JP7289850B2 - 半導体装置、電子機器 - Google Patents

Description

本発明の一態様は、半導体装置に関する。または、本発明の一態様は、半導体装置の駆動方法に関する。

なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。例えば、本発明の一態様は、物、方法、もしく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、もしくは組成物（コンポジション・オブ・マター）に関する。または、本発明の一態様は、マイクロマシン、表示素子、表示装置、または電子機器に関する。

なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうるもの全般を指す。よって、トランジスタやダイオードなどの半導体素子や半導体回路は半導体装置である。また、表示装置、発光装置、照明装置、電気光学装置、および電子機器などは、半導体素子や半導体回路を含む場合がある。よって、表示装置、発光装置、照明装置、電気光学装置、撮像装置、および電子機器なども半導体装置を有する場合がある。

マイクロマシンは、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）や、ＭＳＴ（Ｍｉｃｒｏ Ｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）などと呼ばれ、機械的微小構造体と、電気回路とを融合した総合的なシステムを指す。上記微小構造体は一般的な半導体素子と異なり、三次元的な立体構造を有し、一部が可動する場合が多い。そして当該マイクロマシンは、センサ、アクチュエータ、インダクタ、モータ、可変容量等の受動素子、スイッチ、または光学素子など、様々な機能を有することができる。

なお、前述の電気回路は一般的に半導体素子によって構成され、前記微小構造体の動作を制御することや、微小構造体から出力される微小な信号を受信して処理することができる。

マイクロマシンは作製方法によって分類することができる。例えば、シリコン基板の結晶異方性を利用して微小構造体を作製するバルクマイクロマシンと、様々な基板上に薄膜を積層して立体的な微小構造体を作製する表面マイクロマシンとがある（特許文献１参照）。特に表面マイクロマシンは、微小構造体および電気回路を同一基板上に形成することができるため、注目されている。

アクチュエータとして機能するマイクロマシンは、駆動原理により静電、圧電、電磁、熱などに分類できる。特に、静電アクチュエータとして機能するマイクロマシンは、標準的な半導体プロセスで作製できるため、生産しやすく、信頼性が高い。

静電アクチュエータは、平行平板型、カンチレバー型、櫛歯型、回転型などに分類することができる。平行平板型の静電アクチュエータの一例としては、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）を用いた表示装置が知られている。ＤＭＤを用いた表示装置は、偏光板やカラーフィルタを用いたいため、光の利用効率が高い。よって、ＤＭＤを用いた表示装置は、高コントラスト、高画質な画像表示が可能と言われている。

また、静電アクチュエータの駆動には、１０Ｖ以上の電圧が必要になる場合がある。一方で、前述の電気回路の電源電圧は数Ｖ程度であることが多い。このため、マイクロマシンの駆動には、供給電圧の異なる複数の電源装置を設ける必要がある。

特許文献２には、電源装置の構成にコッククロフト・ウォルトン型電源回路を用いることで、電気回路を駆動する電圧を、静電アクチュエータを駆動する電圧に高める構成が示されている。コッククロフト・ウォルトン型電源回路で昇圧した電圧は、バッファコンデンサなどを介して静電アクチュエータ群全体に供給される。

特開２０００－２０８０１８号公報 特開２００４－１１２９４４号公報

特許文献２に示されている構成では、コッククロフト・ウォルトン型電源回路で昇圧した電圧が静電型アクチュエータ群の動作に伴い変動しやすく、電源電圧の安定が難しい。電源電圧を安定させるために、バッファコンデンサを大きくすると、電源回路の占有面積が増大し、消費電力も増大する。また、特許文献２では、コッククロフト・ウォルトン型電源回路を構成するスイッチとして、熱型リレーまたは静電型リレーなどの機械式リレースイッチや、半導体ダイオードの使用が示されている。しかしながら、機械式リレースイッチは動作速度が遅く、小型化が難しく、ノイズ源になりやすいという問題がある。また、半導体ダイオードを用いた場合では、逆方向電圧印加時の漏れ電流などにより消費電力が増加しやすいという問題がある。

本発明の一態様は、消費電力が低減された半導体装置、マイクロマシン、表示素子、表示装置または電子機器などを提供することを課題の一つとする。または、動作の安定した半導体装置、マイクロマシン、表示素子、表示装置または電子機器などを提供することを課題の一つとする。または、信頼性の良好な半導体装置、マイクロマシン、表示素子、表示装置または電子機器などを提供することを課題の一つとする。

または、本発明の一態様は、表示品位が良好な半導体装置、表示装置または電子機器などを提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、生産性が良好な半導体装置、マイクロマシン、表示素子、表示装置または電子機器などを提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、新規な半導体装置、新規なマイクロマシン、新規な表示素子、新規な表示装置または新規な電子機器などを提供することを課題の一つとする。

なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。

静電アクチュエータ群を含む半導体装置において、静電アクチュエータ毎に、チャネルが形成される半導体層に金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いたトランジスタ（「ＯＳトランジスタ」ともいう。）と容量素子を設け、静電アクチュエータ毎に外部から供給された電源電圧を昇圧する。ＯＳトランジスタを用いることで、電源電圧の供給が停止した後も昇圧した電圧の長期間保持が可能となる。ＯＳトランジスタを用いることで、容量素子を小さくすることができる。

本発明の一態様は、第１乃至第４トランジスタと、第１容量素子と、第２容量素子と、第１乃至第３電極と、第１乃至第６配線と、を有し、第１トランジスタのソースまたはドレインの一方は、第１配線と電気的に接続され、第１トランジスタのソースまたはドレインの他方は、第１容量素子の一方の電極および第１電極と電気的に接続され、第１トランジスタのゲートは第５配線と電気的に接続され、第２トランジスタのソースまたはドレインの一方は、第２配線と電気的に接続され、第２トランジスタのソースまたはドレインの他方は、第１容量素子の他方の電極と電気的に接続され、第２トランジスタのゲートは第６配線と電気的に接続され、第３トランジスタのソースまたはドレインの一方は、第３配線と電気的に接続され、第３トランジスタのソースまたはドレインの他方は、第２容量素子の一方の電極および第２電極と電気的に接続され、第３トランジスタのゲートは第５配線と電気的に接続され、第４トランジスタのソースまたはドレインの一方は、第４配線と電気的に接続され、第４トランジスタのソースまたはドレインの他方は、第２容量素子の他方の電極と電気的に接続され、第４トランジスタのゲートは第６配線と電気的に接続され、第１乃至第４トランジスタの半導体層は、それぞれが酸化物半導体を含み、第３電極は、第１電極および第２電極の電位に応じて傾く機能を有する半導体装置である。

また、本発明の別の一態様は、第１乃至第４トランジスタと、第１容量素子と、第２容量素子と、第１乃至第３電極と、第１乃至第６配線と、を有し、第１トランジスタのソースまたはドレインの一方は、第１配線と電気的に接続され、第１トランジスタのソースまたはドレインの他方は、第１容量素子の一方の電極および第１電極と電気的に接続され、第１トランジスタのゲートは第５配線と電気的に接続され、第２トランジスタのソースまたはドレインの一方は、第２配線と電気的に接続され、第２トランジスタのソースまたはドレインの他方は、第１容量素子の他方の電極と電気的に接続され、第２トランジスタのゲートは第６配線と電気的に接続され、第３トランジスタのソースまたはドレインの一方は、第３配線と電気的に接続され、第３トランジスタのソースまたはドレインの他方は、第２容量素子の一方の電極および第２電極と電気的に接続され、第３トランジスタのゲートは第５配線と電気的に接続され、第４トランジスタのソースまたはドレインの一方は、第４配線と電気的に接続され、第４トランジスタのソースまたはドレインの他方は、第２容量素子の他方の電極と電気的に接続され、第４トランジスタのゲートは第６配線と電気的に接続され、第１乃至第４トランジスタの半導体層は、それぞれが酸化物半導体を含み、第１電極と第３電極との間の距離は、第１電極の電位に応じて変化し、第２電極と第３電極との間の距離は、第２電極の電位に応じて変化する半導体装置である。

第１乃至第４トランジスタは、バックゲートを有してもよい。酸化物半導体は、インジウムおよび亜鉛の一方または双方を含むことが好ましい。第１電極および第２電極は、固定電極として機能する。また、第３電極は、可動電極として機能する。第３電極は、可視光の反射率が７０％以上１００％以下であることが好ましい。

本発明の一態様によれば、消費電力が低減された半導体装置、マイクロマシン、表示素子、表示装置または電子機器などを提供することができる。または、動作の安定した半導体装置、マイクロマシン、表示素子、表示装置または電子機器などを提供することができる。または、信頼性の良好な半導体装置、マイクロマシン、表示素子、表示装置または電子機器などを提供することができる。

または、本発明の一態様によれば、表示品位が良好な半導体装置、表示装置または電子機器などを提供することができる。または、本発明の一態様によれば、生産性が良好な半導体装置、マイクロマシン、表示素子、表示装置または電子機器などを提供することができる。または、本発明の一態様によれば、新規な半導体装置、新規なマイクロマシン、新規な表示素子、新規な表示装置または新規な電子機器など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。

図１Ａ、図１Ｂはマイクロマシンの一形態を説明する斜視図である。
図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃはマイクロマシンの一形態を説明する上面図および側面図である。
図３Ａ１、図３Ａ２、図３Ｂ１、図３Ｂ２はマイクロマシンの一形態を説明する断面図である。
図４はマイクロマシンの回路図である。
図５はマイクロマシンの回路図である。
図６はマイクロマシン動作を説明するタイミングチャートである。
図７Ａ、図７Ｂはマイクロマシンの動作状態を示す図である。
図８Ａ、図８Ｂはマイクロマシンの動作状態を示す図である。
図９Ａ、図９Ｂはマイクロマシンの動作状態を示す図である。
図１０Ａ、図１０Ｂはマイクロマシンの動作状態を示す図である。
図１１はマイクロマシンの回路図である。
図１２はマイクロマシンの動作状態を示す図である。
図１３はマイクロマシンの動作状態を示す図である。
図１４はマイクロマシンの回路図である。
図１５はマイクロマシン動作を説明するタイミングチャートである。
図１６はマイクロマシンの動作状態を示す図である。
図１７はマイクロマシンの動作状態を示す図である。
図１８はマイクロマシンの動作状態を示す図である。
図１９はマイクロマシンの動作状態を示す図である。
図２０はマイクロマシンの動作状態を示す図である。
図２１はマイクロマシンの回路図である。
図２２はマイクロマシンの回路図である。
図２３はマイクロマシン動作を説明するタイミングチャートである。
図２４はマイクロマシンの動作状態を示す図である。
図２５はマイクロマシンの動作状態を示す図である。
図２６はマイクロマシンの動作状態を示す図である。
図２７はマイクロマシンの動作状態を示す図である。
図２８はマイクロマシンの動作状態を示す図である。
図２９はマイクロマシンの動作状態を示す図である。
図３０はマイクロマシンの動作状態を示す図である。
図３１はマイクロマシンの動作状態を示す図である。
図３２は表示素子の斜視図である。
図３３Ａ、図３３Ｂは表示装置の動作例を説明する図である。
図３４はマイクロマシンの一例を示す図である。
図３５はマイクロマシンの積層構造例を示す図である。
図３６はマイクロマシンの積層構造例を示す図である。
図３７Ａ、図３７Ｂ、図３７Ｃはトランジスタの構成例を示す図である。
図３８Ａ、図３８Ｂ、図３８Ｃはトランジスタの構成例を示す図である。
図３９Ａ、図３９Ｂは電子機器の一例を説明する図である。

実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨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。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分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。

また、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、発明の理解を容易とするため、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理によりレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするために図に反映されないことがある。

また、上面図（「平面図」ともいう）や斜視図などにおいて、図面をわかりやすくするために、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。

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。

なお、本明細書等において「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が直上または直下で、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、ソースおよびドレインの機能は、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、動作条件などによって互いに入れ替わるため、いずれがソースまたはドレインであるかを限定することが困難である。このため、本明細書においては、ソースおよびドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。

また、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。よって、「電気的に接続する」と表現される場合であっても、現実の回路においては、物理的な接続部分がなく、配線が延在しているだけの場合もある。

また、本明細書などにおいて、「平行」とは、例えば、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。従って、－５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「垂直」および「直交」とは、例えば、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。従って、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。

なお、本明細書などにおいて、計数値および計量値に関して「同一」、「同じ」、「等しい」または「均一」などと言う場合は、明示されている場合を除き、プラスマイナス２０％の誤差を含むものとする。

また、本明細書において、レジストマスクを形成した後にエッチング処理を行う場合は、特段の説明がない限り、レジストマスクは、エッチング処理終了後に除去するものとする。

また、電圧は、ある電位と、基準の電位（例えば接地電位またはソース電位）との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能である。

なお、「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。よって、「半導体」を「絶縁体」に置き換えて用いることも可能である。この場合、「半導体」と「絶縁体」の境界は曖昧であり、両者の厳密な区別は難しい。したがって、本明細書に記載の「半導体」と「絶縁体」は、互いに読み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。よって、「半導体」を「導電体」に置き換えて用いることも可能である。この場合、「半導体」と「導電体」の境界は曖昧であり、両者の厳密な区別は難しい。したがって、本明細書に記載の「半導体」と「導電体」は、互いに読み換えることができる場合がある。

なお、本明細書等における「第１」、「第２」等の序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、工程順または積層順など、なんらかの順番や順位を示すものではない。また、本明細書等において序数詞が付されていない用語であっても、構成要素の混同を避けるため、特許請求の範囲において序数詞が付される場合がある。また、本明細書等において序数詞が付されている用語であっても、特許請求の範囲において異なる序数詞が付される場合がある。また、本明細書等において序数詞が付されている用語であっても、特許請求の範囲などにおいて序数詞を省略する場合がある。

なお、本明細書等において、トランジスタの「オン状態」とは、トランジスタのソースとドレインが電気的に短絡しているとみなせる状態（「導通状態」ともいう。）をいう。また、トランジスタの「オフ状態」とは、トランジスタのソースとドレインが電気的に遮断しているとみなせる状態（「非導通状態」ともいう。）をいう。

