(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-07-17
(45)【発行日】2024-07-25
(54)【発明の名称】ディスプレイ
(51)【国際特許分類】
G09G 3/32 20160101AFI20240718BHJP
G09F 9/30 20060101ALI20240718BHJP
G09G 3/20 20060101ALI20240718BHJP
H01L 33/00 20100101ALI20240718BHJP
【ＦＩ】
G09G3/32 A
G09F9/30 338
G09G3/20 611A
G09G3/20 612U
G09G3/20 624B
G09G3/20 641A
G09G3/20 642L
G09G3/20 660U
G09G3/20 670K
H01L33/00 J
【請求項の数】
1
(21)【出願番号】P 2023200484
(22)【出願日】2023-11-28
(62)【分割の表示】P 2019561383の分割
【原出願日】2018-12-11
(65)【公開番号】P2024023416
(43)【公開日】2024-02-21
【審査請求日】2023-12-14
(31)【優先権主張番号】P 2017247227
(32)【優先日】2017-12-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(31)【優先権主張番号】P 2018029746
(32)【優先日】2018-02-22
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000153878
【氏名又は名称】株式会社半導体エネルギー研究所
(72)【発明者】
【氏名】高橋 圭
(72)【発明者】
【氏名】楠 紘慈
(72)【発明者】
【氏名】渡邉 一徳
(72)【発明者】
【氏名】川島 進
(72)【発明者】
【氏名】豊高 耕平
(72)【発明者】
【氏名】山崎 舜平
【審査官】村上 遼太
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１４－２０２７７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－１２０４１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－２１１６４４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－１１１７８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－３５１５０３（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第０３／０３８７９５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第０３／０５２７２８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】中国特許出願公開第１０１２７６５２８（ＣＮ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０９Ｇ ３／００－５／４２
Ｈ０５Ｂ３３／００－３３／２８
４４／００
４５／６０
Ｈ１０Ｋ５０／００－９９／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の画素を有し、前記画素は、第１の表示素子乃至第３の表示素子と、マイクロコントローラと、を有し、
前記第１の表示素子は、第１のマイクロ発光ダイオードを有し、
前記第２の表示素子は、第２のマイクロ発光ダイオードを有し、
前記第３の表示素子は、第３のマイクロ発光ダイオードを有し、
前記マイクロコントローラは、第１のトランジスタ乃至第３のトランジスタと、三角波生成回路と、第１のコンパレータ乃至第３のコンパレータと、第１のスイッチ乃至第３のスイッチと、第１の定電流回路乃至第３の定電流回路と、を有し、
前記第１の定電流回路乃至前記第３の定電流回路の各々は、チャネル形成領域に酸化物半導体を含む第４のトランジスタ及び第５のトランジスタと、チャネル形成領域にシリコンを含む第６のトランジスタ及び第７のトランジスタと、を有し、
前記第１のトランジスタは、オフ状態とすることで前記画素に書き込まれる第１の画像データに応じた第１の電位を保持する機能を有し、
前記第２のトランジスタは、オフ状態とすることで前記画素に書き込まれる第２の画像データに応じた第２の電位を保持する機能を有し、
前記第３のトランジスタは、オフ状態とすることで前記画素に書き込まれる第３の画像データに応じた第３の電位を保持する機能を有し、
前記第１のトランジスタ乃至前記第３のトランジスタのそれぞれは、フロントゲートとバックゲートとを有し、
前記フロントゲートは、前記バックゲートと電気的に接続され、
前記三角波生成回路は、三角波の信号を生成する機能を有し、
前記第１のコンパレータは、前記第１の電位と、前記三角波の信号とに応じた第１の出力信号を生成する機能を有し、
前記第２のコンパレータは、前記第２の電位と、前記三角波の信号とに応じた第２の出力信号を生成する機能を有し、
前記第３のコンパレータは、前記第３の電位と、前記三角波の信号とに応じた第３の出力信号を生成する機能を有し、
前記第１のスイッチは、前記第１の出力信号に応じて前記第１の定電流回路を流れる電流を前記第１の表示素子に流すか否かを制御する機能を有し、
前記第２のスイッチは、前記第２の出力信号に応じて前記第２の定電流回路を流れる電流を前記第２の表示素子に流すか否かを制御する機能を有し、
前記第３のスイッチは、前記第３の出力信号に応じて前記第３の定電流回路を流れる電流を前記第３の表示素子に流すか否かを制御する機能を有し、
前記第１の定電流回路乃至前記第３の定電流回路の各々において、
前記第４のトランジスタは、ソースまたはドレインの一方が、前記第６のトランジスタのソースまたはドレインの一方、前記第６のトランジスタのゲート、及び前記第５のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記第５のトランジスタは、ソースまたはドレインの他方が前記第７のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
前記第５のトランジスタは、ゲートが前記第４のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
前記第６のトランジスタは、ソースまたはドレインの他方が電源電圧の与えられる配線と電気的に接続され、
前記第７のトランジスタは、ソースまたはドレインの一方が前記配線と電気的に接続され、
前記第１の定電流回路において、前記第７のトランジスタは、前記第１のスイッチを介して前記電流を前記第１の表示素子に供給する機能を有し、
前記第２の定電流回路において、前記第７のトランジスタは、前記第２のスイッチを介して前記電流を前記第２の表示素子に供給する機能を有し、
前記第３の定電流回路において、前記第７のトランジスタは、前記第３のスイッチを介して前記電流を前記第３の表示素子に供給する機能を有するディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の一態様は、ディスプレイおよび当該ディスプレイを備えた電子機器に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、マイクロ発光ダイオード（以下、マイクロＬＥＤ（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ））を備えたディスプレイ、照明装置が提案されている（例えば特許文献１）。マイクロＬＥＤを備えたディスプレイは、高輝度化が可能であるため、壁や机に映像を投射して視認すること、屋外での視認性が向上すること、などの利点があり、次世代のディスプレイとして研究開発が活発である。
【0003】
マイクロＬＥＤは、電流密度に比例して輝度が変化する。マイクロＬＥＤは、電流密度に対して色度が多少変化する。特許文献２では、マイクロＬＥＤに対してパルス幅変調（ＰＷＭ：Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御を行う構成について開示している。ＰＷＭ制御を行って駆動することで、良好な色度及び所望の輝度を得ることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】米国特許出願公開第２０１４／０３６７７０５号明細書
【文献】米国特許出願公開第２０１０／０１０２７５２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
マイクロＬＥＤに対してＰＷＭ制御で輝度の制御を行う構成は、良好な色度による表示を行う上で有効である。しかしながら、静止画等の表示を行う場合であっても駆動回路を動作し続ける必要がある。
【0006】
本発明の一態様は、新規なディスプレイおよび当該ディスプレイを備えた電子機器を提供することを課題の一とする。又は、本発明の一態様は、静止画表示時において、消費電力の低減のために駆動回路の動作を停止しても、電流密度に対してマイクロ発光ダイオードの色度変化が小さいディスプレイの提供することを課題の一とする。
【0007】
なお、本発明の一態様は、必ずしも上記の課題の全てを解決する必要はなく、少なくとも一の課題を解決できるものであればよい。また、上記の課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。これら以外の課題は、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の一態様は、複数の画素を有し、画素は、表示素子と、マイクロコントローラと、を有し、表示素子は、マイクロ発光ダイオードを有し、マイクロコントローラは、第１のトランジスタと、三角波生成回路と、コンパレータと、スイッチと、定電流回路と、を有し、第１のトランジスタは、オフ状態とすることで画素に書き込まれるデータに応じた電位を保持する機能を有し、三角波生成回路は、三角波の信号を生成する機能を有し、コンパレータは、電位と、三角波の信号とに応じた出力信号を生成する機能を有し、スイッチは、出力信号に応じて定電流回路を流れる電流を表示素子に流すか否かを制御する機能を有するディスプレイである。
【0009】
本発明の一態様は、複数の画素と、三角波生成回路と、を有し、画素は、表示素子と、マイクロコントローラと、を有し、三角波生成回路は、三角波の信号を生成する機能と、画素に三角波の信号を出力する機能を有し、表示素子は、マイクロ発光ダイオードを有し、マイクロコントローラは、第１のトランジスタと、コンパレータと、スイッチと、定電流回路と、を有し、第１のトランジスタは、オフ状態とすることで画素に書き込まれるデータに応じた電位を保持する機能を有し、コンパレータは、電位と、三角波の信号とに応じた出力信号を生成する機能を有し、スイッチは、出力信号に応じて定電流回路を流れる電流を表示素子に流すか否かを制御する機能を有するディスプレイである。
【0010】
本発明の一態様において、第１のトランジスタは、チャネル形成領域を有する第１の半導体層を有し、第１の半導体層は、酸化物半導体を有するディスプレイが好ましい。
【0011】
本発明の一態様において、コンパレータおよびスイッチは、第２のトランジスタを有し、第２のトランジスタは、チャネル形成領域を有する第２の半導体層を有し、第２の半導体層は、シリコンを有するディスプレイが好ましい。
【0012】
本発明の一態様において、定電流回路は、第３のトランジスタと、第４のトランジスタと、を有し、第３のトランジスタは、チャネル形成領域を有する第３の半導体層を有し、第３の半導体層は、酸化物半導体を有し、第４のトランジスタは、チャネル形成領域を有する第４の半導体層を有し、第４の半導体層は、シリコンを有するディスプレイが好ましい。
【0013】
本発明の一態様において、マイクロ発光ダイオードは、ガリウム窒化物、およびインジウム・窒化ガリウム化合物を有する活性層およびクラッド層を備えた素子であるディスプレイが好ましい。
【0014】
本発明の一態様は、上記ディスプレイを備えた電子機器である。
【0015】
なおその他の本発明の一態様については、以下で述べる実施の形態における説明、及び図面に記載されている。
【発明の効果】
【0016】
本発明の一態様とすることで、新規なディスプレイおよび当該ディスプレイを備えた電子機器を提供することができる。又は、本発明の一態様とすることで、静止画表示時において、消費電力の低減のために駆動回路の動作を停止しても、電流密度に対してマイクロ発光ダイオードの色度変化が小さいディスプレイの提供することができる。
【0017】
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。また、本発明の一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。これら以外の効果は、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】ディスプレイの構成例を説明するブロック図および回路図。
【図2】ディスプレイの構成例を説明する波形図。
