JP2016157943A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】電気特性の良好なトランジスタを提供する
【解決手段】基板上の第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の第１の金属酸化物と、第１の金属酸化物上の第２の金属酸化物と、第２の金属酸化物上の第１の導電体および第２の導電体と、第２の金属酸化物、第１の導電体および第２の導電体上の第３の金属酸化物と、第３の金属酸化物上の第２の絶縁体と、第２の絶縁体上の第３の導電体と、を有し、第２の金属酸化物は、第１の金属酸化物の上面および側面と接する領域を有し、第２の金属酸化物は、チャネル形成領域を有する半導体装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、トランジスタおよび半導体装置に関する。または、本発明は、例えば、トランジスタおよび半導体装置の作製方法に関する。または、本発明は、例えば、表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、撮像装置、プロセッサ、電子機器に関する。または、表示装置、液晶表示装置、発光装置、記憶装置、撮像装置、電子機器の製造方法に関する。または、表示装置、液晶表示装置、発光装置、記憶装置、撮像装置、電子機器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。本明細書等で開示する発明の一態様の技術分野は、物、方法、または、作製方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関するものである。
なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。表示装置、発光装置、照明装置、電気光学装置、半導体回路および電子機器は、半導体装置を有する場合がある。
近年では、酸化物半導体（代表的にはＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物）を用いたトランジスタの開発が活発化している。
酸化物半導体の歴史は古く、１９８８年には、結晶Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を半導体素子へ利用することが開示された（特許文献１参照。）。また、１９９５年には、酸化物半導体を用いたトランジスタが発明されており、その電気特性が開示された（特許文献２参照。）。
特開昭６３−２３９１１７ 特表平１１−５０５３７７
本発明の一態様は、微細なトランジスタを提供することを課題の一とする。または、寄生容量の小さいトランジスタを提供することを課題の一とする。または、周波数特性の高いトランジスタを提供することを課題の一とする。または、電気特性の良好なトランジスタを提供することを課題の一とする。または、電気特性の安定したトランジスタを提供することを課題の一とする。または、オフ時の電流の小さいトランジスタを提供することを課題の一とする。または、新規なトランジスタを提供することを課題の一とする。または、該トランジスタを有する半導体装置を提供することを課題の一とする。または、動作速度の速い半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規な半導体装置を提供することを課題の一とする。または、該半導体装置を有するモジュールを提供することを課題の一とする。または、該半導体装置、または該モジュールを有する電子機器を提供することを課題の一とする。
または、該トランジスタを有する半導体装置を提供することを課題の一とする。または、該半導体装置を有する表示装置を提供することを課題の一とする。または、該表示装置を有する表示モジュールを提供することを課題の一とする。または、該半導体装置、該表示装置または該表示モジュールを有する電子機器を提供することを課題の一とする。または、新規な半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規な表示装置を提供することを課題の一とする。または、新規な表示モジュールを提供することを課題の一とする。または、新規な電子機器を提供することを課題の一とする。
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
本発明の一態様は、基板上の第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の第１の金属酸化物と、第１の金属酸化物上の第２の金属酸化物と、第２の金属酸化物上の第１の導電体および第２の導電体と、第２の金属酸化物、第１の導電体および第２の導電体上の第３の金属酸化物と、第３の金属酸化物上の第２の絶縁体と、第２の絶縁体上の第３の導電体と、を有し、第２の金属酸化物は、第１の金属酸化物の上面および側面と接する領域を有し、第２の金属酸化物は、チャネル形成領域を有する半導体装置である。
本発明の一態様は、上記第１乃至第３の金属酸化物は、インジウム、亜鉛および元素Ｍ（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）から選ばれた一種以上を有する半導体装置である。
本発明の一態様は、第１の導電体または第２の導電体は、チャネル幅方向の断面形状において、上記第２の金属酸化物の上面および側面と接する領域を有する半導体装置である。
本発明の一態様は、基板上の第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の第１の金属酸化物と、第１の金属酸化物上の第２の金属酸化物と、第２の金属酸化物上の第３の金属酸化物と、第３の金属酸化物上の第４の金属酸化物と、第４の金属酸化物上の第１の導電体および第２の導電体と、第４の金属酸化物、第１の導電体および第２の導電体上の第５の金属酸化物と、第５の金属酸化物上の第２の絶縁体と、第２の絶縁体上の第３の導電体と、を有し、第４の金属酸化物は、第３の金属酸化物の上面および側面と接する領域を有し、第２の金属酸化物および第４の金属酸化物は、チャネル形成領域を有する半導体装置である。
本発明の一態様は、上記第１乃至第５の金属酸化物は、インジウム、亜鉛および元素Ｍ（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）から選ばれた一種以上を有する半導体装置である。
本発明の一態様は、第１の導電体または第２の導電体は、チャネル幅方向の断面形状において、上記第４の金属酸化物の上面および側面と接する領域を有する半導体装置である。
本発明の一態様は、上記第１の絶縁体の下に、さらに第４の導電体を有する半導体装置である。
微細なトランジスタを提供することができる。または、寄生容量の小さいトランジスタを提供することができる。または、周波数特性の高いトランジスタを提供することができる。または、電気特性の良好なトランジスタを提供することができる。または、電気特性の安定したトランジスタを提供することができる。または、オフ時の電流の小さいトランジスタを提供することができる。または、新規なトランジスタを提供することができる。または、該トランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、動作速度の速い半導体装置を提供することができる。または、新規な半導体装置を提供することができる。または、該半導体装置を有するモジュールを提供することができる。または、該半導体装置、または該モジュールを有する電子機器を提供することができる。
または、該半導体装置を有する表示装置を提供することができる。または、該表示装置を有する表示モジュールを提供することができる。または、該半導体装置、該表示装置または該表示モジュールを有する電子機器を提供することができる。または、新規な半導体装置を提供することができる。または、新規な表示装置を提供することができる。または、新規な表示モジュールを提供することができる。または、新規な電子機器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。
本発明の一態様に係るトランジスタを説明する上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを説明する上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを説明する上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを説明する上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを説明する上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを説明する上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを説明する断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを説明する断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを説明する断面図。 本発明の一態様に係るバンド構造を説明する図。 ＣＡＡＣ−ＯＳの断面におけるＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像、およびＣＡＡＣ−ＯＳの断面模式図。 ＣＡＡＣ−ＯＳの平面におけるＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像。 ＣＡＡＣ−ＯＳおよび単結晶酸化物半導体のＸＲＤによる構造解析を説明する図。 ＣＡＡＣ−ＯＳの電子回折パターンを示す図。 Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。 本発明の一態様に係るトランジスタを説明する上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを説明する上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを説明する上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを説明する上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを説明する上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを説明する上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを説明する上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを説明する上面図および断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の回路図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の回路図。 本発明の一態様に係るＣＰＵを示すブロック図。 本発明の一態様に係る記憶素子の回路図。 本発明の一態様に係る表示装置の上面図および回路図。 撮像装置を示す平面図。 撮像装置の画素を示す平面図。 撮像装置を示す断面図。 本発明の一態様に係る電子機器を示す図。
本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、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。また、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、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。なお、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
なお、図において、大きさ、膜（層）の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。
また、電圧は、ある電位と、基準の電位（例えば接地電位（ＧＮＤ）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。一般的に、電位（電圧）は、相対的なものであり、基準の電位からの相対的な大きさによって決定される。したがって、「接地電位」などと記載されている場合であっても、電位が０Ｖであるとは限らない。例えば、回路で最も低い電位が、「接地電位」となる場合もある。または、回路で中間くらいの電位が、「接地電位」となる場合もある。その場合には、その電位を基準として、正の電位と負の電位が規定される。
また、本明細書等において、ＸとＹとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合と、ＸとＹとが直接接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に記載されているものとする。
なお、第１、第２として付される序数詞は便宜的に用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」または「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書などに記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。
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場合がある。また、「半導体」と「絶縁体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「絶縁体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「絶縁体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。
また、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分高い場合は「導電体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「導電体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「導電体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「導電体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。
なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体層を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が０．１原子％未満の元素は不純物である。不純物が含まれることにより、例えば、半導体にＤＯＳ（Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅ）が形成されることや、キャリア移動度が低下することや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第１５族元素、および酸化物半導体の主成分以外の遷移金属などがあり、特に、例えば、水素（水にも含まれる）、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、例えば水素などの不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコン層である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１５族元素などがある。
なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース（ソース領域またはソース電極）とドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
チャネル幅とは、例えば、上面図において半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅（以下、実効的なチャネル幅と呼ぶ。）と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅（以下、見かけ上のチャネル幅と呼ぶ。）と、が異なる場合がある。例えば、立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
ところで、立体的な構造を有するトランジスタにおいては、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。
そこで、本明細書では、トランジスタの上面図において、半導体とゲート電極とが互いに重なる領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さである見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅（ＳＣＷ：Ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｗｉｄｔｈ）」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを取得して、その画像を解析することなどによって、値を決定することができる。
なお、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求める場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。
なお、本明細書において、ＡがＢより迫り出した形状を有すると記載する場合、上面図または断面図において、Ａの少なくとも一端が、Ｂの少なくとも一端よりも外側にある形状を有することを示す場合がある。したがって、ＡがＢより迫り出した形状を有すると記載されている場合、例えば上面図において、Ａの一端が、Ｂの一端よりも外側にある形状を有すると読み替えることができる。
なお、本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。
また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。
なお、明細書において、半導体と記載する場合、酸化物半導体と読み替えることができる。半導体としては、シリコン、ゲルマニウムなどの第１４族半導体、炭化シリコン、ケイ化ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、セレン化亜鉛、硫化カドミウム、酸化物半導体などの化合物半導体、カーボンナノチューブ、グラフェンおよび有機半導体などを用いることができる。
