TWI552150B - 半導體儲存裝置 - Google Patents
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- H01L27/124—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being other than a semiconductor body, e.g. an insulating body comprising a plurality of TFTs formed on a non-semiconducting substrate, e.g. driving circuits for AMLCDs with a particular composition, shape or layout of the wiring layers specially adapted to the circuit arrangement, e.g. scanning lines in LCD pixel circuits
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
- H01L27/12—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being other than a semiconductor body, e.g. an insulating body
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- H01L27/1255—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being other than a semiconductor body, e.g. an insulating body comprising a plurality of TFTs formed on a non-semiconducting substrate, e.g. driving circuits for AMLCDs integrated with passive devices, e.g. auxiliary capacitors
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Description
本發明係關於一種半導體儲存裝置。尤其是，本發明係關於一種即使關掉電源，所儲存的邏輯狀態也不消失的信號處理裝置的半導體儲存裝置。
中央處理器(CPU：Central Processing Unit)等的信號處理裝置根據其用途而具有多種多樣的結構。一般來說，在信號處理裝置中，除了用來儲存資料或程式的主儲存體以外，還設置有暫存器或高速緩衝儲存體等各種儲存裝置。暫存器具有為了儲存運算處理或程式執行狀態等而暫時儲存資料信號的功能。另外，高速緩衝儲存體介於運算裝置與主儲存體之間，並為了減少對低速的主儲存體的存取數來實現運算處理的高速化而設置。
在信號處理裝置中，暫存器或高速緩衝儲存體等儲存裝置需要比主儲存體更高速地寫入資料信號。因此，通常，作為暫存器或高速緩衝儲存體，使用正反器或SRAM(Static Random Access Memory，即靜態隨機存取儲存體)等。就是說，作為這些暫存器或高速緩衝儲存體等，使用如果停止供應電源電壓則資料信號消失的揮發性儲存裝置。
為抑制耗電量，已提出了如下方法：在不進行資料信號的輸入及輸出的期間中，暫時停止對信號處理裝置進行
電源電壓的供應(例如，參照專利文獻1)。在專利文獻1的方法中，在揮發性儲存裝置的周圍配置非揮發性儲存裝置，而在停止供應電源電壓時將上述資料信號暫時儲存在該非揮發性儲存裝置中。
[專利文獻1]日本專利申請公開第2010-124290號公報
在專利文獻1所記載的結構中，在信號處理裝置中停止供應電源電壓的期間中，可以將儲存在揮發性儲存裝置中的資料儲存在配置在揮發性儲存裝置的周圍的非揮發性儲存裝置中。
但是，在專利文獻1所記載的結構中，揮發性儲存裝置與非揮發性儲存裝置彼此分開而設置。因此，在停止供應電源電壓時，需要將資料從揮發性儲存裝置轉移到非揮發性儲存裝置。另外，在再開始供應電源電壓時，需要將資料從非揮發性儲存裝置轉移到揮發性儲存裝置。
鑒於上述問題，本發明的一個方式的目的之一是：提供一種半導體儲存裝置，其中在停止供應電源電壓並再開始供應電源電壓的結構中，不需要在揮發性儲存裝置與非揮發性儲存裝置之間轉移資料。
作為本發明的一個方式，在即使停止電源電壓的供應也能夠儲存資料信號的結構中，揮發性儲存裝置與非揮發性儲存裝置彼此不分開而構成。在具有多級儲存電路的半
導體儲存裝置中，各級儲存電路具有其半導體層具有氧化物半導體的電晶體及電容元件。並且，將資料儲存在與第奇數級儲存電路的電晶體及第偶數級儲存電路的電晶體連接的佈線中。並且，佈線所儲存的電位被資料電位儲存電路及資料電位控制電路控制，該資料電位儲存電路能夠控制佈線所儲存的電位而不使電荷洩漏，該資料電位控制電路能夠利用藉由電容元件的電容耦合控制佈線所儲存的電位而不使電荷洩漏。另外，多級儲存電路的電晶體的導通狀態被與其閘極連接的閘極選擇信號產生電路控制。
本發明的一個方式是一種對儲存電路進行了級聯的半導體儲存裝置，第(2m-1)級(m是1以上的自然數)儲存電路包括：第(2m-1)電晶體，該第(2m-1)電晶體從其第一端子被供應資料；第(2m-1)資料儲存部，該第(2m-1)資料儲存部與所述第(2m-1)電晶體的第二端子、第2m級儲存電路所具有的第2m電晶體的第一端子以及第(2m-1)電容元件的第一電極電連接而儲存所述資料；第(2m-1)資料電位儲存輸出電路，該第(2m-1)資料電位儲存輸出電路在儲存所述第(2m-1)資料儲存部中的電位的狀態下輸出所述資料；以及第(2m-1)資料電位控制電路，該第(2m-1)資料電位控制電路被輸入所述第(2m-1)資料電位儲存輸出電路的輸出信號和第一電容元件控制信號而控制所述第(2m-1)電容元件的第二電極的電位，第2m級儲存電路包括：所述第2m電晶體；第2m資料儲存部，該第2m資料儲存部與所述第2m電晶體
的第二端子、第(2m+1)級儲存電路所具有的第(2m+1)電晶體的第一端子以及第2m電容元件的第一電極電連接而儲存藉由所述第2m電晶體供應的所述資料；第2m資料電位儲存輸出電路，該第2m資料電位儲存輸出電路在儲存所述第2m資料儲存部中的電位的狀態下輸出所述資料；以及第2m資料電位控制電路，該第2m資料電位控制電路被輸入所述第2m資料電位儲存輸出電路的輸出信號和第二電容元件控制信號而控制所述第2m電容元件的第二電極的電位，其中，所述第(2m-1)電晶體的閘極與被輸入第一閘極控制信號及第(2m-1)使能信號的第(2m-1)閘極選擇信號產生電路連接，該第(2m-1)閘極選擇信號產生電路控制所述第(2m-1)電晶體的導通狀態或非導通狀態，所述第2m電晶體的閘極與被輸入第二閘極控制信號及第2m使能信號的第2m閘極選擇信號產生電路連接，該第2m閘極選擇信號產生電路控制所述第2m電晶體的導通狀態或非導通狀態，所述第(2m-1)資料儲存部藉由使所述第(2m-1)電晶體及所述第2m電晶體成為非導通狀態而儲存所述資料，所述第2m資料儲存部藉由使所述第2m電晶體及所述第(2m+1)電晶體成為非導通狀態而儲存所述資料，所述第(2m-1)資料電位控制電路改變所述第(2m-1)資料電位控制電路的輸出端子的電位而利用藉由所述第(2m-1)電容元件的電容耦合控制所述第(2m-1)資料儲存部的電位，並且，所述第2m資料電位控制電路改變所述第2m資料電位控制電路的輸出端
子的電位而利用藉由所述第2m電容元件的電容耦合控制所述第2m資料儲存部的電位。
本發明的一個方式是一種對儲存電路進行了級聯的半導體儲存裝置，第(2m-1)級(m是1以上的自然數)儲存電路包括：第(2m-1)電晶體，該第(2m-1)電晶體從其第一端子被供應資料；第(2m-1)資料儲存部，該第(2m-1)資料儲存部與所述第(2m-1)電晶體的第二端子、第2m級儲存電路所具有的第2m電晶體的第一端子、第(2m-1)電容元件的第一電極以及第(2m-1)反相器電路的輸入端子電連接而儲存所述資料；以及第(2m-1)反或閘，該第(2m-1)反或閘被輸入所述第(2m-1)反相器電路的輸出端子的信號和第一電容元件控制信號，並且其輸出端子與所述第(2m-1)電容元件的第二電極電連接，第2m級儲存電路包括：所述第2m電晶體；第2m資料儲存部，該第2m資料儲存部與所述第2m電晶體的第二端子、第(2m+1)級儲存電路所具有的第(2m+1)電晶體的第一端子、第2m電容元件的第一電極以及第2m反相器電路的輸入端子電連接而儲存藉由所述第2m電晶體供應的所述資料；以及第2m反或閘，該第2m反或閘被輸入所述第2m反相器電路的輸出端子的信號和第二電容元件控制信號，並且其輸出端子與所述第2m電容元件的第二電極電連接，其中，所述第(2m-1)級儲存電路中的所述第(2m-1)電晶體的閘極與被輸入第一閘極控制信號及第(2m-1)使能信號的第(2m-1)閘極選擇信號產
生電路連接，該第(2m-1)閘極選擇信號產生電路控制所述第(2m-1)電晶體的導通狀態或非導通狀態，所述第2m級儲存電路中的所述第2m電晶體的閘極與被輸入第二閘極控制信號及第2m使能信號的第2m閘極選擇信號產生電路連接，該第2m閘極選擇信號產生電路控制所述第2m電晶體的導通狀態或非導通狀態，所述第(2m-1)資料儲存部藉由使所述第(2m-1)電晶體及所述第2m電晶體成為非導通狀態而儲存所述資料，所述第2m資料儲存部藉由使所述第2m電晶體及所述第(2m+1)電晶體成為非導通狀態而儲存所述資料，所述第(2m-1)反或閘利用所述第(2m-1)反相器電路的輸出端子的信號及所述第一電容元件控制信號改變所述第(2m-1)反或閘的輸出端子的電位而利用藉由所述第(2m-1)電容元件的電容耦合控制所述第(2m-1)資料儲存部的電位，並且，所述第2m反或閘利用所述第2m反相器電路的輸出端子的信號及所述第二電容元件控制信號改變所述第2m反或閘的輸出端子的電位而利用藉由所述第2m電容元件的電容耦合控制所述第2m資料儲存部的電位。
本發明的一個方式較佳為一種半導體儲存裝置，其中構成所述第(2m-1)反相器電路、所述第2m反相器電路、所述第(2m-1)反或閘、所述第2m反或閘、所述第(2m-1)閘極選擇信號產生電路以及所述第2m閘極選擇信號產生電路的電晶體為其半導體層包含矽的電晶體。
本發明的一個方式較佳為一種半導體儲存裝置，其中
所述其半導體層包含矽的電晶體與所述第(2m-1)電晶體及所述第2m電晶體層疊而設置。
本發明的一個方式較佳為一種半導體儲存裝置，其中所述第(2m-1)電晶體及所述第2m電晶體為其半導體層包含氧化物半導體的電晶體。
本發明的一個方式較佳為一種半導體儲存裝置，其中所述氧化物半導體為In-Sn-Zn類氧化物半導體。
根據本發明的一個方式，可以提供一種半導體儲存裝置，其中在停止供應電源電壓並再開始供應電源電壓的結構中，不需要在揮發性儲存裝置與非揮發性儲存裝置之間轉移資料。
以下，參照圖式說明本發明的實施方式。注意，本發明的結構可以藉由多種不同的方式來實施，所屬技術領域的普通技術人員可以很容易地理解一個事實就是其方式和詳細內容可以被變換為各種各樣的形式，而不脫離本發明的宗旨及其範圍。因此，本發明並不限定於本實施方式所記載的內容而被解釋。在以下說明的本發明的結構中，表示相同目標的元件符號在不同的圖式中共同使用。
另外，有時為了明確起見，誇大表示各實施方式的圖式等所示的各結構的尺寸、層的厚度、信號波形或區域。因此，本發明並不一定限定於其比例。
另外，當明確地記載有“A與B連接”時包括如下情況
：A與B電連接的情況；A與B功能性地連接的情況；以及A與B直接連接的情況。
另外，在本說明書中使用的第一、第二、第三至第N(N為自然數)的序數詞是為了避免結構要素的混淆而附記的，而不是用於在數目方面上進行限制。
半導體儲存裝置可以藉由對多級儲存電路進行級聯而成為用作多位元的暫存器的電路。在本實施方式中，說明具有多級儲存電路的半導體儲存裝置的結構。另外，可以將在本實施方式中說明的半導體儲存裝置用於信號處理裝置的儲存裝置。
另外，CPU、微處理器、影像處理電路、DSP(Digital Signal Processor，即數位信號處理器)、FPGA(Field Programmable Gate Array，即現場可編程閘陣列)等的LSI(Large Scale Integrated Circuit，即大型積體電路)等都屬於信號處理裝置的範疇。
圖1A示出用作N位元的暫存器的半導體儲存裝置10的方塊圖的一個例子。圖1A所示的本實施方式的半導體儲存裝置10對N級(N為自然數)的儲存電路100_1至100_N進行級聯，而將依次輸入的N位元的資料信號作為輸出資料Q1至QN而輸出。另外，資料D被輸入到第一級儲存電路100_1的輸入端子D，前一級的輸出信號OUT被輸入到第二級以後的儲存電路100_2至100_N的輸入端
子D。
第一閘極控制信號Ga和第一電容元件控制信號Ca被輸入到第奇數級(第(2m-1)級：m為1以上的自然數)的儲存電路。第二閘極控制信號Gb和第二電容元件控制信號Cb被輸入到第偶數級(第2m級：m為1以上的自然數)的儲存電路。另外，對各級儲存電路分別輸入使能信號。例如，第一使能信號、第二使能信號、第(2m-1)使能信號、第2m使能信號以及第N使能信號分別被輸入到第一級儲存電路、第二級儲存電路、第(2m-1)級儲存電路、第2m級儲存電路以及第N級儲存電路。
另外，在各級儲存電路中連接有用來供應電源電壓的供應高電源電位VDD和低電源電位VSS(GND)的佈線。另外，在本實施方式的結構中，即使在儲存資料時停止供應電源電壓，也可以在儲存電路的內部中儲存資料D，並且在再開始供應電源電壓時輸出資料D。在此情況下，只要將供應高電源電位VDD的佈線的電位轉換成低電源電位VSS，以轉換停止供應電源電壓的工作和再開始供應電源電壓的工作。
另外，在本說明書中，“停止供應信號或電源電壓”是指不將信號或電源電壓供應到供應信號或電源電壓的佈線。另外，在本說明書中，“再開始供應信號或電源電壓”是指經過停止供應信號或電源電壓的狀態而再開始將信號或電源電壓供應到供應信號或電源電壓的佈線。另外，在本說明書中，“固定信號”是指例如將以預定頻率振盪的交流
信號轉換成高電源電位VDD或低電源電位VSS的固定電位的直流信號。
接著，為了說明具體的電路結構，圖1B示出圖1A的第奇數級儲存電路之一的第一級儲存電路100_1的電路結構。圖1B所示的第一級儲存電路100_1具有第一電晶體111_1、第一電容元件112_1、第一資料電位儲存輸出電路113_1、第一資料電位控制電路114_1以及第一閘極選擇信號產生電路115_1。
第一電晶體111_1的源極和汲極中的一方(第一端子)與供應資料D的資料信號線連接。第一電晶體111_1的源極和汲極中的另一方(第二端子)與第一電容元件112_1中的第一電極及輸出輸出信號OUT的輸出端子連接。第一電晶體111_1的閘極與輸出第一閘極選擇信號產生電路115_1的輸出信號的佈線連接。第一閘極選擇信號產生電路115_1被輸入第一閘極控制信號Ga及第一使能信號EN_1。另外，第一電晶體111_1、第一電容元件112_1的第一電極以及輸出輸出信號OUT的輸出端子彼此連接的佈線是儲存藉由第一電晶體111_1供應的資料的佈線，在以下說明中也被稱為第一資料儲存部D_HOLD1。
第一資料儲存部D_HOLD1與第一資料電位儲存輸出電路113_1連接。第一資料電位儲存輸出電路113_1是由電晶體構成並根據施加到電晶體的閘極的信號而輸出信號的電路。第一資料電位儲存輸出電路113_1相當於由互補型電晶體構成的反相器電路或緩衝器電路。信號的輸入及
輸出藉由利用隔著由電晶體的閘極絕緣膜構成的絕緣物的通道形成區控制電源電壓的電位的輸出而進行。
第一電容元件112_1的第二電極與第一資料電位控制電路114_1連接。第一資料電位控制電路114_1是根據第一電容元件控制信號Ca及第一資料電位儲存輸出電路113_1的輸出信號而控制第一電容元件112_1的第二電極的電位的電路。藉由利用第一資料電位控制電路114_1控制第一電容元件112_1的第二電極的電位，在第一資料儲存部D_HOLD1處於電浮動狀態(floating state)時可以利用藉由第一電容元件112_1的電容耦合控制第一資料儲存部D_HOLD1的電位而不使電荷洩漏。
接著，圖1C示出圖1A的第偶數級儲存電路之一的第二級儲存電路100_2的電路結構。圖1C所示的第二級儲存電路100_2具有第二電晶體111_2、第二電容元件112_2、第二資料電位儲存輸出電路113_2、第二資料電位控制電路114_2以及第二閘極選擇信號產生電路115_2。
第二電晶體111_2的源極和汲極中的一方(第一端子)與第一級輸出儲存電路100_1的輸出信號OUT的輸出端子，即第一資料儲存部D_HOLD1連接。第二電晶體111_2的源極和汲極中的另一方(第二端子)與第二電容元件112_2中的第一電極及輸出輸出信號OUT的輸出端子連接。第二電晶體111_2的閘極與輸出第二閘極選擇信號產生電路115_2的輸出信號的佈線連接。第二閘極選擇信號產生電路115_2被輸入第二閘極控制信號Gb及第二
使能信號EN_2。另外，第二電晶體111_2、第二電容元件112_2的第一電極以及輸出輸出信號OUT的輸出端子彼此連接的佈線是儲存藉由第二電晶體111_2供應的資料的佈線，在以下說明中也被稱為第二資料儲存部D_HOLD2。
第二資料儲存部D_HOLD2與第二資料電位儲存輸出電路113_2連接。第二資料電位儲存輸出電路113_2是由電晶體構成並根據施加到電晶體的閘極的信號而輸出信號的電路。第二資料電位儲存輸出電路113_2相當於由互補型電晶體構成的反相器電路或緩衝器電路。信號的輸入及輸出藉由利用隔著由電晶體的閘極絕緣膜構成的絕緣物的通道形成區控制電源電壓的電位的輸出而進行。
第二電容元件112_2的第二電極與第二資料電位控制電路114_2連接。第二資料電位控制電路114_2是根據第二電容元件控制信號Cb及第二資料電位儲存輸出電路113_2的輸出信號而控制第二電容元件112_2的第二電極的電位的電路。藉由利用第二資料電位控制電路114_2控制第二電容元件112_2的第二電極的電位，在第二資料儲存部D_HOLD2處於電浮動狀態(floating state)時可以利用藉由第二電容元件112_2的電容耦合控制第二資料儲存部D_HOLD2的電位而不使電荷洩漏。