【図3】ディスプレイの構成例を説明するブロック図および回路図。
【図4】ディスプレイの構成例を説明する回路図。
【図5】ディスプレイの構成例を説明する回路図。
【図6】ディスプレイの構成例を説明する回路図。
【図7】ディスプレイの構成例を説明する回路図。
【図8】ディスプレイの構成例を説明する回路図。
【図9】半導体装置の断面構造を説明する図。
【図10】ディスプレイの実装例を説明する図。
【図11】ＤＯＳＲＡＭの構成例を示す断面図。
【図12】ディスプレイの応用例を説明する図。
【図13】ディスプレイの応用例を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下の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。
【0020】
なお本明細書等において、「第１」、「第２」、「第３」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものである。従って、構成要素の数を限定するものではない。また、構成要素の順序を限定するものではない。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第１」に言及された構成要素が、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において「第２」に言及された構成要素とすることもありうる。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第１」に言及された構成要素を、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において省略することもありうる。
【0021】
なお図面において、同一の要素または同様な機能を有する要素、同一の材質の要素、あるいは同時に形成される要素等には同一の符号を付す場合があり、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【0022】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様に係るディスプレイの構成例について説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様に係るディスプレイの構成例について説明する。
【0023】
図１（Ａ）は、本発明の一態様のディスプレイのブロック図である。図１（Ａ）に示すディスプレイ１０は、ゲートドライバ１３、ソースドライバ１４、電源回路１５および表示部１１を有する。表示部１１は、複数の画素２０を有する。
【0024】
ゲートドライバ１３は、画素２０を駆動するための信号、例えば走査信号を配線ＧＬに出力する機能を有する。ソースドライバ１４は、画素２０を駆動するための信号、例えば画素データ（画像データ、ビデオデータともいう）を配線ＳＬに出力する機能を有する。電源回路１５は、画素２０を駆動するための電源電圧、例えば電圧ＶＤＤを配線ＶＬに出力する機能を有する。
【0025】
【0026】
マイクロコントローラ３０は、配線ＳＬ、配線ＧＬおよび配線ＶＬに接続される。配線ＳＬは、画像データを画素２０に伝える機能を有する配線である。配線ＧＬは、画素データを画素に書き込む又は保持させるための走査信号を伝える機能を有する配線である。配線ＶＬは、電源電圧ＶＤＤを画素２０に伝える機能を有する配線である。
【0027】
表示素子９０は、マイクロＬＥＤである。マイクロＬＥＤは、例えば、１辺が１０μｍ乃至１００μｍほどの発光ダイオードである。表示素子９０が有する発光ダイオードは、無機材料、例えばガリウム窒化物、およびインジウム・窒化ガリウム化合物を用いることができる。当該構成とすることで、有機材料を用いた表示素子と比べて長寿命化を図ることができる。表示素子９０が有する発光ダイオードは、自発光素子であり優れた黒表示を実現可能であるため、コントラスト比が良好なディスプレイとすることができる。また、表示素子９０は、赤、緑、青といった異なる波長の光を射出可能であるため、カラーフィルタや偏光板を不要としたカラー表示が低消費電力で実現できる。
【0028】
また表示素子９０は、出力電流に対する高速応答が可能であるため、画素に定電流回路を設けてデューティ駆動を行う時間階調方式採用することができる。そのため、表示素子９０に対してパルス幅変調制御を行って駆動することができ、良好な色度で且つ所望の輝度を得ることができる。
【0029】
また表示素子９０は、有機材料を用いた表示素子と比べて発光効率の高いため、屋外での視認性が良好なディスプレイとすることができる。また表示素子９０は、輝度を極めて高くすることができるため、照明として利用することが可能である。
【0030】
マイクロコントローラ３０は、表示素子９０に対して、入力される画素データに応じたＰＷＭ制御による階調表示を行う機能を有する。マイクロコントローラ３０は、画素データを保持する機能を有する。マイクロコントローラ３０が画素データを保持する機能を有することで、画素データを出力する機能を有する回路、例えばソースドライバ１４を、マイクロコントローラ３０で画素データを保持している期間に、機能を間欠的に停止させることが可能となる。
【0031】
マイクロコントローラ３０は、画素データに応じてデューティ比の異なる信号を生成するための回路を有する。マイクロコントローラ３０は、スイッチおよび定電流回路を有する。マイクロコントローラ３０は、内部で生成した信号に応じてスイッチのオンまたはオフを制御する機能を有する。マイクロコントローラ３０はスイッチを間欠的にオンにすることで、定電流回路で生成した電流（Ｉｌｅｄ）を表示素子９０に流す機能を有する。当該構成とすることで、発光素子ＬＥＤごとに異なるＰＷＭ制御を行うことができるため、良好な色度及び所望の輝度を得ることができる。
【0032】
本発明の一態様の構成とすることで、静止画表示時など繰り返しの画素データの書き込みの必要のない期間において、ソースドライバ１４の動作を停止させて消費電力の低減を図ることができるとともに、発光ダイオードである表示素子９０に対してＰＷＭ制御を行うことが可能となるため、色度変化が小さいディスプレイとすることができる。
【0033】
図１（Ｃ）は、図１（Ｂ）に示すマイクロコントローラ３０の構成例を説明するための図である。マイクロコントローラ３０は、トランジスタ３１、容量素子３２、三角波生成回路３３、コンパレータ３４、定電流回路３５、およびスイッチ３６を有する。
【0034】
トランジスタ３１のソース又はドレインの一方は、配線ＳＬに接続される。トランジスタ３１のゲートは、配線ＧＬに接続される。トランジスタ３１のソース又はドレインの他方は、コンパレータ３４の非反転入力端子に接続される。図１（Ｃ）に図示するように、トランジスタ３１のソース又はドレインの他方とコンパレータ３４の非反転入力端子とが接続されるノードをノードＶＳという。ノードＶＳには、容量素子３２が接続される。容量素子３２は、ノードＶＳでの電荷保持特性を高めるためのものであり、省略することが可能である。
【0035】
トランジスタ３１は、オフ時にソースとドレインの間を流れる電流（オフ電流）が低いことが好適である。極めてオフ電流の低いトランジスタを用いることで、ノードＶＳの電位、つまり画素２０に書き込まれた画素データに応じた電位を長時間保持することができる。そのため、トランジスタ３１をサンプル＆ホールド回路として機能させることができる。当該トランジスタ３１には、例えば、金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタ（以下、ＯＳトランジスタ）を用いることができる。金属酸化物としては、Ｉｎと、Ｚｎと、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）と、を有する。ＯＳトランジスタについては、後の実施の形態で詳述する。
【0036】
三角波生成回路３３は、ＰＷＭ制御を行うための、三角波を出力する機能を有する。三角波生成回路３３は、コンパレータ３４の反転入力端子に接続される。図１（Ｃ）に図示するように、三角波生成回路３３とコンパレータ３４の反転入力端子とが接続されるノードをノードＶＴという。
【0037】
コンパレータ３４は、比較回路として機能する。非反転入力端子は、トランジスタ３１のソース又はドレインの一方、つまりノードＶＳと接続され、ノードＶＳの電位が与えられる。反転入力端子は、三角波生成回路３３の三角波を与える配線、つまりノードＶＴと接続され、ノードＶＴの電位が与えられる。出力端子は、ノードＶＳの電位とノードＶＴの電位との大小関係を変化する電位ＶＰＷＭが出力される。つまりコンパレータ３４は、マイクロコントローラ３０に保持した画素データに応じた電位と、三角波の信号と、に応じた出力信号を生成する。
【0038】
定電流回路３５は、定電流源として機能する回路である。定電流回路３５は配線ＶＬに接続される。定電流回路３５はスイッチ３６と直列に接続される。定電流回路３５は、外部から定電流を流すためのデータを書き込んで保持させた状態として定電流を流す構成としてもよいし、内部で電位を生成して該電位に応じた定電流を流す構成としてもよい。
【0039】
スイッチ３６は、定電流回路３５の流す電流を表示素子９０に流す電流Ｉｌｅｄとして流すか否かをオンまたはオフで制御するスイッチとして機能する。スイッチ３６のオンまたはオフは、コンパレータ３４の出力端子の信号によって制御される。
【0040】
三角波生成回路３３、コンパレータ３４、スイッチ３６および定電流回路３５を構成するトランジスタは、シリコンをチャネル形成領域に用いたトランジスタ（Ｓｉトランジスタ）を用いることが好適である。Ｓｉトランジスタとしては、単結晶シリコンを半導体層に有するトランジスタを挙げることができる。Ｓｉトランジスタは、ＯＳトランジスタと比べてオン時にソースとドレインの間を流れる電流（オン電流）が大きい。Ｓｉトランジスタは、ＰＷＭ制御のように高速での動作の切り替えを要するスイッチ３６等の回路への適用が好適である。ただし、本発明の一態様は、これに限定されない。例えば、三角波生成回路３３、コンパレータ３４、スイッチ３６および定電流回路３５を構成するトランジスタを、ＯＳトランジスタとしても良い。
【0041】
三角波生成回路３３、コンパレータ３４、スイッチ３６および定電流回路３５を構成するトランジスタをＳｉトランジスタとすることで、トランジスタ３１を構成するＯＳトランジスタを積層させる構成とすることができる。当該構成とすることで、マイクロコントローラ３０を構成する回路の配置面積を縮小することができる。
【0042】
なお上述した定電流回路３５は、外部から定電流を流すためのデータを書き込んで保持させるためにオフ電流が低いＯＳトランジスタを用いる構成が好適である。当該構成とすることで、ＳｉトランジスタとＯＳトランジスタとを積層させることによる回路の配置面積を縮小することが図れる他、トランジスタ数を削減することができるため、好ましい。
【0043】
図２は、図１（Ａ）乃至（Ｃ）で説明した本発明の一態様のディスプレイの動作を説明するための波形図である。図２では、図１（Ｃ）で図示した配線ＳＬ、配線ＧＬ、ノードＶＳ、ノードＶＴ、コンパレータ３４の出力端子の電位ＶＰＷＭの各波形を図示している。
【0044】
図２に図示するように配線ＳＬには、各行の画素に供給する画素データに相当する電位が与えられる。ノードＶＳには、画素データに相当する電位が保持される。ノードＶＳに保持された電位は、配線ＧＬをＬレベルとすることで保持され続ける。ノードＶＴは、一定の振幅電圧および周波数の三角波による電位が与えられる。ノードＶＳおよびノードＶＴにおける電位の大小関係によって、電位ＶＰＷＭの変化による、パルス幅（デューティ）が決まる。ノードＶＳに保持された電位は、配線ＧＬをＨレベルとすることで更新される。ノードＶＳに保持される電位が更新されることで電位ＶＰＷＭが変化する。電位ＶＰＷＭが変化し、設定した間隔で周期的に電流Ｉｌｅｄが流れることで所望の階調に切り替えることができる。
【0045】
本発明の一態様の構成とすることで、静止画表示時など繰り返しの画素データの書き込みの必要のない期間において、ソースドライバ１４の動作を停止させても画素２０でのＰＷＭ制御に応じた階調表示を行うことができる。そのため、消費電力の低減を図ることができるとともに、色度変化が小さいディスプレイとすることができる。
【0046】
【0047】
図３（Ａ）に示すディスプレイ１０Ａは、ゲートドライバ１３、ソースドライバ１４、電源回路１５、表示部１１、三角波生成回路１６を有する。つまり、図３（Ａ）は、図１（Ａ）乃至（Ｃ）で説明した三角波生成回路３３を表示部１１の外に配置して、三角波生成回路１６とする構成に相当する。表示部１１は、複数の画素２０Ａを有する。
【0048】
図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示す画素２０Ａの構成を説明するための図である。画素２０Ａは、マイクロコントローラ３０Ａおよび表示素子９０を有する。マイクロコントローラ３０Ａは、配線ＳＬ、配線ＧＬ、配線ＶＬ、配線ＴＬに接続される。配線ＴＬは、三角波生成回路３３Ｄが生成する三角波を伝える機能を有する配線である。
【0049】
図３（Ｃ）は、図３（Ｂ）に示すマイクロコントローラ３０Ａの構成例を説明するための図である。マイクロコントローラ３０Ａは、トランジスタ３１、容量素子３２、コンパレータ３４、定電流回路３５、およびスイッチ３６を有する。つまり、図３（Ｃ）は、図１（Ｃ）で説明した三角波生成回路３３が削減された構成に相当する。マイクロコントローラ３０Ａにおいて、三角波は配線ＴＬを介して与えられる。