なお、本明細書等において、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多い膜を指し、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い膜を指す。
また、本明細書等においては、ある一つの実施の形態において述べる図または文章において、少なくとも一つの具体例が記載される場合、その具体例の上位概念を導き出すことは、当業者であれば容易に理解される。したがって、ある一つの実施の形態において述べる図または文章において、少なくとも一つの具体例が記載される場合、その具体例の上位概念も、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。そして、その発明の一態様は、明確であると言える。
また、本明細書等においては、少なくとも図に記載した内容（図の中の一部でもよい）は、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。したがって、ある内容について、図に記載されていれば、文章を用いて述べていなくても、その内容は、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。同様に、図の一部を取り出した図についても、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。そして、その発明の一態様は明確であると言える。
また、明細書の中の文章や図面において規定されていない内容について、その内容を除くことを規定した発明の一態様を構成することが出来る。または、ある値について、上限値と下限値などで示される数値範囲が記載されている場合、その範囲を任意に狭めることで、または、その範囲の中の一点を除くことで、その範囲を一部除いた発明の一態様を規定することができる。これらにより、例えば、従来技術が本発明の一態様の技術的範囲内に入らないことを規定することができる。
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置である、トランジスタおよびその作製方法の一例について説明する。
図１に、本発明の一態様に係るトランジスタ１００を示す。図１（Ａ）は、トランジスタ１００の上面図を示す。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）における一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応した断面図であり、チャネル長方向の断面形状を示す。図１（Ｃ）は、図１（Ａ）における一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応した断面図であり、チャネル幅方向の断面形状を示す。トランジスタ１００は、基板２０１、絶縁体２０５、金属酸化物２１３ａ、金属酸化物２１３ｂ、金属酸化物２１３ｃ、導電体２１５ａ、導電体２１５ｂ、絶縁体２２３および導電体２２５を有する。
導電体２２５は、トランジスタ１００のゲート電極としての機能を有する。また、導電体２１５ａおよび導電体２１５ｂは、トランジスタ１００のソース電極およびドレイン電極のいずれか一方としての機能を有する。また、絶縁体２２３は、ゲート絶縁体としての機能を有する。
金属酸化物２１３ａおよび金属酸化物２１３ｃは、絶縁体として機能する。金属酸化物２１３ｂは、半導体として機能し、トランジスタ１００におけるチャネル形成領域を有する。特に、金属酸化物２１３ｂは、酸化物半導体を用いることが好ましい。
金属酸化物２１３ｂは、金属酸化物２１３ａの上面および側面と接する領域を有している。それにより、金属酸化物２１３ａの上面および側面と接する金属酸化物２１３ｂにおいて、チャネルが形成される。このように、複数のチャネル形成領域を有することによって、高いオン電流を得ることができる。
また、絶縁体として機能する金属酸化物２１３ａおよび金属酸化物２１３ｃに挟まれて、半導体として機能する金属酸化物２１３ｂを形成させることによって、後述するように埋め込みチャネル構造を形成することができる。
また、金属酸化物２１３ａ、金属酸化物２１３ｂおよび金属酸化物２１３ｃは、単層で形成してもよく、また２層以上の積層により形成してもよい。
また、図２（Ａ）は、トランジスタ１００の上面図を示す。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）における一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応した断面図であり、チャネル長方向の断面形状を示す。図２（Ｃ）は、図２（Ａ）における一点鎖線Ａ５−Ａ６に対応した断面図であり、チャネル幅方向の断面形状を示す。図２（Ｃ）に示すように、導電体２１５ａは、チャネル幅方向の断面形状において、金属酸化物２１３ｂの上面および側面と接する領域を有する。なお、金属酸化物２１３ｂの形状によって、金属酸化物２１３ｂの上面および側面が、明確に区別できない場合もある。
図１に示すトランジスタ１００の作製方法について、図３乃至図６を用いて説明する。
図３（Ａ）、図４（Ａ）、図５（Ａ）および図６（Ａ）は、本発明の一態様に係るトランジスタ１００の作製方法を説明する上面図である。各上面図には、一点鎖線Ａ１−Ａ２および一点鎖線Ａ３−Ａ４が記されており、それに対応した断面図を図３（Ｂ）、図３（Ｃ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）、図６（Ｂ）および図６（Ｃ）に示す。
まず、基板２０１を準備する。
基板２０１としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムなどを有する化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
また、基板２０１として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可とう性基板である基板２０１に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。なお、基板２０１として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。また、基板２０１が伸縮性を有してもよい。また、基板２０１は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板２０１の厚さは、例えば、５μｍ以上１０００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上７００μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上５００μｍ以下とする。基板２０１を薄くすると、半導体装置を軽量化することができる。また、基板２０１を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板２０１上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。
可とう性基板である基板２０１としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。可とう性基板である基板２０１は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可とう性基板である基板２０１としては、例えば、線膨張率が１×１０−３／Ｋ以下、５×１０−５／Ｋ以下、または１×１０−５／Ｋ以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可とう性基板である基板２０１として好適である。
次に、絶縁体２０５を成膜する。絶縁体２０５の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法またはＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて行うことができる。
絶縁体２０５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。例えば、絶縁体２０５としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。
また、絶縁体２０５は過剰酸素を有する絶縁体であることが好ましい。また、絶縁体２０５は水素トラップを有する絶縁体であることが好ましい。
過剰酸素を有する絶縁体とは、昇温脱離ガス分光法（ＴＤＳ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて、膜の表面温度が１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲で、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上または１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の酸素（酸素原子数換算）を放出することがある絶縁体を示す。
ＴＤＳ分析を用いた酸素の放出量の測定方法について、以下に説明する。
測定試料をＴＤＳ分析したときの気体の全放出量は、放出ガスのイオン強度の積分値に比例する。そして標準試料との比較により、気体の全放出量を計算することができる。
例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコン基板のＴＤＳ分析結果、および測定試料のＴＤＳ分析結果から、測定試料の酸素分子の放出量（ＮＯ２）は、下に示す式で求めることができる。ここで、ＴＤＳ分析で得られる質量電荷比３２で検出されるガスの全てが酸素分子由来と仮定する。ＣＨ３ＯＨの質量電荷比は３２であるが、存在する可能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体である質量数１７の酸素原子および質量数１８の酸素原子を含む酸素分子についても、自然界における存在比率が極微量であるため考慮しない。
ＮＯ２＝ＮＨ２／ＳＨ２×ＳＯ２×α
ＮＨ２は、標準試料から脱離した水素分子を密度で換算した値である。ＳＨ２は、標準試料をＴＤＳ分析したときのイオン強度の積分値である。ここで、標準試料の基準値を、ＮＨ２／ＳＨ２とする。ＳＯ２は、測定試料をＴＤＳ分析したときのイオン強度の積分値である。αは、ＴＤＳ分析におけるイオン強度に影響する係数である。上に示す式の詳細に関しては、特開平６−２７５６９７号公報を参照する。なお、上記酸素の放出量は、電子科学株式会社製の昇温脱離分析装置ＥＭＤ−ＷＡ１０００Ｓ／Ｗを用い、標準試料として一定量の水素原子を含むシリコン基板を用いて測定する。
また、ＴＤＳ分析において、酸素の一部は酸素原子として検出される。酸素分子と酸素原子の比率は、酸素分子のイオン化率から算出することができる。なお、上述のαは酸素分子のイオン化率を含むため、酸素分子の放出量を評価することで、酸素原子の放出量についても見積もることができる。
なお、ＮＯ２は酸素分子の放出量である。酸素原子に換算したときの放出量は、酸素分子の放出量の２倍となる。
または、加熱処理によって酸素を放出する絶縁体は、過酸化ラジカルを含むこともある。具体的には、過酸化ラジカルに起因するスピン密度が、５×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以上であることをいう。なお、過酸化ラジカルを含む絶縁体は、電子スピン共鳴法（ＥＳＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｉｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）にて、ｇ値が２．０１近傍に非対称の信号を有することもある。
また、絶縁体２０５は、基板２０１からの不純物の拡散を防止する機能を有していてもよい。
次に、金属酸化物２１３ａとなる金属酸化物を成膜する。金属酸化物２１３ａとなる金属酸化物は、絶縁体として機能する。金属酸化物２１３ａとなる金属酸化物の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。特に、対向ターゲット式スパッタリング装置を用いて成膜することが好ましい。なお、本明細書などにおいて、対向ターゲット式スパッタリング装置を用いた成膜法を、ＶＤＳＰ（ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ＳＰ）と呼ぶこともできる。
対向ターゲット式スパッタリング装置を用いて金属酸化物を成膜することによって、金属酸化物の成膜時におけるプラズマ損傷を低減できる。そのため、膜中の酸素欠損を低減することができる。また、対向ターゲット式スパッタリング装置を用いることで、高真空での成膜が可能となる。それにより、成膜された金属酸化物中の不純物濃度（例えば水素、希ガス（アルゴンなど）、水など）を低減させることができる。
次に、金属酸化物上にレジストなどを形成し、該レジストを用いて加工し、金属酸化物２１３ａを形成する（図３参照。）。
なお、金属酸化物２１３ａを形成する際、絶縁体２０５もエッチングされ、一部の領域が薄くなる場合がある。即ち、絶縁体２０５は、金属酸化物２１３ａと接する領域に凸部を有する形状となる場合がある。
次に、金属酸化物２１３ｂとなる金属酸化物を成膜する。当該金属酸化物の成膜は、金属酸化物２１３ａと同様に行えばよい。金属酸化物２１３ｂとなる金属酸化物は、半導体として機能する。
金属酸化物２１３ｂとなる金属酸化物の成膜の前に、金属酸化物２１３ａの表面をエッチングしても構わない。例えば、希ガスを含むプラズマを用いてエッチングすることができる。また、ウェットエッチングにより行ってもよい。その後、大気に暴露することなく連続で金属酸化物２１３ｂとなる金属酸化物を成膜することにより、金属酸化物２１３ａと、金属酸化物２１３ｂとなる金属酸化物と、の界面への不純物の混入を低減することができる。膜と膜との界面などに存在する不純物は、膜中の不純物よりも拡散しやすい場合がある。そのため、該不純物の混入を低減することにより、トランジスタに安定した電気特性を付与することができる。
次に、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理を行うことで、金属酸化物２１３ａおよび金属酸化物２１３ｂとなる金属酸化物の水素濃度を低減させることができる場合がある。また、金属酸化物２１３ａおよび金属酸化物２１３ｂとなる金属酸化物の酸素欠損を低減させることができる場合がある。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは４５０℃以上６００℃以下で行えばよい。加熱処理は、不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上もしくは１０％以上含む雰囲気で行うと好ましい。加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理によって、金属酸化物の結晶性を高めることや、水素や水などの不純物を除去することなどができる。
次に、金属酸化物上にレジストなどを形成し、該レジストを用いて加工し、金属酸化物２１３ｂを形成する（図４参照。）。
次に、導電体２１５ａおよび導電体２１５ｂとなる導電体を成膜する。導電体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
導電体としては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタル、白金、ストロンチウム、イリジウムおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
次に、導電体上にレジストなどを形成し、該レジストを用いて加工し、導電体２１５ａおよび導電体２１５ｂを形成する（図５参照。）。
なお、導電体２１５ａおよび導電体２１５ｂを形成する際、金属酸化物２１３ｂもエッチングされ、一部の領域が薄くなる場合がある。
次に、金属酸化物２１４を成膜する。金属酸化物２１４の成膜は、金属酸化物２１３ａと同様に行えばよい。金属酸化物２１４は、絶縁体として機能する。
金属酸化物２１４の成膜の前に、金属酸化物２１３ｂ、導電体２１５ａおよび導電体２１５ｂの表面をエッチングしても構わない。例えば、希ガスを含むプラズマを用いてエッチングすることができる。また、ウェットエッチングにより行ってもよい。その後、大気に暴露することなく連続で金属酸化物２１４を成膜することにより、金属酸化物２１３ｂと、金属酸化物２１４と、の界面への不純物の混入を低減することができる。膜と膜との界面などに存在する不純物は、膜中の不純物よりも拡散しやすい場合がある。そのため、該不純物の混入を低減することにより、トランジスタに安定した電気特性を付与することができる。
次に、絶縁体２２２を成膜する。絶縁体２２２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。また、絶縁体２２２の成膜は、スピンコート法、ディップ法、液滴吐出法（インクジェット法など）、印刷法（スクリーン印刷、オフセット印刷など）、ドクターナイフ法、ロールコーター法またはカーテンコーター法などを用いて行うことができる。
絶縁体２２２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。例えば、絶縁体２２２としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。
次に、導電体２２４を成膜する（図６参照。）。
導電体２２４の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法、電解めっき法または塗布法などを用いて行うことができる。特に、段差被覆性に優れる電解めっき法または金属ＣＶＤ（ＭＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ ＣＶＤ）法を用いることが好ましい。
導電体２２４としては、例えば、銅、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタル、白金、ストロンチウム、イリジウムおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
次に、導電体２２４上にレジストなどを形成し、該レジストを用いて加工し、導電体２２５を形成する。また、該レジストまたは導電体２２５を用いて絶縁体２２２を加工し、絶縁体２２３を形成する。また、該レジスト、導電体２２５または絶縁体２２３を用いて金属酸化物２１４を加工し、金属酸化物２１３ｃを形成する。金属酸化物２１３ｃと絶縁体２２３と導電体２２５と、が上面から見たときに同様の形状となるが、本発明の一態様に係るトランジスタはこの形状に限定されるものではない。例えば、金属酸化物２１３ｃと絶縁体２２３と導電体２２５とを別のレジストを用いて加工してもよい。例えば、絶縁体２２３を形成してから、導電体２２５となる導電体を成膜してもよいし、導電体２２５を形成した後で絶縁体２２３となる絶縁体上に別途レジストなどを形成してもよい。また、例えば、金属酸化物２１３ｃが、隣接するトランジスタなどと繋がっていてもよい。
