記憶装置
【課題】データを保持する期間を確保しつつ、単位面積あたりの記憶容量を高めることが
できる記憶装置の提案を目的の一とする。
【解決手段】記憶素子と、記憶素子における電荷の蓄積、保持、放出を制御するための、
酸化物半導体を活性層に含むトランジスタと、記憶素子に接続された容量素子とを有する
記憶装置。上記容量素子が有する一対の電極の少なくとも一方は、遮光性を有している。
さらに、上記記憶装置は遮光性を有する導電膜或いは絶縁膜を有しており、上記活性層が
、遮光性を有する電極と、遮光性を有する導電膜或いは絶縁膜との間に位置する。
できる記憶装置の提案を目的の一とする。
【解決手段】記憶素子と、記憶素子における電荷の蓄積、保持、放出を制御するための、
酸化物半導体を活性層に含むトランジスタと、記憶素子に接続された容量素子とを有する
記憶装置。上記容量素子が有する一対の電極の少なくとも一方は、遮光性を有している。
さらに、上記記憶装置は遮光性を有する導電膜或いは絶縁膜を有しており、上記活性層が
、遮光性を有する電極と、遮光性を有する導電膜或いは絶縁膜との間に位置する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
記憶装置と、当該記憶装置を用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ポリシリコンや微結晶シリコンによって得られる高い移動度と、アモルファスシリ
コンによって得られる均一な素子特性とを兼ね備えた新たな半導体材料として、酸化物半
導体と呼ばれる、半導体特性を示す金属酸化物に注目が集まっている。金属酸化物は様々
な用途に用いられており、例えば、よく知られた金属酸化物である酸化インジウムは、液
晶表示装置などで透明電極材料として用いられている。半導体特性を示す金属酸化物とし
ては、例えば、酸化タングステン、酸化錫、酸化インジウム、酸化亜鉛などがあり、この
ような半導体特性を示す金属酸化物をチャネル形成領域に用いる絶縁ゲート電界効果型ト
ランジスタ（以下、単にトランジスタとする）が、既に知られている。
【０００３】
上記、酸化物半導体を用いたトランジスタは、光、特に紫外線などの可視光よりも短波長
側の領域の光によって、閾値電圧のシフト、オフ電流の上昇などの特性の劣化が生じるこ
とが知られている。半導体装置に用いられるトランジスタには、特性の変化が小さいこと
、或いは特性の変化によって生じるばらつきが小さいことが望まれる。そのため、特許文
献１または特許文献２に開示されているように、光によるトランジスタの特性の劣化を防
ぐことを目的とした技術が、研究開発されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−０２１５２０号公報
【特許文献２】特開２００９−２７７７０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記酸化物半導体をチャネル形成領域に含むトランジスタを、スイッチング素子として用
いた半導体記憶装置（以下、単に記憶装置とする）の場合、上記トランジスタの閾値電圧
がシフトする、或いはオフ電流が上昇することによって、記憶素子に保持されるべき電荷
が放出されやすくなり、データを保持できる期間が短くなりやすい。よって、記憶装置に
おいて正確なデータが保持される期間をより長く確保するためには、光の照射に起因する
トランジスタの特性の劣化を防ぐことが重要である。
【０００６】
また、上記記憶装置は、各メモリセルの占める面積が小さいほど、単位面積あたりの記憶
容量を高めることができる。しかし、メモリセルの占める面積が小さくなると、記憶素子
の電荷を保持するために各メモリセルに設けられた容量素子の専有面積も、縮小化せざる
を得ない。よって、容量素子は、記憶装置において長期間のデータが保持できる程度の大
きさの容量値を確保しにくくなる。
【０００７】
上述の課題に鑑み、本発明は、データを保持する期間を確保しつつ、単位面積あたりの記
憶容量を高めることができる記憶装置の提案を、目的の一とする。或いは、本発明は、上
記記憶装置を用いた半導体装置の提案を、目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様に係る記憶装置は、記憶素子として機能するトランジスタと、上記記憶素
子における電荷の蓄積、保持、放出を制御するための、酸化物半導体を活性層に含むトラ
ンジスタと、記憶素子に接続された容量素子とを有する。或いは、本発明の一態様に係る
記憶装置は、記憶素子として機能する容量素子と、上記記憶素子における電荷の蓄積、保
持、放出を制御するための、酸化物半導体をチャネル形成領域に含むトランジスタとを有
する。
【０００９】
そして、上記容量素子が有する一対の電極の少なくとも一方は遮光性を有している。さら
に、本発明の一態様に係る記憶装置は、遮光性を有する導電膜或いは絶縁膜などの遮光層
を有しており、上記活性層が遮光性を有する電極と、遮光層との間に、位置することを特
徴とする。
【００１０】
記憶素子として機能するトランジスタの活性層にも、酸化物半導体が含まれていても良い
。
【００１１】
酸化物半導体は、シリコンの約３倍程度の大きなバンドギャップを有し、シリコンよりも
真性キャリア密度が低い。上述したような特性を有する半導体材料をチャネル形成領域に
含むことで、オフ電流が極めて低いトランジスタを実現することができる。上記構成を有
するトランジスタを、記憶素子に蓄積された電荷を保持するためのスイッチング素子とし
て用いることで、記憶素子からの電荷のリークを防ぐことができる。
【００１２】
なお、酸化物半導体は、微結晶シリコンまたは多結晶シリコンによって得られるのと同程
度の高い移動度と、非晶質シリコンによって得られる均一な素子特性とを兼ね備えた、半
導体特性を示す金属酸化物である。そして、電子供与体（ドナー）となる水分または水素
などの不純物が低減されて高純度化され、酸素欠損が低減された酸化物半導体（ｐｕｒｉ
ｆｉｅｄ ＯＳ）は、ｉ型（真性半導体）又はｉ型に限りなく近い。そのため、上記酸化
物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が著しく低いという特性を有する。具体的に
、高純度化され、酸素欠損が低減された酸化物半導体は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭ
Ｓ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）による水素濃
度の測定値が、５×１０１９／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１８／ｃｍ３以下、より
好ましくは５×１０１７／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６／ｃｍ３以下とす
る。また、ホール効果測定により測定できる酸化物半導体膜のキャリア密度は、１×１０
１４／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１２／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１
１／ｃｍ３未満とする。また、酸化物半導体のバンドギャップは、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。水分または水素などの不純物濃度
が十分に低減されて高純度化され、酸素欠損が低減された酸化物半導体膜を用いることに
より、トランジスタのオフ電流、リーク電流を下げることができる。
【００１３】
ここで、酸化物半導体膜中の、水素濃度の分析について触れておく。酸化物半導体膜中及
び導電膜中の水素濃度測定はＳＩＭＳで行う。ＳＩＭＳは、その原理上、試料表面近傍や
、材質が異なる膜との積層界面近傍のデータを正確に得ることが困難であることが知られ
ている。そこで、膜中における水素濃度の厚さ方向の分布をＳＩＭＳで分析する場合、対
象となる膜が存在する範囲において、値に極端な変動が無く、ほぼ一定の値が得られる領
域における平均値を、水素濃度として採用する。また、測定の対象となる膜の厚さが小さ
い場合、隣接する膜内の水素濃度の影響を受けて、ほぼ一定の値が得られる領域を見いだ
せない場合がある。この場合、当該膜が存在する領域における、水素濃度の極大値または
極小値を、当該膜中の水素濃度として採用する。さらに、当該膜の存在する領域において
、極大値を有する山型のピーク、極小値を有する谷型のピークが存在しない場合、変曲点
の値を水素濃度として採用する。
【００１４】
具体的に、高純度化され、酸素欠損が低減された酸化物半導体膜を活性層として用いたト
ランジスタのオフ電流が低いことは、いろいろな実験により証明できる。例えば、チャネ
ル幅が１×１０６μｍでチャネル長が１０μｍの素子であっても、ソース電極とドレイン
電極間の電圧（ドレイン電圧）が１Ｖから１０Ｖの範囲において、オフ電流（ゲート電極
とソース電極間の電圧を０Ｖ以下としたときのドレイン電流）が、半導体パラメータアナ
ライザの測定限界以下、すなわち１×１０−１３Ａ以下という特性を得ることができる。
この場合、オフ電流をトランジスタのチャネル幅で除した数値に相当するオフ電流密度は
、１００ｚＡ／μｍ以下であることが分かる。また、容量素子とトランジスタ（ゲート絶
縁膜の厚さは１００ｎｍ）とを接続して、容量素子に流入または容量素子から流出する電
