暗証番号入力用のボタンを設けることで、本人以外がクレジットカードを使用する不正利用をより防ぐことができる。
なお、本構成例において、入力ボタン部４２１に入力する照合用のコードは、暗証番号に限定されない。例えば、アルファベットと数字を組み合わせたパスコードを用いてもよい。
なお、本構成例では、接触型の通信を行う半導体装置３１０を例として用いたが、非接触型の通信を行う半導体装置３００を用いてもよい。この場合、非接触型カードリーダに入力ボタン部を設けて、半導体装置３００をかざしている間に、暗証番号を入力して認証を行うようにすればよい。
なお、本構成例では、半導体装置１１０を一例として説明したが、本実施の形態はこれに限定されない。例えば、ＯＳトランジスタを適用した半導体装置１６０においても、同様に動作することができる。またＯＳトランジスタを用いることにより、半導体装置１１０よりも消費電力を低減することができる。
なお、本構成例は、クレジットカードを一例として説明したが、本実施の形態はこれに限定されない。例えば、電子マネー対応カードに上記のシステムを適用してもよい。電子マネー対応カードに認証システムを適用することで、本人以外の人間による電子マネーの支払いを防ぐことができる。また、例えば、住居、オフィス、商業施設など関係者以外の立ち入りを禁止するエリアの出入り口に接触型カードリーダ４２０を設け、半導体装置３１０で認証できるようにしてもよい。このような構成にすることで、関係者でない人間による半導体装置３１０を使用した立ち入り禁止エリアへの侵入を防ぐことができる。
＜構成例５＞
本構成例では、指紋以外の認証を用いた一例について説明する。
図１０（Ａ）、及び図１０（Ｂ）に半導体装置の一例をブロック図で示す。半導体装置１４０は、接触型の通信が可能なカードである。
半導体装置１４０は、入出力端子１１１と、電源回路１０５と、制御回路１０６と、記憶装置１０９と、を有する。
制御回路１０６の構成例として、図１０（Ｂ）に制御回路１０６ｆを示す。制御回路１０６ｆは、ＣＰＵ２００と、パワーマネージメントユニット２０１と、メモリコントローラ２０３と、バス２０５と、を有する。ＣＰＵ２００、パワーマネージメントユニット２０１、及びメモリコントローラ２０３は、バス２０５と電気的に接続されている。バス２０５は、接続端子ＪＴ１を介して検波回路１０３と電気的に接続されている。メモリコントローラ２０３は、接続端子ＪＴ３を介して記憶装置１０９と電気的に接続されている。
次に、半導体装置３３０の外観と周辺機器について説明する。
図１２（Ａ）は、図１０（Ｂ）の半導体装置１４０のブロック図の構成を有する半導体装置の外観を示す。なお、本動作例では、半導体装置３３０は、クレジットカードを一例として示している。半導体装置３３０は、印字部３０１と、入出力端子１１１と、を有する。印字部３０１はカード番号と、使用期限と、カードの持ち主の名前と、などが印字されている。
図１２（Ｂ）は、半導体装置３３０と通信を行う外部機器を示している。外部機器である接触型カードリーダ４１０は、内部端子４１４と、表示部４１２と、配線４１３、カード差込口４１６と、を有している。表示部４１２は、決済時の金額、半導体装置３３０と接触型カードリーダ４１０との間で通信ができたか否かの応答、エラー内容又はエラーコードなどを表示する。なお、接触型カードリーダ４１０は、表示部４１２を有さない構成であってもよい。
図１２（Ｃ）は、接触型カードリーダ４１０とは別の外部機器を示している。静脈読み取り装置４３０は、表示部４３２と、配線４３１と、静脈読み取り部４３３と、を有する。表示部４３２は、決済時の金額、接触型カードリーダ４１０と静脈読み取り装置４３０との間で通信ができたか否かの応答、エラー内容又はエラーコードなどを表示する。なお、静脈読み取り装置４３０は、表示部４３２を有さない構成であってもよい。
図１３は、図１２（Ｂ）の接触型カードリーダ４１０と、図１２（Ｃ）の静脈読み取り装置４３０と、の断面図を示している。図１２において、半導体装置３３０は、入出力端子１１１と、内部回路１１２と、配線１１３と、を有している。内部回路１１２は、電源回路１０５と、制御回路１０６と、記憶装置１０９と、を有している。
図１３において、接触型カードリーダ４１０は、配線４１１と、内部端子４１４と、制御装置４１５と、を有している。制御装置４１５は、配線４１１と、配線４１３と、内部端子４１４と電気的に接続されている。配線４１１は、表示部４１２と電気的に接続されている。図１３のとおり、半導体装置３３０を接触型カードリーダ４１０に挿入することで、入出力端子１１１と、内部端子４１４と、が接触する。これにより、接触型カードリーダ４１０と半導体装置３３０との間は、電気的に接続される。これによって、配線４１３から接触型カードリーダ４１０を経由して半導体装置３３０に電力を供給することができ、かつ接触型カードリーダ４１０と半導体装置３３０は、相互に通信可能な状態となる。
制御装置４１５は、接触型カードリーダ４１０の動作を制御する機能を有している。具体的には、制御装置４１５は、配線４１３から送られる接触型カードリーダ４１０の駆動信号を受け取る機能を有し、配線４１１を介して表示部４１２に表示させる情報を送信する機能を有し、内部端子４１４を介して半導体装置３３０に動作命令を含む信号又はデータなどを送信する機能を有し、内部端子４１４を介して半導体装置３３０からカード情報を受信する機能を有する。
図１３において、静脈読み取り装置４３０は、配線４３５と、配線４３４と、制御装置４３６とを有している。制御装置４３６は、配線４３５と、配線４３４と、配線４３１と、電気的に接続されている。配線４３５は、静脈読み取り部４３３と電気的に接続され、配線４３４は、表示部４３２と電気的に接続されている。
制御装置４３６は、静脈読み取り装置４３０の動作を制御する機能を有する。具体的には、静脈読み取り装置４３０は、配線４３１から送られる静脈読み取り装置４３０の駆動信号を受け取る機能を有し、配線４３４を介して表示部４３２に表示させる情報を送信する機能を有し、配線４３５を介して静脈読み取り部４３３の静脈データを受信する機能を有する。
＜動作例５＞
クレジットカードで決済を行うとき、店員の操作によって、接触型カードリーダ４１０を起動させる。具体的には、店側のキャッシュレジスタなどからの操作で、配線４１３を経由して、接触型カードリーダ４１０を駆動させる。また、同じタイミングで、配線４３１を経由して、静脈読み取り装置４３０を駆動させる。なお、静脈読み取り装置４３０は、接触型カードリーダ４１０の応答があるまで、スタンバイ状態となる。接触型カードリーダ４１０が駆動状態のとき、半導体装置３３０を接触型カードリーダ４１０に挿入することで、配線４１３と、接触型カードリーダ４１０と、を経由して、半導体装置３３０に電力が供給される。そして、接触型カードリーダ４１０から内部端子４１４を介して半導体装置３３０に駆動信号が送信される。
半導体装置３３０に供給された電力は、電源回路１０５に送られる。電源回路１０５は、入力電位を受けることで、半導体装置３３０の各回路に電力を供給することができる。
半導体装置３３０に送られた駆動信号は、入出力端子１１１から制御回路１０６に入力される。具体的には、駆動信号は、制御回路１０６ｆのＣＰＵ２００に送られ、駆動信号に含まれている動作命令を解読する。動作命令を解読後、ＣＰＵ２００は、メモリコントローラ２０３を介して、記憶装置１０９にあらかじめ記憶されている照合用データ（半導体装置３３０の持ち主の静脈データ）を読み出す命令を送信する。記憶装置１０９は、該命令を受けることで、照合用データを読み出しＣＰＵ２００に送信する。
ＣＰＵ２００は、照合用データを取得後、入出力端子１１１を介して制御装置４１５に静脈を読み取る命令の信号を送信する。その後、制御装置４１５は、配線４１３と、配線４３１と、を介して、制御装置４３６に静脈を読み取る命令の信号を送信する。静脈読み取り装置４３０は、この信号を受信することで、静脈の読み出しを開始する。具体的には、制御装置４３６は、配線４３５を介して、静脈読み取り部４３３に読み出し開始の信号を送信する。このとき、静脈読み取り部４３３に手３０３の内側を当てることで、静脈読み取り部４３３は、手３０３の内側の静脈を被照合用データとして取得することができる。取得した被照合用データは、制御装置４３６と、配線４３１と、配線４１３と、を介して、制御装置４１５に送信される。制御装置４１５は、被照合用データを受け取った後、内部端子４１４を介して、半導体装置３３０に被照合用データを送信する。
半導体装置３３０に送られた被照合用データは、入出力端子１１１から制御回路１０６に入力される。具体的には、被照合用データは、制御回路１０６ｆのＣＰＵ２００に送られ、照合用データとの比較する計算を行う。照合用データと被照合用データが一致しなかった場合、接触型カードリーダ４１０は再度静脈読み取り装置４３０に動作信号を送信し、新たに被照合用データの取得を行う。被照合用データを取得した後、静脈読み取り装置４３０は、接触型カードリーダ４１０を介して、半導体装置３３０に被照合用データを送信して、再度、照合用データとの比較する計算を行う。照合用データと、被照合用データと、が一致するまで、これらの動作を繰り返す。
照合用データと被照合用データが一致した場合、ＣＰＵ２００は、記憶装置１０９にカード番号、使用期限、カード名義などのカード情報を読み出す命令を含む信号を送信する。記憶装置１０９は、その命令信号を受信後、該カード情報をＣＰＵ２００に送信する。ＣＰＵ２００は、入出力端子１１１を介して、接触型カードリーダ４１０に該カード情報を送信する。
接触型カードリーダ４１０は、入出力端子１１１からカード情報を受信後、配線４１３を介して、キャッシュレジスタなどの装置にカード番号、使用期限、カード名義などの情報を送信する。
このように、外付けの認証装置を用いることで、クレジットカードに指紋センサを設ける必要が無く、かつ指紋以外の生体認証で本人確認を行うことができる。すなわち、本人以外がクレジットカードを使用する不正利用を防ぐことができる。
また、本構成例では、接触型の通信による認証方法を説明したが、接触型カードリーダ４１０の代わりに非接触型カードリーダ４００を用いて、非接触型の通信による認証方法であってもよい。その場合の半導体装置の構成例を図９のブロック図に示す。
半導体装置１７０は、送受信回路１１５と、電源回路１０５と、制御回路１０６と、記憶装置１０９と、を有する。送受信回路１１５は、アンテナ１０１と、整流回路１０２と、検波回路１０３と、変調回路１０４と、を有する。
制御回路１０６の構成例として、図９（Ｂ）に制御回路１０６ｇを示す。制御回路１０６ｇは、ＣＰＵ２００と、パワーマネージメントユニット２０１と、メモリコントローラ２０３と、バス２０５と、変調回路コントローラ２０４と、を有する。ＣＰＵ２００、パワーマネージメントユニット２０１、メモリコントローラ２０３、及び変調回路コントローラ２０４は、バス２０５と電気的に接続されている。バス２０５は、接続端子ＪＴ１を介して検波回路１０３と電気的に接続されている。メモリコントローラ２０３は、接続端子ＪＴ３を介して記憶装置１０９と電気的に接続されている。変調回路コントローラ２０４は、接続端子ＪＴ４を介して変調回路１０４と電気的に接続されている。
上述した半導体装置の構成で、かつ非接触型カードリーダ４００と静脈読み取り装置４３０を電気的に接続することで、非接触型の通信方法でも指紋以外の生体認証で本人確認を行うことができ、本人以外がクレジットカードを使用する不正利用を防ぐことができる。
また、接触型、非接触型の両方を併せ持つ半導体装置を用いてもよい。その場合の半導体装置の構成例を図１１のブロック図に示す。
半導体装置１８０は、送受信回路１１５と、入出力端子１１１と、電源回路１０５と、制御回路１０６と、記憶装置１０９と、を有する。送受信回路１１５は、アンテナ１０１と、整流回路１０２と、検波回路１０３と、変調回路１０４と、を有する。
制御回路１０６の構成例として、図１１（Ｂ）に制御回路１０６ｈを示す。制御回路１０６ｈは、ＣＰＵ２００と、パワーマネージメントユニット２０１と、メモリコントローラ２０３と、バス２０５と、変調回路コントローラ２０４と、を有する。ＣＰＵ２００、パワーマネージメントユニット２０１、メモリコントローラ２０３、及び変調回路コントローラ２０４は、バス２０５と電気的に接続されている。バス２０５は、接続端子ＪＴ１を介して検波回路１０３と電気的に接続されている。メモリコントローラ２０３は、接続端子ＪＴ３を介して記憶装置１０９と電気的に接続されている。変調回路コントローラ２０４は、接続端子ＪＴ４を介して変調回路１０４と電気的に接続されている。バス２０５は、接続端子ＪＴ５を介して、入出力端子１１１、及び電源回路１０５と電気的に接続されている。
上述した半導体装置の構成によって、非接触型カードリーダ４００、又は接触型カードリーダ４１０の両方に対応することができる。これにより、接触型、非接触型の通信方法の両方で指紋以外の生体認証で本人確認を行うことができ、本人以外がクレジットカードを使用する不正利用を防ぐことができる。
また、上述では、接触型カードリーダと生体センサ、又は非接触型カードリーダと生体センサの２種類の機器を用いた例を示したが、本構成例はこれに限定されない。例えば、図１４（Ａ）に示すとおり、生体センサ（図１４（Ａ）では、一例として静脈読み取り装置を示す）にカード差込口４１６を設けて、接触型カードリーダ４１０と静脈読み取り装置４３０を一体とした１つの電子機器４４０にまとめた構成でもよい。また、図１４（Ｂ）のように、又は非接触型カードリーダ４００と生体センサ（図１４（Ｂ）では、一例として静脈読み取り装置４３０を示す）を一体とした１つの電子機器４５０にまとめた構成でもよい。これにより、カードリーダと生態センサとの間で直接通信を行うことができる。
また、本構成例では、手の平の静脈による認証方法に限定されない。例えば、指紋、掌線、手形、指又は手の静脈、声紋、虹彩、顔の形、遺伝子などを取得する装置を用いることで、それらによる認証方法を行うことができる。
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、上述のクレジットカードとは別の形態を有する半導体装置について説明する。
＜構成例６＞
図１５に、開示する発明の半導体装置の一例を示す。半導体装置５００は、腕時計型のウェアラブルコンピュータである。
半導体装置５００は、筐体５０１と、ベルト５０２と、表示部５０３と、操作キー５０４と、指紋センサ５０５と、を有する。
図１６（Ａ）及び図１６（Ｂ）に、半導体装置５００のブロック図の一例を示す。
半導体装置５００は、構成例３の半導体装置１３０に、表示部５０３と、操作キー５０４と、電池１９０を加えた構成となっている。そのため、構成例３と重複する部分については説明を省略し、相違点のみ説明する。
電池１９０は、電源回路１０５と電気的に接続されている。表示部５０３は、制御回路１０６と電気的に接続されている。操作キー５０４は、制御回路１０６と電気的に接続されている。
制御回路１０６の構成例として、図１６（Ｂ）に制御回路１０６ｉを示す。制御回路１０６ｉは、制御回路１０６ｅにディスプレイコントローラ２０６と操作キーコントローラ２０７を加えた構成である。ディスプレイコントローラ２０６と操作キーコントローラ２０７は、バス２０５と電気的に接続されている。ディスプレイコントローラ２０６は、接続端子ＪＴ６を介して、表示部５０３と電気的に接続されている。操作キーコントローラ２０７は、接続端子ＪＴ７を介して、操作キー５０４と電気的に接続されている。
表示部５０３は、表示素子を有する表示装置、又は発光素子を有する発光装置である。表示部５０３としては、無機又は有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）素子を用いた発光装置、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｅｄ Ｄｉｏｄｅ）を用いた表示装置、液晶素子を用いた表示装置、シャッター方式のＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）表示素子を用いた表示装置、電子インクや電気泳動素子を用いた表示装置などがある。表示部５０３は、操作キー５０４を用いるなどで、情報を表示する機能を有する。また、表示部５０３に、タッチパネルを有して、該タッチパネルから操作を行う構成でもよい。また、表示部５０３は、可とう性基板に形成されたものでもよい。
操作キー５０４は、半導体装置５００を操作するためのインターフェースである。また、上述したように、表示部５０３にタッチパネルを設けて、該タッチパネルから操作を行う構成でもよい。この場合、操作キー５０４を設けなくてもよい。
指紋センサ５０５は、半導体装置５００の持ち主かどうかの認証を行うための装置である。認証の方法については、後述の動作例６で説明する。また、認証を行うことができれば、認証方法は指紋に限定しない。例えば、指又は手のひらの静脈、手首まわりの静脈、声紋、虹彩、顔の形などを認識できるセンサを指紋センサ５０５の代わりに用いて、認証を行ってもよい。
半導体装置５００は、半導体装置１３０と同様にクレジットカード機能やＩＤ情報を記憶する機能を有している。具体的には、記憶装置１０９に、クレジットカード番号、使用期限、クレジット名義などのカード情報や、照合用のデータとして扱われる指紋、静脈、声紋、虹彩、顔の形などが記憶されている。
また、記憶装置１０９は、構成例１及び構成例２で述べた図２（Ｃ）の構成を適用することができる。
電池１９０は、電源回路１０５を介して、入出力端子１１１より供給される外部からの電力を充電する機能を有する。また、電源回路１０５は、充電された電池１９０から入力された電位から、安定した電源電圧を生成する機能を有する。なお、図１６には図示していないが、電源回路１０５は、各回路に電源電圧を供給するため、各回路と電気的に接続されている。
なお、マイクと、スピーカと、を設けることで、携帯電話端末としても使用できる（図示しない）。また、半導体装置５００を携帯電話端末、スマートフォン、タブレットなどの情報端末として使用する場合、指紋センサ５０５や上述した生体センサなどを利用した生体認証システムを用いることで、本人以外による情報端末としての使用を未然に防ぐことができる。
また、半導体装置５００は、図１（Ａ）、図１（Ｂ）のように、ＯＳトランジスタを適用することができる。その場合、アナログデジタル変換回路１０７をＯＳアナログデジタル変換回路１５７に、記憶装置１０９をＯＳ記憶装置１５９に、ＣＰＵ２００をＯＳ−ＣＰＵ２１１に置き換えた構成を適用すればよい（図示しない）。これにより、半導体装置５００の低消費電力、又は微細化を実現できる。
＜動作例６＞
次に、半導体装置５００を用いた動作例について説明する。
図１７は、半導体装置５００と、半導体装置５００と通信を行う外部機器と、の動作例を示している。外部機器である電子機器４７０は、読み取り部４０１と、表示部４０２と、配線４０３と、を有している。なお、電子機器４７０は、動作例１で説明した非接触型カードリーダ４００と同様の機能を有する。表示部４０２は、決済時の金額、半導体装置３００と非接触型カードリーダとの間で通信ができたか否かの応答、エラー内容又はエラーコードなどを表示する。なお、電子機器４７０は、表示部４０２を有さない構成であってもよい。
なお、本動作例は、動作例１において、半導体装置３００を半導体装置５００に置き換え、非接触型カードリーダ４００を電子機器４７０に置き換え、指紋センサ１０８は指紋センサ５０５に置き換えて、説明することができる。したがって、本動作例は、動作例１と同様の部分は省略し、異なる部分のみ説明を行う。
図１７は、半導体装置５００を使用した例を示している。手３０３の手首に半導体装置５００を身に付け、指紋センサ５０５に手３０３と反対側の手３０２の指３０２ａを当てながら電子機器４７０と通信を行っている様子を示している。
クレジットカード機能で決済を行うとき、店員の操作によって、電子機器４７０を起動させる。具体的には、店側のキャッシュレジスタなどからの操作で、配線４０３を経由して、電子機器４７０を起動させスタンバイ状態にする。スタンバイ状態とは、読み取り部４０１から無線信号３０８ａが送信されている状態である。
電子機器４７０がスタンバイ状態になったら、消費者は、半導体装置５００を読み取り部４０１にかざす。このときの半導体装置５００と電子機器４７０との通信、及び半導体装置５００の動作については、動作例１の記載を参酌する。
整流回路１０２の機能は、動作例１の記載を参酌する。ただし、半導体装置５００は、電池１９０によって駆動を行うので、半導体装置５００は、整流回路１０２を有さない構成であってもよい。
検波回路１０３の機能については、動作例１の記載を参酌する。
ＣＰＵ２００における復調信号の受け取り、及び記憶装置１０９からの照合用データ（半導体装置５００の持ち主の指紋のデータ）の読み出しについては、動作例１の記載を参酌する。
ＣＰＵ２００は、照合用データを取得後、センサコントローラ２０２を介して、指紋センサ５０５に動作信号を送信する。指紋センサ５０５は、動作信号を受けることで、指紋データの取得を行う。なお、指紋センサ５０５に指３０２ａを付けるタイミングは特に限定しないが、表示部４０２や表示部５０３に、該タイミングを表示して知らせる機能を有してもよい。指紋センサ５０５は、指３０２ａの指紋の取得を行い、取得した指紋データは、アナログデジタル変換回路１０７によって、デジタルデータに変換される。そして、デジタルデータに変換された指紋データ（被照合用データ）は、センサコントローラ２０２を介して、ＣＰＵ２００に送信される。
照合用データと被照合用データが一致した場合、ＣＰＵ２００は、記憶装置１０９からクレジットカード番号、使用期限、クレジット名義などの情報を読み出して、変調回路コントローラ２０４を介して、それらの情報を変調回路１０４に送信する。
変調回路１０４によって、クレジットカード番号、使用期限、クレジット名義などが含まれている電気信号に変調処理が施される。その後、アンテナ１０１に変調された電気信号が送信される。
アンテナ１０１は、変調された電気信号を受け取った後、電気信号を無線信号３０８ｂに変換して電子機器４７０に送信する。電子機器４７０は、無線信号３０８ｂを受信後、配線４０３を介して、キャッシュレジスタなどの装置にクレジットカード番号、使用期限、クレジット名義などの情報を送信する。
このように、クレジットカード以外の形態でもクレジット機能を利用することができる。また、同時に指紋センサを設けることで、本人以外がクレジット機能を使用する不正利用を未然に防ぐことができる。
なお、本動作例は、指紋センサを有する時計型のウェアラブルデバイスを一例として、説明したが、本実施の形態はこれに限定されない。例えば、指紋センサなどの生体センサを時計型のウェアラブルデバイスに有さず、構成例５のように外付けの認証装置を用いて認証を行ってもよい。
具体例を、図１８に示す。半導体装置５１０は、半導体装置５００から指紋センサ５０５を除いたものである。また、生体センサとして電子機器４８０を一例として示している。
電子機器４８０の構成は、構成例５で説明した静脈読み取り装置４３０と同様の構成であり、表示部４３２と、配線４３１と、静脈読み取り部４３３と、を有する。さらに、本具体例では、電子機器４８０の内部に送受信機４８１を設けている。
送受信機４８１はアンテナを有しており、半導体装置５１０の送受信回路１１５と無線通信を行う機能を有する（図１８では、無線信号３０８ａ及び無線信号３０８ｂで無線通信を示している）。つまり、半導体装置５１０と電子機器４８０との間で直接通信を行うことができる。
これにより、半導体装置５１０と電子機器４８０との間で、静脈読み取り部４３３で読み取った手３０３の静脈を半導体装置５１０に送ることができ、かつ半導体装置５１０の記憶装置１０９に記憶されたクレジットカード番号、使用期限、クレジット名義などの情報を電子機器４８０に送ることができる。このような方法によって、指紋以外の生体認証で本人確認を行うことができる。
なお、本実施の形態は、半導体装置に設けたクレジット機能を一例として説明したが、本実施の形態はこれに限定されない。例えば、電子マネー対応カードに上記のシステムを適用してもよい。電子マネー対応カードに認証システムを適用することで、本人以外の人間による電子マネーの支払いを防ぐことができる。また、例えば、住居、オフィス、商業施設など関係者以外の立ち入りを禁止するエリアの出入り口に電子機器４７０、又は電子機器４８０を設けて、半導体装置５００で認証できるようにしてもよい。このような構成にすることで、関係者でない人間による半導体装置５００を使用した立ち入り禁止エリアへの侵入を防ぐことができる。