また、導電体２２５を形成した後に、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマ処理法等を用いて酸素を添加してもよい。
次に、絶縁体を成膜してもよい。絶縁体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
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。絶縁体は、好ましくは酸化アルミニウム、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、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、酸化ハフニウムまたは酸化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。
絶縁体は、バリア層としての機能を有することが好ましい。絶縁体は、例えば、酸素または／および水素をブロックする機能を有する。また、絶縁体は、例えば、絶縁体２０５または絶縁体２２３よりも、酸素または／および水素をブロックする能力が高いほうが好ましい。
以上の工程により、図１に示す本発明の一態様に係るトランジスタ１００を作製することができる。
図１に示すトランジスタ１００のように、導電体２２５の電界によって、金属酸化物２１３ｂを電気的に取り囲むことができる（導電体から生じる電界によって、半導体を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。）。そのため、金属酸化物２１３ｂの上面および側面にチャネルが形成される。ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造では、トランジスタのソース−ドレイン間に大電流を流すことができ、導通時の電流（オン電流）を高くすることができる。
高いオン電流が得られるため、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、微細化されたトランジスタに適した構造といえる。トランジスタを微細化できるため、該トランジスタを有する半導体装置は、集積度の高い、高密度化された半導体装置とすることが可能となる。例えば、トランジスタは、チャネル長が好ましくは４０ｎｍ以下、さらに好ましくは３０ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以下の領域を有し、かつ、トランジスタは、チャネル幅が好ましくは４０ｎｍ以下、さらに好ましくは３０ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以下の領域を有する。
なお、絶縁体２４１および金属酸化物２１３ｇが導電体２２５から迫り出した形状としてもよい（図７（Ａ）参照。）。また、絶縁体２２２および金属酸化物２１４を加工しなくてもよい（図７（Ｂ）参照。）。
また、導電体２１５ａおよび導電体２１５ｂを加工する際などに、金属酸化物２１３ｂの一部がエッチングされてもよい（図７（Ｃ）参照。）。
また、図８（Ａ）に示すように、導電体２０２を設けてもよい。また、Ａ１−Ａ２断面における導電体２０２の幅が、金属酸化物２１３ｂよりも大きくてもよい（図８（Ｂ）参照。）。また、導電体２０２と導電体２２５とが開口部を介して接していてもよい（図９（Ａ）および図９（Ｂ）参照。）また、導電体２２５を設けなくてもよい（図９（Ｃ）参照。）。
導電体２０２の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法またはパルスレーザ堆積（ＰＬＤ）法、原子層堆積法（ＡＬＤ）法などを用いて行うことができる。
導電体２０２は、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタル、白金、ストロンチウム、イリジウムおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
なお、導電体２２５は、トランジスタ１００の第１のゲート電極（フロントゲート電極ともいう。）としての機能を有する。また、導電体２０２は、トランジスタ１００の第２のゲート電極（バックゲート電極ともいう。）としての機能を有する。
また、本実施の形態におけるトランジスタ１００は、トップゲート型のトランジスタを示しているが、これに限らない。例えば、ボトムゲート構造としてもよい。その場合、図８（Ａ）に示すトランジスタにおいて、導電体２０２はフロントゲート電極として機能し、導電体２２５はバックゲート電極として機能する。また、図９（Ｃ）のように、導電体２２５が無い構成としてもよい。
なお、本実施の形態におけるトランジスタは、チャネルが形成される金属酸化物２１３ｂの上面と、ソース電極およびドレイン電極と、が接する構造（トップコンタクト型ともいう。）について示したが、これに限られない。例えば、チャネルが形成される金属酸化物２１３ｂの下面と、ソース電極およびドレイン電極と、が接する構造（ボトムコンタクト型ともいう。）のトランジスタとしてもよい。
また、本実施の形態におけるトランジスタは、ゲート電極と、ソース電極およびドレイン電極と、が一部重畳する構造を示したが、これに限らない。例えば、ゲート電極と、ソース電極およびドレイン電極と、が重畳しない構造としてもよい。
＜半導体＞本実施の形態で示したように、金属酸化物２１３ｂの上下に金属酸化物２１３ａおよび金属酸化物２１３ｃを配置することで、トランジスタの電気特性を向上させることができる場合がある。
金属酸化物２１３ｂは、例えば、インジウムを含む酸化物半導体である。金属酸化物２１３ｂは、例えば、インジウムを含むと、キャリア移動度（電子移動度）が高くなる。また、金属酸化物２１３ｂは、元素Ｍを含むと好ましい。元素Ｍは、好ましくは、アルミニウム、ガリウム、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は、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、マグネシウム、タングステンなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。元素Ｍは、例えば、酸素との結合エネルギーが高い元素である。例えば、酸素との結合エネルギーがインジウムよりも高い元素である。または、元素Ｍは、例えば、酸化物半導体のエネルギーギャップを大きくする機能を有する元素である。また、金属酸化物２１３ｂは、亜鉛を含むと好ましい。酸化物半導体は、亜鉛を含むと結晶化しやすくなる場合がある。
ただし、金属酸化物２１３ｂは、インジウムを含む酸化物半導体に限定されない。金属酸化物２１３ｂは、例えば、亜鉛スズ酸化物、ガリウムスズ酸化物などの、インジウムを含まず、亜鉛を含む酸化物半導体、ガリウムを含む酸化物半導体、スズを含む酸化物半導体などであっても構わない。
金属酸化物２１３ｂは、例えば、エネルギーギャップが大きい酸化物を用いる。金属酸化物２１３ｂのエネルギーギャップは、例えば、２．５ｅＶ以上４．２ｅＶ以下、好ましくは２．８ｅＶ以上３．８ｅＶ以下、さらに好ましくは３ｅＶ以上３．５ｅＶ以下とする。
例えば、金属酸化物２１３ａおよび金属酸化物２１３ｃは、金属酸化物２１３ｂを構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から構成される酸化物半導体である。金属酸化物２１３ｂを構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から金属酸化物２１３ａおよび金属酸化物２１３ｃが構成されるため、金属酸化物２１３ａと金属酸化物２１３ｂとの界面、および金属酸化物２１３ｂと金属酸化物２１３ｃとの界面において、欠陥準位が形成されにくい。
金属酸化物２１３ａ、金属酸化物２１３ｂおよび金属酸化物２１３ｃは、少なくともインジウムを含むと好ましい。なお、金属酸化物２１３ａがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％より高く、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％より高いとする。また、金属酸化物２１３ｂがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。また、金属酸化物２１３ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％より高く、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％より高くする。なお、金属酸化物２１３ｃは、金属酸化物２１３ａと同種の酸化物を用いても構わない。ただし、金属酸化物２１３ａまたは／および金属酸化物２１３ｃがインジウムを含まなくても構わない場合がある。例えば、金属酸化物２１３ａまたは／および金属酸化物２１３ｃが酸化ガリウムであっても構わない。なお、金属酸化物２１３ａ、金属酸化物２１３ｂおよび金属酸化物２１３ｃに含まれる各元素の原子数が、簡単な整数比にならなくても構わない。
金属酸化物２１３ｂは、金属酸化物２１３ａおよび金属酸化物２１３ｃよりも電子親和力の大きい酸化物を用いる。例えば、金属酸化物２１３ｂとして、金属酸化物２１３ａおよび金属酸化物２１３ｃより電子親和力が０．０７ｅＶ以上１．３ｅＶ以下、好ましくは０．１ｅＶ以上０．７ｅＶ以下、さらに好ましくは０．１５ｅＶ以上０．４ｅＶ以下大きい酸化物を用いる。なお、電子親和力は、真空準位と伝導帯下端とのエネルギー差である。
なお、インジウムガリウム酸化物は、小さい電子親和力と、高い酸素ブロック性を有する。そのため、金属酸化物２１３ｃがインジウムガリウム酸化物を含むと好ましい。ガリウム原子割合［Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）］は、例えば、７０％以上、好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上とする。
このように、金属酸化物２１３ｂの上下に金属酸化物２１３ａおよび金属酸化物２１３ｃを配置したトランジスタにおいて、ゲート電圧を印加すると、金属酸化物２１３ａ、金属酸化物２１３ｂ、金属酸化物２１３ｃのうち、電子親和力の大きい金属酸化物２１３ｂにチャネルが形成される。このように、いわゆる埋め込みチャネル構造を形成することができる。
ここで、金属酸化物２１３ａと金属酸化物２１３ｂとの間には、金属酸化物２１３ａと金属酸化物２１３ｂとの混合領域を有する場合がある。また、金属酸化物２１３ｂと金属酸化物２１３ｃとの間には、金属酸化物２１３ｂと金属酸化物２１３ｃとの混合領域を有する場合がある。混合領域は、欠陥準位密度が低くなる。そのため、金属酸化物２１３ａ、金属酸化物２１３ｂおよび金属酸化物２１３ｃの積層体は、それぞれの界面近傍において、エネルギーが連続的に変化する（連続接合ともいう。）バンド構造となる（図１０参照。）。なお、金属酸化物２１３ａ、金属酸化物２１３ｂおよび金属酸化物２１３ｃは、それぞれの界面を明確に判別できない場合がある。
このとき、電子は、金属酸化物２１３ａ中および金属酸化物２１３ｃ中ではなく、金属酸化物２１３ｂ中を主として移動する。上述したように、金属酸化物２１３ａと金属酸化物２１３ｂとの界面における欠陥準位密度、および金属酸化物２１３ｂと金属酸化物２１３ｃとの界面における欠陥準位密度を低くすることによって、金属酸化物２１３ｂ中で電子の移動が阻害されることが少なく、トランジスタのオン電流を高くすることができる。
トランジスタのオン電流は、電子の移動を阻害する要因を低減するほど、高くすることができる。電子の移動は、例えば、チャネル形成領域の物理的な凹凸が大きい場合にも阻害される。
トランジスタのオン電流を高くするためには、例えば、金属酸化物２１３ｂの上面または下面（被形成面、ここでは金属酸化物２１３ａの上面）の、１μｍ×１μｍの範囲における二乗平均平方根（ＲＭＳ：Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）粗さが１ｎｍ未満、好ましくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における平均面粗さ（Ｒａともいう。）が１ｎｍ未満、好ましくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における最大高低差（Ｐ−Ｖともいう。）が１０ｎｍ未満、好ましくは９ｎｍ未満、さらに好ましくは８ｎｍ未満、より好ましくは７ｎｍ未満とすればよい。ＲＭＳ粗さ、ＲａおよびＰ−Ｖは、エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製走査型プローブ顕微鏡システムＳＰＡ−５００などを用いて測定することができる。
また、トランジスタのオン電流を高くするためには、金属酸化物２１３ｃの厚さは小さいほど好ましい。例えば、１０ｎｍ未満、好ましくは５ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以下の領域を有する金属酸化物２１３ｃとすればよい。一方、金属酸化物２１３ｃは、チャネルの形成される金属酸化物２１３ｂへ、隣接する絶縁体を構成する酸素以外の元素（水素、シリコンなど）が入り込まないようブロックする機能を有する。そのため、金属酸化物２１３ｃは、ある程度の厚さを有することが好ましい。例えば、０．３ｎｍ以上、好ましくは１ｎｍ以上、さらに好ましくは２ｎｍ以上の厚さの領域を有する金属酸化物２１３ｃとすればよい。また、金属酸化物２１３ｃは、絶縁体２０５などから放出される酸素の外方拡散を抑制するために、酸素をブロックする性質を有すると好ましい。
また、信頼性を高くするためには、金属酸化物２１３ａは厚く、金属酸化物２１３ｃは薄いことが好ましい。例えば、１０ｎｍ以上、好ましくは２０ｎｍ以上、さらに好ましくは４０ｎｍ以上、より好ましくは６０ｎｍ以上の厚さの領域を有する金属酸化物２１３ａとすればよい。
また、金属酸化物２１３ｂの水素濃度を低減するために、金属酸化物２１３ａおよび金属酸化物２１３ｃの水素濃度を低減すると好ましい。金属酸化物２１３ａおよび金属酸化物２１３ｃは、ＳＩＭＳにおいて、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の水素濃度となる領域を有する。また、金属酸化物２１３ｂの窒素濃度を低減するために、金属酸化物２１３ａおよび金属酸化物２１３ｃの窒素濃度を低減すると好ましい。金属酸化物２１３ａおよび金属酸化物２１３ｃは、ＳＩＭＳにおいて、１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の窒素濃度となる領域を有する。
上述の３層構造は一例である。例えば、金属酸化物２１３ａまたは金属酸化物２１３ｃのない２層構造としても構わない。または、金属酸化物２１３ａの上もしくは下、または金属酸化物２１３ｃの上もしくは下に、金属酸化物２１３ａ、金属酸化物２１３ｂおよび金属酸化物２１３ｃとして例示した金属酸化物のいずれか一を有する４層構造としても構わない。または、金属酸化物２１３ａの上、金属酸化物２１３ａの下、金属酸化物２１３ｃの上、金属酸化物２１３ｃの下のいずれか二箇所以上に、金属酸化物２１３ａ、金属酸化物２１３ｂおよび金属酸化物２１３ｃとして例示した金属酸化物のいずれか一を有するｎ層構造（ｎは５以上の整数）としても構わない。
＜酸化物半導体の構造＞以下では、上記金属酸化物に用いる、酸化物半導体の構造について説明する。
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体とに分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｌｉｋｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、非晶質酸化物半導体などがある。
また別の観点では、酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体と、それ以外の結晶性酸化物半導体とに分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、ＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳなどがある。
非晶質構造の定義としては、一般に、準安定状態で固定化していないこと、等方的であって不均質構造を持たないことなどが知られている。また、結合角度が柔軟であり、短距離秩序性は有するが、長距離秩序性を有さない構造と言い換えることもできる。
逆の見方をすると、本質的に安定な酸化物半導体の場合、完全な非晶質（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）酸化物半導体と呼ぶことはできない。また、等方的でない（例えば、微小な領域において周期構造を有する）酸化物半導体を、完全な非晶質酸化物半導体と呼ぶことはできない。ただし、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、微小な領域において周期構造を有するものの、鬆（ボイドともいう。）を有し、不安定な構造である。そのため、物性的には非晶質酸化物半導体に近いといえる。
＜ＣＡＡＣ−ＯＳ＞まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。
ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向した複数の結晶部（ペレットともいう。）を有する酸化物半導体の一つである。
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ−ＯＳの明視野像と回折パターンとの複合解析像（高分解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察すると、複数のペレットを確認することができる。一方、高分解能ＴＥＭ像ではペレット同士の境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を明確に確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。また、該ペレットのサイズは、好ましくは１ｎｍ以上、より好ましくは３ｎｍ以上である。
以下では、ＴＥＭによって観察したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。図１１（Ａ）に、試料面と略平行な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの断面の高分解能ＴＥＭ像を示す。高分解能ＴＥＭ像の観察には、球面収差補正（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ Ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ）機能を用いた。球面収差補正機能を用いた高分解能ＴＥＭ像を、特にＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像と呼ぶ。Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像の取得は、例えば、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡ＪＥＭ−ＡＲＭ２００Ｆなどによって行うことができる。