荷を当該トランジスタで制御する回路を用いた実験において、当該トランジスタとして高
純度化され、酸素欠損が低減された酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いた場合、容
量素子の単位時間あたりの電荷量の推移から当該トランジスタのオフ電流密度を測定した
ところ、トランジスタのソース電極とドレイン電極間の電圧が３Ｖの場合に、１０ｚＡ／
μｍ乃至１００ｚＡ／μｍという、さらに低いオフ電流密度が得られることが分かった。
したがって、本発明の一態様に係る半導体装置では、高純度化され、酸素欠損が低減され
た酸化物半導体膜を活性層として用いたトランジスタのオフ電流密度を、ソース電極とド
レイン電極間の電圧によっては、１０ｚＡ／μｍ以下、好ましくは１ｚＡ／μｍ以下、更
に好ましくは１ｙＡ／μｍ以下にすることができる。従って、高純度化され、酸素欠損が
低減された酸化物半導体膜を活性層として用いたトランジスタは、オフ電流が、結晶性を
有するシリコンを用いたトランジスタに比べて著しく低い。
【００１５】
なお、酸化物半導体は、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半
導体や、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚ
ｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系
酸化物半導体、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半
導体や、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化
物半導体、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｍｇ
−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系酸化物半導体や
、Ｉｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体などを用
いることができる。なお、本明細書においては、例えば、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系
酸化物半導体とは、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）
を有する金属酸化物、という意味であり、その化学量論的組成比は特に問わない。また、
上記酸化物半導体は、珪素を含んでいてもよい。
【００１６】
或いは、酸化物半導体は、化学式ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０、ｍは自然数であると
は限らない）で表記することができる。ここで、Ｍは、Ｚｎ、Ｇａ、Ａｌ、ＭｎおよびＣ
ｏから選ばれた一または複数の金属元素を示す。例えばＭとして、Ｇａ、Ｇａ及びＡｌ、
Ｇａ及びＭｎ、またはＧａ及びＣｏなどがある。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の一態様では、酸化物半導体を活性層に含むトランジスタを、記憶素子における電
荷の保持を制御するためのスイッチング素子として用いることで、記憶素子からの電荷の
リークを防ぐことができる。また、遮光性を有する電極、導電膜、絶縁膜で、上記活性層
を挟むことで、光によって上記トランジスタの特性が劣化するのを防ぐことができる。具
体的には、閾値電圧のシフトを抑制し、オフ電流が上昇するのを防ぐことができる。さら
に、本発明の一態様では、上記遮光性を有する電極を容量素子の電極として用いる。よっ
て、容量素子とトランジスタとが重なるようにメモリセル内に配置されるため、容量素子
の専有面積、或いは容量値を確保しつつも、メモリセルの占める面積を縮小化することが
できる。
【００１８】
したがって、本発明の一態様に係る記憶装置は、データを保持する期間を確保しつつ、単
位面積あたりの記憶容量を高めることができる。或いは、本発明は、上記記憶装置を半導
体装置に用いることで、半導体装置の信頼性を高め、高機能化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】メモリセルの回路図と断面図。
【図２】メモリセルの回路図。
【図３】メモリセルの上面図。
【図４】メモリセルの断面図。
【図５】メモリセルの断面図。
【図６】記憶部の回路図。
【図７】記憶部の回路図。
【図８】記憶部のタイミングチャート。
【図９】記憶装置のブロック図。
【図１０】記憶装置のブロック図。
【図１１】読み出し回路の回路図。
【図１２】特性評価用回路の回路図。
【図１３】特性評価用回路のタイミングチャート。
【図１４】特性評価回路における経過時間Ｔｉｍｅと、出力信号の電位Ｖｏｕｔとの関係を示す図。
【図１５】特性評価回路における経過時間Ｔｉｍｅと、該測定によって算出されたリーク電流との関係を示す図。
【図１６】特性評価回路におけるノードＡの電位とリーク電流の関係を示す図。
【図１７】ＲＦタグのブロック図。
【図１８】記憶媒体の構成を示す図。
【図１９】電子機器の図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下では、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、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び
詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明
は、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
【００２１】
なお、マイクロプロセッサ、画像処理回路などの集積回路や、ＲＦタグ、記憶媒体、半導
体表示装置など、記憶装置を用いることができるありとあらゆる半導体装置が、本発明の
範疇に含まれる。また、半導体表示装置には、液晶表示装置、有機発光素子（ＯＬＥＤ）
に代表される発光素子を各画素に備えた発光装置、電子ペーパー、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａ
ｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ
Ｐａｎｅｌ）、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）など、半導
体膜を用いた回路素子を画素部または駆動回路に有している半導体表示装置が、その範疇
に含まれる。
【００２２】
（実施の形態１）
図１（Ａ）に、本発明の一態様に係る記憶装置のメモリセルの構成を、一例として回路図
で示す。図１（Ａ）に示す回路図では、メモリセル１０１が、記憶素子として機能するト
ランジスタ１０２と、スイッチング素子として機能するトランジスタ１０３と、容量素子
１０４とを有する。記憶素子として機能するトランジスタ１０２は、ゲート電極と活性層
の間に形成されるゲート容量に、電荷を蓄積させることで、データを記憶する。
【００２３】
メモリセル１０１は、必要に応じて、トランジスタ、ダイオード、抵抗素子、容量素子、
インダクタンスなどのその他の回路素子を、さらに有していても良い。
【００２４】
なお、トランジスタが有するソース電極とドレイン電極は、トランジスタの極性及び各電
極に与えられる電位の高低差によって、その呼び方が入れ替わる。一般的に、ｎチャネル
型トランジスタでは、低い電位が与えられる電極がソース電極と呼ばれ、高い電位が与え
られる電極がドレイン電極と呼ばれる。また、ｐチャネル型トランジスタでは、低い電位
が与えられる電極がドレイン電極と呼ばれ、高い電位が与えられる電極がソース電極と呼
ばれる。以下、ソース電極とドレイン電極のいずれか一方を第１端子、他方を第２端子と
し、メモリセル１０１が有するトランジスタ１０２、トランジスタ１０３、容量素子１０
４の接続関係を説明する。
【００２５】
図１（Ａ）に示すメモリセル１０１では、トランジスタ１０３の第１端子に接続されてい
るノードに、データを含む信号の電位が与えられている。また、トランジスタ１０３の第
２端子は、トランジスタ１０２のゲート電極に接続されている。容量素子１０４が有する
一対の電極は、一方がトランジスタ１０２のゲート電極に接続され、他方が所定の電位が
与えられているノードに接続されている。
【００２６】
また、図１（Ｂ）に、図１（Ａ）とは異なるメモリセルの構成を、一例として回路図で示
す。図１（Ｂ）に示す回路図では、メモリセル１０１が、記憶素子として機能する容量素
子１０５と、スイッチング素子として機能するトランジスタ１０３とを有する。記憶素子
として機能する容量素子１０５に電荷を蓄積させることで、データを記憶する。
【００２７】
図１（Ｂ）に示すメモリセル１０１では、トランジスタ１０３の第１端子に接続されてい
るノードに、データを含む信号の電位が与えられている。また、容量素子１０５が有する
一対の電極は、一方がトランジスタ１０３の第２端子に接続され、他方が所定の電位が与
えられているノードに接続されている。
【００２８】
なお、本明細書において接続とは電気的な接続を意味しており、電流、電圧または電位が
、供給可能、或いは伝送可能な状態に相当する。従って、接続している状態とは、直接接
