JP7171869B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、プロセス、マシン
、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関する。特に
、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、撮像装置、記憶装置
、それらの駆動方法、または、それらの製造方法に関する。特に、本発明の一態様は、酸
化物半導体を有する半導体装置、表示装置、または、発光装置に関する。
なお、本明細書などにおいて半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装
置全般を指す。表示装置、発光装置、照明装置、電気光学装置、半導体回路および電子機
器は、半導体装置を有する場合がある。
トランジスタの半導体に用いられるシリコンは、用途によって非晶質シリコンと多結晶シ
リコンとが使い分けられている。例えば、大型の表示装置を構成するトランジスタには、
大面積基板への成膜技術が確立されている非晶質シリコンを用いると好適である。一方、
駆動回路と、画素部と、を一体形成した高機能の表示装置を構成するトランジスタには、
高い電界効果移動度を有するトランジスタを作製可能な多結晶シリコンを用いると好適で
ある。多結晶シリコンは、非晶質シリコンを、高温で熱処理、またはレーザ光処理を行う
ことで形成する方法が知られる。
近年では、酸化物半導体（代表的にはＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物）を用いたトランジスタの
開発が活発化している。酸化物半導体を用いたトランジスタは、非晶質シリコンを用いた
トランジスタ、および多結晶シリコンを用いたトランジスタとは異なる特徴を有する。例
えば、酸化物半導体を用いたトランジスタを適用した表示装置は、消費電力が低いことが
知られている。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小
さいことが知られている。例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低
いという特性を応用した低消費電力のＣＰＵなどが開示されている（特許文献１参照。）
。
パワーゲーティングによる消費電力の低減を行うためには、酸化物半導体を用いたトラン
ジスタがノーマリーオフの電気特性を有することが好ましい。酸化物半導体を用いたトラ
ンジスタのしきい値電圧を制御し、ノーマリーオフの電気特性とする方法の一つとして、
酸化物半導体と重なる領域にフローティングゲートを配置し、該フローティングゲートに
負の固定電荷を注入する方法が開示されている（特許文献２参照。）。
酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、大型の表示装置を構成
するトランジスタに用いることができる。また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、
高い電界効果移動度を有するため、駆動回路と、画素部と、を一体形成した高機能の表示
装置を実現できる。また、非晶質シリコンを用いたトランジスタ、または多結晶シリコン
を用いたトランジスタの生産設備の一部を改良して利用することが可能であるため、設備
投資を抑えられるメリットもある。
酸化物半導体の歴史は古く、１９８５年には、結晶Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物の合成が報告
されている（非特許文献１参照。）。また、１９９５年には、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物が
ホモロガス構造をとり、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍは自然数。）という組成式で記述
されることが報告されている（非特許文献２参照。）。
また、１９９５年には、酸化物半導体を用いたトランジスタが発明されており、その電気
特性が開示されている（特許文献３参照。）。
また、２０１４年には、結晶性酸化物半導体を用いたトランジスタについて報告されてい
る（非特許文献３および非特許文献４参照。）。ここでは、量産化が可能であり、かつ優
れた電気特性および信頼性を有するＣＡＡＣ－ＯＳ（Ｃ－Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃ
ｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を用いたトランジス
タが報告されている。
特開２０１２－２５７１８７号公報 特開２０１３－２４７１４３号公報 特表平１１－５０５３７７号公報
Ｎ． Ｋｉｍｉｚｕｋａ， ａｎｄ Ｔ． Ｍｏｈｒｉ： Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， １９８５， ｖｏｌｕｍｅ ６０， ｐ．３８２－３８４ Ｎ． Ｋｉｍｉｚｕｋａ， Ｍ． Ｉｓｏｂｅ， ａｎｄ Ｍ． Ｎａｋａｍｕｒａ： Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， １９９５， ｖｏｌｕｍｅ １１６， ｐ．１７０－１７８ Ｓ． Ｙａｍａｚａｋｉ， Ｔ． Ｈｉｒｏｈａｓｈｉ， Ｍ． Ｔａｋａｈａｓｈｉ， Ｓ． Ａｄａｃｈｉ， Ｍ． Ｔｓｕｂｕｋｕ， Ｊ． Ｋｏｅｚｕｋａ， Ｋ． Ｏｋａｚａｋｉ， Ｙ． Ｋａｎｚａｋｉ， Ｈ． Ｍａｔｓｕｋｉｚｏｎｏ， Ｓ． Ｋａｎｅｋｏ， Ｓ． Ｍｏｒｉ， ａｎｄ Ｔ． Ｍａｔｓｕｏ： Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ，２０１４， ｖｏｌｕｍｅ ２２， Ｉｓｓｕｅ １， ｐ．５５－ｐ．６７ Ｓ． Ｙａｍａｚａｋｉ， Ｔ． Ａｔｓｕｍｉ， Ｋ． Ｄａｉｒｉｋｉ， Ｋ． Ｏｋａｚａｋｉ， ａｎｄ Ｎ． Ｋｉｍｉｚｕｋａ： ＥＣＳ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２０１４， ｖｏｌｕｍｅ ３， Ｉｓｓｕｅ ９， ｐ．Ｑ３０１２－ｐ．Ｑ３０２２
本発明の一態様は、オフ電流の低いトランジスタを有する半導体装置を提供することを課
題の一とする。または、本発明の一態様は、消費電力の小さい半導体装置を提供すること
を課題の一とする。または、本発明の一態様は、微細な半導体装置を提供することを課題
の一とする。または、本発明の一態様は、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題
の一とする。または、本発明の一態様は、書き込み速度の速い半導体装置を提供すること
を課題の一とする。または、本発明の一態様は、読み出し速度の速い半導体装置を提供す
ることを課題の一とする。または、長期間に渡ってデータを保持することができる半導体
装置を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、新規な半導体装置を
提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、目に優しい表示装置を提供
することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、透明な半導体を有する半導体装
置を提供することを課題の一とする。
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一
態様は、これらの課題の全てを解決する必要はない。なお、これら以外の課題は、明細書
、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項
などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
（１）本発明の一態様は、トランジスタは、第１の導電体と、第２の導電体と、第１の絶
縁体と、第２の絶縁体と、第３の絶縁体と、半導体と、電子捕獲層と、を有し、半導体は
、チャネル形成領域を有し、電子捕獲層は、第２の絶縁体を介してチャネル形成領域と互
いに重なる領域を有し、第１の導電体は、第１の絶縁体を介してチャネル形成領域と互い
に重なる領域を有し、第２の導電体は、第３の絶縁体を介して電子捕獲層と互いに重なる
領域を有し、第２の導電体は、チャネル形成領域と重なる領域を有さない半導体装置であ
る。
（２）または、本発明の一態様は、トランジスタは、第１の導電体と、第２の導電体と、
第３の導電体と、第４の導電体と、第１の絶縁体と、第２の絶縁体と、第３の絶縁体と、
半導体と、電子捕獲層と、を有し、半導体は、第３の導電体と接する第１の領域と、第４
の導電体と接する第２の領域と、第１の領域と第２の領域との間に配置される第３の領域
と、を有し、電子捕獲層は、第２の絶縁体を介して第３の領域と互いに重なる領域を有し
、第１の導電体は、第１の絶縁体を介して第３の領域と互いに重なる領域を有し、第２の
導電体は、第３の絶縁体を介して電子捕獲層と互いに重なる領域を有し、第２の導電体は
、第３の領域と重なる領域を有さない半導体装置である。
（３）または、本発明の一態様は、トランジスタは、第１の導電体と、第２の導電体と、
第３の導電体と、第４の導電体と、第１の絶縁体と、第２の絶縁体と、第３の絶縁体と、
半導体と、電子捕獲層と、を有し、半導体は、第３の導電体と接する第１の領域と、第４
の導電体と接する第２の領域と、第１の領域と第２の領域との間に配置される第３の領域
と、を有し、電子捕獲層は、第２の絶縁体を介して第１の領域および第３の領域と互いに
重なる領域を有し、第１の導電体は、第１の絶縁体を介して第３の領域と互いに重なる領
域を有し、第２の導電体は、第３の絶縁体を介して電子捕獲層と互いに重なる領域を有し
、第２の導電体は、第１の領域と重なる領域を有する半導体装置である。
（４）または、本発明の一態様は、電子捕獲層は、導電体、または半導体を含むことを特
徴とする、（１）乃至（３）のいずれか一に記載の半導体装置である。
オフ電流の低いトランジスタを有する半導体装置などを提供することができる。または、
消費電力の小さい半導体装置を提供することができる。または、微細な半導体装置を提供
することができる。または、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、
書き込み速度の速い半導体装置を提供することができる。長期間に渡ってデータを保持す
ることができる半導体装置を提供することができる。または、読み出し速度の速い半導体
装置を提供することができる。または、新規な半導体装置を提供することができる。また
は、目に優しい表示装置を提供することができる。または、透明な半導体を有する半導体
装置を提供することができる。
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一
態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、
図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項な
どの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
実施の形態の半導体装置の例を示す図。 実施の形態の半導体装置の例を示す図。 実施の形態の半導体装置のバンド図の例を示す図。 実施の形態の半導体装置の特性を模式的に示す図と半導体装置を応用した回路の例を示す図。 本発明に係る、トランジスタの上面図及び断面図。 本発明に係る、トランジスタの上面図及び断面図。 本発明に係る、トランジスタの断面図。 本発明に係る、トランジスタの断面図。 本発明に係る、トランジスタの断面図およびバンド図。 本発明に係る、トランジスタの断面図。 本発明に係る、トランジスタの上面図および断面図。 本発明に係る、トランジスタの上面図および断面図。 本発明に係る、トランジスタの上面図および断面図。 本発明に係る、トランジスタの作製方法を説明する図。 本発明に係る、トランジスタの作製方法を説明する図。 ＣＡＡＣ－ＯＳの断面におけるＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像、およびＣＡＡＣ－ＯＳの断面模式図。 ＣＡＡＣ－ＯＳの平面におけるＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像。 ＣＡＡＣ－ＯＳおよび単結晶酸化物半導体のＸＲＤによる構造解析を説明する図。 ＣＡＡＣ－ＯＳの電子回折パターンを示す図。 Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。 本発明に係る、半導体装置の回路図および断面図。 本発明に係る、半導体装置の断面図。 本発明に係る、半導体装置を示す上面図。 本発明に係る、半導体装置を示す上面図およびブロック図。 本発明に係る、半導体装置を示す断面図。 本発明に係る、半導体装置を示す断面図。 本発明に係る、半導体装置を示す断面図。 本発明に係る、半導体装置を示す斜視図および断面図。 本発明に係る、半導体装置を示す回路図、上面図および断面図。 本発明に係る、半導体装置を示す回路図および断面図。 本発明に係る、ＲＦタグの構成例。 本発明に係る、半導体装置のブロック図。 本発明に係る、記憶装置を説明する回路図。 本発明に係る、表示装置の上面図および回路図。 本発明に係る、電子機器の例を示す図。 本発明に係る、ＲＦタグの使用例。
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定さ
れず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変
更し得ることは当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は以下に示す実施
の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には
同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略することがある。
また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合
がある。
なお、トランジスタの「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、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」という用語は、入れ替
えて用いることができるものとする。
なお、本明細書等における「第１」、「第２」などの序数詞は、構成要素の混同を避ける
ために付すものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、層の厚さ、または領域は、明
瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない
。
トランジスタは半導体素子の一種であり、電流や電圧の増幅や、導通または非導通を制御
するスイッチング動作などを実現することができる。本明細書におけるトランジスタは、
ＩＧＦＥＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉ
ｓｔｏｒ）や薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）
を含む。
なお、「膜」という言葉と、「層」という言葉とは、互いに入れ替えることが可能である
。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合
がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更するこ
とが可能な場合がある。
また、本明細書において、特に断りがない場合、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態
（非導通状態、遮断状態、ともいう）にあるときのドレイン電流をいう。オフ状態とは、
特に断りがない場合、ｎチャネル型トランジスタでは、ゲートとソースの間の電圧Ｖｇｓ
がしきい値電圧Ｖｔｈよりも低い状態、ｐチャネル型トランジスタでは、ゲートとソース
の間の電圧Ｖｇｓがしきい値電圧Ｖｔｈよりも高い状態をいう。例えば、ｎチャネル型の
トランジスタのオフ電流とは、ゲートとソースの間の電圧Ｖｇｓがしきい値電圧Ｖｔｈよ
りも低いときのドレイン電流を言う場合がある。
トランジスタのオフ電流は、Ｖｇｓに依存する場合がある。従って、トランジスタのオフ
電流がＩ以下である、とは、トランジスタのオフ電流がＩ以下となるＶｇｓの値が存在す
ることを言う場合がある。トランジスタのオフ電流は、所定のＶｇｓにおけるオフ状態、
所定の範囲内のＶｇｓにおけるオフ状態、または、十分に低減されたオフ電流が得られる
Ｖｇｓにおけるオフ状態、等におけるオフ電流を指す場合がある。
一例として、しきい値電圧Ｖｔｈが０．５Ｖであり、Ｖｇｓが０．５Ｖにおけるドレイン
電流が１×１０－９Ａであり、Ｖｇｓが０．１Ｖにおけるドレイン電流が１×１０－１３
Ａであり、Ｖｇｓがー０．５Ｖにおけるドレイン電流が１×１０－１９Ａであり、Ｖｇｓ
がー０．８Ｖにおけるドレイン電流が１×１０－２２Ａであるようなｎチャネル型トラン
ジスタを想定する。当該トランジスタのドレイン電流は、Ｖｇｓが－０．５Ｖにおいて、
または、Ｖｇｓが－０．５Ｖ乃至－０．８Ｖの範囲において、１×１０－１９Ａ以下であ
るから、当該トランジスタのオフ電流は１×１０－１９Ａ以下である、という場合がある
。当該トランジスタのドレイン電流が１×１０－２２Ａ以下となるＶｇｓが存在するため
、当該トランジスタのオフ電流は１×１０－２２Ａ以下である、という場合がある。
本明細書では、チャネル幅Ｗを有するトランジスタのオフ電流を、チャネル幅Ｗあたりを
流れる電流値で表す場合がある。また、所定のチャネル幅（例えば１μｍ）あたりを流れ
る電流値で表す場合がある。後者の場合、オフ電流の単位は、電流／長さの次元を持つ単
位（例えば、Ａ／μｍ）で表される場合がある。
トランジスタのオフ電流は、温度に依存する場合がある。本明細書において、オフ電流は
、特に記載がない場合、室温、６０℃、８５℃、９５℃、または１２５℃におけるオフ電
流を表す場合がある。または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証
される温度、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等が使用される温度（例え
ば、５℃乃至３５℃のいずれか一の温度）におけるオフ電流、を表す場合がある。トラン
ジスタのオフ電流がＩ以下である、とは、室温、６０℃、８５℃、９５℃、１２５℃、当
該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証される温度、または、当該トラン
ジスタが含まれる半導体装置等が使用される温度（例えば、５℃乃至３５℃のいずれか一
の温度）、におけるトランジスタのオフ電流がＩ以下となるＶｇｓの値が存在することを
指す場合がある。
トランジスタのオフ電流は、ドレインとソースの間の電圧Ｖｄｓに依存する場合がある。
本明細書において、オフ電流は、特に記載がない場合、Ｖｄｓが０．１Ｖ、０．８Ｖ、１
Ｖ、１．２Ｖ、１．８Ｖ，２．５Ｖ、３Ｖ、３．３Ｖ、１０Ｖ、１２Ｖ、１６Ｖ、または
２０Ｖにおけるオフ電流を表す場合がある。または、当該トランジスタが含まれる半導体
装置等の信頼性が保証されるＶｄｓ、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等
において使用されるＶｄｓにおけるオフ電流、を表す場合がある。トランジスタのオフ電
流がＩ以下である、とは、Ｖｄｓが０．１Ｖ、０．８Ｖ、１Ｖ、１．２Ｖ、１．８Ｖ，２
．５Ｖ、３Ｖ、３．３Ｖ、１０Ｖ、１２Ｖ、１６Ｖ、２０Ｖ、当該トランジスタが含まれ
る半導体装置の信頼性が保証されるＶｄｓ、または、当該トランジスタが含まれる半導体
装置等において使用されるＶｄｓ、におけるトランジスタのオフ電流がＩ以下となるＶｇ
ｓの値が存在することを指す場合がある。
本明細書では、オフ電流と同じ意味で、リーク電流と記載する場合がある。
本明細書において、オフ電流とは、例えば、トランジスタがオフ状態にあるときに、ソー
スとドレインとの間に流れる電流を指す場合がある。
本明細書において、「平行」とは、二つの直線が－１０°以上１０°以下の角度で配置さ
れている状態をいう。したがって、－５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「略平
行」とは、二つの直線が－３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態をいう。ま
た、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態を
いう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二
つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。
また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す
。
（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体と電子捕獲層とゲート電極とを有する半導体装置の構成、動作
原理およびそれを応用する回路について説明する。図１（Ａ）は、半導体１０１と電子捕
獲層１０２とゲート電極１０３とゲート絶縁体１０４とゲート電極１０５とを有する半導
体装置である。
ここで、電子捕獲層１０２としては、例えば、図１（Ｂ）に示されるような、絶縁体１０
２ａと絶縁体１０２ｂの積層体でもよい。または、図１（Ｃ）に示されるような、絶縁体
１０２ａ、絶縁体１０２ｂと絶縁体１０２ｃの積層体でもよい。または、さらに多層の絶
縁体の積層体でもよい。また、図２に示されるように、電子捕獲層１０２は絶縁体１０２
ｅと、絶縁体１０２ｅ中の電気的に絶縁された導電体１０２ｄを有してもよい。絶縁体１
０２ｅは複数の絶縁体より形成されてもよい。
例えば、図１（Ｂ）に示す半導体装置の点Ａから点Ｂにかけてのバンド図の例を図３（Ａ
）に示す。図中、Ｅｃは伝導帯下端のエネルギー、Ｅｖは価電子帯上端のエネルギーを示
す。図３（Ａ）では、ゲート電極１０３の電位はソース電極またはドレイン電極（いずれ
も図示せず）と同じである。
この例では、絶縁体１０２ａのエネルギーギャップは、絶縁体１０２ｂのエネルギーギャ