図１１（Ａ）の領域（１）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を図１１（Ｂ）に示す。図１１（Ｂ）より、ペレットにおいて、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層の配列は、ＣＡＡＣ−ＯＳの膜を形成する面（被形成面ともいう。）または上面の凹凸を反映しており、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面または上面と平行となる。
図１１（Ｂ）に示すように、ＣＡＡＣ−ＯＳは特徴的な原子配列を有する。図１１（Ｃ）は、特徴的な原子配列を、補助線で示したものである。図１１（Ｂ）および図１１（Ｃ）より、ペレット一つの大きさは１ｎｍ以上のものや、３ｎｍ以上のものがあり、ペレットとペレットとの傾きにより生じる隙間の大きさは０．８ｎｍ程度であることがわかる。したがって、ペレットを、ナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）と呼ぶこともできる。また、ＣＡＡＣ−ＯＳを、ＣＡＮＣ（Ｃ−Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
ここで、Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像をもとに、基板５１２０上のＣＡＡＣ−ＯＳのペレット５１００の配置を模式的に示すと、レンガまたはブロックが積み重なったような構造となる（図１１（Ｄ）参照。）。図１１（Ｃ）で観察されたペレットとペレットとの間で傾きが生じている箇所は、図１１（Ｄ）に示す領域５１６１に相当する。
また、図１２（Ａ）に、試料面と略垂直な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの平面のＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を示す。図１２（Ａ）の領域（１）、領域（２）および領域（３）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を、それぞれ図１２（Ｂ）、図１２（Ｃ）および図１２（Ｄ）に示す。図１２（Ｂ）、図１２（Ｃ）および図１２（Ｄ）より、ペレットは、金属原子が三角形状、四角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なるペレット間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
次に、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、図１３（Ａ）に示すように回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳの結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳのｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析では、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる場合がある。２θが３６°近傍のピークは、ＣＡＡＣ−ＯＳ中の一部に、ｃ軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。より好ましいＣＡＡＣ−ＯＳは、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析では、２θが３１°近傍にピークを示し、２θが３６°近傍にピークを示さない。
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ｃ軸に略垂直な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、２θが５６°近傍にピークが現れる。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＣＡＡＣ−ＯＳの場合は、２θを５６°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）として試料を回転させながら分析（φスキャン）を行っても、図１３（Ｂ）に示すように明瞭なピークは現れない。これに対し、ＩｎＧａＺｎＯ４の単結晶酸化物半導体であれば、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合、図１３（Ｃ）に示すように（１１０）面と等価な結晶面に帰属されるピークが６本観察される。したがって、ＸＲＤを用いた構造解析から、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ａ軸およびｂ軸の配向が不規則であることが確認できる。
次に、電子回折によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、試料面に平行にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させると、図１４（Ａ）に示すような回折パターン（制限視野透過電子回折パターンともいう。）が現れる場合がある。この回折パターンには、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットがｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターンを図１４（Ｂ）に示す。図１４（Ｂ）より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットのａ軸およびｂ軸は配向性を有さないことがわかる。なお、図１４（Ｂ）における第１リングは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（０１０）面および（１００）面などに起因すると考えられる。また、図１４（Ｂ）における第２リングは（１１０）面などに起因すると考えられる。
上述したように、ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体である。酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、逆の見方をするとＣＡＡＣ−ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損など）の少ない酸化物半導体ともいえる。
なお、不純物は、酸化物半導体の主成分以外の元素で、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。
酸化物半導体が不純物や欠陥を有する場合、光や熱などによって特性が変動する場合がある。例えば、酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラップとなる場合や、キャリア発生源となる場合がある。また、酸化物半導体中の酸素欠損は、キャリアトラップとなる場合や、水素を捕獲することによってキャリア発生源となる場合がある。
不純物および酸素欠損の少ないＣＡＡＣ−ＯＳは、キャリア密度の低い酸化物半導体である。具体的には、８×１０１１／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０−９／ｃｍ３以上のキャリア密度の酸化物半導体とすることができる。そのような酸化物半導体を、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。ＣＡＡＣ−ＯＳは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い。即ち、安定な特性を有する酸化物半導体であるといえる。
＜ｎｃ−ＯＳ＞次に、ｎｃ−ＯＳについて説明する。
ｎｃ−ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において、結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。ｎｃ−ＯＳに含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の大きさであることが多い。なお、結晶部の大きさが１０ｎｍより大きく１００ｎｍ以下である酸化物半導体を微結晶酸化物半導体と呼ぶことがある。ｎｃ−ＯＳは、例えば、高分解能ＴＥＭ像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。なお、ナノ結晶は、ＣＡＡＣ−ＯＳにおけるペレットと起源を同じくする可能性がある。そのため、以下ではｎｃ−ＯＳの結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。
ｎｃ−ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ−ＯＳは、分析方法によっては、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットよりも大きい径のＸ線を用いた場合、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークは検出されない。また、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットよりも大きいプローブ径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子回折を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットの大きさと近いかペレットより小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、ｎｃ−ＯＳに対しナノビーム電子回折を行うと、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される場合がある。さらに、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある。
このように、ペレット（ナノ結晶）間では結晶方位が規則性を有さないことから、ｎｃ−ＯＳを、ＲＡＮＣ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体、またはＮＡＮＣ（Ｎｏｎ−Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
ｎｃ−ＯＳは、非晶質酸化物半導体よりも規則性の高い酸化物半導体である。そのため、ｎｃ−ＯＳは、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、ｎｃ−ＯＳは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、ｎｃ−ＯＳは、ＣＡＡＣ−ＯＳと比べて欠陥準位密度が高くなる。
＜ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ＞ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。
ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において鬆が観察される場合がある。また、高分解能ＴＥＭ像において、明確に結晶部を確認することのできる領域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。
鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、不安定な構造である。以下では、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳが、ＣＡＡＣ−ＯＳおよびｎｃ−ＯＳと比べて不安定な構造であることを示すため、電子照射による構造の変化を示す。
電子照射を行う試料として、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ（試料Ａと表記する。）、ｎｃ−ＯＳ（試料Ｂと表記する。）およびＣＡＡＣ−ＯＳ（試料Ｃと表記する。）を準備する。いずれの試料もＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である。
まず、各試料の高分解能断面ＴＥＭ像を取得する。高分解能断面ＴＥＭ像により、各試料は、いずれも結晶部を有することがわかる。
なお、どの部分を一つの結晶部と見なすかの判定は、以下のように行えばよい。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の単位格子は、Ｉｎ−Ｏ層を３層有し、またＧａ−Ｚｎ−Ｏ層を６層有する、計９層がｃ軸方向に層状に重なった構造を有することが知られている。これらの近接する層同士の間隔は、（００９）面の格子面間隔（ｄ値ともいう。）と同程度であり、結晶構造解析からその値は０．２９ｎｍと求められている。したがって、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所を、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶部と見なすことができる。なお、格子縞は、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａ−ｂ面に対応する。
図１５は、各試料の結晶部（２２箇所から４５箇所）の平均の大きさを調査した例である。ただし、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図１５より、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなっていくことがわかる。具体的には、図１５中に（１）で示すように、ＴＥＭによる観察初期においては１．２ｎｍ程度の大きさだった結晶部（初期核ともいう。）が、累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２においては２．６ｎｍ程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射開始時から電子の累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２までの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。具体的には、図１５中の（２）および（３）で示すように、電子の累積照射量によらず、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳの結晶部の大きさは、それぞれ１．４ｎｍ程度および２．１ｎｍ程度であることがわかる。
このように、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、電子照射によって結晶部の成長が見られる場合がある。一方、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射による結晶部の成長がほとんど見られないことがわかる。即ち、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、不安定な構造であることがわかる。
また、鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて密度の低い構造である。具体的には、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の７８．６％以上９２．３％未満となる。また、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の９２．３％以上１００％未満となる。単結晶の密度の７８％未満となる酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、菱面体晶構造を有する単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４の密度は６．３５７ｇ／ｃｍ３となる。よって、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳの密度は５．０ｇ／ｃｍ３以上５．９ｇ／ｃｍ３未満となる。また、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は５．９ｇ／ｃｍ３以上６．３ｇ／ｃｍ３未満となる。
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合がある。その場合、任意の割合で組成の異なる単結晶を組み合わせることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もることができる。所望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を組み合わせて見積もることが好ましい。
以上のように、酸化物半導体は、様々な構造をとり、それぞれが様々な特性を有する。なお、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ、ｎｃ−ＯＳ、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
なお、本実施の形態において、本発明の一態様について述べた。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。つまり、本実施の形態および他の実施の形態では、様々な発明の態様が記載されているため、本発明の一態様は、特定の態様に限定されない。例えば、本発明の一態様として、金属酸化物として、酸化物半導体を用いた場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様は、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、有機半導体等を用いてもよい。
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１で示したトランジスタとは一部異なるトランジスタおよびその作製方法について説明する。本実施の形態におけるトランジスタは、ソース電極およびドレイン電極として機能する導電体の形成方法が、実施の形態１におけるトランジスタとは異なる。