なお、本実施の形態は、腕時計型のウェアラブルデバイスを一例として説明したが、本実施の形態はこれに限定されない。例えば、携帯電話端末、スマートフォン、タブレット端末、の形態を上述の腕時計型のウェアラブルデバイスの代わりに用いてもよい。また、例えば、腕輪型、指輪型のウェアラブルデバイスを上述の腕時計型ウェアラブルデバイスの代わりに用いてもよい。また、例えば、眼鏡型のウェアラブルデバイスと虹彩センサを組み合わせた形態を上述の腕時計型のウェアラブルデバイスの代わりに用いてもよい。また、手袋、リストバンドなどの衣料品などに半導体装置を組み込んだ形態を時計型のウェアラブルデバイスの代わりに用いてもよい。
つまり、本実施の形態で説明した腕時計型のウェアラブルデバイスに限定せず、上述した代替のデバイスを選択することによって、手首以外の箇所にデバイスを装着することができる。また、本動作例では人間が装着する例を説明したが、開示する発明は、場合によっては、人間以外の生物が装着できる構造体を有してもよい。さらに、開示する発明は、充電器やデータ授受時に扱う電子機器など、いわゆる無生物に対しても装着可能な構造体を有してもよい。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態５）
本発明の一態様に係るＣＰＵの構成の一例について、図１９を用いながら説明する。
図１９に示す半導体装置２３００は、ＣＰＵコア２３０１、パワーマネージメントユニット２３２１及び周辺回路２３２２を有する。パワーマネージメントユニット２３２１は、パワーコントローラ２３０２、及びパワースイッチ２３０３を有する。周辺回路２３２２は、キャッシュメモリを有するキャッシュ２３０４、バスインターフェース２３０５、及びデバッグインターフェース２３０６を有する。
ＣＰＵコア２３０１は、データバス２３２３、制御装置２３０７、ＰＣ２３０８（ＰＣ：プログラムカウンタ）、パイプラインレジスタ２３０９、パイプラインレジスタ２３１０、ＡＬＵ２３１１、及びレジスタファイル２３１２を有する。ＣＰＵコア２３０１と、キャッシュ２３０４等の周辺回路２３２２とのデータのやり取りは、データバス２３２３を介して行われる。
ｐチャネル型Ｓｉトランジスタと、後述する実施の形態９に記載のＯＳトランジスタ（好ましくはＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物半導体をチャネル形成領域に含むトランジスタ）と、を半導体装置２３００に適用することで、半導体装置２３００の各回路を微細化することができる。すなわち、小型の半導体装置２３００を提供できる。また、ＯＳトランジスタを適用することで、極めて低いオフ電流の特性を利用することによって、消費電力を低減することが可能な半導体装置２３００を提供できる。また、動作速度を向上することが可能な半導体装置２３００を提供できる。特に、Ｓｉトランジスタはｐチャネル型のみとすることで、製造コストを低く抑えることができる。
制御装置２３０７は、ＰＣ２３０８、パイプラインレジスタ２３０９、パイプラインレジスタ２３１０、ＡＬＵ２３１１、レジスタファイル２３１２、キャッシュ２３０４、バスインターフェース２３０５、デバッグインターフェース２３０６、及びパワーコントローラ２３０２の動作を統括的に制御することで、入力されたアプリケーションなどのプログラムに含まれる命令をデコードし、実行する機能を有する。
ＡＬＵ２３１１は、四則演算、論理演算などの各種演算処理を行う機能を有する。
キャッシュ２３０４は、使用頻度の高いデータを一時的に記憶しておく機能を有する。ＰＣ２３０８は、次に実行する命令のアドレスを記憶する機能を有するレジスタである。なお、図１９では図示していないが、キャッシュ２３０４には、キャッシュメモリの動作を制御するキャッシュコントローラが設けられている。
パイプラインレジスタ２３０９は、命令データを一時的に記憶する機能を有するレジスタである。
レジスタファイル２３１２は、汎用レジスタを含む複数のレジスタを有しており、メインメモリから読み出されたデータ、又はＡＬＵ２３１１の演算処理によって得られたデータ、などを記憶することができる。
パイプラインレジスタ２３１０は、ＡＬＵ２３１１の演算処理に利用するデータ、又はＡＬＵ２３１１の演算処理によって得られたデータなどを一時的に記憶する機能を有するレジスタである。
バスインターフェース２３０５は、半導体装置２３００と半導体装置２３００の外部にある各種装置との間におけるデータの経路としての機能を有する。デバッグインターフェース２３０６は、デバッグの制御を行うための命令を半導体装置２３００に入力するための信号の経路としての機能を有する。
パワースイッチ２３０３は、半導体装置２３００が有する、パワーコントローラ２３０２以外の各種回路への、電源電圧の供給を制御する機能を有する。上記各種回路は、幾つかのパワードメインにそれぞれ属しており、同一のパワードメインに属する各種回路は、パワースイッチ２３０３によって電源電圧の供給の有無が制御される。また、パワーコントローラ２３０２はパワースイッチ２３０３の動作を制御する機能を有する。
上記構成を有する半導体装置２３００は、パワーゲーティングを行うことが可能である。パワーゲーティングの動作の流れについて、一例を挙げて説明する。
まず、ＣＰＵコア２３０１が、電源電圧の供給を停止するタイミングを、パワーコントローラ２３０２のレジスタに設定する。次いで、ＣＰＵコア２３０１からパワーコントローラ２３０２へ、パワーゲーティングを開始する旨の命令を送る。次いで、半導体装置２３００内に含まれる各種レジスタとキャッシュ２３０４が、データの退避を開始する。次いで、半導体装置２３００が有するパワーコントローラ２３０２以外の各種回路への電源電圧の供給が、パワースイッチ２３０３により停止される。次いで、割込み信号がパワーコントローラ２３０２に入力されることで、半導体装置２３００が有する各種回路への電源電圧の供給が開始される。なお、パワーコントローラ２３０２にカウンタを設けておき、電源電圧の供給が開始されるタイミングを、割込み信号の入力に依らずに、当該カウンタを用いて決めるようにしてもよい。次いで、各種レジスタとキャッシュ２３０４が、データの復帰を開始する。次いで、制御装置２３０７における命令の実行が再開される。
このようなパワーゲーティングは、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ、又は複数の論理回路において行うことができる。また、短い時間でも電源の供給を停止することができる。このため、空間的に、あるいは時間的に細かい粒度で消費電力の削減を行うことができる。
パワーゲーティングを行う場合、ＣＰＵコア２３０１や周辺回路２３２２が保持する情報を短期間に退避できることが好ましい。そうすることで、短期間に電源のオンオフが可能となり、省電力の効果が大きくなる。
ＣＰＵコア２３０１や周辺回路２３２２が保持する情報を短期間に退避するためには、フリップフロップ回路がその回路内でデータ退避できることが好ましい（バックアップ可能なフリップフロップ回路と呼ぶ。）。また、ＳＲＡＭセルがセル内でデータ退避できることが好ましい（バックアップ可能なＳＲＡＭセルと呼ぶ。）。バックアップ可能なフリップフロップ回路やＳＲＡＭセルは、ＯＳトランジスタ（好ましくはＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物半導体をチャネル形成領域に含むトランジスタ）を有することが好ましい。その結果、トランジスタが低いオフ電流を有することで、バックアップ可能なフリップフロップ回路やＳＲＡＭセルは長期間電源の供給なしに情報を保持することができる。また、トランジスタが高速なスイッチング速度を有することで、バックアップ可能なフリップフロップ回路やＳＲＡＭセルは短期間のデータ退避及び復帰が可能となる場合がある。
バックアップ可能なフリップフロップ回路やバックアップ可能なＳＲＡＭセルの例について、図２０及び図２１を用いて説明する。
図２０に示す半導体装置２２００は、バックアップ可能なフリップフロップ回路の一例である。半導体装置２２００は、第１の記憶回路２２０１と、第２の記憶回路２２０２と、第３の記憶回路２２０３と、読み出し回路２２０４と、を有する。半導体装置２２００には、電位Ｖ１と電位Ｖ２の電位差が、電源電圧として供給される。電位Ｖ１と電位Ｖ２は一方がハイレベルであり、他方がローレベルである。以下、電位Ｖ１がローレベル、電位Ｖ２がハイレベルの場合を例に挙げて、半導体装置２２００の構成例について説明するものとする。
第１の記憶回路２２０１は、半導体装置２２００に電源電圧が供給されている期間において、データを含む信号Ｄが入力されると、当該データを保持する機能を有する。そして、半導体装置２２００に電源電圧が供給されている期間において、第１の記憶回路２２０１からは、保持されているデータを含む信号Ｑが出力される。一方、第１の記憶回路２２０１は、半導体装置２２００に電源電圧が供給されていない期間においては、データを保持することができない。すなわち、第１の記憶回路２２０１は、揮発性の記憶回路と呼ぶことができる。
第２の記憶回路２２０２は、第１の記憶回路２２０１に保持されているデータを読み出して記憶する（あるいは退避する）機能を有する。第３の記憶回路２２０３は、第２の記憶回路２２０２に保持されているデータを読み出して記憶する（あるいは退避する）機能を有する。読み出し回路２２０４は、第２の記憶回路２２０２又は第３の記憶回路２２０３に保持されたデータを読み出して第１の記憶回路２２０１に記憶する（あるいは復帰する）機能を有する。
特に、第３の記憶回路２２０３は、半導体装置２２００に電源電圧が供給されてない期間においても、第２の記憶回路２２０２に保持されているデータを読み込んで記憶する（あるいは退避する）機能を有する。
図２０に示すように、第２の記憶回路２２０２はトランジスタ２２１２と容量素子２２１９とを有する。第３の記憶回路２２０３はトランジスタ２２１３と、トランジスタ２２１５と、容量素子２２２０とを有する。読み出し回路２２０４はトランジスタ２２１０と、トランジスタ２２１８と、トランジスタ２２０９と、トランジスタ２２１７と、を有する。
トランジスタ２２１２は、第１の記憶回路２２０１に保持されているデータに応じた電荷を、容量素子２２１９に充放電する機能を有する。トランジスタ２２１２は、第１の記憶回路２２０１に保持されているデータに応じた電荷を容量素子２２１９に対して高速に充放電できることが望ましい。具体的には、トランジスタ２２１２が、結晶性を有するシリコン（好ましくは多結晶シリコン、更に好ましくは単結晶シリコン）をチャネル形成領域に含むことが望ましい。
トランジスタ２２１３は、容量素子２２１９に保持されている電荷に従って導通状態又は非導通状態が選択される。トランジスタ２２１５は、トランジスタ２２１３が導通状態であるときに、配線２２４４の電位に応じた電荷を容量素子２２２０に充放電する機能を有する。トランジスタ２２１５は、オフ電流が著しく小さいことが望ましい。具体的には、トランジスタ２２１５が、ＯＳトランジスタ（好ましくはＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物半導体をチャネル形成領域に含むトランジスタ）であることが望ましい。
各素子の接続関係を具体的に説明すると、トランジスタ２２１２のソース及びドレインの一方は、第１の記憶回路２２０１に接続されている。トランジスタ２２１２のソース及びドレインの他方は、容量素子２２１９の一方の電極、トランジスタ２２１３のゲート、及びトランジスタ２２１８のゲートに接続されている。容量素子２２１９の他方の電極は、配線２２４２に接続されている。トランジスタ２２１３のソース及びドレインの一方は、配線２２４４に接続されている。トランジスタ２２１３のソース及びドレインの他方は、トランジスタ２２１５のソース及びドレインの一方に接続されている。トランジスタ２２１５のソース及びドレインの他方は、容量素子２２２０の一方の電極、及びトランジスタ２２１０のゲートに接続されている。容量素子２２２０の他方の電極は、配線２２４３に接続されている。トランジスタ２２１０のソース及びドレインの一方は、配線２２４１に接続されている。トランジスタ２２１０のソース及びドレインの他方は、トランジスタ２２１８のソース及びドレインの一方に接続されている。トランジスタ２２１８のソース及びドレインの他方は、トランジスタ２２０９のソース及びドレインの一方に接続されている。トランジスタ２２０９のソース及びドレインの他方は、トランジスタ２２１７のソース及びドレインの一方、及び第１の記憶回路２２０１に接続されている。トランジスタ２２１７のソース及びドレインの他方は、配線２２４０に接続されている。また、図２０においては、トランジスタ２２０９のゲートは、トランジスタ２２１７のゲートと接続されているが、トランジスタ２２０９のゲートは、必ずしもトランジスタ２２１７のゲートと接続されていなくてもよい。
トランジスタ２２１５に後述する実施の形態９で例示するトランジスタを適用することができる。これにより、トランジスタ２２１５のオフ電流が小さくすることができ、半導体装置２２００は、長期間電源供給なしに情報を保持することができる。トランジスタ２２１５のスイッチング特性が良好であるために、半導体装置２２００は、高速のバックアップと高速のリカバリを行うことができる。
図２１に示すメモリセル１２０１は、バックアップ可能なＳＲＡＭセルの一例である。メモリセル１２０１は、トランジスタＭ１０１と、トランジスタＭ１０２と、トランジスタＭｏｓ１と、トランジスタＭｏｓ２と、インバータＩＮＶ１０１と、インバータＩＮＶ１０２と、容量素子Ｃ１０１と、容量素子Ｃ１０２と、を有する。半導体装置１００は、配線ＷＬと、配線ＢＬと、配線ＢＬＢと、配線ＢＲＬと、に接続されている。また、メモリセル１２０１には、電源電圧として低電源電圧（ＶＳＳ）等が供給される。
インバータＩＮＶ１０１の入力ノードは、インバータＩＮＶ１０２の出力ノードと電気的に接続され、インバータＩＮＶ１０１の出力ノードとインバータＩＮＶ１０２の入力ノードが電気的に接続されており、インバータＩＮＶ１０１とインバータＩＮＶ１０２によって、インバータループ回路が構成されている。トランジスタＭ１０１のゲートと、トランジスタＭ１０２のゲートは、配線ＷＬに接続されている。トランジスタＭ１０１は、配線ＢＬとインバータＩＮＶ１０１の入力ノード間を接続するスイッチとして機能し、トランジスタＭ１０２は、配線ＢＬＢとインバータＩＮＶ１０２の入力ノード間を接続するスイッチとして機能する。
配線ＷＬは、書き込み／読み出し用ワード線として機能し、メモリセルの選択用信号（ＷＬＥ）がワード線ドライバ回路から入力される。配線ＢＬ、ＢＬＢは、データ信号Ｄ、ＤＢを送るビット線として機能する。データ信号ＤＢは、データ信号Ｄの論理値が反転された信号である。データ信号Ｄ、ＤＢは、ビット線ドライバ回路から供給される。また、配線ＢＬ、ＢＬＢは、メモリセル１２０１から読み出したデータを出力回路に送る配線でもある。
メモリセル１２０１は、インバータＩＮＶ１０１、インバータＩＮＶ１０２、トランジスタＭ１０１、トランジスタＭ１０２を有する揮発性の記憶回路に、一対の記憶回路を設けた回路に相当する。なお、一対の記憶回路は、トランジスタＭｏｓ１及び容量素子Ｃ１０１を有する記憶回路（以下、記憶回路（Ｍｏｓ１、Ｃ１０１）と示す。）、トランジスタＭｏｓ２及び容量素子Ｃ１０２を有する記憶回路（以下、記憶回路（Ｍｏｓ２、Ｃ１０２）と示す。）で構成される。記憶回路（Ｍｏｓ１、Ｃ１０１）、記憶回路（Ｍｏｓ２、Ｃ１０２）は、それぞれ、ノードＮＥＴ１、ノードＮＥＴ２で保持されている電位を記憶することで、揮発性の記憶回路のデータをバックアップするための回路である。これらの記憶回路は、トランジスタＭｏｓ１、Ｍｏｓ２をオン状態にすることで、容量素子Ｃ１０１、Ｃ１０２を充電又は放電して、データを書き込み、これをオフ状態にすることで、容量素子に蓄積された電荷を保持することで、電源供給なしにデータを保持するものである。
データのリカバリも、トランジスタＭｏｓ１、Ｍｏｓ２をオン状態にすることで行われる。インバータＩＮＶ１０１、ＩＮＶ１０２への電源供給を停止した状態で、トランジスタＭｏｓ１、Ｍｏｓ２をオン状態にして、ノードＦＮ１とノードＮＥＴ１を接続し、ノードＦＮ１とノードＮＥＴ１で電荷を共有すると共に、ノードＦＮ２とノードＮＥＴ２を接続し、ノードＦＮ２とノードＮＥＴ２で電荷を共有する。その後、インバータＩＮＶ１０１、ＩＮＶ１０２へ電源を供給することで、ノードＮＥＴ１とノードＮＥＴ２の電位に応じて、インバータループ回路にデータが復帰される。しかる後、トランジスタＭｏｓ１、Ｍｏｓ２をオフ状態にする。
トランジスタＭｏｓ１、Ｍｏｓ２のゲートは、配線ＢＲＬに接続されている。配線ＢＲＬには、信号ＯＳＧが入力される。信号ＯＳＧにより一対の記憶回路（記憶回路（トランジスタＭｏｓ１、容量素子Ｃ１０１）、記憶回路（トランジスタＭｏｓ２、容量素子Ｃ１０２））が駆動され、バックアップ、又はリカバリが行われる。
以下、記憶回路（Ｍｏｓ１、Ｃ１０１）及び記憶回路（Ｍｏｓ２、Ｃ１０２）の構成とその動作について説明する。
記憶回路（Ｍｏｓ１、Ｃ１０１）、及び記憶回路（Ｍｏｓ２、Ｃ１０２）は、それぞれ容量素子Ｃ１０１、Ｃ１０２に電荷を蓄積することで、ノードＦＮ１、ＦＮ２の電位を保持する。トランジスタＭｏｓ１、Ｍｏｓ２をオン状態にすることで、ノードＮＥＴ１とノードＦＮ１が接続され、ノードＦＮ１にノードＮＥＴ１で保持している電位が印加され、また、トランジスタＭｏｓ２をオン状態にすることで、ノードＮＥＴ２とノードＦＮ２が接続され、ノードＦＮ２にノードＮＥＴ２で保持している電位が印加される。そして、トランジスタＭｏｓ１、Ｍｏｓ２をオフ状態にすることで、ノードＦＮ１、ＦＮ２が電気的に浮遊状態となり、容量素子Ｃ１０１、Ｃ１０２に蓄積された電荷が保持され、記憶回路はデータ保持の状態となる。
例えば、ノードＦＮ１がＨレベルである場合、Ｃ１０１から電荷がリークして徐々にその電圧が低下してしまうおそれがある。トランジスタＭｏｓ１、Ｍｏｓ２は、ＯＳトランジスタ（好ましくはＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物半導体をチャネル形成領域に含むトランジスタ）であることが望ましい。その結果、オフ状態でのソース−ドレイン間を流れるリーク電流（オフ電流）が極めて小さいため、ノードＦＮ１の電圧の変動が抑えられる。つまり、記憶回路（Ｍｏｓ１、Ｃ１０１）を不揮発性の記憶回路、あるいは電源供給なしで長期間データを保持することができる記憶回路として動作させることが可能である。また、記憶回路（Ｍｏｓ２、Ｃ１０２）も同様であり、これらの記憶回路を、インバータＩＮＶ１０１、インバータＩＮＶ１０２、トランジスタＭ１０１、トランジスタＭ１０２を有する揮発性の記憶回路のバックアップ用記憶回路として用いることができる。
トランジスタＭｏｓ１、Ｍｏｓ２に後述する実施の形態９で例示するトランジスタを適用することができる。トランジスタＭｏｓ１、Ｍｏｓ２のオフ電流が小さいために、半導体装置１００は、長期間電源供給なしに情報を保持することができる。トランジスタＭｏｓ１、Ｍｏｓ２のスイッチング特性が良好であるために、メモリセル１２０１は、高速のバックアップと高速のリカバリを行うことができる。
後述する実施の形態９で例示する酸化物半導体をチャネル形成領域に含むトランジスタを用いることで、バックアップが可能なフリップフロップ回路やＳＲＡＭセルを実現することができ、これらを半導体装置２３００に適用することができる。その結果、短期間に電源のオンオフの切り替えが可能となり、さらに低消費電力の半導体装置を提供することができる。
また、バックアップ可能なフリップフロップ回路やＳＲＡＭセルを、半導体装置２３００に適用することで、製造コストを抑えることが可能である。特に、フリップフロップ回路やＳＲＡＭセルに用いるｎチャネル型トランジスタを全て、先の実施の形態で例示した酸化物半導体をチャネル形成領域に含むトランジスタで置き換えてもよい。Ｓｉトランジスタはｐチャネル型のみとすることで、製造コストを低く抑えることができる。
なお、本発明の一態様に係るＣＰＵは、上述に限定されない。例えば、必要に応じてＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＭＣＵ（Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｕｎｉｔ）、ＲＦＩＣ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、カスタムＬＳＩなどにも応用かつ適用を行ってもよい。
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６）
本発明の一態様に係る記憶装置の構成の一例について、図２２を用いながら説明する。
図２２に記憶装置の構成の一例を示す。記憶装置２６００は、周辺回路２６０１、及びメモリセルアレイ２６１０を有する。周辺回路２６０１は、ローデコーダ２６２１、ワード線ドライバ回路２６２２、ビット線ドライバ回路２６３０、出力回路２６４０、及びコントロールロジック回路２６６０を有する。
ビット線ドライバ回路２６３０は、カラムデコーダ２６３１、プリチャージ回路２６３２、センスアンプ２６３３、及び書き込み回路２６３４を有する。
メモリセルアレイ２６１０は、行方向にｍ個、かつ列方向にｎ個（ｍ及びｎは、１以上の整数）のメモリセル１２００［ｉ、ｊ］（ｉは１以上ｍ以下の整数。ｊは１以上ｎ以下の整数）が行列状に並んでいる（図２２では、メモリセル１２００［ｉ、ｊ］の１個のみ図示している）。メモリセル１２００［ｉ、ｊ］は、配線ＢＬ［ｊ］を介してビット線ドライバ回路２６３０と電気的に接続され、かつ配線ＷＬ［ｉ］を介してワード線ドライバ回路２６２２と電気的に接続されている。
メモリセルアレイ２６１０、及び周辺回路２６０１の構成は、メモリセル１２００［ｉ、ｊ］に適用するメモリセルの種類によって異なる。例えば、メモリセル１２００［ｉ，ｊ］に、メモリセル１２０１を適用した場合、ビット線ドライバ回路２６３０からの配線は配線ＢＬ及び配線ＢＬＢの２本、かつワード線ドライバ回路２６２２からの配線は配線ＷＬ及び配線ＢＲＬの２本となる。この場合、プリチャージ回路２６３２は、配線ＢＬ、及び配線ＢＬＢをプリチャージする機能、及び同じ列の配線ＢＬと配線ＢＬＢの電圧を均等にする機能を有する。また、センスアンプ２６３３は、配線ＢＬ及び配線ＢＬＢから読み出されたデータ信号（Ｄ、ＤＢ）を増幅する機能を有する。増幅されたデータ信号は、出力回路２６４０を介して、デジタルのデータ信号ＲＤＡＴＡとして記憶装置２６００の外部に出力される。
また、例えば、メモリセル１２００［ｉ，ｊ］に、後述する図２３（Ａ）のメモリセル１２０３を適用した場合、ビット線ドライバ回路２６３０からの配線は配線ＢＬの１本、かつワード線ドライバ回路２６２２からの配線は配線ＷＬの１本となる。この場合、プリチャージ回路２６３２は、配線ＢＬをプリチャージする機能を有する。また、センスアンプ２６３３は、配線ＢＬから読み出されたデータ信号（Ｄ）を増幅する機能を有する。増幅されたデータ信号は、出力回路２６４０を介して、デジタルのデータ信号ＲＤＡＴＡとして記憶装置２６００の外部に出力される。
このため、図２２に図示しているメモリセルアレイ２６１０の配線は、配線ＢＬ［ｉ］、ＷＬ［ｊ］に限定されず、メモリセル１２００［ｉ、ｊ］の構成によって適宜本数を変更することができる。
また、記憶装置２６００には、外部から電源電圧として低電源電圧（ＶＳＳ）、周辺回路２６０１用の高電源電圧（ＶＤＤ）、メモリセルアレイ２６１０用の高電源電圧（ＶＩＬ）が供給される。
また、記憶装置２６００には、制御信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）、アドレス信号ＡＤＤＲ、データ信号ＷＤＡＴＡが外部から入力される。アドレスデータ信号ＡＤＤＲは、ローデコーダ２６２１及びカラムデコーダ２６３１に入力され、データ信号ＷＤＡＴＡは書き込み回路２６３４に入力される。
コントロールロジック回路２６６０は、外部からの入力信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）を処理して、ローデコーダ２６２１、カラムデコーダ２６３１の制御信号を生成する。ＣＥは、チップイネーブル信号であり、ＷＥは、書き込みイネーブル信号であり、ＲＥは、読み出しイネーブル信号である。コントロールロジック回路２６６０が処理する信号は、これに限定されるものではなく、必要に応じて、他の制御信号を入力すればよい。
なお、上述の各回路あるいは各信号は、必要に応じて、適宜、取捨することができる。