ップよりも大きい。また、絶縁体１０２ａの電子親和力は、絶縁体１０２ｂの電子親和力
よりも小さいものとするが、これに限られない。
絶縁体１０２ａと絶縁体１０２ｂとの界面、または／および、絶縁体１０２ｂの内部に電
子捕獲準位１０６が存在する。ゲート電極１０３の電位を、ソース電極またはドレイン電
極より高くすると、図３（Ｂ）に示すようになる。ここで、ゲート電極１０３の電位は、
ソース電極またはドレイン電極より１Ｖ以上高くしてもよい。また、この処理の終了した
後にゲート電極１０５に印加される最高電位よりも低くてもよい。代表的には、４Ｖ未満
とするとよい。
なお、このとき、ゲート電極１０５の電位はソース電極またはドレイン電極と同じである
とよい。半導体１０１に存在する電子１０７は、より電位の高いゲート電極１０３の方向
に移動しようとする。そして、半導体１０１からゲート電極１０３の方向に移動した電子
１０７のいくらかは、電子捕獲準位１０６に捕獲される。
電子１０７が、絶縁体１０２ａの障壁を越えて、絶縁体１０２ｂに達するには、いくつか
の過程が考えられる。第１は、トンネル効果によるものである。トンネル効果は、絶縁体
１０２ａが薄いほど顕著となる。ただし、この場合、電子捕獲準位１０６に捕獲された電
子が、トンネル効果により、再度、流失してしまうことがある。
なお、ゲート電極１０３に適切な大きさの電圧を印加することで、絶縁体１０２ａが比較
的厚い場合でも、トンネル効果（Ｆｏｗｌｅｒ－Ｎｏｒｄｈｅｉｍトンネル効果）を発現
させることもできる。Ｆｏｗｌｅｒ－Ｎｏｒｄｈｅｉｍトンネル効果の場合には、ゲート
電極１０３と半導体１０１の間の電場が強くなると急激にトンネル電流が増加する。
第２は、電子１０７が、絶縁体１０２ａ中の欠陥準位等のエネルギーギャップ中の捕獲準
位をホッピングしながら、絶縁体１０２ｂに到達するものである。これは、Ｐｏｏｌｅ－
Ｆｒｅｎｋｅｌ伝導といわれる伝導機構であり、絶対温度が高いほど、捕獲準位が浅いほ
ど、電気伝導性が高まる。
第３は、熱的な励起によって、電子１０７が、絶縁体１０２ａの障壁を越えるものである
。半導体１０１に存在する電子の分布はフェルミ・ディラック分布にしたがい、一般的に
は、エネルギーの高い電子の比率は、高温であるほど多くなる。例えば、フェルミ準位か
ら３ｅＶだけ高いエネルギーを有する電子の３００Ｋ（２７℃）での密度を１としたとき
、４５０Ｋ（１７７℃）では、６×１０１６、６００Ｋ（３２７℃）では、１．５×１０
２５、７５０Ｋ（４７７℃）では、１．６×１０３０となる。
電子１０７が、絶縁体１０２ａの障壁を越えてゲート電極１０３に向かって移動する過程
は、上記の３つの過程とそれらの組み合わせで生じていると考えられる。特に、第２の過
程および第３の過程は、温度が高いと指数関数的に電流が増大する。
また、第１の過程におけるＦｏｗｌｅｒ－Ｎｏｒｄｈｅｉｍトンネル効果も、絶縁体１０
２ａの障壁層の薄い部分（エネルギーの大きな部分）の電子の濃度が高いほど起こりやす
いので、温度が高いほど有利である。
なお、以上の過程で流れる電流は、特にゲート電極１０３の電位が低い（５Ｖ以下）場合
には、きわめて微弱であることが多いが、長時間の処理により、必要とする量の電子を電
子捕獲準位１０６に捕獲せしめることができる。この結果、電子捕獲層１０２は負に帯電
する。
すなわち、より高い温度（半導体装置の使用温度または保管温度よりも高い温度、または
、１２５℃以上４５０℃以下、代表的には１５０℃以上３００℃以下）の下で、ゲート電
極１０３の電位をソースやドレインの電位より高い状態を、５ミリ秒間以上、１０秒間未
満、代表的には３秒間以上維持することで、半導体１０１からゲート電極１０３に向かっ
て、必要とする電子が移動し、そのうちのいくらかは電子捕獲準位１０６に捕獲される。
このように電子を捕獲する処理のための温度を、以下、処理温度という。
このとき、電子捕獲準位１０６に捕獲される電子の量はゲート電極１０３の電位により制
御できる。電子捕獲準位１０６に相応の量の電子が捕獲されると、その電荷のために、ゲ
ート電極１０３の電場が遮蔽され、半導体１０１に形成されるチャネルが消失する。
電子捕獲準位１０６により捕獲される電子の総量は、当初は、線形に増加するが、徐々に
増加率が低下し、やがて、一定の値に収斂する。収斂する値は、ゲート電極１０３の電位
に依存し、電位が高いほどより多くの電子が捕獲される傾向にあるが、電子捕獲準位１０
６の総数を上回ることはない。
電子捕獲準位１０６に捕獲された電子は、電子捕獲層１０２から流失しないことが求めら
れる。そのためには、第１には、絶縁体１０２ａおよび絶縁体１０２ｂの厚さが、トンネ
ル効果が問題とならない程度の厚さであることが好ましい。例えば、物理的な厚さが１ｎ
ｍより大きいことが好ましい。
代表的には、絶縁体１０２ａの厚さは、１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下、絶縁体１０２ｂの、
酸化シリコン換算の厚さは、１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下とする。
また、半導体装置の使用温度または保管温度を十分に低くすることで、電子捕獲準位１０
６に捕獲された電子が流出することを低減することができる。例えば、処理温度を３００
℃とし、半導体装置を１２０℃で保管する場合、電子が、３ｅＶの障壁を乗り越える確率
は、後者は前者の１０万分の１未満である。
また、半導体１０１で、ホールの有効質量が極めて大きい、または、実質的に局在化して
いることも有効である。この場合には、半導体１０１から絶縁体１０２ａおよび絶縁体１
０２ｂへのホールの注入がなく、したがって、電子捕獲準位１０６に捕獲された電子がホ
ールと結合して消滅することもない。
また、絶縁体１０２ｂが、Ｐｏｏｌｅ－Ｆｒｅｎｋｅｌ伝導を示す材料であってもよい。
Ｐｏｏｌｅ－Ｆｒｅｎｋｅｌ伝導は、上述のように、材料中の欠陥準位等を電子がホッピ
ング伝導するものであり、欠陥準位の多い、または、欠陥準位の深い材料は十分に電気伝
導性が低く、電子捕獲準位１０６に捕獲させた電子を長期間に渡って保持できる。
また、絶縁体１０２ａまたは／および絶縁体１０２ｂに捕獲された電子を放出させるよう
な電圧がかからないように回路設計または／および材料選定をおこなってもよい。例えば
、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ系酸化物半導体のように、ホールの有効質量が極めて大きい、または
、実質的に局在化しているような材料では、ゲート電極１０３の電位が、ソース電極また
はドレイン電極の電位より高い場合にはチャネルが形成されるが、低い場合には、絶縁体
と同様な特性を示す。この場合には、ゲート電極１０３と半導体１０１の間の電場が極め
て小さくなり、Ｆｏｗｌｅｒ－Ｎｏｒｄｈｅｉｍトンネル効果、または、Ｐｏｏｌｅ－Ｆ
ｒｅｎｋｅｌ伝導による電子伝導は著しく低下する。
なお、図１（Ｃ）のように、電子捕獲層１０２を３層の絶縁体で形成し、絶縁体１０２ｃ
の電子親和力を、絶縁体１０２ｂの電子親和力よりも小さくし、絶縁体１０２ｃのエネル
ギーギャップを、絶縁体１０２ｂのエネルギーギャップよりも大きくすると、絶縁体１０
２ｂの内部、または、他の絶縁体との界面にある電子捕獲準位に捕獲された電子を保持す
る上で効果的である。
この場合には、絶縁体１０２ｂが薄くても、絶縁体１０２ｃが物理的に十分に厚ければ、
電子捕獲準位１０６に捕獲された電子を保持できる。絶縁体１０２ｃとしては、絶縁体１
０２ａと同様な材料を用いることができる。また、絶縁体１０２ｂと同じ構成元素である
が、電子捕獲準位が十分に少ないものも用いることができる。電子捕獲準位の数（密度）
は、形成方法によって異なる。
なお、図２のように、絶縁体１０２ｅ中に電気的に絶縁された導電体１０２ｄを有する場
合も、上記と同様な原理によって、導電体１０２ｄに電子が捕獲される。ここでは、電子
捕獲層を導電体としたが、半導体を用いてもよい。図３（Ｃ）では、ゲート電極１０３の
電位はソース電極またはドレイン電極と同じである。
ゲート電極１０３の電位を、ソース電極またはドレイン電極より高くすると、図３（Ｄ）
に示すようになる。半導体１０１に存在する電子１０７は、より電位の高いゲート電極１
０３の方向に移動しようとする。そして、半導体１０１からゲート電極１０３の方向に移
動した電子１０７のいくらかは、導電体１０２ｄに捕獲される。すなわち、図２に示され
る半導体装置において、導電体１０２ｄは、図１（Ｂ）の半導体装置における電子捕獲準
位１０６と同等の機能を有する。
なお、導電体１０２ｄの仕事関数が大きいと、絶縁体１０２ｅとの間のエネルギー障壁が
高くなり、電子捕獲準位１０６に捕獲された電子が流出することを抑制できる。
上記において、絶縁体１０２ａ、絶縁体１０２ｂ、絶縁体１０２ｃは、それぞれ複数の絶
縁体より構成されてもよい。また、同じ構成元素からなるが、形成方法の異なる複数の絶
縁体から構成されてもよい。
例えば、絶縁体１０２ａと絶縁体１０２ｂとを同じ構成元素からなる絶縁体（例えば、酸
化ハフニウム）で構成する場合、絶縁体１０２ａは、ＣＶＤ法またはＡＬＤ（Ａｔｏｍｉ
ｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で形成し、絶縁体１０２ｂは、スパッタリン
グ法で形成してもよい。
なお、ＣＶＤ法としても、様々な方法を用いることができる。熱ＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、
プラズマＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＬＰＣＶＤ法などの方法を用いることができる。よっ
て、ある絶縁体と別の絶縁体とにおいて、異なるＣＶＤ法を用いて、絶縁体を形成しても
よい。
一般にスパッタリング法で形成される絶縁体はＣＶＤ法またはＡＬＤ法で形成される絶縁
体よりも欠陥を多く含み、電子を捕獲する性質が強い。同様な理由から、絶縁体１０２ｂ
と絶縁体１０２ｃを同じ構成元素からなる絶縁体で構成する場合、絶縁体１０２ｂは、ス
パッタリング法で形成し、絶縁体１０２ｃは、ＣＶＤ法またはＡＬＤ法で形成してもよい
。
また、絶縁体１０２ｂを同じ構成元素からなる複数の絶縁体で構成する場合、そのうちの
１つは、スパッタリング法で形成し、別の１つは、ＣＶＤ法またはＡＬＤ法で形成しても
よい。
このように電子捕獲層１０２が電子を捕獲すると、図４（Ａ）に示すように半導体装置の
しきい値電圧が高くなる。特に、半導体１０１が、エネルギーギャップが大きな材料（ワ
イドエネルギーギャップ半導体）であると、ゲート電極１０３およびゲート電極１０５の
電位を０Ｖとしたときのソースとドレインとの間の電流を大幅に低下させることができる
。
例えば、エネルギーギャップ３．２ｅＶのＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物半導体であれば、ゲー
ト電極１０３およびゲート電極１０５の電位を０Ｖとしたときのソースとドレインとの間
の電流密度（チャネル幅１μｍあたりの電流値）は１ｚＡ／μｍ（１×１０－２１Ａ／μ
ｍ）以下、代表的には、１ｙＡ／μｍ（１×１０－２４Ａ／μｍ）以下とできる。
図４（Ａ）は電子捕獲層１０２での電子の捕獲を行う前と、電子の捕獲を行った後での、
室温でのソース電極ドレイン電極間のチャネル幅１μｍあたりの電流（Ｉｄ／μｍ）のゲ
ート電極１０５の電位（Ｖｇ）依存性を模式的に示したものである。なお、ソース電極と
ゲート電極１０３の電位を０Ｖ、ドレイン電極の電位を＋１Ｖとする。１ｆＡより小さな
電流は、直接は測定することが困難であるが、その他の方法で測定した値およびＳＳ値（
Ｓｕｂｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｓｗｉｎｇ ｖａｌｕｅ）等をもとに推定できる。
最初、曲線１０８で示すように、半導体装置のしきい値電圧はＶｔｈ１であったが、電子
の捕獲をおこなった後では、しきい値電圧が増加し（プラス方向に移動し）、Ｖｔｈ２と
なる。また、この結果、Ｖｇ＝０での電流密度は、１ａＡ／μｍ（１×１０－１８Ａ／μ
ｍ）以下、例えば、１ｙＡ／μｍ以上１ｚＡ／μｍ以下となる。
例えば、図４（Ｂ）のように、容量素子１１１に蓄積される電荷をトランジスタ１１０で
制御する回路を考える。ここで、容量素子１１１の電極間のリーク電流は無視する。容量
素子１１１の容量が１ｆＦであり、容量素子１１１のトランジスタ１１０側の電位が＋１
Ｖ、Ｖｄの電位が０Ｖであるとする。
トランジスタ１１０のＩｄ－Ｖｇ特性が図４（Ａ）中の曲線１０８で示されるもので、チ
ャネル幅が０．１μｍであると、ゲート電極１０３およびゲート電極１０５の電位を０Ｖ
としたときのソースとドレインとの間の電流密度は約１ｆＡであり、トランジスタ１１０
のこのときの抵抗は約１×１０１５Ωである。したがって、トランジスタ１１０と容量素
子１１１よりなる回路の時定数は約１秒である。すなわち、約１秒で、容量素子１１１に
蓄積されていた電荷の多くが失われてしまうことを意味する。
トランジスタ１１０のＩｄ－Ｖｇ特性が図４（Ａ）中の曲線１０９で示されるもので、チ
ャネル幅が０．１μｍであると、ゲート電極１０３およびゲート電極１０５の電位を０Ｖ
としたときのソースとドレインとの間の電流密度は約１ｙＡであり、トランジスタ１１０
のこのときの抵抗は約１×１０２４Ωである。したがって、トランジスタ１１０と容量素
子１１１よりなる回路の時定数は約１×１０９秒（＝約３１年）である。すなわち、１０
年経過後でも、容量素子１１１に蓄積されていた電荷の１／３は残っていることを意味す
る。
すなわち、トランジスタと容量素子という単純な回路で、１０年間の電荷の保持が可能で
ある。このことは各種記憶装置に用いることができる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタの構造について図面を用いて説明する
。
図５（Ａ）乃至図５（Ｃ）は、本発明の一態様のトランジスタの上面図および断面図であ
る。図５（Ａ）は上面図であり、図５（Ａ）に示す一点鎖線Ａ－Ｂの断面が図５（Ｂ）、
一点鎖線Ｃ－Ｄの断面が図５（Ｃ）に相当する。なお、図５（Ａ）の上面図では、図の明
瞭化のために一部の要素を省いて図示している。また、一点鎖線Ａ－Ｂ方向をチャネル長
方向、一点鎖線Ｃ－Ｄ方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
図５（Ａ）乃至図５（Ｃ）に示すトランジスタは、基板６００上に絶縁体６０２と、絶縁
体６０２上に絶縁体６０４と、絶縁体６０４に埋め込まれたゲート電極６０６と、絶縁体
６０４およびゲート電極６０６上に絶縁体６０８と、絶縁体６０８上に電子捕獲層６１０
と、絶縁体６０８上および電子捕獲層６１０上に絶縁体６１２と、絶縁体６１２上に酸化
物半導体６１４と、酸化物半導体６１４上にソース電極６１６ａおよびドレイン電極６１
６ｂと、酸化物半導体６１４上、ソース電極６１６ａ上およびドレイン電極６１６ｂ上に
ゲート絶縁体６１８と、ゲート絶縁体６１８上で接し、酸化物半導体６１４の上面および
側面に面するゲート電極６２０と、絶縁体６１２上、ソース電極６１６ａ上、ドレイン電
極６１６ｂ上およびゲート電極６２０上に絶縁体６２２と、を有する。
酸化物半導体６１４はチャネル形成領域６５０を有する。チャネル形成領域６５０は、絶
縁体６１２を介して電子捕獲層６１０と重なる領域を有する。ゲート電極６０６は、絶縁
体６０８を介して、電子捕獲層６１０と互いに重なる領域を有し、ゲート電極６０６は、
チャネル形成領域６５０と重なる領域を有さない。
実施の形態１にて動作原理を説明したように、本トランジスタは、ゲート電極６０６に電
圧を印加して、電子捕獲層６１０に電子を注入することでトランジスタのしきい値電圧を
制御する機能を有しているが、ゲート電極６０６へ電圧を印加することで、チャネル形成
領域６５０と、チャネル形成領域６５０と重なるゲート絶縁体６１８を劣化させない。
ゲート電極６０６とチャネル形成領域６５０とが重なる領域を有すると、ゲート電極６０
６に電圧を印加することで、Ｆｏｗｌｅｒ－Ｎｏｒｄｈｅｉｍトンネル効果を発現させる
。Ｆｏｗｌｅｒ－Ｎｏｒｄｈｅｉｍトンネル効果は、ゲート電極６０６とチャネル形成領
域６５０の間の電場が強くなると急激にトンネル電流が増加する。そのためにチャネル形
成領域６５０中の欠陥が増加し電子トラップが増加する可能性がある。さらにチャネル形
成領域６５０と重なるゲート絶縁体６１８中も同様に、欠陥増加による電子トラップが増
加する可能性があり、トランジスタ特性の不安定性および信頼性の低下を引き起こす可能
性がある。
本発明によれば、図５（Ｂ）のように、ゲート電極６０６と、チャネル形成領域６５０と
が、互いに重ならないような配置とすることで、上述のような不具合を回避することがで
きる。以下に説明する。
ゲート電極６０６と、電子捕獲層６１０とは、互いに重なる領域を有することで、ゲート
電極６０６へ電圧を印加し、電子捕獲層６１０への電子注入を行うことができる。電子捕
獲層６１０と、チャネル形成領域６５０と、は互いに重なる領域を有することで、電子捕
獲層６１０への電子注入量に応じたトランジスタのしきい値電圧制御が可能となる。つま
り、ゲート電極６０６とチャネル形成領域６５０と互いに重なる領域を有さないようにす
ることで、上述した不具合を回避して、トランジスタのしきい値電圧を制御することが可
能となる。
本発明では、電子捕獲層６１０として、電子捕獲層６１０に捕獲された電子が、電子捕獲
層６１０中乃至電子捕獲層６１０と絶縁体６０８との界面を移動することが可能な導電体
や半導体などを用いることで、トランジスタのしきい値電圧を制御することができる。導
電体としては、タンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリ
ブデンタングステン合金などを用いることができる。また、酸素を透過し難い機能を有す
る、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどと適宜組み合わせて多層膜として
もよい。半導体としては、多結晶シリコン、微結晶シリコン、非結晶シリコン、酸化物半
導体などを用いることができる。たとえば、本トランジスタに用いる酸化物半導体６１４
と同じ酸化物半導体を用いてもよい。電子捕獲層６１０として酸化物半導体を用いれば、
絶縁体６１２に過剰酸素を有している場合、絶縁体６１２から電子捕獲層６１０への過剰
酸素の拡散を防止することができて好ましい。
また、図６（Ａ）と（Ｂ）に示すように、電子捕獲層６１０をドレイン電極６１６ｂと互
いに重なる領域まで延ばして配置してもよい。または、新たに、ゲート電極６０６ｂをド
レイン電極６１６ｂおよび電子捕獲層６１０と、互いに重なる領域にも配置してもよいし
、図６（Ｃ）に示すように、ゲート電極６０６をドレイン電極６１６ｂおよび電子捕獲層
６１０と、互いに重なる領域のみに配置してもよい。
また、図７（Ａ）と、（Ｃ）に示すように、ゲート電極６０６とチャネル形成領域６５０
と、互いに重ならない領域がチャネル形成領域のおよそ半分程度を有していてもよい。
また、図５では、ゲート電極６０６と電子捕獲層６１０は、ソース電極６１６ａと互いに
重なる領域を有する一例を示すが、ゲート電極６０６と電子捕獲層６１０は、ドレイン電
極６１６ｂと互いに重なる領域を有しても良い。（図７（Ｂ）（Ｃ）参照。）。
また、図８（Ａ）と、（Ｂ）に示すように、ゲート電極６０６は、ゲート電極６０６と、
ソース電極６１６ａまたはドレイン電極６１６ｂと重なる領域を有しなくてもよい。
つぎに酸化物半導体６１４が異なる構成を有するトランジスタについて説明する。その他
の構成については、上述を参酌する。
図９（Ａ）は、図５（Ｂ）に示したトランジスタと同様にチャネル長方向の断面図である
。また、図９（Ｂ）は、図５（Ｃ）に示したトランジスタと同様に、チャネル幅方向の断
面図である。
図９（Ａ）および図９（Ｂ）に示すトランジスタの構造では、絶縁体６１２と、酸化物半
導体６１４との間に、酸化物半導体６１４ａが配置される。また、絶縁体６１２、ソース
電極６１６ａ、または、ドレイン電極６１６ｂ、酸化物半導体６１４ａおよび酸化物半導
体６１４と、ゲート絶縁体６１８と、の間に酸化物半導体６１４ｃが配置される。
酸化物半導体６１４は、例えば、インジウムを含む酸化物半導体である。酸化物半導体６
１４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
、酸化物半導体６１４は、元素Ｍを含むと好ましい。元素Ｍは、好ましくは、アルミニウ
ム、ガリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ
素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、モ
リブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステンなどが
ある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。元
素Ｍは、例えば、酸素との結合エネルギーが高い元素である。例えば、酸素との結合エネ
ルギーがインジウムよりも高い元素である。または、元素Ｍは、例えば、酸化物半導体の
エネルギーギャップを大きくする機能を有する元素である。また、酸化物半導体６１４は
、亜鉛を含むと好ましい。酸化物半導体は、亜鉛を含むと結晶化しやすくなる場合がある
。
ただし、酸化物半導体６１４は、インジウムを含む酸化物半導体に限定されない。酸化物
半導体６１４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。
酸化物半導体６１４は、例えば、エネルギーギャップが大きい酸化物を用いる。酸化物半
導体６１４のエネルギーギャップは、例えば、２．５ｅＶ以上４．２ｅＶ以下、好ましく
は２．８ｅＶ以上３．８ｅＶ以下、さらに好ましくは３ｅＶ以上３．５ｅＶ以下とする。
例えば、酸化物半導体６１４ａおよび酸化物半導体６１４ｃは、酸化物半導体６１４を構
成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から構成される酸化物半導体である。酸
化物半導体６１４を構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から酸化物半導体
６１４ａおよび酸化物半導体６１４ｃが構成されるため、酸化物半導体６１４ａと酸化物
半導体６１４との界面、および酸化物半導体６１４と酸化物半導体６１４ｃとの界面にお
いて、欠陥準位が形成されにくい。
酸化物半導体６１４ａ、酸化物半導体６１４および酸化物半導体６１４ｃは、少なくとも
インジウムを含むと好ましい。なお、酸化物半導体６１４ａがＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物のと
き、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが５０ａｔｏ
ｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％より高く、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍ
ｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％より高いとする。また、酸化物半導体６１４がＩｎ
－Ｍ－Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好まし
くはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましく
はＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。また、酸化
物半導体６１４ｃがＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉ
ｃ％としたとき、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％よ
り高く、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％より
高くする。なお、酸化物半導体６１４ｃは、酸化物半導体６１４ａと同種の酸化物を用い
ても構わない。ただし、酸化物半導体６１４ａまたは／および酸化物半導体６１４ｃ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、酸化物半導体６１４ａまたは／お
よび酸化物半導体６１４ｃが酸化ガリウムであっても構わない。なお、酸化物半導体６１
４ａ、酸化物半導体６１４および酸化物半導体６１４ｃに含まれる各元素の原子数が、簡
単な整数比にならなくても構わない。
酸化物半導体６１４は、酸化物半導体６１４ａおよび酸化物半導体６１４ｃよりも電子親
和力の大きい酸化物を用いる。例えば、酸化物半導体６１４として、酸化物半導体６１４
ａおよび酸化物半導体６１４ｃよりも電子親和力の０．０７ｅＶ以上１．３ｅＶ以下、好
ましくは０．１ｅＶ以上０．７ｅＶ以下、さらに好ましくは０．１５ｅＶ以上０．４ｅＶ
以下大きい酸化物を用いる。なお、電子親和力は、真空準位と伝導帯下端のエネルギーと
の差である。
なお、インジウムガリウム酸化物は、小さい電子親和力と、高い酸素ブロック性を有する
。そのため、酸化物半導体６１４ｃ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、酸化物半導体６１４ａ、酸化物半導体６１４、酸化
物半導体６１４ｃのうち、電子親和力の大きい酸化物半導体６１４にチャネルが形成され
る。
ここで、酸化物半導体６１４ａと酸化物半導体６１４との間には、酸化物半導体６１４ａ
と酸化物半導体６１４との混合領域を有する場合がある。また、酸化物半導体６１４と酸
化物半導体６１４ｃとの間には、酸化物半導体６１４と酸化物半導体６１４ｃとの混合領
域を有する場合がある。混合領域は、欠陥準位密度が低くなる。そのため、酸化物半導体
６１４ａ、酸化物半導体６１４および酸化物半導体６１４ｃの積層体は、それぞれの界面
近傍において、エネルギーが連続的に変化する（連続接合ともいう。）バンド図となる（
図９（Ｃ）参照。）。なお、酸化物半導体６１４ａ、酸化物半導体６１４および酸化物半
導体６１４ｃは、それぞれの界面を明確に判別することが困難な場合がある。
このとき、電子は、酸化物半導体６１４ａ中および酸化物半導体６１４ｃ中ではなく、酸
化物半導体６１４中を主として移動する。上述したように、酸化物半導体６１４ａおよび
酸化物半導体６１４の界面における欠陥準位密度、酸化物半導体６１４と酸化物半導体６
１４ｃとの界面における欠陥準位密度を低くすることによって、酸化物半導体６１４中で
電子の移動が阻害されることが少なく、トランジスタのオン電流を高くすることができる
。
トランジスタのオン電流は、電子の移動を阻害する要因を低減するほど、高くすることが
できる。例えば、電子の移動を阻害する要因のない場合、効率よく電子が移動すると推定
される。電子の移動は、例えば、チャネル形成領域の物理的な凹凸が大きい場合にも阻害
される。
トランジスタのオン電流を高くするためには、例えば、酸化物半導体６１４の上面または
下面（被形成面、ここでは酸化物半導体６１４ａ）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１
ｎｍ未満、好ましくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましく
は０．４ｎｍ未満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における最大高低差（Ｐ－
Ｖともいう。）が１０ｎｍ未満、好ましくは９ｎｍ未満、さらに好ましくは８ｎｍ未満、
より好ましくは７ｎｍ未満とすればよい。ＲＭＳ粗さ、ＲａおよびＰ－Ｖは、エスアイア
イ・ナノテクノロジー株式会社製走査型プローブ顕微鏡システムＳＰＡ－５００などを用
いて測定することができる。
または、例えば、チャネルの形成される領域中の欠陥準位密度が高い場合にも、電子の移
動は阻害される。
例えば、酸化物半導体６１４が酸素欠損（ＶＯとも表記。）を有する場合、酸素欠損のサ
イトに水素が入り込むことでドナー準位を形成することがある。以下では酸素欠損のサイ
トに水素が入り込んだ状態をＶＯＨと表記する場合がある。ＶＯＨは電子を散乱するため
、トランジスタのオン電流を低下させる要因となる。なお、酸素欠損のサイトは、水素が
入るよりも酸素が入る方が安定する。したがって、酸化物半導体６１４中の酸素欠損を低
減することで、トランジスタのオン電流を高くすることができる場合がある。
また、チャネルの形成される領域中の欠陥準位密度が高いと、トランジスタの電気特性を
変動させる場合がある。例えば、欠陥準位がキャリア発生源となる場合、トランジスタの
しきい値電圧を変動させる場合がある。
酸化物半導体６１４の酸素欠損を低減するために、例えば、絶縁体６１２に含まれる過剰
酸素を、酸化物半導体６１４ａを介して酸化物半導体６１４まで移動させる方法などがあ
る。この場合、酸化物半導体６１４ａは、酸素透過性を有する層（酸素を通過または透過
させる層）であることが好ましい。
また、トランジスタのオン電流を高くするためには、酸化物半導体６１４ｃの厚さは小さ
いほど好ましい。例えば、１０ｎｍ未満、好ましくは５ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎ
ｍ以下の領域を有する酸化物半導体６１４ｃとすればよい。一方、酸化物半導体６１４ｃ
は、チャネルの形成される酸化物半導体６１４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、
酸化物半導体６１４ｃは、ある程度の厚さを有することが好ましい。例えば、０．３ｎｍ
以上、好ましくは１ｎｍ以上、さらに好ましくは２ｎｍ以上の厚さの領域を有する酸化物
半導体６１４ｃとすればよい。また、酸化物半導体６１４ｃは、絶縁体６１２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、酸化物半導体６１４ａは厚く、酸化物半導体６１４ｃ
は薄いことが好ましい。例えば、１０ｎｍ以上、好ましくは２０ｎｍ以上、さらに好まし
くは４０ｎｍ以上、より好ましくは６０ｎｍ以上の厚さの領域を有する酸化物半導体６１
４ａとすればよい。酸化物半導体６１４ａの厚さを、厚くすることで、隣接する絶縁体と
酸化物半導体６１４ａとの界面からチャネルの形成される酸化物半導体６１４までの距離
を離すことができる。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、例えば、
２００ｎｍ以下、好ましくは１２０ｎｍ以下、さらに好ましくは８０ｎｍ以下の厚さの領
域を有する酸化物半導体６１４ａとすればよい。
例えば、酸化物半導体６１４と酸化物半導体６１４ａとの間に、例えば、二次イオン質量
分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ
）において、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下
、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下
、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３以下のシリコン濃度となる領域を有する。また、酸化物半導体６１４と酸化物半導体６
１４ｃとの間に、ＳＩＭＳにおいて、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１９
ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８
ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２×１
０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のシリコン濃度となる領域を有する。
また、酸化物半導体６１４の水素濃度を低減するために、酸化物半導体６１４ａおよび酸
化物半導体６１４ｃの水素濃度を低減すると好ましい。酸化物半導体６１４ａおよび酸化
物半導体６１４ｃは、ＳＩＭＳにおいて、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２×１０
２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０
１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×
１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以
上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の水素濃度となる領域を有する。また、酸化物半
導体６１４の窒素濃度を低減するために、酸化物半導体６１４ａおよび酸化物半導体６１
４ｃの窒素濃度を低減すると好ましい。酸化物半導体６１４ａおよび酸化物半導体６１４
ｃは、ＳＩＭＳにおいて、１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１９ａｔｏｍｓ
／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８ａｔｏｍｓ
／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１８ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１７
ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の窒素濃度となる領域を有する。
上述の３層構造は一例である。例えば、酸化物半導体６１４および酸化物半導体６１４ａ
の２層構造や酸化物半導体６１４および酸化物半導体６１４ｃの２層構造としても構わな
い。または、酸化物半導体６１４ａの上もしくは下、または酸化物半導体６１４ｃ上もし
くは下に、酸化物半導体６１４ａ、酸化物半導体６１４および酸化物半導体６１４ｃとし
て例示した半導体のいずれか一を有する４層構造としても構わない。または、酸化物半導
体６１４ａの上、酸化物半導体６１４ａの下、酸化物半導体６１４ｃの上、酸化物半導体
６１４ｃの下のいずれか二箇所以上に、酸化物半導体６１４ａ、酸化物半導体６１４およ
び酸化物半導体６１４ｃ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。
ここでは、図９（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタと異なる構成について、図１０（Ａ）（
Ｂ）を用いて説明する。その他の構成は上述を参酌する。
図１０（Ａ）（Ｂ）に示したように、絶縁体６１２がエッチングされて薄くなっている領
域を有さない点が図９（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタと構成が異なる。酸化物半導体６
１４ａを酸化物半導体６１４と重ならない領域にも残有させることによって、絶縁体６１
２の膜減りを防ぐことができる。ゲート電極６０６へ電圧を印加して、電子捕獲層６１０
に電子を注入するが、絶縁体６１２の膜厚が薄くなってしまうと、絶縁体６１２の静電破
壊や電子トラップなどの不具合を引き起こす可能性がある。本発明のように絶縁体６１２
の膜減りを防ぐことで、上述の不具合を回避できる。残有した酸化物半導体６１４ａは、
図示していないが、ゲート電極６２０形成後にゲート絶縁体６１８と、酸化物半導体６１
４ｃと、ともに不要部分を除去する。これにより、上述の図９（Ａ）（Ｂ）に示した、３
層の酸化物半導体を用いたトランジスタと同様の特性を得ることができる。
次に、図５に示したトランジスタと異なる構成について、図１１を用いて説明する。その
他の構成は上述を参酌する。
図１１（Ａ）は上面図であり、図１１（Ａ）に示す一点鎖線Ａ－Ｂの断面が図１１（Ｂ）
、一点鎖線Ｃ－Ｄの断面が図１１（Ｃ）に相当する。なお、図１１（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。また、一点鎖線Ａ－Ｂ方向をチャ
ネル長方向、一点鎖線Ｃ－Ｄ方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
図１１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ゲート電極６２０と、ソース電極６１６ａまたはド
レイン電極６１６ｂと、互いに重なり合う領域を有さないところが、図５に示すトランジ
スタの構成と異なるところである。
ゲート電極６２０と、ソース電極６１６ａまたはドレイン電極６１６ｂと、互いに重なり
合う領域を有さないことで、ゲート電極６２０と、ソース電極６１６ａまたはドレイン電
極６１６ｂの両電極間の寄生容量を有さないので、トランジスタの高速動作に好ましい。
また、ゲート電極６２０と、ソース電極６１６ａまたはドレイン電極６１６ｂの両電極間
の電流のリークを防ぐことができる。
つぎに、図１１のトランジスタと電子捕獲層６１０の配置が異なるトランジスタについて
図１２を用いて説明する。図１２（Ａ）は上面図であり、図１２（Ａ）に示す一点鎖線Ａ
－Ｂの断面が図１２（Ｂ）、一点鎖線Ｃ－Ｄの断面が図１２（Ｃ）に相当する。なお、図
１２（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。また、
一点鎖線Ａ－Ｂ方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｃ－Ｄ方向をチャネル幅方向と呼称する
場合がある。
図１２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、電子捕獲層６１０が、ゲート電極６２０とお互いに
重なる領域を有する点は、図１１のトランジスタと同様であるが、ゲート電極６２０端と
、電子捕獲層６１０端と、の位置が一致する点が異なる。
図１１に示したトランジスタと同様に、ゲート電極６２０と、ソース電極６１６ａまたは
ドレイン電極６１６ｂと、互いに重なり合う領域を有さないことで、ゲート電極６２０と
、ソース電極６１６ａまたはドレイン電極６１６ｂの両電極間の寄生容量を有さないので
、トランジスタの高速動作に好ましい。また、ゲート電極６２０と、ソース電極６１６ａ
またはドレイン電極６１６ｂの両電極間の電流のリークを防ぐことができる。
次に、図５に示したトランジスタと異なる構成について、図１３を用いて説明する。図１
３（Ａ）は上面図であり、図１３（Ａ）に示す一点鎖線Ａ－Ｂの断面が図１３（Ｂ）、一
点鎖線Ｃ－Ｄの断面が図１３（Ｃ）に相当する。なお、図１３（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。また、一点鎖線Ａ－Ｂ方向をチャネル
長方向、一点鎖線Ｃ－Ｄ方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
図１３（Ａ）乃至図１３（Ｃ）に示すトランジスタは、基板６００上に絶縁体６０２と、
絶縁体６０２上に絶縁体６０４と、絶縁体６０４に埋め込まれたゲート電極６０６と、絶
縁体６０４およびゲート電極６０６上に絶縁体６１２と、絶縁体６１２上に酸化物半導体
６１４と、酸化物半導体６１４上にソース電極６１６ａおよびドレイン電極６１６ｂと、
絶縁体６１２上、酸化物半導体６１４上、ソース電極６１６ａ上およびドレイン電極６１
６ｂ上にゲート絶縁体６１８と、ゲート絶縁体６１８上に電子捕獲層６１０と、電子捕獲
層６１０上およびゲート絶縁体６１８上に絶縁体６０８と、絶縁体６０８上にゲート電極
６２０と、ゲート電極６２０上および絶縁体６０８上に絶縁体６２２と、を有する。
酸化物半導体６１４はチャネル形成領域６５０を有する。チャネル形成領域６５０は、ゲ
ート絶縁体６１８を介して電子捕獲層６１０と重なる領域を有する。ゲート電極６２０は
、絶縁体６０８を介して、電子捕獲層６１０と互いに重なる領域を有し、ゲート電極６２
０は、チャネル形成領域６５０と重なる領域を有さない。
図１３に示すトランジスタは、電子捕獲層６１０に電子を注入するためにゲート電極６２
０に電圧を印加する点が図５に示すトランジスタと異なる。ゲート電極６２０に電圧を印
加して、電子捕獲層６１０に電子を注入することでトランジスタのしきい値電圧を制御す
る機能を有しているが、ゲート電極６２０へ電圧を印加することで、チャネル形成領域６
５０と、チャネル形成領域６５０と重なるゲート絶縁体６１８を劣化させない。
本トランジスタの動作原理については、実施の形態１および図５のトランジスタの説明を
参酌する。
なお、本実施の形態において、本発明の一態様について述べた。または、他の実施の形態
において、本発明の一態様について述べる。ただし、本発明の一態様は、これらに限定さ
れない。つまり、本実施の形態および他の実施の形態では、様々な発明の態様が記載され
ているため、本発明の一態様は、特定の態様に限定されない。例えば、本発明の一態様と
して、トランジスタのチャネル形成領域が、酸化物半導体を有する場合の例、または、ト
ランジスタが酸化物半導体６１４などの酸化物半導体を有する場合の例などを示したが、
本発明の一態様は、これに限定されない。本発明の一態様における様々なトランジスタは
、様々な半導体を有していてもよい。本発明の一態様における様々なトランジスタは、例
えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、
アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、または、有機半導体などの
少なくとも一つを有していてもよい。または例えば、本発明の一態様における様々なトラ
ンジスタは、酸化物半導体を有していなくてもよい。
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３）
本実施の形態では、実施の形態２で説明した、図５のトランジスタの作製方法について、
図１４と、図１５と、を用いて説明する。
図５（Ａ）に示す一点鎖線Ａ－Ｂの断面を図１４及び図１５の左側に、一点鎖線Ｃ－Ｄの
断面を図１４及び図１５の右側に示す。
基板６００上に絶縁体６０２を成膜する。基板６００は、例えば、シリコン、ゲルマニウ
ムなどの単体半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、
リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムなどを材料とした化合物半導体基板などを用
いることができる。または、石英、ガラスなどの絶縁体基板も用いることができる。絶縁
体６０２としては、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シ
リコン膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜などを用いるこ
とができる。成膜方法は、熱酸化法、ＣＶＤ法、スパッタ法、ＡＬＤ法、プラズマ酸化法
、プラズマ窒化法などを用いることができる。
絶縁体６０２上に絶縁体６０４を成膜して、絶縁体６０４の一部に開口部を形成して、ゲ
ート電極６０６を開口部に埋め込む（図１４（Ａ）参照。）。絶縁体６０４の開口部の形
成は、フォトリソグラフィー法により、レジストマスクを形成し、ドライエッチング法に
より、不要部分の絶縁体を除去して形成する。絶縁体６０４は、上記の絶縁体６０２と同
様の膜と、同様の成膜方法を用いることができる。ゲート電極６０６は、スパッタリング
法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法、めっき法などを用いて成膜すればよ
い。また、ゲート電極６０６は、タンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミ
ニウム、銅、モリブデンタングステン合金などを用いることができる。または、窒化タン
タル、窒化タングステン、窒化チタンなどと適宜組み合わせて多層膜としてもよい。ゲー
ト電極６０６を開口部に埋め込む方法としては、化学的機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍ
ｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）を用いれば良い。
次に、ゲート電極６０６上および絶縁体６０４上に、絶縁体６０８を成膜する。絶縁体６
０８は、上記の絶縁体６０２と同様の膜と、同様の成膜方法を用いることができる。次に
絶縁体６０８上に、電子捕獲層６１０となる導電体もしくは半導体を成膜する。次に、フ
ォトリソグラフィー法を用いて、電子捕獲層６１０となる導電体もしくは半導体上にゲー
ト電極６０６と互いに重なる領域を有するようにレジストマスクを形成し、ドライエッチ
ング法を用いて導電体もしくは半導体の不要部分を除去して電子捕獲層６１０を形成する
。次に、電子捕獲層６１０上および絶縁体６０８上に絶縁体６１２を成膜する（図１４（
Ｂ）参照。）。
電子捕獲層６１０としては、導電体や半導体を用いることができる。導電体は、スパッタ
リング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて成膜すればよい。
また、導電体は、タンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モ