図１６に、本発明の一態様に係るトランジスタ１０２を示す。図１６（Ａ）は、トランジスタ１０２の上面図を示す。図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）における一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応した断面図であり、チャネル長方向の断面形状を示す。図１６（Ｃ）は、図１６（Ａ）における一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応した断面図であり、チャネル幅方向の断面形状を示す。トランジスタ１０２は、基板２０１、絶縁体２０５、金属酸化物２１３ａ、金属酸化物２１３ｂ、金属酸化物２１３ｅ、導電体２１６ａ、導電体２１６ｂ、絶縁体２３０および導電体２３１を有する。
トランジスタ１０２は、導電体２１６ａ、導電体２１６ｂおよび金属酸化物２１３ｂの上面が、概略一致する形状を示しているため、金属酸化物２１３ｅおよび絶縁体２３０を、平坦な面に形成することができる。それにより、ゲート絶縁体として機能する絶縁体２３０のリーク電流を低減させることができる。
導電体２３１は、トランジスタ１０２のゲート電極としての機能を有する。また、導電体２１６ａおよび導電体２１６ｂは、トランジスタ１０２のソース電極およびドレイン電極のいずれか一方としての機能を有する。また、絶縁体２３０は、ゲート絶縁体としての機能を有する。
トランジスタ１０２は、導電体２１６ａ、導電体２１６ｂおよび金属酸化物２１３ｂの上面が、概略一致する形状を示しているが、これに限られない。導電体２１６ａおよび導電体２１６ｂの上面が、金属酸化物２１３ｂより下がっている形状でもよく、また導電体２１６ａおよび導電体２１６ｂの上面が、金属酸化物２１３ｂより上がっている形状でもよい。
図１６に示すトランジスタ１０２の作製方法について、図１７乃至図１９を用いて説明する。
図１７（Ａ）、図１８（Ａ）および図１９（Ａ）は、本実施の形態におけるトランジスタ１０２の作製方法を説明する上面図である。各上面図には、一点鎖線Ａ１−Ａ２および一点鎖線Ａ３−Ａ４が記され、それに対応した断面図を１７（Ｂ）、図１７（Ｃ）、図１８（Ｂ）、図１８（Ｃ）、図１９（Ｂ）および図１９（Ｃ）に示す。なお、他の実施の形態における同一の符号については、その説明を参照する。
まずは、実施の形態１における図４までと、同様にして工程を行う。
次に、導電体を成膜する。次に、金属酸化物２１３ｂの一部を露出させるように、例えば化学的機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理、ドライエッチング処理などによって、導電体を上面から除去し、導電体２１６ｃを形成する（図１７参照。）。
次に、導電体２１６ｃ上にレジストなどを形成し、該レジストを用いて加工し、導電体２１６ａ、導電体２１６ｂを形成する（図１８参照。）。
次に、実施の形態１の金属酸化物２１４と同様に金属酸化物２３２を成膜し、金属酸化物２３２上に、実施の形態１の絶縁体２２２と同様に絶縁体２３３を成膜し、絶縁体２３３上に、実施の形態１の導電体２２４と同様に導電体２３４を成膜する（図１９参照。）。
次に、導電体２３４上にレジストなどを形成し、該レジストを用いて加工し、導電体２３１を形成する。また、該レジストまたは導電体２３１を用いて絶縁体２３３を加工し、絶縁体２３０を形成する。また、該レジスト、導電体２３１または絶縁体２３０を用いて金属酸化物２３２を加工し、金属酸化物２１３ｅを形成する。
以上の工程により、図１６に示す本発明の一態様に係るトランジスタ１０２を作製することができる。
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１および実施の形態２で示したトランジスタとは一部異なるトランジスタおよびその作製方法について説明する。本実施の形態におけるトランジスタは、ゲート電極として機能する導電体の形成方法が、実施の形態１におけるトランジスタとは異なる。
図２０に、本発明の一態様に係るトランジスタ１０３を示す。図２０（Ａ）は、トランジスタ１０３の上面図を示す。図２０（Ｂ）は、図２０（Ａ）における一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応した断面図であり、チャネル長方向の断面形状を示す。図２０（Ｃ）は、図２０（Ａ）における一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応した断面図であり、チャネル幅方向の断面形状を示す。トランジスタ１０３は、基板２０１、絶縁体２０５、金属酸化物２１３ａ、金属酸化物２１３ｂ、金属酸化物２１３ｆ、導電体２１７ａ、導電体２１７ｂ、絶縁体２３８、導電体２４０および絶縁体２３６を有する。
トランジスタ１０３は、絶縁体２３６に開口部を形成し、該開口部にゲート電極として機能する導電体２４０を形成させている。このようにゲート電極を設けることによって、ゲート電極と、ソース電極およびドレイン電極との寄生容量を低減させることができる。
導電体２４０は、トランジスタ１０３のゲート電極としての機能を有する。また、導電体２１７ａおよび導電体２１７ｂは、トランジスタ１０３のソース電極およびドレイン電極のいずれか一方としての機能を有する。また、絶縁体２３８は、ゲート絶縁体としての機能を有する。
図２０に示すトランジスタ１０３の作製方法について、図２１および図２２を用いて説明する。
図２１（Ａ）および図２２（Ａ）は、本実施の形態におけるトランジスタ１０３の作製方法を説明する上面図である。各上面図には、一点鎖線Ａ１−Ａ２および一点鎖線Ａ３−Ａ４が記され、それに対応した断面図を図２１（Ｂ）、図２１（Ｃ）、図２２（Ｂ）および図２２（Ｃ）に示す。なお、他の実施の形態における同一の符号については、その説明を参照する。
まずは、実施の形態１における図４までと、同様にして工程を行う。
次に、導電体を成膜する。該導電体は、実施の形態１における導電体２１５ａおよび導電体２１５ｂと同様に形成すればよい。
次に、該導電体上にレジストなどを形成し、該レジストを用いて加工し、導電体２１７ｃを形成する。
次に、導電体２１７ｃ上に絶縁体２３７を形成する（図２１参照。）。絶縁体２３７の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
絶縁体２３７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。例えば、絶縁体２３７としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。
絶縁体２３７は、上面が平坦性を有するように形成してもよい。例えば、絶縁体２３７は、成膜直後に上面が平坦性を有していてもよい。または、例えば、絶縁体２３７は、成膜後に基板裏面などの基準面と平行になるよう絶縁体などを上面から除去していくことで平坦性を有してもよい。このような処理を、平坦化処理と呼ぶ。平坦化処理としては、化学的機械研磨（ＣＭＰ）処理、ドライエッチング処理などがある。ただし、絶縁体２３７の上面が平坦性を有さなくても構わない。
次に、絶縁体２３７上にレジストなどを形成し、金属酸化物２１３ｂの一部が露出するように、該レジストを用いて絶縁体２３７および導電体２１７ｃを選択的に加工することによって、絶縁体２３６、導電体２１７ａおよび導電体２１７ｂを形成する。
なお、絶縁体２３７および導電体２１７ｃの加工は、一括で行ってもよいし、それぞれ分割で行ってもよい。
次に、金属酸化物２１３ｉを成膜する。金属酸化物２１３ｉの成膜は、実施の形態１の金属酸化物２１４と同様にして行えばよい。
次に、絶縁体２３９を成膜する。絶縁体２３９の成膜は、実施の形態１の絶縁体２２２と同様にして行えばよい。
次に、導電体２４４を成膜する。導電体２４４の成膜は、実施の形態１の導電体２２４と同様にして行えばよい（図２２参照。）。
次に、導電体２４４上にレジストなどを形成し、該レジストを用いて加工し、導電体２４０を形成する。また、該レジストまたは導電体２４０を用いて絶縁体２３９を加工し、絶縁体２３８を形成する。また、該レジスト、導電体２４０または絶縁体２３８を用いて金属酸化物２１３ｉを加工し、金属酸化物２１３ｆを形成する。
以上の工程により、図２０に示す本発明の一態様に係るトランジスタ１０３を作製することができる。
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態１乃至実施の形態３で示したトランジスタとは一部異なるトランジスタについて説明する。本実施の形態におけるトランジスタは、チャネル形成領域を有する金属酸化物の形成方法が、実施の形態１におけるトランジスタとは異なる。
図２３に、本発明の一態様に係るトランジスタ１０４を示す。図２３（Ａ）は、トランジスタ１０４の上面図を示す。図２３（Ｂ）は、図２３（Ａ）における一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応した断面図であり、チャネル長方向の断面形状を示す。図２３（Ｃ）は、図２３（Ａ）における一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応した断面図であり、チャネル幅方向の断面形状を示す。トランジスタ１０４は、基板２０１、導電体２０２、絶縁体２０５、金属酸化物２１３ｈ、金属酸化物２１３ｄ、金属酸化物２１３ａ、金属酸化物２１３ｂ、金属酸化物２１３ｃ、導電体２１５ａ、導電体２１５ｂ、絶縁体２２３および導電体２２５を有する。
導電体２２５は、トランジスタ１０４の第１のゲート電極（フロントゲート電極ともいう。）としての機能を有する。導電体２０２は、トランジスタ１０４の第２のゲート電極（バックゲート電極ともいう。）としての機能を有する。また、導電体２１５ａおよび導電体２１５ｂは、トランジスタ１０４のソース電極およびドレイン電極のいずれか一方としての機能を有する。また、絶縁体２２３は、ゲート絶縁体としての機能を有する。
金属酸化物２１３ｈ、金属酸化物２１３ａおよび金属酸化物２１３ｃは、絶縁体として機能する。金属酸化物２１３ｄおよび金属酸化物２１３ｂは、半導体として機能し、トランジスタ１０４におけるチャネル形成領域を有する。特に、金属酸化物２１３ｄおよび金属酸化物２１３ｂは、酸化物半導体を用いることが好ましい。
金属酸化物２１３ｂは、金属酸化物２１３ａの上面および側面と接する領域を有している。また、金属酸化物２１３ｄは、金属酸化物２１３ａの下面と接する領域を有している。それにより、金属酸化物２１３ａの上面および側面と接する金属酸化物２１３ｂ、ならびに金属酸化物２１３ａの下面と接する金属酸化物２１３ｄにおいて、チャネルが形成される。このように、複数のチャネル形成領域を有することによって、高いオン電流を得ることができる。
また、絶縁体として機能する金属酸化物２１３ｈ、金属酸化物２１３ａおよび金属酸化物２１３ｃに挟まれて、半導体として機能する金属酸化物２１３ｄおよび金属酸化物２１３ｂを形成させることによって、前述したように埋め込みチャネル構造を形成することができる。
また、金属酸化物２１３ｈ、金属酸化物２１３ｄ、金属酸化物２１３ａ、金属酸化物２１３ｂおよび金属酸化物２１３ｃは、単層で形成してもよく、また２層以上の積層により形成してもよい。
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態５）
＜記憶装置１＞本発明の一態様に係るトランジスタを用いた、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置（記憶装置）の一例を図２４に示す。
図２４（Ａ）に示す半導体装置は、第１の半導体を用いたトランジスタ３２００と第２の半導体を用いたトランジスタ３３００、および容量素子３４００を有している。なお、トランジスタ３３００としては、上述したトランジスタを用いることができる。
トランジスタ３３００は、オフ電流の小さいトランジスタが好ましい。トランジスタ３３００は、例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタを用いることができる。トランジスタ３３００のオフ電流が小さいことにより、半導体装置の特定のノードに長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、またはリフレッシュ動作の頻度が極めて少なくすることが可能となるため、消費電力の低い半導体装置となる。
図２４（Ａ）において、第１の配線３００１はトランジスタ３２００のソースと電気的に接続され、第２の配線３００２はトランジスタ３２００のドレインと電気的に接続される。また、第３の配線３００３はトランジスタ３３００のソース、ドレインの一方と電気的に接続され、第４の配線３００４はトランジスタ３３００のゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ３２００のゲート、およびトランジスタ３３００のソース、ドレインの他方は、容量素子３４００の電極の一方と電気的に接続され、第５の配線３００５は容量素子３４００の電極の他方と電気的に接続されている。
図２４（Ａ）に示す半導体装置は、トランジスタ３２００のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第４の配線３００４の電位を、トランジスタ３３００が導通状態となる電位にして、トランジスタ３３００を導通状態とする。これにより、第３の配線３００３の電位が、トランジスタ３２００のゲート、および容量素子３４００の電極の一方と電気的に接続するノードＦＧに与えられる。即ち、トランジスタ３２００のゲートには、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下Ｌｏｗレベル電荷、Ｈｉｇｈレベル電荷という。）のどちらかが与えられるものとする。その後、第４の配線３００４の電位を、トランジスタ３３００が非導通状態となる電位にして、トランジスタ３３００を非導通状態とすることにより、ノードＦＧに電荷が保持される（保持）。
トランジスタ３３００のオフ電流が小さいため、ノードＦＧの電荷は長期間にわたって保持される。
次に情報の読み出しについて説明する。第１の配線３００１に所定の電位（定電位）を与えた状態で、第５の配線３００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、第２の配線３００２は、ノードＦＧに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ３２００をｎチャネル型とすると、トランジスタ３２００のゲートにＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタ３２００のゲートにＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ３２００を「導通状態」とするために必要な第５の配線３００５の電位をいうものとする。したがって、第５の配線３００５の電位をＶｔｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ０とすることにより、ノードＦＧに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、ノードＦＧにＨｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ３２００は「導通状態」となる。一方、ノードＦＧにＬｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ０（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ３２００は「非導通状態」のままである。このため、第２の配線３００２の電位を判別することで、ノードＦＧに保持されている情報を読み出すことができる。
なお、メモリセルをアレイ状に配置する場合、読み出し時には、所望のメモリセルの情報を読み出さなくてはならない。例えば、情報を読み出さないメモリセルにおいては、ノードＦＧに与えられた電荷によらずトランジスタ３２００が「非導通状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｈより低い電位を第５の配線３００５に与えることで所望のメモリセルの情報のみを読み出せる構成とすればよい。。または、情報を読み出さないメモリセルにおいては、ノードＦＧに与えられた電荷によらずトランジスタ３２００が「導通状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｌより高い電位を第５の配線３００５に与えることで所望のメモリセルの情報のみを読み出せる構成とすればよい。
＜半導体装置の構造２＞図２５は、図２４（Ａ）に対応する半導体装置の断面図である。図２５に示す半導体装置は、トランジスタ３２００と、トランジスタ３３００と、容量素子３４００と、を有する。また、トランジスタ３３００および容量素子３４００は、トランジスタ３２００の上方に配置する。なお、トランジスタ３３００としては、図１に示したトランジスタを用いた例を示しているが、本発明の一態様に係る半導体装置は、これに限定されるものではない。よって適宜上述したトランジスタについての記載を参酌する。
また、図２５に示すトランジスタ３２００は、半導体基板４５０を用いたトランジスタである。トランジスタ３２００は、半導体基板４５０中の領域４７４ａと、半導体基板４５０中の領域４７４ｂと、絶縁体４６２と、導電体４５４と、を有する。
トランジスタ３２００において、領域４７４ａおよび領域４７４ｂは、ソース領域およびドレイン領域としての機能を有する。また、絶縁体４６２は、ゲート絶縁体としての機能を有する。また、導電体４５４は、ゲート電極としての機能を有する。したがって、導電体４５４に印加する電位によって、チャネル形成領域の抵抗を制御することができる。即ち、導電体４５４に印加する電位によって、領域４７４ａと領域４７４ｂとの間の導通・非導通を制御することができる。
半導体基板４５０としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などを用いればよい。好ましくは、半導体基板４５０として単結晶シリコン基板を用いる。
半導体基板４５０は、ｎ型の導電型を付与する不純物を有する半導体基板を用いる。ただし、半導体基板４５０として、ｐ型の導電型を付与する不純物を有する半導体基板を用いても構わない。その場合、トランジスタ３２００となる領域には、ｎ型の導電型を付与する不純物を有するウェルを配置すればよい。または、半導体基板４５０がｉ型であっても構わない。
半導体基板４５０の上面は、（１１０）面を有することが好ましい。こうすることで、トランジスタ３２００のオン特性を向上させることができる。
領域４７４ａおよび領域４７４ｂは、ｐ型の導電型を付与する不純物を有する領域である。このようにして、トランジスタ３２００はｐチャネル型トランジスタを構成する。
トランジスタ３２００がｐチャネル型トランジスタである場合について説明したが、トランジスタ３２００がｎチャネル型トランジスタであっても構わない。
なお、トランジスタ３２００は、領域４６０などによって隣接するトランジスタと分離される。領域４６０は、絶縁性を有する領域である。