また、本明細書等において、「オン電流」とは、トランジスタがオン状態の時にソースとドレイン間に流れる電流をいう場合がある。また、「オフ電流」とは、トランジスタがオフ状態である時にソースとドレイン間に流れる電流をいう場合がある。

また、本明細書等において、高電源電位ＶＤＤ（以下、単に「ＶＤＤ」または「Ｈ電位」ともいう）とは、低電源電位ＶＳＳよりも高い電位の電源電位を示す。また、低電源電位ＶＳＳ（以下、単に「ＶＳＳ」または「Ｌ電位」ともいう）とは、高電源電位ＶＤＤよりも低い電位の電源電位を示す。また、接地電位をＶＤＤまたはＶＳＳとして用いることもできる。例えばＶＤＤが接地電位の場合には、ＶＳＳは接地電位より低い電位であり、ＶＳＳが接地電位の場合には、ＶＤＤは接地電位より高い電位である。

また、本明細書等において、ゲートとは、ゲート電極およびゲート配線の一部または全部のことをいう。ゲート配線とは、少なくとも一つのトランジスタのゲート電極と、別の電極や別の配線とを電気的に接続させるための配線のことをいう。

また、本明細書等において、ソースとは、ソース領域、ソース電極、およびソース配線の一部または全部のことをいう。ソース領域とは、半導体層のうち、抵抗率が一定値以下の領域のことをいう。ソース電極とは、ソース領域に接続される部分の導電層のことをいう。ソース配線とは、少なくとも一つのトランジスタのソース電極と、別の電極や別の配線とを電気的に接続させるための配線のことをいう。

また、本明細書等において、ドレインとは、ドレイン領域、ドレイン電極、及びドレイン配線の一部または全部のことをいう。ドレイン領域とは、半導体層のうち、抵抗率が一定値以下の領域のことをいう。ドレイン電極とは、ドレイン領域に接続される部分の導電層のことをいう。ドレイン配線とは、少なくとも一つのトランジスタのドレイン電極と、別の電極や別の配線とを電気的に接続させるための配線のことをいう。

（実施の形態１）
マイクロマシン１００の一例について、図１乃至図１１を用いて説明する。なお、本明細書等では、マイクロマシン１００として、平行平板型の静電アクチュエータの一例を示す。

＜マイクロマシン１００の構成＞
図１Ａおよび図１Ｂは、マイクロマシン１００の一例を説明するための斜視図である。なお、図１ＡにＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向を示す矢印を付している。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向は、それぞれが互いに直交する方向である。図２Ａは、マイクロマシン１００の上面図である。図２Ｂは、マイクロマシン１００をＸ軸方向から見た側面図である。図２Ｃは、マイクロマシン１００をＹ軸方向から見た側面図である。

本実施の形態に例示するマイクロマシン１００は、電極１２１、電極１２２、電極１２３、支柱１２５、およびストッパ１２４を有する構造体１８０、ならびに回路１５１が設けられた基板１０１を有する。また、電極１２２、電極１２３、支柱１２５、およびストッパ１２４は基板１０１上に設けられている。電極１２１は、Ｙ軸方向の中央付近に、Ｘ軸方向に沿って互いに反対方向に伸びる支持部１２６を有する。本実施の形態に例示するマイクロマシン１００は、基板１０１上に２つの支柱１２５を有する。２つの支柱１２５は、それぞれが異なる支持部１２６と接続する。また、支柱１２５は導電性を有し、電極１２１に電位を供給する機能を有する。

構造体１８０が有する電極１２１、電極１２２、電極１２３、および支柱１２５を形成するための導電性材料としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウムなどから選ばれた金属元素、上述した金属元素の一以上を含む合金などを用いることができる。また、電気伝導度が高い半導体などを用いる場合もありうる。

また、電極１２１は、光を反射する機能を有し、反射電極として機能することができる。よって、電極１２１は可視光（波長４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の光）の反射率が７０％以上１００％以下であることが好ましく、８０％以上１００％以下であることがより好ましく、９０％以上１００％以下であることがさらに好ましい。

構造体１８０は、犠牲層を用いた方法などで作製することができる。犠牲層としては、ポリイミド、アクリル等の有機樹脂、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン等の無機絶縁膜等で形成することができる。例えば、犠牲層、電極１２２および電極１２３上に電極１２１を形成した後で犠牲層を除去することで、構造体１８０を作製することができる。また、電極１２１の表面に、アルミナ、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ－Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）等の絶縁層を形成すると、構造体１８０の経年劣化を低減することができるため好ましい。

＜マイクロマシン１００の動作＞
次に、本実施の形態に例示するマイクロマシン１００および回路１５１の動作例について、図面を用いて説明する。電極１２１には支柱１２５を介してＬ電位が供給される。電極１２１は、電極１２１と支柱１２５の接続部分を支点として、電極１２２側または電極１２３側のどちらかに傾く機能を有する。

なお、本実施の形態では、電極１２１にＬ電位が供給される前提でマイクロマシン１００の動作例を説明するが、電極１２１に供給される電位はＨ電位であってもよい。

電極１２１は、電極１２１と電極１２２の間の電位差と、電極１２１と電極１２３の間の電位差のうち、電位差が大きい方に傾く。例えば、電極１２１と電極１２３が同電位で、電極１２１と電極１２２に電位差が生じると、静電気力（クーロン力）によって電極１２１は電極１２２に引き付けられる。電極１２１が動くために必要な電位差は、主に電極１２１の機械的強度によって決定される。本実施の形態では、電極１２１と電極１２３が同電位（Ｌ電位）である時に、電極１２１と電極１２２の間の電位差が、Ｈ電位とＬ電位の間に生じる電位差を越えた場合に、電極１２１が電極１２２側に傾くものとする。

電極１２３にＬ電位が供給され、電極１２２にＨ電位を超える電位が供給されると、電極１２１は静電気力（クーロン力）によって電極１２２に引き付けられ、電極１２２側に傾斜する。電極１２１が電極１２２側に傾斜した状態のマイクロマシン１００の斜視図を図３Ａ１に示す。また、電極１２１が電極１２２側に傾斜した状態のマイクロマシン１００をＸ軸方向から見た図を図３Ｂ１に示す。

電極１２２に引き付けられた電極１２１は、ストッパ１２４に接触するまで傾く。ストッパ１２４を設けることで、電極１２２と電極１２１が接触して離れなくなる現象（プルイン現象）を防ぐことができる。

電極１２２にＬ電位が供給され、電極１２３にＨ電位を超える電位が供給されると、電極１２１は静電気力（クーロン力）によって電極１２３に引き付けられ、電極１２３側に傾く。電極１２１が電極１２３側に傾斜した状態のマイクロマシン１００の斜視図を図３Ａ２に示す。また、電極１２１が電極１２３側に傾斜した状態のマイクロマシン１００をＸ軸方向から見た図を図３Ｂ２に示す。

電極１２３に引き付けられた電極１２１は、ストッパ１２４に接触するまで傾く。ストッパ１２４を設けることで、電極１２３と電極１２１が接触して離れなくなる現象を防ぐことができる。

このように、電極１２１は可動電極として機能する。また、電極１２２および電極１２３は、固定電極として機能する。

〔回路１５１の構成〕
図４に回路１５１を含むマイクロマシン１００の回路図を示す。なお、図４では、構造体１８０に含まれる電極１２１、電極１２２、および電極１２３を付記している。回路１５１は、トランジスタ１６１、トランジスタ１６２、容量素子１６５、トランジスタ１７１、トランジスタ１７２、および容量素子１７５を有する。

トランジスタ１６１のソースまたはドレインの一方は配線１５３ａと電気的に接続され、他方は容量素子１６５の一方の電極および電極１２２と電気的に接続される。トランジスタ１６１のソースまたはドレインの他方、容量素子１６５の一方の電極、および電極１２２が電気的に接続する節点をノードＮＤ１１と呼ぶ。トランジスタ１６２のソースまたはドレインの一方は配線１５３ｂと電気的に接続され、他方は容量素子１６５の他方の電極と電気的に接続される。トランジスタ１６２のソースまたはドレインの他方と容量素子１６５の他方の電極が電気的に接続する節点をノードＮＤ１２と呼ぶ。

トランジスタ１７１のソースまたはドレインの一方は配線１５４ａと電気的に接続され、他方は容量素子１７５の一方の電極および電極１２３と電気的に接続される。トランジスタ１７１のソースまたはドレインの他方、容量素子１７５の一方の電極、および電極１２３が電気的に接続する節点をノードＮＤ２１と呼ぶ。トランジスタ１７２のソースまたはドレインの一方は配線１５４ｂと電気的に接続され、他方は容量素子１７５の他方の電極と電気的に接続される。トランジスタ１７２のソースまたはドレインの他方と容量素子１７５の他方の電極が電気的に接続する節点をノードＮＤ２２と呼ぶ。

トランジスタ１６１のゲートおよびトランジスタ１７１のゲートは配線１５２ａと電気的に接続され、トランジスタ１６２のゲートおよびトランジスタ１７２のゲートは配線１５２ｂと電気的に接続される。

トランジスタ１６１、トランジスタ１６２、トランジスタ１７１、およびトランジスタ１７２として、ＯＳトランジスタを用いることが好ましい。ＯＳトランジスタはオフ電流を極めて少なくすることができる。具体的には、チャネル幅１μｍ当たりのオフ電流を室温下において１×１０^－２０Ａ未満、好ましくは１×１０^－２２Ａ未満、さらに好ましくは１×１０^－２４Ａ未満とすることができる。

トランジスタ１６１、トランジスタ１６２、トランジスタ１７１、およびトランジスタ１７２にＯＳトランジスタを用いることによって、容量素子１６５および容量素子１７５を小さくすることができる。または、容量素子１６５および容量素子１７５を設けずに、トランジスタなどの寄生容量を容量素子１６５および容量素子１７５に代えて用いることができる。その結果、マイクロマシン１００の占有面積を小さくすることができる。例えば、マイクロマシン１００を用いた表示素子の高精細化が容易となり、当該表示素子を用いた表示装置の表示品位を良好なものとすることができる。

また、ＯＳトランジスタは、高温環境下（例えば、５０℃以上１５０℃以下の環境下。）においても、オフ電流か増加しにくい。よって、高温環境下においても、ノードＮＤ１１、ノードＮＤ１２、ノードＮＤ２１、およびノードＮＤ２２に供給された電位（電荷）を長期間保持することができる。また、ＯＳトランジスタは、ソースとドレイン間の絶縁耐圧が高い。ＯＳトランジスタを用いることによって、信頼性の良好なマイクロマシンなどを提供できる。また、信頼性の良好な半導体装置などを提供できる。

また、図５に示すように、トランジスタ１６１、トランジスタ１６２、トランジスタ１７１、およびトランジスタ１７２を、バックゲートを有するトランジスタとしてもよい。図５では、トランジスタ１６１およびトランジスタ１７１のバックゲートが配線１５２ａと電気的に接続している。また、トランジスタ１６２およびトランジスタ１７２のバックゲートが配線１５２ｂと電気的に接続している。

なお、図５では、バックゲートの電位がゲートの電位と同じになるが、バックゲートの電位はゲートと異なってもよい。バックゲートの電位を接地電位（ＧＮＤ電位）や任意の電位としてもよい。

バックゲートは、ゲートとバックゲートで半導体層のチャネル形成領域を挟むように配置される。バックゲート電極は導電層で形成され、ゲート電極と同様に機能させることができる。また、バックゲートの電位を変化させることで、トランジスタのしきい値電圧を変化させることができる。

また、ゲートとバックゲートは導電層で形成されるため、トランジスタの外部で生じる電場が、チャネルが形成される半導体層に作用しないようにする機能（特に静電気に対する静電遮蔽機能）を有する。すなわち、静電気などの外部の電場の影響によりトランジスタの電気的な特性が変動することを防止することができる。

〔回路１５１の動作〕
図６乃至図１０を用いて、回路１５１を含むマイクロマシン１００の動作を説明する。図６は回路１５１を含むマイクロマシン１００の動作を説明するタイミングチャートである。図７乃至図１０は特定の動作期間における回路１５１を含むマイクロマシン１００の状態を示す図である。

また、図面などにおいて、配線および電極の電位をわかりやすくするため、配線および電極に隣接してＨ電位を示す“Ｈ”、またはＬ電位を示す“Ｌ”を付記する場合がある。また、電位変化が生じた配線および電極には、“Ｈ”または“Ｌ”を囲み文字で付記する場合がある。また、トランジスタがオフ状態である場合、当該トランジスタに重ねて“×”記号を付記する場合がある。

まず、電極１２１、配線１５３ｂ、配線１５４ａ、および配線１５４ｂにＬ電位が供給され、配線１５３ａにＨ電位が供給されているものとする。

［期間Ｔ１］
期間Ｔ１において、配線１５２ａおよび配線１５２ｂにＨ電位が供給される（図７Ａ参照。）。すると、トランジスタ１６１がオン状態となり、配線１５３ａからノードＮＤ１１にＨ電位が供給される。また、トランジスタ１７１がオン状態となり、配線１５４ａからノードＮＤ２１にＬ電位が供給される。また、トランジスタ１６２がオン状態となり、配線１５３ｂからノードＮＤ１２にＬ電位が供給される。また、トランジスタ１７２がオン状態となり、配線１５４ｂからノードＮＤ２２にＬ電位が供給される。

［期間Ｔ２］
期間Ｔ２において、配線１５２ａにＬ電位が供給される（図７Ｂ参照。）。すると、トランジスタ１６１がオフ状態となり、ノードＮＤ１１に供給された電荷が保持される。より正確には、ノードＮＤ１１の電位をＨ電位にする量の電荷がノードＮＤ１１に保持される。同様に、トランジスタ１７１がオフ状態となり、ノードＮＤ２１の電位が保持される。より正確には、ノードＮＤ２１の電位をＬ電位にする量の電荷がノードＮＤ２１に保持される。トランジスタ１６１およびトランジスタ１７１がオフ状態になることで、ノードＮＤ１１およびノードＮＤ２１は、電気的に浮遊した状態（フローティング状態）になる。

トランジスタ１６１にＯＳトランジスタを用いることによりノードＮＤ１１の電荷を長期間保持することができる。トランジスタ１７１にＯＳトランジスタを用いることによりノードＮＤ２１の電荷を長期間保持することができる。よって、マイクロマシン１００の消費電力を低減することができる。また、マイクロマシン１００の動作が安定し、信頼性を高めることができる。