リブデンタングステン合金などを用いることができる。また、酸素を透過し難い機能を有
する、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどと適宜組み合わせて多層膜とし
てもよい。半導体は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法
などを用いて成膜すればよい。また、半導体は、多結晶シリコン、微結晶シリコン、非結
晶シリコン、酸化物半導体などを用いることができる。
絶縁体６１２は、上記の絶縁体６０２と同様の膜と、同様の成膜方法を用いることができ
る。または、過剰酸素を有する絶縁体を用いてもよい。
次に、絶縁体６１２上に酸化物半導体６１３を成膜し、加熱処理を行う（図１４（Ｃ）参
照。）。酸化物半導体６１３は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法
、ＡＬＤ法などを用いて成膜すればよい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ま
しくは３００℃以上５００℃以下で行えばよい。加熱処理は、不活性ガス雰囲気、または
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。加熱処理
は減圧状態で行ってもよい。または、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％以上または１０％以上含
む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理によって、酸化物半導体６１３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などができる。
酸化物半導体６１３上に導電体を成膜し、酸化物半導体６１３上のチャネル形成領域とな
る部分をフォトリソグラフィー法でレジストパターンを形成し、ドライエッチング法によ
り導電体を除去し、導電体６１５を形成する（図１５（Ａ）参照。）。導電体６１５は、
上記ゲート電極６０６と同様の膜と、同様の成膜方法を用いることができる。。
次に、導電体６１５上と、酸化物半導体６１３上にフォトリソグラフィー法でレジストパ
ターンを形成し、酸化物半導体６１３の不要部分をドライエッチング法で除去し、酸化物
半導体６１４をアイランド状に形成する。同時にソース電極６１６ａと、ドレイン電極６
１６ｂを形成する（図１５（Ｂ）参照。）。
次に、絶縁体６１２上、ソース電極６１６ａ上、ドレイン電極６１６ｂ上および酸化物半
導体６１４上に、ゲート絶縁体６１８を成膜する。ゲート絶縁体６１８は、上記の絶縁体
６０２と同様の膜と、同様の成膜方法を用いることができる。
ゲート絶縁体６１８上に、ゲート電極６２０を形成する。ゲート電極６２０は、上記ゲー
ト電極６０６と同様の膜と、同様の成膜方法を用いることができる。ゲート電極６２０の
形成は、ゲート電極６２０となる導電体をゲート絶縁体６１８上に成膜する。該導電体上
にフォトリソグラフィー法でレジストマスクを形成して、ドライエッチング法にて不要な
該導電体を除去して形成する。次に、ゲート電極６２０上およびゲート絶縁体６１８上に
、フォトリソグラフィー法でレジストマスクを形成して、ドライエッチング法により、不
要なゲート絶縁体６１８を除去する。または、ゲート絶縁体６１８を除去しなくてもよい
。
次に、絶縁体６１２上、ソース電極６１６ａ上、ドレイン電極６１６ｂ、ゲート絶縁体６
１８上およびゲート電極６２０上に、絶縁体６２２を成膜する（図１５（Ｃ）参照。）。
絶縁体６２２は、上記の絶縁体６０２と同様の膜と、同様の成膜方法を用いることができ
るが、特に、酸素や水素を透過し難い、酸化アルミニウム膜などを用いると好ましい。
以上の作製方法により、実施の形態１のトランジスタを作製することができる。
（実施の形態４）
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。
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体とに分けられ
る。非単結晶酸化物半導体としては、ＣＡＡＣ－ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ
Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半
導体、ｎｃ－ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕ
ｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｌｉ
ｋｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、非晶質酸化物半導体などがある。
また別の観点では、酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体と、それ以外の結晶性酸化物半
導体とに分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、ＣＡＡＣ－Ｏ
Ｓ、多結晶酸化物半導体、ｎｃ－ＯＳなどがある。
非晶質構造の定義としては、一般に、準安定状態で固定化していないこと、等方的であっ
て不均質構造を持たないことなどが知られている。また、結合角度が柔軟であり、短距離
秩序性は有するが、長距離秩序性を有さない構造と言い換えることもできる。
逆の見方をすると、本質的に安定な酸化物半導体の場合、完全な非晶質（ｃｏｍｐｌｅｔ
ｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）酸化物半導体と呼ぶことはできない。また、等方的でない
（例えば、微小な領域において周期構造を有する）酸化物半導体を、完全な非晶質酸化物
半導体と呼ぶことはできない。ただし、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、微小な領域において周期
構造を有するものの、鬆（ボイドともいう。）を有し、不安定な構造である。そのため、
物性的には非晶質酸化物半導体に近いといえる。
まずは、ＣＡＡＣ－ＯＳについて説明する。
ＣＡＡＣ－ＯＳは、ｃ軸配向した複数の結晶部（ペレットともいう。）を有する酸化物半
導体の一つである。
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏ
ｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ－ＯＳの明視野像と回折パターンとの複合解析像（高分
解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察すると、複数のペレットを確認することができる。一方
、高分解能ＴＥＭ像ではペレット同士の境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーとも
いう。）を明確に確認することが困難である。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。
以下では、ＴＥＭによって観察したＣＡＡＣ－ＯＳについて説明する。図１６（Ａ）に、
試料面と略平行な方向から観察したＣＡＡＣ－ＯＳの断面の高分解能ＴＥＭ像を示す。高
分解能ＴＥＭ像の観察には、球面収差補正（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ
Ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ）機能を用いた。球面収差補正機能を用いた高分解能ＴＥＭ像を、
特にＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像と呼ぶ。Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像の取得は、例えば、日
本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡ＪＥＭ－ＡＲＭ２００Ｆなどによって行うこ
とができる。
図１６（Ａ）の領域（１）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を図１６（Ｂ）に示す。
図１６（Ｂ）より、ペレットにおいて、金属原子が層状に配列していることを確認できる
。金属原子の各層の配列は、ＣＡＡＣ－ＯＳの膜を形成する面（被形成面ともいう。）ま
たは上面の凹凸を反映しており、ＣＡＡＣ－ＯＳの被形成面または上面と平行となる。
図１６（Ｂ）に示すように、ＣＡＡＣ－ＯＳは特徴的な原子配列を有する。図１６（Ｃ）
は、特徴的な原子配列を、補助線で示したものである。図１６（Ｂ）および図１６（Ｃ）
より、ペレット一つの大きさは１ｎｍ以上３ｎｍ以下程度であり、ペレットとペレットと
の傾きにより生じる隙間の大きさは０．８ｎｍ程度であることがわかる。したがって、ペ
レットを、ナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）と呼ぶこともできる。また、ＣＡ
ＡＣ－ＯＳを、ＣＡＮＣ（Ｃ－Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）
を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
ここで、Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像をもとに、基板５１２０上のＣＡＡＣ－ＯＳのペレッ
ト５１００の配置を模式的に示すと、レンガまたはブロックが積み重なったような構造と
なる（図１６（Ｄ）参照。）。図１６（Ｃ）で観察されたペレットとペレットとの間で傾
きが生じている箇所は、図１６（Ｄ）に示す領域５１６１に相当する。
また、図１７（Ａ）に、試料面と略垂直な方向から観察したＣＡＡＣ－ＯＳの平面のＣｓ
補正高分解能ＴＥＭ像を示す。図１７（Ａ）の領域（１）、領域（２）および領域（３）
を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を、それぞれ図１７（Ｂ）、図１７（Ｃ）および図
１７（Ｄ）に示す。図１７（Ｂ）、図１７（Ｃ）および図１７（Ｄ）より、ペレットは、
金属原子が三角形状、四角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかし
ながら、異なるペレット間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
次に、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ－Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって解析したＣＡ
ＡＣ－ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ－ＯＳ
に対し、ｏｕｔ－ｏｆ－ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、図１８（Ａ）に示すよう
に回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺ
ｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ－ＯＳの結晶がｃ軸配向性
を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。
なお、ＣＡＡＣ－ＯＳのｏｕｔ－ｏｆ－ｐｌａｎｅ法による構造解析では、２θが３１°
近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる場合がある。２θが３６°近
傍のピークは、ＣＡＡＣ－ＯＳ中の一部に、ｃ軸配向性を有さない結晶が含まれることを
示している。より好ましいＣＡＡＣ－ＯＳは、ｏｕｔ－ｏｆ－ｐｌａｎｅ法による構造解
析では、２θが３１°近傍にピークを示し、２θが３６°近傍にピークを示さない。
一方、ＣＡＡＣ－ＯＳに対し、ｃ軸に略垂直な方向からＸ線を入射させるｉｎ－ｐｌａｎ
ｅ法による構造解析を行うと、２θが５６°近傍にピークが現れる。このピークは、Ｉｎ
ＧａＺｎＯ４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＣＡＡＣ－ＯＳの場合は、２θを５６
°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）として試料を回転させながら分析（
φスキャン）を行っても、図１８（Ｂ）に示すように明瞭なピークは現れない。これに対
し、ＩｎＧａＺｎＯ４の単結晶酸化物半導体であれば、２θを５６°近傍に固定してφス
キャンした場合、図１８（Ｃ）に示すように（１１０）面と等価な結晶面に帰属されるピ
ークが６本観察される。したがって、ＸＲＤを用いた構造解析から、ＣＡＡＣ－ＯＳは、
ａ軸およびｂ軸の配向が不規則であることが確認できる。
次に、電子回折によって解析したＣＡＡＣ－ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺ
ｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ－ＯＳに対し、試料面に平行にプローブ径が３００ｎｍの
電子線を入射させると、図１９（Ａ）に示すような回折パターン（制限視野透過電子回折
パターンともいう。）が現れる場合がある。この回折パターンには、ＩｎＧａＺｎＯ４の
結晶の（００９）面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によっても、
ＣＡＡＣ－ＯＳに含まれるペレットがｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略
垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ
径が３００ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターンを図１９（Ｂ）に示す。図１９
（Ｂ）より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、電子回折によっても、
ＣＡＡＣ－ＯＳに含まれるペレットのａ軸およびｂ軸は配向性を有さないことがわかる。
なお、図１９（Ｂ）における第１リングは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（０１０）面およ
び（１００）面などに起因すると考えられる。また、図１９（Ｂ）における第２リングは
（１１０）面などに起因すると考えられる。
上述したように、ＣＡＡＣ－ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体である。酸化物半導体の結
晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、逆の見方をする
とＣＡＡＣ－ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損など）の少ない酸化物半導体ともいえる。
なお、不純物は、酸化物半導体の主成分以外の元素で、水素、炭素、シリコン、遷移金属
元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体を構成する金属元素よりも酸素
との結合力の強い元素は、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を
乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二
酸化炭素などは、原子半径（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体の原子配列を
乱し、結晶性を低下させる要因となる。
酸化物半導体が不純物や欠陥を有する場合、光や熱などによって特性が変動する場合があ
る。例えば、酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラップとなる場合や、キャリ
ア発生源となる場合がある。また、酸化物半導体中の酸素欠損は、キャリアトラップとな
る場合や、水素を捕獲することによってキャリア発生源となる場合がある。
不純物および酸素欠損の少ないＣＡＡＣ－ＯＳは、キャリア密度の低い酸化物半導体であ
る。具体的には、８×１０１１／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さ
らに好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０－９／ｃｍ３以上のキャリア
密度の酸化物半導体とすることができる。そのような酸化物半導体を、高純度真性または
実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。ＣＡＡＣ－ＯＳは、不純物濃度が低く、欠陥
準位密度が低い。即ち、安定な特性を有する酸化物半導体であるといえる。
次に、ｎｃ－ＯＳについて説明する。
ｎｃ－ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において、結晶部を確認することのできる領域と、明確
な結晶部を確認することが困難な領域と、を有する。ｎｃ－ＯＳに含まれる結晶部は、１
ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の大きさであることが多い。なお、
結晶部の大きさが１０ｎｍより大きく１００ｎｍ以下である酸化物半導体を微結晶酸化物
半導体と呼ぶことがある。ｎｃ－ＯＳは、例えば、高分解能ＴＥＭ像では、結晶粒界を明
確に確認することが困難な場合がある。なお、ナノ結晶は、ＣＡＡＣ－ＯＳにおけるペレ
ットと起源を同じくする可能性がある。そのため、以下ではｎｃ－ＯＳの結晶部をペレッ
トと呼ぶ場合がある。
ｎｃ－ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３
ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ－ＯＳは、異なるペレ
ット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。した
がって、ｎｃ－ＯＳは、分析方法によっては、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質酸化物半導体
と区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ－ＯＳに対し、ペレットよりも大きい径のＸ
線を用いた場合、ｏｕｔ－ｏｆ－ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークは検
出されない。また、ｎｃ－ＯＳに対し、ペレットよりも大きいプローブ径（例えば５０ｎ
ｍ以上）の電子線を用いる電子回折を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観
測される。一方、ｎｃ－ＯＳに対し、ペレットの大きさと近いかペレットより小さいプロ
ーブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、ｎ
ｃ－ＯＳに対しナノビーム電子回折を行うと、円を描くように（リング状に）輝度の高い
領域が観測される場合がある。さらに、リング状の領域内に複数のスポットが観測される
場合がある。
このように、ペレット（ナノ結晶）間では結晶方位が規則性を有さないことから、ｎｃ－
ＯＳを、ＲＡＮＣ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有す
る酸化物半導体、またはＮＡＮＣ（Ｎｏｎ－Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ
）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
ｎｃ－ＯＳは、非晶質酸化物半導体よりも規則性の高い酸化物半導体である。そのため、
ｎｃ－ＯＳは、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる
。ただし、ｎｃ－ＯＳは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため
、ｎｃ－ＯＳは、ＣＡＡＣ－ＯＳと比べて欠陥準位密度が高くなる。
ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半
導体である。
ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において鬆が観察される場合がある。また、高
分解能ＴＥＭ像において、明確に結晶部を確認することのできる領域と、結晶部を確認す
ることが困難な領域と、を有する。
鬆を有するため、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、不安定な構造である。以下では、ａ－ｌｉｋｅ
ＯＳが、ＣＡＡＣ－ＯＳおよびｎｃ－ＯＳと比べて不安定な構造であることを示すため
、電子照射による構造の変化を示す。
電子照射を行う試料として、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ（試料Ａと表記する。）、ｎｃ－ＯＳ（
試料Ｂと表記する。）およびＣＡＡＣ－ＯＳ（試料Ｃと表記する。）を準備する。いずれ
の試料もＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物である。
まず、各試料の高分解能断面ＴＥＭ像を取得する。高分解能断面ＴＥＭ像により、各試料
は、いずれも結晶部を有することがわかる。
なお、どの部分を一つの結晶部と見なすかの判定は、以下のように行えばよい。例えば、
ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の単位格子は、Ｉｎ－Ｏ層を３層有し、またＧａ－Ｚｎ－Ｏ層を
６層有する、計９層がｃ軸方向に層状に重なった構造を有することが知られている。これ
らの近接する層同士の間隔は、（００９）面の格子面間隔（ｄ値ともいう。）と同程度で
あり、結晶構造解析からその値は０．２９ｎｍと求められている。したがって、格子縞の
間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所を、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶部と見