【0050】
【0051】
図４（Ａ）に示すディスプレイの画素２０Ｂの構成を説明するための図では、ひとつのマイクロコントローラ３０Ｂで３つの表示素子９０＿Ｒ、９０＿Ｇ、９０＿Ｂのそれぞれに供給する電流Ｉｌｅｄ＿Ｒ、Ｉｌｅｄ＿Ｇ、Ｉｌｅｄ＿Ｂを制御する構成を図示している。マイクロコントローラ３０Ｂは、配線ＳＬ、配線ＧＬ＿Ｒ、配線ＧＬ＿Ｇ、配線ＧＬ＿Ｂ、配線ＶＬに接続される。配線ＧＬ＿Ｒ、配線ＧＬ＿Ｇ、配線ＧＬ＿Ｂは、配線ＳＬに与えられる画素データを異なるタイミングでマイクロコントローラ３０Ｂに書き込むための信号が与えられる配線である。
【0052】
図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示すマイクロコントローラ３０Ｂの構成例を説明するための図である。マイクロコントローラ３０Ｂは、図１（Ｃ）で説明した各構成要素、三角波生成回路３３の他、トランジスタ３１＿Ｒ、３１＿Ｇ、３１＿Ｂ、容量素子３２、コンパレータ３４、定電流回路３５、およびスイッチ３６を有する。トランジスタ３１＿Ｒ、３１＿Ｇ、３１＿Ｂは、配線ＧＬ＿Ｒ、配線ＧＬ＿Ｇ、配線ＧＬ＿Ｂによって、異なるタイミングで画素データを書き込むための信号が与えられる。そして、マイクロコントローラ３０Ｂの内の別々のノードＶＳ＿Ｒ、ＶＳ＿Ｇ、ＶＳ＿Ｂに画素データを保持することで、各色に応じた表示素子９０に別々のＰＷＭ制御（ＶＰＷＭ＿Ｒ、ＶＰＷＭ＿Ｇ、ＶＰＷＭ＿Ｂ）を施すことができる。
【0053】
【0054】
図５（Ａ）に示すディスプレイの画素２０Ｃの構成を説明するための図では、ひとつのマイクロコントローラ３０Ｃで３つの表示素子９０＿Ｒ、９０＿Ｇ、９０＿Ｂのそれぞれに供給する電流Ｉｌｅｄ＿Ｒ、Ｉｌｅｄ＿Ｇ、Ｉｌｅｄ＿Ｂを制御する構成を図示している。マイクロコントローラ３０Ｃは、配線ＧＬ、配線ＳＬ＿Ｒ、配線ＳＬ＿Ｇ、配線ＳＬ＿Ｂ、配線ＶＬに接続される。配線ＳＬ＿Ｒ、配線ＳＬ＿Ｇ、配線ＳＬ＿Ｂは、配線ＧＬをＨレベルとするタイミングで別々の画素データをマイクロコントローラ３０Ｃに書き込むための配線である。
【0055】
図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示すマイクロコントローラ３０Ｃの構成例を説明するための図である。マイクロコントローラ３０Ｃは、図１（Ｃ）で説明した各構成要素、三角波生成回路３３の他、複数のトランジスタ３１＿Ｒ、３１＿Ｇ、３１＿Ｂ、容量素子３２、コンパレータ３４、定電流回路３５、およびスイッチ３６を有する。トランジスタ３１＿Ｒ、３１＿Ｇ、３１＿Ｂは、配線ＧＬによって、同じタイミングで配線ＳＬ＿Ｒ、配線ＳＬ＿Ｇ、配線ＳＬ＿Ｂから画素データを書き込むため信号が与えられる。そして、マイクロコントローラ３０Ｃの内の別々のノードＶＳ＿Ｒ、ＶＳ＿Ｇ、ＶＳ＿Ｂに画素データを保持することで、各色に応じた表示素子９０に別々のＰＷＭ制御（ＶＰＷＭ＿Ｒ、ＶＰＷＭ＿Ｇ、ＶＰＷＭ＿Ｂ）を施すことができる。
【0056】
【0057】
図６（Ａ）では、ＯＳトランジスタを用いた定電流回路３５Ａの構成例を示す。図６（Ａ）では、ＯＳトランジスタで構成されるトランジスタ４１、Ｓｉトランジスタで構成されるｐチャネル型のトランジスタ４２、および容量素子４３を図示している。配線ＧＬＰはトランジスタ４１のオンまたはオフを制御する信号が与えられる。配線ＳＬＰはノードＭＮに保持するための信号が与えられる。ノードＭＮは、保持する信号の電位に応じてトランジスタ４２を流れるＩｌｅｄを生成する。容量素子４３は、ノードＭＮに与えられる電荷を保持する。トランジスタ４１をオフ電流が低いＯＳトランジスタとすることで、ノードＭＮのリーク電流による電位の変動を抑制することができる。
【0058】
図６（Ｂ）では、ＯＳトランジスタを用いた定電流回路３５Ｂの構成例を示す。図６（Ｂ）では、ＯＳトランジスタで構成されるトランジスタ４４およびトランジスタ４５、Ｓｉトランジスタで構成されるｐチャネル型のトランジスタ４６およびトランジスタ４７、および容量素子４８を図示している。配線ＧＬＰはトランジスタ４４およびトランジスタ４５のオンまたはオフを制御する信号が与えられる。配線ＳＬＰはノードＭＮに保持するための信号が与えられる。ノードＭＮは、保持する信号の電位に応じてトランジスタ４６を流れるＩｌｅｄを生成する。容量素子４８は、ノードＭＮに与えられる電荷を保持する。トランジスタ４４およびトランジスタ４５をオフ電流が低いＯＳトランジスタとすることで、ノードＭＮのリーク電流による電位の変動を抑制することができる。なお図６（Ｂ）の構成で、トランジスタ４６およびトランジスタ４７はカレントミラーを構成する。そのため、電流プログラミング方式によるデータの書き込みを行うことができ、画素ごとのトランジスタ特性のばらつきの影響を受けにくくすることができる。
【0059】
図７（Ａ）、（Ｂ）では、Ｓｉトランジスタを用いた定電流回路の構成例を示す。図７（Ａ）に図示する定電流回路３５Ｃでは、Ｓｉトランジスタで構成される複数のトランジスタでバンドギャップリファレンス回路５１およびオペアンプ５２等を構成する。バンドギャップリファレンス回路５１によって内部で電位Ｖｃを生成して電流Ｉｌｅｄを生成する。図７（Ａ）の構成は、外部から電位Ｖｃを与える構成とすることで、図７（Ｂ）に図示する定電流回路３５Ｄのようにバンドギャップリファレンス回路５１を省略することができる。
【0060】
【0061】
図８（Ａ）に図示するマイクロコントローラ３０が有するトランジスタ３１＿ＤＧは、トランジスタにバックゲートを設けた構成を有する。当該バックゲートはフロントゲートと電気的に接続されており、オン電流を高める効果を有する。なお図８（Ｂ）に図示するマイクロコントローラ３０が有するトランジスタ３１＿ＢＧのようにバックゲートにフロントゲートと異なる定電位（ＶＢＧ）を供給できる構成としてもよい。当該構成とすることで、トランジスタのしきい値電圧を制御することができる。また、トランジスタがバックゲートを有する構成は、本実施の形態における他の回路、例えば定電流回路にも有効である。
【0062】
本実施の形態は、他の実施の形態等に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【0063】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１で説明したＯＳトランジスタの詳細について説明する。
本実施の形態では、実施の形態１で説明したＯＳトランジスタの詳細について説明する。
【0064】
ＯＳトランジスタに用いる半導体材料としては、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上である金属酸化物を用いることができる。代表的には、インジウムを含む酸化物半導体等であり、例えば、後述するＣＡＡＣ－ＯＳ又はＣＡＣ－ＯＳ等を用いることができる。ＣＡＡＣ－ＯＳは結晶を構成する原子が安定であり、信頼性を重視するトランジスタ等に適する。また、ＣＡＣ－ＯＳは、高移動度特性を示すため、高速駆動を行うトランジスタ等に適する。
【0065】
ＯＳトランジスタはエネルギーギャップが大きいため、極めて低いオフ電流特性を示す。また、ＯＳトランジスタは、インパクトイオン化、アバランシェ降伏、及び短チャネル効果等が生じない等Ｓｉトランジスタとは異なる特徴を有し、信頼性の高い回路を形成することができる。
【0066】
ＯＳトランジスタが有する半導体層は、例えばインジウム、亜鉛及びＭ（アルミニウム、チタン、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、セリウム、スズ、ネオジム又はハフニウム等の金属）を含むＩｎ－Ｍ－Ｚｎ系酸化物で表記される膜とすることができる。
【0067】
半導体層を構成する酸化物半導体がＩｎ－Ｍ－Ｚｎ系酸化物の場合、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物を成膜するために用いるスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比は、Ｉｎ≧Ｍ、Ｚｎ≧Ｍを満たすことが好ましい。このようなスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比として、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：４．１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：７、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：８等が好ましい。なお、成膜される半導体層の原子数比はそれぞれ、上記のスパッタリングターゲットに含まれる金属元素の原子数比のプラスマイナス４０％の変動を含む。
【0068】
半導体層としては、キャリア密度の低い酸化物半導体を用いる。例えば、半導体層は、キャリア密度が１×１０１７／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１３／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１１／ｃｍ３以下、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を用いることができる。そのような酸化物半導体を、高純度真性又は実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。当該酸化物半導体は欠陥準位密度が低く、安定な特性を有する酸化物半導体であるといえる。
【0069】
なお、これらに限られず、必要とするトランジスタの半導体特性及び電気特性（電界効果移動度、しきい値電圧等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とするトランジスタの半導体特性を得るために、半導体層のキャリア密度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。
【0070】
半導体層を構成する酸化物半導体において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸素欠損が増加し、ｎ型化してしまう。このため、半導体層におけるシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【0071】
また、アルカリ金属及びアルカリ土類金属は、酸化物半導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電流が増大してしまうことがある。このため、半導体層におけるアルカリ金属又はアルカリ土類金属の濃度（二次イオン質量分析法により得られる濃度）を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。
【0072】
また、半導体層を構成する酸化物半導体に窒素が含まれていると、キャリアである電子が生じてキャリア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため半導体層における窒素濃度（二次イオン質量分析法により得られる濃度）は、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にすることが好ましい。
【0073】
また、半導体層は、例えば非単結晶構造でもよい。非単結晶構造は、例えば、ｃ軸に配向した結晶を有するＣＡＡＣ－ＯＳ（Ｃ－Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶構造、微結晶構造、又は非晶質構造を含む。非単結晶構造において、非晶質構造は最も欠陥準位密度が高く、ＣＡＡＣ－ＯＳは最も欠陥準位密度が低い。
【0074】
非晶質構造の酸化物半導体膜は、例えば、原子配列が無秩序であり、結晶成分を有さない。又は、非晶質構造の酸化物膜は、例えば、完全な非晶質構造であり、結晶部を有さない。
【0075】
なお、半導体層が、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、ＣＡＡＣ－ＯＳの領域、単結晶構造の領域のうち、二種以上を有する混合膜であってもよい。混合膜は、例えば上述した領域のうち、いずれか二種以上の領域を含む単層構造、又は積層構造を有する場合がある。
【0076】
以下では、非単結晶の半導体層の一態様であるＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）－ＯＳの構成について説明する。
【0077】
ＣＡＣ－ＯＳとは、例えば、酸化物半導体を構成する元素が、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上２ｎｍ以下、又はその近傍のサイズで偏在した材料の一構成である。なお、以下では、酸化物半導体において、一つあるいはそれ以上の金属元素が偏在し、該金属元素を有する領域が、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上２ｎｍ以下、又はその近傍のサイズで混合した状態をモザイク状、又はパッチ状ともいう。