［期間Ｔ３］
期間Ｔ３において、配線１５３ｂにＨ電位を供給する（図８Ａ参照。）。トランジスタ１６２はオン状態であるため、ノードＮＤ１２の電位がＬ電位からＨ電位に上昇する。また、ノードＮＤ１１はフローティング状態であり、かつ、ノードＮＤ１１はノードＮＤ１２と容量素子１６５によって容量結合している。よって、ノードＮＤ１２の電位がＬ電位からＨ電位に上昇すると、ノードＮＤ１１の電位もノードＮＤ１２の電位変化に比例して上昇する。すなわち、ノードＮＤ１１の電位がＨ電位の２倍の電位（２×Ｈ電位）になる。その結果、電極１２２の電位もＨ電位の２倍になる。

電極１２２に２×Ｈ電位が供給されることにより、電極１２１はクーロン力によって電極１２２に引き付けられ、電極１２２側に傾く。期間Ｔ１乃至期間Ｔ３は、マイクロマシン１００の駆動期間ということができる。

［期間Ｔ４］
期間Ｔ４において、配線１５２ｂにＬ電位を供給する（図８Ｂ参照。）。すると、トランジスタ１６２がオフ状態となり、ノードＮＤ１２の電荷が保持される。同様に、トランジスタ１７２がオフ状態となり、ノードＮＤ２２の電荷が保持される。期間Ｔ４は、マイクロマシン１００の保持期間ということができる。

［期間Ｔ５］
期間Ｔ５において、配線１５３ａおよび配線１５３ｂにＬ電位が供給され、配線１５４ａ、配線１５２ａおよび配線１５２ｂにＨ電位が供給される（図９Ａ参照。）。すると、トランジスタ１６１がオン状態となり、配線１５３ａからノードＮＤ１１にＬ電位が供給される。よって、電極１２２の電位がＬ電位となる。

また、トランジスタ１７１がオン状態となり、配線１５４ａからノードＮＤ２１にＨ電位が供給される。また、トランジスタ１６２がオン状態となり、配線１５３ｂからノードＮＤ１２にＬ電位が供給される。また、トランジスタ１７２がオン状態となり、配線１５４ｂからノードＮＤ２２にＬ電位が供給される。

［期間Ｔ６］
期間Ｔ６において、配線１５２ａにＬ電位が供給される（図９Ｂ参照。）。すると、トランジスタ１６１がオフ状態となり、ノードＮＤ１１に供給された電荷が保持される。より正確には、ノードＮＤ１１の電位をＬ電位にする量の電荷がノードＮＤ１１に保持される。同様に、トランジスタ１７１がオフ状態となり、ノードＮＤ２１の電位が保持される。より正確には、ノードＮＤ２１の電位をＨ電位にする量の電荷がノードＮＤ２１に保持される。トランジスタ１６１およびトランジスタ１７１がオフ状態になることで、ノードＮＤ１１およびノードＮＤ２１は、フローティング状態になる。

［期間Ｔ７］
期間Ｔ７において、配線１５４ｂにＨ電位を供給する（図１０Ａ参照。）。トランジスタ１７２はオン状態であるため、ノードＮＤ２２の電位がＬ電位からＨ電位に上昇する。ノードＮＤ２１はフローティング状態であり、かつ、ノードＮＤ２１はノードＮＤ２２と容量素子１７５によって容量結合している。よって、ノードＮＤ２２の電位がＬ電位からＨ電位に上昇すると、ノードＮＤ２１の電位もノードＮＤ２２の電位変化に比例して上昇する。すなわち、ノードＮＤ２１の電位がＨ電位の２倍の電位（２×Ｈ電位）になる。よって、電極１２３の電位もＨ電位の２倍になる。

電極１２３に２×Ｈ電位が供給されることにより、電極１２１はクーロン力によって電極１２３に引き付けられ、電極１２３側に傾く。期間Ｔ５乃至期間Ｔ７は、マイクロマシン１００の駆動期間ということができる。

［期間Ｔ８］
期間Ｔ８において、配線１５２ｂにＬ電位を供給する（図１０Ｂ参照。）。すると、トランジスタ１６２がオフ状態となり、ノードＮＤ１２の電荷が保持される。同様に、トランジスタ１７２がオフ状態となり、ノードＮＤ２２の電荷が保持される。期間Ｔ８は、マイクロマシン１００の保持期間ということができる。

このように、回路１５１は、別途電源装置を追加することなく、電極１２２または電極１２３に、Ｈ電位の２倍の電位（２×Ｈ電位）を供給することができる。

また、本発明の一態様によれば、複数のマイクロマシン１００を有する半導体装置において、マイクロマシン１００毎に電極１２２の電位または電極１２３の電位を昇圧して電極１２１を動作させることができる。本発明の一態様によれば、出力電圧の低い電気回路用の電源を用いて、動作が必要なマイクロマシン１００に対してのみ必要な電位を昇圧生成することができる。よって、複数のマイクロマシン１００全体に対して昇圧電源を設ける場合よりも、電力使用効率が高く、消費電力を低減することができる。また、半導体装置全体の占有面積を低減することができる。

《変形例１》
〔回路１５１Ａの構成〕
図１１に回路１５１Ａを含むマイクロマシン１００の回路図を示す。なお、図１１では、構造体１８０に含まれる電極１２１、電極１２２、および電極１２３を付記している。回路１５１Ａは、回路１５１の変形例である。説明の重複を減らすため、主に、回路１５１Ａの回路１５１と異なる点について説明する。回路１５１Ａは、回路１５１にトランジスタ１６４およびトランジスタ１７４を付加した構成を有する。

トランジスタ１６４のソースまたはドレインの一方は配線１５８と電気的に接続され、他方はノードＮＤ２１と電気的に接続される。トランジスタ１６４のゲートはノードＮＤ１１と電気的に接続される。トランジスタ１７４のソースまたはドレインの一方は配線１５８と電気的に接続され、他方はノードＮＤ１１と電気的に接続される。トランジスタ１７４のゲートはノードＮＤ２１と電気的に接続される。

本発明の一態様の回路１５１では、電極１２１を電極１２２側に傾ける場合、電極１２２の電位を、Ｈ電位を超える電位にするためノードＮＤ１１をフローティング状態にしているが、ノードＮＤ２１もフローティング状態となる。ノードＮＤ２１がフローティング状態である場合、ノードＮＤ１１とノードＮＤ２１との間の寄生容量が大きいと、ノードＮＤ１１の電位を２×Ｈ電位まで昇圧する際に、ノードＮＤ２１の電位も上昇してしまう恐れがある。

トランジスタ１６４を設けることで、期間Ｔ４（保持期間）中のノードＮＤ２１をフローティング状態にすることなく、Ｌ電位に固定することができる。また、トランジスタ１７４を設けることで、期間Ｔ８中のノードＮＤ１１をフローティング状態にすることなく、Ｌ電位に固定することができる。よって、保持期間中において、マイクロマシン１００の状態を安定させることができる。トランジスタ１６４およびトランジスタ１７４を設けることで、マイクロマシン１００の挙動を安定させ、信頼性を高めることができる。

〔回路１５１Ａの動作〕
次に、回路１５１Ａを含むマイクロマシン１００の動作について説明する。本実施の形態では、回路１５１Ａを用いて電極１２１を電極１２２側に傾斜させる場合の動作について説明する。図１２に、回路１５１Ａを含むマイクロマシン１００の期間Ｔ１における動作状態を示す。図１３に、回路１５１Ａを含むマイクロマシン１００の期間Ｔ３における動作状態を示す。

［期間Ｔ１］
期間Ｔ１においてノードＮＤ１１の電位がＨ電位であるため、トランジスタ１６４のゲート電位もＨ電位となる。よって、トランジスタ１６４はオン状態になり、配線１５８からノードＮＤ２１にＬ電位が供給される。

また、トランジスタ１７４のゲートはノードＮＤ２１と電気的に接続されているため、トランジスタ１７４のゲート電位もＬ電位となる。よって、トランジスタ１７４はオフ状態になる。

［期間Ｔ３］
期間Ｔ３においてトランジスタ１６１およびトランジスタ１７１がオフ状態となり、ノードＮＤ１１の電位が２×Ｈ電位となる。トランジスタ１６４のゲート電位は２×Ｈ電位になるため、トランジスタ１６４はオン状態が維持される。回路１５１Ａでは、期間Ｔ４においてもノードＮＤ２１がフローティング状態にならず、ノードＮＤ２１の電位はＬ電位に固定される。また、トランジスタ１７４はオフ状態のままである。

このように、回路１５１Ａでは、保持期間中において、マイクロマシン１００の状態を安定させることができる。トランジスタ１６４およびトランジスタ１７４を設けることで、マイクロマシン１００の挙動を安定させ、信頼性を高めることができる。また、トランジスタ１７４にＯＳトランジスタを用いることによりノードＮＤ１１の電荷を長期間保持することができる。トランジスタ１６４にＯＳトランジスタを用いることによりノードＮＤ２１の電荷を長期間保持することができる。よって、マイクロマシン１００の信頼性をさらに高めることができる。

《変形例２》
〔回路１５１Ｂの構成〕
図１４に回路１５１Ｂを含むマイクロマシン１００の回路図を示す。なお、図１４では、構造体１８０に含まれる電極１２１、電極１２２、および電極１２３も付記している。回路１５１Ｂは、回路１５１Ａの変形例である。説明の重複を減らすため、主に、回路１５１Ｂの回路１５１Ａと異なる点について説明する。回路１５１Ｂは、回路１５１Ａにトランジスタ１６３、トランジスタ１７３、容量素子１６６、および容量素子１７６を付加した構成を有する。

トランジスタ１６３のソースまたはドレインの一方は配線１５３ｂと電気的に接続され、容量素子１６６の一方の電極はノードＮＤ１２と電気的に接続される。トランジスタ１６３のソースまたはドレインの他方は容量素子１６６の他方の電極と電気的に接続される。トランジスタ１６３のソースまたはドレインの他方と容量素子１６６の他方の電極が電気的に接続する節点をノードＮＤ１３と呼ぶ。

トランジスタ１７３のソースまたはドレインの一方は配線１５４ｂと電気的に接続され、容量素子１７６の一方の電極はノードＮＤ１２と電気的に接続される。トランジスタ１６３のソースまたはドレインの他方は容量素子１７６の他方の電極配と電気的に接続される。トランジスタ１６３のソースまたはドレインの他方と容量素子１７６の他方の電極が電気的に接続する節点をノードＮＤ２３と呼ぶ。

トランジスタ１６３のゲートおよびトランジスタ１７３のゲートは配線１５２ｃと電気的に接続される。

回路１５１Ｂは、電極１２２の電位および電極１２３の電位を、Ｈ電位の３倍の電位（３×Ｈ電位）にする機能を有する。また、回路１５１Ｂは、回路１５１および回路１５１Ａよりも、電極１２２と電極１２１の間に生じるクーロン力および電極１２２と電極１２１の間に生じるクーロン力を大きくすることができる。よって、マイクロマシン１００をより確実に動作させることができる。また、マイクロマシン１００の動作速度を高めることができる。また、クーロン力が高まることで、保持期間中のノイズ耐性が向上し、保持期間中においてマイクロマシン１００の動作をより確実に保持することができる。

〔回路１５１Ｂの動作〕
次に、回路１５１Ｂを含むマイクロマシン１００の動作について説明する。本実施の形態では、回路１５１Ｂを用いて電極１２１を電極１２２側に傾斜させる場合の動作について説明する。図１５は回路１５１Ｂを含むマイクロマシン１００の動作を説明するタイミングチャートである。図１６乃至図２０は特定の動作期間における回路１５１Ｂを含むマイクロマシン１００の状態を示す図である。

まず、電極１２１、配線１５３ｂ、配線１５４ａ、配線１５４ｂ、配線１５２ｃ、および配線１５８にＬ電位が供給され、配線１５３ａにＨ電位が供給されているものとする。また、ノードＮＤ１３およびノードＮＤ２３の電位がＨ電位であるものとする。

［期間Ｔ１］
期間Ｔ１において、配線１５２ａおよび配線１５２ｂにＨ電位が供給される（図１６参照。）。すると、トランジスタ１６１がオン状態となり、配線１５３ａからノードＮＤ１１にＨ電位が供給される。また、トランジスタ１７１がオン状態となり、配線１５４ａからノードＮＤ２１にＬ電位が供給される。また、ノードＮＤ１１の電位がＨ電位になると、トランジスタ１６４がオン状態となり、配線１５８からノードＮＤ２１にＬ電位が供給される。また、トランジスタ１６２がオン状態となり、配線１５３ｂからノードＮＤ１２にＬ電位が供給される。また、トランジスタ１７２がオン状態となり、配線１５４ｂからノードＮＤ２２にＬ電位が供給される。

配線１５２ｃにＬ電位が供給されているため、トランジスタ１６３およびトランジスタ１７３はオフ状態である。

［期間Ｔ２］
期間Ｔ２において、配線１５２ａにＬ電位が供給される（図１７参照。）。すると、トランジスタ１６１がオフ状態となり、ノードＮＤ１１に供給された電荷が保持される。より正確には、ノードＮＤ１１の電位をＨ電位にする量の電荷がノードＮＤ１１に保持される。また、トランジスタ１７１もオフ状態となる。

トランジスタ１６１がオフ状態になることで、ノードＮＤ１１はフローティング状態になる。ノードＮＤ２１は、トランジスタ１６４を介して配線１５８からＬ電位が供給される。

［期間Ｔ３］
期間Ｔ３において、配線１５３ｂにＨ電位を供給する（図１８参照。）。トランジスタ１６２はオン状態であるため、ノードＮＤ１２の電位がＬ電位からＨ電位に上昇する。ノードＮＤ１１はフローティング状態であり、かつ、ノードＮＤ１１はノードＮＤ１２と容量素子１６５によって容量結合している。よって、ノードＮＤ１２の電位がＬ電位からＨ電位に上昇すると、ノードＮＤ１１の電位もノードＮＤ１２の電位変化に比例して上昇する。すなわち、ノードＮＤ１１の電位がＨ電位の２倍の電位（２×Ｈ電位）になる。その結果、電極１２２の電位もＨ電位の２倍になる。