另外，如圖2所示，可以與圖1B和1C同樣地示出第三級儲存電路100_3和第四級儲存電路100_4(未圖示)。例如，與第奇數級儲存電路的第一級儲存電路100_1同樣，圖2所示的第三級儲存電路100_3具有第三電晶體
111_3、第三電容元件112_3、第三資料電位儲存輸出電路113_3、第三資料電位控制電路114_3以及第三閘極選擇信號產生電路115_3。
在本說明書中，對第三級至第N級儲存電路100_3至100_N所具有的各元件加上“第三”至“第N”來進行說明。另外，在本發明的一個方式中，可以對第奇數級儲存電路和第偶數級儲存電路分別進行說明。在此情況下，在以第一級儲存電路中的各元件為第奇數級儲存電路的一個例子來進行說明時，對各元件加上“第一”來進行說明，在以第二級儲存電路中的各元件為第偶數級儲存電路的一個例子來進行說明時，對各元件加上“第二”來進行說明。另外，在說明第奇數級儲存電路的各元件時，可以考慮到第(2m-1)級儲存電路的情況而對各元件加上“第一”(或“第三”)來進行說明。另外，在說明第偶數級儲存電路的各元件時，可以考慮到第2m級儲存電路的情況而對各元件加上“第二”(或“第四”)來進行說明。
另外，如圖2所示，第一資料儲存部D_HOLD1與第一電晶體111_1、第二電晶體111_2、第一電容元件112_1以及第一資料電位儲存輸出電路113_1的絕緣物連接，幾乎沒有藉由該絕緣物的電荷的洩漏。在第一資料儲存部D_HOLD1中，只藉由第一電晶體111_1或第二電晶體111_2進行電荷的輸入及輸出。因此，藉由儘量降低第一電晶體111_1及第二電晶體111_2的非導通狀態下的截止電流，可以使第一資料儲存部D_HOLD1儲存電位。
另外，如圖2所示，第二資料儲存部D_HOLD2與第二電晶體111_2、第三電晶體111_3、第二電容元件112_2以及第二資料電位儲存輸出電路113_2的絕緣物連接，幾乎沒有藉由該絕緣物的電荷的洩漏。在第二資料儲存部D_HOLD2中，只藉由第二電晶體111_2或第三電晶體111_3進行電荷的輸入及輸出。因此，藉由儘量降低第二電晶體111_2及第三電晶體111_3的非導通狀態下的截止電流，可以使第二資料儲存部D_HOLD2儲存電位。
另外，與第一資料儲存部D_HOLD1及第二資料儲存部D_HOLD2同樣，也可以在第三資料儲存部D_HOLD3中降低與其連接的第三電晶體111_3的截止電流而儲存電位。
在本實施方式中，作為用來儘量降低多級儲存電路所具有的第一電晶體111_1至第N電晶體111_N的非導通狀態下的截止電流的結構，採用其通道形成在氧化物半導體層中的電晶體。另外，在圖式中，如圖2所示，加上OS的符號，以表示第一電晶體111_1至第四電晶體111_4是其通道形成在氧化物半導體層中的電晶體。
作為氧化物半導體，至少含有選自In、Ga、Sn及Zn中的一種以上的元素。例如，可以使用：四元金屬氧化物的In-Sn-Ga-Zn類氧化物半導體；三元金屬氧化物的In-Ga-Zn類氧化物半導體、In-Sn-Zn類氧化物半導體、In-Al-Zn類氧化物半導體、Sn-Ga-Zn類氧化物半導體、Al-Ga-Zn類氧化物半導體、Sn-Al-Zn類氧化物半導體；二元
金屬氧化物的In-Zn類氧化物半導體、Sn-Zn類氧化物半導體、Al-Zn類氧化物半導體、Zn-Mg類氧化物半導體、Sn-Mg類氧化物半導體、In-Mg類氧化物半導體、In-Ga類氧化物半導體；以及單元金屬氧化物的In類氧化物半導體、Sn類氧化物半導體、Zn類氧化物半導體等。此外，也可以使上述氧化物半導體含有In、Ga、Sn、Zn以外的元素如SiO2。
另外，作為其他元素，也可以具有鑭系元素的鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、鑥(Lu)中的任何一種或多種。
例如，In-Ga-Zn類氧化物半導體是指具有銦(In)、鎵(Ga)、鋅(Zn)的氧化物半導體，對其成分比沒有限制。另外，尤其是，在使用In-Sn-Zn類氧化物半導體作為氧化物半導體膜時，可以提高電晶體的遷移率。另外，在使用In-Sn-Zn類氧化物半導體時，可以穩定地控制電晶體的臨界電壓。
此外，作為氧化物半導體，可以使用以化學式InMO3(ZnO)m(m>0)表示的薄膜。這裏，M表示選自Zn、Ga、Al、Mn及Co中的一種或多種金屬元素。例如，作為M，有Ga、Ga及Al、Ga及Mn或Ga及Co等。
此外，當將In-Zn類材料用於氧化物半導體時，所使用的靶材中的金屬元素的原子數比為In：Zn=50：1至1：
2(換算為莫耳數比則為In2O3：ZnO=25：1至1：4)，較佳為In：Zn=20：1至1：1(換算為莫耳數比則為In2O3：ZnO=10：1至1：2)，更佳為In：Zn=1.5：1至15：1(換算為莫耳數比則為In2O3：ZnO=3：4至15：2)。例如，作為用於形成In-Zn類氧化物半導體的靶材，當原子數比為In：Zn：O=X：Y：Z時，滿足Z>1.5X+Y的關係。
另外，在使用上述In-Sn-Zn類氧化物半導體時，所使用的靶材中的金屬元素的原子數比可以為In：Sn：Zn=1：1：1、2：1：3、1：2：2或20：45：35等。
但是，不侷限於上述材料，根據所需要的半導體特性(遷移率、閾值、不均勻等)可以使用適當的組成的材料。另外，較佳為設定適當的載子濃度、雜質濃度、缺陷密度、金屬元素及氧的原子數比、原子間結合距離以及密度等，以得到所需要的半導體特性。
例如，In-Sn-Zn類氧化物半導體比較容易得到高遷移率。但是，即使使用In-Ga-Zn類氧化物半導體，也可以藉由降低塊體內缺陷密度而提高遷移率。
氧化物半導體可以為單晶或非單晶。在氧化物半導體為非單晶的時，較佳為可以期待比非晶的場效應遷移率高的場效應遷移率的多晶。另外，在氧化物半導體為非單晶的時，氧化物半導體也可以為非晶。另外，也可以採用在非晶中包含具有結晶性的部分的結構。另外，氧化物半導體也可以為非晶，但是，為了提高電晶體中的場效應遷移
率或可靠性，較佳為在氧化物半導體中包含結晶成分的不是非晶的結構。
另外，氧化物半導體的表面較佳為平坦的表面。在使用其表面平坦的氧化物半導體膜製造電晶體時，可以減少載子的介面散射，可以比較容易得到較高的遷移率。
為了提高表面的平坦性，較佳為在平坦的表面上形成氧化物半導體。明確而言，在平均面粗糙度(Ra)為1nm以下，較佳為0.3nm以下，更佳為0.1nm以下的表面上形成氧化物半導體。
注意，Ra是將JIS B0601中定義的中心線平均粗糙度擴大為三維以使其能夠應用於面而得到的，可以將它表示為“將從基準面到指定面的偏差的絕對值平均而得的值”，以如下算式1定義。
注意，在算式1中，S0表示測定面(用座標(x1,y1)(x1,y2)(x2,y1)(x2,y2)表示的4點所圍繞的四角形的區域)的面積，Z0表示測定面的平均高度。可以利用原子力顯微鏡(AFM：Atomic Force Microscope)來對Ra進行評價。
其通道形成在徹底地排除氧化物半導體層內的氫而得到高純度化的氧化物半導體層中的電晶體的截止電流密度
可以為100zA/μm以下，較佳為10zA/μm以下，更佳為1zA/μm以下。因此，該截止電流比使用具有結晶性的矽的電晶體的截止電流低得多。結果，在第一電晶體111_1至第三電晶體111_3處於非導通狀態時，可以長期儲存第一資料儲存部D_HOLD1及第二資料儲存部D_HOLD2的電位。
另外，在本說明書中說明的截止電流是指當電晶體處於非導通狀態時流過源極與汲極之間的電流。在n通道型電晶體(例如，臨界電壓為0至2V左右)中，截止電流是指在施加到閘極與源極之間的電壓為負電壓時流過源極與汲極之間的電流。
另外，在上述中，也可以使用可以實現與氧化物半導體材料同等的截止電流特性的材料代替氧化物半導體材料。例如，可以應用碳化矽等的寬能隙材料(更明確地說，例如為能隙Eg大於3eV的半導體材料)等。另外，藉由使用MEMS開關等代替電晶體使佈線之間的連接分開，可以實現第一資料儲存部D_HOLD1及第二資料儲存部D_HOLD2的電荷的長期儲存。
接著，圖3A是示出圖1B中的第一資料電位儲存輸出電路113_1、第一資料電位控制電路114_1以及第一閘極選擇信號產生電路115_1的具體電路的一個例子的電路圖。另外，圖3B是示出圖1C中的第二資料電位儲存輸出電路113_2、第二資料電位控制電路114_2以及第二閘極選擇信號產生電路115_2的具體電路的一個例子的電路圖。
另外，圖4示出圖3A和3B所示的第一級儲存電路100_1和第二級儲存電路100_2中的兩者。
在圖3A中，包括在第一資料電位儲存輸出電路113_1中的電路是第一反相器電路121_1。第一反相器電路121_1可以不使第一資料儲存部D_HOLD1的資料電位變動地輸出該資料的邏輯反轉的信號。另外，在以下說明中，將第一反相器電路121_1的輸出信號稱為“第一資料反轉信號INV_OUT1”。另外，在圖4中，示出第一資料反轉信號INV_OUT1。另外，因為利用第一反相器電路121_1得到使第一資料儲存部D_HOLD1的資料電位的邏輯反轉的信號，所以只要將該信號作為輸出資料Q1藉由輸出資料用反相器電路123_1而輸出，即可。
另外，在圖3A中，包括在第一資料電位控制電路114_1中的電路是第一反或閘(以下稱為第一NOR電路122_1)。第一NOR電路122_1將對第一資料反轉信號INV_OUT1和第一電容元件控制信號Ca進行反或運算而得到的邏輯的信號輸出到第一電容元件112_1的第二電極。另外，在第一資料儲存部D_HOLD1處於電浮動狀態時，藉由改變第一電容元件112_1的第二電極的電位，可以改變第一資料儲存部D_HOLD1的資料電位，而不使第一電晶體111_1及第二電晶體111_2成為導通狀態。在以下說明中，將第一NOR電路122_1的輸出信號稱為“第一NOR輸出信號NOR_OUT1”。另外，在圖4中，示出第一NOR輸出信號NOR_OUT1。
另外，在圖3A中，包括在第一閘極選擇信號產生電路115_1中的電路是反或閘(以下稱為第一閘極選擇NOR電路124_1)。第一閘極選擇NOR電路124_1將對第一閘極控制信號Ga和第一使能信號EN_1進行反或運算而得到的邏輯的信號輸出到第一電晶體111_1的閘極。根據第一閘極選擇NOR電路124_1的輸出信號的電位，控制第一電晶體111_1的導通狀態或非導通狀態。在以下說明中，將第一閘極選擇NOR電路124_1的輸出信號稱為“第一閘極選擇信號Gate_1”。另外，在圖4中，示出第一閘極選擇信號Gate_1。
接著，在圖3B中，包括在第二資料電位儲存輸出電路113_2中的電路是第二反相器電路121_2。第二反相器電路121_2可以不使第二資料儲存部D_HOLD2的資料電位變動地輸出該資料的邏輯反轉的信號。另外，在以下說明中，將第二反相器電路121_2的輸出信號稱為“第二資料反轉信號INV_OUT2”。另外，在圖4中，示出第二資料反轉信號INV_OUT2。另外，因為利用第二反相器電路121_2得到使第二資料儲存部D_HOLD2的資料電位的邏輯反轉的信號，所以只要將該信號作為輸出資料Q2藉由輸出資料用反相器電路123_2而輸出，即可。
另外，在圖3B中，包括在第二資料電位控制電路114_2中的電路是第二反或閘(以下稱為第二NOR電路122_2)。第二NOR電路122_2將對第二資料反轉信號INV_OUT2和第二電容元件控制信號Cb進行反或運算而
得到的邏輯的信號輸出到第二電容元件112_2的第二電極。另外，在第二資料儲存部D_HOLD2處於電浮動狀態時，藉由改變第二電容元件112_2的第二電極的電位，可以改變第二資料儲存部D_HOLD2的資料電位，而不使第二電晶體111_2及第三電晶體111_3成為導通狀態。在以下說明中，將第二NOR電路122_2的輸出信號稱為“第二NOR輸出信號NOR_OUT2”。另外，在圖4中，示出第二NOR輸出信號NOR_OUT2。
另外，在圖3B中，包括在第二閘極選擇信號產生電路115_2中的電路是反或閘(以下稱為第二閘極選擇NOR電路124_2)。第二閘極選擇NOR電路124_2將對第二閘極控制信號Gb和第二使能信號EN_2進行反或運算而得到的邏輯的信號輸出到第二電晶體111_2的閘極。根據第二閘極選擇NOR電路124_2的輸出信號的電位，控制第二電晶體111_2的導通狀態或非導通狀態。在以下說明中，將第二閘極選擇NOR電路124_2的輸出信號稱為“第二閘極選擇信號Gate_2”。另外，在圖4中，示出第二閘極選擇信號Gate_2。
作為圖3A和3B所示的第一反相器電路121_1、第二反相器電路121_2、輸出資料用反相器電路123_1以及輸出資料用反相器電路123_2，例如，可以採用組合p通道型電晶體和n通道型電晶體而成的電路結構。
作為圖3A和3B所示的第一NOR電路122_1、第二NOR電路122_2、第一閘極選擇NOR電路124_1以及第
二閘極選擇NOR電路124_2，例如，可以採用組合p通道型電晶體和n通道型電晶體而成的電路結構。
另外，構成圖3A和3B所示的第一反相器電路121_1、第二反相器電路121_2、輸出資料用反相器電路123_1、輸出資料用反相器電路123_2、第一NOR電路122_1、第二NOR電路122_2、第一閘極選擇NOR電路124_1以及第二閘極選擇NOR電路124_2的電晶體可以為其通道形成在由氧化物半導體以外的半導體構成的層或基板中的電晶體。例如，可以採用其通道形成在矽層或矽基板中的電晶體。
接著，說明半導體儲存裝置儲存N位元的資料並輸出該資料時的工作。圖5示出對圖4所示的第一級儲存電路100_1及第二級儲存電路100_2輸入H信號(資料“1”)的資料信號並儲存該資料信號時的時序圖，以下參照該時序圖說明半導體儲存裝置的工作。在圖5的時序圖中，D、Ga、Gb、Ca、Cb、EN_1、EN_2、EN_3、D_HOLD1、INV_OUT1、NOR_OUT1、D_HOLD2、INV_OUT2、NOR_OUT2、Q1及Q2對應於圖4所說明的輸入輸出信號、各端子以及各佈線的電位。另外，在圖5所示的時序圖中，為了說明第一級儲存電路100_1及第二級儲存電路100_2可能處於的多種狀態，參照圖6A至圖8B示出多個期間，即期間t1至期間t6。
另外，在如下所述的圖5的工作說明中，採用圖4所示的結構作為各電晶體的導電型及邏輯電路來進行說明。
另外，如下所述的工作的說明不侷限於此，只要是各電晶體的導通狀態與此相同的工作，就可以適當地設定各電晶體的導電性、邏輯電路的組合及各控制信號的電位。另外，可以以H信號(高電源電位VDD)及L信號(低電源電位VSS)表示各信號。另外，在以下說明中，以“H’電位”(也稱為2VDD)表示利用電容耦合而上升的第一資料儲存部D_HOLD1及第二資料儲存部D_HOLD2的電位來進行說明。另外，在圖5至圖8B的說明中，作為初期狀態，第一資料儲存部D_HOLD1及第二資料儲存部D_HOLD2的電位為L信號。
另外，在時序圖的說明中，雖然以H信號及L信號說明各信號，但是也可以採用H信號及L信號的電位根據各信號而不同的結構。例如，藉由使第一閘極控制信號Ga、第二閘極控制信號Gb、第一使能信號EN_1至第N使能信號EN_N的H信號及第一閘極選擇NOR電路124_1至第N閘極選擇NOR電路124_N的輸出信號的電位大於資料信號D的H信號的電位，可以抑制使電位降低了第一電晶體111_1至第N電晶體111_N中的臨界電壓。
以下說明圖5的期間t1中的工作。期間t1是將H信號的資料從資料信號線輸入到第一資料儲存部D_HOLD1的期間。
圖6A示出以虛線箭頭使期間t1中的第一級儲存電路100_1及第二級儲存電路100_2中的電晶體的導通狀態及電流狀態可見化的圖。另外，在圖6A至圖8B的說明中，
以ON表示處於導通狀態的電晶體，以OFF表示處於非導通狀態的電晶體。另外，在圖6A至圖8B的說明中，作為輸入輸出信號及各佈線的電位，還示出對應於H信號的“H”和對應於L信號的“L”。
在期間t1中，藉由將第一閘極控制信號Ga及第一使能信號EN_1設定為L信號，使第一閘極選擇信號Gate_1成為H信號，而使第一電晶體111_1成為導通狀態。由此，將H信號從資料信號線輸入到第一資料儲存部D_HOLD1。另外，藉由將第二閘極控制信號Gb設定為H信號並將第二使能信號EN_2設定為L信號，使第二閘極選擇信號Gate_2成為L信號，而使第二電晶體111_2成為非導通狀態。由此，第二資料儲存部D_HOLD2的電位繼續為L信號。另外，藉由將第一閘極控制信號Ga設定為L信號並將第三使能信號EN_3設定為L信號，使第三閘極選擇信號Gate_3成為H信號，而使第三電晶體111_3成為導通狀態。
在期間t1中，在第一資料儲存部D_HOLD1為H信號時，第一資料反轉信號INV_OUT1成為L信號。由此，從輸出資料用反相器電路123_1輸出的輸出資料Q1成為H信號。另外，在第二資料儲存部D_HOLD2為L信號時，第二資料反轉信號INV_OUT2成為H信號。由此，從輸出資料用反相器電路123_2輸出的輸出資料Q2成為L信號。
在期間t1中，藉由將第一電容元件控制信號Ca設定
為H信號，將H信號和L信號輸入到第一NOR電路122_1。結果，第一NOR輸出信號NOR_OUT1成為L信號。另外，在期間t1中，藉由將第二電容元件控制信號Cb設定為L信號，將L信號和H信號輸入到第二NOR電路122_2。結果，第二NOR輸出信號NOR_OUT2成為L信號。
接著，說明圖5的期間t2中的工作。期間t2是第一資料儲存部D_HOLD1儲存H信號的資料的期間。
圖6B示出期間t2中的第一級儲存電路100_1及第二級儲存電路100_2中的電晶體的導通狀態。
在期間t2中，藉由將第一閘極控制信號Ga設定為H信號並將第一使能信號EN_1設定為L信號，使第一閘極選擇信號Gate_1成為L信號，而使第一電晶體111_1成為非導通狀態。此時，第一資料儲存部D_HOLD1和資料信號線的電位繼續為H信號。另外，藉由將第二閘極控制信號Gb設定為H信號並將第二使能信號EN_2設定為L信號，使第二閘極選擇信號Gate_2成為L信號，而使第二電晶體111_2成為非導通狀態。此時，第二資料儲存部D_HOLD2的電位繼續為L信號。另外，藉由將第一閘極控制信號Ga設定為H信號並將第三使能信號EN_3設定為L信號，使第三閘極選擇信號Gate_3成為L信號，而使第三電晶體111_3成為非導通狀態。
在期間t2中，在第一資料儲存部D_HOLD1為H信號時，第一資料反轉信號INV_OUT1成為L信號。由此，從
輸出資料用反相器電路123_1輸出的輸出資料Q1成為H信號。另外，在第二資料儲存部D_HOLD2為L信號時，第二資料反轉信號INV_OUT2成為H信號。由此，從輸出資料用反相器電路123_2輸出的輸出資料Q2成為L信號。