【0078】
なお、酸化物半導体は、少なくともインジウムを含むことが好ましい。特にインジウム及び亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、又はマグネシウム等から選ばれた一種、又は複数種が含まれていてもよい。
【0079】
例えば、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ－ＯＳ（ＣＡＣ－ＯＳの中でもＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物を、特にＣＡＣ－ＩＧＺＯと呼称してもよい。）とは、インジウム酸化物（以下、ＩｎＯＸ１（Ｘ１は０よりも大きい実数）とする。）、又はインジウム亜鉛酸化物（以下、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２（Ｘ２、Ｙ２、及びＺ２は０よりも大きい実数）とする。）と、ガリウム酸化物（以下、ＧａＯＸ３（Ｘ３は０よりも大きい実数）とする。）、又はガリウム亜鉛酸化物（以下、ＧａＸ４ＺｎＹ４ＯＺ４（Ｘ４、Ｙ４、及びＺ４は０よりも大きい実数）とする。）等と、に材料が分離することでモザイク状となり、モザイク状のＩｎＯＸ１、又はＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２が、膜中に均一に分布した構成（以下、クラウド状ともいう。）である。
【0080】
つまり、ＣＡＣ－ＯＳは、ＧａＯＸ３が主成分である領域と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、又はＩｎＯＸ１が主成分である領域とが、混合している構成を有する複合酸化物半導体である。なお、本明細書において、例えば、第１の領域の元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、第２の領域の元素Ｍに対するＩｎの原子数比よりも大きいことを、第１の領域は、第２の領域と比較して、Ｉｎの濃度が高いとする。
【0081】
なお、ＩＧＺＯは通称であり、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、及びＯによる１つの化合物をいう場合がある。代表例として、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ１（ｍ１は自然数）、又はＩｎ（１＋ｘ０）Ｇａ（１－ｘ０）Ｏ３（ＺｎＯ）ｍ０（－１≦ｘ０≦１、ｍ０は任意数）で表される結晶性の化合物が挙げられる。
【0082】
上記結晶性の化合物は、単結晶構造、多結晶構造、又はＣＡＡＣ構造を有する。なお、ＣＡＡＣ構造とは、複数のＩＧＺＯのナノ結晶がｃ軸配向を有し、かつａ－ｂ面においては配向せずに連結した結晶構造である。
【0083】
一方、ＣＡＣ－ＯＳは、酸化物半導体の材料構成に関する。ＣＡＣ－ＯＳとは、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、及びＯを含む材料構成において、一部にＧａを主成分とするナノ粒子状に観察される領域と、一部にＩｎを主成分とするナノ粒子状に観察される領域とが、それぞれモザイク状にランダムに分散している構成をいう。したがって、ＣＡＣ－ＯＳにおいて、結晶構造は副次的な要素である。
【0084】
なお、ＣＡＣ－ＯＳは、組成の異なる二種類以上の膜の積層構造は含まないものとする。例えば、Ｉｎを主成分とする膜と、Ｇａを主成分とする膜との２層からなる構造は、含まない。
【0085】
なお、ＧａＯＸ３が主成分である領域と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、又はＩｎＯＸ１が主成分である領域とは、明確な境界が観察できない場合がある。
【0086】
なお、ガリウムの代わりに、アルミニウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、又はマグネシウム等から選ばれた一種、又は複数種が含まれている場合、ＣＡＣ－ＯＳは、一部に該金属元素を主成分とするナノ粒子状に観察される領域と、一部にＩｎを主成分とするナノ粒子状に観察される領域とが、それぞれモザイク状にランダムに分散している構成をいう。
【0087】
ＣＡＣ－ＯＳは、例えば基板を加熱しない条件で、スパッタリング法により形成することができる。また、ＣＡＣ－ＯＳをスパッタリング法で形成する場合、成膜ガスとして、不活性ガス（代表的にはアルゴン）、酸素ガス、及び窒素ガスの中から選ばれたいずれか一つ又は複数を用いればよい。また、成膜時の成膜ガスの総流量に対する酸素ガスの流量比は低いほど好ましく、例えば酸素ガスの流量比を０％以上３０％未満、好ましくは０％以上１０％以下とすることが好ましい。
【0088】
ＣＡＣ－ＯＳは、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ－ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）測定法のひとつであるＯｕｔ－ｏｆ－ｐｌａｎｅ法によるθ／２θスキャンを用いて測定したときに、明確なピークが観察されないという特徴を有する。すなわち、Ｘ線回折測定から、測定領域のａ－ｂ面方向、及びｃ軸方向の配向は見られないことが分かる。
【0089】
また、ＣＡＣ－ＯＳは、プローブ径が１ｎｍの電子線（ナノビーム電子線ともいう。）を照射することで得られる電子線回折パターンにおいて、リング状に輝度の高い領域と、該リング領域に複数の輝点が観測される。したがって、電子線回折パターンから、ＣＡＣ－ＯＳの結晶構造が、平面方向、及び断面方向において、配向性を有さないｎｃ（ｎａｎｏ－ｃｒｙｓｔａｌ）構造を有することがわかる。
【0090】
また、例えば、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ－ＯＳでは、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて取得したＥＤＸマッピングにより、ＧａＯＸ３が主成分である領域と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、又はＩｎＯＸ１が主成分である領域とが、偏在し、混合している構造を有することが確認できる。
【0091】
ＣＡＣ－ＯＳは、金属元素が均一に分布したＩＧＺＯ化合物とは異なる構造であり、ＩＧＺＯ化合物と異なる性質を有する。つまり、ＣＡＣ－ＯＳは、ＧａＯＸ３等が主成分である領域と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、又はＩｎＯＸ１が主成分である領域と、に互いに相分離し、各元素を主成分とする領域がモザイク状である構造を有する。
【0092】
ここで、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、又はＩｎＯＸ１が主成分である領域は、ＧａＯＸ３等が主成分である領域と比較して、導電性が高い領域である。つまり、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、又はＩｎＯＸ１が主成分である領域を、キャリアが流れることにより、酸化物半導体としての導電性が発現する。したがって、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、又はＩｎＯＸ１が主成分である領域が、酸化物半導体中にクラウド状に分布することで、高い電界効果移動度（μ）が実現できる。
【0093】
一方、ＧａＯＸ３等が主成分である領域は、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、又はＩｎＯＸ１が主成分である領域と比較して、絶縁性が高い領域である。つまり、ＧａＯＸ３等が主成分である領域が、酸化物半導体中に分布することで、リーク電流を抑制し、良好なスイッチング動作を実現できる。
【0094】
したがって、ＣＡＣ－ＯＳを半導体素子に用いた場合、ＧａＯＸ３等に起因する絶縁性と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、又はＩｎＯＸ１に起因する導電性とが、相補的に作用することにより、高いオン電流（Ｉｏｎ）、及び高い電界効果移動度（μ）を実現することができる。
【0095】
また、ＣＡＣ－ＯＳを用いた半導体素子は、信頼性が高い。したがって、ＣＡＣ－ＯＳは、様々な半導体装置の構成材料として適している。
【0096】
本実施の形態は、他の実施の形態等に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【0097】
（実施の形態３）
本実施の形態では、ＳｉトランジスタとＯＳトランジスタの積層構造を有するマイクロコントローラ３０に適用可能な半導体装置９００の断面構成例について図面を用いて説明する。なお本実施の形態で説明する断面構成例は、上記実施の形態で説明した定電流回路にも適用可能である。
本実施の形態では、ＳｉトランジスタとＯＳトランジスタの積層構造を有するマイクロコントローラ３０に適用可能な半導体装置９００の断面構成例について図面を用いて説明する。なお本実施の形態で説明する断面構成例は、上記実施の形態で説明した定電流回路にも適用可能である。
【0098】
＜半導体装置９００の断面構成例＞
図９に、半導体装置９００の一部の断面を示す。図９に示す半導体装置９００は、基板２３１上に、層３００および層３０１を積層している。図９では、基板２３１として単結晶半導体基板（例えば、単結晶シリコン基板）を用いる場合を示している。層３００に含まれるトランジスタは、ソース、ドレイン、およびチャネルが、基板２３１の一部に形成される。また、層３０１には薄膜トランジスタ（例えば、ＯＳトランジスタ）が含まれる。
図９に、半導体装置９００の一部の断面を示す。図９に示す半導体装置９００は、基板２３１上に、層３００および層３０１を積層している。図９では、基板２３１として単結晶半導体基板（例えば、単結晶シリコン基板）を用いる場合を示している。層３００に含まれるトランジスタは、ソース、ドレイン、およびチャネルが、基板２３１の一部に形成される。また、層３０１には薄膜トランジスタ（例えば、ＯＳトランジスタ）が含まれる。
【0099】
〔層３００〕
図９において、層３００は、基板２３１上にトランジスタ２３３ａ、トランジスタ２３３ｂ、およびトランジスタ２３３ｃを有する。図９では、トランジスタ２３３ａ、トランジスタ２３３ｂ、およびトランジスタ２３３ｃのチャネル長方向の断面を示している。
図９において、層３００は、基板２３１上にトランジスタ２３３ａ、トランジスタ２３３ｂ、およびトランジスタ２３３ｃを有する。図９では、トランジスタ２３３ａ、トランジスタ２３３ｂ、およびトランジスタ２３３ｃのチャネル長方向の断面を示している。
【0100】
前述した通り、トランジスタ２３３ａ、トランジスタ２３３ｂ、およびトランジスタ２３３ｃのチャネルは、基板２３１の一部に形成される。集積回路に高速動作が求められる場合は、基板２３１として単結晶半導体基板を用いることが好ましい。
【0101】
トランジスタ２３３ａ、トランジスタ２３３ｂ、およびトランジスタ２３３ｃは、素子分離層２３２によってそれぞれ電気的に分離される。素子分離層の形成は、ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）法や、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）法などを用いることができる。
【0102】
また、トランジスタ２３３ａ、トランジスタ２３３ｂ、およびトランジスタ２３３ｃ上に絶縁層２３４、絶縁層２３５、絶縁層２３７が設けられ、絶縁層２３７中に電極２３８が埋設されている。電極２３８はコンタクトプラグ２３６を介してトランジスタ２３３ａのソースまたはドレインの一方と電気的に接続されている。
【0103】
また、電極２３８および絶縁層２３７の上に、絶縁層２３９、絶縁層２４０、および絶縁層２４１が設けられ、絶縁層２３９、絶縁層２４０、および絶縁層２４１の中に電極２４２が埋設されている。電極２４２は、電極２３８と電気的に接続される。
【0104】
また、電極２４２および絶縁層２４１の上に、絶縁層２４３、および絶縁層２４４が設けられ、絶縁層２４３、および絶縁層２４４の中に電極２４５が埋設されている。電極２４５は、電極２４２と電気的に接続される。
【0105】
また、電極２４５および絶縁層２４４の上に、絶縁層２４６および絶縁層２４７が設けられ、絶縁層２４６および絶縁層２４７の中に電極２４９が埋設されている。電極２４９は、電極２４５と電気的に接続される。
【0106】
また、電極２４９および絶縁層２４７の上に、絶縁層２４８および絶縁層２５０が設けられ、絶縁層２４８および絶縁層２５０の中に電極２５１が埋設されている。電極２５１は、電極２４９と電気的に接続される。
【0107】
〔層３０１〕
層３０１は、層３００上に設けられる。図９において、層３０１は、トランジスタ３６８ａ、トランジスタ３６８ｂ、容量素子３６９ａ、および容量素子３６９ｂを有する。図９では、トランジスタ３６８ａおよびトランジスタ３６８ｂのチャネル長方向の断面を示している。なお、トランジスタ３６８ａ、およびトランジスタ３６８ｂは、バックゲートを有するトランジスタである。