電極１２２に２×Ｈ電位が供給されることにより、電極１２１はクーロン力によって電極１２２に引き付けられ、電極１２２側に傾く。

また、期間Ｔ３において、配線１５３ａにＬ電位を供給し、配線１５２ｃにＨ電位を供給する。すると、トランジスタ１６３がオン状態となり、ノードＮＤ１３にＬ電位が供給される。また、トランジスタ１７３がオン状態となり、ノードＮＤ２３にＬ電位が供給される。

［期間Ｔ４］
期間Ｔ４において、配線１５２ｂにＬ電位が供給される（図１９参照。）。すると、トランジスタ１６２がオフ状態となり、ノードＮＤ１２に供給された電荷が保持される。より正確には、ノードＮＤ１２の電位をＨ電位にする量の電荷がノードＮＤ１２に保持される。また、トランジスタ１７２もオフ状態となる。

トランジスタ１６２がオフ状態になることで、ノードＮＤ１２はフローティング状態になる。

［期間Ｔ５］
期間Ｔ５において、配線１５３ａにＨ電位を供給する（図２０参照。）。トランジスタ１６３はオン状態であるため、ノードＮＤ１３の電位がＬ電位からＨ電位に上昇する。ノードＮＤ１２およびノードＮＤ１１はフローティング状態であり、かつ、ノードＮＤ１２はノードＮＤ１３と容量素子１６６によって容量結合し、ノードＮＤ１１はノードＮＤ１２と容量素子１６５によって容量結合している。よって、ノードＮＤ１３の電位がＬ電位からＨ電位に上昇すると、ノードＮＤ１２およびノードＮＤ１１の電位もノードＮＤ１３の電位変化に比例して上昇する。すなわち、ノードＮＤ１２の電位がＨ電位の２倍の電位（２×Ｈ電位）になり、ノードＮＤ１１の電位がＨ電位の３倍の電位（３×Ｈ電位）になる。その結果、電極１２２の電位もＨ電位の３倍になる。

電極１２２に３×Ｈ電位が供給されることにより、電極１２１はより強く電極１２２に引き付けられる。

［期間Ｔ６］
期間Ｔ６において、配線１５２ｃにＬ電位が供給される。すると、トランジスタ１６３がオフ状態となり、ノードＮＤ１３の電荷が保持される。同様に、トランジスタ１７３がオフ状態となり、ノードＮＤ２３の電荷が保持される。回路１５１Ｂにおいて、期間Ｔ６は、マイクロマシン１００の保持期間ということができる。

このように、回路１５１Ｂは、電源電圧を変えたり、別途電源装置を追加したりすることなく、電極１２２の電位および電極１２３の電位を、Ｈ電位の３倍の電位（３×Ｈ電位）にすることができる。よって、回路１５１Ｂは、電極１２２と電極１２１の間に生じるクーロン力および電極１２２と電極１２１の間に生じるクーロン力を大きくすることができる。よって、マイクロマシン１００の動作が安定し、信頼性をさらに高めることができる。

《変形例３》
〔回路１５１Ｃの構成〕
図２１に回路１５１Ｃを含むマイクロマシン１００の回路図を示す。なお、図２１では、構造体１８０に含まれる電極１２１、電極１２２、および電極１２３も付記している。回路１５１Ｃは、回路１５１Ａの変形例である。説明の重複を減らすため、主に、回路１５１Ｃの回路１５１Ａと異なる点について説明する。回路１５１Ｃは、回路１５１Ａにトランジスタ１６９およびトランジスタ１７９を付加した構成を有する。

トランジスタ１６９のソースまたはドレインの一方は配線１５８と電気的に接続され、他方はノードＮＤ１２と電気的に接続される。トランジスタ１６９のゲートは配線１５２ａと電気的に接続される。トランジスタ１７９のソースまたはドレインの一方は配線１５８と電気的に接続され、他方はノードＮＤ２２と電気的に接続される。トランジスタ１７９のゲートは配線１５２ａと電気的に接続される。

トランジスタ１６９およびトランジスタ１７９を設けることで、マイクロマシン１００に接続する配線数を低減することができる。例えば、配線１５３ａまたは配線１５３ｂのどちらか一方と、配線１５４ａまたは配線１５４ｂのどちらか一方を削減することができる。配線数の低減により寄生容量の低減が可能になるため、マイクロマシン１００の動作時の消費電力を低減することができる。

図２１などに示す回路１５１Ｃでは、配線１５３ｂを削減し、トランジスタ１６２のソースまたはドレインの一方を配線１５３ａと電気的に接続している。また、図２１などに示す回路１５１Ｃでは、配線１５４ｂを削減し、トランジスタ１７２のソースまたはドレインの一方を配線１５４ａと電気的に接続している。

また、図２２に示すように、トランジスタ１６１、トランジスタ１６２、トランジスタ１６４、トランジスタ１６９、トランジスタ１７１、トランジスタ１７２、およびトランジスタ１７４を、バックゲートを有するトランジスタとしてもよい。図２２では、トランジスタ１６１、トランジスタ１７１、トランジスタ１６９およびトランジスタ１７９のバックゲートが配線１５２ａと電気的に接続している。また、トランジスタ１６２およびトランジスタ１７２のバックゲートが配線１５２ｂと電気的に接続している。また、トランジスタ１６４のバックゲートはトランジスタ１６４のゲートと電気的に接続されている。また、トランジスタ１７４のバックゲートはトランジスタ１７４のゲートと電気的に接続されている。

なお、図２２では、バックゲートの電位がゲートの電位と同じになるが、バックゲートの電位はゲートと異なってもよい。バックゲートの電位を接地電位（ＧＮＤ電位）や任意の電位としてもよい。

〔回路１５１Ｃの動作〕
次に、回路１５１Ｃを含むマイクロマシン１００の動作について説明する。図２３は回路１５１Ｃを含むマイクロマシン１００の動作を説明するタイミングチャートである。図２４乃至図３１は特定の動作期間における回路１５１Ｃを含むマイクロマシン１００の状態を示す図である。

まず、電極１２１、配線１５４ａ、および配線１５８にＬ電位が供給されているものとする。

［期間Ｔ１］
期間Ｔ１において、配線１５２ａおよび配線１５３ａにＨ電位が供給される（図２４参照。）。すると、トランジスタ１６１がオン状態となり、配線１５３ａからノードＮＤ１１にＨ電位が供給される。また、トランジスタ１７１がオン状態となり、配線１５４ａからノードＮＤ２１にＬ電位が供給される。また、ノードＮＤ１１がＨ電位になると、トランジスタ１６４がオン状態になる。また、ノードＮＤ２１がＬ電位になると、トランジスタ１７４がオフ状態になる。トランジスタ１６４がオン状態になると、配線１５８からノードＮＤ２１にＬ電位が供給される。

また、トランジスタ１６９がオン状態となり、配線１５８からノードＮＤ１２にＬ電位が供給される。また、トランジスタ１７９がオン状態となり、配線１５８からノードＮＤ２２にＬ電位が供給される。

［期間Ｔ２］
期間Ｔ２において、配線１５２ａにＬ電位が供給される（図２５参照。）。すると、トランジスタ１６１がオフ状態となり、ノードＮＤ１１に供給された電荷が保持される。より正確には、ノードＮＤ１１の電位をＨ電位にする量の電荷がノードＮＤ１１に保持される。同様に、トランジスタ１７１がオフ状態となり、ノードＮＤ２１の電位が保持される。より正確には、ノードＮＤ２１の電位をＬ電位にする量の電荷がノードＮＤ２１に保持される。

同様に、トランジスタ１６２およびトランジスタ１６９がオフ状態となり、ノードＮＤ１２の電位が保持される。また、トランジスタ１７２およびトランジスタ１７９がオフ状態となり、ノードＮＤ２２の電位が保持される。トランジスタ１６２と同様に、トランジスタ１６９としてＯＳトランジスタを用いることが好ましい。トランジスタ１６２およびトランジスタ１６９にＯＳトランジスタを用いることによりノードＮＤ１２の電荷を長期間保持することができる。トランジスタ１７２と同様に、トランジスタ１７９としてＯＳトランジスタを用いることが好ましい。トランジスタ１７２およびトランジスタ１７９にＯＳトランジスタを用いることによりノードＮＤ２２の電荷を長期間保持することができる。

トランジスタ１６１、トランジスタ１７１、トランジスタ１６２、トランジスタ１７２、トランジスタ１６９、およびトランジスタ１７９がオフ状態になることで、ノードＮＤ１１、ノードＮＤ２１、ノードＮＤ１２、およびノードＮＤ２２は、フローティング状態になる。

［期間Ｔ３］
期間Ｔ３において、配線１５２ｂにＨ電位を供給する（図２６参照。）。すると、トランジスタ１６２およびトランジスタ１７２がオン状態になる。トランジスタ１６２がオン状態になると、ノードＮＤ１２の電位がＬ電位からＨ電位に上昇する。また、ノードＮＤ１１はフローティング状態であり、かつ、ノードＮＤ１１はノードＮＤ１２と容量素子１６５によって容量結合している。よって、ノードＮＤ１２の電位がＬ電位からＨ電位に上昇すると、ノードＮＤ１１の電位もノードＮＤ１２の電位変化に比例して上昇する。すなわち、ノードＮＤ１１の電位がＨ電位の２倍の電位（２×Ｈ電位）になる。その結果、電極１２２の電位もＨ電位の２倍になる。

電極１２２に２×Ｈ電位が供給されることにより、電極１２１はクーロン力によって電極１２２に引き付けられ、電極１２２側に傾く。

［期間Ｔ４］
期間Ｔ４において、配線１５２ｂにＬ電位を供給する（図２７参照。）。すると、トランジスタ１６２およびトランジスタ１７２がオフ状態となる。トランジスタ１６２がオフ状態になると、ノードＮＤ１２の電荷が保持される。同様に、トランジスタ１７２がオフ状態になると、ノードＮＤ２２の電荷が保持される。

［期間Ｔ５］
期間Ｔ５において、配線１５３ａにＬ電位が供給され、配線１５２ａおよび配線１５４ａにＨ電位が供給される（図２８参照。）。すると、トランジスタ１６１がオン状態となり、配線１５３ａからノードＮＤ１１にＬ電位が供給される。よって、電極１２２の電位がＬ電位となる。

また、トランジスタ１７１がオン状態となり、配線１５４ａからノードＮＤ２１にＨ電位が供給される。また、ノードＮＤ１１がＬ電位になると、トランジスタ１６４がオフ状態になる。また、ノードＮＤ２１がＨ電位になると、トランジスタ１７４がオン状態になる。トランジスタ１７４がオン状態になると、配線１５８からノードＮＤ１１にＬ電位が供給される。

また、トランジスタ１６９がオン状態となり、配線１５８からノードＮＤ１２にＬ電位が供給される。また、トランジスタ１７９がオン状態となり、配線１５８からノードＮＤ２２にＬ電位が供給される。

［期間Ｔ６］
期間Ｔ６において、配線１５２ａにＬ電位が供給される（図２９参照。）。すると、トランジスタ１６１、トランジスタ１７１、トランジスタ１６２、トランジスタ１７２、トランジスタ１６９、およびトランジスタ１７９がオフ状態となり、ノードＮＤ１１、ノードＮＤ２１、ノードＮＤ１２、およびノードＮＤ２２の電荷が保持される。

トランジスタ１６１、トランジスタ１７１、トランジスタ１６２、トランジスタ１７２、トランジスタ１６９、およびトランジスタ１７９がオフ状態になることで、ノードＮＤ１１、ノードＮＤ２１、ノードＮＤ１２、およびノードＮＤ２２は、フローティング状態になる。

［期間Ｔ７］
期間Ｔ７において、配線１５２ｂにＨ電位を供給する（図３０参照。）。すると、トランジスタ１６２およびトランジスタ１７２がオン状態になる。トランジスタ１７２がオン状態になると、ノードＮＤ２２の電位がＬ電位からＨ電位に上昇する。また、ノードＮＤ２１はフローティング状態であり、かつ、ノードＮＤ２１はノードＮＤ２２と容量素子１７５によって容量結合している。よって、ノードＮＤ２２の電位がＬ電位からＨ電位に上昇すると、ノードＮＤ２１の電位もノードＮＤ２２の電位変化に比例して上昇する。すなわち、ノードＮＤ２１の電位がＨ電位の２倍の電位（２×Ｈ電位）になる。その結果、電極１２３の電位もＨ電位の２倍になる。

電極１２３に２×Ｈ電位が供給されることにより、電極１２１はクーロン力によって電極１２３に引き付けられ、電極１２３側に傾く。

［期間Ｔ８］
期間Ｔ８において、配線１５２ｂにＬ電位を供給する（図３１参照。）。すると、トランジスタ１６２およびトランジスタ１７２がオフ状態となる。トランジスタ１６２がオフ状態になると、ノードＮＤ１２の電荷が保持される。同様に、トランジスタ１７２がオフ状態になると、ノードＮＤ２２の電荷が保持される。

＜表示素子の一例＞
複数のマイクロマシン１００をマトリクス状に配置して、文字や映像を表示する表示素子として機能させることができる。一例として、図３２に表示素子２００の斜視図を示す。図３２に例示する表示素子２００は、４×３のマトリクス状に配置された１２個のマイクロマシン１００を有する。言い換えると、表示素子２００は、４×３のマトリクス状に配置された静電アクチュエータ群を有する。

例えば、マイクロマシン１００を１９２０×１０８０のマトリクス状に配置すると、いわゆるフルハイビジョン（「２Ｋ解像度」、「２Ｋ１Ｋ」、「２Ｋ」などとも言われる。）の映像を表示可能な表示素子２００を実現することができる。また、例えば、マイクロマシン１００を４０９６×２１６０のマトリクス状に配置すると、いわゆるウルトラハイビジョン（「４Ｋ解像度」、「４Ｋ２Ｋ」、「４Ｋ」などとも言われる。）の映像を表示可能な表示素子２００を実現することができる。また、例えば、マイクロマシン１００を８１９２×４３２０のマトリクス状に配置すると、いわゆるスーパーハイビジョン（「８Ｋ解像度」、「８Ｋ４Ｋ」、「８Ｋ」などとも言われる。）を表示可能な表示素子２００を実現することができる。表示素子を増やすことで、１６Ｋや３２Ｋの映像を表示可能な表示素子２００を実現することも可能である。