続している状態を必ずしも指すわけではなく、電流、電圧または電位が、供給可能、或い
は伝送可能であるように、配線、抵抗、ダイオード、トランジスタなどの回路素子を介し
て間接的に接続している状態も、その範疇に含む。
【００２９】
また、回路図上は独立している構成要素どうしが接続されている場合であっても、実際に
は、例えば配線の一部が電極として機能する場合など、一の導電膜が、複数の構成要素の
機能を併せ持っている場合もある。本明細書において接続とは、このような、一の導電膜
が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合も、その範疇に含める。
【００３０】
本発明の一態様では、図１（Ａ）または図１（Ｂ）に示した上記スイッチング素子として
機能するトランジスタ１０３のチャネル形成領域に、シリコン半導体よりもバンドギャッ
プが広く、真性キャリア密度がシリコンよりも低い酸化物半導体を含むことを特徴とする
。上述したような特性を有する酸化物半導体をチャネル形成領域に含むことで、オフ電流
が極めて低いトランジスタ１０３を実現することができる。上記構成を有するトランジス
タ１０３を、記憶素子として機能するトランジスタ１０２或いは容量素子１０５に蓄積さ
れた電荷を保持するためのスイッチング素子として用いることで、上記電荷のリークを防
ぐことができる。
【００３１】
なお、特に断りがない限り、本明細書でオフ電流とは、ｎチャネル型トランジスタにおい
ては、ドレイン電極をソース電極とゲート電極よりも高い電位とした状態において、ソー
ス電極の電位を基準としたときのゲート電極の電位が０以下であるときに、ソース電極と
ドレイン電極の間に流れる電流のことを意味する。或いは、本明細書でオフ電流とは、ｐ
チャネル型トランジスタにおいては、ドレイン電極をソース電極とゲート電極よりも低い
電位とした状態において、ソース電極の電位を基準としたときのゲート電極の電位が０以
上であるときに、ソース電極とドレイン電極の間に流れる電流のことを意味する。
【００３２】
シリコン半導体よりもバンドギャップが広く、真性キャリア密度がシリコンよりも低い半
導体材料の一例として、酸化物半導体の他に、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（
ＧａＮ）などの化合物半導体を挙げることができる。炭化シリコンや窒化ガリウムなどの
化合物半導体は単結晶であることが必須で、単結晶材料を得るためには、酸化物半導体の
プロセス温度よりも著しく高い温度による結晶成長であるとか、特殊な基板上のエピタキ
シャル成長が必要であるとか、作製条件が厳しく、いずれも入手が容易なシリコンウェハ
や耐熱温度の低いガラス基板上への成膜は難しい。しかし、酸化物半導体は、スパッタリ
ング法や湿式法（印刷法など）により作製可能であり、量産性に優れるといった利点があ
る。また、酸化物半導体は室温でも成膜が可能なため、ガラス基板上への成膜、或いは半
導体素子を用いた集積回路上への成膜が可能であり、基板の大型化にも対応が可能である
。よって、上述したワイドギャップ半導体の中でも、特に酸化物半導体は量産性が高いと
いうメリットを有する。また、トランジスタの性能（例えば電界効果移動度）を向上させ
るために結晶性の酸化物半導体を得ようとする場合でも、２００℃から８００℃の熱処理
によって結晶性の酸化物半導体を得ることができる。
【００３３】
なお、図１（Ａ）において、記憶素子として機能するトランジスタ１０２は、その活性層
に、酸化物半導体膜が用いられていても良い。或いは、トランジスタ１０２の活性層に、
酸化物半導体以外の、非晶質、微結晶、多結晶、または単結晶の、シリコン、またはゲル
マニウムなどの半導体が用いられていても良い。メモリセル１０１内の全てのトランジス
タの活性層に、酸化物半導体膜を用いることで、プロセスを簡略化することができる。ま
た、記憶素子として機能するトランジスタ１０２の活性層に、例えば、多結晶または単結
晶のシリコンなどのように、酸化物半導体よりも高い移動度が得られる半導体材料を用い
ることで、メモリセル１０１からのデータの読み出しを高速で行うことができる。
【００３４】
なお、図１（Ａ）または図１（Ｂ）では、トランジスタ１０３がゲート電極を活性層の片
側にのみ有している場合を示している。トランジスタ１０３が、活性層を間に挟んで存在
する一対のゲート電極を有している場合、一方のゲート電極にはスイッチングを制御する
ための信号が与えられ、他方のゲート電極は、電気的に絶縁しているフローティングの状
態であっても良いし、電位が他から与えられている状態であっても良い。後者の場合、一
対の電極に、同じ高さの電位が与えられていても良いし、他方のゲート電極にのみグラウ
ンドなどの固定電位が与えられていても良い。他方のゲート電極に与える電位の高さを制
御することで、トランジスタ１０３の閾値電圧を制御することができる。
【００３５】
また、図１（Ｂ）では、メモリセル１０１がスイッチング素子として機能するトランジス
タ１０３を一つだけ有する構成を示しているが、本発明はこの構成に限定されない。本発
明の一態様では、スイッチング素子として機能するトランジスタが各メモリセルに最低限
１つ設けられていれば良く、上記トランジスタの数は複数であっても良い。メモリセル１
０１がスイッチング素子として機能するトランジスタを複数有している場合、上記複数の
トランジスタは並列に接続されていても良いし、直列に接続されていても良いし、直列と
並列が組み合わされて接続されていても良い。
【００３６】
なお、本明細書において、トランジスタが直列に接続されている状態とは、例えば、第１
のトランジスタの第１端子と第２端子のいずれか一方のみが、第２のトランジスタの第１
端子と第２端子のいずれか一方のみに接続されている状態を意味する。また、トランジス
タが並列に接続されている状態とは、第１のトランジスタの第１端子が第２のトランジス
タの第１端子に接続され、第１のトランジスタの第２端子が第２のトランジスタの第２端
子に接続されている状態を意味する。
【００３７】
次いで、図１（Ｃ）に、図１（Ａ）が有するトランジスタ１０３と、容量素子１０４の断
面図の一例を示す。なお、図１（Ｃ）では図１（Ａ）に示すメモリセル１０１の断面構造
を示しているが、図１（Ｂ）が有するトランジスタ１０３と、容量素子１０５も、図１（
Ｃ）と同様の構成を採用することができる。
【００３８】
図１（Ｃ）に示す断面図では、絶縁表面を有する基板１１０上に、容量素子１０４とトラ
ンジスタ１０３が形成されており、容量素子１０４とトランジスタ１０３は、絶縁膜１１
１を間に挟んで重なっている。
【００３９】
具体的に、容量素子１０４は、絶縁表面を有する基板１１０上に形成された電極１１２と
、電極１１２上の絶縁膜１１３と、絶縁膜１１３を間に挟んで電極１１２と重なる電極１
１４とを有する。電極１１２と、絶縁膜１１３と、電極１１４とが重なった部分が、容量
素子１０４として機能する。
【００４０】
また、トランジスタ１０３は、電極１１４を覆っている絶縁膜１１１上に、ゲート電極１
１５と、ゲート電極１１５上の絶縁膜１１６と、絶縁膜１１６を間に挟んでゲート電極１
１５と重なる、酸化物半導体を含んだ活性層１１７と、活性層１１７上のソース電極１１
８、ドレイン電極１１９と有している。さらに、トランジスタ１０３は、活性層１１７、
ソース電極１１８及びドレイン電極１１９を覆っている絶縁膜１２０を構成要素に含んで
いても良い。トランジスタ１０３は、ボトムゲート型であり、なおかつ、ソース電極１１
８とドレイン電極１１９の間において、活性層１１７の一部がエッチングされたチャネル
エッチ構造である。
【００４１】
なお、図１（Ｃ）では、トランジスタ１０３がシングルゲート構造である場合を例示して
いるが、トランジスタ１０３は、電気的に接続された複数のゲート電極を有することで、
チャネル形成領域を複数有する、マルチゲート構造であっても良い。
【００４２】
そして、本発明の一態様においては、図１（Ｃ）に示すように、遮光性を有する絶縁膜１
２１が、トランジスタ１０３を覆うように形成されている。具体的には、トランジスタ１
０３の活性層１１７と重なるように、遮光層として機能する絶縁膜１２１を形成する。
【００４３】
なお、遮光性を有する絶縁膜、配線または電極などの遮光層は、活性層に用いられている
酸化物半導体の吸収端波長近傍、もしくはこれよりも短い波長領域の光の透過率が低いも
のとする。具体的には、吸収端波長をλ０とすると、遮光層は、波長が１００ｎｍ以上、
λ０＋１００ｎｍ以下の光の透過率が５０％以下、より好ましくは３０％以下とする。例
えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体を用いて形成された活性層１１７の吸収端波
長が３９３ｎｍにある場合、遮光層は、１００ｎｍ以上４９３ｎｍ以下の光の透過率が、
５０％以下、より好ましくは３０％以下とする。なお、上記波長範囲に含まれる全ての光
が、上記透過率を満たしている必要はなく、少なくとも上記波長範囲に含まれる一の波長
の光が、上記透過率の範囲を満たしていれば良い。さらに、上記波長範囲よりも、長波長
側の光の透過率も上記範囲を満たしていることが、酸化物半導体の光の劣化を防ぐという
点において望ましい。
【００４４】
例えば、絶縁膜１２１は、カーボンブラック、二酸化チタンよりも酸化数が小さい低次酸
化チタンなどの黒色顔料や、二酸化チタン、酸化亜鉛などの紫外線吸収剤が分散された樹
脂を用いて形成することができる。樹脂には、例えば、アクリル樹脂、ポリイミド、ベン