なすことができる。なお、格子縞は、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａ－ｂ面に対応する。
図２０は、各試料の結晶部（２２箇所から４５箇所）の平均の大きさを調査した例である
。ただし、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図２０より、ａ－ｌｉｋ
ｅ ＯＳは、電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなっていくことがわかる。具体的
には、図２０中に（１）で示すように、ＴＥＭによる観察初期においては１．２ｎｍ程度
の大きさだった結晶部（初期核ともいう。）が、累積照射量が４．２×１０８ｅ－／ｎｍ
２においては２．６ｎｍ程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、ｎｃ－ＯＳ
およびＣＡＡＣ－ＯＳは、電子照射開始時から電子の累積照射量が４．２×１０８ｅ－／
ｎｍ２までの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。具体的には、図
２０中の（２）および（３）で示すように、電子の累積照射量によらず、ｎｃ－ＯＳおよ
びＣＡＡＣ－ＯＳの結晶部の大きさは、それぞれ１．４ｎｍ程度および２．１ｎｍ程度で
あることがわかる。
このように、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、電子照射によって結晶部の成長が見られる場合があ
る。一方、ｎｃ－ＯＳおよびＣＡＡＣ－ＯＳは、電子照射による結晶部の成長がほとんど
見られないことがわかる。即ち、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳおよびＣＡＡＣ－Ｏ
Ｓと比べて、不安定な構造であることがわかる。
また、鬆を有するため、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳおよびＣＡＡＣ－ＯＳと比べ
て密度の低い構造である。具体的には、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶
の密度の７８．６％以上９２．３％未満となる。また、ｎｃ－ＯＳの密度およびＣＡＡＣ
－ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の９２．３％以上１００％未満となる。単結晶
の密度の７８％未満となる酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、菱
面体晶構造を有する単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４の密度は６．３５７ｇ／ｃｍ３となる。よっ
て、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において
、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳの密度は５．０ｇ／ｃｍ３以上５．９ｇ／ｃｍ３未満となる。また
、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、
ｎｃ－ＯＳの密度およびＣＡＡＣ－ＯＳの密度は５．９ｇ／ｃｍ３以上６．３ｇ／ｃｍ３
未満となる。
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合がある。その場合、任意の割合で組成の異なる
単結晶を組み合わせることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もる
ことができる。所望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせ
る割合に対して、加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない
種類の単結晶を組み合わせて見積もることが好ましい。
以上のように、酸化物半導体は、様々な構造をとり、それぞれが様々な特性を有する。な
お、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ、ｎｃ－ＯＳ、
ＣＡＡＣ－ＯＳのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
（実施の形態５）
本実施の形態では、実施の形態１で説明したトランジスタを利用した半導体装置について
一例を説明する。
図２１（Ａ）に、記憶装置の回路の一例を示し、図２１（Ｂ）には、断面図を示す。
基板３５０は、シリコンや炭化シリコンなどを材料とした単結晶半導体基板、多結晶半導
体基板、シリコンゲルマニウムなどを材料とした化合物半導体基板、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃ
ｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などを使用することもできる。
基板３５０上にトランジスタ３００を形成する。トランジスタ３００は、図２１（Ｂ）に
示したように、サイドウォール３５５を有するプレナー型トランジスタを用いることがで
きる。トランジスタは、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）
３５１を形成して素子分離した。また、トランジスタ３００は、Ｆｉｎ形トランジスタを
用いてもよい。また、トランジスタ３００は、ｐチャネル型トランジスタを用いてもよく
、ｎチャネル型トランジスタを用いてもよい。または、両方を用いてもよい。
本実施の形態では、トランジスタ３００はチャネル形成領域にシリコン単結晶を用いてい
るが、チャネル形成領域に、たとえば、酸化物半導体を用いてもよく、シリコン単結晶に
限定されるものではない。また、ゲート絶縁体としての機能を有する絶縁体３５４として
は、例えば、シリコン単結晶を熱酸化した酸化シリコンを用いればよい。ほかにも、酸化
シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニ
ウム膜、窒化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜などを用いることができる。成膜方法は
、熱酸化法、ＣＶＤ法、スパッタ法、ＡＬＤ法、プラズマ酸化法、プラズマ窒化法などを
用いることができる。または、適宜、上述の膜から選択して、積層膜とすることもできる
。
トランジスタ３００上、ＳＴＩ３５１上、及び拡散層３５３上に絶縁体３６０を成膜し、
ＣＭＰを行い絶縁体３６０表面の平坦化を行う。絶縁体３６０としては、酸化シリコン膜
、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、窒
化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜などを用いることができる。成膜方法は、熱酸化法
、ＣＶＤ法、スパッタ法、ＡＬＤ法、プラズマ酸化法、プラズマ窒化法などを用いること
ができる。平坦化は、他の処理を用いてもよい。または、ＣＭＰと、エッチング（ドライ
エッチング、ウエットエッチング）やプラズマ処理などを組み合わせてもよい。
絶縁体３６０にトランジスタ３００のゲート電極３３０の上面に達するコンタクトホール
と、拡散層３５３の上面に達するコンタクトホールを形成して、導電体をコンタクトホー
ル内に埋め込み、絶縁体３６０の上面が露出するまでＣＭＰを行い、プラグ３７０、プラ
グ３７１、プラグ３７２を形成する。プラグ３７０、プラグ３７１、プラグ３７２は、た
とえば、タンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデン
タングステン合金、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることがで
きる。または、上記から適宜複数選択して積層膜を成膜してもよい。成膜方法は、スパッ
タ法、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法、メッキ法などを用いることができる。積層膜の成膜は、上記
から複数の形成方法を用いてもよい。
次に絶縁体３６０上に導電体を成膜して配線層３７３、配線層３７４、配線層３７５を形
成する。配線層３７３、配線層３７４、配線層３７５は、上述した、プラグ３７０、プラ
グ３７１、プラグ３７２と同様の膜と成膜方法を用いることができる。
絶縁体３６０上及び、配線層３７３、配線層３７４、配線層３７５上に絶縁体３６１を成
膜し、ＣＭＰを行い絶縁体３６１表面の平坦化を行う。絶縁体３６１は、上述した絶縁体
３６０と同様の膜と、成膜方法を用いることができる。
絶縁体３６１に、配線層３７３、配線層３７４、配線層３７５のそれぞれの上面に達する
コンタクトホールと、溝とを形成して、導電体をコンタクトホールと、溝に埋め込む。次
に絶縁体３６１の上面が露出するまでＣＭＰを行い、プラグと、配線層を兼ねた、配線層
３７６、配線層３７７、配線層３７８を形成する。配線層３７６、配線層３７７、配線層
３７８は、上述した、プラグ３７０、プラグ３７１、プラグ３７２と同様の膜と成膜方法
を用いることができる。
次に絶縁体３６１上と、配線層３７６、配線層３７７、配線層３７８上に絶縁体３６２を
成膜して、上述の絶縁体３６１と同様の方法で、プラグと、配線層を兼ねた、配線層３７
９、配線層３８０、配線層３８１を形成する。絶縁体３６２は、上述した絶縁体３６０と
同様の膜と、成膜方法を用いることができる。配線層３７９、配線層３８０、配線層３８
１は、上述した、プラグ３７０、プラグ３７１、プラグ３７２と同様の膜と成膜方法を用
いることができる。このプラグと、配線層を兼ねた、配線層の形成は、必要に応じて、上
述の方法を繰り返して形成することができるので、高い集積度の半導体装置を作製できる
。
次に絶縁体３６２上と、配線層３７９、配線層３８０、配線層３８１上に絶縁体３６３を
成膜する。絶縁体３６３は、上述した絶縁体３６０と同様の膜と、成膜方法を用いること
ができる。絶縁体３６３は、好ましくは水素を透過しにくい機能を有しているとよい。ま
たは、絶縁体３６３は、成膜しなくてもよい。
絶縁体３６３上に絶縁体３０２を成膜する。絶縁体３０２は、上述した絶縁体３６０と同
様の膜と、成膜方法を用いることができる。絶縁体３０２は、好ましくは酸素を透過しに
くい機能を有しているとよい。たとえば、酸化アルミニウムなどを用いてもよい。
次に、実施の形態３で説明した方法でトランジスタ３１０を形成する。次に、トランジス
タ３１０上に絶縁体３０３を成膜する。絶縁体３０３は、上述した絶縁体３６０と同様の
膜と、成膜方法を用いることができる。絶縁体３０３は、好ましくは酸素を透過しにくい
機能を有しているとよい。たとえば、酸化アルミニウムなどを用いてもよい。
トランジスタ３００のチャネル形成領域近傍に設けられる絶縁体中の水素はシリコンのダ
ングリングボンドを終端し、トランジスタ３００の信頼性を向上させる効果がある。一方
、トランジスタ３１０などの近傍に設けられる絶縁体中の水素は、酸化物半導体中にキャ
リアを生成する要因の一つとなる。そのため、トランジスタ３１０の信頼性を低下させる
要因となる場合がある。したがって、シリコン系半導体を用いたトランジスタの上層に酸
化物半導体を用いたトランジスタを積層して設ける場合、これらの間に水素をブロックす
る機能を有する絶縁体３０２を設けることが好ましい。絶縁体３０２より下層に水素を閉
じ込めることで、トランジスタ３００の信頼性を向上させることができる。さらに、絶縁
体３０２より下層から、絶縁体３０２より上層に水素が拡散することを抑制できるため、
トランジスタ３１０の信頼性を向上させることができる。また、トランジスタ３１０上に
絶縁体３０３を設けることにより、酸化物半導体中の酸素の拡散を防ぐことができて好ま
しい。図２１（Ｂ）のように、トランジスタ３１０を、絶縁体３０２と、絶縁体３０３と
、で包み込む構造とし、さらに絶縁体３０２と、絶縁体３０３とを、コンタクトホール３
０４により接続し、封止するとより好ましい。
次に、絶縁体３０８を成膜し、プラグ３８２、プラグ３８３、プラグ３８４を形成する。
プラグ３８２上と、プラグ３８３上と、プラグ３８４上と、にそれぞれ、配線層３８５、
配線層３８６、配線層３８７を形成する。プラグ３８２、プラグ３８３、プラグ３８４、
配線層３８５、配線層３８６、配線層３８７は、上述した、プラグ３７０、プラグ３７１
、プラグ３７２と同様の膜と成膜方法を用いることができる。好ましくは、プラグ３８２
、プラグ３８３、プラグ３８４、配線層３８５、配線層３８６、配線層３８７は、水素を
透過しにくい構造とするとよい。たとえば、窒化チタン上にタングステンなどを形成して
２層構造としてもよい。
次に絶縁体３０８上と、配線層３８５上と、配線層３８６上と、配線層３８７上と、に絶
縁体３６４を成膜し、ＣＭＰを行い絶縁体３６４表面の平坦化を行う。絶縁体３６４は、
上述した絶縁体３６０と同様の膜と、成膜方法を用いることができる。
絶縁体３６４に、配線層３８６、配線層３８７の上面に達するコンタクトホールを形成し
て、導電体をコンタクトホール内に埋め込み、絶縁体３６４の上面が露出するまでＣＭＰ
を行い、プラグ３８８と、プラグ３８９を形成する。プラグ３８８と、プラグ３８９は、
上述した、プラグ３７０、プラグ３７１、プラグ３７２と同様の膜と成膜方法を用いるこ
とができる。
次に絶縁体３６４上に導電体を成膜して、容量素子３１５の一方の電極３４１と、配線層
３９０を形成する。電極３４１と、配線層３９０は、上述した、プラグ３７０、プラグ３
７１、プラグ３７２と同様の膜と成膜方法を用いることができる。次に、容量素子３１５
は、他方の電極３４２を一方の電極３４１上の絶縁体を介して重なるように形成する。次
に、絶縁体３６５を成膜し、ＣＭＰを行い絶縁体３６５表面の平坦化を行う。絶縁体３６
５は、上述した絶縁体３６０と同様の膜と、成膜方法を用いることができる。
絶縁体３６５に容量素子３１５の他方の電極３４２の上面に達するコンタクトホールを形
成し、一方、配線層３９０の上面に達するコンタクトホールを形成し、導電体をコンタク
トホール内に埋め込み、絶縁体３６５の上面が露出するまでＣＭＰを行い、プラグ３９１
と、プラグ３９２を形成する。プラグ３９１と、プラグ３９２は、上述した、プラグ３７
０、プラグ３７１、プラグ３７２と同様の膜と成膜方法を用いることができる。
次に絶縁体３６５上に導電体を成膜して、配線層３９３と、配線層３９４を形成する。配
線層３９３と、配線層３９４は、上述した、プラグ３７０、プラグ３７１、プラグ３７２
と同様の膜と成膜方法を用いることができる。
また、図２１（Ｂ）に示す、プレーナー型の容量素子３１５を、図２２に示す、シリンダ
ー型の容量素子３２０のように形成しても良い。シリンダー型の容量素子３２０は、プレ
ーナ型の容量素子３１５よりも、小さな面積で、容量素子を作製できるので、より好まし
い。
以上の工程により、本発明の一態様の半導体装置を作製することができる。
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み
合わせて実施することができる。
（実施の形態６）
＜撮像装置＞
以下では、本発明の一態様に係る撮像装置について説明する。
図２３（Ａ）は、本発明の一態様に係る撮像装置２００の例を示す上面図である。撮像装
置２００は、画素部２１０と、画素部２１０を駆動するための周辺回路２６０と、周辺回
路２７０、周辺回路２８０と、周辺回路２９０と、を有する。画素部２１０は、ｐ行ｑ列
（ｐおよびｑは２以上の整数）のマトリクス状に配置された複数の画素２１１を有する。
周辺回路２６０、周辺回路２７０、周辺回路２８０および周辺回路２９０は、それぞれ複
数の画素２１１に接続し、複数の画素２１１を駆動するための信号を供給する機能を有す
る。なお、本明細書等において、周辺回路２６０、周辺回路２７０、周辺回路２８０およ
び周辺回路２９０などの全てを指して「周辺回路」または「駆動回路」と呼ぶ場合がある
。例えば、周辺回路２６０は周辺回路の一部といえる。
また、撮像装置２００は、光源２９１を有することが好ましい。光源２９１は、検出光Ｐ
１を放射することができる。
また、周辺回路は、少なくとも、論理回路、スイッチ、バッファ、増幅回路、または変換
回路の１つを有する。また、周辺回路は、画素部２１０を形成する基板上に作製してもよ
い。また、周辺回路の一部または全部にＩＣ等の半導体装置を用いてもよい。なお、周辺
回路は、周辺回路２６０、周辺回路２７０、周辺回路２８０および周辺回路２９０のいず
れか一以上を省略してもよい。
また、図２３（Ｂ）に示すように、撮像装置２００が有する画素部２１０において、画素
２１１を傾けて配置してもよい。画素２１１を傾けて配置することにより、行方向および
列方向の画素間隔（ピッチ）を短くすることができる。これにより、撮像装置２００にお
ける撮像の品質をより高めることができる。
＜画素の構成例１＞
撮像装置２００が有する１つの画素２１１を複数の副画素２１２で構成し、それぞれの副
画素２１２に特定の波長帯域の光を透過するフィルタ（カラーフィルタ）を組み合わせる
ことで、カラー画像表示を実現するための情報を取得することができる。
図２４（Ａ）は、カラー画像を取得するための画素２１１の一例を示す上面図である。図
２４（Ａ）に示す画素２１１は、赤（Ｒ）の波長帯域の光を透過するカラーフィルタが設
けられた副画素２１２（以下、「副画素２１２Ｒ」ともいう）、緑（Ｇ）の波長帯域の光
を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２（以下、「副画素２１２Ｇ」ともい
う）および青（Ｂ）の波長帯域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２
（以下、「副画素２１２Ｂ」ともいう）を有する。副画素２１２は、フォトセンサとして
機能させることができる。
副画素２１２（副画素２１２Ｒ、副画素２１２Ｇ、および副画素２１２Ｂ）は、配線２３
１、配線２４７、配線２４８、配線２４９、配線２５０と電気的に接続される。また、副
画素２１２Ｒ、副画素２１２Ｇ、および副画素２１２Ｂは、それぞれが独立した配線２５
３に接続している。また、本明細書等において、例えばｎ行目の画素２１１に接続された
配線２４８および配線２４９を、それぞれ配線２４８［ｎ］および配線２４９［ｎ］と記
載する。また、例えばｍ列目の画素２１１に接続された配線２５３を、配線２５３［ｍ］
と記載する。なお、図２４（Ａ）において、ｍ列目の画素２１１が有する副画素２１２Ｒ
に接続する配線２５３を配線２５３［ｍ］Ｒ、副画素２１２Ｇに接続する配線２５３を配
線２５３［ｍ］Ｇ、および副画素２１２Ｂに接続する配線２５３を配線２５３［ｍ］Ｂと
記載している。副画素２１２は、上記配線を介して周辺回路と電気的に接続される。
また、撮像装置２００は、隣接する画素２１１の、同じ波長帯域の光を透過するカラーフ
ィルタが設けられた副画素２１２同士がスイッチを介して電気的に接続する構成を有する
。図２４（Ｂ）に、ｎ行（ｎは１以上ｐ以下の整数）ｍ列（ｍは１以上ｑ以下の整数）に
配置された画素２１１が有する副画素２１２と、該画素２１１に隣接するｎ＋１行ｍ列に
配置された画素２１１が有する副画素２１２の接続例を示す。図２４（Ｂ）において、ｎ
行ｍ列に配置された副画素２１２Ｒと、ｎ＋１行ｍ列に配置された副画素２１２Ｒがスイ
ッチ２０１を介して接続されている。また、ｎ行ｍ列に配置された副画素２１２Ｇと、ｎ
＋１行ｍ列に配置された副画素２１２Ｇがスイッチ２０２を介して接続されている。また
、ｎ行ｍ列に配置された副画素２１２Ｂと、ｎ＋１行ｍ列に配置された副画素２１２Ｂが
スイッチ２０３を介して接続されている。
なお、副画素２１２に用いるカラーフィルタは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）に限定さ
れず、それぞれシアン（Ｃ）、黄（Ｙ）およびマゼンダ（Ｍ）の光を透過するカラーフィ
ルタを用いてもよい。１つの画素２１１に３種類の異なる波長帯域の光を検出する副画素
２１２を設けることで、フルカラー画像を取得することができる。
または、それぞれ赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の光を透過するカラーフィルタが設
けられた副画素２１２に加えて、黄（Ｙ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副
画素２１２を有する画素２１１を用いてもよい。または、それぞれシアン（Ｃ）、黄（Ｙ
）およびマゼンダ（Ｍ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２に加え
て、青（Ｂ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２を有する画素２１
１を用いてもよい。１つの画素２１１に４種類の異なる波長帯域の光を検出する副画素２
１２を設けることで、取得した画像の色の再現性をさらに高めることができる。
また、例えば、図２４（Ａ）において、赤の波長帯域を検出する副画素２１２、緑の波長
帯域を検出する副画素２１２、および青の波長帯域を検出する副画素２１２の画素数比（
または受光面積比）は、１：１：１でなくても構わない。例えば、画素数比（受光面積比
）を赤：緑：青＝１：２：１とするＢａｙｅｒ配列としてもよい。または、画素数比（受
光面積比）を赤：緑：青＝１：６：１としてもよい。
なお、画素２１１に設ける副画素２１２は１つでもよいが、２つ以上が好ましい。例えば
、同じ波長帯域を検出する副画素２１２を２つ以上設けることで、冗長性を高め、撮像装
置２００の信頼性を高めることができる。
また、可視光を吸収または反射して、赤外光を透過するＩＲ（ＩＲ：Ｉｎｆｒａｒｅｄ）
フィルタを用いることで、赤外光を検出する撮像装置２００を実現することができる。
また、ＮＤ（ＮＤ：Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタ（減光フィルタ）を用い
ることで、光電変換素子（受光素子）に大光量光が入射した時に生じる出力飽和すること
を防ぐことができる。減光量の異なるＮＤフィルタを組み合わせて用いることで、撮像装
置のダイナミックレンジを大きくすることができる。
また、前述したフィルタ以外に、画素２１１にレンズを設けてもよい。ここで、図２５の
断面図を用いて、画素２１１、フィルタ２５４、レンズ２５５の配置例を説明する。レン
ズ２５５を設けることで、光電変換素子が入射光を効率よく受光することができる。具体
的には、図２５（Ａ）に示すように、画素２１１に形成したレンズ２５５、フィルタ２５
４（フィルタ２５４Ｒ、フィルタ２５４Ｇおよびフィルタ２５４Ｂ）、および画素回路２