また、ｐチャネル型Ｓｉトランジスタと、後述する実施の形態９のＯＳトランジスタ（好ましくはＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物半導体をチャネル形成領域に含むトランジスタ）を用い、記憶装置２６００に適用することで、小型の記憶装置２６００を提供できる。また、消費電力低減することが可能な記憶装置２６００を提供できる。また、動作速度を向上することが可能な記憶装置２６００を提供できる。特に、Ｓｉトランジスタはｐチャネル型のみとすることで、製造コストを低く抑えることができる。
また、メモリセルアレイ２６１０のメモリセルとして、後述の実施の形態７のメモリセルを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と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態７）
本発明の一態様に係るメモリセルの構成の一例について、図２３（Ａ）乃至図２３（Ｄ）、図２４（Ａ）、図２４（Ｂ）を用いて説明する。
図２３（Ａ）は、メモリセルの構成の一例を示す回路図である。メモリセル１２０３は、トランジスタＭｏｓ３及び容量素子Ｃ１０３を有する。トランジスタＭｏｓ３のソース又はドレインの一方は、配線ＢＬと電気的に接続され、トランジスタＭｏｓ３のソース又はドレインの他方は、容量素子Ｃ１０３の一方の電極と電気的に接続され、トランジスタＭｏｓ３のゲートは、配線ＷＬと電気的に接続されている。容量素子Ｃ１０３の他方の電極には、低電源電位（ＶＳＳ）が印加されている。
トランジスタＭｏｓ３のソース又はドレインの他方と、容量素子Ｃ１０３の一方の電極と、の間にノードＦＮ３があり、これがデータ保持部となっている。トランジスタＭｏｓ３は、ノードＦＮ３と配線ＢＬを接続するスイッチとして機能する。配線ＢＬには、書き込み用信号と読み出し用信号として、信号Ｄが入出力される。ＷＬには、メモリセル選択用信号として、信号ＯＳＧが入力される。
データ書き込み及び読み出しは、トランジスタＭｏｓ３をオン状態にし、ノードＦＮ３を配線ＢＬに接続することで行われる。
また、メモリセル１２０３にバックゲートを設けた構成を図２４（Ａ）のメモリセル１２０７、図２４（Ｂ）のメモリセル１２０８に示す。メモリセル１２０７は、トランジスタＭｏｓ３にバックゲートＢＧ、及び配線ＢＧＬを設けた回路となっており、所定の電位を配線ＢＧＬからバックゲートＢＧに印加する構成となっている。配線ＢＧＬからの電位を印加することによって、トランジスタＭｏｓ３のしきい値電圧の変動することができる。メモリセル１２０８は、トランジスタＭｏｓ３にバックゲートＢＧを設けた回路となっており、トランジスタＭｏｓ３のフロントゲート（又は、配線ＷＬ）と電気的に接続されている。この構成により、フロントゲートとバックゲートＢＧには、同じ電位が印加されるため、トランジスタＭｏｓ３がオン状態の時に流れる電流を増加させることができる。
なお、バックゲートを設けた構成は、メモリセル１２０７、及びメモリセル１２０８に限定されず、他のメモリセルの場合でも適用が可能である。例えば、本実施の形態で後述するメモリセル１２０４、メモリセル１２０５、メモリセル１２０６、メモリセル１２０１についても、バックゲートを構成することができる。
図２３（Ｂ）は、メモリセルの構成の一例を示す回路図である。メモリセル１２０４は、トランジスタＭｏｓ４、トランジスタＭ１０４及び容量素子Ｃ１０４を有する。トランジスタＭｏｓ４のソース又はドレインの一方は、配線ＢＬと電気的に接続され、トランジスタＭｏｓ４のソース又はドレインの他方は、容量素子Ｃ１０４の一方の電極と、トランジスタＭ１０４のゲートと電気的に接続され、トランジスタＭｏｓ４のゲートは配線ＷＬと電気的に接続されている。トランジスタＭ１０４のソース又はドレインの一方は、配線ＢＬと電気的に接続され、トランジスタＭ１０４のソース又はドレインの他方は、配線ＳＬと電気的に接続されている。容量素子Ｃ１０４の他方の電極は、配線ＷＬＣと電気的に接続されている。
トランジスタＭｏｓ４のソース又はドレインの他方と、トランジスタＭ１０４のゲートと、容量素子Ｃ１０４の一方の電極との間にノードＦＮ４があり、これがデータ保持部となっている。トランジスタＭｏｓ４は、ノードＦＮ４と配線ＢＬを接続するスイッチとして機能する。配線ＷＬには、メモリセル選択用信号として信号ＯＳＧが入力される。容量素子Ｃ１０４は、配線ＷＬＣとノードＦＮ４間を接続する。配線ＷＬＣは、書き込み動作、及び読み出し動作時に、容量素子Ｃ１０４の端子に一定の電圧を供給するための配線である。トランジスタＭ１０４は、ｐチャネル型トランジスタである。
データの書き込みは、配線ＷＬＣ、ＳＬに一定電圧を与えた状態で、トランジスタＭｏｓ４をオン状態にし、ノードＦＮ４を配線ＢＬに接続することで行われる。データの読み出しは、配線ＢＬ、ＷＬＣ、ＳＬに一定電圧を与える。ノードＦＮ４の電圧に応じて、トランジスタＭ１０４のソース−ドレイン間を流れる電流値が変動する。トランジスタＭ１０４のソース−ドレイン電流により、配線ＢＬが充電あるいは放電されるので、配線ＢＬの電圧（信号Ｄ）を検出することで、メモリセル１２０４に保持されているデータ値を読み出すことができる。
なお、トランジスタＭ１０４は、ｎチャネル型トランジスタとすることができる。トランジスタＭ１０４の導電型に合わせて、配線（ＢＬ、ＳＬ、ＷＬＣ）に印加する電圧が決定される。
図２３（Ｃ）は、メモリセルの構成例を示す回路図である。メモリセル１２０６は、トランジスタＭｏｓ６、トランジスタＭ１０７、及びトランジスタＭ１０８を有する。トランジスタＭｏｓ６のソース又はドレインの一方は、配線ＷＢＬと電気的に接続され、トランジスタＭｏｓ６のソース又はドレインの他方は、トランジスタＭ１０８のゲートと電気的に接続され、トランジスタＭｏｓ６のゲートは、配線ＷＷＬと電気的に接続されている。トランジスタＭ１０７のソース又はドレインの一方は、配線ＲＢＬと電気的に接続され、トランジスタＭ１０７のソース又はドレインの他方は、トランジスタＭ１０８のソース又はドレインの一方と電気的に接続され、トランジスタＭ１０７のゲートは、配線ＲＷＬと電気的に接続されている。トランジスタＭ１０８のソース又はドレインの他方には、低電源電位（ＶＳＳ）が印加されている。
トランジスタＭｏｓ６のソース又はドレインの他方と、トランジスタＭ１０８のゲートとの間にノードＦＮ６があり、これがデータ保持部となっている。トランジスタＭｏｓ６は、ノードＦＮ６と配線ＷＢＬを接続するスイッチとして機能する。トランジスタＭ１０７は、配線ＲＢＬとトランジスタＭ１０８のソース又はドレインの一方を接続するスイッチとして機能する。配線ＷＢＬには、データ書き込み用信号として、信号Ｄが入力される。配線ＷＷＬには、メモリセル選択用信号として、信号ＯＳＧが入力される。
データ書き込みは、トランジスタＭｏｓ６をオン状態にし、ノードＦＮ６を配線ＷＢＬに接続することで行われる。データの読み出しは、事前に配線ＲＢＬに一定の電圧を与えた後に、トランジスタＭ１０７をオン状態にする。ノードＦＮ６の電圧に応じて、トランジスタＭ１０８のソース−ドレイン間を流れる電流値が変動する。トランジスタＭ１０８のソース−ドレイン電流により、配線ＲＢＬが充電あるいは放電されるので、配線ＲＢＬの電圧（信号ＤＢ）を検出することで、メモリセル１２０６に保持されているデータ値を読み出すことができる。
図２３（Ｄ）は、メモリセルの構成の一例を示す回路図である。メモリセル１２０５は、トランジスタＭｏｓ５、トランジスタＭ１０５、トランジスタＭ１０６及び容量素子Ｃ１０５を有する。トランジスタＭｏｓ５のソース又はドレインの一方は、配線ＢＬと電気的に接続され、トランジスタＭｏｓ５のソース又はドレインの他方は、トランジスタＭ１０６のゲートと、容量素子Ｃ１０５の一方の電極と電気的に接続され、トランジスタＭｏｓ５のゲートは、配線ＷＬと電気的に接続されている。トランジスタＭ１０５のソース又はドレインの一方は、配線ＢＬと電気的に接続され、トランジスタＭ１０５のソース又はドレインの他方は、トランジスタＭ１０６のソース又はドレインの一方と電気的に接続され、トランジスタＭ１０５のゲートは配線ＲＷＬと電気的に接続されている。トランジスタＭ１０６のソース又はドレインの他方は、容量素子Ｃ１０５の他方の電極と電気的に接続されている。トランジスタＭ１０６のソース又はドレインの他方と、容量素子Ｃ１０５の他方の電極には、低電源電位（ＶＳＳ）が印加されている。
トランジスタＭｏｓ５のソース又はドレインの他方と、トランジスタＭ１０６のゲートと、容量素子Ｃ１０５の一方の電極との間にノードＦＮ５があり、これがデータ保持部となっている。トランジスタＭｏｓ５は、ノードＦＮ５と配線ＢＬを接続するスイッチとして機能する。配線ＷＬに、メモリセル選択用信号として信号ＯＳＧが入力される。
データの書き込みは、トランジスタＭｏｓ５をオン状態にして、ノードＦＮ５を配線ＢＬに接続することで行われる。データの読み出しは、トランジスタＭ１０５をオン状態にすることで行われる。ノードＦＮ５の電圧に応じて、トランジスタＭ１０６のソース−ドレイン間を流れる電流値が変動する。トランジスタＭ１０６のソース−ドレイン電流により、配線ＢＬが充電あるいは放電されるので、配線ＢＬの電圧（信号Ｄ）を検出することで、メモリセル１２０５に保持されているデータ値を読み出すことができる。
なお、トランジスタＭ１０５、Ｍ１０６は、ｐチャネル型トランジスタとすることができる。トランジスタＭ１０５、Ｍ１０６の導電型に合わせて、配線ＲＷＬに印加する電圧、容量素子Ｃ１０５に印加する電圧を決定すればよい。
図２３（Ａ）乃至図２３（Ｄ）に示したメモリセルの構成例において、トランジスタＭｏｓ３、トランジスタＭｏｓ４、トランジスタＭｏｓ５、及びトランジスタＭｏｓ６は、ＯＳトランジスタ（好ましくはＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物半導体をチャネル形成領域に含むトランジスタ）であることが望ましい。その結果、オフ状態でのソース−ドレイン間を流れるリーク電流（オフ電流）が極めて小さいため、ノードＦＮ３、ノードＦＮ４、ノードＦＮ５、及びノードＦＮ６の電圧の変動が抑えられる。つまり、メモリセル１２０３、メモリセル１２０４、メモリセル１２０５、及びメモリセル１２０６を電源の供給を行わずに長期間データを保持することができる記憶回路として動作させることが可能である。
本実施の形態で説明したメモリセル、及び実施の形態９で例示する酸化物半導体をチャネル形成領域に含むトランジスタを、先の実施の形態で説明した記憶装置２６００に適用することで、電源供給なしで長期間データを保持することができる記憶回路を有する、小型、低消費電力、高速、あるいは電源電圧の変動を低減することが可能な記憶装置２６００を提供できる。
また、メモリセルに用いるｎチャネル型トランジスタを全て、実施の形態９で例示する酸化物半導体をチャネル形成領域に含むトランジスタで置き換えてもよい。加えて、ｐチャネル型トランジスタを、Ｓｉをチャネル形成領域に含むトランジスタのみとすることで、製造コストを低く抑えることができる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態８）
本発明の一態様に係るアナログデジタル変換回路の構成の一例について、説明する。
図２５は、アナログデジタル変換回路を示している。アナログデジタル変換回路８００は、コンパレータ８０２、逐次比較レジスタ８０３、デジタルアナログ変換回路８０４、タイミングコントローラ８０５、及び発振回路８０６を有する。
アナログデジタル変換回路８００は、更に、サンプルホールド回路８０１（サンプルアンドホールド回路ともいう。）を有する。サンプルホールド回路８０１は、アナログデータの電位（アナログ電位Ｖｉｎ）が入力され、制御信号Ｓ１によって、アナログ電位Ｖｉｎに応じた電荷の保持を行うことができる機能を有する回路である。制御信号Ｓ１は、タイミングコントローラ８０５より与えられる信号である。
サンプルホールド回路８０１は、一例として、バッファ回路８１１、トランジスタ８１２、及び容量素子８１３を有する。サンプルホールド回路８０１の入力端子は、トランジスタ８１２のソース又はドレインの一方に設けられる。サンプルホールド回路８０１の出力端子は、トランジスタ８１２のソース又はドレインの他方に設けられる。なお、トランジスタ８１２のソース又はドレインの他方にあるノードを、説明のため、ノードＮＤとする。
バッファ回路８１１は、サンプルホールド回路８０１に入力されるアナログデータ等の信号を増幅して出力する機能を有する。なお、図２５では、バッファ回路８１１を、サンプルホールド回路８０１の入力端子と、トランジスタ８１２のソース又はドレインの一方の側との間に設ける構成としたが、これに限らずトランジスタ８１２のソース又はドレインの他方の側に設ける構成としてもよい。
トランジスタ８１２は、オフ状態でのソース−ドレイン間を流れる電流が極めて低い機能を有するトランジスタである。このような機能を有するトランジスタとして、ＯＳトランジスタが好適である。ＯＳトランジスタについては、実施の形態９で詳述する。なお、図２５では、ＯＳトランジスタであることを明示するため、ＯＳトランジスタの回路記号に「ＯＳ」の記載を付している。トランジスタ８１２のソース又はドレインの一方は、サンプルホールド回路８０１の入力端子に接続される。トランジスタ８１２のゲートは、制御信号Ｓ１を与える配線に接続される。トランジスタ８１２のソース又はドレインの他方は、サンプルホールド回路８０１の出力端子、又はノードＮＤに接続される。
容量素子８１３は、トランジスタ８１２をオフにすることで、アナログ電位Ｖｉｎに応じた電荷を保持する機能を有する。なお、図２５では、容量素子８１３をトランジスタ８１２のソース又はドレインの他方、すなわちノードＮＤ側に設ける構成を示しているが、容量素子８１３を設けない構成としてもよく、コンパレータ８０２の入力端子におけるゲート容量などを利用することで省略することができる。なおアナログ電位Ｖｉｎに応じた電荷を保持する、トランジスタ８１２及び容量素子８１３を有する回路を、第１の回路１０と図示している。
コンパレータ８０２は、サンプルホールド回路８０１で保持するアナログ電位Ｖｉｎと、デジタルアナログ変換回路８０４が出力するアナログ電位ＤＡＣｏｕｔとの大小関係を比較し、大小関係に応じて信号ｃｍｐｏｕｔを出力する機能を有する。
逐次比較レジスタ８０３は、アナログ電位ＤＡＣｏｕｔの変化に応じて、Ｎビット（Ｎは２以上の自然数）のデジタルデータを保持し、出力する機能を有する。Ｎビット、すなわち０ビット目から（Ｎ−１）ビット目のデジタルデータ（図２５では、ｖａｌｕｅ［Ｎ−１：０］と略記）は、Ｖｏｕｔとして外部に出力される他、デジタルアナログ変換回路８０４に出力される。逐次比較レジスタ８０３は、各ビットに対応するレジスタを含む論理回路で構成され、制御信号Ｓ２の制御に応じてデジタルデータを出力することができる。制御信号Ｓ２は、タイミングコントローラ８０５より与えられる信号である。
デジタルアナログ変換回路８０４は、デジタルデータに従って、アナログ電位ＤＡＣｏｕｔを生成し、出力する機能を有する。デジタルアナログ変換回路８０４は、容量方式の変換方式（Ｃ−ＤＡＣ）でもよいし、抵抗方式の変換方式（Ｒ−ＤＡＣ）でもよい。特にＣ−ＤＡＣであれば、ＯＳトランジスタを用いることで、デジタル値を保持することができるため好ましい。なお、ＯＳトランジスタを有するＣ−ＤＡＣの構成については、後述する実施の形態で具体的な回路構成を挙げて説明する。
タイミングコントローラ８０５は、信号ＳＡＤＣに応じてクロック信号ＣＬＫに同期した制御信号Ｓ１、及び制御信号Ｓ２を生成して、出力する機能を有する。タイミングコントローラ８０５は、論理回路で構成され、クロック信号ＣＬＫ及び信号ＳＡＤＣに応じて制御信号Ｓ１、及び制御信号Ｓ２を出力することができる。論理回路で構成されるタイミングコントローラ８０５は、図２６に示すように、論理回路で構成される逐次比較レジスタ８０３と一体に形成することができる。タイミングコントローラは、制御回路という場合がある。
発振回路８０６は、クロック信号ＣＬＫを生成し、出力する機能を有する。発振回路８０６は、水晶発振器で生成されるクロック信号でもよいし、リングオシレータ―で生成されるクロック信号でもよい。
図２５に示すアナログデジタル変換回路８００は、センサ回路などによって取得したアナログ電位Ｖｉｎを、オフ電流が極めて低いトランジスタ８１２を有するサンプルホールド回路８０１に保持させる。サンプルホールド回路８０１では、トランジスタ８１２をオフにすることで、電荷の保持を可能としたノードＮＤに、アナログ電位Ｖｉｎを保持させる。これにより、サンプルホールド回路８０１が有するバッファ回路８１１などへの電力の供給を停止し、消費電力の低減を図ることができる。
また、この構成により、駆動電圧やクロック信号の周波数を抑えることなく、消費電力の低減を図ることができるため、分解能とサンプリングレートといった、アナログデジタル変換回路の性能を低下させないようにすることができる。また、この構成により、フラッシュメモリなどを用いることなく、アナログデータを保持することができるため、専用の高電圧生成回路や周辺回路を設けずに、消費電力の低減を図ることができる。
なおアナログ電位Ｖｉｎをサンプルホールド回路８０１に与えるセンサ回路は、複数設けられていてもよい。この場合、図２７に示すようにセンサ回路８２１Ａ、センサ回路８２１Ｂと設けられる場合、サンプルホールド回路８０１Ａ、サンプルホールド回路８０１Ｂを設ける。そしてサンプルホールド回路８０１Ａ、サンプルホールド回路８０１Ｂと、コンパレータ８０２との間にセレクタ８２２（マルチプレクサともいう。図２７では、ＭＰＸと略記）を設ける。
セレクタ８２２は、選択信号ＳＥＬにしたがって、サンプルホールド回路８０１Ａ、サンプルホールド回路８０１Ｂのいずれかの一のアナログ電位を選択してコンパレータ８０２に出力する機能を有する。サンプルホールド回路８０１Ａ、サンプルホールド回路８０１Ｂは、それぞれ図２５で説明したサンプルホールド回路８０１と同様の機能を有するため、センサ回路８２１Ａ、センサ回路８２１Ｂで得られるアナログ電位Ｖｉｎ＿Ａ、Ｖｉｎ＿Ｂを保持し、バッファ回路への電源の供給を停止することができる。したがって、消費電力の低減を図るよう動作させることができる。また、サンプルホールド回路８０１Ａ、サンプルホールド回路８０１Ｂで一旦アナログ電位Ｖｉｎ＿Ａ、Ｖｉｎ＿Ｂをサンプリングした後は、センサ回路８２１Ａ、センサ回路８２１Ｂからのアナログ電位Ｖｉｎ＿Ａ、Ｖｉｎ＿Ｂの供給を停止するために、センサ回路８２１Ａ、センサ回路８２１Ｂへの電源の供給を停止することができる。したがって、センサ回路８２１Ａ、センサ回路８２１Ｂの消費電力を低減することができる。
なおセンサ回路で得られるアナログ電位は、一定の場合もあれば、常に変動する場合もある。変動するアナログ電位をサンプリングする場合、相関二重サンプリング（ＣＤＳ：Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）回路を介してサンプリングを行えばよい。相関二重サンプリング回路は、２つのタイミングの相対差を得ることで、ノイズ除去の用途に用いられている。
図２８（Ａ）は、相関二重サンプリング回路の一例を示す。相関二重サンプリング回路は、サンプルホールド回路８３１Ａ乃至８３１Ｃを有する。サンプルホールド回路８３１Ａ乃至８３１Ｃは、図２５で示したサンプルホールド回路８０１と同等の回路を用いることができる。サンプルホールド回路８３１Ａのトランジスタには制御信号φ１、サンプルホールド回路８３１Ｂ、サンプルホールド回路８３１Ｃのトランジスタには制御信号φ２が与えられる。
制御信号φ１及びφ２によってオフ状態になるトランジスタにＯＳトランジスタを用いることで、差を取るためにサンプリングされた電位の変動が少なくすることができる。そのため、相関二重サンプリング回路の精度を高めることができる。また、また一旦電位をサンプリングした後は、サンプルホールド回路８３１Ａ乃至８３１Ｃが有するバッファ回路への電源の供給を停止することができ、消費電力の低減を図ることができる。
図２８（Ｂ）には、図２８（Ａ）に示す相関二重サンプリング回路の動作の一例となるタイミングチャートを示す。なお電位ＶＳｅｎｓｏｒは、センサ回路８２１で得られる変動する電位であり、電位Ｖｉｎは、相関二重サンプリング回路を経たアナログ電位である。図２８（Ｂ）に示すように、電位ＶＳｅｎｓｏｒが変動しても一定の周期でサンプリングして差をとることて、電位Ｖｉｎは電圧ΔＶで一定の電位となるアナログ電位として得ることができる。
図２９（Ａ）には、デジタルアナログ変換回路８０４の回路構成の一例を示す。なお図２９（Ａ）では１０ビットのＣ−ＤＡＣを示す。また図２９（Ａ）では、説明のため、サンプルホールド回路８０１、コンパレータ８０２を併せて図示している。図２９（Ａ）に示すデジタルアナログ変換回路８０４は容量素子８９３、セレクタ８９４、８９５、８９６及びトランジスタ８９７で構成される。容量素子８９３は、ビット数に応じた容量値を有する。容量値の一例は、図２９（Ａ）中、容量素子８９３に付して示している。またセレクタ８９４，８９５は、容量素子８９３に対応して設けられる。
図２９（Ｂ）には、図２９（Ａ）に示すセレクタ８９４、８９５、８９６の回路構成の一例を示す。なおセレクタ８９５、８９６の端子ＳＥＬには、制御信号Ｓ２が与えられる。なおセレクタ８９４、８９５の端子Ａには、セレクタ８９６で選択される電位が与えられる。なおセレクク８９６の端子Ａには、参照電位Ｖｒｅｆが与えられる。なおセレクタ８９４、８９５、８９６の端子Ｂには、グラウンド電位が与えられる。
また図２９（Ｃ）には、図２９（Ｂ）に示すセレクタのより具体的な回路構成の一例を示す。図２９（Ｃ）に示すセレクタは、インバータ回路８９８、ｎチャネル型のトランジスタ８３５、トランジスタ８３６、ｐチャネル型のトランジスタ８３７、トランジスタ８３８で構成される。
次に、図２５とは異なるアナログデジタル変換回路の一例を図３０に示す。
図３０に示すアナログデジタル変換回路９００は、サンプルホールド回路８０１、逐次比較レジスタ８０３、デジタルアナログ変換回路８０４、タイミングコントローラ８０５、及び発振回路８０６を有する。
図３０に示すアナログデジタル変換回路９００の構成において、図２５のアナログデジタル変換回路８００と異なる点は、デジタルアナログ変換回路８０４内にデジタルデータを保持するためのトランジスタ９１１、及び容量素子９１２を有する点にある。トランジスタ９１１のゲートには、各ビットに対応して、オン又はオフを制御するための制御信号Ｓ３ｖａｌｕｅ［Ｎ−１：０］がタイミングコントローラ８０５より与えられる。下記に、図２５のアナログデジタル変換回路８００と異なる点に関して詳細に説明し、図２５のアナログデジタル変換回路８００と重複する点に関しては説明を省略する。
トランジスタ９１１及び容量素子９１２は、トランジスタ９１１をオフにすることで、ノードＮＤＤＡＣにデジタルデータの電位に応じた電荷を保持することで、デジタルデータを保持する。トランジスタ９１１は、トランジスタ８１２と同様にオフ状態でのソース−ドレイン間を流れる電流が極めて低い機能を有するトランジスタであり、ＯＳトランジスタであることが好適である。なおデジタルデータの電位に応じた電荷を保持する、トランジスタ９１１及び容量素子９１２を有する回路を、第２の回路２０と図示している。
デジタルアナログ変換回路８０４内において、デジタルデータを保持する場合、図２９（Ａ）乃至図２９（Ｃ）で説明したセレクタ８９４にトランジスタ９１１及び容量素子９１２を追加する構成とすればよい。図３１（Ａ）、図３１（Ｂ）には、セレクタ８９４にトランジスタ９１１及び容量素子９１２を追加した回路図の一例を示す。なお図３１（Ａ）、図３１（Ｂ）では、制御信号Ｓ３ｖａｌｕｅ［Ｎ−１：０］として、０ビット目の制御信号Ｓ３ｖａｌｕｅ［０］をトランジスタ９１１のゲートに与える例を示している。
図３０の構成とすることで、サンプルホールド回路８０１、コンパレータ８０２、逐次比較レジスタ８０３、及びデジタルアナログ変換回路８０４への電源の供給を停止していくことで消費電力の低減を図ることができる。具体的には図３１に図示するように、アナログ電位Ｖｉｎをサンプルホールド回路８０１内に保持することで、バッファ回路８１１への電源を停止することができる。また、デジタルアナログ変換回路８０４内のデジタルデータが各ビットで確定していく毎に逐次比較レジスタ８０３内のレジスタへの電源の供給を停止することができる。また、コンパレータ８０２、及びデジタルアナログ変換回路８０４への電源の供給を停止することができる。
本実施の形態で開示する構成は、ＯＳトランジスタを用いて電源の供給が停止した後でもアナログデータあるいはデジタルデータの電位を保持することができるので、各回路への電源の供給を停止し、消費電力を低減することができる。また、デジタルデータが確定後に、アナログデジタル変換回路として機能する半導体装置全体の電源の供給を停止することで、次にアナログ電位Ｖｉｎが入力されるまでの間、消費電力を低減することができる。