ゾシクロブテン樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の有機樹脂、シロキサン系樹脂などを
用いることができる。シロキサン系樹脂は、シリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）との結合で骨
格構造が構成される材料である。置換基として、水素の他、フッ素、フルオロ基、有機基
（例えばアルキル基、芳香族炭化水素）のうち、少なくとも１種を有していても良い。
【００４５】
なお、絶縁膜１２１に樹脂を用いる場合、樹脂中に含まれる水素、水などの不純物が、活
性層１１７、絶縁膜１１６、或いは、活性層１１７と他の絶縁膜の界面とその近傍に入り
込むのを防ぐために、絶縁膜１２１と、活性層１１７の間に、バリア性の高い材料を用い
た絶縁膜１２２を形成するのが望ましい。バリア性の高い絶縁膜１２２として、例えば窒
化珪素膜、窒化酸化珪素膜、窒化アルミニウム膜、または窒化酸化アルミニウム膜などが
挙げられる。また、活性層１１７と、窒素の含有比率が高い絶縁膜１２２とが直接触れる
と、トランジスタ１０３の特性が劣化することがあるので、図１（Ｃ）に示すように、活
性層１１７と絶縁膜１２２の間に、窒素の含有比率が低い酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜な
どの絶縁膜１２０を形成することが望ましい。
【００４６】
また、酸素を含む無機材料を活性層１１７に接している絶縁膜１２０に用いることで、水
分または水素を低減させるための加熱処理により活性層１１７中に酸素欠損が発生してい
たとしても、活性層１１７に絶縁膜１２０から酸素を供給し、ドナーとなる酸素欠損を低
減して化学量論的組成比を満たす構成とすることが可能である。よって、活性層１１７を
ｉ型に近づけることができ、酸素欠損によるトランジスタ１０３の電気特性のばらつきを
軽減し、電気特性の向上を実現することができる。
【００４７】
また、酸素雰囲気下で活性層１１７に加熱処理を施すことで、酸化物半導体に酸素を添加
し、活性層１１７中においてドナーとなる酸素欠損を低減させても良い。加熱処理の温度
は、例えば１００℃以上３５０℃未満、好ましくは１５０℃以上２５０℃未満で行う。上
記酸素雰囲気下の加熱処理に用いられる酸素ガスには、水、水素などが含まれないことが
好ましい。または、加熱処理装置に導入する酸素ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％
）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上、（即ち酸素中の不純物濃度を１ｐ
ｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
【００４８】
或いは、イオン注入法またはイオンドーピング法などを用いて、活性層１１７に酸素を添
加することで、ドナーとなる酸素欠損を低減させても良い。例えば、２．４５ＧＨｚのマ
イクロ波でプラズマ化した酸素を活性層１１７に添加すれば良い。
【００４９】
なお、本明細書において酸化窒化物とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多
い物質であり、また、窒化酸化物とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い
物質を意味する。例えば、酸化窒化珪素とは、酸素が５０原子％以上７０原子％以下、窒
素が０．５原子％以上１５原子％以下、珪素が２５原子％以上３５原子％以下、水素が０
．１原子％以上１０原子％以下の範囲で含まれる物質とすることができる。また、窒化酸
化珪素とは、酸素が５原子％以上３０原子％以下、窒素が２０原子％以上５５原子％以下
、珪素が２５原子％以上３５原子％以下、水素が１０原子％以上３０原子％以下の範囲で
含まれる物質とすることができる。但し、上記組成の範囲は、ラザフォード後方散乱法（
ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔ
ｒｙ）や、水素前方散乱法（ＨＦＳ：Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｆｏｒｗａｒｄ Ｓｃａｔｔｅ
ｒｉｎｇ）を用いて測定した場合のものである。また、構成元素の含有比率は、その合計
が１００原子％を超えない値をとる。
【００５０】
さらに、本発明の一態様においては、図１（Ｃ）に示すように、容量素子１０４が有する
電極１１２或いは電極１１４の少なくとも一方が遮光性を有する。そして、遮光性を有す
る電極１１２或いは電極１１４が、トランジスタ１０３の活性層１１７と重なる位置に形
成されている。
【００５１】
上記構成により、遮光性を有する電極１１２或いは電極１１４と、遮光性を有する絶縁膜
１２１との間に活性層１１７が挟まれるので、酸化物半導体の吸収端波長近傍の光、もし
くはこれよりも短い波長領域の光が、活性層１１７に入射するのを防ぐことができる。
【００５２】
次いで、図１（Ｄ）に、図１（Ａ）が有するトランジスタ１０３と、容量素子１０４の断
面図の一例を示す。なお、図１（Ｄ）では図１（Ａ）に示すメモリセル１０１の断面構造
を示しているが、図１（Ｂ）が有するトランジスタ１０３と、容量素子１０５も、図１（
Ｄ）と同様の構成を採用することができる。
【００５３】
図１（Ｄ）に示す断面図では、図１（Ｃ）と同様に、絶縁表面を有する基板１１０上に、
容量素子１０４とトランジスタ１０３が形成されており、容量素子１０４とトランジスタ
１０３は、絶縁膜１１１を間に挟んで重なっている。
【００５４】
具体的な容量素子１０４と、トランジスタ１０３の構成は、図１（Ｃ）と同じである。そ
して、図１（Ｄ）では、遮光性を有する導電膜で配線１２３を形成し、配線１２３により
トランジスタ１０３を覆っている。具体的には、トランジスタ１０３の活性層１１７と重
なるように、遮光性を有する配線１２３を形成する。
【００５５】
遮光性を有する配線１２３に求められる特性は、上述したとおり、活性層に用いられてい
る酸化物半導体の吸収端波長近傍、もしくはこれよりも短い波長領域の光の透過率が低い
ものとする。よって、配線１２３には、導電性と遮光性を兼ね備えた金属を用いる。例え
ば、配線１２３には、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、アルミニ
ウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料、これら金属材料を主成分とする合金材
料を用いた導電膜、或いはこれら金属の窒化物を、単層で又は積層で用いることができる
。
【００５６】
さらに、図１（Ｄ）では、図１（Ｃ）と同様に、容量素子１０４が有する電極１１２或い
は電極１１４の少なくとも一方が遮光性を有する。そして、遮光性を有する電極１１２或
いは電極１１４が、トランジスタ１０３の活性層１１７と重なる位置に形成されている。
【００５７】
上記構成により、図１（Ｄ）では、遮光性を有する電極１１２或いは電極１１４と、遮光
性を有する配線１２３との間に活性層１１７が挟まれるので、酸化物半導体の吸収端波長
近傍の光、もしくはこれよりも短い波長領域の光が、活性層１１７に入射するのを防ぐこ
とができる。
【００５８】
なお、図１（Ｃ）、図１（Ｄ）において、トランジスタ１０３は、絶縁膜１２０上におい
て活性層１１７のチャネル形成領域と重なる位置にバックゲート電極を有していても良い
。バックゲート電極を形成する場合、バックゲート電極を覆うように絶縁膜を形成する。
バックゲート電極は、電気的に絶縁しているフローティングの状態であっても良いし、電
位が与えられる状態であっても良い。後者の場合、バックゲート電極には、ゲート電極１
１５と同じ高さの電位が与えられていても良いし、グラウンドなどの固定電位が与えられ
ていても良い。バックゲート電極に与える電位の高さを制御することで、トランジスタ１
０３の閾値電圧を制御することができる。
【００５９】
なお、図１（Ｃ）と図１（Ｄ）では、トランジスタ１０３がボトムゲート型であり、なお
かつ、チャネルエッチ構造を有する場合について示したが、本発明の一態様で用いられる
トランジスタの構造は、この構成に限定されない。
【００６０】
本発明の一態様では、酸化物半導体を活性層１１７に含むトランジスタ１０３を、記憶素
子として用いるトランジスタ１０２または容量素子１０５における電荷の保持を制御する
ためのスイッチング素子として用いることで、上記電荷のリークを防ぐことができる。ま
た、遮光性を有する電極、導電膜、絶縁膜などの層で、上記活性層１１７を挟むことで、
光によって上記トランジスタ１０３の特性が劣化するのを防ぐことができる。具体的には
、閾値電圧のシフトを抑制し、オフ電流が上昇するのを防ぐことができる。さらに、本発
明の一態様では、上記遮光性を有する電極を、容量素子１０４または容量素子１０５の電
極１１２或いは電極１１４として用いる。よって、容量素子１０４または容量素子１０５
とトランジスタ１０３とが重なるようにメモリセル１０１内に配置されるため、容量素子
１０４または容量素子１０５の専有面積、或いは容量値を確保しつつも、メモリセル１０
１の占める面積を縮小化することができる。
【００６１】
したがって、本発明の一態様に係る記憶装置は、データを保持する期間を確保しつつ、単
位面積あたりの記憶容量を高めることができる。或いは、本発明は、上記記憶装置を半導