図２５に示す半導体装置は、絶縁体４６４と、絶縁体４６６と、絶縁体４６８と、絶縁体４７０と、絶縁体４７２と、絶縁体４７５と、絶縁体４０２と、絶縁体４１０と、絶縁体４２８と、絶縁体４６５と、絶縁体４６７と、絶縁体４６９と、導電体４８０ａと、導電体４８０ｂと、導電体４８０ｃと、導電体４７８ａと、導電体４７８ｂと、導電体４７８ｃと、導電体４７６ａと、導電体４７６ｂと、導電体４７６ｃと、導電体４７９ａと、導電体４７９ｂと、導電体４７９ｃと、導電体４７７ａと導電体４７７ｂと、導電体４７７ｃと、導電体４８４ａと、導電体４８４ｂと、導電体４８４ｃと、導電体４８４ｄと、導電体４８３ａと、導電体４８３ｂと、導電体４８３ｃと、導電体４８３ｄと、導電体４８５ａと、導電体４８５ｂと、導電体４８５ｃと、導電体４８５ｄと、導電体４８７ａと、導電体４８７ｂと、導電体４８７ｃと、導電体４８８ａと、導電体４８８ｂと、導電体４８８ｃと、導電体４９０ａと、導電体４９０ｂと、導電体４８９ａと、導電体４８９ｂと、導電体４９１ａと、導電体４９１ｂと、導電体４９１ｃと、導電体４９２ａと、導電体４９２ｂと、導電体４９２ｃと、導電体４９４と、金属酸化物４０６ａ、金属酸化物４０６ｂ、金属酸化物４０６ｃと、を有する。なお、金属酸化物４０６ｂは、半導体として機能する。
絶縁体４６４は、トランジスタ３２００上に配置する。また、絶縁体４６６は、絶縁体４６４上に配置する。また、絶縁体４６８は、絶縁体４６６上に配置する。また、絶縁体４７０は、絶縁体４６８上に配置する。また、絶縁体４７２は、絶縁体４７０上に配置する。また、絶縁体４７５は、絶縁体４７２上に配置する。また、トランジスタ３３００は、絶縁体４７５上に配置する。また、絶縁体４２８は、絶縁体４１０上に配置する。また、絶縁体４６５は、絶縁体４２８上に配置される。また、容量素子３４００は、絶縁体４６５上に配置される。また、絶縁体４６９は、容量素子３４００上に配置される。
絶縁体４６４は、領域４７４ａに達する開口部と、領域４７４ｂに達する開口部と、導電体４５４に達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４８０ａ、導電体４８０ｂまたは導電体４８０ｃが埋め込まれている。
また、絶縁体４６６は、導電体４８０ａに達する開口部と、導電体４８０ｂに達する開口部と、導電体４８０ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４７８ａ、導電体４７８ｂまたは導電体４７８ｃが埋め込まれている。
また、絶縁体４６８は、導電体４７８ａに達する開口部と、導電体４７８ｂに達する開口部と、導電体４７８ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４７６ａ、導電体４７６ｂまたは導電体４７６ｃが埋め込まれている。
また、絶縁体４７０は、導電体４７９ａと、導電体４７９ｂと、導電体４７９ｃと、を有する。また、絶縁体４７２は、絶縁体４７０を通って導電体４７９ａに達する開口部と、絶縁体４７０通って導電体４７９ｂに達する開口部と、絶縁体４７０通って導電体４７９ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４７７ａ、導電体４７７ｂまたは導電体４７７ｃが埋め込まれている。
また、絶縁体４７５は、トランジスタ３３００のチャネル形成領域と重なる開口部と、導電体４７７ａに達する開口部と、導電体４７７ｂに達する開口部と、導電体４７７ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４８４ａ、導電体４８４ｂ、導電体４８４ｃまたは導電体４８４ｄが埋め込まれている。
また、導電体４８４ｄは、トランジスタ３３００のボトムゲート電極としての機能を有しても構わない。または、例えば、導電体４８４ｄに一定の電位を印加することで、トランジスタ３３００のしきい値電圧などの電気特性を制御しても構わない。または、例えば、導電体４８４ｄとトランジスタ３３００のトップゲート電極とを電気的に接続しても構わない。こうすることで、トランジスタ３３００のオン電流を大きくすることができる。また、パンチスルー現象を抑制することができるため、トランジスタ３３００の飽和領域における電気特性を安定にすることができる。
また、絶縁体４２８は、絶縁体４１０を通ってトランジスタ３３００のソース電極またはドレイン電極の一方の導電体に達する開口部と、絶縁体４１０を通ってトランジスタ３３００のソース電極またはドレイン電極の他方の導電体に達する開口部と、絶縁体４１０および絶縁体４０２を通って導電体４８４ｂに達する開口部と、トランジスタ３３００のゲート電極の導電体に達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４８３ａ、導電体４８３ｂ、導電体４８３ｃまたは導電体４８３ｄが埋め込まれている。
また、絶縁体４６５は、導電体４８３ａと接する導電体４８５ａと、導電体４８３ｂと接する導電体４８５ｂと、導電体４８３ｃと接する導電体４８５ｃと、導電体４８３ｄと接する導電体４８５ｄと、を有する。また、導電体４８５ａに達する開口部と、導電体４８５ｂに達する開口部と、導電体４８５ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４８７ａ、導電体４８７ｂまたは導電体４８７ｃが埋め込まれている。
また、絶縁体４６７は、導電体４８７ａと接する導電体４８８ａと、導電体４８７ｂと接する導電体４８８ｂと、導電体４８７ｃと接する導電体４８８ｃと、を有する。また、導電体４８８ａに達する開口部と、導電体４８８ｂに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４９０ａまたは導電体４９０ｂが埋め込まれている。また、導電体４８８ｃは容量素子３４００の一方の電極の導電体４９４と接している。
また、絶縁体４６９は、導電体４９０ａと接する導電体４８９ａと、導電体４９０ｂと接する導電体４８９ｂと、を有する。また、導電体４８９ａに達する開口部と、導電体４８９ｂに達する開口部と、容量素子３４００の他方の電極である導電体４９６に達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４９１ａ、導電体４９１ｂまたは導電体４９１ｃが埋め込まれている。
また、絶縁体４６９上には、導電体４９１ａと接する導電体４９２ａと、導電体４９１ｂと接する導電体４９２ｂと、導電体４９１ｃと接する導電体４９２ｃと、を有する。
絶縁体４６４、絶縁体４６６、絶縁体４６８、絶縁体４７０、絶縁体４７２、絶縁体４７５、絶縁体４０２、絶縁体４１０、絶縁体４２８、絶縁体４６５、絶縁体４６７および絶縁体４６９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。例えば、絶縁体４７２としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。
絶縁体４６４、絶縁体４６６、絶縁体４６８、絶縁体４７０、絶縁体４７２、絶縁体４７５、絶縁体４０２、絶縁体４１０、絶縁体４２８、絶縁体４６５、絶縁体４６７または絶縁体４６９の一以上は、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体を有することが好ましい。トランジスタ３３００の近傍に、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体を配置することによって、トランジスタ３３００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をブロック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。
導電体４８０ａと、導電体４８０ｂと、導電体４８０ｃと、導電体４７８ａと、導電体４７８ｂと、導電体４７８ｃと、導電体４７６ａと、導電体４７６ｂと、導電体４７６ｃと、導電体４７９ａと、導電体４７９ｂと、導電体４７９ｃと、導電体４７７ａと導電体４７７ｂと、導電体４７７ｃと、導電体４８４ａと、導電体４８４ｂと、導電体４８４ｃと、導電体４８４ｄと、導電体４８３ａと、導電体４８３ｂと、導電体４８３ｃと、導電体４８３ｄと、導電体４８５ａと、導電体４８５ｂと、導電体４８５ｃと、導電体４８５ｄと、導電体４８７ａと、導電体４８７ｂと、導電体４８７ｃと、導電体４８８ａと、導電体４８８ｂと、導電体４８８ｃと、導電体４９０ａと、導電体４９０ｂと、導電体４８９ａと、導電体４８９ｂと、導電体４９１ａと、導電体４９１ｂと、導電体４９１ｃと、導電体４９２ａと、導電体４９２ｂおよび導電体４９２ｃとしては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
トランジスタ３２００のソースまたはドレインは、導電体４８０ａと、導電体４７８ａと、導電体４７６ａと、導電体４７９ａと、導電体４７７ａと、導電体４８４ａと、導電体４８３ａとを介してトランジスタ３３００のソース電極またはドレイン電極の一方である導電体と電気的に接続する。また、トランジスタ３２００のゲート電極である導電体４５４は、導電体４８０ｃと、導電体４７８ｃと、導電体４７６ｃと、導電体４７９ｃと、導電体４７７ｃと、導電体４８４ｃと、導電体４８３ｃと、を介してトランジスタ３３００のソース電極またはドレイン電極の他方である導電体と電気的に接続する。
容量素子３４００は、トランジスタ３３００のソース電極またはドレイン電極の一方の電極と、導電体４８３ｃと、導電体４８５ｃと、導電体４８７ｃと、導電体４８８ｃと、を介して容量素子３４００の一方の電極と電気的に接続する導電体４９４と、絶縁体４９８と、容量素子３４００の他方の電極である導電体４９６と、を有する。なお、容量素子３４００は、トランジスタ３３００の上方または下方に形成することで、半導体装置の大きさを縮小することができて好適である。
そのほかの構造については、適宜図１などについての記載を参酌することができる。
なお、図２６に示す半導体装置は、図２５に示した半導体装置のトランジスタ３２００の構造が異なるのみである。よって、図２６に示す半導体装置については、図２５に示した半導体装置の記載を参酌する。具体的には、図２６に示す半導体装置は、トランジスタ３２００がＦｉｎ型である場合を示している。トランジスタ３２００をＦｉｎ型とすることにより、実効上のチャネル幅が増大することによりトランジスタ３２００のオン特性を向上させることができる。また、ゲート電極の電界の寄与を高くすることができるため、トランジスタ３２００のオフ特性を向上させることができる。なお、トランジスタ３２００はｐチャネル型トランジスタであってもｎチャネル型トランジスタであっても構わない。
＜記憶装置２＞図２４（Ｂ）に示す半導体装置は、トランジスタ３２００を有さない点で図２４（Ａ）に示した半導体装置と異なる。この場合も図２４（Ａ）に示した半導体装置と同様の動作により情報の書き込みおよび保持動作が可能である。
図２４（Ｂ）に示す半導体装置における、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ３３００が導通状態になると、浮遊状態である第３の配線３００３と容量素子３４００とが導通し、第３の配線３００３と容量素子３４００の間で電荷が再分配される。その結果、第３の配線３００３の電位が変化する。第３の配線３００３の電位の変化量は、容量素子３４００の電極の一方の電位（または容量素子３４００に蓄積された電荷）によって、異なる値をとる。
例えば、容量素子３４００の電極の一方の電位をＶ、容量素子３４００の容量をＣ、第３の配線３００３が有する容量成分をＣＢ、電荷が再分配される前の第３の配線３００３の電位をＶＢ０とすると、電荷が再分配された後の第３の配線３００３の電位は、（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ）／（ＣＢ＋Ｃ）となる。したがって、メモリセルの状態として、容量素子３４００の電極の一方の電位がＶ１とＶ０（Ｖ１＞Ｖ０）の２つの状態をとるとすると、電位Ｖ１を保持している場合の第３の配線３００３の電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ１）／（ＣＢ＋Ｃ））は、電位Ｖ０を保持している場合の第３の配線３００３の電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ０）／（ＣＢ＋Ｃ））よりも高くなることがわかる。
そして、第３の配線３００３の電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができる。
この場合、メモリセルを駆動させるための駆動回路に上記第１の半導体が適用されたトランジスタを用い、トランジスタ３３００として第２の半導体が適用されたトランジスタを駆動回路上に積層して配置する構成とすればよい。
以上に示した半導体装置は、酸化物半導体を用いたオフ電流の小さいトランジスタを適用することで、長期にわたって記憶内容を保持することが可能となる。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、またはリフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力の低い半導体装置を実現することができる。また、電力の供給がない場合（ただし、電位は固定されていることが好ましい）であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
また、該半導体装置は、情報の書き込みに高い電圧が不要であるため、素子の劣化が起こりにくい。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行わないため、絶縁体の劣化といった問題が生じない。即ち、本発明の一態様に係る半導体装置は、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上した半導体装置である。さらに、トランジスタの導通状態、非導通状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作が可能となる。
〔ＣＭＯＳ回路〕図２７（Ａ）に示す回路図は、ｐチャネル型のトランジスタ２２００とｎチャネル型のトランジスタ２１００を直列に接続し、かつそれぞれのゲートを接続した、いわゆるＣＭＯＳ回路の構成を示している。
〔アナログスイッチ〕また図２７（Ｂ）に示す回路図は、トランジスタ２１００とトランジスタ２２００のそれぞれのソースとドレインを接続した構成を示している。このような構成とすることで、いわゆるアナログスイッチとして機能させることができる。
＜ＣＰＵ＞以下では、上述したトランジスタや上述した記憶装置などの半導体装置を含むＣＰＵについて説明する。
図２８は、上述したトランジスタを一部に用いたＣＰＵの一例の構成を示すブロック図である。
図２８に示すＣＰＵは、基板１１９０上に、ＡＬＵ１１９１（ＡＬＵ：Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｌｏｇｉｃ ｕｎｉｔ、演算回路）、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、タイミングコントローラ１１９５、レジスタ１１９６、レジスタコントローラ１１９７、バスインターフェース１１９８、書き換え可能なＲＯＭ１１９９、およびＲＯＭインターフェース１１８９を有している。基板１１９０は、半導体基板、ＳＯＩ基板、ガラス基板などを用いる。ＲＯＭ１１９９およびＲＯＭインターフェース１１８９は、別チップに設けてもよい。もちろん、図２６に示すＣＰＵは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のＣＰＵはその用途によって多種多様な構成を有している。例えば、図２８に示すＣＰＵまたは演算回路を含む構成を一つのコアとし、当該コアを複数含み、それぞれのコアが並列で動作するような構成としてもよい。また、ＣＰＵが内部演算回路やデータバスで扱えるビット数は、例えば８ビット、１６ビット、３２ビット、６４ビットなどとすることができる。
バスインターフェース１１９８を介してＣＰＵに入力された命令は、インストラクションデコーダ１１９３に入力され、デコードされた後、ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５に入力される。
ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行なう。具体的にＡＬＵコントローラ１１９２は、ＡＬＵ１１９１の動作を制御するための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ１１９４は、ＣＰＵのプログラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ１１９７は、レジスタ１１９６のアドレスを生成し、ＣＰＵの状態に応じてレジスタ１１９６の読み出しや書き込みを行なう。
また、タイミングコントローラ１１９５は、ＡＬＵ１１９１、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、およびレジスタコントローラ１１９７の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイミングコントローラ１１９５は、基準クロック信号を元に、内部クロック信号を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号を上記各種回路に供給する。
図２８に示すＣＰＵでは、レジスタ１１９６に、メモリセルが設けられている。レジスタ１１９６のメモリセルとして、上述したトランジスタや記憶装置などを用いることができる。
図２８に示すＣＰＵにおいて、レジスタコントローラ１１９７は、ＡＬＵ１１９１からの指示に従い、レジスタ１１９６における保持動作の選択を行う。即ち、レジスタ１１９６が有するメモリセルにおいて、フリップフロップによるデータの保持を行うか、容量素子によるデータの保持を行うかを、選択する。フリップフロップによるデータの保持が選択されている場合、レジスタ１１９６内のメモリセルへの、電源電圧の供給が行われる。容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き換えが行われ、レジスタ１１９６内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止することができる。
図２９は、レジスタ１１９６として用いることのできる記憶素子の回路図の一例である。記憶素子１２００は、電源遮断で記憶データが揮発する回路１２０１と、電源遮断で記憶データが揮発しない回路１２０２と、スイッチ１２０３と、スイッチ１２０４と、論理素子１２０６と、容量素子１２０７と、選択機能を有する回路１２２０と、を有する。回路１２０２は、容量素子１２０８と、トランジスタ１２０９と、トランジスタ１２１０と、を有する。なお、記憶素子１２００は、必要に応じて、ダイオード、抵抗素子、インダクタなどのその他の素子をさらに有していてもよい。
ここで、回路１２０２には、上述した記憶装置を用いることができる。記憶素子１２００への電源電圧の供給が停止した際、回路１２０２のトランジスタ１２０９のゲートにはＧＮＤ（０Ｖ）、またはトランジスタ１２０９がオフする電位が入力され続ける構成とする。例えば、トランジスタ１２０９のゲートが抵抗等の負荷を介して接地される構成とする。