在期間t2中，藉由將第一電容元件控制信號Ca設定為H信號，將H信號和L信號輸入到第一NOR電路122_1。結果，第一NOR輸出信號NOR_OUT1成為L信號。另外，在期間t2中，藉由將第二電容元件控制信號Cb從L信號轉換成H信號，將H信號及L信號或者H信號及H信號輸入到第二NOR電路122_2。結果，第二NOR輸出信號NOR_OUT2成為L信號。
接著，說明圖5的期間t3中的工作。期間t3是將第一資料儲存部D_HOLD1的H信號輸入到第二資料儲存部D_HOLD2的期間。
圖7A示出以虛線箭頭使期間t3中的第一級儲存電路100_1及第二級儲存電路100_2中的電晶體的導通狀態及電流狀態可見化的圖。
在期間t3中，首先，藉由將第一閘極控制信號Ga設定為H信號並將第一使能信號EN_1設定為L信號，使第一閘極選擇信號Gate_1成為L信號，並且將第二閘極控制信號Gb設定為H信號並將第二使能信號EN_2設定為L信號，使第二閘極選擇信號Gate_2成為L信號，使第一電晶體111_1及第二電晶體111_2成為非導通狀態，以
使第一資料儲存部D_HOLD1成為電浮動狀態。此時，利用藉由第一電容元件112_1的電容耦合使第一資料儲存部D_HOLD1的電位上升到H’信號。接著，在期間t3中，藉由將第二閘極控制信號Gb從H信號轉換成L信號並將第二使能信號EN_2設定為L信號，使第二閘極選擇信號Gate_2從L信號轉換成H信號，以將第二電晶體111_2從非導通狀態轉換成導通狀態。此時，第一資料儲存部D_HOLD1的電荷轉移到第二資料儲存部D_HOLD2，第一資料儲存部D_HOLD1從H’信號轉換成H信號，而第二資料儲存部D_HOLD2從L信號轉換成H信號。
在期間t3中，藉由將第一閘極控制信號Ga設定為H信號並將第三使能信號EN_3設定為L信號，使第三閘極選擇信號Gate_3成為L信號，以使第三電晶體111_3成為非導通狀態。
在期間t3中，在第一資料儲存部D_HOLD1為H信號或H’信號時，第一資料反轉信號INV_OUT1成為L信號。由此，從輸出資料用反相器電路123_1輸出的輸出資料Q1成為H信號。另外，在第二資料儲存部D_HOLD2從L信號轉換成H信號時，第二資料反轉信號INV_OUT2從H信號轉換成L信號。由此，從輸出資料用反相器電路123_2輸出的輸出資料Q2從L信號轉換成H信號。
在期間t3中，藉由將第一電容元件控制信號Ca設定為L信號，將該L信號和L信號輸入到第一NOR電路122_1。結果，第一NOR輸出信號NOR_OUT1從L信號
轉換成H信號。因此，如上所述，利用藉由第一電容元件112_1的電容耦合使處於電浮動狀態的第一資料儲存部D_HOLD1的電位上升到H’信號。另外，在期間t3中，藉由將第二電容元件控制信號Cb設定為H信號，將L信號及H信號或者H信號及H信號輸入到第二NOR電路122_2。結果，第二NOR輸出信號NOR_OUT2成為L信號。
接著，說明圖5的期間t4中的工作。期間t4是第二資料儲存部D_HOLD2儲存H信號的資料的期間。
圖7B示出期間t4中的第一級儲存電路100_1及第二級儲存電路100_2中的電晶體的導通狀態。
在期間t4中，藉由將第一閘極控制信號Ga設定為H信號並將第一使能信號EN_1設定為L信號，使第一閘極選擇信號Gate_1成為L信號，而使第一電晶體111_1成為非導通狀態。此時，第一資料儲存部D_HOLD1的電位繼續為H信號。另外，藉由將第二閘極控制信號Gb從L信號轉換成H信號並將第二使能信號EN_2設定為L信號，使第二閘極選擇信號Gate_2從H信號轉換成L信號，以將第二電晶體111_2從導通狀態轉換成非導通狀態。此時，第二資料儲存部D_HOLD2的電位繼續為H信號。另外，藉由將第一閘極控制信號Ga設定為H信號並將第三使能信號EN_3設定為L信號，使第三閘極選擇信號Gate_3成為L信號，而使第三電晶體111_3成為非導通狀態。
在期間t4中，在第一資料儲存部D_HOLD1為H信號時，第一資料反轉信號INV_OUT1成為L信號。由此，從輸出資料用反相器電路123_1輸出的輸出資料Q1成為H信號。另外，在第二資料儲存部D_HOLD2為H信號時，第二資料反轉信號INV_OUT2成為L信號。由此，從輸出資料用反相器電路123_2輸出的輸出資料Q2成為H信號。
在期間t4中，藉由將第一電容元件控制信號Ca設定為L信號，將該L信號和L信號輸入到第一NOR電路122_1。結果，第一NOR輸出信號NOR_OUT1成為H信號。另外，在期間t4中，藉由將第二電容元件控制信號Cb設定為H信號，將H信號和L信號輸入到第二NOR電路122_2。結果，第二NOR輸出信號NOR_OUT2成為L信號。
接著，說明圖5的期間t5中的工作。期間t5是利用藉由第一電容元件112_1的電容耦合使第一資料儲存部D_HOLD1的H信號的資料下降到L信號的期間。
圖8A示出使期間t5中的第一級儲存電路100_1及第二級儲存電路100_2中的電晶體的導通狀態。
在期間t5中，藉由將第一閘極控制信號Ga設定為H信號並將第一使能信號EN_1設定為L信號，使第一閘極選擇信號Gate_1成為L信號，並且將第二閘極控制信號Gb設定為H信號並將第二使能信號EN_2設定為L信號，使第二閘極選擇信號Gate_2成為L信號，使第一電晶
體111_1及第二電晶體111_2成為非導通狀態，以使第一資料儲存部D_HOLD1成為電浮動狀態。此時，利用藉由第一電容元件112_1的電容耦合使第一資料儲存部D_HOLD1的電位下降到L信號。
在期間t5中，藉由將第二閘極控制信號Gb設定為H信號並將第二使能信號EN_2設定為L信號，使第二閘極選擇信號Gate_2成為L信號，並且將第一閘極控制信號Ga設定為H信號並將第三使能信號EN_3設定為L信號，使第三閘極選擇信號Gate_3成為L信號，使第二電晶體111_2及第三電晶體111_3成為非導通狀態，以使第二資料儲存部D_HOLD2成為電浮動狀態。此時，利用藉由第二電容元件112_2的電容耦合使第二資料儲存部D_HOLD2的電位上升到H’信號。
在期間t5中，在第一資料儲存部D_HOLD1為L信號時，第一資料反轉信號INV_OUT1成為H信號。由此，從輸出資料用反相器電路123_1輸出的輸出資料Q1成為L信號。另外，在第二資料儲存部D_HOLD2從H信號轉換成H’信號時，第二資料反轉信號INV_OUT2成為L信號。由此，從輸出資料用反相器電路123_2輸出的輸出資料Q2成為H信號。
在期間t5中，藉由將第一電容元件控制信號Ca設定為H信號，將該H信號和H信號輸入到第一NOR電路122_1。結果，第一NOR輸出信號NOR_OUT1從期間t4中的H信號轉換成L信號。因此，如上所述，利用藉由第
一電容元件112_1的電容耦合使處於電浮動狀態的第一資料儲存部D_HOLD1的電位下降到L信號。另外，在期間t5中，第二電容元件控制信號Cb從H信號轉換成L信號。結果，從將L信號和H信號輸入到第二NOR電路122_2的狀態轉換成將L信號和L信號輸入到第二NOR電路122_2的狀態。因此，如上所述，利用藉由第二電容元件112_2的電容耦合使處於電浮動狀態的第二資料儲存部D_HOLD2的電位上升到H’信號。
接著，說明圖5的期間t6中的工作。期間t6是將第二資料儲存部D_HOLD2的H信號從輸出信號OUT輸出的期間。
圖8B示出以虛線箭頭使期間t6中的第一級儲存電路100_1及第二級儲存電路100_2中的電晶體的導通狀態及電流狀態可見化的圖。
在期間t6中，藉由將第一閘極控制信號Ga設定為L信號並將第一使能信號EN_1設定為L信號，使第一閘極選擇信號Gate_1成為H信號，而使第一電晶體111_1成為導通狀態。由此，將L信號從資料信號線輸入到第一資料儲存部D_HOLD1。另外，藉由將第二閘極控制信號Gb設定為H信號並將第二使能信號EN_2設定為L信號，使第二閘極選擇信號Gate_2成為L信號，而使第二電晶體111_2成為非導通狀態。另外，藉由將第一閘極控制信號Ga設定為L信號並將第三使能信號EN_3設定為L信號，使第三閘極選擇信號Gate_3成為H信號，而使第三電晶
體111_3成為導通狀態。另外，在從期間t5轉換成期間t6時，第二資料儲存部D_HOLD2的電荷轉移到第三電晶體111_3一側，從而第二資料儲存部D_HOLD2的電位從H’信號轉換成H信號。
在期間t6中，在第一資料儲存部D_HOLD1為L信號時，第一資料反轉信號INV_OUT1成為H信號。由此，從輸出資料用反相器電路123_1輸出的輸出資料Q1成為L信號。另外，在第二資料儲存部D_HOLD2從H’信號轉換成H信號時，第二資料反轉信號INV_OUT2成為L信號。由此，從輸出資料用反相器電路123_2輸出的輸出資料Q2成為H信號。
在期間t6中，藉由將第一電容元件控制信號Ca設定為H信號，將該H信號和H信號輸入到第一NOR電路122_1。結果，第一NOR輸出信號NOR_OUT1成為L信號。另外，在期間t6中，將第二電容元件控制信號Cb設定為L信號。結果，成為將該L信號和L信號都輸入到第二NOR電路122_2的狀態。結果，第二NOR輸出信號NOR_OUT2成為H信號。
以上描述是第一級儲存電路100_1及第二級儲存電路100_2儲存資料信號並輸出該資料信號時的工作的說明。
作為本發明的一個方式，在製造非揮發性半導體儲存裝置時，揮發性儲存裝置與非揮發性儲存裝置彼此不分開而構成。並且，半導體儲存裝置可以採用將資料信號儲存在與其半導體層具有氧化物半導體的電晶體及電容元件連
接的資料儲存部中的結構。結果，資料儲存部所儲存的電位可以被資料電位儲存電路及資料電位控制電路控制，該資料電位儲存電路能夠控制儲存在佈線中的資料信號而不使電荷洩漏，該資料電位控制電路能夠利用藉由電容元件的電容耦合控制資料儲存部所儲存的電位而不使電荷洩漏，來可以實現資料信號的儲存及輸出。
另外，圖4所示的儲存電路100_1及儲存電路100_2可以進行與圖5不同的工作。例如，也可以使儲存電路100_1如圖9所示的時序圖那樣進行工作。如圖9所示，即使第一閘極控制信號Ga、第二閘極控制信號Gb、第一電容元件控制信號Ca以及第二電容元件控制信號Cb的開關工作與圖5不同，也可以儲存資料信號並輸出該資料信號。
接著，參照圖10至圖13說明在使本實施方式中的半導體儲存裝置工作時停止供應電源電壓並再開始供應電源電壓時的工作。明確地說，說明圖1A的具有N級儲存電路的半導體儲存裝置由圖10所示的四級的級聯連接的儲存電路100_1至100_4構成的情況。另外，雖然在圖10中示出對第四級儲存電路100_4的輸出端子設置有用來儲存資料信號的其通道形成在氧化物半導體層中的電晶體400的結構，但是也可以採用還設置有另一級儲存電路，即第五級儲存電路的結構。另外，在圖10所示的結構中，對用來供應高電源電位VDD的佈線設置與高電源電位VDD及低電源電位VSS連接的反相器電路401，藉由反相
器電路401利用選擇信號SigA轉換高電源電位VDD和低電源電位VSS，來對各儲存電路100_1至100_4施加高電源電位VDD和低電源電位VSS，即可。
接著，參照圖12的時序圖說明使圖10所示的具有四級的級聯連接的儲存電路100_1至100_4的半導體儲存裝置儲存四位元的資料時的工作。另外，參照圖13的時序圖說明對圖10所示的具有四級的級聯連接的儲存電路100_1至100_4的半導體儲存裝置停止供應電源電壓並再開始供應電源電壓時的工作。
另外，在用來說明停止供應電源電壓並再開始供應電源電壓時的工作的圖12及圖13的時序圖中，以圖11所示的D_HOLD1表示儲存電路100_1中的第一資料儲存部D_HOLD1的電位，以圖11所示的D_HOLD2表示儲存電路100_2中的第二資料儲存部D_HOLD2的電位，以圖11所示的D_HOLD3表示儲存電路100_3中的第三資料儲存部D_HOLD3的電位，並且以圖11所示的D_HOLD4表示儲存電路100_4中的第四資料儲存部D_HOLD4的電位。另外，圖11示出對圖10所示的電晶體400的閘極設置NOR電路而控制電晶體400的結構。
另外，在圖12及圖13所示的時序圖中，作為使四位元的暫存器儲存的資料，採用“1，1，0，1”的資料信號。在本實施方式的說明中，將相當於第一位的資料“1”的H信號儲存在儲存電路100_1中的第一資料儲存部D_HOLD1中。另外，將相當於第二位元的資料“1”的H信
號儲存在儲存電路100_2中的第二資料儲存部D_HOLD2中。另外，將相當於第三位元的資料“0”的L信號儲存在儲存電路100_3中的第三資料儲存部D_HOLD3中。另外，將相當於第四位元的資料“1”的H信號儲存在儲存電路100_4中的第四資料儲存部D_HOLD4中。
在圖12所示的時序圖中，使由四級儲存電路構成的四位元暫存器儲存藉由反復進行圖5至圖8B所示的工作而輸入的資料“1，1，0，1”。關於儲存有資料的資料儲存部，為了不重新輸入資料信號，藉由將輸入到與被輸入了資料信號之後的儲存電路連接的電晶體中的使能信號轉換成H信號，控制電晶體的導通狀態。
例如，為了使電晶體400成為非導通狀態而在第四資料儲存部D_HOLD4中儲存資料信號的電位，將第五使能信號EN_5設定為H信號。在第五使能信號EN_5為H信號的期間中，可以使電晶體400處於非導通狀態。
另外，在將相當於第四位元的資料“1”的H信號儲存在第四資料儲存部D_HOLD4中之後，將第四使能信號EN_4設定為H信號。由此，使第四電晶體111_4處於非導通狀態。結果，不管有沒有電源電壓的供應，都能夠在第四資料儲存部D_HOLD4中儲存資料信號。
另外，在將相當於第三位元的資料“0”的L信號儲存在第三資料儲存部D_HOLD3中之後，將第三使能信號EN_3設定為H信號。由此，使第三電晶體111_3處於非導通狀態。結果，不管有沒有電源電壓的供應，都能夠在
第三資料儲存部D_HOLD3中儲存資料信號。
另外，在將相當於第二位元的資料“1”的H信號儲存在第二資料儲存部D_HOLD2中之後，將第二使能信號EN_2設定為H信號。由此，使第二電晶體111_2處於非導通狀態。結果，不管有沒有電源電壓的供應，都能夠在第二資料儲存部D_HOLD2中儲存資料信號。
另外，在將相當於第一位的資料“1”的H信號儲存在第一資料儲存部D_HOLD1中之後，將第一使能信號EN_1設定為H信號。由此，使第一電晶體111_1處於非導通狀態。結果，不管有沒有電源電壓的供應，都能夠在第一資料儲存部D_HOLD1中儲存資料信號。
在圖12中，示出與第一閘極控制信號Ga成為L信號的時序同步地從資料信號線依次輸入第四位元的H信號、第三位元的L信號、第二位元的H信號以及第一位的H信號的例子。
以上描述是使由四級儲存電路構成的四位元的暫存器儲存資料的工作的說明。另外，如圖12所示，將既不停止供應電源電壓也不再開始供應電源電壓的有關資料信號的儲存的期間稱為通常工作期間T_ON。
接著，參照圖13的時序圖說明停止供應電源電壓時的工作及沒有電源電壓供應時的工作。在圖13中，將供應電源電壓的通常工作期間稱為T_ON，將停止供應電源電壓的期間稱為T_OFF，並且將再開始供應電源電壓直到再成為通常工作期間T_ON為止的期間稱為T_SET來進行
說明。
圖13所示的期間T_ON的工作與圖12所示的工作同樣，因此省略其說明。
接著，說明圖13所示的期間T_OFF的工作。
在期間T_OFF中，首先，將第一閘極控制信號Ga和第二閘極控制信號Gb固定於H信號。結果，使各級儲存電路中的閘極選擇信號產生電路的輸出信號成為L信號，而使各級儲存電路中的第一電晶體111_1至第四電晶體111_4一齊成為非導通狀態，以儲存第一資料儲存部D_HOLD1至第四資料儲存部D_HOLD4的電位。另外，在將第一閘極控制信號Ga和第二閘極控制信號Gb固定於H信號的同時，將第一電容元件控制信號Ca和第一電容元件控制信號Cb固定於H信號。結果，使各級儲存電路中的第一資料電位控制電路114_1至第四資料電位控制電路114_4的輸出信號一齊被固定於L信號，以固定第一資料儲存部D_HOLD1至第四資料儲存部D_HOLD4的電位。接著，為了停止供應電源電壓，將用來供應高電源電位VDD的佈線的電位設定為低電源電位VSS。然後，將第一電容元件控制信號Ca及第二電容元件控制信號Cb設定為不定狀態。另外，輸出電位Q1至Q4成為不定狀態。
根據上述工作，可以在期間T_OFF中無故障地停止供應電源電壓。另外，在停止供應電源電壓的期間中，較佳為將第一閘極控制信號Ga及第二閘極控制信號Gb繼續固定於H信號。
另外，在圖13的說明中，以陰影線表示的“X”的期間是不供應基於H信號或L信號的電源電壓的信號的不定狀態的期間。
接著，說明圖13所示的期間T_SET中的工作。
在期間T_SET中，首先，將第一電容元件控制信號Ca及第二電容元件控制信號Cb設定為H信號。結果，儲存第一資料儲存部D_HOLD1至第四資料儲存部D_HOLD4的H信號或L信號的電位。接著，為了再開始供應高電源電位VDD，將供應高電源電位的佈線的電位設定為高電源電位VDD。然後，開始進行第一閘極控制信號Ga、第二閘極控制信號Gb、第一電容元件控制信號Ca以及第二電容元件控制信號Cb的開關工作，而返回到與圖12所示的工作同樣的工作的期間T_ON。
以上是具有多級儲存電路的半導體儲存裝置停止供應電源電壓並再開始供應電源電壓時的工作的說明。因為本發明的一個方式即使停止供應電源電壓也可以儲存資料信號，所以在再開始供應電源電壓時可以繼續進行停止供應電源電壓之前的資料信號儲存的工作。
如上所述，作為本發明的一個方式，在製造非揮發性半導體儲存裝置時，揮發性儲存裝置與非揮發性儲存裝置彼此不分開而構成。並且，構成半導體儲存裝置的多級儲存電路採用將資料信號儲存在與其半導體層具有氧化物半導體的電晶體及電容元件連接的資料儲存部中的結構。結果，資料儲存部所儲存的電位可以被資料電位儲存電路及
資料電位控制電路控制，該資料電位儲存電路能夠控制儲存在佈線中的資料信號而不使電荷洩漏，該資料電位控制電路能夠利用藉由電容元件的電容耦合控制資料儲存部所儲存的電位而不使電荷洩漏，來可以輸出脈衝信號。再者，本發明的一個方式即使停止供應電源電壓也可以儲存資料信號，所以在再開始供應電源電壓時可以繼續進行停止供應電源電壓之前的資料信號儲存的工作。
本實施方式可以與其他實施方式適當地組合而實施。
在本實施方式中，說明上述實施方式1所述的半導體儲存裝置中的儲存電路的變形例子。
作為儲存電路的變形例子，可以舉出設置用來使第一資料儲存部D_HOLD1至第N資料儲存部D_HOLDN的電位初始化的重設電路的結構。圖14A示出具體的電路結構。圖14A示出對圖1A所示的電路圖中的儲存電路100_1至100_N從供應重設信號RES的佈線供應了重設信號的儲存電路130_1至130_N。
圖14B示出儲存電路130_1的具體的電路結構的一個例子。在圖14B所示的電路圖中，除了圖3A所示的電路結構以外，還示出具有復位電晶體125_1的結構。