＜表示装置の一例＞
図３３Ａおよび図３３Ｂを用いて、表示素子２００を用いた表示装置３００の構成例とその動作について説明する。表示装置３００は、光源３０１、表示素子２００、およびレンズ３０２を有する。なお、図３３Ａおよび図３３Ｂでは、表示素子２００として、表示素子２００に含まれるマイクロマシン１００のうちの一つを例示している。

電極１２１が電極１２２側に傾いている場合、光源３０１から発せられた光３１１は、電極１２１で反射されて、レンズ３０２に入射し、その後、スクリーン３０３に投影される（図３３Ａ参照。）。この時のマイクロマシン１００の状態をオン状態という。

また、電極１２１が電極１２３側に傾いている場合、光源３０１から発せられた光３１１は、電極１２１で反射されるが、レンズ３０２には入射しない（図３３Ｂ参照。）。よって、スクリーン３０３に投影されない。この時のマイクロマシン１００の状態をオフ状態という。また、マイクロマシン１００のオン状態オフ状態の切り替え頻度を調節することで、目の残像現象を利用した階調表示（時間階調）を実現することができる。

また、光源３０１とマイクロマシン１００の間、またはマイクロマシン１００とスクリーン３０３の間に、ＲＧＢが順番に切り替わるカラーフィルタを設けることで、カラー表示を実現することができる。

本発明の一態様は、ＤＭＤに限らず他のＭＥＭＳ素子に用いることも可能である。例えば、ＤＭＳ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ Ｓｈｕｔｔｅｒ）シャッター、ＧＬＶ（Ｇｒａｔｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ Ｖａｌｖｅ）、ＲＦ ＭＥＭＳなどに用いることができる。または、ＭＩＲＡＳＯＬ（登録商標）、ＩＭＯＤ（インターフェロメトリック・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表示素子などに用いることができる。

また、本明細書等において、マイクロマシン、表示素子、表示素子を有する装置である表示装置は、様々な素子と組み合わせることができる。このような素子の一例としては、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子（有機物および無機物を含むＥＬ素子、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子）、ＬＥＤ（白色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤなど）、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、エレクトロウェッティング素子、圧電セラミック、カーボンナノチューブ、などがある。

ＥＬ素子を用いた表示装置の一例としては、ＥＬディスプレイなどがある。電子放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）またはＳＥＤ方式平面型ディスプレイ（ＳＥＤ：Ｓｕｒｆａｃｅ－ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ－ｅｍｉｔｔｅｒ Ｄｉｓｐｌａｙ）などがある。液晶素子を用いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ（透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ）などがある。電子インク、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、ＬＥＤを組み合わせて用いる場合、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半導体層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半導体層などを設けて、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半導体層との間に、ＡｌＮ層を設けてもよい。なお、ＬＥＤが有するＧａＮ半導体層は、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半導体層は、スパッタ法で成膜することも可能である。

マイクロマシンの他の一例として、図３４にシャッター１３００としてＭＥＭＳシャッターの構造例を示す。図３４に示すシャッター１３００も静電アクチュエータの一種である。図３４に示すシャッター１３００は、アクチュエータ１３１１に結合された可動遮光層１３０２を有する。アクチュエータ１３１１は開口部１３０４を有する遮光層（図面が煩雑となるため図示せず）上に設けられており、２つの柔軟性を有するアクチュエータ１３１５を有する。可動遮光層１３０２の一方の辺は、アクチュエータ１３１５と電気的に接続されている。アクチュエータ１３１５は、可動遮光層１３０２を、開口部１３０４を有する遮光層表面に平行な横方向に移動させる機能を有する。

アクチュエータ１３１５は、可動遮光層１３０２および構造体１３１９と電気的に接続する可動電極１３２１と、構造体１３２３と電気的に接続する可動電極１３２５とを有する。可動電極１３２５は、可動電極１３２１に隣接しており、可動電極１３２５の一端は構造体１３２３と電気的に接続し、他端は自由に動くことができる。また、可動電極１３２５の自由に動くことが可能な端部は、可動電極１３２１および構造体１３１９の接続部で最も近くなるように、湾曲している。

可動遮光層１３０２の他方の辺は、アクチュエータ１３１１によって及ぼされた力に対抗する復元力を有するスプリング１３１７に接続されている。スプリング１３１７は構造体１３２７に接続されている。

構造体１３１９、構造体１３２３、構造体１３２７は、開口部１３０４を有する遮光層の表面の近傍において、可動遮光層１３０２、アクチュエータ１３１５、およびスプリング１３１７を、浮遊させる機械的支持体として機能する。

可動遮光層１３０２の下方には、遮光層で囲まれる開口部１３０４が設けられる。なお、可動遮光層１３０２および開口部１３０４の形状はこれに限られるものではない。

シャッター１３００に含まれる構造体１３２３は、トランジスタ（図示せず）と電気的に接続する。当該トランジスタは、可動遮光層１３０２を駆動するためのトランジスタである。これにより、構造体１３２３に接続される可動電極１３２５に、トランジスタを介して任意の電圧を印加することができる。また、構造体１３１９、構造体１３２７は、それぞれ接地電極と接続する。このため、構造体１３１９に接続する可動電極１３２１、および構造体１３２７に接続するスプリング１３１７の電位は、接地電位となっている。なお、構造体１３１９、構造体１３２７は、任意の電圧を印加できる共通電極と電気的に接続されてもよい。また、構造体１３１９、構造体１３２７をアクチュエータ１３１１に置き換えて２つのアクチュエータ１３１１をもつシャッターとしてもよい。

可動電極１３２５に電圧が印加されると、可動電極１３２５と可動電極１３２１との間の電位差により、可動電極１３２１および可動電極１３２５が電気的に引き寄せあう。この結果、可動電極１３２１に接続する可動遮光層１３０２が、構造体１３２３の方へ引きよせられ、構造体１３２３の方へ横方向に移動する。可動電極１３２１はスプリングとして働くため、可動電極１３２１と可動電極１３２５との間の電位差が除去されると、可動電極１３２１は、可動電極１３２１に蓄積された応力を解放しながら、可動遮光層１３０２をその初期位置に押し戻す。なお、可動電極１３２１が可動電極１３２５に引き寄せられている状態で、開口部１３０４が可動遮光層１３０２に塞がれるように設定してもよいし、逆に開口部１３０４上に可動遮光層１３０２が重ならないように設定してもよい。

本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。

（実施の形態２）
本実施の形態では、マイクロマシン１００の積層構造例について、図面を用いて説明する。また、トランジスタ１６１乃至トランジスタ１６４、トランジスタ１７１乃至トランジスタ１７４、トランジスタ１６９、およびトランジスタ１７９に用いることができるトランジスタの構成例について、図面を用いて説明する。

＜マイクロマシン１００の積層構造例１＞
図３５に、マイクロマシン１００の積層構造例を示す。図３５は、図２ＡにＹ１－Ｙ２の一点鎖線で示した部位に相当する断面図である。図３５では、マイクロマシン１００が有するトランジスタ１６１、トランジスタ１７１、容量素子１６５、および容量素子１７５などを示している。

図３５において、マイクロマシン１００は、基板１０１、絶縁層５６１、絶縁層５６２、絶縁層５６５、絶縁層５６６、絶縁層５７１、絶縁層５８０、絶縁層５７４、絶縁層５８１、絶縁層５１１、絶縁層５１２、および絶縁層５３６を有する。また、マイクロマシン１００は、導電層５４１、導電層５４２、導電層５４４、導電層５４９、および導電層５３７を有する。また、電極１２２および電極１２３上に、空間を介して電極１２１を有する。

導電層５４１は絶縁層５８１上に設けられている。また、導電層５４１上に絶縁層５１１が設けられ、絶縁層５１１上に導電層５４２が設けられている。導電層５４１と導電層５４２は、絶縁層５１１を介して互いに重なる領域を有し、当該領域が容量素子１７５として機能する。容量素子１６５も容量素子１７５と同様の構成を有する。

図３５において、トランジスタ１７１のソースまたはドレインの一方は導電層５４１と電気的に接続されている。また、導電層５４２は、絶縁層５１２に埋め込まれた導電層５４４を介して、絶縁層５１２上に設けられた導電層５４９と電気的に接続されている。また、導電層５４９は、絶縁層５３６に埋め込まれた導電層５３７を介して、絶縁層５３６上に設けられた電極１２３と電気的に接続されている。

導電層５４４および導電層５３７のように、絶縁層に埋め込んで設けられ、上層の導電層と下層の導電層を接続する導電層を「コンタクトプラグ」と呼ぶ場合がある。

なお、トランジスタ１６１、容量素子１６５、および電極１２２の接続は、トランジスタ１７１、容量素子１７５、および電極１２３の接続に置き換えて理解できるため、詳細な説明は省略する。

＜マイクロマシン１００の積層構造例２＞
図３６に、図３５を用いて説明したマイクロマシン１００の変形例を示す。マイクロマシン１００は、トランジスタの上方にさらにトランジスタを設けてもよい。図３６では、トランジスタ１６１およびトランジスタ１７１の上にトランジスタ１６２およびトランジスタ１７２を積層する例を示している。

図３６に示すマイクロマシン１００は、図３５に示した構成に加えて、絶縁層５２１、絶縁層５２２、絶縁層５２５、絶縁層５２６、絶縁層５３１、絶縁層５３２、絶縁層５３３、絶縁層５３４、および絶縁層５３５を有する。また、図３６に示すマイクロマシン１００は、導電層５４３、導電層５４５、導電層５４６、導電層５４７、導電層５４８、および導電層５３８を有する。

図３６において、トランジスタ１７２のソースまたはドレインの一方は、絶縁層５３４上に設けられた導電層５４８と電気的に接続されている。また、導電層５４８は、絶縁層５３４、絶縁層５３３、絶縁層５３２、絶縁層５３１、絶縁層５２６、および絶縁層５２５に埋め込まれた導電層５４６と、絶縁層５２２に埋め込まれた導電層と、絶縁層５２１および絶縁層５１２に埋め込まれた導電層５４４と、を介して導電層５４２と電気的に接続される。

また、導電層５４２は、絶縁層５２１および絶縁層５１２に埋め込まれた導電層５４３と、絶縁層５２２に埋め込まれた導電層５４３と、絶縁層５３４、絶縁層５３３、絶縁層５３２、絶縁層５３１、絶縁層５２６、および絶縁層５２５に埋め込まれた導電層５４５と、を介して絶縁層５３４上に設けられた導電層５４７と電気的に接続されている。

また、導電層５４７は、絶縁層５３５に埋め込まれた導電層５３８と、絶縁層５３５上に設けられた導電層５４９と、絶縁層５３６に埋め込まれた導電層５３７と、を介して絶縁層５３６上に設けられた電極１２３と電気的に接続されている。

なお、トランジスタ１６２、容量素子１６５、および電極１２２の接続は、トランジスタ１７２、容量素子１７５、および電極１２３の接続に置き換えて理解できるため、詳細な説明は省略する。

トランジスタを積層することで、回路１５１の占有面積を低減することができるため、より微細なマイクロマシンを作製することができる。

＜構成材料について＞
次に、マイクロマシン１００に用いることができる材料について説明する。

〔基板〕
基板としては、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、セラミック基板、金属基板（例えば、ステンレス・スチル基板、ステンレス・スチル・ホイルを有する基板、タングステン基板、タングステン・ホイルを有する基板など）、半導体基板（例えば、単結晶半導体基板、他結晶半導体基板、または化合物半導体基板など）ＳＯＩ（ＳＯＩ：Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、などを用いることができる。また、本実施の形態の処理温度に耐えうる耐熱性を有するプラスチック基板を用いてもよい。ガラス基板の一例としては、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノシリケートガラス、またはアルミノホウケイ酸ガラス、又はソーダライムガラスなどがある。他にも、結晶化ガラスなどを用いることができる。

または、基板として、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ることができる。可撓性基板、貼り合わせフィルム、基材フィルムなどの一例としては、以下のものがあげられる。例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）に代表されるプラスチックがある。または、一例としては、アクリル等の合成樹脂などがある。または、一例としては、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリフッ化ビニル、又はポリ塩化ビニルなどがある。または、一例としては、ポリアミド、ポリイミド、アラミド、エポキシ、無機蒸着フィルム、又は紙類などがある。特に、半導体基板、単結晶基板、またはＳＯＩ基板などを用いてトランジスタを製造することによって、特性、サイズ、又は形状などのばらつきが少なく、電流能力が高く、サイズの小さいトランジスタを製造することができる。このようなトランジスタによって回路を構成すると、回路の低消費電力化、又は回路の高集積化を図ることができる。

また、基板として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、トランジスタやマイクロマシンを形成してもよい。または、基板とトランジスタなどの間に剥離層を設けてもよい。剥離層は、その上に半導体装置を一部あるいは全部完成させた後、基板より分離し、他の基板に転載するために用いることができる。その際、トランジスタは耐熱性の劣る基板や可撓性の基板にも転載できる。なお、上述の剥離層には、例えば、タングステン膜と酸化シリコン膜との無機膜の積層構造の構成や、基板上にポリイミド等の有機樹脂膜が形成された構成等を用いることができる。

つまり、ある基板を用いてトランジスタやマイクロマシンの少なくとも一つを形成し、その後、別の基板にトランジスタやマイクロマシンの少なくとも一つを転置し、別の基板上にトランジスタやマイクロマシンの少なくとも一つを配置してもよい。トランジスタやマイクロマシンの少なくとも一つが転置される基板の一例としては、上述したトランジスタを形成することが可能な基板に加え、紙基板、セロファン基板、アラミドフィルム基板、ポリイミドフィルム基板、石材基板、木材基板、布基板（天然繊維（絹、綿、麻）、合成繊維（ナイロン、ポリウレタン、ポリエステル）若しくは再生繊維（アセテート、キュプラ、レーヨン、再生ポリエステル）などを含む）、皮革基板、又はゴム基板などがある。これらの基板を用いることにより、特性のよいトランジスタの形成、消費電力の小さいトランジスタの形成、壊れにくい半導体装置の製造、耐熱性の付与、軽量化、または薄型化を図ることができる。