３０等を通して光２５６を光電変換素子２２０に入射させる構造とすることができる。
ただし、一点鎖線で囲んだ領域に示すように、矢印で示す光２５６の一部が配線２５７の
一部によって遮光されてしまうことがある。したがって、図２５（Ｂ）に示すように光電
変換素子２２０側にレンズ２５５およびフィルタ２５４を配置して、光電変換素子２２０
が光２５６を効率良く受光させる構造が好ましい。光電変換素子２２０側から光２５６を
光電変換素子２２０に入射させることで、検出感度の高い撮像装置２００を提供すること
ができる。
図２５に示す光電変換素子２２０として、ｐｎ型接合またはｐｉｎ型の接合が形成された
光電変換素子を用いてもよい。
また、光電変換素子２２０を、放射線を吸収して電荷を発生させる機能を有する物質を用
いて形成してもよい。放射線を吸収して電荷を発生させる機能を有する物質としては、セ
レン、ヨウ化鉛、ヨウ化水銀、ヒ化ガリウム、テルル化カドミウム、カドミウム亜鉛合金
等がある。
例えば、光電変換素子２２０にセレンを用いると、可視光や、紫外光、赤外光に加えて、
Ｘ線や、ガンマ線といった幅広い波長帯域にわたって光吸収係数を有する光電変換素子２
２０を実現できる。
ここで、撮像装置２００が有する１つの画素２１１は、図２５に示す副画素２１２に加え
て、第１のフィルタを有する副画素２１２を有してもよい。
＜画素の構成例２＞
以下では、シリコンを用いたトランジスタと、本発明に係る酸化物半導体を用いたトラン
ジスタと、を用いて画素を構成する一例について説明する。
図２６、図２７は、撮像装置を構成する素子の断面図である。図２６に示す撮像装置は、
シリコン基板５００に設けられたシリコンを用いたトランジスタ５５１と、トランジスタ
５５１上に積層して配置された酸化物半導体を用いたトランジスタ５５２およびトランジ
スタ５５３と、シリコン基板５００に設けられたフォトダイオード５６０と、マイクロレ
ンズアレイ層５９０、カラーフィルター層５９２および遮光層５９４と、を含む。各トラ
ンジスタおよびフォトダイオード５６０のカソード５６２は、種々のプラグ５７０および
配線５７１と電気的な接続を有する。また、フォトダイオード５６０のアノード５６１は
、低抵抗領域５６３を介してプラグ５７０と電気的に接続を有する。
また撮像装置は、シリコン基板５００に設けられたトランジスタ５５１およびフォトダイ
オード５６０を有する層５１０と、層５１０と接して設けられ、配線５７１を有する層５
２０と、層５２０と接して設けられ、トランジスタ５５２およびトランジスタ５５３を有
する層５３０と、層５３０と接して設けられ、配線５７２および配線５７３を有する層５
４０を備えている。
なお図２６の断面図の一例では、シリコン基板５００において、トランジスタ５５１が形
成された面とは逆側の面にフォトダイオード５６０の受光面を有する構成とする。該構成
とすることで、各種トランジスタや配線などの影響を受けずに光路を確保することができ
る。そのため、高開口率の画素を形成することができる。なお、フォトダイオード５６０
の受光面をトランジスタ５５１が形成された面と同じとすることもできる。
なお、酸化物半導体を用いたトランジスタを用いて画素を構成する場合には、層５３０を
、トランジスタを有する層とすればよい。または層５１０を省略し、酸化物半導体を用い
たトランジスタのみで画素を構成してもよい。
なお、シリコンを用いたトランジスタを用いて画素を構成する場合には、層５３０を省略
すればよい。層５３０を省略した断面図の一例を図２７に示す。
なお、シリコン基板５００は、ＳＯＩ基板であってもよい。また、シリコン基板５００に
替えて、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ヒ化ガリウム、ヒ化アル
ミニウムガリウム、リン化インジウム、窒化ガリウムまたは有機半導体を有する基板を用
いることもできる。
ここで、トランジスタ５５１およびフォトダイオード５６０を有する層５１０と、トラン
ジスタ５５２およびトランジスタ５５３を有する層５３０と、の間には絶縁体５８０が設
けられる。ただし、絶縁体５８０の位置は限定されない。
トランジスタ５５１のチャネル形成領域近傍に設けられる絶縁体中の水素はシリコンのダ
ングリングボンドを終端し、トランジスタ５５１の信頼性を向上させる効果がある。一方
、トランジスタ５５２およびトランジスタ５５３などの近傍に設けられる絶縁体中の水素
は、酸化物半導体中にキャリアを生成する要因の一つとなる。そのため、トランジスタ５
５２およびトランジスタ５５３などの信頼性を低下させる要因となる場合がある。したが
って、シリコン系半導体を用いたトランジスタの上層に酸化物半導体を用いたトランジス
タを積層して設ける場合、これらの間に水素をブロックする機能を有する絶縁体５８０を
設けることが好ましい。絶縁体５８０より下層に水素を閉じ込めることで、トランジスタ
５５１の信頼性を向上させることができる。さらに、絶縁体５８０より下層から、絶縁体
５８０より上層に水素が拡散することを抑制できるため、トランジスタ５５２およびトラ
ンジスタ５５３などの信頼性を向上させることができる。また、トランジスタ５５２およ
びトランジスタ５５３上に絶縁体５８１を設けることにより、酸化物半導体中の酸素の拡
散を防ぐことができて好ましい。図２６のように、トランジスタ５５２およびトランジス
タ５５３を、絶縁体５８０と、絶縁体５８１とで包み込む構造とし、さらに絶縁体５８０
と、絶縁体５８１とを、コンタクトホール５８３により接続し、封止するとより好ましい
。
絶縁体５８０としては、例えば、絶縁体３６３の記載を参照する。
また、図２６の断面図において、層５１０に設けるフォトダイオード５６０と、層５３０
に設けるトランジスタとを重なるように形成することができる。そうすると、画素の集積
度を高めることができる。すなわち、撮像装置の解像度を高めることができる。
また、図２８（Ａ１）および図２８（Ｂ１）に示すように、撮像装置の一部または全部を
湾曲させてもよい。図２８（Ａ１）は、撮像装置を同図中の一点鎖線Ｘ１－Ｘ２の方向に
湾曲させた状態を示している。図２８（Ａ２）は、図２８（Ａ１）中の一点鎖線Ｘ１－Ｘ
２で示した部位の断面図である。図２８（Ａ３）は、図２８（Ａ１）中の一点鎖線Ｙ１－
Ｙ２で示した部位の断面図である。
図２８（Ｂ１）は、撮像装置を同図中の一点鎖線Ｘ３－Ｘ４の方向に湾曲させ、かつ、同
図中の一点鎖線Ｙ３－Ｙ４の方向に湾曲させた状態を示している。図２８（Ｂ２）は、図
２８（Ｂ１）中の一点鎖線Ｘ３－Ｘ４で示した部位の断面図である。図２８（Ｂ３）は、
図２８（Ｂ１）中の一点鎖線Ｙ３－Ｙ４で示した部位の断面図である。
撮像装置を湾曲させることで、像面湾曲や非点収差を低減することができる。よって、撮
像装置と組み合わせて用いるレンズなどの光学設計を容易とすることができる。例えば、
収差補正のためのレンズ枚数を低減できるため、撮像装置を用いた電子機器などの小型化
や軽量化を実現することができる。また、撮像された画像の品質を向上させる事ができる
。
（実施の形態７）
以下では、本発明の一態様に係る表示装置について、図２９および図３０を用いて説明す
る。
表示装置に用いられる表示素子としては液晶素子（液晶表示素子ともいう。）、発光素子
（発光表示素子ともいう。）などを用いることができる。発光素子は、電流または電圧に
よって輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、有機ＥＬなどを含む。以下では、表示装置の一例とし
てＥＬ素子を用いた表示装置（ＥＬ表示装置）および液晶素子を用いた表示装置（液晶表
示装置）について説明する。
なお、以下に示す表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコ
ントローラを含むＩＣなどを実装した状態にあるモジュールとを含む。
また、以下に示す表示装置は画像表示デバイス、または光源（照明装置含む）を指す。ま
た、コネクター、例えばＦＰＣ、ＴＣＰが取り付けられたモジュール、ＴＣＰの先にプリ
ント配線板を有するモジュールまたは表示素子にＣＯＧ方式によりＩＣ（集積回路）が直
接実装されたモジュールも全て表示装置に含むものとする。
図２９は、本発明の一態様に係るＥＬ表示装置の一例である。図２９（Ａ）に、ＥＬ表示
装置の画素の回路図を示す。図２９（Ｂ）は、ＥＬ表示装置全体を示す上面図である。ま
た、図２９（Ｃ）は、図２９（Ｂ）の一点鎖線Ｍ－Ｎの一部に対応するＭ－Ｎ断面である
。
図２９（Ａ）は、ＥＬ表示装置に用いられる画素の回路図の一例である。
なお、本明細書等においては、能動素子（トランジスタ、ダイオードなど）、受動素子（
容量素子、抵抗素子など）などが有するすべての端子について、その接続先を特定しなく
ても、当業者であれば、発明の一態様を構成することは可能な場合がある。つまり、接続
先を特定しなくても、発明の一態様が明確であるといえる。そして、接続先が特定された
内容が、本明細書等に記載されている場合、接続先を特定しない発明の一態様が、本明細
書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。特に、端子の接続先として複
数の箇所が想定される場合には、その端子の接続先を特定の箇所に限定する必要はない。
したがって、能動素子（トランジスタ、ダイオードなど）、受動素子（容量素子、抵抗素
子など）などが有する一部の端子についてのみ、その接続先を特定することによって、発
明の一態様を構成することが可能な場合がある。
なお、本明細書等においては、ある回路について、少なくとも接続先を特定すれば、当業
者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。または、ある回路について、少な
くとも機能を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。つ
まり、機能を特定すれば、発明の一態様が明確であるといえる。そして、機能が特定され
た発明の一態様が、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。し
たがって、ある回路について、機能を特定しなくても、接続先を特定すれば、発明の一態
様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。または
、ある回路について、接続先を特定しなくても、機能を特定すれば、発明の一態様として
開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。
図２９（Ａ）に示すＥＬ表示装置は、スイッチ素子７４３と、トランジスタ７４１と、容
量素子７４２と、発光素子７１９と、を有する。
なお、図２９（Ａ）などは、回路構成の一例であるため、さらに、トランジスタを追加す
ることが可能である。逆に、図２９（Ａ）の各ノードにおいて、トランジスタ、スイッチ
、受動素子などを追加しないようにすることも可能である。
トランジスタ７４１のゲートはスイッチ素子７４３の一端および容量素子７４２の一方の
電極と電気的に接続される。トランジスタ７４１のソースは容量素子７４２の他方の電極
と電気的に接続され、発光素子７１９の一方の電極と電気的に接続される。トランジスタ
７４１のドレインは電源電位ＶＤＤが与えられる。スイッチ素子７４３の他端は信号線７
４４と電気的に接続される。発光素子７１９の他方の電極は定電位が与えられる。なお、
定電位は接地電位ＧＮＤまたはそれより小さい電位とする。
スイッチ素子７４３としては、トランジスタを用いると好ましい。トランジスタを用いる
ことで、画素の面積を小さくでき、解像度の高いＥＬ表示装置とすることができる。また
、スイッチ素子７４３として、トランジスタ７４１と同一工程を経て作製されたトランジ
スタを用いると、ＥＬ表示装置の生産性を高めることができる。なお、トランジスタ７４
１または／およびスイッチ素子７４３としては、例えば、上述したトランジスタを適用す
ることができる。
図２９（Ｂ）は、ＥＬ表示装置の上面図である。ＥＬ表示装置は、基板７００と、基板７
５０と、シール材７３４と、駆動回路７３５と、駆動回路７３６と、画素７３７と、ＦＰ
Ｃ７３２と、を有する。シール材７３４は、画素７３７、駆動回路７３５および駆動回路
７３６を囲むように基板７００と基板７５０との間に配置される。なお、駆動回路７３５
または／および駆動回路７３６をシール材７３４の外側に配置しても構わない。
図２９（Ｃ）は、図２９（Ｂ）の一点鎖線Ｍ－Ｎの一部に対応するＥＬ表示装置の断面図
である。
図２９（Ｃ）には、トランジスタ７４１として、基板７００上の絶縁体７０８と、絶縁体
７０８に埋め込まれた導電体７０４ａと、を有し、絶縁体７０８上および導電体７０４ａ
上の絶縁体７１２ａと、絶縁体７１２ａ上の電子捕獲層７１５と、絶縁体７１２ａ上、電
子捕獲層７１５上の絶縁体７１２ｂと、絶縁体７１２ｂ上にあり導電体７０４ａと重なる
領域を有する半導体７０６と、半導体７０６と接する導電体７１６ａおよび導電体７１６
ｂと、半導体７０６上、導電体７１６ａ上および導電体７１６ｂ上の絶縁体７１８ａと、
絶縁体７１８ａ上の絶縁体７１８ｂと、絶縁体７１８ｂ上の絶縁体７１８ｃと、絶縁体７
１８ｃ上にあり半導体７０６と重なる導電体７１４ａと、を有する構造を示す。なお、ト
ランジスタ７４１の構造は一例であり、図２９（Ｃ）に示す構造と異なる構造であっても
構わない。
したがって、図２９（Ｃ）に示すトランジスタ７４１において、導電体７０４ａはゲート
電極としての機能を有し、電子捕獲層７１５は、電子を捕獲する機能を有し、絶縁体７１
２ａおよび絶縁体７１２ｂはゲート絶縁体としての機能を有し、導電体７１６ａはソース
電極としての機能を有し、導電体７１６ｂはドレイン電極としての機能を有し、絶縁体７
１８ａ、絶縁体７１８ｂおよび絶縁体７１８ｃはゲート絶縁体としての機能を有し、導電
体７１４ａはゲート電極としての機能を有する。なお、半導体７０６は、光が当たること
で電気特性が変動する場合がある。したがって、導電体７０４ａ、導電体７１６ａ、導電
体７１６ｂ、導電体７１４ａのいずれか一以上が遮光性を有すると好ましい。
なお、絶縁体７１８ａおよび絶縁体７１８ｂの界面を破線で表したが、これは両者の境界
が明確でない場合があることを示す。例えば、絶縁体７１８ａおよび絶縁体７１８ｂとし
て、同種の絶縁体を用いた場合、観察手法によっては両者の区別が付かない場合がある。
図２９（Ｃ）には、容量素子７４２として、基板７００上の絶縁体７０８と、絶縁体７０
８に埋め込まれた導電体７０４ｂと、絶縁体７０８上および導電体７０４ｂ上の絶縁体７
１２ａと、絶縁体７１２ａ上の絶縁体７１２ｂと、絶縁体７１２ｂ上にあり導電体７０４
ｂと重なる導電体７１６ａと、導電体７１６ａ上の絶縁体７１８ａと、絶縁体７１８ａ上
の絶縁体７１８ｂと、絶縁体７１８ｂ上の絶縁体７１８ｃと、絶縁体７１８ｃ上にあり導
電体７１６ａと重なる導電体７１４ｂと、を有し、導電体７１６ａおよび導電体７１４ｂ
の重なる領域で、絶縁体７１８ａおよび絶縁体７１８ｂの一部が除去されている構造を示
す。
容量素子７４２において、導電体７０４ｂおよび導電体７１４ｂは一方の電極として機能
し、導電体７１６ａは他方の電極として機能する。
したがって、容量素子７４２は、トランジスタ７４１と共通する膜を用いて作製すること
ができる。また、導電体７０４ａおよび導電体７０４ｂを同種の導電体とすると好ましい
。その場合、導電体７０４ａおよび導電体７０４ｂは、同一工程を経て形成することがで
きる。また、導電体７１４ａおよび導電体７１４ｂを同種の導電体とすると好ましい。そ
の場合、導電体７１４ａおよび導電体７１４ｂは、同一工程を経て形成することができる
。
図２９（Ｃ）に示す容量素子７４２は、占有面積当たりの容量が大きい容量素子である。
したがって、図２９（Ｃ）は表示品位の高いＥＬ表示装置である。なお、図２９（Ｃ）に
示す容量素子７４２は、導電体７１６ａおよび導電体７１４ｂの重なる領域を薄くするた
め、絶縁体７１８ａおよび絶縁体７１８ｂの一部が除去された構造を有するが、本発明の
一態様に係る容量素子はこれに限定されるものではない。例えば、導電体７１６ａおよび
導電体７１４ｂの重なる領域を薄くするため、絶縁体７１８ｃの一部が除去された構造を
有しても構わない。
トランジスタ７４１および容量素子７４２上には、絶縁体７２０が配置される。ここで、
絶縁体７２０は、トランジスタ７４１のソース電極として機能する導電体７１６ａに達す
る開口部を有してもよい。絶縁体７２０上には、導電体７８１が配置される。導電体７８
１は、絶縁体７２０の開口部を介してトランジスタ７４１と電気的に接続してもよい。
導電体７８１上には、導電体７８１に達する開口部を有する隔壁７８４が配置される。隔
壁７８４上には、隔壁７８４の開口部で導電体７８１と接する発光層７８２が配置される
。発光層７８２上には、導電体７８３が配置される。導電体７８１、発光層７８２および
導電体７８３の重なる領域が、発光素子７１９となる。
ここまでは、ＥＬ表示装置の例について説明した。次に、液晶表示装置の例について説明
する。
図３０（Ａ）は、液晶表示装置の画素の構成例を示す回路図である。図３０に示す画素は
、トランジスタ７５１と、容量素子７５２と、一対の電極間に液晶の充填された素子（液
晶素子）７５３とを有する。
トランジスタ７５１では、ソース、ドレインの一方が信号線７５５に電気的に接続され、
ゲートが走査線７５４に電気的に接続されている。
容量素子７５２では、一方の電極がトランジスタ７５１のソース、ドレインの他方に電気
的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線に電気的に接続されている。
液晶素子７５３では、一方の電極がトランジスタ７５１のソース、ドレインの他方に電気
的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線に電気的に接続されている。なお、
上述した容量素子７５２の他方の電極が電気的に接続する配線に与えられる共通電位と、
液晶素子７５３の他方の電極に与えられる共通電位とが異なる電位であってもよい。
なお、液晶表示装置も、上面図はＥＬ表示装置と同様として説明する。図２９（Ｂ）の一
点鎖線Ｍ－Ｎに対応する液晶表示装置の断面図を図３０（Ｂ）に示す。図３０（Ｂ）にお
いて、ＦＰＣ７３２は、端子７３１を介して配線７３３ａと接続される。なお、配線７３
３ａは、トランジスタ７５１を構成する導電体または半導体のいずれかと同種の導電体ま
たは半導体を用いてもよい。
トランジスタ７５１は、トランジスタ７４１についての記載を参照する。また、容量素子
７５２は、容量素子７４２についての記載を参照する。なお、図３０（Ｂ）には、図２９
（Ｃ）の容量素子７４２に対応した容量素子７５２の構造を示したが、これに限定されな
い。
なお、トランジスタ７５１の半導体に酸化物半導体を用いた場合、極めてオフ電流の小さ
いトランジスタとすることができる。したがって、容量素子７５２に保持された電荷がリ
ークしにくく、長期間に渡って液晶素子７５３に印加される電圧を維持することができる
。そのため、動きの少ない動画や静止画の表示の際に、トランジスタ７５１をオフ状態と
することで、トランジスタ７５１の動作のための電力が不要となり、消費電力の小さい液
晶表示装置とすることができる。また、容量素子７５２の占有面積を小さくできるため、
開口率の高い液晶表示装置、または高精細化した液晶表示装置を提供することができる。
トランジスタ７５１および容量素子７５２上には、絶縁体７２１が配置される。ここで、
絶縁体７２１は、トランジスタ７５１に達する開口部を有する。絶縁体７２１上には、導
電体７９１が配置される。導電体７９１は、絶縁体７２１の開口部を介してトランジスタ
７５１と電気的に接続する。
導電体７９１上には、配向膜として機能する絶縁体７９２が配置される。絶縁体７９２上
には、液晶層７９３が配置される。液晶層７９３上には、配向膜として機能する絶縁体７
９４が配置される。絶縁体７９４上には、スペーサ７９５が配置される。スペーサ７９５
および絶縁体７９４上には、導電体７９６が配置される。導電体７９６上には、基板７９
７が配置される。
上述した構造を有することで、占有面積の小さい容量素子を有する表示装置を提供するこ
とができる、または、表示品位の高い表示装置を提供することができる。または、高精細
の表示装置を提供することができる。
例えば、本明細書等において、表示素子、表示素子を有する装置である表示装置、発光素
子、および発光素子を有する装置である発光装置は、様々な形態を用いること、または様
々な素子を有することができる。表示素子、表示装置、発光素子、又は発光装置は、例え
ば、ＥＬ素子（有機物及び無機物を含むＥＬ素子、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子）、ＬＥ
Ｄ（白色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤなど）、トランジスタ（電流に応
じて発光するトランジスタ）、電子放出素子、液晶素子、電子インク、電気泳動素子、グ
レーティングライトバルブ（ＧＬＶ）、プラズマディスプレイ（ＰＤＰ）、ＭＥＭＳ（マ
イクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）を用いた表示素子、デジタルマイクロミラ
ーデバイス（ＤＭＤ）、ＤＭＳ（デジタル・マイクロ・シャッター）、ＩＭＯＤ（インタ
ーフェアレンス・モジュレーション）素子、シャッター方式のＭＥＭＳ表示素子、光干渉
方式のＭＥＭＳ表示素子、エレクトロウェッティング素子、圧電セラミックディスプレイ
、カーボンナノチューブを用いた表示素子などの少なくとも一つを有している。これらの
他にも、電気的または磁気的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率などが変
化する表示媒体を有していても良い。
ＥＬ素子を用いた表示装置の一例としては、ＥＬディスプレイなどがある。電子放出素子
を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）また
はＳＥＤ方式平面型ディスプレイ（ＳＥＤ：Ｓｕｒｆａｃｅ－ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎ－ｅｍｉｔｔｅｒ Ｄｉｓｐｌａｙ）などがある。液晶素子を用いた表示
装置の一例としては、液晶ディスプレイ（透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディス
プレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ）
などがある。電子インク、電子粉流体（登録商標）または電気泳動素子を用いた表示装置
の一例としては、電子ペーパーなどがある。なお、半透過型液晶ディスプレイや反射型液
晶ディスプレイを実現する場合には、画素電極の一部、または、全部が、反射電極として