復位電晶體125_1的第一端子與第一資料儲存部D_HOLD1連接。復位電晶體125_1的第二端子與供應低電源電位VSS的佈線連接。重設電晶體125_1的閘極與供
應重設信號RES的佈線連接。另外，重設電晶體125_1設置在各級儲存電路中，也可以被稱為第一復位電晶體125_1至第N復位電晶體125_N。
另外，作為用來儘量降低第一復位電晶體125_1至第N復位電晶體125_N的非導通狀態下的截止電流的結構，使用與儲存電路130_1所具有的第一電晶體111_1同樣的其通道形成在氧化物半導體層中的電晶體。另外，在圖式中，加上OS的符號，以表示重設電晶體125_1是其通道形成在氧化物半導體層中的電晶體。
另外，在將第一資料儲存部D_HOLD1至第N資料儲存部D_HOLDN的電位設定為L信號的初始化工作時以外，使重設信號RES在非導通狀態下工作。藉由使用其通道形成在氧化物半導體層中的電晶體作為第一復位電晶體125_1至第N復位電晶體125_N，可以防止電荷從第一資料儲存部D_HOLD1至第N資料儲存部D_HOLDN洩漏。
作為儲存電路的另一變形例子，圖15示出作為設置在第一級儲存電路中的第一閘極選擇信號產生電路設置反相器電路的結構的例子。藉由使用被輸入第一閘極控制信號Ga的反相器電路135，也可以進行與上述實施方式1同樣的工作。藉由設置反相器電路135，與設置NOR電路時相比可以減少用於電路的電晶體個數。
另外，作為儲存電路的另一變形例子，示出對第一電晶體的閘極、第二電晶體的閘極以及第三電晶體的閘極設置邏輯電路而進行與圖4所示的電路結構同樣的工作的電
路結構。
圖16A示出具體的儲存電路140_1至儲存電路140_N的電路結構。在圖16A中，對於與第二電晶體111_2至第N電晶體111_N的閘極連接的作為閘極選擇信號產生電路的NOR電路，除了輸入第一閘極控制信號Ga或第二閘極控制信號Gb以及與各級相應的使能信號以外，還輸入各級儲存電路所具有的資料電位儲存輸出電路的輸出信號。另外，在圖16A中，在第奇數級儲存電路中，第一電容元件控制信號Ca與第一電容元件112_1的第二電極連接，而在第偶數級儲存電路中，第二電容元件控制信號Cb與第二電容元件112_2的第二電極連接。
在圖16A的結構中，藉由使資料D、第一閘極控制信號Ga、第二閘極控制信號Gb、第一電容元件控制信號Ca以及第二電容元件控制信號Cb進行與圖5相同的開關工作，可以得到與圖5所示的工作同樣的輸出資料Q。另外，如圖16B所示，也可以在各級儲存電路中分別設置位於資料電位儲存輸出電路與閘極選擇信號產生電路之間的電平轉移電路143_1至143_N。
本實施方式可以與其他實施方式適當地組合而實施。
在本實施方式中，說明使用實施方式1所示的半導體儲存裝置的信號處理裝置的結構。
圖17示出根據本發明的一個方式的信號處理裝置的
一個例子。信號處理裝置至少具有一個或多個運算裝置和一個或多個半導體儲存裝置。明確地說，圖17所示的信號處理裝置150具有運算裝置151、運算裝置152、半導體儲存裝置153、半導體儲存裝置154、半導體儲存裝置155、控制裝置156以及電源控制電路157。
運算裝置151及運算裝置152包括進行簡單的邏輯運算的邏輯電路、加法器、乘法器以及各種運算裝置等。另外，半導體儲存裝置153被用作當在運算裝置151中進行運算處理時暫時儲存資料信號的暫存器。半導體儲存裝置154被用作當在運算裝置152中進行運算處理時暫時儲存資料信號的暫存器。
另外，半導體儲存裝置155可以被用作主儲存體，而可以將控制裝置156所執行的程式以資料信號的形式儲存，或者，可以儲存來自運算裝置151和運算裝置152的資料信號。
控制裝置156是對信號處理裝置150所具有的運算裝置151、運算裝置152、半導體儲存裝置153、半導體儲存裝置154以及半導體儲存裝置155的工作進行總括控制的電路。另外，在圖17中示出控制裝置156為信號處理裝置150的一部分的結構，但是也可以將控制裝置156設置在信號處理裝置150的外部。
藉由將實施方式1所示的半導體儲存裝置用於半導體儲存裝置153、半導體儲存裝置154以及半導體儲存裝置155，即使停止對半導體儲存裝置153、半導體儲存裝置
154以及半導體儲存裝置155進行電源電壓的供應也可以儲存資料信號而不增加所控制的信號數。因此，可以停止對信號處理裝置150整體進行電源電壓的供應，以抑制耗電量。或者，可以停止對半導體儲存裝置153、半導體儲存裝置154以及半導體儲存裝置155中的任何一個或多個進行電源電壓的供應，以抑制信號處理裝置150的耗電量。另外，在再次開始電源電壓的供應之後，可以在短時間內恢復到電源供應停止之前的狀態。
另外，也可以在停止對半導體儲存裝置進行電源電壓的供應的同時，停止對在與該半導體儲存裝置之間進行資料信號的交換的運算裝置或控制電路進行電源電壓的供應。例如，也可以在運算裝置151和半導體儲存裝置153不進行工作時停止對運算裝置151及半導體儲存裝置153進行電源電壓的供應。
另外，電源控制電路157控制被供應到信號處理裝置150所具有的運算裝置151、運算裝置152、半導體儲存裝置153、半導體儲存裝置154、半導體儲存裝置155以及控制裝置156的電源電壓的大小。另外，在停止電源電壓的供應時，既可在電源控制電路157中停止電源電壓的供應，又可在運算裝置151、運算裝置152、半導體儲存裝置153、半導體儲存裝置154、半導體儲存裝置155以及控制裝置156中分別停止電源電壓的供應。
另外，也可以在作為主儲存體的半導體儲存裝置155與運算裝置151、運算裝置152以及控制裝置156之間設
置用作高速緩衝儲存體的半導體儲存裝置。藉由設置高速緩衝儲存體，可以減少低速主儲存體被存取的次數，以實現運算處理等的信號處理的高速化。藉由還在用作高速緩衝儲存體的半導體儲存裝置中使用上述半導體儲存裝置，可以抑制信號處理裝置150的耗電量而不增加所控制的信號數。
本實施方式可以與上述實施方式適當地組合而實施。
在本實施方式中，說明根據本發明的一個方式的信號處理裝置之一的CPU的結構。
圖18示出本實施方式的CPU的結構。圖18所示的CPU在基板9900上主要包括：ALU 9901；ALU控制器9902；指令解碼器9903；中斷控制器9904；時序控制器9905；暫存器9906；暫存器控制器9907；Bus．I/F 9908；可重寫的ROM 9909；以及ROM．I/F 9920。注意，ALU是指Arithmetic logic unit，即算術邏輯單元，Bus．I/F是指匯流排界面，並且ROM．I/F是指ROM介面。ROM 9909和ROM．I/F 9920可以設置在另一晶片上。當然，圖18只是示出使其結構簡化了的一例，並且實際上的CPU根據其用途具有多種多樣的結構。
藉由Bus．I/F 9908輸入到CPU的指令輸入到指令解碼器9903且在進行解碼之後，輸入到ALU控制器9902、中斷控制器9904、暫存器控制器9907和時序控制器9905。
根據被解碼的指令，ALU控制器9902、中斷控制器9904、暫存器控制器9907、時序控制器9905進行各種控制。明確地說，ALU控制器9902產生用來控制ALU 9901的工作的信號。另外，當CPU在執行程式時，中斷控制器9904根據其優先度或掩模狀態而判斷來自外部的輸入/輸出裝置或週邊電路的中斷要求，並處理所述要求。暫存器控制器9907產生暫存器9906的位址，並根據CPU的狀態進行從暫存器9906的讀出或對暫存器9906的寫入。
另外，時序控制器9905產生控制ALU 9901、ALU控制器9902、指令解碼器9903、中斷控制器9904、暫存器控制器9907的工作時序的信號。例如，時序控制器9905具備根據基準時脈信號CLK1產生內部時脈信號CLK2的內部時脈產生部，將時脈信號CLK2輸入到上述各種電路。
在本實施方式的CPU中，在暫存器9906中設置有具有上述實施方式所示的結構的半導體儲存裝置。暫存器控制器9907可以根據來自ALU 9901的指令在暫存器9906所具有的半導體儲存裝置中停止供應電源電壓而不需要轉移資料。
如此，當暫時停止CPU的工作而停止電源電壓的供應時也可以儲存資料信號，且可以降低耗電量。明確地說，例如，在個人電腦的使用者停止對鍵盤等輸入裝置的資訊輸入的期間中也可以停止CPU，由此可以降低耗電量。
在本實施方式中，以CPU為例子進行了說明，但是
本發明的信號處理裝置不侷限於CPU，也可以應用於微處理器、影像處理電路、DSP、FPGA等的LSI。
本實施方式可以與上述實施方式組合而實施。
在圖3A所示的半導體儲存裝置中，舉出其通道形成在矽中的構成第一反相器電路121_1的電晶體(以下稱為電晶體191)、其通道形成在氧化物半導體層中的第一電晶體111_1以及第一電容元件112_1的例子來說明半導體儲存裝置10的製造方法。
如圖19A所示，在基板700上形成絕緣膜701和從單晶半導體基板分離的半導體膜702。
對可以用作基板700的材料沒有大的限制，但是需要至少具有能夠承受後面的加熱處理的程度的耐熱性。例如，作為基板700，可以使用藉由熔融法或浮法而製造的玻璃基板、石英基板、半導體基板、陶瓷基板等。另外，當後面的加熱處理的溫度較高時，較佳為使用應變點為730℃以上的玻璃基板。
在本實施方式中，以下，以半導體膜702為單晶矽的情況為例子來說明電晶體191的製造方法。另外，簡單說明具體的單晶半導體膜702的製造方法的一個例子。首先，將由利用電場進行加速的離子構成的離子束注入到單晶半導體基板的接合基板，以在離接合基板的表面有預定深度的區域中形成因使結晶結構錯亂而局部性地被脆弱化的
脆化層。可以根據離子束的加速能和離子束的入射角調節形成脆化層的區域的深度。然後，貼合接合基板與形成有絕緣膜701的基板700，其中間夾有該絕緣膜701。至於貼合，在使接合基板與基板700重疊之後，對接合基板和基板700的一部分施加大約1N/cm2以上500N/cm2以下的壓力，較佳為施加大約11N/cm2以上20N/cm2以下的壓力。當施加壓力時，從該部分起開始接合基板和絕緣膜701的接合，該接合最終擴展於貼緊的面整體。接著，藉由進行加熱處理，存在於脆化層中的極小空隙彼此結合起來，使得極小空隙的體積增大。結果，在脆化層中，接合基板的一部分的單晶半導體膜從接合基板分離。上述加熱處理的溫度為不超過基板700的應變點的溫度。然後，藉由利用蝕刻等將上述單晶半導體膜加工為所希望的形狀，可以形成半導體膜702。
為了控制臨界電壓，也可以對半導體膜702添加賦予p型導電性的雜質元素諸如硼、鋁、鎵等或賦予n型導電性的雜質元素諸如磷、砷等。用來控制臨界電壓的雜質元素添加，既可對被進行構圖之前的半導體膜進行，又可對被進行構圖之後的半導體膜702進行。另外，也可以將用於控制臨界電壓的雜質元素添加到接合基板。或者，也可以首先將雜質元素添加到接合基板，以便粗略地調節臨界電壓，然後，再添加到被進行構圖之前的半導體膜或被進行構圖之後的半導體膜702，以便精細地調節臨界電壓。
另外，雖然在本實施方式中說明使用單晶半導體膜的
例子，但是本發明不侷限於該結構。例如，既可利用在絕緣膜701上利用氣相沉積法而形成的多晶、微晶或非晶半導體膜，又可利用已知的技術使上述半導體膜結晶化。作為已知的晶化法，有利用雷射的雷射晶化法、使用催化元素的晶化法。或者，也可以採用組合了使用催化元素的晶化法和雷射晶化法的方法。另外，在使用石英等具有優良的耐熱性的基板時，也可以採用組合如下方法的晶化法：使用電熱爐的熱晶化法；利用紅外光的燈退火晶化法；使用催化元素的晶化法；950℃左右的高溫退火法。
接著，如圖19B所示，使用半導體膜702形成半導體膜704。然後，在半導體膜704上形成閘極絕緣膜703。
例如，閘極絕緣膜703也可以使用電漿CVD法或濺射法等形成包含如下材料的膜的單層或疊層而形成：氧化矽、氮氧化矽、氧氮化矽、氮化矽、氧化鉿、氧化鋁、氧化鉭、氧化釔、矽酸鉿(HfSixOy(x>0、y>0))、添加有氮的矽酸鉿(HfSixOy(x>0、y>0))、添加有氮的鋁酸鉿(HfAlxOy(x>0、y>0))等。
另外，在本說明書中，氧氮化物是指在其組成中含氧量多於含氮量的物質。另外，氮氧化物是指在其組成中含氮量多於含氧量的物質。
例如，可以將閘極絕緣膜703的厚度設定為1nm以上100nm以下，較佳為10nm以上50nm以下。在本實施方式中，作為閘極絕緣膜703，使用電漿CVD法形成包含氧化矽的單層的絕緣膜。
接著，如圖19C所示，形成閘極電極707。
在形成導電膜之後，藉由將該導電膜加工(構圖)為預定形狀，可以形成閘極電極707。在形成上述導電膜時，可以使用CVD法、濺射法、蒸鍍法、旋塗法等。另外，作為導電膜，可以使用鉭(Ta)、鎢(W)、鈦(Ti)、鉬(Mo)、鋁(Al)、銅(Cu)、鉻(Cr)、釹(Nb)等。既可使用含上述金屬作為其主要成分的合金，又可使用含上述金屬的化合物。或者，也可以使用對半導體膜摻雜了賦予導電性的雜質元素如磷等而成的多晶矽等半導體來形成。
另外，雖然在本實施方式中由單層導電膜形成閘極電極707，但是本實施方式不侷限於該結構。閘極電極707也可以由層疊的多個導電膜形成。
作為兩個導電膜的組合，可以使用氮化鉭或鉭作為第一層，並且使用鎢作為第二層。另外，作為兩個導電膜的組合，除了上述以外，還可以舉出：氮化鎢和鎢、氮化鉬和鉬、鋁和鉭、鋁和鈦等。因為鎢和氮化鉭具有高耐熱性，所以在形成兩層導電膜之後可以進行用於熱活化的加熱處理。另外，作為兩層導電膜的搭配，例如可以使用摻雜有賦予n型導電性的雜質元素的矽和鎳矽化物；摻雜有賦予n型導電性的雜質元素的矽和鎢矽化物等。
在採用層疊三層的導電膜的三層結構的情況下，較佳為採用鉬膜、鋁膜和鉬膜的疊層結構。
另外，作為閘極電極707，也可以使用氧化銦、氧化
銦氧化錫、氧化銦氧化鋅、氧化鋅、氧化鋅鋁、氧氮化鋅鋁或氧化鋅鎵等的具有透光性的氧化物導電膜。
另外，也可以使用液滴噴射法選擇性地形成閘極電極707，而不使用掩模。液滴噴射法是指從細孔噴射或噴出包含預定組分的液滴來形成預定圖案的方法，噴墨法等包括在其範疇內。
另外，藉由在形成導電膜之後使用ICP(Inductively Coupled Plasma：感應耦合電漿)蝕刻法並對蝕刻條件(施加到線圈型電極層的電力量、施加到基板側電極層的電力量和基板側的電極溫度等)進行適當調整，可以將閘極電極707蝕刻為具有所希望的錐形形狀。另外，還可以根據掩模的形狀控制錐形形狀的角度等。另外，作為蝕刻氣體，可以適當地使用：氯類氣體如氯、氯化硼、氯化矽、四氯化碳等；氟類氣體如四氟化碳、氟化硫或氟化氮；或氧。
接著，如圖19D所示，藉由以閘極電極707為掩模將賦予一導電性的雜質元素添加到半導體膜704，在半導體膜704中形成與閘極電極707重疊的通道形成區710、夾有通道形成區710的一對雜質區域709。
在本實施方式中，以將賦予p型的雜質元素(如硼)添加到半導體膜704的情況為例子。
接著，如圖20A所示，覆蓋閘極絕緣膜703和閘極電極707地形成絕緣膜712和絕緣膜713。明確地說，絕緣膜712和絕緣膜713可以使用氧化矽、氮化矽、氮氧化矽
、氧氮化矽、氮化鋁、氮氧化鋁等的無機絕緣膜。特別是，藉由作為絕緣膜712和絕緣膜713使用低介電常數(low-k)材料，可以充分地減少起因於各種電極或佈線的重疊的電容，所以較佳為使用低介電常數(low-k)材料。另外，作為絕緣膜712和絕緣膜713，也可以應用使用上述材料的多孔絕緣膜。在多孔絕緣膜中，因為與密度高的絕緣膜相比，其介電常數降低，所以可以進一步減少起因於電極或佈線的寄生電容。
在本實施方式中，以使用氧氮化矽作為絕緣膜712並使用氮氧化矽作為絕緣膜713的情況為例子。另外，雖然在本實施方式中以在閘極電極707上形成絕緣膜712和絕緣膜713的情況為例子，但是在本發明中，既可在閘極電極707上只形成一層的絕緣膜，又可在閘極電極707上形成三層以上的多個絕緣膜的疊層。
接著，如圖20B所示，藉由對絕緣膜713進行CMP(化學機械拋光)處理或蝕刻處理，使絕緣膜713的露出頂面平坦化。另外，為了提高之後形成的第一電晶體111_1的特性，較佳為使絕緣膜713的表面盡可能地為平坦。
藉由上述製程，可以形成電晶體191。
接著，說明第一電晶體111_1的製造方法。首先，如圖20C所示，在絕緣膜713上形成氧化物半導體層716。
藉由將形成在絕緣膜713上的氧化物半導體膜加工為所希望的形狀，可以形成氧化物半導體層716。上述氧化物半導體膜的厚度為2nm以上200nm以下，較佳為3nm
以上50nm以下，更佳為3nm以上20nm以下。藉由使用氧化物半導體作為靶材，利用濺射法形成氧化物半導體膜。另外，氧化物半導體膜可以藉由在稀有氣體(如氬)氛圍下、在氧氛圍下或在稀有氣體(如氬)和氧的混合氛圍下利用濺射法而形成。
另外，較佳為在使用濺射法形成氧化物半導體膜之前，進行引入氬氣體來產生電漿的反濺射，而去除附著在絕緣膜713的表面上的灰塵。反濺射是指不對靶材一側施加電壓而使用RF電源在氬氛圍中對基板一側施加電壓來在基板附近形成電漿以進行表面改性的方法。另外，也可以使用氮、氦等代替氬氛圍。另外，也可以在對氬氛圍添加了氧、一氧化二氮等的氛圍下進行反濺射。另外，也可以在對氬氛圍添加了氯、四氟化碳等的氛圍下進行反濺射。
如上所述，作為氧化物半導體膜，可以使用：四元金屬氧化物的In-Sn-Ga-Zn類氧化物半導體；三元金屬氧化物的In-Ga-Zn類氧化物半導體、In-Sn-Zn類氧化物半導體、In-Al-Zn類氧化物半導體、Sn-Ga-Zn類氧化物半導體、Al-Ga-Zn類氧化物半導體、Sn-Al-Zn類氧化物半導體、Hf-In-Zn類氧化物半導體；二元金屬氧化物的In-Zn類氧化物半導體、Sn-Zn類氧化物半導體、Al-Zn類氧化物半導體、Zn-Mg類氧化物半導體、Sn-Mg類氧化物半導體、In-Mg類氧化物半導體、In-Ga類氧化物半導體；單元金屬氧化物的In類氧化物半導體、Sn類氧化物半導體、Zn類氧化物半導體等。
另外，尤其是在使用In-Sn-Zn類氧化物半導體作為氧化物半導體膜時，可以提高電晶體的遷移率。另外，在使用In-Sn-Zn類氧化物半導體時，可以穩定地控制電晶體的臨界電壓。另外，在使用In-Sn-Zn類氧化物半導體時，可以將所使用的靶材中的金屬元素的原子數比設定為In：Sn：Zn=1：2：2、In：Sn：Zn=2：1：3、In：Sn：Zn=1：1：1等。
在本實施方式中，將藉由使用包含In(銦)、Ga(鎵)及Zn(鋅)的靶材的濺射法而得到的厚度為30nm的In-Ga-Zn類氧化物半導體的薄膜用作氧化物半導體膜。作為上述靶材，例如可以使用各金屬的成分比為In：Ga：Zn=1：1：0.5、In：Ga：Zn=1：1：1或In：Ga：Zn=1：1：2的靶材。另外，包含In、Ga及Zn的靶材的填充率為90%以上100%以下，較佳為95%以上且低於100%。藉由採用填充率高的靶材，可以形成緻密的氧化物半導體膜。