以上説明した、アナログデジタル変換回路として機能する本実施の形態の半導体装置は、上記実施の形態１と同様に、センサ等によって取得したアナログ電位Ｖｉｎを、オフ電流が極めて低いトランジスタを有するサンプルホールド回路８０１に保持させる。加えて確定したデジタルデータをデジタルアナログ変換回路内に保持させる。そして本発明の一態様は、半導体装置が有する各回路への電源の供給を停止し、消費電力の低減を図ることができる。
また本実施の形態の半導体装置は、駆動電圧やクロック信号の周波数を抑えることなく、消費電力の低減を図ることができるため、分解能とサンプリングレートといった、アナログデジタル変換回路の性能を低下させないようにすることができる。また本実施の形態の半導体装置は、フラッシュメモリ等を用いることなくアナログデータを保持することができるため、専用の高電圧生成回路や周辺回路を設けずに、消費電力の低減を図ることができる。
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、開示する発明の一態様に係るトランジスタについて説明する。
なお、本発明の一態様に係るトランジスタは、実施の形態１１で説明するｎｃ−ＯＳ又はＣＡＡＳ−ＯＳを有することが好ましい。
＜トランジスタの構成例１＞
図３２（Ａ）乃至図３２（Ｃ）は、トランジスタ１４００ａの上面図及び断面図である。図３２（Ａ）は上面図である。図３２（Ｂ）は、図３２（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図であり、図３２（Ｃ）は、図３２（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図３２（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。なお、一点鎖線Ａ１−Ａ２をトランジスタ１４００ａのチャネル長方向、一点鎖線Ａ３−Ａ４をトランジスタ１４００ａのチャネル幅方向と呼ぶ場合がある。
トランジスタ１４００ａは、基板１４５０と、基板１４５０上の絶縁膜１４０１と、絶縁膜１４０１上の導電膜１４１４と、導電膜１４１４を覆うように形成された絶縁膜１４０２と、絶縁膜１４０２上の絶縁膜１４０３と、絶縁膜１４０３上の絶縁膜１４０４と、絶縁膜１４０４上に、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２の順で形成された積層と、金属酸化物１４３２の上面及び側面と接する導電膜１４２１と、同じく金属酸化物１４３２の上面及び側面と接する導電膜１４２３と、導電膜１４２１上の導電膜１４２２と、導電膜１４２３上の導電膜１４２４と、導電膜１４２２上及び導電膜１４２４上の絶縁膜１４０５と、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２、導電膜１４２１乃至導電膜１４２４及び絶縁膜１４０５と接する金属酸化物１４３３と、金属酸化物１４３３上の絶縁膜１４０６と、絶縁膜１４０６上の導電膜１４１１と、導電膜１４１１上の導電膜１４１２と、導電膜１４１２上の導電膜１４１３と、導電膜１４１３を覆うように形成された絶縁膜１４０７と、絶縁膜１４０７上の絶縁膜１４０８を有する。なお、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２及び金属酸化物１４３３をまとめて、金属酸化物１４３０と呼称する。
金属酸化物１４３２は半導体であり、トランジスタ１４００ａのチャネルとしての機能を有する。
また、金属酸化物１４３１及び金属酸化物１４３２は、領域１４４１及び領域１４４２を有する。領域１４４１は、導電膜１４２１と、金属酸化物１４３１及び金属酸化物１４３２と、が接する領域の近傍に形成され、領域１４４２は、導電膜１４２３と、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２が接する領域の近傍に形成される。
領域１４４１、領域１４４２は低抵抗領域としての機能を有する。金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２は、領域１４４１を有することで、導電膜１４２１との間のコンタクト抵抗を低減させることが可能になる。同様に、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２は、領域１４４２を有することで、導電膜１４２３との間のコンタクト抵抗を低減させることが可能になる。
導電膜１４２１、導電膜１４２２は、トランジスタ１４００ａのソース電極又はドレイン電極の一方としての機能を有する。導電膜１４２３、導電膜１４２４は、トランジスタ１４００ａのソース電極又はドレイン電極の他方としての機能を有する。
導電膜１４２２は導電膜１４２１よりも酸素を透過しにくい機能を有する。これにより、酸化による導電膜１４２１の導電率の低下を防ぐことが可能になる。
同様に、導電膜１４２４は導電膜１４２３よりも酸素を透過しにくい機能を有する。これにより、酸化による導電膜１４２３の導電率の低下を防ぐことが可能になる。
導電膜１４１１乃至導電膜１４１３は、トランジスタ１４００ａの第１のゲート電極としての機能を有する。
導電膜１４１１、導電膜１４１３は、導電膜１４１２よりも酸素を透過しにくい機能を有する。これにより、酸化による導電膜１４１２の導電率の低下を防ぐことが可能になる。
絶縁膜１４０６は、トランジスタ１４００ａの第１のゲート絶縁膜としての機能を有する。
導電膜１４１４は、トランジスタ１４００ａの第２のゲート電極としての機能を有する。
導電膜１４１１乃至導電膜１４１３と導電膜１４１４は同じ電位が与えられてもよいし、異なる電位が与えられてもよい。また導電膜１４１４は、場合によっては省略してもよい。
絶縁膜１４０１乃至絶縁膜１４０４は、トランジスタ１４００ａの下地絶縁膜としての機能を有する。また、絶縁膜１４０２乃至絶縁膜１４０４は、トランジスタ１４００ａの第２のゲート絶縁膜としての機能も有する。
絶縁膜１４０５乃至１４０８は、トランジスタ１４００ａの保護絶縁膜又は層間絶縁膜としての機能を有する。
図３２（Ｃ）に示すように、金属酸化物１４３２の側面は、導電膜１４１１に囲まれている。上記構成をとることで、導電膜１４１１の電界によって、金属酸化物１４３２を電気的に取り囲むことができる。ゲート電極の電界によって、半導体を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。そのため、金属酸化物１４３２の全体（バルク）にチャネルが形成される。ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、トランジスタのソース−ドレイン間に大電流を流すことができ、トランジスタのオン電流を高くすることができる。
ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、高いオン電流が得られるため、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）など微細化されたトランジスタが要求される半導体装置に適した構造といえる。トランジスタを微細化できるため、該トランジスタを有する半導体装置は、集積度の高い、高密度化された半導体装置とすることが可能となる。
トランジスタ１４００ａにおいて、ゲート電極として機能する領域は、絶縁膜１４０５などに形成された開口部を埋めるように自己整合（ｓｅｌｆ ａｌｉｇｎ）的に形成される。
図３２（Ｂ）に示すように、導電膜１４１１と導電膜１４２２は、絶縁膜を間に介して、互いに重なる領域を有する。同様に、導電膜１４１１と導電膜１４２３は、絶縁膜を間に介して、互いに重なる領域を有する。これらの領域は、ゲート電極と、ソース電極又はドレイン電極との間に生じた寄生容量として機能し、トランジスタ１４００ａの動作速度を低下させる原因になり得る。トランジスタ１４００ａは、絶縁膜１４０５を設けることで、上述の寄生容量を低下させることが可能になる。絶縁膜１４０５は、比誘電率の低い材料からなることが好ましい。
図３３（Ａ）は、トランジスタ１４００ａの中央部を拡大したものである。図３３（Ａ）において、導電膜１４１１の底面が、絶縁膜１４０６及び金属酸化物１４３３を介して、金属酸化物１４３２の上面と平行に面する領域の長さを、幅ＬＧとして示す。幅ＬＧは、ゲート電極の線幅を表す。また、図３３（Ａ）において、導電膜１４２１と導電膜１４２３の間の長さを、幅ＬＳＤとして示す。幅ＬＳＤは、ソース電極とドレイン電極との間の長さを表す。
幅ＬＳＤは最小加工寸法で決定されることが多い。図３３（Ａ）に示すように、幅ＬＧは、幅ＬＳＤよりも小さい。すなわち、トランジスタ１４００ａは、ゲート電極の線幅を、最小加工寸法より小さくすることが可能になる。具体的には、幅ＬＧは、５ｎｍ以上６０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下とすることが可能になる。
図３３（Ａ）において、導電膜１４２１及び導電膜１４２２の厚さの合計、又は、導電膜１４２３及び導電膜１４２４の厚さの合計を高さＨＳＤと表す。
絶縁膜１４０６の厚さを、高さＨＳＤ以下とすることで、ゲート電極からの電界がチャネル形成領域全体に印加することが可能になり好ましい。絶縁膜１４０６の厚さは、３０ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以下とする。
また、導電膜１４２２と導電膜１４１１の間に形成される寄生容量、及び、導電膜１４２４と導電膜１４１１の間に形成される寄生容量の値は、絶縁膜１４０５の厚さに反比例する。例えば、絶縁膜１４０５の厚さを、絶縁膜１４０６の厚さの３倍以上、好ましくは５倍以上とすることで、寄生容量は無視できるほど小さくなり、好ましい。その結果、トランジスタ１４００ａを高周波数で動作させることが可能になる。
以下、トランジスタ１４００ａの各構成要素について説明を行う。
＜＜金属酸化物層＞＞
まず、金属酸化物１４３１乃至金属酸化物１４３３に適用可能な金属酸化物について説明を行う。
トランジスタ１４００ａは、非導通状態においてソースとドレインとの間を流れる電流（オフ電流）が低いことが好適である。オフ電流が低いトランジスタとしては、チャネル形成領域に酸化物半導体を有するトランジスタが挙げられる。
金属酸化物１４３２は、例えば、インジウム（Ｉｎ）を含む酸化物半導体である。金属酸化物１４３２は、例えば、インジウムを含むと、キャリア移動度（電子移動度）が高くなる。また、金属酸化物１４３２は、元素Ｍを含むと好ましい。元素Ｍは、好ましくは、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、イットリウム（Ｙ）又はスズ（Ｓｎ）などとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、ネオジム（Ｎｄ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、マグネシウム（Ｍｇ）などがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。元素Ｍは、例えば、酸素との結合エネルギーが高い元素である。例えば、酸素との結合エネルギーがインジウムよりも高い元素である。又は、元素Ｍは、例えば、金属酸化物のエネルギーギャップを大きくする機能を有する元素である。また、金属酸化物１４３２は、亜鉛（Ｚｎ）を含むと好ましい。金属酸化物は、亜鉛を含むと結晶化しやすくなる場合がある。
ただし、金属酸化物１４３２は、インジウムを含む酸化物半導体に限定されない。金属酸化物１４３２は、例えば、亜鉛スズ酸化物、ガリウムスズ酸化物などの、インジウムを含まず、亜鉛を含む酸化物半導体、ガリウムを含む酸化物半導体、スズを含む酸化物半導体などであっても構わない。
金属酸化物１４３２は、例えば、エネルギーギャップが大きい酸化物半導体を用いる。金属酸化物１４３２のエネルギーギャップは、例えば、２．５ｅＶ以上４．２ｅＶ以下、好ましくは２．８ｅＶ以上３．８ｅＶ以下、さらに好ましくは３ｅＶ以上３．５ｅＶ以下とする。
金属酸化物１４３２は、後述するＣＡＡＣ−ＯＳ膜であることが好ましい。
例えば、金属酸化物１４３１及び金属酸化物１４３３は、金属酸化物１４３２を構成する酸素以外の元素一種以上、又は二種以上から構成される金属酸化物である。金属酸化物１４３２を構成する酸素以外の元素一種以上、又は二種以上から金属酸化物１４３１及び金属酸化物１４３３が構成されるため、金属酸化物１４３１と金属酸化物１４３２との界面、及び金属酸化物１４３２と金属酸化物１４３３との界面において、界面準位が形成されにくい。
なお、金属酸化物１４３１がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、Ｉｎ及びＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％より高く、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％より高いとする。金属酸化物１４３１をスパッタリング法で成膜する場合、上記の組成を満たすスパッタリングターゲットを用いることが好ましい。例えば、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４などが好ましい。
また、金属酸化物１４３２がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、Ｉｎ及びＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。金属酸化物１４３２をスパッタリング法で成膜する場合、上記の組成を満たすスパッタリングターゲットを用いることが好ましい。例えば、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：４．１が好ましい。特に、スパッタリングターゲットとして、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１を用いる場合、成膜される金属酸化物１４３２の原子数比は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３近傍となる場合がある。
また、金属酸化物１４３３がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、Ｉｎ及びＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％より高く、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％より高くする。例えば、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４などが好ましい。また、金属酸化物１４３３は、金属酸化物１４３１と同種の金属酸化物を用いても構わない。
また、金属酸化物１４３１又は金属酸化物１４３３がインジウムを含まなくても構わない場合がある。例えば、金属酸化物１４３１又は金属酸化物１４３３が酸化ガリウムであっても構わない。
次に、金属酸化物１４３１乃至金属酸化物１４３３の積層により構成される金属酸化物１４３０の機能及びその効果について、図３３（Ｂ）に示すエネルギーバンド構造図を用いて説明する。図３３（Ｂ）は、図３３（Ａ）にＹ１−Ｙ２の鎖線で示した部位のエネルギーバンド構造を示している。また、図３３（Ｂ）は、トランジスタ１４００ａのチャネル形成領域とその近傍のエネルギーバンド構造を示している。
図３３（Ｂ）中、Ｅｃ１４０４、Ｅｃ１４３１、Ｅｃ１４３２、Ｅｃ１４３３、Ｅｃ１４０６は、それぞれ、絶縁膜１４０４、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２、金属酸化物１４３３、絶縁膜１４０６の伝導帯下端のエネルギーを示している。
ここで、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差（「電子親和力」ともいう。）は、真空準位と価電子帯上端のエネルギーとの差（イオン化ポテンシャルともいう。）からエネルギーギャップを引いた値となる。なお、エネルギーギャップは、分光エリプソメータを用いて測定できる。また、真空準位と価電子帯上端のエネルギー差は、紫外線光電子分光分析（ＵＰＳ：Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）装置を用いて測定できる。
絶縁膜１４０４と絶縁膜１４０６は絶縁体であるため、Ｅｃ１４０６とＥｃ１４０４は、Ｅｃ１４３１、Ｅｃ１４３２、及びＥｃ１４３３よりも真空準位に近い（電子親和力が小さい）。
金属酸化物１４３２は、金属酸化物１４３１及び金属酸化物１４３３よりも電子親和力の大きい金属酸化物を用いる。例えば、金属酸化物１４３２として、金属酸化物１４３１及び金属酸化物１４３３よりも電子親和力の０．０７ｅＶ以上１．３ｅＶ以下、好ましくは０．１ｅＶ以上０．７ｅＶ以下、さらに好ましくは０．１５ｅＶ以上０．４ｅＶ以下大きい金属酸化物を用いる。
なお、インジウムガリウム酸化物は、小さい電子親和力と、高い酸素ブロック性を有する。そのため、金属酸化物１４３３がインジウムガリウム酸化物を含むと好ましい。ガリウム原子割合［Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）］は、例えば、７０％以上、好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上とする。
このとき、ゲート電圧を印加すると、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２、金属酸化物１４３３のうち、電子親和力の大きい金属酸化物１４３２にチャネルが形成される。
このとき、電子は、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３３の中ではなく、金属酸化物１４３２の中を主として移動する。そのため、金属酸化物１４３１と絶縁膜１４０４との界面、あるいは、金属酸化物１４３３と絶縁膜１４０６との界面に、電子の流れを阻害する界面準位が多く存在したとしても、トランジスタのオン電流にはほとんど影響を与えない。金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３３は、絶縁膜のように機能する。
金属酸化物１４３１と金属酸化物１４３２との間には、金属酸化物１４３１と金属酸化物１４３２との混合領域を有する場合がある。また、金属酸化物１４３２と金属酸化物１４３３との間には、金属酸化物１４３２と金属酸化物１４３３との混合領域を有する場合がある。混合領域は、界面準位密度が低くなる。そのため、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２及び金属酸化物１４３３の積層体は、それぞれの界面近傍において、エネルギーが連続的に変化する（連続接合ともいう。）バンド構造となる。
金属酸化物１４３１と金属酸化物１４３２の界面、あるいは、金属酸化物１４３２と金属酸化物１４３３との界面は、上述したように界面準位密度が小さいため、金属酸化物１４３２中で電子の移動が阻害されることが少なく、トランジスタのオン電流を高くすることが可能になる。
例えば、トランジスタ中の電子の移動は、チャネル形成領域の物理的な凹凸が大きい場合に阻害される。トランジスタのオン電流を高くするためには、例えば、金属酸化物１４３２の上面又は下面（被形成面、ここでは金属酸化物１４３１の上面）の、１μｍ×１μｍの範囲における二乗平均平方根（ＲＭＳ：Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）粗さが１ｎｍ未満、好ましくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における平均面粗さ（Ｒａともいう。）が１ｎｍ未満、好ましくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における最大高低差（Ｐ−Ｖともいう。）が１０ｎｍ未満、好ましくは９ｎｍ未満、さらに好ましくは８ｎｍ未満、より好ましくは７ｎｍ未満とすればよい。ＲＭＳ粗さ、Ｒａ及びＰ−Ｖは、エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製走査型プローブ顕微鏡システムＳＰＡ−５００などを用いて測定することができる。
チャネルの形成される領域中の欠陥準位密度が高い場合にも、電子の移動は阻害される。例えば、金属酸化物１４３２が酸素欠損（ＶＯとも表記する。）を有する場合、酸素欠損のサイトに水素が入り込むことでドナー準位を形成することがある。以下では酸素欠損のサイトに水素が入り込んだ状態をＶＯＨと表記する場合がある。ＶＯＨは電子を散乱するため、トランジスタのオン電流を低下させる要因となる。なお、酸素欠損のサイトは、水素が入るよりも酸素が入る方が安定する。したがって、金属酸化物１４３２中の酸素欠損を低減することで、トランジスタのオン電流を高くすることができる場合がある。
例えば、金属酸化物１４３２のある深さにおいて、又は、金属酸化物１４３２のある領域において、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ
Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）で測定される水素濃度は、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ ３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。
金属酸化物１４３２の酸素欠損を低減するために、例えば、絶縁膜１４０４に含まれる過剰酸素を、金属酸化物１４３１を介して金属酸化物１４３２まで移動させる方法などがある。この場合、金属酸化物１４３１は、酸素透過性を有する層（酸素を通過又は透過させる層）であることが好ましい。
なお、トランジスタがｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有する場合、金属酸化物１４３２の全体にチャネルが形成される。したがって、金属酸化物１４３２が厚いほどチャネル領域は大きくなる。即ち、金属酸化物１４３２が厚いほど、トランジスタのオン電流を高くすることができる。
また、トランジスタのオン電流を高くするためには、金属酸化物１４３３は薄いほど好ましい。金属酸化物１４３３は、例えば、１０ｎｍ未満、好ましくは５ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以下の領域を有していればよい。一方、金属酸化物１４３３は、チャネルの形成される金属酸化物１４３２へ、隣接する絶縁体を構成する酸素以外の元素（水素、シリコンなど）が入り込まないようブロックする機能を有する。そのため、金属酸化物１４３３は、ある程度の厚さを有することが好ましい。金属酸化物１４３３は、例えば、０．３ｎｍ以上、好ましくは１ｎｍ以上、さらに好ましくは２ｎｍ以上の厚さの領域を有していればよい。また、金属酸化物１４３３は、絶縁膜１４０４などから放出される酸素の外方拡散を抑制するために、酸素をブロックする性質を有すると好ましい。
また、信頼性を高くするためには、金属酸化物１４３１は厚く、金属酸化物１４３３は薄いことが好ましい。金属酸化物１４３１は、例えば、１０ｎｍ以上、好ましくは２０ｎｍ以上、さらに好ましくは４０ｎｍ以上、より好ましくは６０ｎｍ以上の厚さの領域を有していればよい。金属酸化物１４３１の厚さを、厚くすることで、隣接する絶縁体と金属酸化物１４３１との界面からチャネルの形成される金属酸化物１４３２までの距離を離すことができる。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、金属酸化物１４３１は、例えば、２００ｎｍ以下、好ましくは１２０ｎｍ以下、さらに好ましくは８０ｎｍ以下の厚さの領域を有していればよい。
例えば、金属酸化物１４３２と金属酸化物１４３１との間に、例えば、ＳＩＭＳ分析において、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満のシリコン濃度となる領域を有する。また、金属酸化物１４３２と金属酸化物１４３３との間に、ＳＩＭＳにおいて、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１×１０１ ９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５×１０ １８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満のシリコン濃度となる領域を有する。