層３０１は、層３００上に設けられる。図９において、層３０１は、トランジスタ３６８ａ、トランジスタ３６８ｂ、容量素子３６９ａ、および容量素子３６９ｂを有する。図９では、トランジスタ３６８ａおよびトランジスタ３６８ｂのチャネル長方向の断面を示している。なお、トランジスタ３６８ａ、およびトランジスタ３６８ｂは、バックゲートを有するトランジスタである。
【0108】
トランジスタ３６８ａ、およびトランジスタ３６８ｂの半導体層に、金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いる。すなわち、トランジスタ３６８ａ、およびトランジスタ３６８ｂにＯＳトランジスタを用いる。
【0109】
トランジスタ３６８ａ、およびトランジスタ３６８ｂは、絶縁層３６１および絶縁層３６２上に設けられている。また、絶縁層３６２上に絶縁層３６３および絶縁層３６４が設けられている。トランジスタ３６８ａ、およびトランジスタ３６８ｂのバックゲートは、絶縁層３６３および絶縁層３６４中に埋設されている。絶縁層３６４上に、絶縁層３６５および絶縁層３６６が設けられている。また、電極３６７が、絶縁層３６１乃至絶縁層３６６中に埋設されている。電極３６７は、電極２５１と電気的に接続されている。
【0110】
また、トランジスタ３６８ａ、トランジスタ３６８ｂ、容量素子３６９ａ、および容量素子３６９ｂ上に、絶縁層３７１、絶縁層３７２、および絶縁層３７３が形成され、絶縁層３７３上に電極３７５が形成されている。電極３７５はコンタクトプラグ３７４を介して電極３６７と電気的に接続される。
【0111】
また、電極３７５上に、絶縁層３７６、絶縁層３７７、絶縁層３７８、および絶縁層３７９が設けられている。また、電極３８０が、絶縁層３７６乃至絶縁層３７９中に埋設されている。電極３８０は、電極３７５と電気的に接続されている。
【0112】
また、電極３８０および絶縁層３７９の上に、絶縁層３８１および絶縁層３８２が設けられている。絶縁層３８２の上に絶縁層３８３が設けられている。
【0113】
＜構成材料について＞
〔基板〕
基板として用いる材料に大きな制限はないが、少なくとも後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、基板としてシリコンや炭化シリコンなどを材料とした単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどを材料とした化合物半導体基板等を用いることができる。また、ＳＯＩ基板や、半導体基板上に歪トランジスタやＦＩＮ型トランジスタなどの半導体素子が設けられたものなどを用いることもできる。または、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に適用可能なヒ化ガリウム、ヒ化アルミニウムガリウム、ヒ化インジウムガリウム、窒化ガリウム、リン化インジウム、シリコンゲルマニウムなどを用いてもよい。すなわち、基板は、単なる支持基板に限らず、他のトランジスタなどのデバイスが形成された基板であってもよい。
〔基板〕
基板として用いる材料に大きな制限はないが、少なくとも後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、基板としてシリコンや炭化シリコンなどを材料とした単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどを材料とした化合物半導体基板等を用いることができる。また、ＳＯＩ基板や、半導体基板上に歪トランジスタやＦＩＮ型トランジスタなどの半導体素子が設けられたものなどを用いることもできる。または、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に適用可能なヒ化ガリウム、ヒ化アルミニウムガリウム、ヒ化インジウムガリウム、窒化ガリウム、リン化インジウム、シリコンゲルマニウムなどを用いてもよい。すなわち、基板は、単なる支持基板に限らず、他のトランジスタなどのデバイスが形成された基板であってもよい。
【0114】
また、基板として、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることもできる。なお、基板として、可撓性基板（フレキシブル基板）を用いてもよい。可撓性基板を用いる場合、可撓性基板上に、トランジスタや容量素子などを直接作製してもよいし、他の作製基板上にトランジスタや容量素子などを作製し、その後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板とトランジスタや容量素子などとの間に剥離層を設けるとよい。
【0115】
可撓性基板としては、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。基板に用いる可撓性基板は、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。基板に用いる可撓性基板は、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、可撓性基板として好適である。
【0116】
〔絶縁層〕
絶縁層は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化シリコン、酸化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、アルミニウムシリケートなどから選ばれた材料を、単層でまたは積層して用いる。また、酸化物材料、窒化物材料、酸化窒化物材料、窒化酸化物材料のうち、複数の材料を混合した材料を用いてもよい。
絶縁層は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化シリコン、酸化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、アルミニウムシリケートなどから選ばれた材料を、単層でまたは積層して用いる。また、酸化物材料、窒化物材料、酸化窒化物材料、窒化酸化物材料のうち、複数の材料を混合した材料を用いてもよい。
【0117】
なお、本明細書等において、窒化酸化物とは、酸素よりも窒素の含有量が多い化合物をいう。また、酸化窒化物とは、窒素よりも酸素の含有量が多い化合物をいう。なお、各元素の含有量は、例えば、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）等を用いて測定することができる。
【0118】
また、半導体層として金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いる場合は、半導体層中の水素濃度の増加を防ぐために、絶縁層中の水素濃度を低減することが好ましい。具体的には、絶縁層中の水素濃度を、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）において２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。特に、半導体層と接する絶縁層の水素濃度を低減することが好ましい。
【0119】
また、半導体層中の窒素濃度の増加を防ぐために、絶縁層中の窒素濃度を低減することが好ましい。具体的には、絶縁層中の窒素濃度を、ＳＩＭＳにおいて５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【0120】
また、絶縁層の少なくとも半導体層と接する領域は、欠陥が少ないことが好ましく、代表的には、電子スピン共鳴法（ＥＳＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｉｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）で観察されるシグナルが少ない方が好ましい。例えば、上述のシグナルとしては、ｇ値が２．００１に観察されるＥ’センターが挙げられる。なお、Ｅ’センターは、シリコンのダングリングボンドに起因する。例えば、絶縁層として、酸化シリコン層または酸化窒化シリコン層を用いる場合、Ｅ’センター起因のスピン密度が、３×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下である酸化シリコン層または酸化窒化シリコン層を用いればよい。
【0121】
また、上述のシグナル以外に二酸化窒素（ＮＯ２）に起因するシグナルが観察される場合がある。当該シグナルは、Ｎの核スピンにより３つのシグナルに分裂しており、それぞれのｇ値が２．０３７以上２．０３９以下（第１のシグナルとする）、ｇ値が２．００１以上２．００３以下（第２のシグナルとする）、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下（第３のシグナルとする）に観察される。
【0122】
例えば、絶縁層として、二酸化窒素（ＮＯ２）に起因するシグナルのスピン密度が、１×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以上１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満である絶縁層を用いると好適である。
【0123】
なお、二酸化窒素（ＮＯ２）を含む窒素酸化物（ＮＯｘ）は、絶縁層中に準位を形成する。当該準位は、酸化物半導体層のエネルギーギャップ内に位置する。そのため、窒素酸化物（ＮＯｘ）が、絶縁層と酸化物半導体層の界面に拡散すると、当該準位が絶縁層側において電子をトラップする場合がある。この結果、トラップされた電子が、絶縁層と酸化物半導体層の界面近傍に留まるため、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向にシフトさせてしまう。したがって、絶縁層として窒素酸化物の含有量が少ない膜を用いると、トランジスタのしきい値電圧のシフトを低減することができる。
【0124】
窒素酸化物（ＮＯｘ）の放出量が少ない絶縁層としては、例えば、酸化窒化シリコン層を用いることができる。当該酸化窒化シリコン層は、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）において、窒素酸化物（ＮＯｘ）の放出量よりアンモニアの放出量が多い膜であり、代表的にはアンモニアの放出量が１×１０１８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下である。なお、上記のアンモニアの放出量は、ＴＤＳにおける加熱処理の温度が５０℃以上６５０℃以下、または５０℃以上５５０℃以下の範囲での総量である。
【0125】
窒素酸化物（ＮＯｘ）は、加熱処理においてアンモニア及び酸素と反応するため、アンモニアの放出量が多い絶縁層を用いることで窒素酸化物（ＮＯｘ）が低減される。
【0126】
また、酸化物半導体層に接する絶縁層のうち少なくとも１つは、加熱により酸素が放出される絶縁層を用いて形成することが好ましい。具体的には、絶縁層の表面温度が１００℃以上７００℃以下、好ましくは１００℃以上５００℃以下の加熱処理で行われるＴＤＳにて、酸素原子に換算した酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、または１．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である絶縁層を用いることが好ましい。なお、本明細書などにおいて、加熱により放出される酸素を「過剰酸素」ともいう。
【0127】
また、過剰酸素を含む絶縁層は、絶縁層に酸素を添加する処理を行って形成することもできる。酸素を添加する処理は、酸化性雰囲気下における熱処理やプラズマ処理などで行なうことができる。または、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法などを用いて酸素を添加してもよい。酸素を添加する処理に用いるガスとしては、１６Ｏ２もしくは１８Ｏ２などの酸素ガス、亜酸化窒素ガス、またはオゾンガスなどの、酸素を含むガスが挙げられる。なお、本明細書では酸素を添加する処理を「酸素ドープ処理」ともいう。酸素ドープ処理は、基板を加熱して行なってもよい。
【0128】
また、絶縁層として、ポリイミド、アクリル系樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ系樹脂等の、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ－ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁層を複数積層させることで、絶縁層を形成してもよい。
【0129】
なおシロキサン系樹脂とは、シロキサン系材料を出発材料として形成されたＳｉ－Ｏ－Ｓｉ結合を含む樹脂に相当する。シロキサン系樹脂は置換基としては有機基（例えばアルキル基やアリール基）やフルオロ基を用いても良い。また、有機基はフルオロ基を有していても良い。
【0130】
絶縁層の形成方法は、特に限定されない。なお、絶縁層に用いる材料によっては焼成工程が必要な場合がある。この場合、絶縁層の焼成工程と他の熱処理工程を兼ねることで、効率よくトランジスタを作製することが可能となる。
【0131】
〔電極〕