在本實施方式中，將基板放置在保持為減壓狀態的處理室內，去除處理室內的殘留水分並引入被去除了氫及水分的濺射氣體，使用上述靶材形成氧化物半導體膜。在進行成膜時，也可以將基板溫度設定為100℃以上600℃以下，較佳為200℃以上400℃以下。藉由邊加熱基板邊進行成膜，可以降低形成的氧化物半導體膜中含有的雜質濃度。另外，可以減輕由於濺射帶來的損傷。為了去除殘留在處理室中的水分，較佳為使用吸附型真空泵。例如，較佳為使用低溫泵、離子泵、鈦昇華泵。另外，作為排氣單
元，也可以使用配備有冷阱的渦輪泵。在使用低溫泵對處理室進行排氣時，例如排出氫原子、水(H2O)等的包含氫原子的化合物(更佳地，還有包含碳原子的化合物)等，由此可降低在該處理室中形成的氧化物半導體膜所包含的雜質濃度。
作為成膜條件的一例，可以應用如下條件：基板與靶材之間的距離為100mm，壓力為0.6Pa，直流(DC)電源功率為0.5kW，採用氧(氧流量比率為100%)氛圍。另外，脈衝直流(DC)電源是較佳的，因為可以減少在成膜時發生的灰塵並可以實現均勻的膜厚度分佈。
另外，藉由將濺射裝置的處理室的洩漏率設定為1×10-10Pa．m3/秒以下，可以減少當藉由濺射法形成膜時混入到氧化物半導體膜中的鹼金屬、氫化物等雜質。另外，藉由作為排氣系統使用上述吸附型真空泵，可以減少鹼金屬、氫原子、氫分子、水、羥基或氫化物等雜質從排氣系統倒流。
另外，藉由將靶材的純度設定為99.99%以上，可以減少混入到氧化物半導體膜中的鹼金屬、氫原子、氫分子、水、羥基或氫化物等。另外，藉由使用該靶材，在氧化物半導體膜中可以降低鋰、鈉、鉀等的鹼金屬的濃度。
另外，為了使氧化物半導體膜儘量不包含氫、羥基及水分，作為成膜的預處理，較佳為在濺射裝置的預熱室中對形成了絕緣膜712及絕緣膜713的基板700進行預熱，使吸附到基板700的水分或氫等雜質脫離並排放。注意，
預熱的溫度是100℃以上400℃以下，較佳是150℃以上300℃以下。另外，設置在預熱室中的排氣單元較佳是低溫泵。另外，還可以省略該預熱處理。另外，該預熱也可以在後面進行的閘極絕緣膜721的成膜之前，對形成了導電膜719及導電膜720的基板700同樣地進行。
另外，作為用來形成氧化物半導體層716的蝕刻，可以採用乾蝕刻和濕蝕刻中的一者或兩者。作為用於乾蝕刻的蝕刻氣體，較佳為使用含有氯的氣體(氯類氣體，例如，氯(Cl2)、三氯化硼(BCl3)、四氯化矽(SiCl4)、四氯化碳(CCl4)等)。另外，還可以使用含有氟的氣體(氟類氣體，例如四氟化碳(CF4)、六氟化硫(SF6)、三氟化氮(NF3)、三氟甲烷(CHF3)等)、溴化氫(HBr)、氧(O2)或對上述氣體添加了氦(He)或氬(Ar)等的稀有氣體的氣體等。
作為乾蝕刻法，可以使用平行平板型RIE(Reactive Ion Etching：反應離子蝕刻)法或ICP(Inductively Coupled Plasma：感應耦合電漿)蝕刻法。為了能夠蝕刻為所希望的形狀，適當地調節蝕刻條件(施加到線圈形電極的電力量、施加到基板一側的電極的電力量、基板一側的電極溫度等)。
作為用於濕蝕刻的蝕刻劑，可以使用將磷酸、醋酸及硝酸混合而成的溶液、檸檬酸或草酸等的有機酸。在本實施方式中，使用ITO-07N(日本關東化學株式會社製造)。
另外，也可以利用噴墨法形成用來形成氧化物半導體層716的光阻掩罩。當利用噴墨法形成光阻掩罩時不需要光掩模，由此可以降低製造成本。
另外，較佳為在下一個製程中形成導電膜之前進行反濺射，以去除附著在氧化物半導體層716、絕緣膜712以及絕緣膜713的表面的抗蝕劑殘渣等。
另外，有時在藉由濺射等形成的氧化物半導體膜中包含多量的作為雜質的水分或氫(包括羥基)。因為水分或氫容易形成施體能階，所以它們對於氧化物半導體來說是雜質。因此，在本發明的一個方式中，為了減少氧化物半導體膜中的水分或氫等雜質(實現脫水化或脫氫化)，在減壓氛圍、氮或稀有氣體等惰性氣體氛圍、氧氣體氛圍或超乾燥空氣(使用CRDS(cavity ring-down laser spectroscopy：光腔衰蕩光譜法)方式的露點計進行測定時的水分量是20ppm(露點換算，-55℃)以下，較佳的是1ppm以下，更佳的是10ppb以下的空氣)氛圍下對氧化物半導體層716進行加熱處理。
藉由對氧化物半導體層716進行加熱處理，可以使氧化物半導體層716中的水分或氫脫離。明確地說，可以在250℃以上750℃以下的溫度下，較佳為在400℃以上且低於基板的應變點的溫度下進行加熱處理。例如，以500℃進行3分鐘以上6分鐘以下左右的加熱處理即可。藉由使用RTA法作為加熱處理，可以在短時間內進行脫水化或脫氫化，由此即使在超過玻璃基板的應變點的溫度
下也可以進行處理。
在本實施方式中，使用加熱處理裝置之一的電爐。
另外，加熱處理裝置不侷限於電爐，也可以具備利用來自電阻發熱體等發熱體的熱傳導或熱輻射加熱被處理物的裝置。例如，可以使用GRTA(Gas Rapid Thermal Anneal：氣體快速熱退火)裝置、LRTA(Lamp Rapid Thermal Anneal：燈快速熱退火)裝置等的RTA(Rapid Thermal Anneal：快速熱退火)裝置。LRTA裝置是利用從燈如鹵素燈、金屬鹵化物燈、氙弧燈、碳弧燈、高壓鈉燈或高壓汞燈等發出的光(電磁波)的輻射加熱被處理物的裝置。GRTA裝置是使用高溫的氣體進行加熱處理的裝置。作為氣體，使用即使進行加熱處理也不與被處理物產生反應的惰性氣體如氬等的稀有氣體或者氮等。
另外，在加熱處理中，較佳為在氮或氦、氖、氬等的稀有氣體中不包含水分或氫等。或者，較佳的是，引入到加熱處理裝置的氮或稀有氣體如氦、氖或氬的純度為6N(99.9999%)以上，較佳為7N(99.99999%)以上(即，雜質濃度為1ppm以下，較佳為0.1ppm以下)。
另外，有人指出：由於氧化物半導體對雜質不敏感，因此即使在膜中包含多量金屬雜質也沒有問題，而也可以使用包含多量的鹼金屬諸如鈉等的廉價的鈉鈣玻璃(神谷、野村以及细野，“酸化物半導体物性 開発現状(Carrier Transport Properties and Electronic Structures of Amorphous Oxide Semiconductors
：The present status：非晶氧化物半導體的物性及裝置開發的現狀)”，固體物理，2009年9月号，Vol.44，pp.621-633)。但是，這種指出是不適當的。鹼金屬由於不是構成氧化物半導體的元素，所以是雜質。鹼土金屬在它不是構成氧化物半導體的元素時也是雜質。尤其是，鹼金屬中的Na在與氧化物半導體層接觸的絕緣膜為氧化物時擴散到該絕緣膜中而成為Na+。另外，在氧化物半導體層中，Na將構成氧化物半導體的金屬與氧的接合斷開或擠進該接合之中。結果，例如，發生因臨界電壓向負一側漂移而導致的常導通化、遷移率的降低等電晶體特性的劣化，而且，也發生特性的不均勻。在氧化物半導體層中的氫濃度十分低時顯著地出現上述雜質所引起的電晶體的特性劣化及特性不均勻。因此，在氧化物半導體層中的氫濃度為1×1018atoms/cm3以下，較佳為1×1017atoms/cm3以下時，較佳為減少上述雜質的濃度。明確地說，利用二次離子質譜分析法測量的Na濃度的測定值較佳為5×1016atoms/cm3以下，更佳為1×1016atoms/cm3以下，進一步較佳為1×1015atoms/cm3以下。與此同樣，Li濃度的測定值較佳為5×1015atoms/cm3以下，更佳為1×1015atoms/cm3以下。與此同樣，K濃度的測定值較佳為5×1015atoms/cm3以下，更佳為1×1015atoms/cm3以下。
藉由上述製程可以降低氧化物半導體層716中的氫濃度，從而實現高純度化。由此，可以實現氧化物半導體層的穩定化。另外，藉由進行玻璃轉變溫度以下的加熱處理
，可以形成載子密度極低且能隙寬的氧化物半導體層。由此，可以使用大面積基板製造電晶體，而可以提高量產性。另外，藉由使用上述氫濃度被降低的被高純度化的氧化物半導體層，可以製造耐壓性高且截止電流顯著低的電晶體。只要在形成氧化物半導體層之後，就可以在任何時候進行上述加熱處理。
另外，氧化物半導體層也可以為非晶，但是也可以具有結晶性。作為具有結晶性的氧化物半導體層，具有c軸配向的結晶氧化物半導體(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor：也稱為CAAC-OS)也可以提高電晶體的可靠性，所以是較佳的。
明確地說，CAAC-OS為非單晶，並在從垂直於其ab面的方向看時具有三角形狀、六角形狀、正三角形狀或正六角形狀的原子排列。並且，CAAC-OS包括如下相：在c軸方向上，金屬原子排列為層狀的相，或者，金屬原子和氧原子排列為層狀的相。
在CAAC-OS中，與非晶氧化物半導體中相比，金屬與氧的接合序列化。換言之，在氧化物半導體為非晶時，配位數也有可能根據各金屬原子而不同，但是在CAAC-OS中，配位於金屬原子的氧原子數大致一定。由此，微觀的氧缺陷減少，而有減少因氫原子(包括氫離子)或鹼金屬原子的脫附而導致的電荷遷移或不穩定性的效果。
因此，藉由使用由CAAC-OS構成的氧化物半導體膜形成電晶體，可以降低在對電晶體照射光或施加偏壓-熱
壓力(BT)之後產生的電晶體的臨界電壓的變化量。由此，可以形成具有穩定的電特性的電晶體。
由CAAC-OS構成的氧化物半導體膜也可以藉由濺射法形成。為了藉由濺射法得到CAAC-OS，重要的是在氧化物半導體膜的沉積初期階段中形成六方晶的結晶且以該結晶為晶種使結晶生長。為此，較佳為將靶材與基板之間的距離設定為長(例如，150mm至200mm左右)，並且將加熱基板的溫度設定為100℃至500℃，更佳為設定為200℃至400℃，進一步較佳為設定為250℃至300℃。
另外，較佳的是，在利用濺射法形成由CAAC-OS構成的氧化物半導體膜時，氛圍中的氧氣比較高。例如，當在氬和氧的混合氣體氛圍中使用濺射法時，氧氣比較佳為30%以上，更佳為40%以上。這是因為從氛圍中補充氧來促進CAAC-OS的結晶化的緣故。
另外，較佳的是，在利用濺射法形成由CAAC-OS構成的氧化物半導體膜時，由CAAC-OS構成的氧化物半導體膜將形成在其上的基板被加熱到150℃以上，更佳為被加熱到170℃以上。這是因為隨著基板溫度的上升CAAC-OS的結晶化被促進的緣故。
另外，較佳的是，在對由CAAC-OS構成的氧化物半導體膜進行氮氣分中或真空中的熱處理之後，在氧氣分中或在氧和其他氣體的混合氛圍中進行熱處理。這是因為如下緣故：藉由從後一者的熱處理的氛圍中供應氧，可以補償在前一者的熱處理中發生的氧缺損。
另外，由CAAC-OS構成的氧化物半導體膜將形成在其上的膜表面(被形成面)較佳為平坦。這是因為如下緣故：因為由CAAC-OS構成的氧化物半導體膜具有大致垂直於該被形成面的c軸，所以存在於該被形成面的凹凸會引發由CAAC-OS構成的氧化物半導體膜中的晶界的發生。因此，較佳為在形成由CAAC-OS構成的氧化物半導體膜之前對上述被形成面進行化學機械拋光(CMP，即Chemical Mechanical Polishing)等平坦化處理。另外，上述被形成面的平均粗糙度較佳為0.5nm以下，更佳為0.3nm以下。
接著，如圖21A所示，形成與閘極電極707接觸且與氧化物半導體層716接觸的導電膜719及與氧化物半導體層716接觸的導電膜720。導電膜719及導電膜720被用作源極電極或汲極電極。
明確地說，藉由濺射法或真空蒸鍍法形成覆蓋閘極電極707及絕緣膜713上的導電膜，然後將該導電膜加工(構圖)為所希望的形狀，來可以形成導電膜719及導電膜720。
作為成為導電膜719及導電膜720的導電膜，可以舉出選自鋁、鉻、銅、鉭、鈦、鉬、鎢中的元素、以上述元素為成分的合金或組合上述元素而成的合金膜等。此外，還可以採用在鋁、銅等的金屬膜的下側或上側層疊鉻、鉭、鈦、鉬、鎢等的高熔點金屬膜的結構。另外，作為鋁或銅，為了避免耐熱性或腐蝕性的問題，較佳為將鋁或銅與
高熔點金屬材料組合而使用。作為高熔點金屬材料，可以使用鉬、鈦、鉻、鉭、鎢、釹、鈧、釔等。
另外，成為導電膜719及導電膜720的導電膜可以採用單層結構或兩層以上的疊層結構。例如，可以舉出：包含矽的鋁膜的單層結構；在鋁膜上層疊鈦膜的兩層結構；以及鈦膜、層疊在該鈦膜上的鋁膜、還在其上層疊的鈦膜的三層結構等。另外，Cu-Mg-Al合金、Mo-Ti合金、Ti、Mo具有與氧化膜的高密接性。因此，藉由作為下層層疊包括Cu-Mg-Al合金、Mo-Ti合金、Ti或Mo的導電膜，作為上層層疊包括Cu的導電膜，且將該層疊的導電膜用於導電膜719及導電膜720，可以提高作為氧化膜的絕緣膜與導電膜719及導電膜720的密接性。
此外，也可以使用導電金屬氧化物形成成為導電膜719及導電膜720的導電膜。作為導電金屬氧化物，可以使用氧化銦、氧化錫、氧化鋅、氧化銦氧化錫、氧化銦氧化鋅或使上述金屬氧化物材料包含矽或氧化矽的材料。
在形成導電膜之後進行加熱處理的情況下，較佳為使導電膜具有承受該加熱處理的耐熱性。
另外，在對導電膜進行蝕刻時，以儘量不去除氧化物半導體層716的方式適當地調節各個材料及蝕刻條件。根據蝕刻條件，有時由於氧化物半導體層716的露出的部分被部分地蝕刻，形成槽部(凹部)。
在本實施方式中，作為導電膜，使用鈦膜。因此，可以使用包含氨和過氧化氫水的溶液(過氧化氫氨水)對導
電膜選擇性地進行濕蝕刻。明確地說，使用以5：2：2的體積比混合有31wt.%的過氧化氫水、28wt.%的氨水和水的水溶液。或者，也可以使用包含氯(Cl2)或氯化硼(BCl3)等的氣體對導電膜進行乾蝕刻。
另外，為了縮減在光微影製程中使用的光掩模數及製程數，還可以使用藉由多色調掩模形成的光阻掩罩進行蝕刻製程，該多色調掩模是使透過光具有多種強度的掩模。由於使用多色調掩模形成的光阻掩罩成為具有多種厚度的形狀，且藉由進行蝕刻可以進一步改變其形狀，因此可以將使用多色調掩模形成的光阻掩罩用於加工為不同圖案的多個蝕刻製程。由此，可以使用一個多色調掩模形成至少對應於兩種以上的不同圖案的光阻掩罩。因此，可以縮減曝光掩模數，還可以縮減所對應的光微影製程，從而可以簡化製程。
另外，也可以在氧化物半導體層716與用作源極電極或汲極電極的導電膜719及導電膜720之間設置用作源極區或汲極區的氧化物導電膜。作為氧化物導電膜的材料，較佳為使用以氧化鋅為成分的材料，且較佳為使用不含有氧化銦的材料。作為這種氧化物導電膜，可以使用氧化鋅、氧化鋅鋁、氧氮化鋅鋁、氧化鋅鎵等。
例如，在形成氧化物導電膜時，也可以一同進行用來形成氧化物導電膜的構圖和用來形成導電膜719及導電膜720的構圖。
藉由設置用作源極區及汲極區的氧化物導電膜，可以
降低氧化物半導體層716與導電膜719及導電膜720之間的電阻，所以可以實現電晶體的高速工作。另外，藉由設置用作源極區及汲極區的氧化物導電膜，可以提高電晶體的耐壓。
接著，也可以進行使用N2O、N2或Ar等的氣體的電漿處理。藉由該電漿處理去除附著到露出的氧化物半導體層表面的水等。另外，也可以使用氧和氬的混合氣體進行電漿處理。
另外，在進行電漿處理之後，如圖21B所示，以覆蓋導電膜719、導電膜720以及氧化物半導體層716的方式形成閘極絕緣膜721。並且，在閘極絕緣膜721上，在與氧化物半導體層716重疊的位置形成閘極電極722，而在與導電膜719重疊的位置形成導電膜723。
閘極絕緣膜721可以使用與閘極絕緣膜703相同的材料、相同的疊層結構形成。並且，閘極絕緣膜721較佳為儘量不包含水分、氫等的雜質，並可以為單層的絕緣膜或多個絕緣膜的疊層。當在閘極絕緣膜721中包含氫時，該氫侵入到氧化物半導體層716或者該氫抽出氧化物半導體層716中的氧，而使氧化物半導體層716低電阻化(n型化)，因此有可能形成寄生通道。因此，為了使閘極絕緣膜721儘量不含有氫，當形成膜時不使用氫是重要的。上述閘極絕緣膜721較佳為使用阻擋性高的材料。例如，作為阻擋性高的絕緣膜，可以使用氮化矽膜、氮氧化矽膜、氮化鋁膜或氮氧化鋁膜等。當使用多個層疊的絕緣膜時，
將氮的含有比率低的氧化矽膜、氧氮化矽膜等的絕緣膜形成在與上述阻擋性高的絕緣膜相比接近於氧化物半導體層716的一側。然後，以在其間夾著氮含有比率低的絕緣膜且與導電膜719、導電膜720以及氧化物半導體層716重疊的方式形成阻擋性高的絕緣膜。藉由使用阻擋性高的絕緣膜，可以防止水分或氫等雜質侵入到氧化物半導體層716內、閘極絕緣膜721內或者氧化物半導體層716與其他絕緣膜的介面及其近旁。另外，藉由以與氧化物半導體層716接觸的方式形成氮比率低的氧化矽膜、氧氮化矽膜等的絕緣膜，可以防止使用阻擋性高的材料的絕緣膜直接接觸於氧化物半導體層716。
在本實施方式中，形成如下閘極絕緣膜721，該閘極絕緣膜721在藉由濺射法形成的厚度為200nm的氧化矽膜上層疊有藉由濺射法形成的厚度為100nm的氮化矽膜。將進行成膜時的基板溫度設定為室溫以上300℃以下即可，在本實施方式中採用100℃。
另外，也可以在形成閘極絕緣膜721之後進行加熱處理。該加熱處理在氮、超乾燥空氣或稀有氣體(氬、氦等)的氛圍下較佳為以200℃以上400℃以下，例如250℃以上350℃以下的溫度進行。上述氣體的含水量為20ppm以下，較佳為1ppm以下，更佳為10ppb以下。在本實施方式中，例如在氮氛圍下以250℃進行1小時的加熱處理。或者，與在形成導電膜719及導電膜720之前為了減少水分或氫對氧化物半導體層進行的上述加熱處理同樣，也
可以在短時間進行高溫的RTA處理。藉由在設置包含氧的閘極絕緣膜721之後進行加熱處理，即使因對氧化物半導體層716進行的上述加熱處理而在氧化物半導體層716中產生氧缺陷，氧也從閘極絕緣膜721被供應到氧化物半導體層716。並且，藉由將氧供應到氧化物半導體層716，可以在氧化物半導體層716中降低成為施體的氧缺陷，並滿足化學計量成分比。氧化物半導體層716較佳為含有超過化學計量成分比的氧。結果，可以使氧化物半導體層716趨近於i型，降低因氧缺陷而導致的電晶體的電特性的偏差，從而實現電特性的提高。進行該加熱處理的時序只要是形成閘極絕緣膜721之後就沒有特別的限制，並且藉由將該加熱處理兼用作其他製程例如形成樹脂膜時的加熱處理、用來使透明導電膜低電阻化的加熱處理，可以在不增加製程數的條件下使氧化物半導體層716趨近於i型。