体装置に用いることで、半導体装置の信頼性を高め、高機能化させることができる。
【００６２】
次いで、図２に、メモリセル１０１における各種配線の、より具体的な接続構成の例を示
す。
【００６３】
図２（Ａ）に示すメモリセル１０１は、スイッチング素子として機能するトランジスタ１
０３と、記憶素子として機能する容量素子１０５とを有する。トランジスタ１０３のゲー
ト電極は、ワード線ＷＬに接続されている。また、トランジスタ１０３の第１端子はデー
タ線ＤＬに接続されており、第２端子は容量素子１０５の一方の電極に接続されている。
容量素子１０５の他方の電極は、グラウンドなどの固定電位が与えられているノードに接
続されている。
【００６４】
図２（Ａ）に示すメモリセル１０１では、データの書き込み時にトランジスタ１０３がオ
ンになり、データ線ＤＬからデータを含む信号の電位が、トランジスタ１０３を介して容
量素子１０５の一方の電極に与えられる。そして、上記信号の電位に従って、容量素子１
０５に蓄積されている電荷量が制御されることで、容量素子１０５へのデータの書き込み
が行われる。
【００６５】
次いで、データの保持時には、トランジスタ１０３がオフになり、容量素子１０５におい
て電荷が保持される。上述したように、トランジスタ１０３はオフ電流が極めて低いとい
う特性を有している。そのため、容量素子１０５に蓄積された電荷はリークしづらく、遮
光を行わない場合、或いは、トランジスタ１０３にシリコンなどの半導体材料を用いた場
合に比べ、長い期間に渡ってデータの保持を行うことができる。
【００６６】
データの読み出し時には、トランジスタ１０３がオンになり、データ線ＤＬを介して容量
素子１０５に蓄積された電荷が取り出される。そして、上記電荷量の違いを読み取ること
により、データを読み出すことができる。
【００６７】
図２（Ｂ）に示すメモリセル１０１は、スイッチング素子として機能するトランジスタ１
０３と、記憶素子として機能するトランジスタ１０２と、容量素子１０４とを有する。ト
ランジスタ１０３のゲート電極は、第１ワード線ＷＬａに接続されている。また、トラン
ジスタ１０３の第１端子は第１データ線ＤＬａに接続されており、第２端子はトランジス
タ１０２のゲート電極に接続されている。トランジスタ１０２の第１端子は第２データ線
ＤＬｂに接続されており、第２端子はグラウンドなどの固定電位が与えられているノード
に接続されている。容量素子１０４が有する一対の電極は、一方がトランジスタ１０２の
ゲート電極に接続され、他方が第２ワード線ＷＬｂに接続されている。
【００６８】
図２（Ｂ）に示すメモリセル１０１では、データの書き込み時にトランジスタ１０３がオ
ンになり、第１データ線ＤＬａからデータを含む信号の電位が、トランジスタ１０３を介
してトランジスタ１０２のゲート電極に与えられる。そして、上記信号の電位に従って、
トランジスタ１０２のゲート容量、及び容量素子１０４に蓄積される電荷量が制御される
ことで、トランジスタ１０２及び容量素子１０４へのデータの書き込みが行われる。
【００６９】
次いで、データの保持時には、トランジスタ１０３がオフになり、トランジスタ１０２の
ゲート容量、及び容量素子１０４に蓄積された電荷が保持される。上述したように、トラ
ンジスタ１０３はオフ電流が極めて低いという特性を有している。そのため、蓄積された
上記電荷はリークしづらく、遮光を行わない場合、或いは、トランジスタ１０３にシリコ
ンなどの半導体材料を用いた場合に比べ、長い期間に渡ってデータの保持を行うことがで
きる。
【００７０】
データの読み出し時には、第２ワード線ＷＬｂの電位を変化させる。容量素子１０４が有
する一対の電極の電位差は、電荷保存則により維持されたままなので、第２ワード線ＷＬ
ｂの電位の変化は、トランジスタ１０２のゲート電極に与えられる。トランジスタ１０２
は、そのゲート容量に蓄積されている電荷量によって閾値電圧が変化している。よって、
トランジスタ１０２のゲート電極の電位が変化することで得られるトランジスタ１０２の
ドレイン電流の大きさから、蓄積されている電荷量の違いを読み取ることにより、データ
を読み出すことができる。
【００７１】
図２（Ｃ）に示すメモリセル１０１は、一つのデータ線ＤＬが、第１データ線ＤＬａと第
２データ線ＤＬｂの機能を併せ持っている点において、図２（Ｂ）に示すメモリセル１０
１と異なっている。具体的に、図２（Ｃ）に示すメモリセル１０１は、スイッチング素子
として機能するトランジスタ１０３と、記憶素子として機能するトランジスタ１０２と、
容量素子１０４とを有する。トランジスタ１０３のゲート電極は、第１ワード線ＷＬａに
接続されている。また、トランジスタ１０３の第１端子はデータ線ＤＬに接続されており
、第２端子はトランジスタ１０２のゲート電極に接続されている。トランジスタ１０２の
第１端子はデータ線ＤＬに接続されており、第２端子はグラウンドなどの固定電位が与え
られているノードに接続されている。容量素子１０４が有する一対の電極は、一方がトラ
ンジスタ１０２のゲート電極に接続され、他方が第２ワード線ＷＬｂに接続されている。
【００７２】
図２（Ｃ）に示すメモリセル１０１は、データの書き込み、保持、読み出しなどの動作を
、図２（Ｂ）に示すメモリセル１０１と同様に行うことができる。
【００７３】
図２（Ｄ）に示すメモリセル１０１は、スイッチング素子として機能するトランジスタ１
０３と、記憶素子として機能するトランジスタ１０２と、容量素子１０４と、データの読
み出しを制御するスイッチング素子として機能するトランジスタ１０６とを有する。トラ
ンジスタ１０３のゲート電極は、第１ワード線ＷＬａに接続されている。また、トランジ
スタ１０３の第１端子は第１データ線ＤＬａに接続されており、第２端子はトランジスタ
１０２のゲート電極に接続されている。トランジスタ１０２の第１端子は、トランジスタ
１０６の第２端子に接続されており、第２端子はグラウンドなどの固定電位が与えられて
いるノードに接続されている。トランジスタ１０６が有する第１端子は、第２データ線Ｄ
Ｌｂに接続されている。トランジスタ１０６のゲート電極は、第２ワード線ＷＬｂに接続
されている。容量素子１０４が有する一対の電極は、一方がトランジスタ１０２のゲート
電極に接続され、他方が固定電位の与えられているノードに接続されている。
【００７４】
図２（Ｄ）に示すメモリセル１０１では、データの書き込み時にトランジスタ１０３がオ
ンになり、第１データ線ＤＬａからデータを含む信号の電位が、トランジスタ１０３を介
してトランジスタ１０２のゲート電極に与えられる。そして、上記信号の電位に従って、
トランジスタ１０２のゲート容量、容量素子１０４に蓄積される電荷量が制御されること
で、トランジスタ１０２及び容量素子１０４へのデータの書き込みが行われる。
【００７５】
次いで、データの保持時には、トランジスタ１０３がオフになり、トランジスタ１０２の
ゲート容量、容量素子１０４に蓄積された電荷が保持される。上述したように、トランジ
スタ１０３はオフ電流が極めて低いという特性を有している。そのため、蓄積された上記
電荷はリークしづらく、遮光を行わない場合、或いは、シリコンなどの半導体材料を用い
た場合に比べ、長い期間に渡ってデータの保持を行うことができる。
【００７６】
データの読み出し時には、第２ワード線ＷＬｂの電位が変化することでトランジスタ１０
６がオンになる。トランジスタ１０６がオンになると、トランジスタ１０２には、そのゲ
ート容量に蓄積されている電荷量に見合った高さのドレイン電流が流れる。よって、トラ
ンジスタ１０２のドレイン電流の大きさから、蓄積されている電荷量の違いを読み取るこ
とにより、データを読み出すことができる。
【００７７】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る記憶装置が有するメモリセルの、具体的な構成
の一例について説明する。なお、本実施の形態では、図２（Ｃ）に示す回路構成を有した
メモリセルを例に挙げて、その構造について説明する。
【００７８】
図３に、メモリセルの上面図の一例を示す。なお、図３では、メモリセルの構成を明確に
するために、遮光性を有する絶縁膜以外の絶縁膜は、全て省略して示している。また、図
３の破線Ａ１−Ａ２における断面図を、図４に示す。
【００７９】
図３、図４に示すメモリセルは、絶縁表面を有する基板１１０上に、トランジスタ１０２
と、トランジスタ１０３と、容量素子１０４とを有する。そして、基板１１０上に形成さ
れた容量素子１０４は絶縁膜１１１に覆われており、絶縁膜１１１上にはトランジスタ１
０２と、トランジスタ１０３とが形成されている。そして、容量素子１０４と、トランジ
スタ１０２及びトランジスタ１０３とは、絶縁膜１１１を間に挟んで重なっている。
【００８０】
具体的に、容量素子１０４は、絶縁表面を有する基板１１０上に形成された電極１１２と
、電極１１２上の絶縁膜１１３と、絶縁膜１１３を間に挟んで電極１１２と重なる電極１
１４とを有する。電極１１２と、絶縁膜１１３と、電極１１４とが重なった部分が、容量
素子１０４として機能する。
【００８１】
また、トランジスタ１０３は、絶縁膜１１１上に、ソース電極またはドレイン電極として
機能する導電膜１３０及び導電膜１３１と、導電膜１３０及び導電膜１３１に接する、酸
化物半導体を含んだ活性層１３２と、導電膜１３０、導電膜１３１、活性層１３２を覆っ
ている絶縁膜１３３と、絶縁膜１３３を間に挟んで活性層１３２と重なるゲート電極１３
４とを有する。
【００８２】