スイッチ１２０３は、一導電型（例えば、ｎチャネル型）のトランジスタ１２１３を用いて構成され、スイッチ１２０４は、一導電型とは逆の導電型（例えば、ｐチャネル型）のトランジスタ１２１４を用いて構成した例を示す。ここで、スイッチ１２０３の第１の端子はトランジスタ１２１３のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ１２０３の第２の端子はトランジスタ１２１３のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ１２０３はトランジスタ１２１３のゲートに入力される制御信号ＲＤによって、第１の端子と第２の端子の間の導通または非導通（つまり、トランジスタ１２１３の導通状態または非導通状態）が選択される。スイッチ１２０４の第１の端子はトランジスタ１２１４のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ１２０４の第２の端子はトランジスタ１２１４のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ１２０４はトランジスタ１２１４のゲートに入力される制御信号ＲＤによって、第１の端子と第２の端子の間の導通または非導通（つまり、トランジスタ１２１４の導通状態または非導通状態）が選択される。
トランジスタ１２０９のソースとドレインの一方は、容量素子１２０８の一対の電極のうちの一方、およびトランジスタ１２１０のゲートと電気的に接続される。ここで、接続部分をノードＭ２とする。トランジスタ１２１０のソースとドレインの一方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ線）に電気的に接続され、他方は、スイッチ１２０３の第１の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの一方）と電気的に接続される。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）はスイッチ１２０４の第１の端子（トランジスタ１２１４のソースとドレインの一方）と電気的に接続される。スイッチ１２０４の第２の端子（トランジスタ１２１４のソースとドレインの他方）は電源電位ＶＤＤを供給することのできる配線と電気的に接続される。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）と、スイッチ１２０４の第１の端子（トランジスタ１２１４のソースとドレインの一方）と、論理素子１２０６の入力端子と、容量素子１２０７の一対の電極のうちの一方と、は電気的に接続される。ここで、接続部分をノードＭ１とする。容量素子１２０７の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位（ＧＮＤ等）または高電源電位（ＶＤＤ等）が入力される構成とすることができる。容量素子１２０７の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ線）と電気的に接続される。容量素子１２０８の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位（ＧＮＤ等）または高電源電位（ＶＤＤ等）が入力される構成とすることができる。容量素子１２０８の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ線）と電気的に接続される。
なお、容量素子１２０７および容量素子１２０８は、トランジスタや配線の寄生容量等を積極的に利用することによって省略することも可能である。
トランジスタ１２０９のゲートには、制御信号ＷＥが入力される。スイッチ１２０３およびスイッチ１２０４は、制御信号ＷＥとは異なる制御信号ＲＤによって第１の端子と第２の端子の間の導通状態または非導通状態を選択され、一方のスイッチの第１の端子と第２の端子の間が導通状態のとき他方のスイッチの第１の端子と第２の端子の間は非導通状態となる。
トランジスタ１２０９のソースとドレインの他方には、回路１２０１に保持されたデータに対応する信号が入力される。図２９では、回路１２０１から出力された信号が、トランジスタ１２０９のソースとドレインの他方に入力される例を示した。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号は、論理素子１２０６によってその論理値が反転された反転信号となり、回路１２２０を介して回路１２０１に入力される。
なお、図２９では、スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号は、論理素子１２０６および回路１２２０を介して回路１２０１に入力する例を示したがこれに限定されない。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号が、論理値を反転させられることなく、回路１２０１に入力されてもよい。例えば、回路１２０１内に、入力端子から入力された信号の論理値が反転した信号が保持されるノードが存在する場合に、スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号を当該ノードに入力することができる。
また、図２９において、記憶素子１２００に用いられるトランジスタのうち、トランジスタ１２０９以外のトランジスタは、酸化物半導体以外の半導体でなる膜または基板１１９０にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。例えば、シリコン膜またはシリコン基板にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。また、記憶素子１２００に用いられるトランジスタ全てを、チャネルが酸化物半導体で形成されるトランジスタとすることもできる。または、記憶素子１２００は、トランジスタ１２０９以外にも、チャネルが酸化物半導体で形成されるトランジスタを含んでいてもよく、残りのトランジスタは酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板１１９０にチャネルが形成されるトランジスタとすることもできる。
図２９における回路１２０１には、例えばフリップフロップ回路を用いることができる。また、論理素子１２０６としては、例えばインバータやクロックドインバータ等を用いることができる。
本発明の一態様に係る半導体装置では、記憶素子１２００に電源電圧が供給されない間は、回路１２０１に記憶されていたデータを、回路１２０２に設けられた容量素子１２０８によって保持することができる。
また、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジスタはオフ電流が極めて小さい。例えば、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流は、結晶性を有するシリコンにチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流に比べて著しく低い。そのため、当該トランジスタをトランジスタ１２０９として用いることによって、記憶素子１２００に電源電圧が供給されない間も容量素子１２０８に保持された信号は長期間にわたり保たれる。こうして、記憶素子１２００は電源電圧の供給が停止した間も記憶内容（データ）を保持することが可能である。
また、スイッチ１２０３およびスイッチ１２０４を設けることによって、プリチャージ動作を行うことを特徴とする記憶素子であるため、電源電圧供給再開後に、回路１２０１が元のデータを保持しなおすまでの時間を短くすることができる。
また、回路１２０２において、容量素子１２０８によって保持された信号はトランジスタ１２１０のゲートに入力される。そのため、記憶素子１２００への電源電圧の供給が再開された後、容量素子１２０８によって保持された信号を、トランジスタ１２１０の状態（導通状態、または非導通状態）に変換して、回路１２０２から読み出すことができる。それ故、容量素子１２０８に保持された信号に対応する電位が多少変動していても、元の信号を正確に読み出すことが可能である。
このような記憶素子１２００を、プロセッサが有するレジスタやキャッシュメモリなどの記憶装置に用いることで、電源電圧の供給停止による記憶装置内のデータの消失を防ぐことができる。また、電源電圧の供給を再開した後、短時間で電源供給停止前の状態に復帰することができる。よって、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ、または複数の論理回路において、短い時間でも電源停止を行うことができるため、消費電力を抑えることができる。
記憶素子１２００をＣＰＵに用いる例として説明したが、記憶素子１２００は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、カスタムＬＳＩ、ＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）等のＬＳＩ、ＲＦ−ＩＣ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）にも応用可能である。
＜表示装置＞以下では、本発明の一態様に係る表示装置の構成例について説明する。
［構成例］図３０（Ａ）には、本発明の一態様に係る表示装置の上面図を示す。また、図３０（Ｂ）には、本発明の一態様に係る表示装置の画素に液晶素子を用いた場合における画素回路を示す。また、図３０（Ｃ）には、本発明の一態様に係る表示装置の画素に有機ＥＬ素子を用いた場合における画素回路を示す。
画素に用いるトランジスタは、上述したトランジスタを用いることができる。ここでは、ｎチャネル型のトランジスタを用いる例を示す。なお、画素に用いたトランジスタと、同一工程を経て作製したトランジスタを駆動回路として用いても構わない。このように、画素や駆動回路に上述したトランジスタを用いることにより、表示品位が高い、または／および信頼性の高い表示装置となる。
アクティブマトリクス型表示装置の一例を図３０（Ａ）に示す。表示装置の基板５０００上には、画素部５００１、第１の走査線駆動回路５００２、第２の走査線駆動回路５００３、信号線駆動回路５００４が配置される。画素部５００１は、複数の信号線によって信号線駆動回路５００４と電気的に接続され、複数の走査線によって第１の走査線駆動回路５００２、および第２の走査線駆動回路５００３と電気的に接続される。なお、走査線と信号線とによって区切られる領域には、それぞれ表示素子を有する画素が配置されている。また、表示装置の基板５０００は、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の接続部を介して、タイミング制御回路（コントローラ、制御ＩＣともいう）に電気的に接続されている。
第１の走査線駆動回路５００２、第２の走査線駆動回路５００３および信号線駆動回路５００４は、画素部５００１と同じ基板５０００上に形成される。そのため、駆動回路を別途作製する場合と比べて、表示装置を作製するコストを低減することができる。また、駆動回路を別途作製した場合、配線間の接続数が増える。したがって、同じ基板５０００上に駆動回路を設けることで、配線間の接続数を減らすことができ、信頼性の向上、または／および歩留まりの向上を図ることができる。
〔液晶表示装置〕また、画素の回路構成の一例を図３０（Ｂ）に示す。ここでは、ＶＡ型液晶表示装置の画素などに適用することができる画素回路を示す。
この画素回路は、一つの画素に複数の画素電極を有する構成に適用できる。それぞれの画素電極は異なるトランジスタに接続され、各トランジスタは異なるゲート信号で駆動できるように構成されている。これにより、マルチドメイン設計された画素の個々の画素電極に印加する信号を、独立して制御できる。
トランジスタ５０１６の走査線５０１２と、トランジスタ５０１７の走査線５０１３には、異なるゲート信号を与えることができるように分離されている。一方、信号線５０１４は、トランジスタ５０１６とトランジスタ５０１７で共通に用いられている。トランジスタ５０１６とトランジスタ５０１７は上述したトランジスタを適宜用いることができる。これにより、表示品位が高い、または／および信頼性の高い液晶表示装置を提供することができる。
また、トランジスタ５０１６には、第１の画素電極が電気的に接続され、トランジスタ５０１７には、第２の画素電極が電気的に接続される。第１の画素電極と第２の画素電極とは、それぞれ分離されている。なお、第１の画素電極及び第２の画素電極の形状としては、特に限定は無い。例えば、第１の画素電極は、Ｖ字状とすればよい。
トランジスタ５０１６のゲート電極は走査線５０１２と電気的に接続され、トランジスタ５０１７のゲート電極は走査線５０１３と電気的に接続されている。走査線５０１２と走査線５０１３に異なるゲート信号を与えてトランジスタ５０１６とトランジスタ５０１７の動作タイミングを異ならせ、液晶の配向を制御することができる。
また、容量配線５０１０と、誘電体として機能するゲート絶縁体と、第１の画素電極または第２の画素電極と電気的に接続する容量電極とで容量素子を形成してもよい。
マルチドメイン構造は、一画素に第１の液晶素子５０１８と第２の液晶素子５０１９を備える。第１の液晶素子５０１８は第１の画素電極と対向電極とその間の液晶層とで構成され、第２の液晶素子５０１９は第２の画素電極と対向電極とその間の液晶層とで構成される。
なお、本発明の一態様に係る表示装置は、図３０（Ｂ）に示す画素回路に限定されない。例えば、図３０（Ｂ）に示す画素に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ、センサー、または論理回路などを追加してもよい。
〔有機ＥＬ表示装置〕画素の回路構成の他の一例を図３０（Ｃ）に示す。ここでは、有機ＥＬ素子を用いた表示装置の画素構造を示す。
有機ＥＬ素子は、発光素子に電圧を印加することにより、有機ＥＬ素子が有する一対の電極の一方から電子が、他方から正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、電子および正孔が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
図３０（Ｃ）は、画素回路の一例を示す図である。ここでは１つの画素にｎチャネル型のトランジスタを２つ用いる例を示す。なお、ｎチャネル型のトランジスタには、上述したトランジスタを用いることができる。また、当該画素回路は、デジタル時間階調駆動を適用することができる。
適用可能な画素回路の構成およびデジタル時間階調駆動を適用した場合の画素の動作について説明する。
画素５０２０は、スイッチング用トランジスタ５０２１、駆動用トランジスタ５０２２、発光素子５０２４および容量素子５０２３を有する。スイッチング用トランジスタ５０２１は、ゲート電極が走査線５０２６に接続され、第１電極（ソース電極、ドレイン電極の一方）が信号線５０２５に接続され、第２電極（ソース電極、ドレイン電極の他方）が駆動用トランジスタ５０２２のゲート電極に接続されている。駆動用トランジスタ５０２２は、ゲート電極が容量素子５０２３を介して電源線５０２７に接続され、第１電極が電源線５０２７に接続され、第２電極が発光素子５０２４の第１電極（画素電極）に接続されている。発光素子５０２４の第２電極は共通電極５０２８に相当する。共通電極５０２８は、同一基板上に形成される共通電位線と電気的に接続される。
スイッチング用トランジスタ５０２１および駆動用トランジスタ５０２２は上述したトランジスタを用いることができる。これにより、表示品位の高い、または／および信頼性の高い有機ＥＬ表示装置となる。
発光素子５０２４の第２電極（共通電極５０２８）の電位は低電源電位に設定する。なお、低電源電位とは、電源線５０２７に供給される高電源電位より低い電位であり、例えばＧＮＤ、０Ｖなどを低電源電位として設定することができる。発光素子５０２４の順方向のしきい値電圧以上となるように高電源電位と低電源電位を設定し、その電位差を発光素子５０２４に印加することにより、発光素子５０２４に電流を流して発光させる。なお、発光素子５０２４の順方向電圧とは、所望の輝度とする場合の電圧を指しており、少なくとも順方向しきい値電圧を含む。
なお、容量素子５０２３は駆動用トランジスタ５０２２のゲート容量を代用することにより省略できる場合がある。駆動用トランジスタ５０２２のゲート容量については、チャネル形成領域とゲート電極との間で容量が形成されていてもよい。
次に、駆動用トランジスタ５０２２に入力する信号について説明する。電圧入力電圧駆動方式の場合、駆動用トランジスタ５０２２がオンまたはオフの二つの状態となるようなビデオ信号を、駆動用トランジスタ５０２２に入力する。なお、駆動用トランジスタ５０２２を線形領域で動作させるために、電源線５０２７の電圧よりも高い電圧を駆動用トランジスタ５０２２のゲート電極に与える。また、信号線５０２５には、電源線電圧に駆動用トランジスタ５０２２のしきい値電圧Ｖｔｈを加えた値以上の電圧をかける。
アナログ階調駆動を行う場合、駆動用トランジスタ５０２２のゲート電極に発光素子５０２４の順方向電圧に駆動用トランジスタ５０２２のしきい値電圧Ｖｔｈを加えた値以上の電圧をかける。なお、駆動用トランジスタ５０２２が飽和領域で動作するようにビデオ信号を入力し、発光素子５０２４に電流を流す。また、駆動用トランジスタ５０２２を飽和領域で動作させるために、電源線５０２７の電位を、駆動用トランジスタ５０２２のゲート電位より高くする。ビデオ信号をアナログとすることで、発光素子５０２４にビデオ信号に応じた電流を流し、アナログ階調駆動を行うことができる。
なお、本発明の一態様に係る表示装置は、図３０（Ｃ）に示す画素構成に限定されない。例えば、図３０（Ｃ）に示す画素回路にスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサー、トランジスタまたは論理回路などを追加してもよい。
図３０で例示した回路に上述したトランジスタを適用する場合、低電位側にソース電極（第１の電極）、高電位側にドレイン電極（第２の電極）がそれぞれ電気的に接続される構成とする。さらに、制御回路等により第１のゲート電極の電位を制御し、第２のゲート電極にはソース電極に与える電位よりも低い電位など、上記で例示した電位を入力可能な構成とすればよい。
＜撮像装置＞図３１（Ａ）は、本発明の一態様に係る撮像装置２００の例を示す上面図である。撮像装置２００は、画素部２１０と、画素部２１０を駆動するための周辺回路２６０と、周辺回路２７０、周辺回路２８０と、周辺回路２９０と、を有する。画素部２１０は、ｐ行ｑ列（ｐおよびｑは２以上の整数）のマトリクス状に配置された複数の画素２１１を有する。周辺回路２６０、周辺回路２７０、周辺回路２８０および周辺回路２９０は、それぞれ複数の画素２１１に接続し、複数の画素２１１を駆動するための信号を供給する機能を有する。なお、本明細書等において、周辺回路２６０、周辺回路２７０、周辺回路２８０および周辺回路２９０などの全てを指して「周辺回路」または「駆動回路」と呼ぶ場合がある。例えば、周辺回路２６０は周辺回路の一部といえる。