另外，也可以藉由在氧氛圍下對氧化物半導體層716進行加熱處理，對氧化物半導體添加氧，而減少在氧化物半導體層716中成為施體的氧缺陷。加熱處理的溫度例如是100℃以上且低於350℃，較佳是150℃以上且低於250℃。上述用於氧氛圍下的加熱處理的氧氣體較佳為不包含水、氫等。或者，較佳為將引入到加熱處理裝置中的氧氣體的純度設定為6N(99.9999%)以上，更佳為設定為7N(99.99999%)以上(也就是說，氧中的雜質濃度為1ppm以下，較佳為0.1ppm以下)。
或者，也可以藉由採用離子植入法或離子摻雜法等對氧化物半導體層716添加氧，來減少成為施體的氧缺陷。例如，將以2.45GHz的微波電漿化了的氧添加到氧化物半導體層716中，即可。
另外，藉由在閘極絕緣膜721上形成導電膜之後，對該導電膜進行構圖，來可以形成閘極電極722及導電膜723。閘極電極722及導電膜723可以使用與閘極電極707或導電膜719及導電膜720相同的材料來形成。
閘極電極722及導電膜723的厚度為10nm至400nm，較佳為100nm至200nm。在本實施方式中，在藉由使用鎢靶材的濺射法形成150nm的用於閘極電極的導電膜之後，藉由蝕刻將該導電膜加工(構圖)為所希望的形狀，來形成閘極電極722及導電膜723。另外，也可以使用噴墨法形成光阻掩罩。當藉由噴墨法形成光阻掩罩時不使用光掩模，因此可以縮減製造成本。
藉由上述製程，形成第一電晶體111_1。
另外，導電膜719與導電膜723隔著閘極絕緣膜721重疊的部分相當於第一電容元件112_1。
另外，雖然使用單閘結構的電晶體說明第一電晶體111_1，但是也可以根據需要形成藉由具有電連接的多個閘極電極來具有多個通道形成區的雙閘結構或多閘結構的電晶體。
接觸於氧化物半導體層716的絕緣膜(在本實施方式中，相當於閘極絕緣膜721)也可以使用包含第13族元素
及氧的絕緣材料。較多氧化物半導體材料包含第13族元素，包含第13族元素的絕緣材料與氧化物半導體的搭配良好，因此藉由將包含第13族元素的絕緣材料用於與氧化物半導體層接觸的絕緣膜，可以保持與氧化物半導體層的良好的介面狀態。
包含第13族元素的絕緣材料是指包含一種或多種第13族元素的絕緣材料。作為包含第13族元素的絕緣材料，例如有氧化鎵、氧化鋁、氧化鋁鎵、氧化鎵鋁等。在此，氧化鋁鎵是指含鋁量(at.%)多於含鎵量(at.%)的物質，並且氧化鎵鋁是指含鎵量(at.%)等於或多於含鋁量(at.%)的物質。
例如，當以接觸於包含鎵的氧化物半導體層的方式形成絕緣膜時，藉由將包含氧化鎵的材料用於絕緣膜，可以保持氧化物半導體層和絕緣膜之間的良好的介面特性。例如，藉由以彼此接觸的方式設置氧化物半導體層和包含氧化鎵的絕緣膜，可以減少產生在氧化物半導體層與絕緣膜的介面的氫的沉積(pileup)。另外，在作為絕緣膜使用屬於與氧化物半導體的成分元素相同的族的元素時，可以獲得同樣的效果。例如，使用包含氧化鋁的材料形成絕緣膜也是有效的。另外，由於氧化鋁具有不容易透過水的特性，因此從防止水侵入到氧化物半導體層中的角度來看，使用該材料是較佳的。
此外，作為與氧化物半導體層716接觸的絕緣膜，較佳為採用藉由進行氧氛圍下的熱處理或氧摻雜等包含多於
化學計量成分比的氧的絕緣材料。氧摻雜是指對塊體(bulk)添加氧的處理。為了明確表示不僅對薄膜表面添加氧，而且對薄膜內部添加氧，使用該術語“塊體”。此外，氧摻雜包括將電漿化了的氧添加到塊體中的氧電漿摻雜。另外，也可以使用離子植入法或離子摻雜法進行氧摻雜。
例如，當作為與氧化物半導體層716接觸的絕緣膜使用氧化鎵時，藉由進行氧氛圍下的熱處理或氧摻雜，可以將氧化鎵的組成設定為Ga2Ox(X=3+α，0<α<1)。
此外，作為與氧化物半導體層716接觸的絕緣膜使用氧化鋁時，藉由進行氧氛圍下的熱處理或氧摻雜，可以將氧化鋁的組成設定為Al2Ox(X=3+α，0<α<1)。
此外，作為與氧化物半導體層716接觸的絕緣膜使用氧化鎵鋁(氧化鋁鎵)時，藉由進行氧氛圍下的熱處理或氧摻雜，可以將氧化鎵鋁(氧化鋁鎵)的組成設定為GaxAl2-xO3+α(0<X<2，0<α<1)。
藉由進行氧摻雜處理，可以形成具有包含多於化學計量成分比的氧的區域的絕緣膜。藉由使具備這種區域的絕緣膜與氧化物半導體層接觸，絕緣膜中的過剩的氧被供應到氧化物半導體層中，可以減少氧化物半導體層中或氧化物半導體層與絕緣膜的介面中的氧缺陷，來可以使氧化物半導體層成為i型化或無限趨近於i型。
藉由供應絕緣膜中的過剩的氧而使其氧缺陷減少的氧化物半導體層可以為氫濃度被充分降低而被高純度化，並
藉由被供應充分的氧來降低起因於氧缺損的能隙中的缺陷能階的氧化物半導體層。因此，可以得到載子濃度極小的氧化物半導體層，而可以得到截止電流顯著低的電晶體。藉由將該截止電流顯著低的電晶體應用於上述實施方式的第一電晶體，在使第一電晶體成為非導通狀態時可以將該電晶體幾乎看作絕緣體。因此，藉由將該電晶體用作第一電晶體111_1及第二電晶體111_2，可以將保持在第一資料保持部D_HOLD1中的電位的降低抑制為極小的水準。結果，即使在電源電壓的供應停止時，也可以減小第一資料保持部D_HOLD1的電位的變動，而可以防止所儲存的資料的消失。
也可以將具有包含多於化學計量成分比的氧的區域的絕緣膜僅用於與氧化物半導體層716接觸的絕緣膜中的位於上層的絕緣膜和位於下層的絕緣膜中的一方，但是較佳為用於兩者的絕緣膜。藉由採用將具有包含多於化學計量成分比的氧的區域的絕緣膜用於與氧化物半導體層716接觸的絕緣膜中的位於上層及下層的絕緣膜，其間夾著氧化物半導體層716的結構，可以進一步提高上述效果。
此外，用於氧化物半導體層716的上層或下層的絕緣膜既可以是使用具有相同的構成元素的絕緣膜，又可以是使用具有不同的構成元素的絕緣膜。例如，既可以採用上層和下層都是其組成為Ga2Ox(X=3+α，0<α<1)的氧化鎵的結構，又可以採用上層和下層中的一方是其組成為Ga2Ox(X=3+α，0<α<1)的氧化鎵，另一方是其組成為
Al2Ox(X=3+α，0<α<1)的氧化鋁的結構。
另外，與氧化物半導體層716接觸的絕緣膜也可以是具有包含多於化學計量成分比的氧的區域的絕緣膜的疊層。例如，也可以作為氧化物半導體層716的上層形成組成為Ga2Ox(X=3+α，0<α<1)的氧化鎵，且在其上形成組成為GaxAl2-xo3+α(0<X<2，0<α<1)的氧化鎵鋁(氧化鋁鎵)。此外，既可以採用作為氧化物半導體層716的下層形成具有包含多於化學計量成分比的氧的區域的絕緣膜的疊層的結構，又可以採用作為氧化物半導體層716的上層及下層形成具有包含多於化學計量成分比的氧的區域的絕緣膜的疊層。
接著，如圖21C所示，以覆蓋閘極絕緣膜721及閘極電極722的方式形成絕緣膜724。絕緣膜724可以利用PVD法或CVD法等形成。另外，還可以使用含有如氧化矽、氧氮化矽、氮化矽、氧化鉿、氧化鎵、氧化鋁等的無機絕緣材料的材料形成。另外，作為絕緣膜724較佳為使用介電常數低的材料或介電常數低的結構(多孔結構等)。這是因為藉由使絕緣膜724的介電常數降低，可以降低產生在佈線、電極等之間的寄生電容，從而實現工作的高速化的緣故。另外，在本實施方式中，採用單層結構的絕緣膜724，但是，本發明的一個方式不侷限於此，也可以採用兩層以上的疊層結構。
接著，在閘極絕緣膜721和絕緣膜724中形成開口部725，使導電膜720的一部分露出。然後，在絕緣膜724
上形成在上述開口部725中與導電膜720接觸的佈線726。
在使用PVD法或CVD法形成導電膜之後，對該導電膜進行構圖來形成佈線726。另外，作為導電膜的材料，可以使用選自鋁、鉻、銅、鉭、鈦、鉬和鎢中的元素或以上述元素為成分的合金等。也可以使用選自錳、鎂、鋯、鈹、釹、鈧中的一種或多種材料。
更明確地說，例如，可以使用如下方法：在包括絕緣膜724的開口的區域中，在藉由PVD法形成薄(5nm左右)的鈦膜之後埋入開口部725形成鋁膜。這裏，藉由PVD法形成的鈦膜具有還原被形成面的氧化膜(自然氧化膜等)並降低與下部電極等(在此，導電膜720)的接觸電阻的功能。另外，可以防止在鋁膜上產生小丘。另外，也可以在使用鈦或氮化鈦等形成障壁膜之後藉由鍍敷法形成銅膜。
這裏，說明使導電膜720-佈線726間的連接重疊的情況。在此情況下，在形成導電膜720之後，在閘極絕緣膜721及絕緣膜724中的與下部的開口部重疊的區域中形成開口部，並且形成佈線726。
接著，覆蓋佈線726形成絕緣膜727。藉由上述一系列的製程可以製造半導體儲存裝置。
另外，在上述製造方法中，在形成氧化物半導體層716之後形成用作源極電極及汲極電極的導電膜719及導電膜720。因此，如圖21B所示，在藉由上述製造方法得
到的第一電晶體111_1中，導電膜719及導電膜720形成在氧化物半導體層716上。但是，在第一電晶體111_1中，用作源極電極及汲極電極的導電膜也可以設置在氧化物半導體層716的下面，即氧化物半導體層716和絕緣膜712及絕緣膜713之間。
圖22是示出第一電晶體111_1的剖面圖，其中用作源極電極及汲極電極的導電膜719及導電膜720設置在氧化物半導體層716與絕緣膜712及絕緣膜713之間。在形成絕緣膜713之後形成導電膜719及導電膜720，然後形成氧化物半導體層716，來可以得到圖22所示的第一電晶體111_1。
另外，第一電晶體111_1不侷限於圖22所示的方式，而可以採用適合微型化的平面型結構。圖23A和23B示出其一個例子。在圖23A和23B中，說明將In-Sn-Zn-O膜用於氧化物半導體膜的電晶體。
圖23A及23B是共面型的頂閘極頂接觸結構的電晶體的俯視圖以及剖面圖。圖23A示出電晶體的俯視圖。另外，圖23B示出對應於沿圖23A的鏈式線A-B的剖面A-B。
圖23B所示的電晶體包括：設置在絕緣膜1113上的具有高電阻區1102a及低電阻區1102b的氧化物半導體膜1102；設置在氧化物半導體膜1102上的閘極絕緣膜1103；以隔著閘極絕緣膜1103與氧化物半導體膜1102重疊的方式設置的閘極電極1107；以與閘極電極1107的側面接
觸的方式設置的側壁絕緣膜1114；以至少與低電阻區1102b接觸的方式設置的導電膜1119及導電膜1120；以至少覆蓋氧化物半導體膜1102、閘極電極1107、導電膜1119以及導電膜1120的方式設置的絕緣膜1124；以及以藉由設置在絕緣膜1124中的開口部與導電膜1119及導電膜1120連接的方式設置的佈線1128。
另外，雖然未圖示，但是還可以包括以覆蓋絕緣膜1124及佈線1128的方式設置的保護膜。藉由設置該保護膜，可以降低由於絕緣膜1124的表面傳導而產生的微小洩漏電流，而可以降低電晶體的截止電流。
圖24A及24B是示出其他電晶體的結構的俯視圖以及剖面圖。圖24A是電晶體的俯視圖。此外，圖24B是對應於圖24A的鏈式線A-B的剖面圖。
圖24B所示的電晶體包括：設置在絕緣膜1113上的氧化物半導體膜1102；與氧化物半導體膜1102接觸的導電膜1119及導電膜1120；設置在氧化物半導體膜1102、導電膜1119以及導電膜1120上的閘極絕緣膜1103；以隔著閘極絕緣膜1103與氧化物半導體膜1102重疊的方式設置的閘極電極1107；以覆蓋閘極絕緣膜1103及閘極電極1107的方式設置的絕緣膜1124；藉由設置在絕緣膜1124中的開口部與導電膜1119及導電膜1120連接的佈線1128；以及以覆蓋絕緣膜1124及佈線1128的方式設置的保護膜1129。
作為絕緣膜1113，使用氧化矽膜，作為氧化物半導體
膜1102使用In-Sn-Zn-O膜，作為導電膜1119及導電膜1120使用鎢膜，作為閘極絕緣膜1103使用氧化矽膜，作為閘極電極1107使用氮化鉭膜和鎢膜的疊層結構，作為絕緣膜1124使用氧氮化矽膜和聚醯亞胺膜的疊層結構，作為佈線1128使用按順序層疊有鈦膜、鋁膜、鈦膜的疊層結構，作為保護膜1129使用聚醯亞胺膜。
另外，在具有圖24A所示的結構的電晶體中，將閘極電極1107與導電膜1119及導電膜1120重疊的寬度稱為Lov。與此同樣，將導電膜1119及導電膜1120從氧化物半導體膜1102超出的部分稱為dW。
這裏，對其通道由氧化物半導體形成的電晶體的場效應遷移率進行考察。實際測量的絕緣閘極型電晶體的場效應遷移率因各種原因而比本來的遷移率低，這種情況不侷限於氧化物半導體。作為使遷移率降低的原因，有半導體內部的缺陷或半導體與絕緣膜之間的介面的缺陷，但是當使用Levinson模型時，可以理論性地導出假定在半導體內部沒有缺陷時的場效應遷移率。
當以半導體本來的遷移率為μ0，以所測量的場效應遷移率為μ，且假定在半導體中存在某種位能障壁(晶界等)時，可以由下述公式2表示其關係。
在此，E是位能障壁的高度，k是玻爾茲曼常數，T是絕對溫度。此外，當假定位能障壁由於缺陷而發生時，在Levinson模型中可以由下述公式3表示其關係。
在此，e是基本電荷，N是通道內的每單位面積的平均缺陷密度，ε是半導體的介電常數，n是包括在每單位面積的通道中的載子數，COX是每單位面積的電容，Vg是閘極電壓，t是通道的厚度。注意，在採用厚度為30nm以下的半導體層的情況下，通道的厚度可以與半導體層的厚度相同。
線性區中的汲極電流Id可以由下述公式4表示。
在此，L是通道長度，W是通道寬度，並且L=W=10μm。此外，Vd是汲極電壓。當將上述公式的雙邊用Vg除，且對雙邊取對數時，成為下述公式5。
公式5的右邊是Vg的函數。由上述公式可知，根據以縱軸為ln(Id/Vg)並以橫軸為1/Vg的直線的傾斜度可以求得缺陷密度N。也就是說，根據電晶體的Id-Vg特性可以對缺陷密度進行評價。在銦(In)、錫(Sn)、鋅(Zn)的比率為In：Sn：Zn=1：1：1的氧化物半導體中，缺陷密度N是1×1012/cm2左右。
基於如上所述那樣求得的缺陷密度等且根據公式2及公式3可以導出μ0=120cm2/Vs。在有缺陷的In-Sn-Zn氧化物中測量出來的遷移率為35cm2/Vs左右。但是，可以估計在半導體內部及在半導體與絕緣膜之間的介面沒有缺陷的氧化物半導體的遷移率μ0成為120cm2/Vs。
然而，即使在半導體內部沒有缺陷，電晶體的傳輸特性也受通道與閘極絕緣膜之間的介面中的散射的影響。換言之，離閘極絕緣膜介面有x的距離的位置上的遷移率μ1可以由下述公式6表示。
在此，D是閘極方向上的電場，且B、G是常數。B及G可以根據實際的測量結果求得。根據上述測量結果，B=4.75×107cm/s，G=10nm(介面散射到達的深度)。可知當D增加(即，閘極電壓得到提高)時，公式6的第二項
也增加，所以遷移率μ1降低。
圖25示出對一種電晶體的遷移率μ2進行計算而得到的結果，在該電晶體中將沒有半導體內部的缺陷的理想的氧化物半導體用於通道。另外，在計算中，使用Synopsys公司製造的裝置模擬軟體Sentaurus Device，並且將氧化物半導體的能隙、電子親和力、相對介電常數以及厚度分別設定為2.8電子伏特、4.7電子伏特、15以及15nm。上述值藉由測量利用濺射法形成的薄膜而得到。
再者，將閘極的功函數、源極的功函數以及汲極的功函數分別設定為5.5電子伏特、4.6電子伏特以及4.6電子伏特。此外，將閘極絕緣膜的厚度及相對介電常數分別設定為100nm及4.1。通道長度和通道寬度都為10μm，而汲極電壓Vd為0.1V。
如圖25所示，當閘極電壓為1V多時遷移率示出100cm2/Vs以上的峰值，但是當閘極電壓更高時，介面散射變大，所以遷移率下降。另外，為了降低介面散射，較佳為使半導體層的表面在原子級上具有平坦性(Atomic Layer Flatness)。
圖26A至圖28C示出對使用具有上述遷移率的氧化物半導體形成微型電晶體時的特性進行計算而得到的結果。另外，圖29A及29B示出用於計算的電晶體的剖面結構。圖29A及29B所示的電晶體在氧化物半導體層中具有呈現n+導電型的低電阻區1102b。低電阻區1102b的電阻率為2×10-3Ωcm。
圖29A所示的電晶體形成在絕緣膜1113及以埋入在絕緣膜1113中的方式形成的由氧化鋁形成的埋入絕緣物1115上。電晶體包括由氧化物半導體構成的低電阻區1102b、夾在它們之間且成為通道形成區的高電阻區1102a以及閘極電極1107。閘極電極1107的寬度為33nm。
電晶體在閘極電極1107和高電阻區1102a之間具有閘極絕緣膜1103，在閘極電極1107的雙側面具有側壁絕緣膜1114，並且在閘極電極1107的上部具有用來防止閘極電極1107與其他佈線的短路的絕緣層1117。側壁絕緣膜1114的寬度為5nm。此外，以接觸於低電阻區1102b的方式具有成為源極電極及汲極電極的導電膜1119及導電膜1120。另外，該電晶體的通道寬度為40nm。
圖29B所示的電晶體與圖29A所示的電晶體的相同之處為：形成在絕緣膜1113及由氧化鋁形成的埋入絕緣物1115上；包括由氧化物半導體構成的低電阻區1102b、夾在它們之間的由氧化物半導體構成的高電阻區1102a、寬度為33nm的閘極電極1107、閘極絕緣膜1103、側壁絕緣膜1114、絕緣層1117以及成為源極電極及汲極電極的導電膜1119及導電膜1120。
圖29A所示的電晶體與圖29B所示的電晶體的不同之處為側壁絕緣膜1114下的半導體區的導電型。雖然在圖29A所示的電晶體中側壁絕緣膜1114下的半導體區為呈現n+導電型的低電阻區1102b，但是在圖29B所示的電晶體中側壁絕緣膜1114下的半導體區為高電阻區1102a。換
言之，設置有既不與低電阻區1102b也不與閘極電極1107重疊的具有Loff的寬度的區域。將該區域稱為偏置(offset)區，並且將其寬度Loff稱為偏置長度。如圖式所示，偏置長度與側壁絕緣膜1114的寬度相同。
用於計算的其他參數為上述參數。在計算中，使用Synopsys公司製造的裝置模擬軟體Sentaurus Device。圖26A至26C示出圖29A所示的結構的電晶體的汲極電流(Id，實線)及遷移率(μ，虛線)的閘極電壓(Vg，閘極與源極的電位差)依賴性。將汲極電壓(汲極與源極的電位差)設定為+1V來計算汲極電流Id，並且將汲極電壓設定為+0.1V來計算遷移率μ。
圖26A為閘極絕緣膜的厚度為15nm時的圖，圖26B為閘極絕緣膜的厚度為10nm時的圖，並且圖26C為閘極絕緣膜的厚度為5nm時的圖。閘極絕緣膜越薄，尤其是截止狀態下的汲極電流Id(截止電流)越顯著降低。另一方面，遷移率μ的峰值或導通狀態下的汲極電流Id(導通電流)沒有顯著的變化。
圖27A至27C示出在圖29B所示的結構的電晶體中當偏置長度Loff為5nm時的汲極電流Id(實線)及遷移率μ(虛線)的閘極電壓Vg依賴性。將汲極電壓設定為+1V來計算汲極電流Id，並且將汲極電壓設定為+0.1V來計算遷移率μ。圖27A為閘極絕緣膜的厚度為15nm時的圖，圖27B為閘極絕緣膜的厚度為10nm時的圖，並且圖27C為閘極絕緣膜的厚度為5nm時的圖。