また、金属酸化物１４３２の水素濃度を低減するために、金属酸化物１４３１及び金属酸化物１４３３の水素濃度を低減すると好ましい。金属酸化物１４３１及び金属酸化物１４３３は、ＳＩＭＳにおいて、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１×１０ １９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の水素濃度となる領域を有する。また、金属酸化物１４３２の窒素濃度を低減するために、金属酸化物１４３１及び金属酸化物１４３３の窒素濃度を低減すると好ましい。金属酸化物１４３１及び金属酸化物１４３３は、ＳＩＭＳにおいて、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の窒素濃度となる領域を有する。
金属酸化物１４３１乃至金属酸化物１４３３の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ
Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法又はＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて行えばよい。
金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２を形成した後に、第１の加熱処理を行うと好ましい。第１の加熱処理は、２５０℃以上かつ６５０℃以下、好ましくは４５０℃以上かつ６００℃以下、さらに好ましくは５２０℃以上かつ５７０℃以下で行えばよい。第１の加熱処理は、不活性ガス雰囲気、又は酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。第１の加熱処理は減圧状態で行ってもよい。又は、第１の加熱処理は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上又は１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。第１の加熱処理によって、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２の結晶性を高めることや、水素や水などの不純物を除去することが可能になる。
上述の３層構造は一例である。例えば、金属酸化物１４３１又は金属酸化物１４３３のない２層構造としても構わない。また、例えば、金属酸化物１４３１の上もしくは下、又は金属酸化物１４３３上もしくは下に、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２及び金属酸化物１４３３として例示した半導体のいずれか一を有する４層構造としても構わない。又は、金属酸化物１４３１の上、金属酸化物１４３１の下、金属酸化物１４３３の上、金属酸化物１４３３の下のいずれか二箇所以上に、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２及び金属酸化物１４３３として例示した半導体のいずれか一を有するｎ層構造（ｎは５以上の整数）としても構わない。
＜＜基板＞＞
基板１４５０としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板又は導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、又は炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。又は、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体又は半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体又は絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体又は絶縁体が設けられた基板などがある。又は、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
また、基板１４５０として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可とう性基板である基板１４５０に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。なお、基板１４５０として、繊維を編みこんだシート、フィルム又は箔などを用いてもよい。また、基板１４５０が伸縮性を有してもよい。また、基板１４５０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。又は、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板１４５０の厚さは、例えば、５μｍ以上かつ７００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上かつ５００μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上かつ３００μｍ以下とする。基板１４５０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１４５０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１４５０上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。
可とう性基板である基板１４５０としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、又はそれらの繊維などを用いることができる。可とう性基板である基板１４５０は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可とう性基板である基板１４５０としては、例えば、線膨張率が１×１０−３／Ｋ以下、５×１０−５／Ｋ以下、又は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、可とう性基板である基板１４５０として好適である。
＜＜下地絶縁膜＞＞
絶縁膜１４０１は、基板１４５０と導電膜１４１４を電気的に分離させる機能を有する。
絶縁膜１４０１又は絶縁膜１４０２は、単層構造又は積層構造の絶縁膜で形成される。絶縁膜を構成する材料には、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、酸化タンタルなどがある。
また、絶縁膜１４０２として、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ−Ｅｔｈｙｌ−Ｏｒｔｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ）若しくはシラン等と、酸素若しくは亜酸化窒素等とを反応させて形成した段差被覆性の良い酸化シリコンを用いてもよい。
また、絶縁膜１４０２を成膜した後、その上面の平坦性を高めるためにＣＭＰ法等を用いた平坦化処理を行ってもよい。
絶縁膜１４０４は、酸化物を含むことが好ましい。特に加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を含むことが好ましい。好適には、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物を用いることが好ましい。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物膜は、加熱により一部の酸素が脱離する。絶縁膜１４０４から脱離した酸素は金属酸化物１４３０に供給され、金属酸化物１４３０の酸素欠損を低減することが可能となる。その結果、トランジスタの電気特性の変動を抑制し、信頼性を高めることができる。
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物膜は、例えば、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物膜である。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、又は１００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。
絶縁膜１４０４は、金属酸化物１４３０に酸素を供給することができる酸化物を含むことが好ましい。例えば、酸化シリコン又は酸化窒化シリコンを含む材料を用いることが好ましい。
又は、絶縁膜１４０４として、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等の金属酸化物を用いてもよい。
絶縁膜１４０４に酸素を過剰に含有させるためには、例えば酸素雰囲気下にて絶縁膜１４０４の成膜を行えばよい。又は、成膜後の絶縁膜１４０４に酸素を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成してもよく、双方の手段を組み合わせてもよい。
例えば、成膜後の絶縁膜１４０４に、酸素（少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む）を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理などを用いることができる。
酸素導入処理には、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、例えば酸素、亜酸化窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる。また、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよい。又は、水素等を含ませてもよい。例えば、二酸化炭素、水素及びアルゴンの混合ガスを用いるとよい。
また、絶縁膜１４０４を成膜した後、その上面の平坦性を高めるためにＣＭＰ法等を用いた平坦化処理を行ってもよい。
絶縁膜１４０３は、絶縁膜１４０４に含まれる酸素が、導電膜１４１４に含まれる金属と結びつき、絶縁膜１４０４に含まれる酸素が減少することを防ぐパッシベーション機能を有する。
絶縁膜１４０３は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキングできる機能を有する。絶縁膜１４０３を設けることで、金属酸化物１４３０からの酸素の外部への拡散と、外部から金属酸化物１４３０への水素、水等の入り込みを防ぐことができる。
絶縁膜１４０３としては、例えば、窒化物絶縁膜を用いることができる。該窒化物絶縁膜としては、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等がある。なお、窒化物絶縁膜の代わりに、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜を設けてもよい。酸化物絶縁膜としては、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等がある。
トランジスタ１４００ａは、電荷捕獲層に電子を注入することで、しきい値電圧を制御することが可能になる。電荷捕獲層は、絶縁膜１４０２又は絶縁膜１４０３に設けることが好ましい。例えば、絶縁膜１４０３を酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタル、アルミニウムシリケート等で形成することで、電荷捕獲層として機能させることができる。
＜＜ゲート電極＞＞
導電膜１４１１乃至導電膜１４１４して、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、合金、又はこれらを主成分とする化合物を含む導電膜の単層又は積層とすることが好ましい。特に、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。
＜＜ソース電極、ドレイン電極＞＞
導電膜１４２１乃至導電膜１４２４として、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、合金、又はこれらを主成分とする化合物を含む導電膜の単層又は積層とすることが好ましい。特に、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、導電膜１４２１乃至導電膜１４２４には、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、ストロンチウムルテナイトなど、貴金属を含む導電性酸化物を用いることが好ましい。これらの導電性酸化物は、酸化物半導体と接しても酸化物半導体から酸素を奪うことが少なく、酸化物半導体の酸素欠損を作りにくい。
＜＜低抵抗領域＞＞
領域１４４１、領域１４４２は、例えば、導電膜１４２１、導電膜１４２３が、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２の酸素を引き抜くことで形成される。酸素の引き抜きは、高い温度で加熱するほど起こりやすい。トランジスタの作製工程には、いくつかの加熱工程があることから、領域１４４１、領域１４４２には酸素欠損が形成される。また、加熱により該酸素欠損のサイトに水素が入りこみ、領域１４４１、領域１４４２に含まれるキャリア濃度が増加する。その結果、領域１４４１、領域１４４２が低抵抗化する。
＜＜ゲート絶縁膜＞＞
絶縁膜１４０６は、比誘電率の高い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁膜１４０６は、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、アルミニウム及びハフニウムを有する酸化物、アルミニウム及びハフニウムを有する酸化窒化物、シリコン及びハフニウムを有する酸化物、又はシリコン及びハフニウムを有する酸化窒化物などを有することが好ましい。
また、絶縁膜１４０６は、酸化シリコン又は酸化窒化シリコンと、比誘電率の高い絶縁体と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコン及び酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、比誘電率の高い絶縁体と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。例えば、酸化アルミニウム、酸化ガリウム又は酸化ハフニウムを金属酸化物１４３３側に有することで、酸化シリコン又は酸化窒化シリコンに含まれるシリコンが、金属酸化物１４３２に混入することを抑制することができる。
また、例えば、酸化シリコン又は酸化窒化シリコンを金属酸化物１４３３側に有することで、酸化アルミニウム、酸化ガリウム又は酸化ハフニウムと、酸化シリコン又は酸化窒化シリコンと、の界面にトラップセンターが形成される場合がある。該トラップセンターは、電子を捕獲することでトランジスタのしきい値電圧をプラス方向に変動させることができる場合がある。
＜＜層間絶縁膜、保護絶縁膜＞＞
絶縁膜１４０５は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁膜１４０５は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン又は樹脂などを有することが好ましい。又は、絶縁膜１４０５は、酸化シリコン又は酸化窒化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコン及び酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。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、ポリカーボネート又はアクリルなどがある。
絶縁膜１４０７は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキングできる機能を有する。絶縁膜１４０７を設けることで、金属酸化物１４３０からの酸素の外部への拡散と、外部から金属酸化物１４３０への水素、水等の入り込みを防ぐことができる。
絶縁膜１４０７としては、例えば、窒化物絶縁膜を用いることができる。該窒化物絶縁膜としては、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等がある。なお、窒化物絶縁膜の代わりに、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜を設けてもよい。酸化物絶縁膜としては、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等がある。
酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高いので絶縁膜１４０７に適用するのに好ましい。
絶縁膜１４０７は、スパッタリング法、ＣＶＤ法など酸素を含むプラズマを用いて成膜することで、絶縁膜１４０５、絶縁膜１４０６の側面及び表面に、酸素を添加することが可能になる。また、絶縁膜１４０７を成膜した後、何れかのタイミングにおいて、第２の加熱処理を行うことが好ましい。第２の加熱処理によって、絶縁膜１４０５、絶縁膜１４０６に添加された酸素が、絶縁膜中を拡散し、金属酸化物１４３０に到達し、金属酸化物１４３０の酸素欠損を低減することが可能になる。
図３４（Ａ）、図３４（Ｂ）は、絶縁膜１４０７を成膜する際に絶縁膜１４０５、絶縁膜１４０６に添加された酸素が、第２の加熱処理によって絶縁膜中を拡散し、金属酸化物１４３０に到達する様子を描いた模式図である。図３４（Ａ）は、図３２（Ｂ）の断面図において、酸素が拡散する様子を矢印で示している。同様に、図３４（Ｂ）は、図３２（Ｃ）の断面図において、酸素が拡散する様子を矢印で示している。
図３４（Ａ）、図３４（Ｂ）に示すように、絶縁膜１４０６の側面に添加された酸素が、絶縁膜１４０６の内部を拡散し、金属酸化物１４３０に到達する。また、絶縁膜１４０７と絶縁膜１４０５の界面近傍に、酸素を過剰に含む領域１４６１、領域１４６２及び領域１４６３が形成される場合がある。領域１４６１乃至１４６３に含まれる酸素は、絶縁膜１４０５、絶縁膜１４０４を経由し、金属酸化物１４３０に到達する。絶縁膜１４０５が酸化シリコンを含み、絶縁膜１４０７が酸化アルミニウムを含む場合、領域１４６１乃至１４６３は、シリコンとアルミニウムと酸素の混合層が形成される場合がある。
絶縁膜１４０７は、酸素をブロックする機能を有し、酸素が絶縁膜１４０７より上方に拡散することを防ぐ。同様に、絶縁膜１４０３は、酸素をブロックする機能を有し、酸素が絶縁膜１４０３より下方に拡散することを防ぐ。
なお、第２の加熱処理は、絶縁膜１４０５、絶縁膜１４０６に添加された酸素が金属酸化物１４３０まで拡散する温度で行えばよい。例えば、第１の加熱処理についての記載を参照しても構わない。又は、第２の加熱処理は、第１の加熱処理よりも低い温度が好ましい。第１の加熱処理と第２の加熱処理の温度差は、２０℃以上１５０℃以下、好ましくは４０℃以上１００℃以下とする。これにより、絶縁膜１４０４から余分に酸素が放出することを抑えることができる。なお、第２の加熱処理は、同等の加熱処理を各層の成膜時の加熱によって兼ねることができる場合、行わなくてもよい場合がある。
このように、金属酸化物１４３０は、絶縁膜１４０７の成膜及び第２の加熱処理によって、上下方向から酸素が供給されることが可能になる。
また、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物など、酸化インジウムを含む膜を絶縁膜１４０７として成膜することで、絶縁膜１４０５、絶縁膜１４０６に酸素を添加してもよい。
絶縁膜１４０８には、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、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、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上含む絶縁体を用いることができる。また、絶縁膜１４０８には、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、シロキサン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の樹脂を用いることもできる。また、絶縁膜１４０８は上記材料の積層であってもよい。
＜トランジスタの構成例２＞
図３２に示すトランジスタ１４００ａは、導電膜１４１４及び絶縁膜１４０２、絶縁膜１４０３を省略してもよい。その場合の例を図３５に示す。
図３５（Ａ）乃至図３５（Ｃ）は、トランジスタ１４００ｂの上面図及び断面図である。図３５（Ａ）は上面図である。図３５（Ｂ）は、図３５（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図であり、図３５（Ｃ）は、図３５（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図３５（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。なお、一点鎖線Ａ１−Ａ２をトランジスタ１４００ｂのチャネル長方向、一点鎖線Ａ３−Ａ４をトランジスタ１４００ｂのチャネル幅方向と呼ぶ場合がある。
＜トランジスタの構成例３＞
図３２に示すトランジスタ１４００ａにおいて、導電膜１４２１、導電膜１４２３は、ゲート電極（導電膜１４１１乃至導電膜１４１３）と重なる部分の膜厚を薄くしてもよい。その場合の例を図３６に示す。
図３６（Ａ）乃至図３６（Ｃ）は、トランジスタ１４００ｃの上面図及び断面図である。図３６（Ａ）は上面図である。図３６（Ｂ）は、図３６（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図であり、図３６（Ｃ）は、図３６（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図３６（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。なお、一点鎖線Ａ１−Ａ２をトランジスタ１４００ｃのチャネル長方向、一点鎖線Ａ３−Ａ４をトランジスタ１４００ｃのチャネル幅方向と呼ぶ場合がある。
図３６（Ｂ）のトランジスタ１４００ｃにおいて、ゲート電極と重なる部分の導電膜１４２１が薄膜化され、その上を導電膜１４２２が覆っている。同様に、ゲート電極と重なる部分の導電膜１４２３が薄膜化され、その上を導電膜１４２４が覆っている。
トランジスタ１４００ｃは、図３６（Ｂ）に示すような構成にすることで、ゲート電極とソース電極との間の距離、又は、ゲート電極とドレイン電極との間の距離を長くすることが可能になり、ゲート電極とソース電極及びドレイン電極との間に形成される寄生容量を低減することが可能になる。その結果、高速動作が可能なトランジスタを得ることが可能になる。
＜トランジスタの構成例４＞
図３６に示すトランジスタ１４００ｃにおいて、Ａ３−Ａ４方向に、金属酸化物１４３１、１４３２の幅を広げてもよい。その場合の例を図３７に示す。
図３７（Ａ）乃至図３７（Ｃ）は、トランジスタ１４００ｄの上面図及び断面図である。図３７（Ａ）は上面図である。図３７（Ｂ）は、図３７（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図であり、図３７（Ｃ）は、図３７（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図３７（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。なお、一点鎖線Ａ１−Ａ２をトランジスタ１４００ｄのチャネル長方向、一点鎖線Ａ３−Ａ４をトランジスタ１４００ｄのチャネル幅方向と呼ぶ場合がある。
トランジスタ１４００ｄは、図３７に示す構成にすることで、オン電流を増大させることが可能になる。
＜トランジスタの構成例５＞
図３６に示すトランジスタ１４００ｃにおいて、Ａ３−Ａ４方向に、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２から成る領域（以下、フィンと呼ぶ）を複数設けてもよい。その場合の例を図３８に示す。