〔絶縁層〕
絶縁層に用いることができる材料としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。

例えば、トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁層の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁層として機能する絶縁層に、ｈｉｇｈ－ｋ材料を用いることで、物理膜厚を保ちながらトランジスタ動作時の低電圧化が可能となる。一方、層間絶縁層として機能する絶縁体には、比誘電率が低い材料を用いることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。したがって、絶縁層の機能に応じて、材料を選択するとよい。

また、比誘電率の高い絶縁物としては、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物、またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。

また、比誘電率が低い絶縁物としては、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、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などがある。

また、トランジスタとしてＯＳトランジスタを用いる場合は、当該トランジスタを水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁層で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウム、またはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。具体的には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、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、酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムチタン、窒化チタン、窒化酸化シリコン、窒化シリコンなどの金属窒化物を用いることができる。

また、トランジスタとしてＯＳトランジスタを用いる場合は、ゲート絶縁層として機能する絶縁層は、加熱により脱離する酸素を含む領域を有する絶縁体であることが好ましい。例えば、加熱により脱離する酸素を含む領域を有する酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを半導体層と接する構造とすることで、半導体層が有する酸素欠損を補償することができる。

なお、本明細書等において、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。また、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う。なお、各元素の含有量は、例えば、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）等を用いて測定することができる。

また、トランジスタとしてＯＳトランジスタを用いる場合は、半導体層中の水素濃度の増加を防ぐために、絶縁層中の水素濃度を低減することが好ましい。具体的には、絶縁層中の水素濃度を、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）において２×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。特に、半導体層と接する絶縁層の水素濃度を低減することが好ましい。

また、半導体層として金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いる場合は、半導体層中の窒素濃度の増加を防ぐために、絶縁層中の窒素濃度を低減することが好ましい。具体的には、絶縁層中の窒素濃度を、ＳＩＭＳにおいて５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。

また、絶縁層の少なくとも半導体層と接する領域と、絶縁層の少なくとも半導体層と接する領域は、欠陥が少ないことが好ましく、代表的には、電子スピン共鳴法（ＥＳＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｉｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）で観察されるシグナルが少ない方が好ましい。例えば、上述のシグナルとしては、ｇ値が２．００１に観察されるＥ’センターが挙げられる。なお、Ｅ’センターは、シリコンのダングリングボンドに起因する。例えば、絶縁層として、酸化シリコン層または酸化窒化シリコン層を用いる場合、Ｅ’センター起因のスピン密度が、３×１０^１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１６ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下である酸化シリコン層または酸化窒化シリコン層を用いればよい。

また、上述のシグナル以外に二酸化窒素（ＮＯ_２）に起因するシグナルが観察される場合がある。当該シグナルは、Ｎの核スピンにより３つのシグナルに分裂しており、それぞれのｇ値が２．０３７以上２．０３９以下（第１のシグナルとする）、ｇ値が２．００１以上２．００３以下（第２のシグナルとする）、およびｇ値が１．９６４以上１．９６６以下（第３のシグナルとする）に観察される。

例えば、絶縁層として、二酸化窒素（ＮＯ_２）に起因するシグナルのスピン密度が、１×１０^１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以上１×１０^１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３未満である絶縁層を用いると好適である。

なお、二酸化窒素（ＮＯ_２）を含む窒素酸化物（ＮＯｘ）は、絶縁層中に準位を形成する。当該準位は、酸化物半導体層のエネルギーギャップ内に位置する。そのため、窒素酸化物（ＮＯｘ）が、絶縁層と酸化物半導体層の界面に拡散すると、当該準位が絶縁層側において電子をトラップする場合がある。この結果、トラップされた電子が、絶縁層と酸化物半導体層の界面近傍に留まるため、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向にシフトさせてしまう。したがって、絶縁層および絶縁層として窒素酸化物の含有量が少ない膜を用いると、トランジスタのしきい値電圧のシフトを低減することができる。

窒素酸化物（ＮＯｘ）の放出量が少ない絶縁層としては、例えば、酸化窒化シリコン層を用いることができる。当該酸化窒化シリコン層は、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）において、窒素酸化物（ＮＯｘ）の放出量よりアンモニアの放出量が多い膜であり、代表的にはアンモニアの放出量が１×１０^１８分子／ｃｍ^３以上５×１０^１９分子／ｃｍ^３以下である。なお、上記のアンモニアの放出量は、ＴＤＳにおける加熱処理の温度が５０℃以上６５０℃以下、または５０℃以上５５０℃以下の範囲での総量である。

窒素酸化物（ＮＯｘ）は、加熱処理においてアンモニアおよび酸素と反応するため、アンモニアの放出量が多い絶縁層を用いることで窒素酸化物（ＮＯｘ）が低減される。

また、酸化物半導体層に接する絶縁層のうち少なくとも１つは、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁層を用いることが好ましい。または、加熱により酸素が放出される絶縁層を用いて形成することが好ましい。具体的には、絶縁層の表面温度が１００℃以上７００℃以下、好ましくは１００℃以上５００℃以下の加熱処理で行われるＴＤＳにて、酸素原子に換算した酸素の脱離量が１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、１．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、または１．０×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である絶縁層を用いることが好ましい。なお、本明細書などにおいて、加熱により放出される酸素を「過剰酸素」ともいう。

また、過剰酸素を含む絶縁層は、絶縁層に酸素を添加する処理を行って形成することもできる。酸素を添加する処理は、酸化性雰囲気下における熱処理やプラズマ処理などで行なうことができる。または、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などを用いて酸素を添加してもよい。酸素を添加する処理に用いるガスとしては、^１６Ｏ_２もしくは^１８Ｏ_２などの酸素ガス、亜酸化窒素ガス、またはオゾンガスなどの、酸素を含むガスが挙げられる。なお、本明細書では酸素を添加する処理を「酸素ドープ処理」ともいう。酸素ドープ処理は、基板を加熱して行なってもよい。

また、絶縁層として、ポリイミド、アクリル系樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ系樹脂等の、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ－ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁層を複数積層させることで、絶縁層を形成してもよい。

なおシロキサン系樹脂とは、シロキサン系材料を出発材料として形成されたＳｉ－Ｏ－Ｓｉ結合を含む樹脂に相当する。シロキサン系樹脂は置換基としては有機基（例えばアルキル基やアリール基）やフルオロ基を用いても良い。また、有機基はフルオロ基を有していても良い。

絶縁層の形成方法は、特に限定されない。なお、絶縁層に用いる材料によっては焼成工程が必要な場合がある。この場合、絶縁層の焼成工程と他の熱処理工程を兼ねることで、効率よくトランジスタを作製することが可能となる。

また、絶縁層表面に化学的機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理（以下、「ＣＭＰ処理」ともいう。）を行ってもよい。ＣＭＰ処理を行うことにより、試料表面の凹凸を低減し、この後形成される絶縁層や導電層の被覆性を高めることができる。

〔導電層〕
導電層（電極および配線を含む。）としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンなどから選ばれた金属元素、または上述した金属元素の一を含む合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。

また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。

なお、半導体層として金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いる場合は、ゲート電極として機能する導電層には、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造を用いることが好ましい。この場合は、酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けることで、当該導電性材料から脱離した酸素がチャネル形成領域に供給されやすくなる。

特に、ゲート電極として機能する導電層として、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる金属元素、および酸素を含む導電性材料を用いることが好ましい。また、前述した金属元素および窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、窒化チタン、窒化タンタルなどの窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。または、外方の絶縁体などから混入する水素を捕獲することができる場合がある。

なお、コンタクトプラグなどに用いる導電性材料としては、例えば、タングステン、ポリシリコン等の埋め込み性の高い導電性材料を用いればよい。また、埋め込み性の高い導電性材料と、チタン層、窒化チタン層、窒化タンタル層などのバリア層（拡散防止層）を組み合わせて用いてもよい。

〔半導体層〕
半導体層として、単結晶半導体、多結晶半導体、微結晶半導体、または非晶質半導体などを、単体でまたは組み合わせて用いることができる。半導体材料としては、例えば、シリコンや、ゲルマニウムなどを用いることができる。また、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、酸化物半導体、窒化物半導体などの化合物半導体や、有機半導体などを用いることができる。

また、半導体層として有機物半導体を用いる場合は、芳香環をもつ低分子有機材料やπ電子共役系導電性高分子などを用いることができる。例えば、ルブレン、テトラセン、ペンタセン、ペリレンジイミド、テトラシアノキノジメタン、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリパラフェニレンビニレンなどを用いることができる。

なお、半導体層を積層してもよい。半導体層を積層する場合は、それぞれ異なる結晶状態を有する半導体を用いてもよいし、それぞれ異なる半導体材料を用いてもよい。

また、金属酸化物の一種である酸化物半導体のバンドギャップは２ｅＶ以上あるため、半導体層に酸化物半導体を用いると、オフ電流が極めて少ないトランジスタを実現することができる。具体的には、ソースとドレイン間の電圧が３．５Ｖ、室温（代表的には２５℃）下において、チャネル幅１μｍ当たりのオフ電流を１×１０^－２０Ａ未満、１×１０^－２２Ａ未満、あるいは１×１０^－２４Ａ未満とすることができる。すなわち、オンオフ比を２０桁以上とすることもできる。また、半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタ（ＯＳトランジスタ）は、ソースとドレイン間の絶縁耐圧が高い。よって、信頼性の良好なトランジスタを提供できる。また、出力電圧が大きく高耐圧なトランジスタを提供できる。また、信頼性の良好な半導体装置などを提供できる。

結晶性Ｓｉトランジスタは、ＯＳトランジスタよりも比較的高い移動度を得やすい。一方で、結晶性Ｓｉトランジスタは、ＯＳトランジスタのように極めて少ないオフ電流の実現が困難である。よって、半導体層に用いる半導体材料は、目的や用途に応じて適宜使い分けることが肝要である。例えば、目的や用途に応じて、ＯＳトランジスタと結晶性Ｓｉトランジスタなどを組み合わせて用いてもよい。

半導体層として酸化物半導体層を用いる場合は、酸化物半導体層をスパッタリング法で形成することが好ましい。酸化物半導体層は、スパッタリング法で形成すると酸化物半導体層の密度を高められるため、好適である。スパッタリング法で酸化物半導体層を形成する場合、スパッタリングガスには、希ガス（代表的にはアルゴン）、酸素、または、希ガスおよび酸素の混合ガスを用いればよい。また、スパッタリングガスの高純度化も必要である。例えば、スパッタリングガスとして用いる酸素ガスや希ガスは、露点が－６０℃以下、好ましくは－１００℃以下にまで高純度化したガスを用いる。高純度化されたスパッタリングガスを用いて成膜することで、酸化物半導体層に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。

また、スパッタリング法で酸化物半導体層を形成する場合、スパッタリング装置が有する成膜室内の水分を可能な限り除去することが好ましい。例えば、クライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて、成膜室内を高真空（５×１０^－７Ｐａから１×１０^－４Ｐａ程度まで）に排気することが好ましい。特に、スパッタリング装置の待機時における、成膜室内のＨ_２Ｏに相当するガス分子（ｍ／ｚ＝１８に相当するガス分子）の分圧を１×１０^－４Ｐａ以下にすることが好ましく、５×１０^－５Ｐａ以下にすることがより好ましい。

〔金属酸化物〕
金属酸化物に含まれる元素の組成を変化させることにより、導電体、半導体、絶縁体を作り分けることができる。導電体物性を有する金属酸化物を「導電性酸化物」という場合がある。半導体物性を有する金属酸化物を「酸化物半導体」という場合がある。絶縁体物性を有する金属酸化物を「絶縁性酸化物」という場合がある。

金属酸化物の一種である酸化物半導体は、インジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。

ここで、酸化物半導体が、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有する場合を考える。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素として、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。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。

なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。

［金属酸化物の構造］
酸化物半導体（金属酸化物）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、例えば、ＣＡＡＣ－ＯＳ、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）、および非晶質酸化物半導体などがある。

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ナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。

ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、ＣＡＡＣ－ＯＳにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することは難しい。すなわち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、ＣＡＡＣ－ＯＳが、ａ－ｂ面方向において酸素原子の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である。

また、ＣＡＡＣ－ＯＳは、インジウム、および酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）と、元素Ｍ、亜鉛、および酸素を有する層（以下、（Ｍ，Ｚｎ）層）とが積層した、層状の結晶構造（層状構造ともいう）を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Ｍは、互いに置換可能であり、（Ｍ，Ｚｎ）層の元素Ｍがインジウムと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層と表すこともできる。また、Ｉｎ層のインジウムが元素Ｍと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ）層と表すこともできる。

ＣＡＡＣ－ＯＳは結晶性の高い金属酸化物である。一方、ＣＡＡＣ－ＯＳは、明確な結晶粒界を確認することが難しいため、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。また、金属酸化物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）の少ない金属酸化物ともいえる。したがって、ＣＡＡＣ－ＯＳを有する金属酸化物は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ－ＯＳを有する金属酸化物は熱に強く、信頼性が高い。

ｎｃ－ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ－ＯＳは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ－ＯＳは、分析方法によっては、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、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有する金属酸化物の一種である、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物（以下、ＩＧＺＯ）は、上述のナノ結晶とすることで安定な構造をとる場合がある。特に、ＩＧＺＯは、大気中では結晶成長がし難い傾向があるため、大きな結晶（ここでは、数ｍｍの結晶、または数ｃｍの結晶）よりも小さな結晶（例えば、上述のナノ結晶）とする方が、構造的に安定となる場合がある。

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金属酸化物である。ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、鬆または低密度領域を有する。すなわち、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳおよびＣＡＡＣ－ＯＳと比べて、結晶性が低い。

酸化物半導体（金属酸化物）は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ、ｎｃ－ＯＳ、ＣＡＡＣ－ＯＳのうち、二種以上を有していてもよい。

［金属酸化物を有するトランジスタ］
続いて、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合について説明する。

なお、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。

また、トランジスタには、キャリア密度の低い金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物のキャリア密度を低くする場合においては、金属酸化物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または実質的に高純度真性という。例えば、金属酸化物は、キャリア密度が８×１０^１１ｃｍ^－３未満、好ましくは１×１０^１１ｃｍ^－３未満、さらに好ましくは１×１０^１０ｃｍ^－３未満であり、１×１０^－９ｃｍ^－３以上とすればよい。