電極を形成するための導電性材料としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウムなどから選ばれた金属元素を１種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
電極を形成するための導電性材料としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウムなどから選ばれた金属元素を１種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
【0132】
また、前述した金属元素および酸素を含む導電性材料を用いてもよい。また、前述した金属元素および窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、窒化チタン、窒化タンタルなどの窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、インジウムガリウム亜鉛酸化物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。
【0133】
また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、窒素を含む導電性材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。
【0134】
なお、半導体層に酸化物半導体を用いて、ゲート電極として前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造を用いる場合は、酸素を含む導電性材料を半導体層側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料を半導体層側に設けることで、当該導電性材料から離脱した酸素が半導体層に供給されやすくなる。
【0135】
なお、電極としては、例えば、タングステン、ポリシリコン等の埋め込み性の高い導電性材料を用いればよい。また、埋め込み性の高い導電性材料と、チタン層、窒化チタン層、窒化タンタル層などのバリア層（拡散防止層）を組み合わせて用いてもよい。なお、電極を「コンタクトプラグ」という場合がある。
【0136】
特に、ゲート絶縁層と接する電極に不純物が透過しにくい導電性材料を用いることが好ましい。不純物が透過しにくい導電性材料として、例えば窒化タンタルが挙げられる。
【0137】
絶縁層に不純物が透過しにくい絶縁性材料を用い、ゲート絶縁層と接する電極に不純物が透過しにくい導電性材料を用いることで、トランジスタへの不純物の拡散をさらに抑制することができる。よって、トランジスタの信頼性をさらに高めることができる。すなわち、半導体装置の信頼性をさらに高めることができる。
【0138】
〔半導体層〕
半導体層として、単結晶半導体、多結晶半導体、微結晶半導体、または非晶質半導体などを、単体でまたは組み合わせて用いることができる。半導体材料としては、例えば、シリコンや、ゲルマニウムなどを用いることができる。また、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、酸化物半導体、窒化物半導体などの化合物半導体や、有機半導体などを用いることができる。
半導体層として、単結晶半導体、多結晶半導体、微結晶半導体、または非晶質半導体などを、単体でまたは組み合わせて用いることができる。半導体材料としては、例えば、シリコンや、ゲルマニウムなどを用いることができる。また、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、酸化物半導体、窒化物半導体などの化合物半導体や、有機半導体などを用いることができる。
【0139】
また、半導体層として有機半導体を用いる場合は、芳香環をもつ低分子有機材料やπ電子共役系導電性高分子などを用いることができる。例えば、ルブレン、テトラセン、ペンタセン、ペリレンジイミド、テトラシアノキノジメタン、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリパラフェニレンビニレンなどを用いることができる。
【0140】
なお、半導体層を積層してもよい。半導体層を積層する場合は、それぞれ異なる結晶状態を有する半導体を用いてもよいし、それぞれ異なる半導体材料を用いてもよい。
【0141】
また、酸化物半導体のバンドギャップは２ｅＶ以上あるため、半導体層に酸化物半導体を用いると、オフ電流が極めて少ないトランジスタを実現することができる。具体的には、ソースとドレイン間の電圧が３．５Ｖ、室温（代表的には２５℃）下において、チャネル幅１μｍ当たりのオフ電流を１×１０－２０Ａ未満、１×１０－２２Ａ未満、あるいは１×１０－２４Ａ未満とすることができる。すなわち、オンオフ比を２０桁以上とすることもできる。また、半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタは、ソースとドレイン間の絶縁耐圧が高い。よって、信頼性の良好なトランジスタを提供できる。また、出力電圧が大きく高耐圧なトランジスタを提供できる。また、信頼性の良好な半導体装置などを提供できる。また、出力電圧が大きく高耐圧な半導体装置などを提供することができる。
【0142】
また、本明細書等において、チャネルが形成される半導体層に結晶性を有するシリコンを用いたトランジスタを「結晶性Ｓｉトランジスタ」ともいう。
【0143】
結晶性Ｓｉトランジスタは、ＯＳトランジスタよりも比較的高い移動度を得やすい。一方で、結晶性Ｓｉトランジスタは、ＯＳトランジスタのように極めて少ないオフ電流の実現が困難である。よって、半導体層に用いる半導体材料は、目的や用途に応じて適宜使い分けることが肝要である。例えば、目的や用途に応じて、ＯＳトランジスタと結晶性Ｓｉトランジスタなどを組み合わせて用いてもよい。
【0144】
半導体層として酸化物半導体層を用いる場合は、酸化物半導体層をスパッタリング法で形成することが好ましい。酸化物半導体層は、スパッタリング法で形成すると酸化物半導体層の密度を高められるため、好適である。スパッタリング法で酸化物半導体層を形成する場合、スパッタリングガスには、希ガス（代表的にはアルゴン）、酸素、または、希ガスおよび酸素の混合ガスを用いればよい。また、スパッタリングガスの高純度化も必要である。例えば、スパッタリングガスとして用いる酸素ガスや希ガスは、露点が－６０℃以下、好ましくは－１００℃以下にまで高純度化したガスを用いる。高純度化されたスパッタリングガスを用いて成膜することで、酸化物半導体層に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
【0145】
また、スパッタリング法で酸化物半導体層を形成する場合、スパッタリング装置が有する成膜室内の水分を可能な限り除去することが好ましい。例えば、クライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて、成膜室内を高真空（５×１０－７Ｐａから１×１０－４Ｐａ程度まで）に排気することが好ましい。特に、スパッタリング装置の待機時における、成膜室内のＨ２Ｏに相当するガス分子（ｍ／ｚ＝１８に相当するガス分子）の分圧を１×１０－４Ｐａ以下とすることが好ましく５×１０－５Ｐａ以下とすることがより好ましい。
【0146】
〔金属酸化物〕
酸化物半導体は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
酸化物半導体は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
【0147】
ここで、酸化物半導体が、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有する場合を考える。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素として、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。
【0148】
なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。
【0149】
［金属酸化物の構成］
以下では、本発明の一態様で開示されるトランジスタに用いることができるＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）－ＯＳの構成について説明する。
以下では、本発明の一態様で開示されるトランジスタに用いることができるＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）－ＯＳの構成について説明する。
【0150】
なお、本明細書等において、ＣＡＡＣ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ）、およびＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と記載する場合がある。なお、ＣＡＡＣは結晶構造の一例を表し、ＣＡＣは機能、または材料の構成の一例を表す。
【0151】
ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅを、トランジスタの活性層に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子（または正孔）を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能（Ｏｎ／Ｏｆｆさせる機能）をＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅに付与することができる。ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。
【0152】
また、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、導電性領域、および絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。
【0153】
また、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅにおいて、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下のサイズで材料中に分散している場合がある。
【0154】
また、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅをトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、および高い電界効果移動度を得ることができる。
【0155】
すなわち、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、マトリックス複合材（ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）、または金属マトリックス複合材（ｍｅｔａｌ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と呼称することもできる。
【0156】
［金属酸化物の構造］
酸化物半導体（金属酸化物）は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、ＣＡＡＣ－ＯＳ（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）および非晶質酸化物半導体などがある。
酸化物半導体（金属酸化物）は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、ＣＡＡＣ－ＯＳ（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）および非晶質酸化物半導体などがある。
【0157】
ＣＡＡＣ－ＯＳは、ｃ軸配向性を有し、かつａ－ｂ面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。
【0158】
ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、ＣＡＡＣ－ＯＳにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することは難しい。すなわち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、ＣＡＡＣ－ＯＳが、ａ－ｂ面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためである。
【0159】
また、ＣＡＡＣ－ＯＳは、インジウム、および酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）と、元素Ｍ、亜鉛、および酸素を有する層（以下、（Ｍ、Ｚｎ）層）とが積層した、層状の結晶構造（層状構造ともいう）を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Ｍは、互いに置換可能であり、（Ｍ、Ｚｎ）層の元素Ｍがインジウムと置換した場合、（Ｉｎ、Ｍ、Ｚｎ）層と表すこともできる。また、Ｉｎ層のインジウムが元素Ｍと置換した場合、（Ｉｎ、Ｍ）層と表すこともできる。
【0160】