の機能を有するようにすればよい。例えば、画素電極の一部または全部が、アルミニウム
、銀、などを有するようにすればよい。さらに、その場合、反射電極の下に、ＳＲＡＭな
どの記憶回路を設けることも可能である。これにより、さらに、消費電力を低減すること
ができる。
なお、ＬＥＤを用いる場合、ＬＥＤの電極や窒化物半導体の下に、グラフェンやグラファ
イトを配置してもよい。グラフェンやグラファイトは、複数の層を重ねて、多層膜として
もよい。このように、グラフェンやグラファイトを設けることにより、その上に、窒化物
半導体、例えば、結晶を有するｎ型ＧａＮ半導体などを容易に成膜することができる。さ
らに、その上に、結晶を有するｐ型ＧａＮ半導体などを設けて、ＬＥＤを構成することが
できる。なお、グラフェンやグラファイトと、結晶を有するｎ型ＧａＮ半導体との間に、
ＡｌＮ層を設けてもよい。なお、ＬＥＤが有するＧａＮ半導体は、ＭＯＣＶＤで成膜して
もよい。ただし、グラフェンを設けることにより、ＬＥＤが有するＧａＮ半導体は、スパ
ッタリング法で成膜することも可能である。
（実施の形態８）
本実施の形態では、上記実施の形態で例示したトランジスタ、または記憶装置を含むＲＦ
タグについて、図３１を用いて説明する。
本実施の形態におけるＲＦタグは、内部に記憶回路を有し、記憶回路に必要な情報を記憶
し、非接触手段、例えば無線通信を用いて外部と情報の授受を行うものである。このよう
な特徴から、ＲＦタグは、物品などの個体情報を読み取ることにより物品の識別を行う個
体認証システムなどに用いることが可能である。なお、これらの用途に用いるためには極
めて高い信頼性が要求される。
ＲＦタグの構成について図３１を用いて説明する。図３１は、ＲＦタグの構成例を示すブ
ロック図である。
図３１に示すようにＲＦタグ８００は、通信器８０１（質問器、リーダ／ライタなどとも
いう）に接続されたアンテナ８０２から送信される無線信号８０３を受信するアンテナ８
０４を有する。また、ＲＦタグ８００は、整流回路８０５、定電圧回路８０６、復調回路
８０７、変調回路８０８、論理回路８０９、記憶回路８１０、ＲＯＭ８１１を有している
。なお、復調回路８０７に含まれる整流作用を示すトランジスタに逆方向電流を十分に抑
制することが可能な材料、例えば、酸化物半導体が用いられた構成としてもよい。これに
より、逆方向電流に起因する整流作用の低下を抑制し、復調回路の出力が飽和することを
防止できる。つまり、復調回路の入力に対する復調回路の出力を線形に近づけることがで
きる。なお、データの伝送形式は、一対のコイルを対向配置して相互誘導によって交信を
行う電磁結合方式、誘導電磁界によって交信する電磁誘導方式、電波を利用して交信する
電波方式の３つに大別される。本実施の形態に示すＲＦタグ８００は、そのいずれの方式
に用いることも可能である。
次に各回路の構成について説明する。アンテナ８０４は、通信器８０１に接続されたアン
テナ８０２との間で無線信号８０３の送受信を行うためのものである。また、整流回路８
０５は、アンテナ８０４で無線信号を受信することにより生成される入力交流信号を整流
、例えば、半波２倍圧整流し、後段に設けられた容量素子により、整流された信号を平滑
化することで入力電位を生成するための回路である。なお、整流回路８０５の入力側また
は出力側には、リミッタ回路を設けてもよい。リミッタ回路とは、入力交流信号の振幅が
大きく、内部生成電圧が大きい場合に、ある電力以上の電力を後段の回路に入力しないよ
うに制御するための回路である。
定電圧回路８０６は、入力電位から安定した電源電圧を生成し、各回路に供給するための
回路である。なお、定電圧回路８０６は、内部にリセット信号生成回路を有していてもよ
い。リセット信号生成回路は、安定した電源電圧の立ち上がりを利用して、論理回路８０
９のリセット信号を生成するための回路である。
復調回路８０７は、入力交流信号を包絡線検出することにより復調し、復調信号を生成す
るための回路である。また、変調回路８０８は、アンテナ８０４より出力するデータに応
じて変調をおこなうための回路である。
論理回路８０９は復調信号を解析し、処理を行うための回路である。記憶回路８１０は、
入力された情報を保持する回路であり、ロウデコーダ、カラムデコーダ、記憶領域などを
有する。また、ＲＯＭ８１１は、固有番号（ＩＤ）などを格納し、処理に応じて出力を行
うための回路である。
なお、上述の各回路は、必要に応じて、適宜、取捨することができる。
ここで、先の実施の形態で説明した記憶回路を、記憶回路８１０に用いることができる。
本発明の一態様の記憶回路は、電源が遮断された状態であっても情報を保持できるため、
ＲＦタグに好適に用いることができる。さらに本発明の一態様の記憶回路は、データの書
き込みに必要な電力（電圧）が従来の不揮発性メモリに比べて著しく小さいため、データ
の読み出し時と書込み時の最大通信距離の差を生じさせないことも可能である。さらに、
データの書き込み時に電力が不足し、誤動作または誤書込みが生じることを抑制すること
ができる。
また、本発明の一態様の記憶回路は、不揮発性のメモリとして用いることが可能であるた
め、ＲＯＭ８１１に適用することもできる。その場合には、生産者がＲＯＭ８１１にデー
タを書き込むためのコマンドを別途用意し、ユーザーが自由に書き換えできないようにし
ておくことが好ましい。生産者が出荷前に固有番号を書込んだのちに製品を出荷すること
で、作製したＲＦタグすべてについて固有番号を付与するのではなく、出荷する良品にの
み固有番号を割り当てることが可能となり、出荷後の製品の固有番号が不連続になること
がなく出荷後の製品に対応した顧客管理が容易となる。
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み
合わせて実施することができる。
（実施の形態９）
本実施の形態では、少なくとも実施の形態で説明したトランジスタを用いることができ、
先の実施の形態で説明した記憶装置を含むＣＰＵについて説明する。
図３２は、先の実施の形態で説明したトランジスタを少なくとも一部に用いたＣＰＵの
一例の構成を示すブロック図である。
図３２に示すＣＰＵは、基板１１９０上に、ＡＬＵ１１９１（ＡＬＵ：Ａｒｉｔｈｍｅ
ｔｉｃ ｌｏｇｉｃ ｕｎｉｔ、演算回路）、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラ
クションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、タイミングコントロー
ラ１１９５、レジスタ１１９６、レジスタコントローラ１１９７、バスインターフェース
１１９８（Ｂｕｓ Ｉ／Ｆ）、書き換え可能なＲＯＭ１１９９、及びＲＯＭインターフェ
ース１１８９（ＲＯＭ Ｉ／Ｆ）を有している。基板１１９０は、半導体基板、ＳＯＩ基
板、ガラス基板などを用いる。ＲＯＭ１１９９及びＲＯＭインターフェース１１８９は、
別チップに設けてもよい。もちろん、図３２に示すＣＰＵは、その構成を簡略化して示し
た一例にすぎず、実際のＣＰＵはその用途によって多種多様な構成を有している。例えば
、図３２に示すＣＰＵまたは演算回路を含む構成を一つのコアとし、当該コアを複数含み
、それぞれのコアが並列で動作するような構成としてもよい。また、ＣＰＵが内部演算回
路やデータバスで扱えるビット数は、例えば８ビット、１６ビット、３２ビット、６４ビ
ットなどとすることができる。
バスインターフェース１１９８を介してＣＰＵに入力された命令は、インストラクショ
ンデコーダ１１９３に入力され、デコードされた後、ＡＬＵコントローラ１１９２、イン
タラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントロー
ラ１１９５に入力される。
ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントロ
ーラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５は、デコードされた命令に基づき、各種
制御を行なう。具体的にＡＬＵコントローラ１１９２は、ＡＬＵ１１９１の動作を制御す
るための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ１１９４は、ＣＰＵのプログ
ラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマス
ク状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ１１９７は、レジスタ１１９６のア
ドレスを生成し、ＣＰＵの状態に応じてレジスタ１１９６の読み出しや書き込みを行なう
。
また、タイミングコントローラ１１９５は、ＡＬＵ１１９１、ＡＬＵコントローラ１１
９２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、及び
レジスタコントローラ１１９７の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタ
イミングコントローラ１１９５は、基準クロック信号を元に、内部クロック信号を生成す
る内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号を上記各種回路に供給する。
図３２に示すＣＰＵでは、レジスタ１１９６に、メモリセルが設けられている。レジス
タ１１９６のメモリセルとして、先の実施の形態に示したトランジスタを用いることがで
きる。
図３２に示すＣＰＵにおいて、レジスタコントローラ１１９７は、ＡＬＵ１１９１から
の指示に従い、レジスタ１１９６における保持動作の選択を行う。すなわち、レジスタ１
１９６が有するメモリセルにおいて、フリップフロップによるデータの保持を行うか、容
量素子によるデータの保持を行うかを、選択する。フリップフロップによるデータの保持
が選択されている場合、レジスタ１１９６内のメモリセルへの、電源電圧の供給が行われ
る。容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き換
えが行われ、レジスタ１１９６内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止することができ
る。
図３３は、レジスタ１１９６として用いることのできる記憶回路の回路図の一例である
。記憶回路１２００は、電源遮断で記憶データが揮発する回路１２０１と、電源遮断で記
憶データが揮発しない回路１２０２と、スイッチ１２０３と、スイッチ１２０４と、論理
素子１２０６と、容量素子１２０７と、選択機能を有する回路１２２０と、を有する。回
路１２０２は、容量素子１２０８と、トランジスタ１２０９と、トランジスタ１２１０と
、を有する。なお、記憶回路１２００は、必要に応じて、ダイオード、抵抗素子、インダ
クタなどのその他の素子をさらに有していても良い。
ここで、回路１２０２には、先の実施の形態で説明した記憶装置を用いることができる
。記憶回路１２００への電源電圧の供給が停止した際、回路１２０２のトランジスタ１２
０９のゲートには接地電位（０Ｖ）、またはトランジスタ１２０９がオフする電位が入力
され続ける構成とする。例えば、トランジスタ１２０９のゲートが抵抗等の負荷を介して
接地される構成とする。
スイッチ１２０３は、一導電型（例えば、ｎチャネル型）のトランジスタ１２１３を用
いて構成され、スイッチ１２０４は、一導電型とは逆の導電型（例えば、ｐチャネル型）
のトランジスタ１２１４を用いて構成した例を示す。ここで、スイッチ１２０３の第１の
端子はトランジスタ１２１３のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ１２０３の第
２の端子はトランジスタ１２１３のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ１２０３
はトランジスタ１２１３のゲートに入力される制御信号ＲＤによって、第１の端子と第２
の端子の間の導通または非導通（つまり、トランジスタ１２１３のオン状態またはオフ状
態）が選択される。スイッチ１２０４の第１の端子はトランジスタ１２１４のソースとド
レインの一方に対応し、スイッチ１２０４の第２の端子はトランジスタ１２１４のソース
とドレインの他方に対応し、スイッチ１２０４はトランジスタ１２１４のゲートに入力さ
れる制御信号ＲＤによって、第１の端子と第２の端子の間の導通または非導通（つまり、
トランジスタ１２１４のオン状態またはオフ状態）が選択される。
トランジスタ１２０９のソースとドレインの一方は、容量素子１２０８の一対の電極の
うちの一方、及びトランジスタ１２１０のゲートと電気的に接続される。ここで、接続部
分をノードＭ２とする。トランジスタ１２１０のソースとドレインの一方は、低電源電位
を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ線）に電気的に接続され、他方は、スイッチ
１２０３の第１の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの一方）と電気的に接
続される。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの
他方）はスイッチ１２０４の第１の端子（トランジスタ１２１４のソースとドレインの一
方）と電気的に接続される。スイッチ１２０４の第２の端子（トランジスタ１２１４のソ
ースとドレインの他方）は電源電位ＶＤＤを供給することのできる配線と電気的に接続さ
れる。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方
）と、スイッチ１２０４の第１の端子（トランジスタ１２１４のソースとドレインの一方
）と、論理素子１２０６の入力端子と、容量素子１２０７の一対の電極のうちの一方と、
は電気的に接続される。ここで、接続部分をノードＭ１とする。容量素子１２０７の一対
の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電
源電位（ＧＮＤ等）または高電源電位（ＶＤＤ等）が入力される構成とすることができる
。容量素子１２０７の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配
線（例えばＧＮＤ線）と電気的に接続される。容量素子１２０８の一対の電極のうちの他
方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位（ＧＮＤ等
）または高電源電位（ＶＤＤ等）が入力される構成とすることができる。容量素子１２０
８の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ
線）と電気的に接続される。
なお、容量素子１２０７及び容量素子１２０８は、トランジスタや配線の寄生容量等を
積極的に利用することによって省略することも可能である。
トランジスタ１２０９の第１ゲート（第１のゲート電極）には、制御信号ＷＥが入力さ
れる。スイッチ１２０３及びスイッチ１２０４は、制御信号ＷＥとは異なる制御信号ＲＤ
によって第１の端子と第２の端子の間の導通状態または非導通状態を選択され、一方のス
イッチの第１の端子と第２の端子の間が導通状態のとき他方のスイッチの第１の端子と第
２の端子の間は非導通状態となる。
トランジスタ１２０９のソースとドレインの他方には、回路１２０１に保持されたデー
タに対応する信号が入力される。図３３では、回路１２０１から出力された信号が、トラ
ンジスタ１２０９のソースとドレインの他方に入力される例を示した。スイッチ１２０３
の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号は
、論理素子１２０６によってその論理値が反転された反転信号となり、回路１２２０を介
して回路１２０１に入力される。
なお、図３３では、スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースと
ドレインの他方）から出力される信号は、論理素子１２０６及び回路１２２０を介して回
路１２０１に入力する例を示したがこれに限定されない。スイッチ１２０３の第２の端子
（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号が、論理値を反
転させられることなく、回路１２０１に入力されてもよい。例えば、回路１２０１内に、
入力端子から入力された信号の論理値が反転した信号が保持されるノードが存在する場合
に、スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）
から出力される信号を当該ノードに入力することができる。
また、図３３において、記憶回路１２００に用いられるトランジスタのうち、トランジ
スタ１２０９以外のトランジスタは、酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板１１
９０にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。例えば、シリコン層また
はシリコン基板にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。また、記憶回
路１２００に用いられるトランジスタ全てを、チャネルが酸化物半導体で形成されるトラ
ンジスタとすることもできる。または、記憶回路１２００は、トランジスタ１２０９以外
にも、チャネルが酸化物半導体で形成されるトランジスタを含んでいてもよく、残りのト
ランジスタは酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板１１９０にチャネルが形成さ
れるトランジスタとすることもできる。
図３３における回路１２０１には、例えばフリップフロップ回路を用いることができる
。また、論理素子１２０６としては、例えばインバータやクロックドインバータ等を用い
ることができる。
本発明の一態様における半導体装置では、記憶回路１２００に電源電圧が供給されない
間は、回路１２０１に記憶されていたデータを、回路１２０２に設けられた容量素子１２
０８によって保持することができる。
また、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジスタはオフ電流が極めて小さい。
例えば、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流は、結晶性を有す
るシリコンにチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流に比べて著しく低い。そのた
め、当該トランジスタをトランジスタ１２０９として用いることによって、記憶回路１２
００に電源電圧が供給されない間も容量素子１２０８に保持された信号は長期間にわたり
保たれる。こうして、記憶回路１２００は電源電圧の供給が停止した間も記憶内容（デー
タ）を保持することが可能である。
また、スイッチ１２０３及びスイッチ１２０４を設けることによって、プリチャージ動
作を行うことを特徴とする記憶回路であるため、電源電圧供給再開後に、回路１２０１が
元のデータを保持しなおすまでの時間を短くすることができる。
また、回路１２０２において、容量素子１２０８によって保持された信号はトランジス
タ１２１０のゲートに入力される。そのため、記憶回路１２００への電源電圧の供給が再
開された後、容量素子１２０８によって保持された信号を、トランジスタ１２１０の状態
（オン状態、またはオフ状態）に変換して、回路１２０２から読み出すことができる。そ
れ故、容量素子１２０８に保持された信号に対応する電位が多少変動していても、元の信
号を正確に読み出すことが可能である。
このような記憶回路１２００を、プロセッサが有するレジスタやキャッシュメモリなど
の記憶装置に用いることで、電源電圧の供給停止による記憶装置内のデータの消失を防ぐ
ことができる。また、電源電圧の供給を再開した後、短時間で電源供給停止前の状態に復
帰することができる。よって、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ、ま
たは複数の論理回路において、短い時間でも電源停止を行うことができるため、消費電力
を抑えることができる。
本実施の形態では、記憶回路１２００をＣＰＵに用いる例として説明したが、記憶回路
１２００は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、カスタム
ＬＳＩ、ＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）等のＬＳＩ、
ＲＦタグにも応用可能である。
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組
み合わせて実施することができる。
（実施の形態１０）
本実施の形態では、本発明の一態様の表示パネルの構成例について説明する。
［構成例］
図３４（Ａ）は、本発明の一態様の表示パネルの上面図であり、図３４（Ｂ）は、本発
明の一態様の表示パネルの画素に液晶素子を適用する場合に用いることができる画素回路
を説明するための回路図である。また、図３４（Ｃ）は、本発明の一態様の表示パネルの
画素に有機ＥＬ素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説明するための回路
図である。
画素部に配置するトランジスタは、上記実施の形態に従って形成することができる。ま
た、当該トランジスタはｎチャネル型とすることが容易なので、駆動回路のうち、ｎチャ
ネル型トランジスタで構成することができる駆動回路の一部を画素部のトランジスタと同
一基板上に形成する。このように、画素部や駆動回路に上記実施の形態に示すトランジス
タを用いることにより、信頼性の高い表示装置を提供することができる。
アクティブマトリクス型表示装置のブロック図の一例を図３４（Ａ）に示す。表示装置
の基板４００上には、画素部４０１、第１の走査線駆動回路４０２、第２の走査線駆動回
路４０３、信号線駆動回路４０４を有する。画素部４０１には、複数の信号線が信号線駆
動回路４０４から延伸して配置され、複数の走査線が第１の走査線駆動回路４０２、及び
第２の走査線駆動回路４０３から延伸して配置されている。なお走査線と信号線との交差
領域には、各々、表示素子を有する画素がマトリクス状に設けられている。また、表示装
置の基板４００はＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の接
続部を介して、タイミング制御回路（コントローラ、制御ＩＣともいう）に接続されてい
る。
図３４（Ａ）では、第１の走査線駆動回路４０２、第２の走査線駆動回路４０３、信号
線駆動回路４０４は、画素部４０１と同じ基板４００上に形成される。そのため、外部に
設ける駆動回路等の部品の数が減るので、コストの低減を図ることができる。また、基板