また、高純度真性または実質的に高純度真性である金属酸化物は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。

また、金属酸化物のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い金属酸化物をチャネル形成領域に有するトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。

したがって、トランジスタの電気特性を安定にするためには、金属酸化物中の不純物濃度を低減することが有効である。また、金属酸化物中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。

［不純物］
ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。

また、金属酸化物にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。したがって、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、ＳＩＭＳにより得られる金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは２×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下にする。

また、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。金属酸化物中のチャネル形成領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。さらに、当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている金属酸化物を用いたトランジスタは、ノーマリーオン特性となりやすい。

このため、金属酸化物中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、金属酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、より好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満とする。不純物が十分に低減された金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。

続いて、トランジスタ１６１乃至トランジスタ１６４、トランジスタ１７１乃至トランジスタ１７４、トランジスタ１６９、およびトランジスタ１７９に用いることができるトランジスタの構成例として、トランジスタ５００Ａおよびトランジスタ５００Ｂの構造例を説明する。

＜トランジスタの構造例１＞
図３７Ａ、図３７Ｂおよび図３７Ｃを用いてトランジスタ５００Ａの構造例を説明する。図３７Ａはトランジスタ５００Ａの上面図である。図３７Ｂは、図３７Ａに一点鎖線で示すＬ１－Ｌ２部位の断面図である。図３７Ｃは、図３７Ａに一点鎖線で示すＷ１－Ｗ２部位の断面図である。なお、図３７Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。

図３７Ａ、図３７Ｂおよび図３７Ｃでは、トランジスタ５００Ａと、層間絶縁層として機能する絶縁層５６１、絶縁層５６２、絶縁層５６５、絶縁層５６６、絶縁層５７１、絶縁層５８０、絶縁層５７４、および絶縁層５８１を示している。また、トランジスタ５００Ａと電気的に接続し、コンタクトプラグとして機能する導電層５４０（導電層５４０ａ、および導電層５４０ｂ）を示している。なお、コンタクトプラグとして機能する導電層５４０の側面に接して絶縁層５４１（絶縁層５４１ａ、および絶縁層５４１ｂ）が設けられる。

層間絶縁層としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）または（Ｂａ、Ｓｒ）ＴｉＯ_３（ＢＳＴ）などの絶縁体を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。

トランジスタ５００Ａは、第１のゲート電極として機能する導電層５６０（導電層５６０ａ、および導電層５６０ｂ）と、第２のゲート電極として機能する導電層５０５（導電層５０５ａ、および導電層５０５ｂ）と、第１のゲート絶縁膜として機能する絶縁層５４９と、第２のゲート絶縁層として機能する絶縁層５６５および絶縁層５６６と、チャネルが形成される領域を有する半導体層３６０（半導体層３６０ａ、半導体層３６０ｂ、および半導体層３６０ｃ）と、ソースまたはドレインの一方として機能する導電層５４２ａと、ソースまたはドレインの他方として機能する導電層５４２ｂと、絶縁層５７１とを有する。

導電層５０５は、絶縁層５６２に埋め込まれるように配置され、絶縁層５６５は、絶縁層５６２および導電層５０５の上に配置されている。絶縁層５６６は絶縁層５６５の上に配置されている。また、半導体層３６０は絶縁層５６６の上に配置されている。絶縁層５４９は半導体層３６０の上に配置され、導電層５６０（導電層５６０ａ、および導電層５６０ｂ）は絶縁層５４９上に配置されている。

導電層５４２ａおよび導電層５４２ｂは、半導体層３６０ｂの上面の一部と接して配置され、絶縁層５７１は、絶縁層５６６の上面の一部、半導体層３６０ａの側面、半導体層３６０ｂの側面、導電層５４２ａの側面、導電層５４２ａの上面、導電層５４２ｂの側面、および導電層５４２ｂの上面に接して配置されている。

絶縁層５４１は、絶縁層５８０、絶縁層５７４、絶縁層５８１に形成された開口の側壁に接して設けられ、その側面に接して導電層５４０の第１の導電体が設けられ、さらに内側に導電層５４０の第２の導電体が設けられている。ここで、導電層５４０の上面の高さと、絶縁層５８１の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ５００Ａでは、導電層５４０の第１の導電体および導電層５４０の第２の導電体を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電層５４０を単層、または３層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。

半導体層３６０は、絶縁層５６６の上に配置された半導体層３６０ａと、半導体層３６０ａの上に配置された半導体層３６０ｂと、半導体層３６０ｂの上に配置され、少なくとも一部が半導体層３６０ｂの上面に接する半導体層３６０ｃと、を有することが好ましい。半導体層３６０ｂの下に半導体層３６０ａを有することで、半導体層３６０ａよりも下方に形成された構造物から、半導体層３６０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。また、半導体層３６０ｂ上に半導体層３６０ｃを有することで、半導体層３６０ｃよりも上方に形成された構造物から、半導体層３６０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。

トランジスタ５００Ａは、半導体層３６０に、金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いることが好ましい。例えば、半導体層３６０のチャネル形成領域となる金属酸化物として、バンドギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。チャネルが形成される半導体層に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（オフ電流）が少ない。よって、消費電力が低減された半導体装置を実現できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて形成できるため、高集積型の半導体装置の実現が容易となる。

例えば、半導体層３６０として、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、ガリウム、イットリウム、錫、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種）等の金属酸化物を用いるとよい。特に、元素Ｍは、ガリウム、イットリウム、または錫を用いるとよい。また、半導体層３６０として、Ｉｎ－Ｍ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、またはＭ－Ｚｎ酸化物を用いてもよい。

なお、半導体層３６０として酸化物半導体を用いる場合は、各金属原子の原子数比が異なる酸化物により、積層構造を有することが好ましい。具体的には、半導体層３６０ａに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Ｍの原子数比が、半導体層３６０ｂに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、半導体層３６０ａに用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、半導体層３６０ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、半導体層３６０ｂに用いる金属酸化物において、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、半導体層３６０ａに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。また、半導体層３６０ｃは、半導体層３６０ａまたは半導体層３６０ｂに用いることができる金属酸化物を用いることができる。

半導体層３６０ａ、半導体層３６０ｂ、および半導体層３６０ｃは、結晶性を有することが好ましく、特に、ＣＡＡＣ－ＯＳを用いることが好ましい。ＣＡＡＣ－ＯＳ等の結晶性を有する酸化物は、不純物や欠陥（酸素欠損等）が少なく、結晶性の高い、緻密な構造を有している。よって、ソース電極またはドレイン電極による、半導体層３６０ｂからの酸素の引き抜きを抑制することができる。これにより、熱処理を行っても、半導体層３６０ｂから酸素が引き抜かれることを低減できるので、トランジスタ５００Ａは、製造工程における高い温度（所謂サーマルバジェット）に対して安定である。

なお、半導体層３６０ａおよび半導体層３６０ｃの一方または双方を省略してもよい。半導体層３６０を半導体層３６０ｂの単層としてもよい。半導体層３６０を半導体層３６０ａ、半導体層３６０ｂ、および半導体層３６０ｃの積層とする場合は、半導体層３６０ａおよび半導体層３６０ｃの伝導帯下端のエネルギーが、半導体層３６０ｂの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、半導体層３６０ａおよび半導体層３６０ｃの電子親和力が、半導体層３６０ｂの電子親和力より小さいことが好ましい。この場合、半導体層３６０ｃは、半導体層３６０ａに用いることができる金属酸化物を用いることが好ましい。具体的には、半導体層３６０ｃに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Ｍの原子数比が、半導体層３６０ｂに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より、大きいことが好ましい。また、半導体層３６０ｃに用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、半導体層３６０ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、半導体層３６０ｂに用いる金属酸化物において、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、半導体層３６０ｃに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。

ここで、半導体層３６０ａ、半導体層３６０ｂ、および半導体層３６０ｃの接合部において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、半導体層３６０ａ、半導体層３６０ｂ、および半導体層３６０ｃの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、半導体層３６０ａと半導体層３６０ｂとの界面、および半導体層３６０ｂと半導体層３６０ｃとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。

具体的には、半導体層３６０ａと半導体層３６０ｂ、半導体層３６０ｂと半導体層３６０ｃが、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする。）ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、半導体層３６０ｂがＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物の場合、半導体層３６０ａおよび半導体層３６０ｃとして、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｇａ－Ｚｎ酸化物、酸化ガリウム等を用いてもよい。また、半導体層３６０ｃを積層構造としてもよい。例えば、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物と、当該Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物上のＧａ－Ｚｎ酸化物との積層構造、またはＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物と、当該Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物上の酸化ガリウムとの積層構造を用いることができる。別言すると、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物と、Ｉｎを含まない酸化物との積層構造を、半導体層３６０ｃとして用いてもよい。

具体的には、半導体層３６０ａとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、または１：１：０．５［原子数比］の金属酸化物を用いればよい。また、半導体層３６０ｂとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］、または３：１：２［原子数比］の金属酸化物を用いればよい。また、半導体層３６０ｃとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］、またはＧａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］の金属酸化物を用いればよい。また、半導体層３６０ｃを積層構造とする場合の具体例としては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］と、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］との積層構造、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］と、Ｇａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］との積層構造、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］と、酸化ガリウムとの積層構造等が挙げられる。

このとき、キャリアの主たる経路は半導体層３６０ｂとなる。半導体層３６０ａ、半導体層３６０ｃを上述の構成とすることで、半導体層３６０ａと半導体層３６０ｂとの界面、および半導体層３６０ｂと半導体層３６０ｃとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ５００Ａは高いオン電流、および高い周波数特性を得ることができる。なお、半導体層３６０ｃを積層構造とした場合、上述の半導体層３６０ｂと、半導体層３６０ｃとの界面における欠陥準位密度を低くする効果に加え、半導体層３６０ｃが有する構成元素が、絶縁層５４９側に拡散するのを抑制することが期待される。より具体的には、半導体層３６０ｃを積層構造とし、積層構造の上方にＩｎを含まない酸化物を位置させるため、絶縁層５４９側に拡散しうるＩｎを抑制することができる。絶縁層５４９は、ゲート絶縁体として機能するため、Ｉｎが拡散した場合、トランジスタの特性不良となる。したがって、半導体層３６０ｃを積層構造とすることで、信頼性の高い半導体装置を提供することが可能となる。

ここで、半導体層３６０と接する絶縁層５６６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絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁層５６６には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を半導体層３６０に接して設けることにより、半導体層３６０中の酸素欠損（Ｖ_Ｏ：ｏｘｙｇｅｎ ｖａｃａｎｃｙともいう）を低減し、トランジスタ５００Ａの信頼性を向上させることができる。なお、半導体層３６０中の酸素欠損に水素が入った場合、当該欠陥（以下、Ｖ_ＯＨと呼ぶ場合がある。）はドナーとして機能し、キャリアである電子が生成されることがある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成する場合がある。従って、水素が多く含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタは、ノーマリーオン特性となりやすい。また、酸化物半導体中の水素は、熱、電界などのストレスによって動きやすいため、酸化物半導体に多くの水素が含まれると、トランジスタの信頼性が悪化する恐れもある。本発明の一態様においては、半導体層３６０中のＶ_ＯＨをできる限り低減し、高純度真性または実質的に高純度真性にすることが好ましい。このように、Ｖ_ＯＨが十分低減された酸化物半導体を得るには、酸化物半導体中の水分、水素などの不純物を除去すること（脱水、脱水素化処理と記載する場合がある。）と、酸化物半導体に酸素を供給して酸素欠損を補填すること（加酸素化処理と記載する場合がある。）が重要である。Ｖ_ＯＨなどの不純物が十分に低減された酸化物半導体をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。

また、上記過剰酸素領域を有する絶縁体と、半導体層３６０と、を接して加熱処理、マイクロ波処理、またはＲＦ処理のいずれか一または複数の処理を行っても良い。当該処理を行うことで、半導体層３６０中の水、または水素を除去することができる。例えば、半導体層３６０において、ＶｏＨの結合が切断される反応が起きる、別言すると「Ｖ_ＯＨ→Ｖｏ＋Ｈ」という反応が起きて、脱水素化することができる。このとき発生した水素の一部は、酸素と結合してＨ_２Ｏとして、半導体層３６０、または半導体層３６０近傍の絶縁体から除去される場合がある。また、水素の一部は、導電層５４２にゲッタリングされる場合がある。

また、上記マイクロ波処理は、例えば、高密度プラズマを発生させる電源を有する装置、または、基板側にＲＦを印加する電源を有する装置を用いると好適である。例えば、酸素を含むガスを用い、且つ高密度プラズマを用いることより、高密度の酸素ラジカルを生成することができ、基板側にＲＦを印加することで、高密度プラズマによって生成された酸素ラジカルを、効率よく半導体層３６０、または半導体層３６０近傍の絶縁体中に導入することができる。また、上記マイクロ波処理は、圧力を１３３Ｐａ以上、好ましくは２００Ｐａ以上、さらに好ましくは４００Ｐａ以上とすればよい。また、マイクロ波処理を行う装置内に導入するガスとしては、例えば、酸素と、アルゴンとを用い、酸素流量比（Ｏ_２／（Ｏ_２＋Ａｒ））は５０％以下、好ましくは１０％以上３０％以下がよい。

また、トランジスタ５００Ａの作製工程中において、半導体層３６０の表面が露出した状態で、加熱処理を行うと好適である。当該加熱処理は、例えば、１００℃以上４５０℃以下、より好ましくは３５０℃以上４００℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、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。例えば、加熱処理は酸素雰囲気で行うことが好ましい。これにより、半導体層３６０に酸素を供給して、酸素欠損（Ｖ_Ｏ）の低減を図ることができる。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの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％以上含む雰囲気で行ってもよい。または、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した後に、連続して窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理を行っても良い。

なお、半導体層３６０に加酸素化処理を行うことで、半導体層３６０中の酸素欠損を、供給された酸素により修復させる、別言すると「Ｖｏ＋Ｏ→ｎｕｌｌ」という反応を促進させることができる。さらに、半導体層３６０中に残存した水素に供給された酸素が反応することで、当該水素をＨ_２Ｏとして除去する（脱水化する）ことができる。これにより、半導体層３６０中に残存していた水素が酸素欠損に再結合してＶ_ＯＨが形成されるのを抑制することができる。