図３、図４に示すトランジスタ１０３は、トップゲート型であり、なおかつ、ソース電極
またはドレイン電極として機能する導電膜１３０及び導電膜１３１が、活性層１３２の下
側で接している、ボトムコンタクト構造である。
【００８３】
また、トランジスタ１０２は、絶縁膜１１１上に、ソース電極またはドレイン電極として
機能する導電膜１３１及び導電膜１３５と、導電膜１３１及び導電膜１３５に接する、酸
化物半導体を含んだ活性層１３６と、導電膜１３１、導電膜１３５、活性層１３６を覆っ
ている絶縁膜１３３と、絶縁膜１３３を間に挟んで活性層１３６と重なるゲート電極１３
７とを有する。
【００８４】
図３、図４に示すトランジスタ１０２は、トランジスタ１０３と同様にトップゲート型で
あり、なおかつ、ソース電極またはドレイン電極として機能する導電膜１３１及び導電膜
１３５が、活性層１３６の下側で接している、ボトムコンタクト構造である。
【００８５】
また、図３、図４では、トランジスタ１０２、トランジスタ１０３がシングルゲート構造
である場合を例示しているが、トランジスタ１０２、トランジスタ１０３は、電気的に接
続された複数のゲート電極を有することで、チャネル形成領域を複数有する、マルチゲー
ト構造であっても良い。
【００８６】
そして、導電膜１３０は、絶縁膜１１１に形成されたコンタクトホール１３８を介して、
電極１１４に接している。
【００８７】
また、トランジスタ１０２及びトランジスタ１０３を覆うように、絶縁膜１３９が形成さ
れている。そして、絶縁膜１３９上には、絶縁膜１３９に形成されたコンタクトホール１
４０を介してトランジスタ１０２のゲート電極１３７に接続された、遮光性を有する導電
膜１４１が形成されている。また、導電膜１４１は、絶縁膜１３９及び絶縁膜１３３に形
成されたコンタクトホール１４２を介して、導電膜１３０に接続されている。また、絶縁
膜１３９上には、絶縁膜１３９に形成されたコンタクトホール１４３を介してトランジス
タ１０３のゲート電極１３４に接続された、遮光性を有する導電膜１４４が形成されてい
る。
【００８８】
遮光性を有する導電膜１４１は、少なくともトランジスタ１０２の活性層１３６の一部と
重なる位置に形成する。なお、活性層１３６に入射する光をより防ぐためには、活性層１
３６全体を完全に導電膜１４１で覆うのが望ましい。
【００８９】
また、遮光性を有する導電膜１４４は、少なくともトランジスタ１０３の活性層１３２の
一部と重なる位置に形成する。なお、活性層１３２に入射する光をより防ぐためには、活
性層１３２全体を完全に導電膜１４４で覆うのが望ましい。
【００９０】
さらに、本発明の一態様では、容量素子１０４が有する電極１１２或いは電極１１４の少
なくとも一方が遮光性を有する。そして、遮光性を有する電極１１２或いは電極１１４が
、トランジスタ１０３の活性層１３２、トランジスタ１０２の活性層１３６と重なる位置
に形成されている。活性層１３２と、活性層１３６とは、少なくともその一部が電極１１
２或いは電極１１４と重なっていれば良い。しかし、活性層１３２或いは活性層１３６に
入射する光をより防ぐためには、活性層１３２全体、或いは活性層１３６全体が、完全に
電極１１２或いは電極１１４と重なるようにするのが望ましい。
【００９１】
遮光性を有する電極１１２、電極１１４、導電膜１４１、導電膜１４４に求められる特性
は、上述したとおり、活性層に用いられている酸化物半導体の吸収端波長近傍、もしくは
これよりも短い波長領域の光の透過率が低いものとする。よって、電極１１２、電極１１
４、導電膜１４１、導電膜１４４には、導電性と遮光性を兼ね備えた金属を用いる。例え
ば、電極１１２、電極１１４には、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステ
ン、ネオジム、スカンジウム等の金属材料、これら金属材料を主成分とする合金材料を用
いた導電膜、或いはこれら金属の窒化物を、単層で又は積層で用いることができる。また
、導電膜１４１、導電膜１４４には、上述した材料の他に、アルミニウム、または銅を用
いることもできる。アルミニウムまたは銅を導電膜１４１、導電膜１４４に用いる場合、
耐熱性や腐食性の問題を回避するために、高融点金属材料と組み合わせて用いると良い。
高融点金属材料としては、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオ
ジム、スカンジウム等を用いることができる。
【００９２】
例えば、電極１１２、電極１１４、導電膜１４１、導電膜１４４を二層の積層構造とする
場合、アルミニウム膜上にモリブデン膜が積層された二層の積層構造、銅膜上にモリブデ
ン膜を積層した二層構造、銅膜上に窒化チタン膜若しくは窒化タンタル膜を積層した二層
構造、または、窒化チタン膜とモリブデン膜とを積層した二層構造とすることが好ましい
。電極１１２、電極１１４、導電膜１４１、導電膜１４４を３層の積層構造を有する場合
、アルミニウム膜、アルミニウムとシリコンの合金膜、アルミニウムとチタンの合金膜ま
たはアルミニウムとネオジムの合金膜を中間層とし、タングステン膜、窒化タングステン
膜、窒化チタン膜またはチタン膜を上下層として積層した構造とすることが好ましい。
【００９３】
そして、電極１１２、電極１１４、導電膜１４１、導電膜１４４の膜厚は、例えば、１０
ｎｍ〜４００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ〜２００ｎｍとする。
【００９４】
本発明の一態様では、上記構成により、遮光性を有する電極１１２或いは電極１１４と、
遮光性を有する導電膜１４１の間に活性層１３６が挟まれるので、酸化物半導体の吸収端
波長近傍の光、もしくはこれよりも短い波長領域の光が、活性層１３６に入射するのを防
ぐことができる。また、遮光性を有する電極１１２或いは電極１１４と、遮光性を有する
導電膜１４４の間に活性層１３２が挟まれるので、酸化物半導体の吸収端波長近傍の光、
もしくはこれよりも短い波長領域の光が、活性層１３２に入射するのを防ぐことができる
。
【００９５】
なお、図３及び図４では、配線として機能する導電膜１４１、導電膜１４４を用いて活性
層１３２または活性層１３６を遮光する構成を例に挙げているが、図１（Ｃ）に示した構
成と同様に、遮光性を有する絶縁膜で、活性層１３２または活性層１３６を遮光するよう
にしても良い。
【００９６】
また、図３、図４では、記憶素子として機能するトランジスタ１０２が、その活性層１３
６に酸化物半導体を含んでいる場合を例示しているが、トランジスタ１０２は必ずしも酸
化物半導体を活性層に含んでいなくとも良い。例えば、シリコンやゲルマニウムなどの半
導体材料を用いてトランジスタ１０２の活性層を形成する場合、一の絶縁表面上に当該活
性層と容量素子１０４とを共に形成することができる。そして、さらに、容量素子１０４
の電極１１２も、上記活性層と同様に、シリコンやゲルマニウムなどの半導体材料を用い
て形成することができる。
【００９７】
そして、電極１１２は、第２ワード線ＷＬｂとしても機能する。また、導電膜１４４は、
第１ワード線ＷＬａとしても機能する。また、導電膜１３１は、データ線ＤＬとしても機
能する。導電膜１３５は、グラウンドなどの固定電位が与えられる配線として機能する。
【００９８】
なお、基板１１０として使用することができる素材に大きな制限はないが、少なくとも、
作製工程における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１１０には、フュージョン法やフロート法で作製されるガラス基板、石英基板、
セラミック基板等を用いることができる。ガラス基板としては、後の加熱処理の温度が高
い場合には、歪み点が７３０℃以上のものを用いると良い。プラスチック等の可撓性を有
する合成樹脂からなる基板は、一般的に上記基板と比較して耐熱温度が低い傾向にあるが
、作製工程における処理温度に耐え得るのであれば用いることが可能である。
【００９９】
また、絶縁膜１３３は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて、酸化珪素膜
、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウ
ム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜または酸化
タンタル膜を単層で又は積層させて形成することができる。ゲート絶縁膜として機能する
絶縁膜１３３は、水分や、水素、酸素などの不純物を極力含まないことが望ましい。スパ
ッタリング法により酸化珪素膜を成膜する場合には、ターゲットとしてシリコンターゲッ
ト又は石英ターゲットを用い、スパッタガスとして酸素又は、酸素及びアルゴンの混合ガ
スを用いる。
【０１００】
不純物を除去することによりｉ型化又は実質的にｉ型化された酸化物半導体（高純度化さ
れた酸化物半導体）は界面準位、界面電荷に対して極めて敏感であるため、高純度化され
た酸化物半導体とゲート絶縁膜との界面は重要である。そのため高純度化された酸化物半
導体に接するゲート絶縁膜（ＧＩ）は、高品質化が要求される。
【０１０１】
例えば、μ波（周波数２．４５ＧＨｚ）を用いた高密度プラズマＣＶＤは、緻密で絶縁耐
圧の高い高品質な絶縁膜を形成できるので、絶縁膜１３３を形成する方法として適してい
る。高純度化された酸化物半導体と高品質なゲート絶縁膜とが密接することにより、界面
準位を低減して界面特性を良好なものとすることができるからである。
【０１０２】