４００外部に駆動回路を設けた場合、配線を延伸させる必要が生じ、配線間の接続数が増
える。同じ基板４００上に駆動回路を設けた場合、その配線間の接続数を減らすことがで
き、信頼性の向上、または歩留まりの向上を図ることができる。
〔液晶パネル〕
また、画素の回路構成の一例を図３４（Ｂ）に示す。ここでは、ＶＡ型液晶表示パネル
の画素に適用することができる画素回路を示す。
この画素回路は、一つの画素に複数の画素電極を有する構成に適用できる。それぞれの
画素電極は異なるトランジスタに接続され、各トランジスタは異なるゲート信号で駆動で
きるように構成されている。これにより、マルチドメイン設計された画素の個々の画素電
極に印加する信号を、独立して制御できる。
トランジスタ４１６のゲート配線４１２と、トランジスタ４１７のゲート配線４１３に
は、異なるゲート信号を与えることができるように分離されている。一方、データ線とし
て機能するソース電極またはドレイン電極４１４は、トランジスタ４１６とトランジスタ
４１７で共通に用いられている。トランジスタ４１６とトランジスタ４１７は上記実施の
形態で説明するトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い液晶
表示パネルを提供することができる。
トランジスタ４１６には第１の画素電極が電気的に接続され、トランジスタ４１７には
、第２の画素電極が電気的に接続される。第１の画素電極と第２の画素電極とは分離され
ている。なお、第１の画素電極および第２の画素電極の形状としては、特に限定は無い。
例えば、第１の画素電極は、Ｖ字状とすればよい。
トランジスタ４１６のゲート電極はゲート配線４１２と接続され、トランジスタ４１７
のゲート電極はゲート配線４１３と接続されている。ゲート配線４１２とゲート配線４１
３に異なるゲート信号を与えてトランジスタ４１６とトランジスタ４１７の動作タイミン
グを異ならせ、液晶の配向を制御できる。
また、容量配線４１０と、誘電体として機能するゲート絶縁体と、第１の画素電極また
は第２の画素電極と電気的に接続する容量電極とで保持容量を形成してもよい。
マルチドメイン構造は、一画素に第１の液晶素子４１８と第２の液晶素子４１９を備え
る。第１の液晶素子４１８は第１の画素電極と対向電極とその間の液晶層とで構成され、
第２の液晶素子４１９は第２の画素電極と対向電極とその間の液晶層とで構成される。
なお、図３４（Ｂ）に示す画素回路は、これに限定されない。例えば、図３４（Ｂ）に
示す画素回路に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ、センサ、または論
理回路などを追加してもよい。
〔有機ＥＬパネル〕
画素の回路構成の他の一例を図３４（Ｃ）に示す。ここでは、有機ＥＬ素子を用いた表
示パネルの画素構造を示す。
有機ＥＬ素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極の一方から電子が
、他方から正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そし
て、電子及び正孔が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、そ
の励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光
素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
図３４（Ｃ）は、適用可能な画素回路の一例を示す図である。ここではｎチャネル型の
トランジスタを１つの画素に２つ用いる例を示す。なお、本発明の一態様の金属酸化物膜
は、ｎチャネル型のトランジスタのチャネル形成領域に用いることができる。また、当該
画素回路は、デジタル時間階調駆動を適用することができる。
適用可能な画素回路の構成及びデジタル時間階調駆動を適用した場合の画素の動作につ
いて説明する。
画素４２０は、スイッチング用トランジスタ４２１、駆動用トランジスタ４２２、発光
素子４２４及び容量素子４２３を有している。スイッチング用トランジスタ４２１は、ゲ
ート電極が走査線４２６に接続され、第１電極（ソース電極及びドレイン電極の一方）が
信号線４２５に接続され、第２電極（ソース電極及びドレイン電極の他方）が駆動用トラ
ンジスタ４２２のゲート電極に接続されている。駆動用トランジスタ４２２は、ゲート電
極が容量素子４２３を介して電源線４２７に接続され、第１電極が電源線４２７に接続さ
れ、第２電極が発光素子４２４の第１電極（画素電極）に接続されている。発光素子４２
４の第２電極は共通電極４２８に相当する。共通電極４２８は、同一基板上に形成される
共通電位線と電気的に接続される。
スイッチング用トランジスタ４２１及び駆動用トランジスタ４２２は上記実施の形態で
説明するトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い有機ＥＬ表
示パネルを提供することができる。
発光素子４２４の第２電極（共通電極４２８）の電位は低電源電位に設定する。なお、
低電源電位とは、電源線４２７に供給される高電源電位より低い電位であり、例えばＧＮ
Ｄ、０Ｖなどを低電源電位として設定することができる。発光素子４２４の順方向のしき
い値電圧以上となるように高電源電位と低電源電位を設定し、その電位差を発光素子４２
４に印加することにより、発光素子４２４に電流を流して発光させる。なお、発光素子４
２４の順方向電圧とは、所望の輝度とする場合の電圧を指しており、少なくとも順方向し
きい値電圧を含む。
なお、容量素子４２３は駆動用トランジスタ４２２のゲート容量を代用することにより
省略できる。駆動用トランジスタ４２２のゲート容量については、チャネル形成領域とゲ
ート電極との間で容量が形成されていてもよい。
次に、駆動用トランジスタ４２２に入力する信号について説明する。電圧入力電圧駆動
方式の場合、駆動用トランジスタ４２２が十分にオンするか、オフするかの二つの状態と
なるようなビデオ信号を、駆動用トランジスタ４２２に入力する。なお、駆動用トランジ
スタ４２２を線形領域で動作させるために、電源線４２７の電圧よりも高い電圧を駆動用
トランジスタ４２２のゲート電極にかける。また、信号線４２５には、電源線電圧に駆動
用トランジスタ４２２の閾値電圧Ｖｔｈを加えた値以上の電圧をかける。
アナログ階調駆動を行う場合、駆動用トランジスタ４２２のゲート電極に発光素子４２
４の順方向電圧に駆動用トランジスタ４２２の閾値電圧Ｖｔｈを加えた値以上の電圧をか
ける。なお、駆動用トランジスタ４２２が飽和領域で動作するようにビデオ信号を入力し
、発光素子４２４に電流を流す。また、駆動用トランジスタ４２２を飽和領域で動作させ
るために、電源線４２７の電位を、駆動用トランジスタ４２２のゲート電位より高くする
。ビデオ信号をアナログとすることで、発光素子４２４にビデオ信号に応じた電流を流し
、アナログ階調駆動を行うことができる。
なお、画素回路の構成は、図３４（Ｃ）に示す画素構成に限定されない。例えば、図３
４（Ｃ）に示す画素回路にスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサ、トランジスタまたは
論理回路などを追加してもよい。
図３４で例示した回路に上記実施の形態で例示したトランジスタを適用する場合、低電
位側にソース電極（第１の電極）、高電位側にドレイン電極（第２の電極）がそれぞれ電
気的に接続される構成とする。さらに、制御回路等により第１のゲート電極の電位を制御
し、第２のゲート電極には図示しない配線によりソース電極に与える電位よりも低い電位
など、上記で例示した電位を入力可能な構成とすればよい。
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組
み合わせて実施することができる。
（実施の形態１１）
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備
えた画像再生装置（代表的にはＤＶＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ
等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置）に用いること
ができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器と
して、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、ビデオカメラ
、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプ
レイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、デジタルオーディオ
プレイヤー等）、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ
払い機（ＡＴＭ）、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図３５に示
す。
図３５（Ａ）は携帯型ゲーム機であり、筐体９０１、筐体９０２、表示部９０３、表示部
９０４、マイクロフォン９０５、スピーカー９０６、操作キー９０７、スタイラス９０８
等を有する。なお、図３５（Ａ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示部９０３と表示
部９０４とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない
。
図３５（Ｂ）は携帯データ端末であり、第１筐体９１１、第２筐体９１２、第１表示部９
１３、第２表示部９１４、接続部９１５、操作キー９１６等を有する。第１表示部９１３
は第１筐体９１１に設けられており、第２表示部９１４は第２筐体９１２に設けられてい
る。そして、第１筐体９１１と第２筐体９１２とは、接続部９１５により接続されており
、第１筐体９１１と第２筐体９１２の間の角度は、接続部９１５により変更が可能である
。第１表示部９１３における映像を、接続部９１５における第１筐体９１１と第２筐体９
１２との間の角度に従って、切り替える構成としてもよい。また、第１表示部９１３及び
第２表示部９１４の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置
を用いるようにしてもよい。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネ
ルを設けることで付加することができる。或いは、位置入力装置としての機能は、フォト
センサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することが
できる。
図３５（Ｃ）はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体９２１、表示部９２２、キ
ーボード９２３、ポインティングデバイス９２４等を有する。
図３５（Ｄ）は電気冷凍冷蔵庫であり、筐体９３１、冷蔵室用扉９３２、冷凍室用扉９３
３等を有する。
図３５（Ｅ）はビデオカメラであり、第１筐体９４１、第２筐体９４２、表示部９４３、
操作キー９４４、レンズ９４５、接続部９４６等を有する。操作キー９４４及びレンズ９
４５は第１筐体９４１に設けられており、表示部９４３は第２筐体９４２に設けられてい
る。そして、第１筐体９４１と第２筐体９４２とは、接続部９４６により接続されており
、第１筐体９４１と第２筐体９４２の間の角度は、接続部９４６により変更が可能である
。表示部９４３における映像を、接続部９４６における第１筐体９４１と第２筐体９４２
との間の角度に従って切り替える構成としてもよい。
図３５（Ｆ）は自動車であり、車体９５１、車輪９５２、ダッシュボード９５３、ライト
９５４等を有する。
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み
合わせて実施することができる。
（実施の形態１２）
本実施の形態では、本発明の一態様に係るＲＦタグの使用例について図３６を用いなが
ら説明する。ＲＦタグの用途は広範にわたるが、例えば、紙幣、硬貨、有価証券類、無記
名債券類、証書類（運転免許証や住民票等、図３６（Ａ）参照）、記録媒体（ＤＶＤやビ
デオテープ等、図３６（Ｂ）参照）、包装用容器類（包装紙やボトル等、図３６（Ｃ）参
照）、乗り物類（自転車等、図３６（Ｄ）参照）、身の回り品（鞄や眼鏡等）、食品類、
植物類、動物類、人体、衣類、生活用品類、薬品や薬剤を含む医療品、または電子機器（
液晶表示装置、ＥＬ表示装置、テレビジョン装置、または携帯電話）等の物品、若しくは
各物品に取り付ける荷札（図３６（Ｅ）、図３６（Ｆ）参照）等に設けて使用することが
できる。
本発明の一態様に係るＲＦタグ４０００は、表面に貼る、または埋め込むことにより、物
品に固定される。例えば、本であれば紙に埋め込み、有機樹脂からなるパッケージであれ
ば当該有機樹脂の内部に埋め込み、各物品に固定される。本発明の一態様に係るＲＦタグ
４０００は、小型、薄型、軽量を実現するため、物品に固定した後もその物品自体のデザ
イン性を損なうことがない。また、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、または証書
類等に本発明の一態様に係るＲＦタグ４０００を設けることにより、認証機能を設けるこ
とができ、この認証機能を活用すれば、偽造を防止することができる。また、包装用容器
類、記録媒体、身の回り品、食品類、衣類、生活用品類、または電子機器等に本発明の一
態様に係るＲＦタグを取り付けることにより、検品システム等のシステムの効率化を図る
ことができる。また、乗り物類であっても、本発明の一態様に係るＲＦタグを取り付ける
ことにより、盗難などに対するセキュリティ性を高めることができる。
以上のように、本発明の一態様に係わるＲＦタグを本実施の形態に挙げた各用途に用いる
ことにより、情報の書込みや読み出しを含む動作電力を低減できるため、最大通信距離を
長くとることが可能となる。また、電力が遮断された状態であっても情報を極めて長い期
間保持可能であるため、書き込みや読み出しの頻度が低い用途にも好適に用いることがで
きる。
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み
合わせて実施することができる。
１０１ 半導体
１０２ 電子捕獲層
１０２ａ 絶縁体
１０２ｂ 絶縁体
１０２ｃ 絶縁体
１０２ｄ 導電体
１０２ｅ 絶縁体
１０３ ゲート電極
１０４ ゲート絶縁体
１０５ ゲート電極
１０６ 電子捕獲準位
１０７ 電子
１０８ 曲線
１０９ 曲線
１１０ トランジスタ
１１１ 容量素子
２００ 撮像装置
２０１ スイッチ
２０２ スイッチ
２０３ スイッチ
２１０ 画素部
２１１ 画素
２１２ 副画素
２１２Ｂ 副画素
２１２Ｇ 副画素
２１２Ｒ 副画素
２２０ 光電変換素子
２３０ 画素回路
２３１ 配線
２４７ 配線
２４８ 配線
２４９ 配線
２５０ 配線
２５３ 配線
２５４ フィルタ
２５４Ｂ フィルタ
２５４Ｇ フィルタ
２５４Ｒ フィルタ
２５５ レンズ
２５６ 光
２５７ 配線
２６０ 周辺回路
２７０ 周辺回路
２８０ 周辺回路
２９０ 周辺回路
２９１ 光源
３００ トランジスタ
３０２ 絶縁体
３０３ 絶縁体
３０４ コンタクトホール
３０８ 絶縁体
３１０ トランジスタ
３１５ 容量素子
３２０ 容量素子
３３０ ゲート電極
３４１ 電極
３４２ 電極
３５０ 基板
３５１ ＳＴＩ
３５３ 拡散層
３５４ 絶縁体
３５５ サイドウォール
３６０ 絶縁体
３６１ 絶縁体
３６２ 絶縁体
３６３ 絶縁体
３６４ 絶縁体
３６５ 絶縁体
３７０ プラグ
３７１ プラグ
３７２ プラグ
３７３ 配線層
３７４ 配線層
３７５ 配線層
３７６ 配線層
３７７ 配線層
３７８ 配線層
３７９ 配線層
３８０ 配線層
３８１ 配線層
３８２ プラグ
３８３ プラグ
３８４ プラグ
３８５ 配線層
３８６ 配線層
３８７ 配線層
３８８ プラグ
３８９ プラグ
３９０ 配線層
３９１ プラグ
３９２ プラグ
３９３ 配線層
３９４ 配線層
４００ 基板
４０１ 画素部
４０２ 走査線駆動回路
４０３ 走査線駆動回路
４０４ 信号線駆動回路
４１０ 容量配線
４１２ ゲート配線
４１３ ゲート配線
４１４ ドレイン電極
４１６ トランジスタ
４１７ トランジスタ
４１８ 液晶素子
４１９ 液晶素子
４２０ 画素
４２１ スイッチング用トランジスタ
４２２ 駆動用トランジスタ
４２３ 容量素子
４２４ 発光素子
４２５ 信号線
４２６ 走査線
４２７ 電源線
４２８ 共通電極
５００ シリコン基板
５１０ 層
５２０ 層
５３０ 層
５４０ 層
５５１ トランジスタ
５５２ トランジスタ
５５３ トランジスタ
５６０ フォトダイオード
５６１ アノード
５６２ カソード
５６３ 低抵抗領域
５７０ プラグ
５７１ 配線
５７２ 配線
５７３ 配線
５８０ 絶縁体
５８１ 絶縁体
５８３ コンタクトホール
５９０ マイクロレンズアレイ層
５９２ カラーフィルター層
５９４ 遮光層
６００ 基板
６０２ 絶縁体
６０４ 絶縁体
６０６ ゲート電極
６０６ｂ ゲート電極
６０８ 絶縁体
６１０ 電子捕獲層
６１２ 絶縁体
６１３ 酸化物半導体
６１４ 酸化物半導体
６１４ａ 酸化物半導体
６１４ｃ 酸化物半導体
６１５ 導電体
６１６ａ ソース電極
６１６ｂ ドレイン電極
６１８ ゲート絶縁体
６２０ ゲート電極
６２２ 絶縁体
６５０ チャネル形成領域
７００ 基板
７０４ａ 導電体
７０４ｂ 導電体
７０６ 半導体
７０８ 絶縁体
７１２ａ 絶縁体
７１２ｂ 絶縁体
７１４ａ 導電体
７１４ｂ 導電体
７１５ 電子捕獲層
７１６ａ 導電体
７１６ｂ 導電体
７１８ａ 絶縁体
７１８ｂ 絶縁体
７１８ｃ 絶縁体
７１９ 発光素子
７２０ 絶縁体
７２１ 絶縁体
７３１ 端子
７３２ ＦＰＣ
７３３ａ 配線
７３４ シール材
７３５ 駆動回路
７３６ 駆動回路
７３７ 画素
７４１ トランジスタ
７４２ 容量素子
７４３ スイッチ素子
７４４ 信号線
７５０ 基板
７５１ トランジスタ
７５２ 容量素子
７５３ 液晶素子
７５４ 走査線
７５５ 信号線
７８１ 導電体
７８２ 発光層
７８３ 導電体
７８４ 隔壁
７９１ 導電体
７９２ 絶縁体
７９３ 液晶層
７９４ 絶縁体
７９５ スペーサ
７９６ 導電体
７９７ 基板
８００ ＲＦタグ
８０１ 通信器
８０２ アンテナ
８０３ 無線信号
８０４ アンテナ
８０５ 整流回路
８０６ 定電圧回路
８０７ 復調回路
８０８ 変調回路
８０９ 論理回路
８１０ 記憶回路
８１１ ＲＯＭ
９０１ 筐体
９０２ 筐体
９０３ 表示部
９０４ 表示部
９０５ マイクロフォン
９０６ スピーカー
９０７ 操作キー
９０８ スタイラス
９１１ 筐体
９１２ 筐体
９１３ 表示部
９１４ 表示部
９１５ 接続部
９１６ 操作キー
９２１ 筐体
９２２ 表示部
９２３ キーボード
９２４ ポインティングデバイス
９３１ 筐体
９３２ 冷蔵室用扉
９３３ 冷凍室用扉
９４１ 筐体
９４２ 筐体
９４３ 表示部
９４４ 操作キー
９４５ レンズ
９４６ 接続部
９５１ 車体
９５２ 車輪
９５３ ダッシュボード
９５４ ライト
１１８９ ＲＯＭインターフェース
１１９０ 基板
１１９１ ＡＬＵ
１１９２ ＡＬＵコントローラ
１１９３ インストラクションデコーダ
１１９４ インタラプトコントローラ
１１９５ タイミングコントローラ
１１９６ レジスタ
１１９７ レジスタコントローラ
１１９８ バスインターフェース
１１９９ ＲＯＭ
１２００ 記憶回路
１２０１ 回路
１２０２ 回路
１２０３ スイッチ
１２０４ スイッチ
１２０６ 論理素子
１２０７ 容量素子
１２０８ 容量素子
１２０９ トランジスタ
１２１０ トランジスタ
１２１３ トランジスタ
１２１４ トランジスタ
１２２０ 回路
４０００ ＲＦタグ
５１００ ペレット
５１２０ 基板
５１６１ 領域

Claims (2)

  1. 第１のトランジスタと、
    前記第１のトランジスタ上の第１の絶縁体と、
    前記第１の絶縁体上の第１の配線層と、
    前記第１の配線層上の第２の絶縁体と、
    前記第２の絶縁体上に位置し、半導体を有する第２のトランジスタと、
    前記半導体と重なる領域を有する第３の絶縁体と、
    前記第２のトランジスタ上の第４の絶縁体と、
    前記第４の絶縁体上の第２の配線層と、を有し、
    前記第２の絶縁体と、前記半導体と、前記第３の絶縁体と、前記第４の絶縁体と、は、前記第１の配線層と、前記第２の配線層とが電気的に接続されるための第１の開口部を有し、
    前記第１の開口部に設けられ、前記第１の配線層の上面と接する領域と、前記第２の配線層の下面と接する領域とを有する第３の配線層を有し、
    前記第３の絶縁体は、前記第２のトランジスタと重ならない領域に、第２の開口部を有し、
    前記第４の絶縁体は、前記第２の開口部の内壁に接する領域を有し、
    断面視において、前記第１の開口部の上部から下部までの長さは、前記第２の開口部の上部から下部までの長さより大きく、
    前記半導体と重なる導電層を有し、
    前記第３の配線層は、前記導電層の側面と接する領域を有する、半導体装置。
  2. 第１のトランジスタと、
    前記第１のトランジスタ上の第１の絶縁体と、
    前記第１の絶縁体上の第１の配線層と、
    前記第１の配線層上の第２の絶縁体と、
    前記第２の絶縁体上に位置し、半導体を有する第２のトランジスタと、
    前記半導体と重なる領域を有する第３の絶縁体と、
    前記第２のトランジスタ上の第４の絶縁体と、
    前記第４の絶縁体上の第２の配線層と、を有し、
    前記第２の絶縁体と、前記半導体と、前記第３の絶縁体と、前記第４の絶縁体と、は、前記第１の配線層と、前記第２の配線層とが電気的に接続されるための第１の開口部を有し、
    前記第１の開口部に設けられ、前記第１の配線層の上面と接する領域と、前記第２の配線層の下面と接する領域とを有する第３の配線層を有し、
    前記第３の絶縁体は、前記第２のトランジスタと重ならない領域に、第２の開口部を有し、
    前記第４の絶縁体は、前記第２の開口部の内壁に接する領域を有し、
    前記第３の配線層は、窒化チタン層と、前記窒化チタン層上のタングステン層との積層構造を有し、
    断面視において、前記第１の開口部の上部から下部までの長さは、前記第２の開口部の上部から下部までの長さより大きく、
    前記半導体と重なる導電層を有し、
    前記第３の配線層は、前記導電層の側面と接する領域を有する、半導体装置。
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