図３８（Ａ）乃至図３８（Ｃ）は、トランジスタ１４００ｅの上面図及び断面図てある。図３８（Ａ）は上面図である。図３８（Ｂ）は、図３８（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図であり、図３８（Ｃ）は、図３８（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図３８（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。なお、一点鎖線Ａ１−Ａ２をトランジスタ１４００ｅのチャネル長方向、一点鎖線Ａ３−Ａ４をトランジスタ１４００ｅのチャネル幅方向と呼ぶ場合がある。
トランジスタ１４００ｅは、金属酸化物１４３１ａ、金属酸化物１４３２ａから成る第１のフィンと、金属酸化物１４３１ｂ、金属酸化物１４３２ｂから成る第２のフィンと、金属酸化物１４３１ｃ、金属酸化物１４３２ｃから成る第３のフィンと、を有している。
トランジスタ１４００ｅは、チャネルが形成される金属酸化物１４３２ａ乃至金属酸化物１４３２ｃを、ゲート電極が取り囲むことで、チャネル全体にゲート電界を印加することが可能になり、オン電流が高いトランジスタを得ることが可能になる。
＜トランジスタの構成例６＞
図３９（Ａ）及び図３９（Ｂ）は、トランジスタ１６８０の上面図及び断面図である。図３９（Ａ）は上面図であり、図３９（Ａ）に示す一点鎖線Ａ−Ｂ方向の断面が図３９（Ｂ）に相当する。なお、図３９（Ａ）及び図３９（Ｂ）では、図の明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、又は省略して図示している。また、一点鎖線Ａ−Ｂ方向をチャネル長方向と呼称する場合がある。
図３９（Ｂ）に示すトランジスタ１６８０は、第１のゲートとして機能する導電膜１６８９と、第２のゲートとして機能する導電膜１６８８と、半導体１６８２と、ソース及びドレインとして機能する導電膜１６８３及び導電膜１６８４と、絶縁膜１６８１と、絶縁膜１６８５と、絶縁膜１６８６と、絶縁膜１６８７と、を有する。
導電膜１６８９は、絶縁表面上に設けられる。導電膜１６８９と、半導体１６８２とは、絶縁膜１６８１を間に挟んで、互いに重なる。また、導電膜１６８８と、半導体１６８２とは、絶縁膜１６８５、絶縁膜１６８６及び絶縁膜１６８７を間に挟んで、互いに重なる。また、導電膜１６８３及び導電膜１６８４は、半導体１６８２に、接続されている。
導電膜１６８９及び導電膜１６８８の詳細は、図３２に示す導電膜１４１１乃至導電膜１４１４の記載を参照すればよい。
導電膜１６８９と導電膜１６８８は、異なる電位が与えられてもよいし、同時に同じ電位が与えられてもよい。トランジスタ１６８０は、第２のゲート電極として機能する導電膜１６８８を設けることで、しきい値電圧を安定化させることが可能になる。なお、導電膜１６８８は、場合によっては省略してもよい。
半導体１６８２の詳細は、図３２に示す金属酸化物１４３２の記載を参照すればよい。また、半導体１６８２は、一層でもよいし、複数の半導体層の積層でもよい。
導電膜１６８３及び導電膜１６８４の詳細は、図３２に示す導電膜１４２１乃至１４２４の記載を参照すればよい。
絶縁膜１６８１の詳細は、図３２に示す絶縁膜１４０６の記載を参照すればよい。
なお、図３９（Ｂ）では、半導体１６８２、導電膜１６８３及び導電膜１６８４上に、順に積層された絶縁膜１６８５乃至絶縁膜１６８７が設けられている場合を例示しているが、半導体１６８２、導電膜１６８３及び導電膜１６８４上に設けられる絶縁膜は、一層でもよいし、複数の絶縁膜の積層でもよい。
半導体１６８２に酸化物半導体を用いた場合、絶縁膜１６８６は、化学量論的組成以上の酸素が含まれており、加熱により上記酸素の一部を半導体１６８２に供給する機能を有する絶縁膜であることが望ましい。ただし、絶縁膜１６８６を半導体１６８２上に直接設けると、絶縁膜１６８６の形成時に半導体１６８２にダメージが与えられる場合、図３９（Ｂ）に示すように、絶縁膜１６８５を半導体１６８２と絶縁膜１６８６の間に設けるとよい。絶縁膜１６８５は、その形成時に半導体１６８２に与えるダメージが絶縁膜１６８６の場合よりも小さく、なおかつ、酸素を透過する機能を有する絶縁膜であることが望ましい。ただし、半導体１６８２に与えられるダメージを小さく抑えつつ、半導体１６８２上に絶縁膜１６８６を直接形成することができるのであれば、絶縁膜１６８５を設けない構成であってもよい。
例えば、絶縁膜１６８５及び絶縁膜１６８６として、酸化シリコン又は酸化窒化シリコンを含む材料を用いることが好ましい。又は、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等の金属酸化物を用いることもできる。
絶縁膜１６８７は、酸素、水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を有することが、望ましい。或いは、絶縁膜１６８７は、水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を有することが、望ましい。
絶縁膜は、密度が高くて緻密である程、また未結合手が少なく化学的に安定である程、より高いブロッキング効果を示す。酸素、水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を示す絶縁膜は、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等を用いて、形成することができる。水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を示す絶縁膜は、例えば、窒化シリコン、窒化酸化シリコン等を用いることができる。
絶縁膜１６８７が水、水素などの拡散を防ぐブロッキング効果を有する場合、パネル内の樹脂や、パネルの外部に存在する水、水素などの不純物が、半導体１６８２に侵入するのを防ぐことができる。半導体１６８２に酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体に侵入した水又は水素の一部は電子供与体（ドナー）となるため、上記ブロッキング効果を有する絶縁膜１６８７を用いることで、トランジスタ１６８０の閾値電圧がドナーの生成によりシフトするのを防ぐことができる。
また、半導体１６８２に酸化物半導体を用いる場合、絶縁膜１６８７が酸素の拡散を防ぐブロッキング効果を有することで、酸化物半導体からの酸素が外部に拡散するのを防ぐことができる。よって、酸化物半導体中において、ドナーとなる酸素欠損が低減されるので、トランジスタ１６８０の閾値電圧がドナーの生成によりシフトするのを防ぐことができる。
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、上記実施の形態に示すメモリセル１２０１、メモリセル１２０３乃至メモリセル１２０８（以下、まとめてメモリセル１２００［ｉ，ｊ］と呼称する）に適用可能なデバイスの構成例について、図４０乃至図４３を用いて説明を行う。
＜チップ構成例１＞
図４０（Ａ）、図４０（Ｂ）に示す断面図はメモリセル１２００［ｉ，ｊ］が１つのチップに形成された例を示している。図４０（Ａ）は、メモリセル１２００［ｉ，ｊ］を構成するトランジスタのチャネル長方向の断面図を表している。また、図４０（Ａ）は、メモリセル１２００［ｉ，ｊ］を構成するトランジスタのチャネル幅方向の断面図を表している。
図４０（Ａ）、図４０（Ｂ）に示すメモリセル１２００［ｉ，ｊ］は、下から順に、層Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８、Ｌ９、Ｌ１０、Ｌ１１、Ｌ１２を有している。
層Ｌ１は、基板１７００と、基板１７００に形成されたトランジスタＴｒ０と、素子分離層１７０１と、導電体１７１０、導電体１７１１などの複数の導電体を有する。
層Ｌ２は、配線１７３０、配線１７３１などの複数の配線を有する。
層Ｌ３は、導電体１７１２、導電体１７１３などの複数の導電体と、複数の配線（図示せず）を有する。
層Ｌ４は、絶縁体１７０６と、トランジスタＴｒ１と、絶縁体１７０２と、絶縁体１７０３と、導電体１７１４、導電体１７１５などの複数の導電体を有する。
層Ｌ５は、配線１７３２、配線１７３３などの複数の配線を有する。
層Ｌ６は、導電体１７１６などの複数の導電体を有する。
層Ｌ７は、トランジスタＴｒ２と、絶縁体１７０４、絶縁体１７０５と、導電体１７１７などの複数の導電体を有する。
層Ｌ８は、配線１７３４、配線１７３５などの複数の配線を有する。
層Ｌ９は、導電体１７１８などの複数の導電体と、複数の配線（図示せず）を有する。
層Ｌ１０は、配線１７３６などの複数の配線を有する。
層Ｌ１１は、容量素子Ｃ１と、導電体１７１９などの複数の導量体とを有している。また、容量素子Ｃ１は、第１の電極１７５１と、第２の電極１７５２と、絶縁体１７５３と、を有している。
層Ｌ１２は、配線１７３７などの複数の配線を有している。
トランジスタＴｒ１、トランジスタＴｒ２は、実施の形態９に示したＯＳトランジスタを適用することが好ましい。図４０（Ａ）、図４０（Ｂ）は、トランジスタＴｒ１、トランジスタＴｒ２に、図３６（Ａ）及び図３６（Ｂ）に示すトランジスタ１４００ｃを適用した例を示している。
トランジスタＴｒ０は、トランジスタＴｒ１、トランジスタＴｒ２とは異なる半導体材料で形成されることが好ましい。図４０（Ａ）、図４０（Ｂ）では、トランジスタＴｒ０にＳｉトランジスタを適用した例を示している。
基板１７００としては、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や、ＳＯＩ基板などを用いることができる。
また、基板１７００として、例えば、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板、金属基板、可撓性基板、貼り合わせフィルム、繊維状の材料を含む紙、又は基材フィルム、などを用いてもよい。また、ある基板を用いて半導体素子を形成し、その後、別の基板に半導体素子を転置してもよい。図４０（Ａ）、図４０（Ｂ）では、一例として、基板１７００に単結晶シリコンウェハを用いた例を示している。
図４２（Ａ）、図４２（Ｂ）を用いて、トランジスタＴｒ０の詳細について説明を行う。図４２（Ａ）はトランジスタＴｒ０のチャネル長方向の断面図を示し、図４２（Ｂ）はトランジスタＴｒ０のチャネル幅方向の断面図を示している。トランジスタＴｒ０は、ウェル１７９２に設けられたチャネル形成領域１７９３と、低濃度不純物領域１７９４及び高濃度不純物領域１７９５（これらを合わせて単に不純物領域とも呼ぶ）と、該不純物領域に接して設けられた導電性領域１７９６と、チャネル形成領域１７９３上に設けられたゲート絶縁膜１７９７と、ゲート絶縁膜１７９７上に設けられたゲート電極１７９０と、ゲート電極１７９０の側面に設けられた側壁絶縁層１７９８、側壁絶縁層１７９９とを有する。なお、導電性領域１７９６には、金属シリサイド等を用いてもよい。
図４２（Ｂ）において、トランジスタＴｒ０はチャネル形成領域１７９３が凸形状を有し、その側面及び上面に沿ってゲート絶縁膜１７９７及びゲート電極１７９０が設けられている。このような形状を有するトランジスタをＦＩＮ型トランジスタと呼ぶ。本実施の形態では、半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、ＳＯＩ基板を加工して凸形状を有する半導体層を形成してもよい。
なお、トランジスタＴｒ０は、ＦＩＮ型トランジスタに限定されず、図４３（Ａ）、図４３（Ｂ）に示すプレーナー型トランジスタを用いてもよい。図４３（Ａ）は、トランジスタＴｒ０のチャネル長方向の断面図を示し、図４３（Ｂ）はトランジスタＴｒ０のチャネル幅方向の断面図を示している。図４３に示す符号は、図４２に示す符号と同一である。
図４０（Ａ）、図４０（Ｂ）において、絶縁体１７０２乃至絶縁体１７０６は、水素、水等に対するブロッキング効果を有することが好ましい。水、水素等は酸化物半導体中にキャリアを生成する要因の一つであるので、水素、水等に対するブロッキング層を設けることにより、トランジスタＴｒ１及びトランジスタＴｒ２の信頼性を向上させることが可能になる。水素、水等に対するブロッキング効果を有する絶縁物には、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）等がある。
配線１７３０乃至配線１７３７、及び、導電体１７１０乃至導電体１７１９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）の低抵抗材料からなる単体、もしくは合金、又はこれらを主成分とする化合物を含む導電膜の単層又は積層とすることが好ましい。特に、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。
図４０において、符号及びハッチングパターンが与えられていない領域は、絶縁体で構成されている。上記絶縁体には、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、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、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上の材料を含む絶縁体を用いることができる。また、当該領域には、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、シロキサン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の有機樹脂を用いることもできる。なお、本明細書において、酸化窒化物とは、窒素よりも酸素の含有量が多い化合物をいい、窒化酸化物とは、酸素よりも窒素の含有量が多い化合物をいう。
実施の形態５及び実施の形態７に示すトランジスタＭｏｓ１乃至トランジスタＭｏｓ６にＯＳトランジスタを適用した場合、トランジスタＭｏｓ１乃至トランジスタＭｏｓ６は、層Ｌ４又は層Ｌ７に形成されることが好ましい。
実施の形態５及び実施の形態７に示すトランジスタＭ１０１、トランジスタＭ１０２、トランジスタＭ１０４乃至トランジスタＭ１０８にＳｉトランジスタを適用した場合、トランジスタＭ１０１、トランジスタＭ１０２、トランジスタＭ１０４乃至トランジスタＭ１０８は層Ｌ１に形成されることが好ましい。
実施の形態５及び実施の形態７に示すトランジスタＭ１０１、トランジスタＭ１０２、トランジスタＭ１０４乃至トランジスタＭ１０８にＯＳトランジスタを適用した場合、トランジスタＭ１０１、トランジスタＭ１０２、トランジスタＭ１０４乃至トランジスタＭ１０８は層Ｌ４又は層Ｌ７に形成されることが好ましい。
実施の形態５及び実施の形態７に示す容量素子Ｃ１０１乃至容量素子Ｃ１０５は、層Ｌ１１に形成されることが好ましい。
メモリセル１２００［ｉ，ｊ］の周辺に形成される駆動回路をＯＳトランジスタで形成する場合、該ＯＳトランジスタは層Ｌ４又は層Ｌ７に形成してもよい。
メモリセル１２００［ｉ，ｊ］の周辺に形成される駆動回路をＳｉトランジスタで形成する場合、該Ｓｉトランジスタは層Ｌ１に形成してもよい。
メモリセル１２００［ｉ，ｊ］は、図４０に示す構成にすることで、占有面積を小さくし、メモリセルを高集積化することが可能になる。
なお、実施の形態５に示すメモリセル１２０１、実施の形態７に示すメモリセル１２０３乃至メモリセル１２０６を図４０（Ａ）、図４０（Ｂ）の構造として適用する場合、図４０（Ａ）、図４０（Ｂ）に図示しているトランジスタ（Ｔｒ０、Ｔｒ１、Ｔｒ２）の数、また容量素子（Ｃ１）の数に過不足が生じる場合がある。この場合、層Ｌ４、層Ｌ７、層Ｌ１１の数を増減する、また同じ層内で素子を追加する、などといったように図４０（Ａ）、図４０（Ｂ）の構造を適宜変更すればよい。
また、図４０に示すメモリセル１２００［ｉ，ｊ］のトランジスタＴｒ１及びトランジスタＴｒ２は、それぞれバックゲートを有する構成となっているが、バックゲートを有さない構成であってもよい。例えば、上記実施の形態で説明した図２３に示すメモリセル１２０１、メモリセル１２０３乃至メモリセル１２０６の構成のとおり、バックゲートを有さなくてもよい。
＜チップ構成例２＞
メモリセル１２００［ｉ，ｊ］は、メモリセル１２００［ｉ，ｊ］が有する全てのＯＳトランジスタを、同一の層に形成してもよい。その場合の例を、図４１（Ａ）、図４１（Ｂ）に示す。図４０と同様に、図４１（Ａ）はメモリセル１２００［ｉ，ｊ］を構成するトランジスタのチャネル長方向の断面図を表し、図４１（Ｂ）はメモリセル１２００［ｉ，ｊ］を構成するトランジスタのチャネル幅方向の断面図を表している。
図４１（Ａ）、図４１（Ｂ）は、層Ｌ６乃至Ｌ８が省かれ、層Ｌ５の上に層Ｌ９が形成されている点で、図４０（Ａ）、図４０（Ｂ）に示す断面図と相違する。図４１（Ａ）、図４１（Ｂ）のその他の詳細は、図４０（Ａ）、図４０（Ｂ）の記載を参酌する。
実施の形態５及び実施の形態７に示すトランジスタＭｏｓ１乃至トランジスタＭｏｓ６にＯＳトランジスタを適用した場合、トランジスタＭｏｓ１乃至トランジスタＭｏｓ６は、層Ｌ４に形成されることが好ましい。
実施の形態５及び実施の形態７に示すトランジスタＭ１０１、トランジスタＭ１０２、トランジスタＭ１０４乃至トランジスタＭ１０８にＳｉトランジスタを適用した場合、トランジスタＭ１０１、トランジスタＭ１０２、トランジスタＭ１０４乃至トランジスタＭ１０８は層Ｌ１に形成されることが好ましい。
実施の形態５及び実施の形態７に示すトランジスタＭ１０１、トランジスタＭ１０２、トランジスタＭ１０４乃至トランジスタＭ１０８にＯＳトランジスタを適用した場合、トラシジスタＭ１０１、トランジスタＭ１０２、トランジスタＭ１０４乃至トランジスタＭ１０８は層Ｌ４に形成されることが好ましい。
実施の形態５及び実施の形態７に示す容量素子Ｃ１０１乃至容量素子Ｃ１０５は、層Ｌ１１に形成されることが好ましい。
メモリセル１２００［ｉ，ｊ］の周辺に形成される駆動回路をＯＳトランジスタで形成する場合、該ＯＳトランジスタは層Ｌ４に形成してもよい。
メモリセル１２００［ｉ，ｊ］の周辺に形成される駆動回路をＳｉトランジスタで形成する場合、該Ｓｉトランジスタは層Ｌ１に形成してもよい。
メモリセル１２００［ｉ，ｊ］は、図４１（Ａ）、図４１（Ｂ）に示す構成にすることで、製造工程を単純化することが可能になる。
なお、実施の形態５に示すメモリセル１２０１、実施の形態７に示すメモリセル１２０３乃至メモリセル１２０６を図４１（Ａ）、図４１（Ｂ）の構造として適用する場合、図４１（Ａ）、図４１（Ｂ）に図示しているトランジスタ（Ｔｒ０、Ｔｒ１、Ｔｒ２）の数、また容量素子（Ｃ１）の数に過不足が生じる場合がある。この場合、層Ｌ４、層Ｌ１１の数を増減する、また同じ層内で素子を追加する、などといったように図４１（Ａ）、図４１（Ｂ）の構造を適宜変更すればよい。
また、図４１に示すメモリセル１２００［ｉ，ｊ］のトランジスタＴｒ１は、バックゲートを有する構成となっているが、バックゲートを有さない構成であってもよい。例えば、上記実施の形態で説明した図２３に示すメモリセル１２０１、メモリセル１２０３乃至メモリセル１２０６の構成のとおり、バックゲートを有さなくてもよい。
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１１）
本実施の形態では、酸化物半導体の構造について説明する。
＜酸化物半導体の構造＞
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）及び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及びｎｃ−ＯＳなどがある。
非晶質構造は、一般に、等方的であって不均質構造を持たない、準安定状態で原子の配置が固定化していない、結合角度が柔軟である、短距離秩序は有するが長距離秩序を有さない、などといわれている。
即ち、安定な酸化物半導体を完全な非晶質（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）酸化物半導体とは呼べない。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は呼べない。一方、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、等方的でないが、鬆（ボイドともいう。）を有する不安定な構造である。不安定であるという点では、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、物性的に非晶質酸化物半導体に近い。
＜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種である。
ＣＡＡＣ−ＯＳをＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって解析した場合について説明する。例えば、空間群Ｒ−３ｍに分類される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４４（Ａ）に示すように回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる。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では、結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳの膜を形成する面（被形成面ともいう。）、又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、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、空間群Ｆｄ−３ｍに分類される結晶構造に起因する。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、該ピークを示さないことが好ましい。
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳに対し、被形成面に平行な方向から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。そして、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４４（Ｂ）に示すように明瞭なピークは現れない。一方、単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４に対し、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合、図４４（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軸及び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、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面に平行にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させると、図４４（Ｄ）に示すような回折パターン（制限視野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軸が被形成面又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４４（Ｅ）に示す。図４４（Ｅ）より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、プローブ径が３００ｎｍの電子線を用いた電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットのａ軸及びｂ軸は配向性を有さないことがわかる。なお、図４４（Ｅ）における第１リングは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（０１０）面及び（１００）面などに起因すると考えられる。また、図４４（Ｅ）における第２リングは（１１０）面などに起因すると考えられる。
また、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像であっても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場合がある。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。