もちろん、ゲート絶縁膜として良質な絶縁膜１３３を形成できるものであれば、スパッタ
リング法やプラズマＣＶＤ法など他の成膜方法を適用することができる。また、成膜後の
熱処理によって膜質や、酸化物半導体との界面特性が改善される絶縁膜であっても良い。
いずれにしても、ゲート絶縁膜としての膜質が良好であることは勿論のこと、ゲート絶縁
膜と酸化物半導体との界面準位密度を低減し、良好な界面を形成できるものであれば良い
。
【０１０３】
また、酸素を含む無機材料を絶縁膜１３３に用いることで、水分または水素を低減させる
ための加熱処理により活性層１３２、活性層１３６中に酸素欠損が発生していたとしても
、活性層１３２、活性層１３６に絶縁膜１３３から酸素を供給し、ドナーとなる酸素欠損
を低減して化学量論的組成比を満たす構成とすることが可能である。よって、活性層１３
２、活性層１３６をｉ型に近づけることができ、酸素欠損によるトランジスタの電気特性
のばらつきを軽減し、電気特性の向上を実現することができる。
【０１０４】
また、活性層１３２または活性層１３６として用いる酸化物半導体膜は、膜厚２ｎｍ以上
２００ｎｍ以下、好ましくは膜厚３ｎｍ以上５０ｎｍ以下、さらに好ましくは膜厚３ｎｍ
以上２０ｎｍ以下とする。酸化物半導体膜は、酸化物半導体をターゲットとして用い、ス
パッタ法により成膜する。また、酸化物半導体膜は、希ガス（例えばアルゴン）雰囲気下
、酸素雰囲気下、又は希ガス（例えばアルゴン）及び酸素混合雰囲気下においてスパッタ
法により形成することができる。
【０１０５】
酸化物半導体膜には、上述したように、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ
−Ｏ系酸化物半導体や、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、
Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｇ
ａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ
−Ｏ系酸化物半導体や、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−
Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導
体、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系
酸化物半導体や、Ｉｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｚｎ−Ｏ系酸化物
半導体などを用いることができる。
【０１０６】
例えば、スパッタ法により得られるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体の薄膜を、酸化
物半導体膜として用いる場合、ターゲットとして、例えば、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：Ｚ
ｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ数比］の組成比を有するターゲットを用いる。また、Ｉｎ２Ｏ
３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ数比］の組成比を有するターゲット、また
はＩｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：４［ｍｏｌ数比］を有するターゲットを用
いることができる。また、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含むターゲットの充填率は９０％以上
１００％以下、好ましくは９５％以上１００％未満である。充填率の高いターゲットを用
いることにより、成膜した酸化物半導体膜は緻密な膜となる。
【０１０７】
なお、酸化物半導体としてＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料を用いる場合、用いるターゲットの組
成比は、原子数比で、Ｉｎ：Ｚｎ＝５０：１〜１：２（モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ３
：ＺｎＯ＝２５：１〜１：４）、好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝２０：１〜１：１（モル数比に
換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１０：１〜２：１）、さらに好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝１
．５：１〜１５：１（モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝３：４〜１５：２）と
する。例えば、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体の形成に用いるターゲットは、原子数比が
Ｉｎ：Ｚｎ：Ｏ＝Ｘ：Ｙ：Ｚのとき、Ｚ＞１．５Ｘ＋Ｙとする。Ｚｎの比率を上記範囲に
収めることで、移動度の向上を実現することができる。
【０１０８】
なお、スパッタ等で成膜された酸化物半導体膜中には、不純物としての水分または水素が
多量に含まれていることがある。水分または水素はドナー準位を形成しやすいため、酸化
物半導体にとっては不純物である。そこで、本発明の一態様では、酸化物半導体膜中の水
分または水素などの不純物を低減するために、酸化物半導体膜に対して、窒素、酸素、超
乾燥空気、または希ガス（アルゴン、ヘリウムなど）の雰囲気下において、加熱処理を施
す。上記ガスは、水の含有量が２０ｐｐｍ以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、好ましくは１
０ｐｐｂ以下であることが望ましい。
【０１０９】
酸化物半導体膜に加熱処理を施すことで、酸化物半導体膜中の水分または水素を脱離させ
ることができる。具体的には、３００℃以上７００℃以下、好ましくは３００℃以上５０
０℃以下で加熱処理を行えば良い。例えば、５００℃、３分間以上６分間以下程度で行え
ばよい。加熱処理にＲＴＡ法を用いれば、短時間に脱水化または脱水素化が行えるため、
ガラス基板の歪点を超える温度でも処理することができる。
【０１１０】
加熱処理装置は電気炉の他、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によって
、被処理物を加熱する装置であっても良い。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔ
ｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ
Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置を
用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノ
ンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどの
ランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である。ＧＲＴＡ
装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。気体には、アルゴンなどの希ガ
ス、または窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられ
る。
【０１１１】
上述した加熱処理により、酸化物半導体膜中の水素の濃度を低減し、高純度化することが
できる。それにより、酸化物半導体膜の特性を安定化させることができる。また、ガラス
転移温度以下の加熱処理で、水素に起因するキャリア密度が少なく、バンドギャップの広
い酸化物半導体膜を形成することができる。このため、大面積基板を用いてトランジスタ
１０２、トランジスタ１０３を作製することができ、量産性を高めることができる。
【０１１２】
なお、酸化物半導体膜を加熱する場合、酸化物半導体膜の材料や加熱条件にもよるが、そ
の表面に板状結晶が形成されることがある。板状結晶は、酸化物半導体膜の表面に対して
略垂直にｃ軸配向した単結晶体であることが好ましい。また、単結晶体でなくとも、各結
晶が、酸化物半導体膜の表面に対して略垂直にｃ軸配向した多結晶体であることが好まし
い。そして、上記多結晶体は、ｃ軸配向していることに加えて、各結晶のａｂ面が一致す
るか、ａ軸、或いは、ｂ軸が一致していることが好ましい。なお、酸化物半導体膜の下地
表面に凹凸がある場合、板状結晶は多結晶体となる。したがって、下地表面は可能な限り
平坦であることが望まれる。
【０１１３】
本発明の一態様では、酸化物半導体を活性層１３２に含むトランジスタ１０３を、記憶素
子として用いるトランジスタ１０２または容量素子１０４における電荷の保持を制御する
ためのスイッチング素子として用いることで、上記電荷のリークを防ぐことができる。ま
た、遮光性を有する電極、導電膜、絶縁膜などの遮光層で、上記活性層１３２を挟むこと
で、光によって上記トランジスタ１０３の特性が劣化するのを防ぐことができる。具体的