另外，圖28A至28C示出在圖29B所示的結構的電晶體中當偏置長度Loff為15nm時的汲極電流Id(實線)及遷移率μ(虛線)的閘極電壓依賴性。將汲極電壓設定為+1V來計算汲極電流Id，並且將汲極電壓設定為+0.1V來計算遷移率μ。圖28A為閘極絕緣膜的厚度為15nm時的圖，圖28B為閘極絕緣膜的厚度為10nm時的圖，並且圖28C為閘極絕緣膜的厚度為5nm時的圖。
無論是哪一種結構，閘極絕緣膜越薄，截止電流越顯著降低，但是遷移率μ的峰值以及導通電流沒有顯著的變化。
另外，偏置長度Loff越增加，遷移率μ的峰值越降低，即在圖26A至26C中遷移率μ的峰值為80cm2/Vs左右，在圖27A至27C中遷移率μ的峰值為60cm2/Vs左右，並且在圖28A至28C中遷移率μ的峰值為40cm2/Vs左右。此外，截止電流也有同樣的趨勢。另一方面，雖然導通電流也隨著偏置長度Loff的增加而降低，但是其降低比截止電流的降低平緩得多。
以上，詳細描述了電晶體的場效應遷移率，但是，本實施方式可以與上述實施方式適當地組合而實施。
在本實施方式中，說明CAAC-OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor：C軸配向結晶氧化物半導體)膜。
CAAC-OS膜不是完全的單晶，也不是完全的非晶。CAAC-OS膜是在非晶相中具有結晶部及非晶部的結晶-非晶混合相結構的氧化物半導體膜。另外，在很多情況下，該結晶部的尺寸為能夠容納在一邊短於100nm的立方體內的尺寸。另外，在使用透射電子顯微鏡(TEM：Transmission Electron Microscope)觀察時的影像中，包括在CAAC-OS膜中的非晶部與結晶部的邊界不明確。另外，不能利用TEM在CAAC-OS膜中觀察到晶界(grain boundary)。因此，在CAAC-OS膜中，起因於晶界的電子遷移率的降低得到抑制。
包括在CAAC-OS膜中的結晶部的c軸在平行於CAAC-OS膜的被形成面的法線向量或表面的法線向量的方向上一致，在從垂直於ab面的方向看時具有三角形或六角形的原子排列，且在從垂直於c軸的方向看時，金屬原子排列為層狀或者金屬原子和氧原子排列為層狀。另外，不同結晶部的a軸及b軸的方向也可以彼此不同。在本說明書中，在只記載“垂直”時，也包括85°以上且95°以下的範圍。另外，在只記載“平行”時，也包括-5°以上且5°以下的範圍。
另外，在CAAC-OS膜中，結晶部的分佈也可以不均勻。例如，在CAAC-OS膜的形成過程中，在從氧化物半導體膜的表面一側進行結晶生長時，與被形成面近旁相比，有時在表面近旁結晶部所占的比例高。另外，藉由對CAAC-OS膜添加雜質，有時在該雜質添加區中結晶部產
生非晶化。
因為包括在CAAC-OS膜中的結晶部的c軸在平行於CAAC-OS膜的被形成面的法線向量或表面的法線向量的方向上一致，所以有時根據CAAC-OS膜的形狀(被形成面的剖面形狀或表面的剖面形狀)朝向彼此不同的方向。另外，結晶部的c軸方向是平行於形成CAAC-OS膜時的被形成面的法線向量或表面的法線向量的方向。藉由進行成膜或在成膜之後進行加熱處理等的晶化處理來形成結晶部。
使用CAAC-OS膜的電晶體可以降低因照射可見光或紫外光而產生的電特性變動。因此，該電晶體的可靠性高。
另外，也可以用氮取代构成CAAC-OS膜的氧的一部分。
參照圖30A至圖32C詳細地說明CAAC-OS膜所包括的晶體結構的一個例子。另外，在沒有特別的說明時，在圖30A至圖32C中，以上方向為c軸方向，並以與c軸方向正交的面為ab面。另外，在只說“上一半”或“下一半”時，其是指以ab面為邊界時的上一半或下一半。另外，在圖30A至30E中，使用圓圈圈上的O示出四配位O，而使用雙重圓圈圈上的O示出三配位O。
圖30A示出具有一個六配位In以及靠近In的六個四配位氧原子(以下稱為四配位O)的結構。這裏，將對於一個金屬原子只示出靠近其的氧原子的結構稱為小組。雖
然圖30A所示的結構採用八面體結構，但是為了容易理解示出平面結構。在圖30A的上一半及下一半分別具有三個四配位O。圖30A所示的小組的電荷為0。
圖30B示出具有一個五配位Ga、靠近Ga的三個三配位氧原子(以下稱為三配位O)以及靠近Ga的兩個四配位O的結構。三配位O都存在於ab面上。在圖30B的上一半及下一半分別具有一個四配位O。另外，因為In也採用五配位，所以也有可能採用圖30B所示的結構。圖30B所示的小組的電荷為0。
圖30C示出具有一個四配位Zn以及靠近Zn的四個四配位O的結構。在圖30C的上一半具有一個四配位O，並且在下一半具有三個四配位O。或者，也可以在圖30C的上一半具有三個四配位O，並且在下一半具有一個四配位O。圖30C所示的小組的電荷為0。
圖30D示出具有一個六配位Sn以及靠近Sn的六個四配位O的結構。在圖30D的上一半具有三個四配位O，並且在下一半具有三個四配位O。圖30D所示的小組的電荷為+1。
圖30E示出包括兩個Zn的小組。在圖30E的上一半具有一個四配位O，並且在下一半具有一個四配位O。圖30E所示的小組的電荷為-1。
在此，將多個小組的集合體稱為中組，而將多個中組的集合體稱為大組(也稱為單元元件)。
這裏，說明這些小組彼此接合的規則。圖30A所示的
六配位In的上一半的三個O在下方向上分別具有三個靠近的In，而In的下一半的三個O在上方向上分別具有三個靠近的In。圖30B所示的五配位Ga的上一半的一個O在下方向上具有一個靠近的Ga，而Ga的下一半的一個O在上方向上具有一個靠近的Ga。圖30C所示的四配位Zn的上一半的一個O在下方向上具有一個靠近的Zn，而Zn的下一半的三個O在上方向上分別具有三個靠近的Zn。像這樣，金屬原子的上方向上的四配位O的個數與位於該O的下方向上的靠近的金屬原子的個數相等。與此同樣，金屬原子的下方向的四配位O的個數與位於該O的上方向上的靠近的金屬原子的個數相等。因為O為四配位，所以位於下方向上的靠近的金屬原子的個數和位於上方向上的靠近的金屬原子的個數的總和成為4。因此，在位於一金屬原子的上方向上的四配位O的個數和位於另一金屬原子的下方向上的四配位O的個數的總和為4時，具有金屬原子的兩種小組可以彼此接合。例如，在六配位金屬原子(In或Sn)藉由下一半的四配位O接合時，因為四配位O的個數為3，所以其與五配位金屬原子(Ga或In)和四配位金屬原子(Zn)中的任何一種接合。
具有這些配位數的金屬原子在c軸方向上藉由四配位O接合。另外，除此以外，以使層結構的總和電荷成為0的方式使多個小組接合構成中組。
圖31A示出構成In-Sn-Zn類氧化物的層結構的中組的模型圖。圖31B示出由三個中組構成的大組。另外，圖
31C示出從c軸方向上觀察圖31B的層結構時的原子排列。
在圖31A中，為了容易理解，省略三配位O，關於四配位O只示出其個數，例如，以③表示Sn的上一半及下一半分別具有三個四配位O。與此同樣，在圖31A中，以①表示In的上一半及下一半分別具有一個四配位O。與此同樣，在圖31A中示出：下一半具有一個四配位O而上一半具有三個四配位O的Zn；以及上一半具有一個四配位O而下一半具有三個四配位O的Zn。
在圖31A中，構成In-Sn-Zn類氧化物的層結構的中組具有如下結構：在從上面按順序說明時，上一半及下一半分別具有三個四配位O的Sn與上一半及下一半分別具有一個四配位O的In接合；該In與上一半具有三個四配位O的Zn接合；藉由該Zn的下一半的一個四配位O與上一半及下一半分別具有三個四配位O的In接合；該In與上一半具有一個四配位O的由兩個Zn構成的小組接合；藉由該小組的下一半的一個四配位O與上一半及下一半分別具有三個四配位O的Sn接合。多個上述中組彼此接合而構成大組。
這裏，三配位O及四配位O的一個接合的電荷分別可以被認為是-0.667及-0.5。例如，In(六配位或五配位)、Zn(四配位)以及Sn(五配位或六配位)的電荷分別為+3、+2以及+4。因此，包含Sn的小組的電荷為+1。因此，為了形成包含Sn的層結構，需要消除電荷+1的電
荷-1。作為具有電荷-1的結構，可以舉出圖30E所示的包含兩個Zn的小組。例如，因為如果對於一個包含Sn的小組有一個包含兩個Zn的小組則電荷被消除，而可以使層結構的總電荷為0。
明確而言，藉由反復圖31B所示的大組來可以得到In-Sn-Zn類氧化物的結晶(In2SnZn3O8)。注意，可以得到的In-Sn-Zn類氧化物的層結構可以由組成式In2SnZn2O7(ZnO)m(m是0或自然數)表示。
此外，除此之外，當採用四元金屬氧化物的In-Sn-Ga-Zn類氧化物；三元金屬氧化物的In-Ga-Zn類氧化物(也稱為IGZO)、In-Al-Zn類氧化物、Sn-Ga-Zn類氧化物、Al-Ga-Zn類氧化物、Sn-Al-Zn類氧化物、In-Hf-Zn類氧化物、In-La-Zn類氧化物、In-Ce-Zn類氧化物、In-Pr-Zn類氧化物、In-Nd-Zn類氧化物、In-Sm-Zn類氧化物、In-Eu-Zn類氧化物、In-Gd-Zn類氧化物、In-Tb-Zn類氧化物、In-Dy-Zn類氧化物、In-Ho-Zn類氧化物、In-Er-Zn類氧化物、In-Tm-Zn類氧化物、In-Yb-Zn類氧化物、In-Lu-Zn類氧化物；二元金屬氧化物的In-Zn類氧化物、Sn-Zn類氧化物、Al-Zn類氧化物、Zn-Mg類氧化物、Sn-Mg類氧化物、In-Mg類氧化物、In-Ga類氧化物等時也同樣。
例如，圖32A示出構成In-Ga-Zn類氧化物的層結構的中組的模型圖。
在圖32A中，構成In-Ga-Zn類氧化物的層結構的中組具有如下結構：在從上面按順序說明時，上一半及下一
半分別有三個四配位O的In與上一半具有一個四配位的O的Zn接合；藉由該Zn的下一半的三個四配位O與上一半及下一半分別具有一個四配位O的Ga接合；藉由該Ga的下一半的一個四配位O與上一半及下一半分別具有三個四配位O的In接合。多個上述中組彼此接合而構成大組。
圖32B示出由三個中組構成的大組。另外，圖32C示出從c軸方向觀察到圖32B的層結構時的原子排列。
在此，因為In(六配位或五配位)、Zn(四配位)、Ga(五配位)的電荷分別是+3、+2、+3，所以包含In、Zn及Ga中的任一個的小組的電荷為0。因此，組合這些小組而成的中組的總電荷一直為0。
此外，構成In-Ga-Zn類氧化物的層結構的中組不侷限於圖32A所示的中組，而有可能是組合In、Ga、Zn的排列不同的中組而成的大組。
明確而言，藉由反復圖32B所示的大組來可以得到In-Ga-Zn類氧化物的結晶。注意，可以得到的In-Ga-Zn類氧化物的層結構可以由組成式InGaO3(ZnO)n(n是自然數)表示。
在n=1(InGaZnO4)時，例如，可以得到圖40A所示的結晶結構。另外，在圖40A所示的結晶結構中，如圖30B所說明，因為Ga及In採用五配位，所以也可以得到In取代Ga的結構。
此外，當n=2(InGaZn2O5)時，例如有可能具有圖
40B所示的結晶結構。注意，在圖40B所示的結晶結構中，因為如圖30B所說明，Ga及In採用五配位，所以也可以得到In取代Ga的結構。
本實施方式可以與上述實施方式適當地組合來實施。
將以In、Sn、Zn為主要成分的氧化物半導體用於通道形成區的電晶體藉由當形成該氧化物半導體時加熱基板進行成膜或在形成氧化物半導體膜之後進行熱處理來可以得到良好的特性。另外，主要成分是指在成分比上有5atomic%以上的元素。
藉由在形成以In、Sn、Zn為主要成分的氧化物半導體膜之後意圖性地加熱基板，可以提高電晶體的場效應遷移率。此外，藉由使電晶體的臨界電壓向正方向漂移來可以實現常關閉化。
例如，圖33A至33C示出使用以In、Sn、Zn為主要成分的通道長度L為3μm且通道寬度W為10μm的氧化物半導體膜及厚度為100nm的閘極絕緣膜的電晶體的特性。另外，Vd為10V。
圖33A示出不意圖性地加熱基板藉由濺射法形成以In、Sn、Zn為主要成分的氧化物半導體膜時的電晶體特性。此時場效應遷移率為18.8cm2/Vs。另一方面，當藉由意圖性地加熱基板形成以In、Sn、Zn為主要成分的氧化物半導體膜時，可以提高場效應遷移率。圖33B示出將基板
加熱到200℃來形成以In、Sn、Zn為主要成分的氧化物半導體膜時的電晶體特性。此時的場效應遷移率為32.2cm2/Vs。
藉由在形成以In、Sn、Zn為主要成分的氧化物半導體膜之後進行熱處理，可以進一步提高場效應遷移率。圖33C示出在200℃下藉由濺射形成以In、Sn、Zn為主要成分的氧化物半導體膜之後進行650℃的熱處理時的電晶體特性。此時的場效應遷移率為34.5cm2/Vs。
藉由意圖性地加熱基板，可以期待減少在進行濺射成膜時引入到氧化物半導體膜中的水分的效果。此外，藉由在成膜後進行熱處理，還可以從氧化物半導體膜中釋放氫、羥基或水分而去除它們，由此，可以如上述那樣提高場效應遷移率。上述場效應遷移率的提高可以估計不僅是因為藉由脫水化或脫氫化去除雜質，而且是因為藉由高密度化使原子間距離變短的緣故。此外，藉由從氧化物半導體去除雜質而使其高純度化，可以實現結晶化。像這樣被高純度化的非單晶氧化物半導體可以估計實現理想的超過100cm2/Vs的場效應遷移率。
也可以對以In、Sn、Zn為主要成分的氧化物半導體注入氧離子，藉由熱處理釋放該氧化物半導體所含有的氫、羥基或水分，在該熱處理的同時或者藉由在該熱處理之後的熱處理使氧化物半導體晶化。藉由上述晶化或再晶化的處理可以得到結晶性良好的非單晶氧化物半導體。
藉由意圖性地加熱基板進行成膜及/或在成膜後進行
熱處理，不僅可以提高場效應遷移率，而且還可以有助於實現電晶體的常關閉化。將不意圖性地加熱基板來形成的以In、Sn、Zn為主要成分的氧化物半導體膜用作通道形成區的電晶體有臨界電壓漂移到負一側的傾向。然而，在採用意圖性地加熱基板來形成的氧化物半導體膜時，可以解決該臨界電壓的負漂移化的問題。換言之，臨界電壓向電晶體成為常關閉的方向漂移，並且從圖33A和圖33B的對比也可以確認到該傾向。
另外，也可以藉由改變In、Sn及Zn的比率來控制臨界電壓，作為成分比採用In：Sn：Zn=2：1：3來可以實現電晶體的常關閉化。此外，藉由作為靶材的成分比採用In：Sn：Zn=2：1：3，可以獲得結晶性高的氧化物半導體膜。
將意圖性的基板加熱溫度或熱處理溫度設定為150℃以上，較佳為設定為200℃以上，更佳為設定為400℃以上。藉由在更高的溫度下進行成膜或進行熱處理，可以實現電晶體的常關閉化。
此外，藉由意圖性地加熱基板來形成膜及/或在成膜後進行熱處理，可以提高穩定性，而不受閘極偏壓-應力的影響。例如，在2MV/cm，150℃且一小時施加的條件下，可以使漂移分別為小於±1.5V，較佳為小於1.0V。
實際上，對在形成氧化物半導體膜後不進行加熱處理的樣品1和進行了650℃的加熱處理的樣品2的電晶體進行BT測試。
首先，將基板溫度設定為25℃，將Vds設定為10V，而對電晶體的Vgs-Ids特性進行測量。接著，將基板溫度設定為150℃，將Vds設定為0.1V。然後，以使施加到閘極絕緣膜的電場強度成為2MV/cm的方式將Vgs設定為20V，並保持該狀態一個小時。接著，將Vgs設定為0V。接著，將基板溫度設定為25℃，將Vds設定為10V，對電晶體的Vgs-Ids進行測量。將該測試稱為正BT測試。
與此同樣，首先將基板溫度設定為25℃，將Vds設定為10V，對電晶體的Vgs-Ids特性進行測量。接著，將基板溫度設定為150℃，將Vds設定為0.1V。然後，以使施加到閘極絕緣膜的電場強度成為-2MV/cm的方式將Vgs設定為-20V，並保持該狀態一個小時。接著，將Vgs設定為0V。接著，將基板溫度設定為25℃，將Vds設定為10V，對電晶體的Vgs-Ids進行測量。將該測試稱為負BT測試。
圖34A示出樣品1的正BT測試的結果，而圖34B示出負BT測試的結果。另外，圖35A示出樣品2的正BT測試的結果，而圖35B示出負BT測試的結果。
樣品1的因正BT測試及負BT測試而發生的臨界電壓變動分別為1.80V及-0.42V。此外，樣品2的因正BT測試及負BT測試而發生的臨界電壓變動分別為0.79V及0.76V。樣品1及樣品2的BT測試前後的臨界電壓變動都小，由此可知其可靠性高。
熱處理可以在氧氛圍中進行，但是也可以首先在氮、惰性氣體或減壓下進行熱處理，然後在含氧的氛圍中進行
熱處理。藉由在首先進行脫水化或脫氫化之後將氧添加到氧化物半導體，可以進一步提高熱處理的效果。此外，作為在完成脫水化或脫氫化之後添加氧的方法，也可以採用以電場加速氧離子並將其注入到氧化物半導體膜中的方法。
雖然在氧化物半導體中及該氧化物半導體與層疊的膜的介面容易產生起因於氧缺損的缺陷，但是藉由上述熱處理使氧化物半導體中含有過剩的氧，可以利用過剩的氧補充不斷產生的氧缺損。過剩的氧是主要存在於晶格間的氧，並且藉由將該氧濃度設定為1×1016/cm3以上且2×1020/cm3以下，可以在不使結晶變歪等的狀態下使氧化物半導體中含有氧。
此外，藉由熱處理至少使氧化物半導體的一部分含有結晶，可以獲得更穩定的氧化物半導體膜。例如，在使用成分比為In：Sn：Zn=1：1：1的靶材，不意圖性地加熱基板而進行濺射成膜來形成的氧化物半導體膜中，藉由利用X線繞射(XRD：X-Ray Diffraction)觀察到光暈圖案(halo pattern)。藉由對該所形成的氧化物半導體膜進行熱處理，可以使其結晶化。雖然熱處理溫度是任意的溫度，但是例如藉由進行650℃的熱處理，可以利用X線繞射觀察到明確的繞射峰值。
實際上，進行了In-Sn-Zn-O膜的XRD分析。作為XRD分析，使用Bruker AXS公司製造的X線繞射裝置D8 ADVANCE並利用平面外(Out-of-Plane)法來進行測量。
作為進行XRD分析的樣品，準備樣品A及樣品B。以下說明樣品A及樣品B的製造方法。
在已受過脫氫化處理的石英基板上形成厚度為100nm的In-Sn-Zn-O膜。
在氧氛圍下使用濺射裝置並利用100W(DC)的功率來形成In-Sn-Zn-O膜。作為靶材使用In：Sn：Zn=1：1：1[原子數比]的In-Sn-Zn-O靶材。另外，將成膜時的基板加熱溫度設定為200℃。藉由上述步驟製造的樣品為樣品A。
接著，對以與樣品A同樣的方法製造的樣品以650℃的溫度進行加熱處理。首先，在氮氛圍下進行一個小時的加熱處理，然後不降低溫度地在氧氛圍下繼續進行一個小時的加熱處理。藉由上述步驟製造的樣品為樣品B。
圖36示出樣品A及樣品B的XRD光譜。在樣品A中沒有觀察到起因於結晶的峰值，但是在樣品B中當2θ為35deg附近及37deg至38deg時觀察到起因於結晶的峰值。
像這樣，藉由對以In、Sn、Zn為主要成分的氧化物半導體進行成膜時的意圖性的加熱及/或成膜後的熱處理，可以提高電晶體特性。
上述基板加熱或熱處理起到不使膜含有對於氧化物半導體來說是惡性雜質的氫或羥基或者從膜中去除該雜質的作用。換言之，藉由去除在氧化物半導體中成為施體雜質的氫來可以實現高純度化，由此可以實現電晶體的常關閉