ＣＡＡＣ－ＯＳは結晶性の高い金属酸化物である。一方、ＣＡＡＣ－ＯＳは、明確な結晶粒界を確認することが難しいため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。また、金属酸化物の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、ＣＡＡＣ－ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損など）の少ない金属酸化物ともいえる。したがって、ＣＡＡＣ－ＯＳを有する金属酸化物は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ－ＯＳを有する金属酸化物は熱に強く、信頼性が高い。
【0161】
ｎｃ－ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ－ＯＳは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ－ＯＳは、分析方法によっては、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。
【0162】
ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する金属酸化物である。ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、鬆または低密度領域を有する。すなわち、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳおよびＣＡＡＣ－ＯＳと比べて、結晶性が低い。
【0163】
酸化物半導体（金属酸化物）は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ、ｎｃ－ＯＳ、ＣＡＡＣ－ＯＳのうち、二種以上を有していてもよい。
【0164】
［金属酸化物を有するトランジスタ］
続いて、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合について説明する。
続いて、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合について説明する。
【0165】
なお、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。
【0166】
また、トランジスタには、キャリア密度の低い金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物膜のキャリア密度を低くする場合においては、金属酸化物膜中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性という。例えば、金属酸化物は、キャリア密度が８×１０１１／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以上とすればよい。
【0167】
また、高純度真性または実質的に高純度真性である金属酸化物膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。
【0168】
また、金属酸化物のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い金属酸化物をチャネル形成領域に有するトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
【0169】
したがって、トランジスタの電気特性を安定にするためには、金属酸化物中の不純物濃度を低減することが有効である。また、金属酸化物中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。
【0170】
［不純物］
ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。
ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。
【0171】
金属酸化物において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、金属酸化物において欠陥準位が形成される。このため、金属酸化物におけるシリコンや炭素の濃度と、金属酸化物との界面近傍のシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【0172】
また、金属酸化物にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。したがって、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、ＳＩＭＳにより得られる金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。
【0173】
また、金属酸化物において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。したがって、当該金属酸化物において、チャネル形成領域の窒素はできる限り低減されていることが好ましい。例えば、金属酸化物中の窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【0174】
また、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。したがって、水素が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、金属酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。
【0175】
不純物濃度が十分に低減された金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。
【0176】
＜成膜方法について＞
絶縁層を形成するための絶縁性材料、電極を形成するための導電性材料、または半導体層を形成するための半導体材料は、スパッタリング法、スピンコート法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法（熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）法、高密度プラズマＣＶＤ（Ｈｉｇｈ ｄｅｎｓｉｔｙ ｐｌａｓｍａ ＣＶＤ）法、ＬＰＣＶＤ（ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ＣＶＤ）法、ＡＰＣＶＤ（ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ＣＶＤ）法等を含む）、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、または、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、または、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ディップ法、スプレー塗布法、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）を用いて形成することができる。
絶縁層を形成するための絶縁性材料、電極を形成するための導電性材料、または半導体層を形成するための半導体材料は、スパッタリング法、スピンコート法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法（熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）法、高密度プラズマＣＶＤ（Ｈｉｇｈ ｄｅｎｓｉｔｙ ｐｌａｓｍａ ＣＶＤ）法、ＬＰＣＶＤ（ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ＣＶＤ）法、ＡＰＣＶＤ（ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ＣＶＤ）法等を含む）、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、または、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、または、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ディップ法、スプレー塗布法、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）を用いて形成することができる。
【0177】
プラズマＣＶＤ法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。ＭＯＣＶＤ法、ＡＬＤ法、または熱ＣＶＤ法などの、成膜時にプラズマを用いない成膜方法を用いると、被形成面にダメージが生じにくい。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子（トランジスタ、容量素子など）などは、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、蓄積した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合がある。一方、プラズマを用いない成膜方法の場合、こういったプラズマダメージが生じないため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。
【0178】
ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、ターゲットなどから放出される粒子が堆積する成膜方法とは異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に、ＡＬＤ法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。ただし、ＡＬＤ法は、比較的成膜速度が遅いため、成膜速度の速いＣＶＤ法などの他の成膜方法と組み合わせて用いることが好ましい場合もある。
【0179】
ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御することができる。例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、成膜しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間の分、成膜に掛かる時間を短くすることができる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。
【0180】
なお、ＡＬＤ法により成膜する場合は、材料ガスとして塩素を含まないガスを用いることが好ましい。
【0181】
本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【0182】
（実施の形態４）
本実施の形態では、本発明の一態様におけるマイクロコントローラおよび表示素子の実装方法の一例について図面を参照して説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様におけるマイクロコントローラおよび表示素子の実装方法の一例について図面を参照して説明する。
【0183】
本実施の形態のディスプレイは、表示素子としてマイクロＬＥＤを用いる。なお、本実施の形態では、ダブルヘテロ接合を有するマイクロＬＥＤについて説明する。ただし、本発明の一態様は、これに限定されず、量子井戸接合を有するマイクロＬＥＤを用いてもよい。
【0184】
ディスプレイの表示素子としてマイクロＬＥＤを用いることで、液晶素子や有機エレクトロルミネッセンス素子を用いたディスプレイと比べて、輝度を高めることができる。ディスプレイの表示素子としてマイクロＬＥＤを用いることで、液晶表示装置のように常時バックライトを点灯させるといった構成が不要となるため、消費電力を低減することができる。また、表示素子としてマイクロＬＥＤを用いたディスプレイは、コントラストが高く視野角が広いため、表示品位を高めることができる。
【0185】
マイクロＬＥＤの光を射出する領域の面積は、１ｍｍ２以下が好ましく、１００００μｍ２以下がより好ましく、１０００μｍ２以下がより好ましく、１００μｍ２以下がさらに好ましい。
【0186】
なおマイクロＬＥＤは、電極間において、クラッド層が活性層を挟み込む構造を有する。電極は、光を射出できるよう、可視光を透過する導電性材料を用いることが好ましい。活性層では、電子と正孔が結合して光を発する。つまり、活性層は、発光層ということができる。活性層を挟み込む一対のクラッド層の一方はｎ型のクラッド層であり、他方はｐ型のクラッド層である。クラッド層および活性層を含む積層構造は、赤色、黄色、緑色、または青色などの光を呈するように形成される。当該積層構造には、ガリウム・リン化合物、ガリウム・ヒ素化合物、ガリウム・アルミニウム・ヒ素化合物、アルミニウム・ガリウム・インジウム・リン化合物、ガリウム窒化物、インジウム・窒化ガリウム化合物、セレン・亜鉛化合物等を用いることができる。例えば、ガリウム窒化物、インジウム・窒化ガリウム化合物を用いることができる。