また、絶縁層５６６が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁層５６５は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）ことが好ましい。

絶縁層５６５が、酸素や不純物の拡散を抑制する機能を有することで、半導体層３６０が有する酸素は、絶縁層５６２側へ拡散することがなく、好ましい。すなわち、絶縁層５６６や、半導体層３６０に含まれている酸素と導電層５０５が反応することを防ぐことができる。

トランジスタ５００Ａでは、第１のゲート（トップゲートともいう。）電極として機能する導電層５６０が、絶縁層５８０などに形成されている開口を埋めるように自己整合的に形成される。導電層５６０をこのように形成することにより、導電層５４２ａと導電層５４２ｂとの間の領域に、導電層５６０を位置合わせすることなく確実に配置することができる。

導電層５６０は、導電層５６０ａと、導電層５６０ａの上に配置された導電層５６０ｂと、を有することが好ましい。例えば、導電層５６０ａは、導電層５６０ｂの底面および側面を包むように配置されることが好ましい。また、図３７Ｂに示すように、導電層５６０の上面は、絶縁層５４９の上面および酸化物３６０ｃの上面と略一致している。

導電層５０５は、第２のゲート（ボトムゲートともいう。）電極として機能する場合がある。その場合、導電層５０５に印加する電位を、導電層５６０に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ５００Ａのしきい値電圧（Ｖｔｈ）を制御することができる。特に、導電層５０５に負の電位を印加することにより、トランジスタ５００ＡのＶｔｈを０Ｖより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電層５０５に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電層５６０に印加する電位が０Ｖのときのドレイン電流を小さくすることができる。

また、例えば、導電層５０５と導電層５６０を半導体層３６０のチャネル形成領域を介して重畳して設けることで、導電層５０５、および導電層５６０に電圧を印加した場合、導電層５６０から生じる電界と、導電層５０５から生じる電界と、がつながり、半導体層３６０のチャネル形成領域を覆うことができる。

つまり、第１のゲート電極としての機能を有する導電層５６０の電界と、第２のゲート電極としての機能を有する導電層５０５の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。本明細書などにおいて、第１のゲート電極、および第２のゲート電極の電界によって、チャネル形成領域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。

絶縁層５６５、および絶縁層５７１は、水素（例えば、水素原子、水素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。また、絶縁層５６５、および絶縁層５７１は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。例えば、絶縁層５６５、および絶縁層５７１は、それぞれ絶縁層５６６よりも水素および酸素の一方または双方の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。絶縁層５６５、および絶縁層５７１は、それぞれ絶縁層５４９よりも水素および酸素の一方または双方の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。絶縁層５６５、および絶縁層５７１は、それぞれ絶縁層５８０よりも水素および酸素の一方または双方の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。

なお、本明細書などにおいて、水素または酸素の拡散を抑制する機能を有する膜を、水素または酸素が透過しにくい膜、水素または酸素の透過性が低い膜、水素または酸素に対してバリア性を有する膜、水素または酸素に対するバリア膜などと呼ぶ場合がある。また、バリア膜が導電性を有する場合、当該バリア膜を導電性バリア膜と呼ぶことがある。

また、図３７Ｂに示すように、絶縁層５７１は、導電層５４２ａおよび導電層５４２ｂの上面と、導電層５４２ａと導電層５４２ｂとが互いに向かい合う側面以外の、導電層５４２ａおよび導電層５４２ｂの側面と、半導体層３６０ａおよび半導体層３６０ｂの側面と、絶縁層５６６の上面の一部と、に接することが好ましい。これにより、絶縁層５８０は、絶縁層５７１によって、絶縁層５６６、半導体層３６０ａ、および半導体層３６０ｂと離隔される。したがって、絶縁層５８０などに含まれる水素などの不純物が、絶縁層５６６、半導体層３６０ａ、および半導体層３６０ｂへ混入するのを抑制することができる。

また、図３７Ｂに示すように、トランジスタ５００Ａは、絶縁層５７４が、導電層５６０、絶縁層５４９、および半導体層３６０ｃのそれぞれの上面と接する構造となっている。このような構造とすることで、絶縁層５８１などに含まれる水素などの不純物が、絶縁層５４９へ混入することを抑えることができる。したがって、トランジスタの電気特性およびトランジスタの信頼性への悪影響を抑制することができる。

上記構造を有することで、オン電流が高いトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が低いトランジスタを提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。

また、トランジスタ５００Ａの形成後、トランジスタ５００Ａを囲むように開口を形成し、当該開口を覆うように、水素、または水に対するバリア性が高い絶縁層を形成してもよい。上述のバリア性の高い絶縁層でトランジスタ５００Ａを包み込むことで、外部から水分、および水素が侵入するのを防止することができる。または、複数のトランジスタ５００Ａをまとめて、水素、または水に対するバリア性が高い絶縁層で包み込んでもよい。なお、トランジスタ５００Ａを囲むように開口を形成する場合、例えば、絶縁層５６１または絶縁層５６２に達する開口を形成し、絶縁層５６１または絶縁層５６２に接するように上述のバリア性の高い絶縁層を形成すると、トランジスタ５００Ａの作製工程の一部を兼ねられるため、好適である。なお、水素、または水に対するバリア性が高い絶縁層としては、例えば、絶縁層５６５または絶縁層５７１などと同様の材料を用いればよい。

＜トランジスタの構造例２＞
図３８Ａ、図３８Ｂおよび図３８Ｃを用いてトランジスタ５００Ｂの構造例を説明する。図３８Ａはトランジスタ５００Ｂの上面図である。図３８Ｂは、図３８Ａに一点鎖線で示すＬ１－Ｌ２部位の断面図である。図３８Ｃは、図３８Ａに一点鎖線で示すＷ１－Ｗ２部位の断面図である。なお、図３８Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。

トランジスタ５００Ｂはトランジスタ５００Ａの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ５００Ａと異なる点について説明する。

第１のゲート電極として機能する導電層５６０は、導電層５６０ａ、および導電層５６０ａ上の導電層５６０ｂを有する。導電層５６０ａは、水素原子、水素分子、水分子、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。

導電層５６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電層５６０ｂの材料の選択性を向上することができる。つまり、導電層５６０ａを有することで、導電層５６０ｂの酸化が抑制され、導電率が低下することを防止することができる。

また、導電層５６０の上面および側面、絶縁層５４９の側面、および半導体層３６０ｃの側面を覆うように、絶縁層５７１を設けることが好ましい。なお、絶縁層５７１は、水または水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。また、他にも、例えば、酸化マグネシウム、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、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。

絶縁層５７１を設けることで、導電層５６０の酸化を抑制することができる。また、絶縁層５７１を有することで、絶縁層５８０が有する水、および水素などの不純物がトランジスタ５００Ｂへ拡散することを抑制することができる。

トランジスタ５００Ｂは、導電層５４２ａの一部と導電層５４２ｂの一部に導電層５６０が重なるため、トランジスタ５００Ａよりも寄生容量が大きくなりやすい。よって、トランジスタ５００Ａに比べて動作周波数が低くなる傾向がある。しかしながら、絶縁層５８０などに開口を設けて導電層５６０や絶縁層５４９などを埋めこむ工程が不要であるため、トランジスタ５００Ａと比較して生産性が高い。

本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。

（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の一態様に係るマイクロマシンが適用された電子機器の例について、図面を参照して説明する。

本発明の一態様に係るマイクロマシンを用いた電子機器として、テレビ、モニタ等の表示装置、照明装置、デスクトップ型或いはノート型のパーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）などの記録媒体に記憶された静止画または動画を再生する画像再生装置、ポータブルＣＤプレーヤ、ラジオ、テープレコーダ、ヘッドホンステレオ、ステレオ、置き時計、壁掛け時計、コードレス電話子機、トランシーバ、携帯電話、自動車電話、携帯型ゲーム機、タブレット型端末、パチンコ機などの大型ゲーム機、電卓、携帯情報端末、電子手帳、電子書籍、電子翻訳機、音声入力機器、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、電気シェーバ、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器、電気洗濯機、電気掃除機、温水器、扇風機、毛髪乾燥機、エアコンディショナー、加湿器、除湿器などの空調設備、食器洗い器、食器乾燥器、衣類乾燥器、布団乾燥器、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電気冷凍冷蔵庫、ＤＮＡ保存用冷凍庫、懐中電灯、チェーンソー等の工具、煙感知器、透析装置等の医療機器などが挙げられる。さらに、誘導灯、信号機、ベルトコンベア、エレベータ、エスカレータ、産業用ロボット、電力貯蔵システム、電力の平準化やスマートグリッドのための蓄電装置等の産業機器が挙げられる。また、蓄電体からの電力を用いた電動機や、燃料を用いたエンジンにより推進する移動体なども、電子機器の範疇に含まれるものとする。上記移動体として、例えば、電気自動車（ＥＶ）、内燃機関と電動機を併せ持ったハイブリッド車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）、これらのタイヤ車輪を無限軌道に変えた装軌車両、電動アシスト自転車を含む原動機付自転車、自動二輪車、電動車椅子、ゴルフ用カート、小型または大型船舶、潜水艦、ヘリコプター、航空機、ロケット、人工衛星、宇宙探査機や惑星探査機、宇宙船などが挙げられる。

特に、本発明の一態様に係る表示装置を適用した電子機器として、例えば、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられる。

図３９Ａはリアプロジェクター（プロジェクションＴＶ）であり、本体７４０１、光源７４０２、表示装置７４０３、リフレクタ７４０５、リフレクタ７４０６、スクリーン７４０７で構成される。本発明の一態様に係るマイクロマシンは、例えば、表示装置７４０３に用いることができる。

図３９Ｂはフロントプロジェクターであり、本体７６０１、光源７６０２、表示装置７６０３、光学素子７６０４、スクリーン７６０５で構成される。本発明の一態様に係るマイクロマシンは、例えば、表示装置７６０３に用いることができる。

本発明の一態様によれば、電子機器の消費電力を低減することができる。または、本発明の一態様によれば、高温環境下においても動作が安定し、信頼性の良好な電子機器を提供できる。または、本発明の一態様によれば、表示装置の表示品位を良好なものとすることができる。

本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。

１００：マイクロマシン、１０１：基板、１２１：電極、１２２：電極、１２３：電極、１２４：ストッパ、１２５：支柱、１２６：支持部、１５１：回路、１５８：配線、１６１：トランジスタ、１６２：トランジスタ、１６３：トランジスタ、１６４：トランジスタ、１６５：容量素子、１６６：容量素子、１６９：トランジスタ、１７１：トランジスタ、１７２：トランジスタ、１７３：トランジスタ、１７４：トランジスタ、１７５：容量素子、１７６：容量素子、１７９：トランジスタ、１８０：構造体、２００：表示素子、３００：表示装置、３０１：光源、３０２：レンズ、３０３：スクリーン、３１１：光、ＮＤ１１：ノード、ＮＤ１２：ノード、ＮＤ１３：ノード、ＮＤ２１：ノード、ＮＤ２２：ノード、ＮＤ２３：ノード

Claims (8)

1. 第１乃至第４トランジスタと、第１容量素子と、第２容量素子と、第１乃至第３電極と、第１乃至第６配線と、を有し、
   前記第１トランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第１配線と電気的に接続され、
   前記第１トランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第１容量素子の一方の電極および前記第１電極と電気的に接続され、
   前記第１トランジスタのゲートは前記第５配線と電気的に接続され、
   前記第２トランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第２配線と電気的に接続され、
   前記第２トランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第１容量素子の他方の電極と電気的に接続され、
   前記第２トランジスタのゲートは前記第６配線と電気的に接続され、
   前記第３トランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第３配線と電気的に接続され、
   前記第３トランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第２容量素子の一方の電極および前記第２電極と電気的に接続され、
   前記第３トランジスタのゲートは前記第５配線と電気的に接続され、
   前記第４トランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第４配線と電気的に接続され、
   前記第４トランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第２容量素子の他方の電極と電気的に接続され、
   前記第４トランジスタのゲートは前記第６配線と電気的に接続され、
   前記第１乃至前記第４トランジスタの半導体層は、それぞれが酸化物半導体を含み、
   前記第３電極は、前記第１電極および前記第２電極の電位に応じて傾く機能を有する半導体装置。
2. 第１乃至第４トランジスタと、第１容量素子と、第２容量素子と、第１乃至第３電極と、第１乃至第６配線と、を有し、
   前記第１トランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第１配線と電気的に接続され、
   前記第１トランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第１容量素子の一方の電極および前記第１電極と電気的に接続され、
   前記第１トランジスタのゲートは前記第５配線と電気的に接続され、
   前記第２トランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第２配線と電気的に接続され、
   前記第２トランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第１容量素子の他方の電極と電気的に接続され、
   前記第２トランジスタのゲートは前記第６配線と電気的に接続され、
   前記第３トランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第３配線と電気的に接続され、
   前記第３トランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第２容量素子の一方の電極および前記第２電極と電気的に接続され、
   前記第３トランジスタのゲートは前記第５配線と電気的に接続され、
   前記第４トランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第４配線と電気的に接続され、
   前記第４トランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第２容量素子の他方の電極と電気的に接続され、
   前記第４トランジスタのゲートは前記第６配線と電気的に接続され、
   前記第１乃至前記第４トランジスタの半導体層は、それぞれが酸化物半導体を含み、
   前記第１電極と前記第３電極との間の距離は、前記第１電極の電位に応じて変化し、
   前記第２電極と前記第３電極との間の距離は、前記第２電極の電位に応じて変化する半導体装置。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記第１乃至第４トランジスタは、バックゲートを有する半導体装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
   前記酸化物半導体は、インジウムおよび亜鉛の一方または双方を含む半導体装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
   前記第１電極および前記第２電極は、固定電極として機能する半導体装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、
   前記第３電極は、可動電極として機能する半導体装置。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項において、
   前記第３電極は、可視光の反射率が７０％以上１００％以下である半導体装置。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の半導体装置と、
   光源、光学素子、またはリフレクタと、を有する電子機器。

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