また、撮像装置２００は、光源２９１を有することが好ましい。光源２９１は、検出光Ｐ１を放射することができる。
また、周辺回路は、少なくとも、論理回路、スイッチ、バッファ、増幅回路、または変換回路の１つを有する。また、周辺回路は、画素部２１０を形成する基板上に配置してもよい。また、周辺回路は、その一部または全部をＩＣ等の半導体装置で用いてもよい。なお、周辺回路は、周辺回路２６０、周辺回路２７０、周辺回路２８０および周辺回路２９０のいずれか一以上を省略してもよい。
また、図３１（Ｂ）に示すように、撮像装置２００が有する画素部２１０において、画素２１１を傾けて配置してもよい。画素２１１を傾けて配置することにより、行方向および列方向の画素間隔（ピッチ）を短くすることができる。これにより、撮像装置２００における撮像の品質をより高めることができる。
＜画素の構成例＞撮像装置２００が有する１つの画素２１１を複数の副画素２１２で構成し、それぞれの副画素２１２に特定の波長帯域の光を透過するフィルタ（カラーフィルタ）を組み合わせることで、カラー画像表示を実現するための情報を取得することができる。
図３２（Ａ）は、カラー画像を取得するための画素２１１の一例を示す上面図である。図３２（Ａ）に示す画素２１１は、赤（Ｒ）の波長帯域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２（以下、「副画素２１２Ｒ」ともいう）、緑（Ｇ）の波長帯域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２（以下、「副画素２１２Ｇ」ともいう）および青（Ｂ）の波長帯域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２（以下、「副画素２１２Ｂ」ともいう）を有する。副画素２１２は、フォトセンサとして機能させることができる。
副画素２１２（副画素２１２Ｒ、副画素２１２Ｇ、および副画素２１２Ｂ）は、配線２０９、配線２４７、配線２４８、配線２４９、配線２５０と電気的に接続される。また、副画素２１２Ｒ、副画素２１２Ｇ、および副画素２１２Ｂは、それぞれが独立した配線２５３に接続している。また、本明細書等において、例えばｎ行目の画素２１１に接続された配線２４８および配線２４９を、それぞれ配線２４８［ｎ］および配線２４９［ｎ］と記載する。また、例えばｍ列目の画素２１１に接続された配線２５３を、配線２５３［ｍ］と記載する。なお、図３２（Ａ）において、ｍ列目の画素２１１が有する副画素２１２Ｒに接続する配線２５３を配線２５３［ｍ］Ｒ、副画素２１２Ｇに接続する配線２５３を配線２５３［ｍ］Ｇ、および副画素２１２Ｂに接続する配線２５３を配線２５３［ｍ］Ｂと記載している。副画素２１２は、上記配線を介して周辺回路と電気的に接続される。
また、撮像装置２００は、隣接する画素２１１の、同じ波長帯域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２同士がスイッチを介して電気的に接続する構成を有する。図３２（Ｂ）に、ｎ行（ｎは１以上ｐ以下の整数）ｍ列（ｍは１以上ｑ以下の整数）に配置された画素２１１が有する副画素２１２と、該画素２１１に隣接するｎ＋１行ｍ列に配置された画素２１１が有する副画素２１２の接続例を示す。図３２（Ｂ）において、ｎ行ｍ列に配置された副画素２１２Ｒと、ｎ＋１行ｍ列に配置された副画素２１２Ｒがスイッチ２０６を介して接続されている。また、ｎ行ｍ列に配置された副画素２１２Ｇと、ｎ＋１行ｍ列に配置された副画素２１２Ｇがスイッチ２０７を介して接続されている。また、ｎ行ｍ列に配置された副画素２１２Ｂと、ｎ＋１行ｍ列に配置された副画素２１２Ｂがスイッチ２０３を介して接続されている。
なお、副画素２１２に用いるカラーフィルタは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）に限定されず、それぞれシアン（Ｃ）、黄（Ｙ）およびマゼンダ（Ｍ）の光を透過するカラーフィルタを用いてもよい。１つの画素２１１に３種類の異なる波長帯域の光を検出する副画素２１２を設けることで、フルカラー画像を取得することができる。
または、それぞれ赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２に加えて、黄（Ｙ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２を有する画素２１１を用いてもよい。または、それぞれシアン（Ｃ）、黄（Ｙ）およびマゼンダ（Ｍ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２に加えて、青（Ｂ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２を有する画素２１１を用いてもよい。１つの画素２１１に４種類の異なる波長帯域の光を検出する副画素２１２を設けることで、取得した画像の色の再現性をさらに高めることができる。
また、例えば、図３２（Ａ）において、赤の波長帯域を検出する副画素２１２、緑の波長帯域を検出する副画素２１２、および青の波長帯域を検出する副画素２１２の画素数比（または受光面積比）は、１：１：１でなくても構わない。例えば、画素数比（受光面積比）を赤：緑：青＝１：２：１とするＢａｙｅｒ配列としてもよい。または、画素数比（受光面積比）を赤：緑：青＝１：６：１としてもよい。
なお、画素２１１に設ける副画素２１２は１つでもよいが、２つ以上が好ましい。例えば、同じ波長帯域を検出する副画素２１２を２つ以上設けることで、冗長性を高め、撮像装置２００の信頼性を高めることができる。
また、可視光を吸収または反射して、赤外光を透過するＩＲ（ＩＲ：Ｉｎｆｒａｒｅｄ）フィルタを用いることで、赤外光を検出する撮像装置２００を実現することができる。
また、ＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタ（減光フィルタ）を用いることで、光電変換素子（受光素子）に大光量光が入射した時に生じる出力飽和することを防ぐことができる。減光量の異なるＮＤフィルタを組み合わせて用いることで、撮像装置のダイナミックレンジを大きくすることができる。
また、前述したフィルタ以外に、画素２１１にレンズを設けてもよい。ここで、図３３の断面図を用いて、画素２１１、フィルタ２５４、レンズ２５５の配置例を説明する。レンズ２５５を設けることで、光電変換素子が入射光を効率よく受光することができる。具体的には、図３３（Ａ）に示すように、画素２１１に形成したレンズ２５５、フィルタ２５４（フィルタ２５４Ｒ、フィルタ２５４Ｇおよびフィルタ２５４Ｂ）、および画素回路２０８等を通して光２５６を光電変換素子２２０に入射させる構造とすることができる。
ただし、一点鎖線で囲んだ領域に示すように、矢印で示す光２５６の一部が配線２５７の一部によって遮光されてしまうことがある。したがって、図３３（Ｂ）に示すように光電変換素子２２０側にレンズ２５５およびフィルタ２５４を配置して、光電変換素子２２０が光２５６を効率良く受光させる構造が好ましい。光電変換素子２２０側から光２５６を光電変換素子２２０に入射させることで、検出感度の高い撮像装置２００を提供することができる。
図３３に示す光電変換素子２２０として、ｐｎ型接合またはｐｉｎ型の接合が形成された光電変換素子を用いてもよい。
また、光電変換素子２２０を、放射線を吸収して電荷を発生させる機能を有する物質を用いて形成してもよい。放射線を吸収して電荷を発生させる機能を有する物質としては、セレン、ヨウ化鉛、ヨウ化水銀、ヒ化ガリウム、テルル化カドミウム、カドミウム亜鉛合金等がある。
例えば、光電変換素子２２０にセレンを用いると、可視光や、紫外光、赤外光に加えて、Ｘ線や、ガンマ線といった幅広い波長帯域にわたって光吸収係数を有する光電変換素子２２０を実現できる。
ここで、撮像装置２００が有する１つの画素２１１は、図３３に示す副画素２１２に加えて、第１のフィルタを有する副画素２１２を有してもよい。
＜電子機器＞本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置（代表的にはＤＶＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置）に用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等）、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機（ＡＴＭ）、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図３４に示す。
図３４（Ａ）は携帯型ゲーム機であり、筐体９０１、筐体９０２、表示部９０３、表示部９０４、マイクロフォン９０５、スピーカー９０６、操作キー９０７、スタイラス９０８等を有する。なお、図２９（Ａ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示部９０３と表示部９０４とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。
図３４（Ｂ）は携帯データ端末であり、第１筐体９１１、第２筐体９１２、第１表示部９１３、第２表示部９１４、接続部９１５、操作キー９１６等を有する。第１表示部９１３は第１筐体９１１に設けられており、第２表示部９１４は第２筐体９１２に設けられている。そして、第１筐体９１１と第２筐体９１２とは、接続部９１５により接続されており、第１筐体９１１と第２筐体９１２の間の角度は、接続部９１５により変更が可能である。第１表示部９１３における映像を、接続部９１５における第１筐体９１１と第２筐体９１２との間の角度にしたがって、切り替える構成としてもよい。また、第１表示部９１３および第２表示部９１４の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしてもよい。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。または、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。
図３４（Ｃ）はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体９２１、表示部９２２、キーボード９２３、ポインティングデバイス９２４等を有する。
図３４（Ｄ）は電気冷凍冷蔵庫であり、筐体９３１、冷蔵室用扉９３２、冷凍室用扉９３３等を有する。
図３４（Ｅ）はビデオカメラであり、第１筐体９４１、第２筐体９４２、表示部９４３、操作キー９４４、レンズ９４５、接続部９４６等を有する。操作キー９４４およびレンズ９４５は第１筐体９４１に設けられており、表示部９４３は第２筐体９４２に設けられている。そして、第１筐体９４１と第２筐体９４２とは、接続部９４６により接続されており、第１筐体９４１と第２筐体９４２の間の角度は、接続部９４６により変更が可能である。表示部９４３における映像を、接続部９４６における第１筐体９４１と第２筐体９４２との間の角度にしたがって切り替える構成としてもよい。
図３４（Ｆ）は自動車であり、車体９５１、車輪９５２、ダッシュボード９５３、ライト９５４等を有する。
１００ トランジスタ
１０２ トランジスタ
１０３ トランジスタ
１０４ トランジスタ
２００ 撮像装置
２０１ 基板
２０２ 導電体
２０３ スイッチ
２０５ 絶縁体
２０６ スイッチ
２０７ スイッチ
２０８ 画素回路
２０９ 配線
２１０ 画素部
２１１ 画素
２１２ 副画素
２１２Ｂ 副画素
２１２Ｇ 副画素
２１２Ｒ 副画素
２１３ａ 金属酸化物
２１３ｂ 金属酸化物
２１３ｃ 金属酸化物
２１３ｄ 金属酸化物
２１３ｅ 金属酸化物
２１３ｆ 金属酸化物
２１３ｇ 金属酸化物
２１３ｈ 金属酸化物
２１３ｉ 金属酸化物
２１４ 金属酸化物
２１５ａ 導電体
２１５ｂ 導電体
２１６ａ 導電体
２１６ｂ 導電体
２１６ｃ 導電体
２１７ａ 導電体
２１７ｂ 導電体
２１７ｃ 導電体
２２０ 光電変換素子
２２２ 絶縁体
２２３ 絶縁体
２２４ 導電体
２２５ 導電体
２３０ 絶縁体
２３１ 導電体
２３２ 金属酸化物
２３３ 絶縁体
２３４ 導電体
２３６ 絶縁体
２３７ 絶縁体
２３８ 絶縁体
２３９ 絶縁体
２４０ 導電体
２４１ 絶縁体
２４４ 導電体
２４７ 配線
２４８ 配線
２４９ 配線
２５０ 配線
２５３ 配線
２５４ フィルタ
２５４Ｂ フィルタ
２５４Ｇ フィルタ
２５４Ｒ フィルタ
２５５ レンズ
２５６ 光
２５７ 配線
２６０ 周辺回路
２７０ 周辺回路
２８０ 周辺回路
２９０ 周辺回路
２９１ 光源
４０１ 絶縁体
４０２ 絶縁体
４０６ａ 金属酸化物
４０６ｂ 金属酸化物
４０６ｃ 金属酸化物
４１０ 絶縁体
４２８ 絶縁体
４５０ 半導体基板
４５４ 導電体
４６０ 領域
４６２ 絶縁体
４６４ 絶縁体
４６５ 絶縁体
４６６ 絶縁体
４６７ 絶縁体
４６８ 絶縁体
４６９ 絶縁体
４７０ 絶縁体
４７２ 絶縁体
４７４ａ 領域
４７４ｂ 領域
４７５ 絶縁体
４７６ａ 導電体
４７６ｂ 導電体
４７６ｃ 導電体
４７７ａ 導電体
４７７ｂ 導電体
４７７ｃ 導電体
４７８ａ 導電体
４７８ｂ 導電体
４７８ｃ 導電体
４７９ａ 導電体
４７９ｂ 導電体
４７９ｃ 導電体
４８０ａ 導電体
４８０ｂ 導電体
４８０ｃ 導電体
４８３ａ 導電体
４８３ｂ 導電体
４８３ｃ 導電体
４８３ｄ 導電体
４８４ａ 導電体
４８４ｂ 導電体
４８４ｃ 導電体
４８４ｄ 導電体
４８５ａ 導電体
４８５ｂ 導電体
４８５ｃ 導電体
４８５ｄ 導電体
４８７ａ 導電体
４８７ｂ 導電体
４８７ｃ 導電体
４８８ａ 導電体
４８８ｂ 導電体
４８８ｃ 導電体
４８９ａ 導電体
４８９ｂ 導電体
４９０ａ 導電体
４９０ｂ 導電体
４９１ａ 導電体
４９１ｂ 導電体
４９１ｃ 導電体
４９２ａ 導電体
４９２ｂ 導電体
４９２ｃ 導電体
４９４ 導電体
４９６ 導電体
４９８ 絶縁体
９０１ 筐体
９０２ 筐体
９０３ 表示部
９０４ 表示部
９０５ マイクロフォン
９０６ スピーカー
９０７ 操作キー
９０８ スタイラス
９１１ 筐体
９１２ 筐体
９１３ 表示部
９１４ 表示部
９１５ 接続部
９１６ 操作キー
９２１ 筐体
９２２ 表示部
９２３ キーボード
９２４ ポインティングデバイス
９３１ 筐体
９３２ 冷蔵室用扉
９３３ 冷凍室用扉
９４１ 筐体
９４２ 筐体
９４３ 表示部
９４４ 操作キー
９４５ レンズ
９４６ 接続部
９５１ 車体
９５２ 車輪
９５３ ダッシュボード
９５４ ライト
１１８９ ＲＯＭインターフェース
１１９０ 基板
１１９１ ＡＬＵ
１１９２ ＡＬＵコントローラ
１１９３ インストラクションデコーダ
１１９４ インタラプトコントローラ
１１９５ タイミングコントローラ
１１９６ レジスタ
１１９７ レジスタコントローラ
１１９８ バスインターフェース
１１９９ ＲＯＭ
１２００ 記憶素子
１２０１ 回路
１２０２ 回路
１２０３ スイッチ
１２０４ スイッチ
１２０６ 論理素子
１２０７ 容量素子
１２０８ 容量素子
１２０９ トランジスタ
１２１０ トランジスタ
１２１３ トランジスタ
１２１４ トランジスタ
１２２０ 回路
２１００ トランジスタ
２２００ トランジスタ
３００１ 配線
３００２ 配線
３００３ 配線
３００４ 配線
３００５ 配線
３２００ トランジスタ
３３００ トランジスタ
３４００ 容量素子
５０００ 基板
５００１ 画素部
５００２ 走査線駆動回路
５００３ 走査線駆動回路
５００４ 信号線駆動回路
５０１０ 容量配線
５０１２ ゲート配線
５０１３ ゲート配線
５０１４ ドレイン電極
５０１６ トランジスタ
５０１７ トランジスタ
５０１８ 液晶素子
５０１９ 液晶素子
５０２０ 画素
５０２１ スイッチング用トランジスタ
５０２２ 駆動用トランジスタ
５０２３ 容量素子
５０２４ 発光素子
５０２５ 信号線
５０２６ 走査線
５０２７ 電源線
５０２８ 共通電極
５１００ ペレット
５１２０ 基板
５１６１ 領域

Claims (7)

  1. 基板上の第１の絶縁体と、
    前記第１の絶縁体上の第１の金属酸化物と、
    前記第１の金属酸化物上の第２の金属酸化物と、
    前記第２の金属酸化物上の第１の導電体および第２の導電体と、
    前記第２の金属酸化物、前記第１の導電体および前記第２の導電体上の第３の金属酸化物と、
    前記第３の金属酸化物上の第２の絶縁体と、
    前記第２の絶縁体上の第３の導電体と、を有し、
    前記第２の金属酸化物は、前記第１の金属酸化物の上面および側面と接する領域を有し、
    前記第２の金属酸化物は、チャネル形成領域を有することを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項１において、
    前記第１乃至第３の金属酸化物は、インジウム、亜鉛および元素Ｍ（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）から選ばれた一種以上を有することを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項１または請求項２において、
    前記第１の導電体または前記第２の導電体は、チャネル幅方向の断面形状において、前記第２の金属酸化物の上面および側面と接する領域を有することを特徴とする半導体装置。
  4. 基板上の第１の絶縁体と、
    前記第１の絶縁体上の第１の金属酸化物と、
    前記第１の金属酸化物上の第２の金属酸化物と、
    前記第２の金属酸化物上の第３の金属酸化物と、
    前記第３の金属酸化物上の第４の金属酸化物と、
    前記第４の金属酸化物上の第１の導電体および第２の導電体と、
    前記第４の金属酸化物、前記第１の導電体および前記第２の導電体上の第５の金属酸化物と、
    前記第５の金属酸化物上の第２の絶縁体と、
    前記第２の絶縁体上の第３の導電体と、を有し、
    前記第４の金属酸化物は、前記第３の金属酸化物の上面および側面と接する領域を有し、
    前記第２の金属酸化物および前記第４の金属酸化物は、チャネル形成領域を有することを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項４において、
    前記第１乃至第５の金属酸化物は、インジウム、亜鉛および元素Ｍ（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）から選ばれた一種以上を有することを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項４または請求項５において、
    前記第１の導電体または前記第２の導電体は、チャネル幅方向の断面形状において、前記第４の金属酸化物の上面および側面と接する領域を有することを特徴とする半導体装置。
  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１の絶縁体の下に、さらに第４の導電体を有することを特徴とする半導体装置。
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