【0187】
マイクロＬＥＤは、例えば、サファイアウェハ等のキャリア基板上に形成される。マイクロＬＥＤは、当該キャリア基板からディスプレイの基板上に転置される。
【0188】
例えば図１０（Ａ）に図示するように、マイクロＬＥＤは、色（例えば赤、緑、青）ごとに異なるキャリア基板１００１Ｒ、１００１Ｇ、１００１Ｂ上に形成される。そして、それぞれのマイクロＬＥＤ（ＬＥＤチップ１００２Ｒ、１００２Ｇ、１００２Ｂ）が基板１００３上に転置される。基板１００３は、マイクロコントローラが予め設けられたトランジスタ基板である。当該構成とすることで上記実施の形態で説明したディスプレイとすることができる。
【0189】
なおディスプレイへのマイクロコントローラおよび表示素子の実装方法は、図１０（Ａ）に限らない。例えば図１０（Ｂ）に図示するように、マイクロＬＥＤは、色（例えば赤、緑、青）ごとに異なるキャリア基板１００１Ｒ、１００１Ｇ、１００１Ｂ上に形成し、それぞれのマイクロＬＥＤ（ＬＥＤチップ１００２Ｒ、１００２Ｇ、１００２Ｂ）を一体化したＬＥＤチップ１００４として基板１００３上に転置してもよい。基板１００３は、マイクロコントローラが予め設けられたトランジスタ基板である。当該構成とすることで、マイクロコントローラが設けられたトランジスタ基板へのＬＥＤチップの転置数を削減して、上記実施の形態で説明したディスプレイとすることができる。
【0190】
なおディスプレイへのマイクロコントローラおよび表示素子の実装方法は、図１０（Ａ）、（Ｂ）に限らない。例えば図１０（Ｃ）に図示するように、マイクロＬＥＤは、色（例えば赤、緑、青）ごとに異なるキャリア基板１００１Ｒ、１００１Ｇ、１００１Ｂと、さらにマイクロコントローラを形成したキャリア基板１００５と、から、それぞれのマイクロＬＥＤ（ＬＥＤチップ１００２Ｒ、１００２Ｇ、１００２Ｂ）とマイクロコントローラの回路構成を有する半導体チップ１００６を用意する。そして、ＬＥＤチップ１００２Ｒ、１００２Ｇ、１００２Ｂと、半導体チップ１００６と、を一体化したＬＥＤチップ１００７として基板１００８上に転置する構成でもよい。基板１００８は、電極および配線が設けられた基板である。当該構成とすることで、マイクロコントローラとマイクロＬＥＤとが予め電気的に接続されたチップを用いて、上記実施の形態で説明したディスプレイとすることができる。
【0191】
本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。
【0192】
（実施の形態５）
本実施の形態では、上記実施の形態で例示したディスプレイに適用可能な半導体装置について説明する。以下で例示する半導体装置は、記憶装置として機能することができる。
本実施の形態では、上記実施の形態で例示したディスプレイに適用可能な半導体装置について説明する。以下で例示する半導体装置は、記憶装置として機能することができる。
【0193】
本実施の形態では、酸化物半導体を用いた記憶装置の一例として、ＤＯＳＲＡＭ（登録商標）について説明する。なお、「ＤＯＳＲＡＭ」の名称は、Ｄｙｎａｍｉｃ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙに由来する。ＤＯＳＲＡＭとは、メモリセルが、１Ｔ１Ｃ（１トランジスタ１容量）型セルであり、かつ書込みトランジスタが、酸化物半導体が適用されたトランジスタである記憶装置のことである。
【0194】
図１１を用いて、ＤＯＳＲＡＭ１０００の積層構造例について説明する。ＤＯＳＲＡＭ１３００は、データの読み出しを行うセンスアンプ部１３０２と、データを格納するセルアレイ部１３０３とが積層されている。
【0195】
図１１に示すように、センスアンプ部１３０２には、ビット線ＢＬ、ＳｉトランジスタＴａ１０、Ｔａ１１が設けられている。ＳｉトランジスタＴａ１０、Ｔａ１１は、単結晶シリコンウエハに半導体層をもつ。ＳｉトランジスタＴａ１０、Ｔａ１１は、センスアンプを構成し、ビット線ＢＬに電気的に接続されている。
【0196】
セルアレイ部１３０３は複数のメモリセル１３０１を有する。メモリセル１３０１は、トランジスタＴｗ１及び容量素子Ｃ１を有する。セルアレイ部１３０３において、２個のトランジスタＴｗ１は半導体層を共有する。半導体層とビット線ＢＬとは図示しない導電体により電気的に接続されている。
【0197】
図１１に示すような積層構造は、トランジスタ群を有する回路を複数積層して構成される様々な半導体装置に適用できる。
【0198】
図１１中の金属酸化物、絶縁体、導電体等は、単層でも積層でもよい。これらの作製には、スパッタリング法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、パルスレーザアブレーション法（ＰＬＡ法）、ＣＶＤ法、原子層堆積法（ＡＬＤ法）などの各種の成膜方法を用いることができる。なお、ＣＶＤ法には、プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、有機金属ＣＶＤ法などがある。
【0199】
ここでは、トランジスタＴｗ１の半導体層は、金属酸化物（酸化物半導体）で構成されている。ここでは、半導体層が３層の金属酸化物層で構成されている例を示している。半導体層は、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎを含む金属酸化物で構成されることが好ましい。
【0200】
ここで、金属酸化物は、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損と結合する元素を添加されることで、キャリア密度が増大し、低抵抗化する場合がある。例えば、金属酸化物を用いた半導体層を選択的に低抵抗化することで、半導体層にソース領域またはドレイン領域を設けることができる。
【0201】
なお、金属酸化物を低抵抗化する元素としては、代表的には、ホウ素、またはリンが挙げられる。また、水素、炭素、窒素、フッ素、硫黄、塩素、チタン、希ガス等を用いてもよい。希ガスの代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノン等がある。当該元素の濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）などを用いて測定することができる。
【0202】
特に、ホウ素、及びリンは、アモルファスシリコン、または低温ポリシリコンの製造ラインの装置を使用することができるため、好ましい。既存の設備を転用することができ、設備投資を抑制することができる。
【0203】
選択的に低抵抗化した半導体層を有するトランジスタは、例えば、ダミーゲートを用いることで形成することができる。具体的には、半導体層上にダミーゲートを設け、当該ダミーゲートをマスクとして用い、上記半導体層を低抵抗化する元素を添加するとよい。つまり、半導体層が、ダミーゲートと重畳していない領域に、当該元素が添加され、低抵抗化した領域が形成される。なお、当該元素の添加方法としては、イオン化された原料ガスを質量分離して添加するイオン注入法、イオン化された原料ガスを質量分離せずに添加するイオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。
【0204】
導電体に用いられる導電材料には、リン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコンに代表される半導体、ニッケルシリサイド等のシリサイド、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウム等の金属、または上述した金属を成分とする金属窒化物（窒化タンタル、窒化チタン、窒化モリブデン、窒化タングステン）等がある。また、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を用いることができる。
【0205】
絶縁体に用いられる絶縁材料には、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化シリコン、酸化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、アルミニウムシリケートなどがある。なお、本明細書等において、酸化窒化物とは、酸素の含有量が窒素よりも多い化合物であり、窒化酸化物とは、窒素の含有量が酸素よりも多い化合物のことをいう。
【0206】
（実施の形態６）
本実施の形態では、本発明の一態様のディスプレイを備えた電子機器について、図面を参照して説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様のディスプレイを備えた電子機器について、図面を参照して説明する。
【0207】
以下で例示する電子機器には、上記実施の形態で説明したディスプレイを搭載することができる。これにより、低消費電力化が可能でありながら、色度変化が小さく、および輝度の高い映像を表示可能な電子機器を提供することができる。
【0208】
電子機器としては、例えば、テレビジョン装置、デスクトップ型もしくはノート型のパーソナルコンピュータ、コンピュータ用などのモニタ、デジタルサイネージ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｇｅ：電子看板）、ウェアラブルディスプレイ、パチンコ機などの大型ゲーム機などの比較的大きな画面を備える電子機器の他、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、などが挙げられる。
【0209】
本発明の一態様の電子機器は、様々な機能を有することができる。例えば、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付または時刻などを表示する機能、様々なソフトウェア（プログラム）を実行する機能、無線通信機能、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読み出す機能等を有することができる。
【0210】
図１２（Ａ）にテレビジョン装置の一例を示す。テレビジョン装置１１００は、筐体１１０１にディスプレイ１１０２が組み込まれている。ここでは、スタンド１１０３により筐体１１０１を支持した構成を示している。
【0211】
ディスプレイ１１０２に、本発明の一態様のディスプレイを適用することができる。これにより、低消費電力化が可能でありながら、色度変化が小さく、輝度の高い映像を表示可能なテレビジョン装置を提供することができる。
【0212】
【0213】
ディスプレイ１１１２に、本発明の一態様のディスプレイを適用することができる。これにより、低消費電力化が可能でありながら、色度変化が小さく、および輝度の高い映像を表示可能な携帯型電子機器１１１０を提供することができる。なおディスプレイ１１１２は輝度を高くすることが可能であるため、撮像装置１１１３を利用する際の光源として利用することが可能である。これにより、利便性に優れた携帯型電子機器１１１０を提供することができる。
【0214】
図１２（Ｃ）に、投影型表示デバイス１１２０および投影される映像を示す。投影型表示デバイス１１２０は、筐体１１２１にディスプレイおよび投射レンズが組み込まれている。また図１２（Ｃ）では、投影型表示デバイス１１２０から投影される映像１１２２を映し出すためのスクリーン１１２３を図示している。
【0215】
筐体１１２１内のディスプレイに、本発明の一態様のディスプレイを適用することができる。これにより、低消費電力化が可能でありながら、色度変化が小さく、および輝度の高い映像をスクリーンに投影可能な投影型表示デバイス１１２０を提供することができる。
【0216】
また本発明の一態様のディスプレイは、輝度が高く、屋外での視認性に優れている。そのため、例えば、自動車のヘッドライトとして利用することが可能である。
【0217】
図１３（Ａ）に、自動車１２００を示す。自動車１２００は、光源として利用することが可能なディスプレイ１２０１がヘッドライトとして組み込まれている。
【0218】
ディスプレイ１２０１に、本発明の一態様のディスプレイを適用することができる。これにより、低消費電力化が可能でありながら、色度変化が小さく、および輝度の高い光を射出可能な自動車１２００を提供することができる。なおディスプレイ１２０１は輝度の高い光を射出するほか、ディスプレイとして視認性の高い映像を表示することが可能であるため、コミュニケーション手段として利用可能である。また、図１３（Ｂ）に図示するように複数のディスプレイ１２０１＿１、１２０１＿２を備えることで、光の射出方向を拡散することができる他、色に応じて方向指示器の機能やブレーキランプの機能などを分けて表示させることも可能である。
【0219】
本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。
【符号の説明】
【0220】
１０：ディスプレイ、１１：表示部、１３：ゲートドライバ、１４：ソースドライバ、１５：電源回路、２０：画素、３０：マイクロコントローラ、９０：表示素子、ＳＬ：配線、ＧＬ：配線、ＶＬ：配線、３１：トランジスタ、３２：容量素子、３３：三角波生成回路、３４：コンパレータ、３５：定電流回路、３６：スイッチ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】