化，並且藉由使氧化物半導體實現高純度化來可以使截止電流為1aA/μm以下。在此，作為上述截止電流值的單位，示出每通道寬度1μm的電流值。
圖37示出電晶體的截止電流與測量時的基板溫度(絕對溫度)的倒數的關係。在此，為了方便起見，橫軸表示測量時的基板溫度的倒數乘以1000而得到的數值(1000/T)。
明確而言，如圖37所示那樣，當基板溫度為125℃時，截止電流為0.1aA/μm(1×10-19A/μm)以下，當基板溫度為85℃時，截止電流為10zA/μm(1×10-20A/μm)以下。因為電流值的對數與溫度的倒數成比例，所以被預測為：在基板溫度為室溫(27℃)時，截止電流為0.1zA/μm(1×10-22A/μm)以下。因此，當基板溫度為125℃時，截止電流可以為1aA/μm(1×10-18A/μm)以下，當基板溫度為85℃時，截止電流可以為100zA/μm(1×10-19A/μm)以下，當基板溫度為室溫時，截止電流可以為1zA/μm(1×10-21A/μm)以下。
當然，為了防止當形成氧化物半導體膜時氫或水分混入到膜中，較佳為充分抑制來自沉積室外部的洩漏或來自沉積室內壁的脫氣來實現濺射氣體的高純度化。例如，為了防止在膜中含有水分，作為濺射氣體較佳為使用其露點為-70℃以下的氣體。另外，較佳為使用靶材本身不含有氫或水分等雜質的高純度化的靶材。以In、Sn、Zn為主要成分的氧化物半導體可以藉由熱處理去除膜中的水分，
但是與以In、Ga、Zn為主要成分的氧化物半導體相比水分的釋放溫度高，所以較佳為預先形成不含有水分的膜。
此外，在藉由在形成氧化物半導體膜之後進行650℃的加熱處理而得到的樣品的電晶體中，對基板溫度與電特性的關係進行評價。
用於測量的電晶體的通道長度L為3μm，通道寬度W為10μm，Lov為0μm，dW為0μm。另外，將Vds設定為10V。另外，在基板溫度為-40℃，-25℃，25℃，75℃，125℃及150℃下進行測量。在此，在電晶體中，將閘極電極與一對電極重疊的寬度稱為Lov，並且將一對電極的從氧化物半導體膜超出的部分稱為dW。
圖38示出Ids(實線)及場效應遷移率(虛線)的Vgs依賴性。另外，圖39A示出基板溫度與臨界電壓的關係，而圖39B示出基板溫度與場效應遷移率的關係。
根據圖39A可知基板溫度越高臨界電壓越低。另外，作為其範圍，在-40℃至150℃的基板溫度下，臨界電壓為1.09V至-0.23V。
此外，根據圖39B可知基板溫度越高場效應遷移率越低。另外，作為其範圍，在-40℃至150℃的基板溫度下，場效應遷移率為36cm2/Vs至32cm2/Vs。由此，可知在上述溫度範圍內電特性變動較小。
在將上述那樣的以In、Sn、Zn為主要成分的氧化物半導體用於通道形成區的電晶體中，可以在將截止電流保持為1aA/μm以下的狀態下，將場效應遷移率設定為
30cm2/Vs以上，較佳為設定為40cm2/Vs以上，更佳為設定為60cm2/Vs以上，而滿足LSI所要求的導通電流值。例如，在L/W=33nm/40nm的FET中，當閘極電壓為2.7V，汲極電壓為1.0V時，可以流過12μA以上的導通電流。此外，在電晶體的工作所需要的溫度範圍內也可以確保足夠的電特性。如果具有該特性，則可以在積體電路中使由Si半導體形成的電晶體和由氧化物半導體形成的電晶體一起工作。結果，可以提供不需要在揮發性儲存裝置與非揮發性儲存裝置之間轉移資料的半導體儲存裝置。
一般而言，作為用於非揮發性儲存裝置的儲存元件，已知有磁隧道結元件(MTJ元件)。如果隔著絕緣膜配置在其上下的鐵磁物質膜的磁化的方向為平行，則MTJ元件成為低電阻狀態，來儲存資訊。如果隔著絕緣膜配置在其上下的膜中的自旋方向為反平行，則MTJ元件成為高電阻狀態，來儲存資訊。因此，本實施方式所示的使用氧化物半導體的半導體儲存裝置的原理與MTJ元件完全不同。表1示出MTJ元件與根據本實施方式的半導體儲存裝置(在表中，以“OS/Si”表示)的對比。
MTJ元件有如下缺點：由於使用磁性材料，所以在居裏溫度(Curie Temperature)以上的溫度下，失掉鐵磁性。另外，MTJ元件由於利用電流而驅動，所以與使用矽的雙極性裝置搭配良好，但是雙極性裝置不適於高集體化。而且，有如下問題：雖然MTJ元件的寫入電流微少，但是因儲存體的大電容化而使耗電量增大。
在原理上MTJ元件的磁場耐受性弱，所以在暴露於強磁場時，磁化方向容易失常。另外，需要控制因用於MTJ元件的磁性體的奈米尺寸化而發生的磁漲落(magnetic fluctuation)。
再者，由於MTJ元件使用稀土元素，所以在將形成MTJ元件的製程合併到形成對金屬污染敏感的矽半導體的製程時，需要相當注意。MTJ元件從每位的材料成本的觀點來看也被認為昂貴。
另一方面，除了形成通道形成區的半導體材料由金屬氧化物構成之外，本實施方式所示的半導體儲存裝置中的使用氧化物半導體的電晶體的元件結構或工作原理與矽MOSFET同樣。另外，使用氧化物半導體的電晶體具有如下特徵：不受到磁場的影響，且軟差錯也不會發生。從此可知，其通道形成在氧化物半導體層中的電晶體與矽積體電路的匹配性非常好。
10‧‧‧半導體儲存裝置
100_1‧‧‧儲存電路
100_2‧‧‧儲存電路
100_3至100_N‧‧‧儲存電路
111_1‧‧‧電晶體
111_2‧‧‧電晶體
111_3至111_N‧‧‧電晶體
112_1‧‧‧電容元件
112_2‧‧‧電容元件
112_3至112_N‧‧‧電容元件
113_1‧‧‧資料電位儲存輸出電路
113_2‧‧‧資料電位儲存輸出電路
113_3至113_N‧‧‧資料電位儲存輸出電路
114_1‧‧‧資料電位控制電路
114_2‧‧‧資料電位控制電路
114_3至114_N‧‧‧資料電位控制電路
115_1‧‧‧閘極選擇信號產生電路
115_2‧‧‧閘極選擇信號產生電路
115_3至115_N‧‧‧閘極選擇信號產生電路
121_1‧‧‧反相器電路
121_2‧‧‧反相器電路
121_3至121_N‧‧‧反相器電路
122_1‧‧‧NOR電路
122_2‧‧‧NOR電路
122_3至122_N‧‧‧NOR電路
123_1‧‧‧輸出資料用反相器電路
123_2‧‧‧輸出資料用反相器電路
123_3至123_N‧‧‧輸出資料用反相器電路
124_1‧‧‧閘極選擇NOR電路
124_2‧‧‧閘極選擇NOR電路
124_3至124_N‧‧‧閘極選擇NOR電路
125_1‧‧‧復位電晶體
125_2‧‧‧復位電晶體
125_3至125_N‧‧‧復位電晶體
130_1‧‧‧儲存電路
130_2‧‧‧儲存電路
130_3至130_N‧‧‧儲存電路
135‧‧‧反相器電路
140_1‧‧‧儲存電路
140_2‧‧‧儲存電路
140_3至140_N‧‧‧儲存電路
141_1‧‧‧儲存電路
141_2‧‧‧儲存電路
141_3至141_N‧‧‧儲存電路
143_1‧‧‧電平轉移電路
143_2‧‧‧電平轉移電路
143_3至143_N‧‧‧電平轉移電路
150‧‧‧信號處理裝置
151‧‧‧運算裝置
152‧‧‧運算裝置
153‧‧‧半導體儲存裝置
154‧‧‧半導體儲存裝置
155‧‧‧半導體儲存裝置
156‧‧‧控制裝置
157‧‧‧電源控制電路
191‧‧‧電晶體
400‧‧‧電晶體
401‧‧‧反相器電路
700‧‧‧基板
701‧‧‧絕緣膜
702‧‧‧半導體膜
703‧‧‧閘極絕緣膜
704‧‧‧半導體膜
707‧‧‧閘極電極
709‧‧‧雜質區
710‧‧‧通道形成區
712‧‧‧絕緣膜
713‧‧‧絕緣膜
716‧‧‧氧化物半導體層
719‧‧‧導電膜
720‧‧‧導電膜
721‧‧‧閘極絕緣膜
722‧‧‧閘極電極
723‧‧‧導電膜
724‧‧‧絕緣膜
725‧‧‧開口部
726‧‧‧佈線
727‧‧‧絕緣膜
1102‧‧‧氧化物半導體膜
1102a‧‧‧高電阻區
1102b‧‧‧低電阻區
1103‧‧‧閘極絕緣膜
1107‧‧‧閘極電極
1108‧‧‧閘極絕緣膜
1113‧‧‧絕緣膜
1114‧‧‧側壁絕緣膜
1115‧‧‧絕緣物
1117‧‧‧絕緣層
1119‧‧‧導電膜
1120‧‧‧導電膜
1124‧‧‧絕緣膜
1128‧‧‧佈線
1129‧‧‧保護膜
9900‧‧‧基板
9901‧‧‧ALU
9902‧‧‧ALU控制器
9903‧‧‧指令解碼器
9904‧‧‧中斷控制器
9905‧‧‧時序控制器
9906‧‧‧暫存器
9907‧‧‧暫存器控制器
9908‧‧‧Bus．I/F
9909‧‧‧ROM
9920‧‧‧ROM．I/F
在圖式中：圖1A至1C是示出半導體儲存裝置的電路圖；圖2是半導體儲存裝置的電路圖；圖3A和3B是半導體儲存裝置的電路圖；圖4是半導體儲存裝置的電路圖；圖5是半導體儲存裝置的工作的時序圖；圖6A和6B是說明半導體儲存裝置的工作的圖；
圖7A和7B是說明半導體儲存裝置的工作的圖；圖8A和8B是說明半導體儲存裝置的工作的圖；圖9是半導體儲存裝置的工作的時序圖；圖10是半導體儲存裝置的電路圖；圖11是半導體儲存裝置的電路圖；圖12是半導體儲存裝置的工作的時序圖；圖13是半導體儲存裝置的工作的時序圖；圖14A和14B是半導體儲存裝置的電路圖；圖15是半導體儲存裝置的電路圖；圖16A和16B是半導體儲存裝置的電路圖；圖17是信號處理裝置的方塊圖；圖18是使用半導體儲存裝置的CPU的方塊圖；圖19A至19D是示出半導體儲存裝置的製程的圖；圖20A至20C是示出半導體儲存裝置的製程的圖；圖21A至21C是示出半導體儲存裝置的製程的圖；圖22是示出半導體儲存裝置的結構的剖面圖；圖23A和23B是示出電晶體的結構的圖；圖24A和24B是示出電晶體的結構的圖；圖25是說明藉由計算得到的遷移率的閘極電壓依賴性的圖；圖26A至26C是說明藉由計算得到的汲電流及遷移率的閘極電壓依賴性的圖；圖27A至27C是說明藉由計算得到的汲電流及遷移率的閘極電壓依賴性的圖；
圖28A至28C是說明藉由計算得到的汲電流及遷移率的閘極電壓依賴性的圖；圖29A和29B是說明用於計算的電晶體的剖面結構的圖；圖30A至30E是說明根據本發明的一個方式的氧化物材料的結構的圖；圖31A至31C是說明根據本發明的一個方式的氧化物材料的結構的圖；圖32A至32C是說明根據本發明的一個方式的氧化物材料的結構的圖；圖33A至33C是示出使用氧化物半導體膜的電晶體的特性的圖；圖34A和34B是示出樣品1的電晶體的BT測試後的Vgs-Ids特性的圖；圖35A和35B是示出樣品2的電晶體的BT測試後的Vgs-Ids特性的圖；圖36是示出樣品A及樣品B的XRD光譜的圖；圖37是示出電晶體的截止電流和測定時基板溫度的關係的圖；圖38是示出Ids及場效應遷移率的Vgs依賴性的圖；圖39A和39B是示出基板溫度與臨界電壓的關係及基板溫度與場效應遷移率的關係的圖；圖40A和40B是說明氧化物材料的結晶結構的圖。
100_1‧‧‧儲存電路
100_2‧‧‧儲存電路
100_3‧‧‧儲存電路
111_1‧‧‧電晶體
111_2‧‧‧電晶體
111_3至111_4‧‧‧電晶體
112_1‧‧‧電容元件
112_2‧‧‧電容元件
112_3‧‧‧電容元件
113_1‧‧‧資料電位儲存輸出電路
113_2‧‧‧資料電位儲存輸出電路
113_3至113_3‧‧‧資料電位儲存輸出電路
114_1‧‧‧資料電位控制電路
114_2‧‧‧資料電位控制電路
114_3‧‧‧資料電位控制電路
115_1‧‧‧閘極選擇信號產生電路
115_2‧‧‧閘極選擇信號產生電路
115_3至115_4‧‧‧閘極選擇信號產生電路
Claims (16)
- 一種半導體儲存裝置，包括：佈線；第一儲存電路，該第一儲存電路包括第一電晶體、第一電容元件、第一資料儲存部、第一電路以及第一控制電路；第二儲存電路，該第二儲存電路包括第二電晶體、第二電容元件、第二資料儲存部、第二電路以及第二控制電路；以及第三電晶體，其中，該第一儲存電路與該第二儲存電路彼此相鄰，該第一電晶體的源極和汲極中的一方與該佈線電連接，在該第一電晶體及該第二電晶體處於截止狀態時，該第一資料儲存部儲存從該佈線供應的資料，該第一資料儲存部與該第一電晶體的源極和汲極中的另一方、該第一電容元件的第一電極、該第一電路的輸入端子以及該第二電晶體的源極和汲極中的一方電連接，該第一電路將第一信號輸出到該第一控制電路及資料輸出部，該第一信號的電位取決於該第一資料儲存部中的該資料的電位，該第一控制電路將第二信號輸出到該第一電容元件的第二電極，以利用該第二信號控制該第一資料儲存部中的該資料的電位， 該第二資料儲存部與該第二電晶體的源極和汲極中的另一方、該第二電容元件的第一電極、該第二電路的輸入端子以及該第三電晶體電連接，並且，在該第二電晶體及該第三電晶體處於截止狀態時，該第二資料儲存部儲存從該第一資料儲存部供應的該資料。
- 根據申請專利範圍第1項之半導體儲存裝置，其中該第一電路、該第一控制電路、該第二電路以及該第二控制電路中的至少一個包括其半導體包含矽的電晶體。
- 根據申請專利範圍第2項之半導體儲存裝置，其中該電晶體與該第一電晶體或該第二電晶體層疊。
- 根據申請專利範圍第1項之半導體儲存裝置，其中該第一至第三電晶體都是其半導體層包含氧化物半導體的電晶體。
- 根據申請專利範圍第4項之半導體儲存裝置，其中該氧化物半導體為In-Sn-Zn類氧化物半導體。
- 根據申請專利範圍第1項之半導體儲存裝置，還包括第一閘極選擇信號產生電路及第二閘極選擇信號產生電路，該第一閘極選擇信號產生電路與該第一電晶體的閘極電連接，而該第二閘極選擇信號產生電路與該第二電晶體的閘極電連接。
- 一種半導體儲存裝置，包括：佈線；第(2m-1)級儲存電路(m是1以上的自然數)； 第2m級儲存電路；第(2m+1)級儲存電路；第(2m-1)閘極選擇信號產生電路；以及第2m閘極選擇信號產生電路，其中，該第(2m-1)級儲存電路，包括：第(2m-1)電晶體，該第(2m-1)電晶體包括與該佈線電連接的第一端子；第(2m-1)資料儲存部，該第(2m-1)資料儲存部與該第(2m-1)電晶體的第二端子、該第2m級儲存電路所包括的第2m電晶體的第一端子、第(2m-1)電容元件的第一電極以及第(2m-1)反相器電路的輸入端子電連接，並儲存從該佈線供應的資料；以及第(2m-1)反或閘，該第(2m-1)反或閘接收該第(2m-1)反相器電路的輸出端子的信號和第一電容元件控制信號，並包括與該第(2m-1)電容元件的第二電極電連接的輸出端子，該第2m級儲存電路，包括：該第2m電晶體；第2m資料儲存部，該第2m資料儲存部與該第2m電晶體的第二端子、該第(2m+1)級儲存電路所包括的第(2m+1)電晶體的第一端子、第2m電容元件的第一電極以及第2m反相器電路的輸入端子電連接，並儲存從該第(2m-1)資料儲存部供應的資料；以及第2m反或閘，該第2m反或閘接收該第2m反相 器電路的輸出端子的信號和第二電容元件控制信號，並包括與該第2m電容元件的第二電極電連接的輸出端子，該第(2m-1)電晶體的閘極與第(2m-1)閘極選擇信號產生電路電連接，該第(2m-1)閘極選擇信號產生電路接收第一閘極控制信號及第(2m-1)使能信號，並控制該第(2m-1)電晶體的導通狀態或非導通狀態，該第2m電晶體的閘極與第2m閘極選擇信號產生電路電連接，該第2m閘極選擇信號產生電路接收第二閘極控制信號及第2m使能信號，並控制該第2m電晶體的導通狀態或非導通狀態，該第(2m-1)資料儲存部藉由使該第(2m-1)電晶體及該第2m電晶體成為截止狀態而儲存該資料，該第2m資料儲存部藉由使該第2m電晶體及該第(2m+1)電晶體成為截止狀態而儲存該資料，該第(2m-1)反或閘根據該第(2m-1)反相器電路的輸出端子的信號及該第一電容元件控制信號輸出第一信號，以利用藉由該第(2m-1)電容元件的電容耦合控制該第(2m-1)資料儲存部的電位，並且，該第2m反或閘根據該第2m反相器電路的輸出端子的信號及該第二電容元件控制信號輸出第二信號，以利用藉由該第2m電容元件的電容耦合控制該第2m資料儲存部的電位。
- 根據申請專利範圍第7項之半導體儲存裝置，其中該第(2m-1)反相器電路、該第2m反相器電路、該第( 2m-1)反或閘、該第2m反或閘、該第(2m-1)閘極選擇信號產生電路以及該第2m閘極選擇信號產生電路中的至少一個包括其半導體包含矽的電晶體。
- 根據申請專利範圍第8項之半導體儲存裝置，其中該電晶體與該第(2m-1)電晶體或該第2m電晶體層疊。
- 根據申請專利範圍第7項之半導體儲存裝置，其中該第(2m-1)電晶體和該第2m電晶體都是其半導體層包含氧化物半導體的電晶體。
- 根據申請專利範圍第10項之半導體儲存裝置，其中該氧化物半導體為In-Sn-Zn類氧化物半導體。
- 一種半導體儲存裝置，包括：佈線；第一佈線；第二佈線；第一儲存電路，該第一儲存電路包括第一電晶體、第一電容元件、第一資料儲存部、第一反相器、第二反相器以及第一反或閘；第二儲存電路，該第二儲存電路包括第二電晶體、第二電容元件、第二資料儲存部、第三反相器、第四反相器以及第二反或閘；第一選擇電路；第二選擇電路；以及第三電晶體，其中，該第一儲存電路與該第二儲存電路彼此相鄰， 該第一電晶體的源極和汲極中的一方與該佈線電連接，該第一電晶體的閘極與該第一選擇電路電連接，該第二電晶體的閘極與該第二選擇電路電連接，該第一資料儲存部與該第一電晶體的源極和汲極中的另一方、該第一電容元件的第一電極、該第一反相器的輸入端子以及該第二電晶體的源極和汲極中的一方電連接，該第一反相器的輸出端子與該第一反或閘的第一輸入端子以及該第二反相器的輸入端子電連接，該第一反或閘的輸出端子與該第一電容元件的第二電極電連接，該第一反或閘的第二輸入端子與該第一佈線電連接，該第二資料儲存部與該第二電晶體的源極和汲極中的另一方、該第二電容元件的第一電極、該第三反相器的輸入端子以及該第三電晶體的源極和汲極中的一方電連接，該第三反相器的輸出端子與該第二反或閘的第一輸入端子以及該第四反相器的輸入端子電連接，該第二反或閘的輸出端子與該第二電容元件的第二電極電連接，並且，該第二反或閘的第二輸入端子與該第二佈線電連接。
- 根據申請專利範圍第12項之半導體儲存裝置，其中該第一至第四反相器、該第一反或閘以及該第二反或閘中的至少一個包括其半導體包含矽的電晶體。
- 根據申請專利範圍第13項之半導體儲存裝置，其中該電晶體與該第一電晶體或該第二電晶體層疊。
- 根據申請專利範圍第12項之半導體儲存裝置，其中該第一至第三電晶體都是其半導體層包含氧化物半導體的電晶體。
- 根據申請專利範圍第15項之半導體儲存裝置，其中該氧化物半導體為In-Sn-Zn類氧化物半導體。
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