図４５（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などによって観察することができる。
図４５（Ａ）より、金属原子が層状に配列している領域であるペレットを確認することができる。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。ペレットは、ＣＡＡＣ−ＯＳの膜を被形成面又は上面の凹凸を反映しており、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面又は上面と平行となる。
また、図４５（Ｂ）及び図４５（Ｃ）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４５（Ｄ）及び図４５（Ｅ）は、それぞれ図４５（Ｂ）及び図４５（Ｃ）を画像処理した像である。以下では、画像処理の方法について説明する。まず、図４５（Ｂ）を高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理することでＦＦＴ像を取得する。次に、取得したＦＦＴ像において原点を基準に、２．８ｎｍ−１から５．０ｎｍ−１の間の範囲を残すマスク処理する。次に、マスク処理したＦＦＴ像を、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ：Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理することで画像処理した像を取得する。こうして取得した像をＦＦＴフィルタリング像と呼ぶ。ＦＦＴフィルタリング像は、Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像から周期成分を抜き出した像であり、格子配列を示している。
図４５（Ｄ）では、格子配列の乱れた箇所を破線で示している。破線で囲まれた領域が、一つのペレットである。そして、破線で示した箇所がペレットとペレットとの連結部である。破線は、六角形状であるため、ペレットが六角形状であることがわかる。なお、ペレットの形状は、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合が多い。
図４５（Ｅ）では、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間を点線で示し、格子配列の向きを破線で示している。点線近傍においても、明確な結晶粒界を確認することはできない。点線近傍の格子点を中心に周囲の格子点を繋ぐと、歪んだ六角形や、五角形又は／及び七角形などが形成できる。即ち、格子配列を歪ませることによって結晶粒界の形成を抑制していることがわかる。これは、ＣＡＡＣ−ＯＳが、ａ−ｂ面方向において原子配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。
以上に示すように、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向性を有し、かつａ−ｂ面方向において複数のペレット（ナノ結晶）が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。よって、ＣＡＡＣ−ＯＳを、ＣＡＡ ｃｒｙｓｔａｌ（ｃ−ａｘｉｓ−ａｌｉｇｎｅｄ ａ−ｂ−ｐｌａｎｅ−ａｎｃｈｏｒｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ）を有する酸化物半導体と称することもできる。
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、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（又は分子半径）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。
＜ｎｃ−ＯＳ＞
次に、ｎｃ−ＯＳについて説明する。
ｎｃ−ＯＳをＸＲＤによって解析した場合について説明する。例えば、ｎｃ−ＯＳに対し、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、配向性を示すピークが現れない。即ち、ｎｃ−ＯＳの結晶は配向性を有さない。
また、例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するｎｃ−ＯＳを薄片化し、厚さが３４ｎｍの領域に対し、被形成面に平行にプローブ径が５０ｎｍの電子線を入射させると、図４６（Ａ）に示すようなリング状の回折パターン（ナノビーム電子回折パターン）が観測される。また、同じ試料にプローブ径が１ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターン（ナノビーム電子回折パターン）を図４６（Ｂ）に示す。図４６（Ｂ）より、リング状の領域内に複数のスポットが観測される。したがって、ｎｃ−ＯＳは、プローブ径が５０ｎｍの電子線を入射させることでは秩序性が確認されないが、プローブ径が１ｎｍの電子線を入射させることでは秩序性が確認される。
また、厚さが１０ｎｍ未満の領域に対し、プローブ径が１ｎｍの電子線を入射させると、図４６（Ｃ）に示すように、スポットが略正六角状に配置された電子回折パターンを観測される場合がある。したがって、厚さが１０ｎｍ未満の範囲において、ｎｃ−ＯＳが秩序性の高い領域、即ち結晶を有することがわかる。なお、結晶が様々な方向を向いているため、規則的な電子回折パターンが観測されない領域もある。
図４６（Ｄ）に、被形成面と略平行な方向から観察したｎｃ−ＯＳの断面のＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を示す。ｎｃ−ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において、補助線で示す箇所などのように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以下の大きさであり、特に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（ｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）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。
このように、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。
なお、ペレット（ナノ結晶）間で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、又は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。
図４７に、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像を示す。ここで、図４７（Ａ）は電子照射開始時におけるａ−ｌｉｋｅ ＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像である。図４７（Ｂ）は４．３×１０８ｅ−／ｎｍ２の電子（ｅ−）照射後におけるａ−ｌｉｋｅ ＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像である。図４７（Ａ）及び図４７（Ｂ）より、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは電子照射開始時から、縦方向に延伸する縞状の明領域が観察されることがわかる。また、明領域は、電子照射後に形状が変化することがわかる。なお、明領域は、鬆又は低密度領域と推測される。
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及び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。
試料として、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ、ｎｃ−ＯＳ及びＣＡＡＣ−ＯＳを準備する。いずれの試料もＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である。
まず、各試料の高分解能断面ＴＥＭ像を取得する。高分解能断面ＴＥＭ像により、各試料は、いずれも結晶部を有する。
なお、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、以下では、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所を、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶部と見なした。なお、格子縞は、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａ−ｂ面に対応する。
図４８は、各試料の結晶部（２２箇所から３０箇所）の平均の大きさを調査した例である。なお、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図４８より、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ＴＥＭ像の取得などに係る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。図４８より、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、電子（ｅ−）の累積照射量が４．２×１０８ｅ −／ｎｍ２においては１．９ｎｍ程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、ｎｃ−ＯＳ及び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。図４８より、電子の累積照射量によらず、ｎｃ−ＯＳ及びＣＡＡＣ−ＯＳの結晶部の大きさは、それぞれ１．３ｎｍ程度及び１．８ｎｍ程度であることがわかる。なお、電子線照射及びＴＥＭの観察は、日立透過電子顕微鏡Ｈ−９０００ＮＡＲを用いた。電子線照射条件は、加速電圧を３００ｋＶ、電流密度を６．７×１０５ｅ−／（ｎｍ２・ｓ）、照射領域の直径を２３０ｎｍとした。
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及び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。即ち、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳ及び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及び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％未満である。また、ｎｃ−ＯＳの密度及びＣＡＡＣ−ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の９２．３％以上１００％未満である。単結晶の密度の７８％未満である酸化物半導体は、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である。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未満である。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の密度及びＣＡＡＣ−ＯＳの密度は５．９ｇ／ｃｍ３以上６．３ｇ／ｃｍ３未満である。
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合、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。
＜酸化物半導体のキャリア密度＞
次に、酸化物半導体のキャリア密度について、以下に説明を行う。
酸化物半導体のキャリア密度に影響を与える因子としては、酸化物半導体中の酸素欠損（Ｖｏ）、又は酸化物半導体中の不純物などが挙げられる。
酸化物半導体中の酸素欠損が多くなると、該酸素欠損に水素が結合（この状態をＶｏＨともいう）した際に、欠陥準位密度が高くなる。又は、酸化物半導体中の不純物が多くなると、該不純物に起因し欠陥準位密度が高くなる。したがって、酸化物半導体中の欠陥準位密度を制御することで、酸化物半導体のキャリア密度を制御することができる。
ここで、酸化物半導体をチャネル領域に用いるトランジスタを考える。
トランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトの抑制、又はトランジスタのオフ電流の低減を目的とする場合においては、酸化物半導体のキャリア密度を低くする方が好ましい。酸化物半導体のキャリア密度を低くする場合においては、酸化物半導体中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性又は実質的に高純度真性と言う。高純度真性の酸化物半導体のキャリア密度としては、８×１０１５ｃｍ−３未満、好ましくは１×１０１１ｃｍ−３未満、さらに好ましくは１×１０１０ｃｍ−３未満であり、１×１０−９ｃｍ−３以上とすればよい。
一方で、トランジスタのオン電流の向上、又はトランジスタの電界効果移動度の向上を目的とする場合においては、酸化物半導体のキャリア密度を高くする方が好ましい。酸化物半導体のキャリア密度を高くする場合においては、酸化物半導体の不純物濃度をわずかに高める、又は酸化物半導体の欠陥準位密度をわずかに高めればよい。あるいは、酸化物半導体のバンドギャップをより小さくするとよい。例えば、トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性のオン／オフ比が取れる範囲において、不純物濃度がわずかに高い、又は欠陥準位密度がわずかに高い酸化物半導体は、実質的に真性とみなせる。また、電子親和力が大きく、それにともなってバンドギャップが小さくなり、その結果、熱励起された電子（キャリア）の密度が増加した酸化物半導体は、実質的に真性とみなせる。なお、より電子親和力が大きな酸化物半導体を用いた場合には、トランジスタのしきい値電圧がより低くなる。
上述のキャリア密度が高められた酸化物半導体は、わずかにｎ型化している。したがって、キャリア密度が高められた酸化物半導体を、「Ｓｌｉｇｈｔｌｙ−ｎ」と呼称してもよい。
実質的に真性の酸化物半導体のキャリア密度は、１×１０５ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３未満が好ましく、１×１０７ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下がより好ましく、１×１０９ｃｍ−３以上５×１０１６ｃｍ−３以下がさらに好ましく、１×１０１ ０ｃｍ−３以上１×１０１６ｃｍ−３以下がさらに好ましく、１×１０１１ｃｍ−３以上１×１０１５ｃｍ−３以下がさらに好ましい。
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１２）
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明した半導体装置（トランジスタ、メモリセルなど）を電子部品（ＲＦＩＣ、記憶装置など）に適用する例、及び該電子部品を具備する電子機器に適用する例について、図４９を用いて説明する。
図４９（Ａ）では上述の実施の形態で説明し半導体装置を電子部品に適用する例について説明する。なお電子部品は、半導体パッケージ、又はＩＣ用パッケージともいう。この電子部品は、端子取り出し方向や、端子の形状に応じて、複数の規格や名称が存在する。そこで、本実施の形態では、その一例について説明することにする。
上記実施の形態１及び実施の形態２に示すようなトランジスタで構成される半導体装置は、組み立て工程（後工程）を経て、プリント基板に脱着可能な部品が複数合わさることで完成する。
後工程については、図４９（Ａ）に示す各工程を経ることで完成させることができる。具体的には、前工程で得られる素子基板が完成（ステップＳ１）した後、基板の裏面を研削する（ステップＳ２）。この段階で基板を薄膜化することで、前工程での基板の反り等を低減し、部品としての小型化を図るためである。
基板の裏面を研削して、基板を複数のチップに分離するダイシング工程を行う。そして、分離したチップを個々にピックアップしてリードフレーム上に搭載し接合する、ダイボンディング工程を行う（ステップＳ３）。このダイボンディング工程におけるチップとリードフレームとの接着は、樹脂による接着や、テープによる接着等、適宜製品に応じて適した方法を選択する。なお、ダイボンディング工程は、インターポーザ上に搭載し接合してもよい。
なお、本実施の形態において、基板の一方の面に素子が形成されていたとき、基板の一方の面を表面とし、該基板の他方の面（該基板の素子が形成されていない側の面）を裏面とする。
次いでリードフレームのリードとチップ上の電極とを、金属の細線（ワイヤー）で電気的に接続する、ワイヤーボンディングを行う（ステップＳ４）。金属の細線には、銀線や金線を用いることができる。また、ワイヤーボンディングは、ボールボンディングや、ウェッジボンディングを用いることができる。
ワイヤーボンディングされたチップは、エポキシ樹脂等で封止される、モールド工程が施される（ステップＳ５）。モールド工程を行うことで電子部品の内部が樹脂で充填され、機械的な外力による内蔵される回路部やワイヤーに対するダメージを低減することができ、また水分や埃による特性の劣化を低減することができる。
次いでリードフームのリードをメッキ処理する。そしてリードを切断及び成形加工する（ステップＳ６）。このめっき処理によりリードの錆を防止し、後にプリント基板に実装する際のはんだ付けをより確実に行うことができる。
次いでパッケージの表面に印字処理（マーキング）を施す（ステップＳ７）。そして最終的な検査工程（ステップＳ８）を経て電子部品が完成する（ステップＳ９）。
以上説明した電子部品は、上述の実施の形態で説明した半導体装置を含む構成とすることができる。そのため、信頼性に優れた電子部品を実現することができる。
また、完成した電子部品の斜視模式図を図４９（Ｂ）に示す。図４９（Ｂ）では、電子部品の一例として、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）の斜視模式図を示している。図４９（Ｂ）に示す電子部品１９００は、リード１９０１及び回路部１９０３を示している。図４９（Ｂ）に示す電子部品１９００は、例えばプリント基板１９０２に実装される。このような電子部品１９００が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板１９０２上で電気的に接続されることで電子機器の内部に搭載することができる。完成した回路基板１９０４は、電子機器等の内部に設けられる。
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。
（本明細書等の記載に関する付記）
以上の実施の形態、及び実施の形態における各構成の説明について、以下に付記する。
＜実施の形態で述べた本発明の一態様に関する付記＞
各実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて、本発明の一態様とすることができる。また、１つの実施の形態の中に、複数の構成例が示される場合は、互いに構成例を適宜組み合わせることが可能である。
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）と、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）との少なくとも一つの内容に対して、適用、組み合わせ、又は置き換えなどを行うことができる。
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）と、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）との少なくとも一つの図に対して、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できる。
＜序数詞に関する付記＞
本明細書等において、「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る。従って、構成要素の数を限定するものではない。また、構成要素の順序を限定するものではない。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第１」に言及された構成要素が、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において「第２」に言及された構成要素とすることもありうる。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第１」に言及された構成要素を、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において省略することもありうる。
＜図面を説明する記載に関する付記＞
実施の形態について図面を参照しながら説明している。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、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、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、実施の形態の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。
また、本明細書等において、「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。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。そのため、配置を示す語句は、明細書で説明した記載に限定されず、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。
また本明細書等において、ブロック図では、構成要素を機能毎に分類し、互いに独立したブロックとして示している。しかしながら実際の回路等においては、構成要素を機能毎に切り分けることが難しく、一つの回路に複数の機能が係わる場合や、複数の回路にわたって一つの機能が関わる場合があり得る。そのため、ブロック図のブロックは、明細書で説明した構成要素に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
また、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。例えば、ノイズによる信号、電圧、若しくは電流のばらつき、又は、タイミングのずれによる信号、電圧、若しくは電流のばらつきなどを含むことが可能である。
また、図面において、説明を分かりやすくするため、符号以外の数字や文字を記載している場合がある。具体的には、クレジットカードの数字及び文字、テンキーのボタンに書かれている数字、セグメント方式液晶の表示部の数字などがある。これらデザインで描いた数字・文字と、符号と、を区別するため、符号には引き出し線を表記し、又はアンダーラインを表記し、符号のフォントをＡｒｉａｌとして表記する。ただし、デザインで描いた数字・文字が無い図面の場合は、この限りではない場合がある。
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、図面において、同一の要素又は同様な機能を有する要素、同一の材質の要素、あるいは同時に形成される要素等には同一の符号を付す場合があり、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
＜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、電圧と電位は、適宜言い換えることができる。電圧は、基準となる電位からの電位差のことであり、例えば基準となる電位をグラウンド電位（接地電位）とすると、電圧を電位に言い換えることができる。グラウンド電位は必ずしも０Ｖを意味するとは限らない。なお電位は相対的なものであり、基準となる電位によっては、配線等に与える電位を変化させる場合がある。
なお本明細書等において、「膜」、「層」などの語句は、場合によっては、又は、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。又は、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。又は、場合によっては、又は、状況に応じて、「膜」、「層」などの語句を使わずに、別の用語に入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」又は「導電膜」という用語を、「導電体」という用語に変更することが可能な場合がある。又は、例えば、「絶縁層」「絶縁膜」という用語を、「絶縁体」という用語に変更することが可能な場合がある。
なお本明細書等において、「配線」、「信号線」、「電源線」などの用語は、場合によっては、又は、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、「配線」という用語を、「信号線」という用語に変更することが可能な場合がある。また、例えば、「配線」という用語を、「電源線」などの用語に変更することが可能な場合がある。また、その逆も同様で、「信号線」「電源線」などの用語を、「配線」という用語に変更することが可能な場合がある。「電源線」などの用語は、「信号線」などの用語に変更することが可能な場合がある。また、その逆も同様で「信号線」などの用語は、「電源線」などの用語に変更することが可能な場合がある。
＜語句の定義に関する付記＞
以下では、上記実施の形態中で言及した語句の定義について説明する。
＜＜半導体について＞＞
本明細書において、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分低い場合は「絶縁体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「絶縁体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「絶縁体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「絶縁体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。
また、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分高い場合は「導電体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「導電体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「導電体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「導電体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。
なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体層を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が０．１原子％未満の元素は不純物である。不純物が含まれることにより、例えば、半導体にＤＯＳ（Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅ）が形成されることや、キャリア移動度が低下することや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第１５族元素、主成分以外の遷移金属などがあり、特に、例えば、水素（水にも含まれる）、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、例えば水素などの不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコン層である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１５族元素などがある。
＜＜トランジスタについて＞＞
本明細書において、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）の間にチャネル形成領域を有しており、ドレインとチャネル形成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。なお、本明細書等において、チャネル形成領域とは、電流が主として流れる領域をいう。
また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
＜＜スイッチについて＞＞
本明細書等において、スイッチとは、導通状態（オン状態）、又は、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するものをいう。又は、スイッチとは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有するものをいう。
一例としては、電気的スイッチ又は機械的なスイッチなどを用いることができる。つまり、スイッチは、電流を制御できるものであればよく、特定のものに限定されない。
電気的なスイッチの一例としては、トランジスタ（例えば、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳトランジスタなど）、ダイオード（例えば、ＰＮダイオード、ＰＩＮダイオード、ショットキーダイオード、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｍｅｔａｌ）ダイオード、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）ダイオード、ダイオード接続のトランジスタなど）、又はこれらを組み合わせた論理回路などがある。
なお、スイッチとしてトランジスタを用いる場合、トランジスタの「導通状態」とは、トランジスタのソース電極とドレイン電極が電気的に短絡されているとみなせる状態をいう。また、トランジスタの「非導通状態」とは、トランジスタのソース電極とドレイン電極が電気的に遮断されているとみなせる状態をいう。なおトランジスタを単なるスイッチとして動作させる場合には、トランジスタの極性（導電型）は特に限定されない。
機械的なスイッチの一例としては、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）のように、ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）技術を用いたスイッチがある。そのスイッチは、機械的に動かすことが可能な電極を有し、その電極が動くことによって、導通と非導通とを制御して動作する。
＜＜チャネル長について＞＞
本明細書等において、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（又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、又はチャネルが形成される領域における、ソース（ソース領域又はソース電極）とドレイン（ドレイン領域又はドレイン電極）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、最小値又は平均値とする。
＜＜チャネル幅について＞＞
本明細書等において、チャネル幅とは、例えば、上面図において半導体（又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、又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、最小値又は平均値とする。
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。
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又は見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。又は、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。
＜＜接続について＞＞
なお、本明細書等において、ＸとＹとが接続されている、と記載する場合は、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とを含むものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図又は文章に示された接続関係に限定されず、図又は文章に示された接続関係以外のものも含むものとする。
ここで使用するＸ、Ｙなどは、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）、又は、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。又は、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。
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（信号振幅又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とが電気的に接続されている、と明示的に記載する場合は、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）とを含むものとする。つまり、電気的に接続されている、と明示的に記載する場合は、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じであるとする。
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。又は、「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。又は、「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。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。
＜＜平行、垂直について＞＞
本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上かつ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°以上かつ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°以上かつ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°以上かつ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°以上かつ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°以上かつ１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。
＜＜三方晶、菱面体晶について＞＞
本明細書において、結晶が三方晶又は菱面体晶である場合、六方晶系として表す。
ＢＬ 配線
ＢＬＢ 配線
ＢＲＬ 配線
ＢＧＬ 配線
Ｃ１ 容量素子
Ｃ１０１ 容量素子
Ｃ１０２ 容量素子
Ｃ１０３ 容量素子
Ｃ１０４ 容量素子
Ｃ１０５ 容量素子
ＩＮＶ１０１ インバータ
ＩＮＶ１０２ インバータ
ＪＴ１ 接続端子
ＪＴ２ 接続端子
ＪＴ３ 接続端子
ＪＴ４ 接続端子
ＪＴ５ 接続端子
ＪＴ６ 接続端子
ＪＴ７ 接続端子
Ｍ１０１ トランジスタ
Ｍ１０２ トランジスタ
Ｍ１０４ トランジスタ
Ｍ１０５ トランジスタ
Ｍ１０６ トランジスタ
Ｍ１０７ トランジスタ
Ｍ１０８ トランジスタ
Ｍｏｓ１ トランジスタ
Ｍｏｓ２ トランジスタ
Ｍｏｓ３ トランジスタ
Ｍｏｓ４ トランジスタ
Ｍｏｓ５ トランジスタ
Ｍｏｓ６ トランジスタ
ＲＢＬ 配線
ＲＷＬ 配線
ＳＬ 配線
Ｔｒ０ トランジスタ
Ｔｒ１ トランジスタ
Ｔｒ２ トランジスタ
ＷＢＬ 配線
ＷＬ 配線
ＷＬＣ 配線
ＷＷＬ 配線
１０ 第１の回路
２０ 第２の回路
１００ 半導体装置
１０１ アンテナ
１０２ 整流回路
１０３ 検波回路
１０４ 変調回路
１０５ 電源回路
１０６ 制御回路
１０６ａ 制御回路
１０６ｂ 制御回路
１０６ｃ 制御回路
１０６ｄ 制御回路
１０６ｅ 制御回路
１０６ｆ 制御回路
１０６ｇ 制御回路
１０６ｈ 制御回路
１０６ｉ 制御回路
１０７ アナログデジタル変換回路
１０８ 指紋センサ
１０９ 記憶装置
１０９ａ 揮発性メモリ
１０９ｂ 不揮発性メモリ
１１０ 半導体装置
１１１ 入出力端子
１１２ 内部回路
１１３ 配線
１１４ 配線
１１５ 送受信回路
１３０ 半導体装置
１４０ 半導体装置
１５０ 半導体装置
１５７ ＯＳアナログデジタル変換回路
１５９ ＯＳ記憶装置
１６０ 半導体装置
１７０ 半導体装置
１８０ 半導体装置
１９０ 電池
２００ ＣＰＵ
２０１ パワーマネージメントユニット
２０２ センサコントローラ
２０３ メモリコントローラ
２０４ 変調回路コントローラ
２０５ バス
２０６ ディスプレイコントローラ
２０７ 操作キーコントローラ
２１１ ＯＳ−ＣＰＵ
３００ 半導体装置
３０１ 印字部
３０２ 手
３０２ａ 指
３０３ 手
３０８ａ 無線信号
３０８ｂ 無線信号
３１０ 半導体装置
３３０ 半導体装置
４００ 非接触型カードリーダ
４０１ 読み取り部
４０２ 表示部
４０３ 配線
４１０ 接触型カードリーダ
４１１ 配線
４１２ 表示部
４１３ 配線
４１４ 内部端子
４１５ 制御装置
４１６ カード差込口
４２０ 接触型カードリーダ
４２１ 入力ボタン部
４２２ 配線
４３０ 静脈読み取り装置
４３１ 配線
４３２ 表示部
４３３ 静脈読み取り部
４３４ 配線
４３５ 配線
４３６ 制御装置
４４０ 電子機器
４５０ 電子機器
４７０ 電子機器
４８０ 電子機器
４８１ 送受信機
５００ 半導体装置
５０１ 筐体
５０２ ベルト
５０３ 表示部
５０４ 操作キー
５０５ 指紋センサ
５１０ 半導体装置
８００ アナログデジタル変換回路
８０１ サンプルホールド回路
８０１Ａ サンプルホールド回路
８０１Ｂ サンプルホールド回路
８０２ コンパレータ
８０３ 逐次比較レジスタ
８０４ デジタルアナログ変換回路
８０５ タイミングコントローラ
８０６ 発振回路
８１１ バッファ回路
８１２ トランジスタ
８１３ 容量素子
８２１ センサ回路
８２１Ａ センサ回路
８２１Ｂ センサ回路
８２２ セレクタ
８３１Ａ サンプルホールド回路
８３１Ｂ サンプルホールド回路
８３１Ｃ サンプルホールド回路
８３５ トランジスタ
８３６ トランジスタ
８３７ トランジスタ
８３８ トランジスタ
８９３ 容量素子
８９４ セレクタ
８９５ セレクタ
８９６ セレクタ
８９７ トランジスタ
８９８ インバータ回路
９００ アナログデジタル変換回路
９１１ トランジスタ
９１２ 容量素子
１２００［ｉ、ｊ］ メモリセル
１２０１ メモリセル
１２０３ メモリセル
１２０４ メモリセル
１２０５ メモリセル
１２０６ メモリセル
１２０７ メモリセル
１２０８ メモリセル
１４００ａ トランジスタ
１４００ｂ トランジスタ
１４００ｃ トランジスタ
１４００ｄ トランジスタ
１４００ｅ トランジスタ
１４０１ 絶縁膜
１４０２ 絶縁膜
１４０３ 絶縁膜
１４０４ 絶縁膜
１４０５ 絶縁膜
１４０６ 絶縁膜
１４０７ 絶縁膜
１４０８ 絶縁膜
１４１１ 導電膜
１４１２ 導電膜
１４１３ 導電膜
１４１４ 導電膜
１４２１ 導電膜
１４２２ 導電膜
１４２３ 導電膜
１４２４ 導電膜
１４３０ 金属酸化物
１４３１ 金属酸化物
１４３１ａ 金属酸化物
１４３１ｂ 金属酸化物
１４３１ｃ 金属酸化物
１４３２ 金属酸化物
１４３２ａ 金属酸化物
１４３２ｂ 金属酸化物
１４３２ｃ 金属酸化物
１４３３ 金属酸化物
１４４１ 領域
１４４２ 領域
１４５０ 基板
１４６１ 領域
１４６２ 領域
１４６３ 領域
１６８０ トランジスタ
１６８１ 絶縁膜
１６８２ 半導体
１６８３ 導電膜
１６８４ 導電膜
１６８５ 絶縁膜
１６８６ 絶縁膜
１６８７ 絶縁膜
１６８８ 導電膜
１６８９ 導電膜
１７００ 基板
１７０１ 素子分離層
１７０２ 絶縁体
１７０３ 絶縁体
１７０４ 絶縁体
１７０５ 絶縁体
１７０６ 絶縁体
１７１０ 導電体
１７１１ 導電体
１７１２ 導電体
１７１３ 導電体
１７１４ 導電体
１７１５ 導電体
１７１６ 導電体
１７１７ 導電体
１７１８ 導電体
１７１９ 導電体
１７３０ 配線
１７３１ 配線
１７３２ 配線
１７３３ 配線
１７３４ 配線
１７３５ 配線
１７３６ 配線
１７３７ 配線
１７５１ 電極
１７５２ 電極
１７５３ 絶縁体
１７９０ ゲート電極
１７９２ ウェル
１７９３ チャネル形成領域
１７９４ 低濃度不純物領域
１７９５ 高濃度不純物領域
１７９６ 導電性領域
１７９７ ゲート絶縁膜
１７９８ 側壁絶縁層
１７９９ 側壁絶縁層
１９００ 電子部品
１９０１ リード
１９０２ プリント基板
１９０３ 回路部
１９０４ 回路基板
２２００ 半導体装置
２２０１ 第１の記憶回路
２２０２ 第２の記憶回路
２２０３ 第３の記憶回路
２２０４ 読み出し回路
２２０９ トランジスタ
２２１０ トランジスタ
２２１２ トランジスタ
２２１３ トランジスタ
２２１５ トランジスタ
２２１７ トランジスタ
２２１８ トランジスタ
２２１９ 容量素子
２２２０ 容量素子
２２４０ 配線
２２４１ 配線
２２４２ 配線
２２４３ 配線
２２４４ 配線
２３００ 半導体装置
２３０１ ＣＰＵコア
２３０２ パワーコントローラ
２３０３ パワースイッチ
２３０４ キャッシュ
２３０５ バスインターフェース
２３０６ デバッグインターフェース
２３０７ 制御装置
２３０８ ＰＣ
２３０９ パイプラインレジスタ
２３１０ パイプラインレジスタ
２３１１ ＡＬＵ
２３１２ レジスタファイル
２３２１ パワーマネージメントユニット
２３２２ 周辺回路
２３２３ データバス
２６００ 記憶装置
２６０１ 周辺回路
２６１０ メモリセルアレイ
２６２１ ローデコーダ
２６２２ ワード線ドライバ回路
２６３０ ビット線ドライバ回路
２６３１ カラムデコーダ
２６３２ プリチャージ回路
２６３３ センスアンプ
２６３４ 書き込み回路
２６４０ 出力回路
２６６０ コントロールロジック回路

Claims (4)

  1. 制御回路と、アナログデジタル変換回路と、記憶装置と、指紋センサと、を有し、
    前記制御回路は、第１トランジスタを有し、
    前記記憶装置は、第２トランジスタを有し、
    前記アナログデジタル変換回路は、第３トランジスタを有し、
    前記第１乃至前記第３トランジスタの少なくともいずれか一は、チャネル形成領域に酸化物半導体と、を有し、
    前記記憶装置は、照合用の指紋データである第１デジタルデータと、機密データである第２デジタルデータと、が記憶され、
    前記制御回路は、前記指紋センサと、前記アナログデジタル変換回路と、前記記憶装置と、電気的に接続され、
    前記指紋センサは、前記アナログデジタル変換回路と電気的に接続され、
    前記制御回路には、送受信回路が有するアンテナを介して外部より第１電気信号が入力され、
    前記第１電気信号は、前記制御回路を駆動する命令を有し、
    前記制御回路は、前記第１電気信号の解読後に、前記記憶装置に読み出し動作の命令を含む第２電気信号を送り、かつ前記指紋センサに駆動命令を含む第３電気信号を送る機能を有し、
    前記記憶装置は、前記第２電気信号を受けることで、前記第１デジタルデータを読み出して、前記制御回路に送る機能を有し、
    前記指紋センサは、前記第３電気信号を受けることで、指紋のアナログデータを取得して、前記指紋のアナログデータを前記アナログデジタル変換回路に入力する機能を有し、
    前記アナログデジタル変換回路は、前記指紋のアナログデータを第３デジタルデータに変換して、前記第３デジタルデータを前記記憶装置及び前記制御回路に送る機能を有し、
    前記記憶装置は、前記第３デジタルデータを記憶する機能を有し、
    前記制御回路は、前記第１デジタルデータと前記第３デジタルデータを比較する機能を有し、
    前記制御回路は、前記第１デジタルデータと前記第３デジタルデータが一致した場合に、前記記憶装置に読み出し動作命令を含む第４電気信号を送る機能を有し、
    前記記憶装置は、前記第４電気信号を受けることで、前記第２デジタルデータを読み出して、前記制御回路に送る機能を有し、
    前記制御回路は、前記第２デジタルデータを前記送受信回路に送る機能を有し、
    前記送受信回路は、前記第２デジタルデータを変調し、前記アンテナから、変調された前記第２デジタルデータを送信する機能を有することを特徴とする半導体装置。
  2. 制御回路と、アナログデジタル変換回路と、記憶装置と、指紋センサと、を有し、
    前記制御回路は、第１トランジスタを有し、
    前記記憶装置は、第２トランジスタを有し、
    前記アナログデジタル変換回路は、第３トランジスタを有し、
    前記第１乃至前記第３トランジスタの少なくともいずれか一は、チャネル形成領域に酸化物半導体と、を有し、
    前記記憶装置は、照合用の指紋データである第１デジタルデータと、機密データである第２デジタルデータと、が記憶され、
    前記制御回路は、前記指紋センサと、前記アナログデジタル変換回路と、前記記憶装置と、電気的に接続され、
    前記指紋センサは、前記アナログデジタル変換回路と電気的に接続され、
    前記制御回路には、入出力端子を介して外部より第１電気信号が入力され、
    前記第１電気信号は、前記制御回路を駆動する命令を有し、
    前記制御回路は、前記第１電気信号の解読後に、前記記憶装置に読み出し動作の命令を含む第２電気信号を送り、かつ前記指紋センサに駆動命令を含む第３電気信号を送る機能を有し、
    前記記憶装置は、前記第２電気信号を受けることで、前記第１デジタルデータを読み出して、前記制御回路に送る機能を有し、
    前記指紋センサは、前記第３電気信号を受けることで、指紋のアナログデータを取得して、前記指紋のアナログデータを前記アナログデジタル変換回路に入力する機能を有し、
    前記アナログデジタル変換回路は、前記指紋のアナログデータを第３デジタルデータに変換して、前記第３デジタルデータを前記記憶装置及び前記制御回路に送る機能を有し、
    前記記憶装置は、前記第３デジタルデータを記憶する機能を有し、
    前記制御回路は、前記第１デジタルデータと前記第３デジタルデータを比較する機能を有し、
    前記制御回路は、前記第１デジタルデータと前記第３デジタルデータが一致した場合に、前記記憶装置に読み出し動作命令を含む第４電気信号を送る機能を有し、
    前記記憶装置は、前記第４電気信号を受けることで、前記第２デジタルデータを読み出して、前記制御回路に送る機能を有し、
    前記制御回路は、前記入出力端子を介して、前記第２デジタルデータを外部に送信する機能を有することを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項１において、
    前記制御回路には、入出力端子を介して外部より第５電気信号が入力され、
    前記第５電気信号は、前記制御回路を駆動する命令を有し、
    前記制御回路は、前記第５電気信号の解読後に、前記記憶装置に読み出し動作の命令を含む前記第２電気信号を送り、かつ前記指紋センサに駆動命令を含む前記第３電気信号を送る機能を有し、
    前記制御回路は、前記第２デジタルデータを受けることで、前記入出力端子を介して、前記第２デジタルデータを外部に送信する機能を有することを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項３において、
    表示部と、操作キーと、筐体と、を有し、
    前記表示部は、前記制御回路と電気的に接続され、
    前記操作キーは、前記制御回路と電気的に接続されることを特徴とする半導体装置。
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