には、閾値電圧のシフトを抑制し、オフ電流が上昇するのを防ぐことができる。さらに、
本発明の一態様では、上記遮光性を有する電極を、容量素子１０４の電極１１２或いは電
極１１４として用いる。よって、容量素子１０４とトランジスタ１０３とが重なるように
メモリセル１０１内に配置されるため、容量素子１０４の専有面積、或いは容量値を確保
しつつも、メモリセル１０１の占める面積を縮小化することができる。
【０１１４】
したがって、本発明の一態様に係る記憶装置は、データを保持する期間を確保しつつ、単
位面積あたりの記憶容量を高めることができる。或いは、本発明は、上記記憶装置を半導
体装置に用いることで、半導体装置の信頼性を高め、高機能化させることができる。
【０１１５】
本実施の形態は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１１６】
（実施の形態３）
本実施の形態では、スイッチング素子として機能するトランジスタ１０３の、図１（Ｄ）
と異なる構成の一例について説明する。
【０１１７】
図５（Ａ）に、トランジスタ１０３と、容量素子１０４の断面図の一例を示す。なお、図
５（Ａ）では図１（Ａ）に示すメモリセル１０１の断面構造を示しているが、図１（Ｂ）
が有するトランジスタ１０３と、容量素子１０５も、図５（Ａ）と同様の構成を採用する
ことができる。
【０１１８】
図５（Ａ）に示す断面図では、図１（Ｄ）と同様に、絶縁表面を有する基板１１０上に、
容量素子１０４とトランジスタ１０３が形成されており、容量素子１０４とトランジスタ
１０３は、絶縁膜１１１を間に挟んで重なっている。
【０１１９】
具体的な容量素子１０４の構成は、図１（Ｄ）と同じである。図５（Ａ）では、トランジ
スタ１０３が、チャネル保護構造を有する点において、図１（Ｄ）と異なる。
【０１２０】
図５（Ａ）に示すトランジスタ１０３は、絶縁膜１１１上にゲート電極１５０と、ゲート
電極１５０上の絶縁膜１５１と、絶縁膜１５１上においてゲート電極１５０と重なってい
る、酸化物半導体を含んだ活性層１５２と、ゲート電極１５０と重なる位置において活性
層１５２上に形成されたチャネル保護膜１５３と、活性層１５２上に形成されたソース電
極１５４、ドレイン電極１５５と、を有する。さらに、トランジスタ１０３は、ソース電
極１５４、ドレイン電極１５５、チャネル保護膜１５３、活性層１５２上に形成された絶
縁膜１５６を、その構成要素に含めても良い。
【０１２１】
チャネル保護膜１５３を設けることによって、活性層１５２のチャネル形成領域となる部
分に対する、後の工程時におけるエッチング時のプラズマやエッチング剤による膜減りな
どのダメージを防ぐことができる。従ってトランジスタの信頼性を向上させることができ
る。
【０１２２】
酸素を含む無機材料をチャネル保護膜１５３に用いることで、水分または水素を低減させ
るための加熱処理により活性層１５２中に酸素欠損が発生していたとしても、活性層１５
２にチャネル保護膜１５３から酸素を供給し、ドナーとなる酸素欠損を低減して化学量論
的組成比を満たす構成とすることが可能である。よって、活性層１５２をｉ型に近づける
ことができ、酸素欠損によるトランジスタの電気特性のばらつきを軽減し、耐圧性が高い
、オフ電流の低いなどの電気特性の向上を実現することができる。
【０１２３】
なお、トランジスタ１０３は、絶縁膜１５６上に、バックゲート電極をさらに有していて
も良い。バックゲート電極は、活性層１５２のチャネル形成領域と重なるように形成する
。バックゲート電極は、電気的に絶縁しているフローティングの状態であっても良いし、
電位が与えられる状態であっても良い。後者の場合、バックゲート電極には、ゲート電極
１５０と同じ高さの電位が与えられていても良いし、グラウンドなどの固定電位が与えら
れていても良い。バックゲート電極に与える電位の高さを制御することで、トランジスタ
１０３の閾値電圧を制御することができる。
【０１２４】
そして、図５（Ａ）では、遮光性を有する導電膜で配線１２３を形成し、配線１２３によ
りトランジスタ１０３を覆っている点において、図１（Ｄ）と同じである。具体的には、
トランジスタ１０３の活性層１５２と重なるように、遮光性を有する配線１２３を形成す
る。
【０１２５】
さらに、図５（Ａ）では、図１（Ｄ）と同様に、容量素子１０４が有する電極１１２或い
は電極１１４の少なくとも一方が遮光性を有する。そして、遮光性を有する電極１１２或
いは電極１１４が、トランジスタ１０３の活性層１５２と重なる位置に形成されている。
【０１２６】
上記構成により、図５（Ａ）では、遮光性を有する電極１１２或いは電極１１４と、遮光
性を有する配線１２３との間に活性層１５２が挟まれるので、酸化物半導体の吸収端波長
近傍の光、もしくはこれよりも短い波長領域の光が、活性層１５２に入射するのを防ぐこ
とができる。
【０１２７】
また、スイッチング素子として機能するトランジスタ１０３の、図１（Ｄ）と異なる構成
の、別の一例について説明する。
【０１２８】
図５（Ｂ）に、トランジスタ１０３と、容量素子１０４の断面図の一例を示す。なお、図
５（Ｂ）では図１（Ａ）に示すメモリセル１０１の断面構造を示しているが、図１（Ｂ）
が有するトランジスタ１０３と、容量素子１０５も、図５（Ｂ）と同様の構成を採用する
ことができる。
【０１２９】
図５（Ｂ）に示す断面図では、図１（Ｄ）と同様に、絶縁表面を有する基板１１０上に、
容量素子１０４とトランジスタ１０３が形成されており、容量素子１０４とトランジスタ
１０３は、絶縁膜１１１を間に挟んで重なっている。
【０１３０】
具体的な容量素子１０４の構成は、図１（Ｄ）と同じである。図５（Ｂ）では、トランジ
スタ１０３がボトムゲート型であり、なおかつ、ソース電極またはドレイン電極が活性層
の下側で接しているボトムコンタクト構造である点において、図１（Ｄ）と異なる。
【０１３１】
図５（Ｂ）に示すトランジスタ１０３は、絶縁膜１１１上にゲート電極１６０と、ゲート
電極１６０上の絶縁膜１６１と、絶縁膜１６１上に形成されたソース電極１６４、ドレイ
ン電極１６５と、絶縁膜１６１上においてゲート電極１６０と重なる位置に形成され、な
おかつソース電極１６４、ドレイン電極１６５と接している、酸化物半導体を含んだ活性
層１６２と、を有する。さらに、トランジスタ１０３は、ソース電極１６４、ドレイン電
極１６５、活性層１６２上に形成された絶縁膜１６６を、その構成要素に含めても良い。
【０１３２】
また、酸素を含む無機材料を活性層１６２に接している絶縁膜１６６に用いることで、水
分または水素を低減させるための加熱処理により活性層１６２中に酸素欠損が発生してい
たとしても、活性層１６２に絶縁膜１６６から酸素を供給し、ドナーとなる酸素欠損を低
減して化学量論的組成比を満たす構成とすることが可能である。よって、活性層１６２を
ｉ型に近づけることができ、酸素欠損によるトランジスタ１０３の電気特性のばらつきを
軽減し、電気特性の向上を実現することができる。
【０１３３】
なお、トランジスタ１０３は、絶縁膜１６６上に、バックゲート電極をさらに有していて
も良い。バックゲート電極は、活性層１６２のチャネル形成領域と重なるように形成する
。バックゲート電極は、電気的に絶縁しているフローティングの状態であっても良いし、
電位が与えられる状態であっても良い。後者の場合、バックゲート電極には、ゲート電極
１６０と同じ高さの電位が与えられていても良いし、グラウンドなどの固定電位が与えら
れていても良い。バックゲート電極に与える電位の高さを制御することで、トランジスタ
１０３の閾値電圧を制御することができる。
【０１３４】
そして、図５（Ｂ）では、遮光性を有する導電膜で配線１２３を形成し、配線１２３によ
りトランジスタ１０３を覆っている点において、図１（Ｄ）と同じである。具体的には、
トランジスタ１０３の活性層１６２と重なるように、遮光性を有する配線１２３を形成す
る。
【０１３５】
さらに、図５（Ｂ）では、図１（Ｄ）と同様に、容量素子１０４が有する電極１１２或い
は電極１１４の少なくとも一方が遮光性を有する。そして、遮光性を有する電極１１２或
いは電極１１４が、トランジスタ１０３の活性層１６２と重なる位置に形成されている。
【０１３６】
上記構成により、図５（Ｂ）では、遮光性を有する電極１１２或いは電極１１４と、遮光
性を有する配線１２３との間に活性層１６２が挟まれるので、酸化物半導体の吸収端波長
近傍の光、もしくはこれよりも短い波長領域の光が、活性層１６２に入射するのを防ぐこ
とができる。
【０１３７】
なお、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）では、配線１２３を用いて活性層１５２または活性層１
６２を遮光する構成を例に挙げているが、図１（Ｃ）に示した構成と同様に、遮光性を有
する絶縁膜で、活性層１５２または活性層１６２を遮光するようにしても良い。
【０１３８】
また、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）では、トランジスタ１０３がシングルゲート構造である
場合を例示しているが、トランジスタ１０３は、電気的に接続された複数のゲート電極を
有することで、チャネル形成領域を複数有する、マルチゲート構造であっても良い。
【０１３９】
本実施の形態は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１４０】
（実施の形態４）
本実施の形態では、記憶部の具体的な構成と、その動作について説明する。
【０１４１】
図６は、図２（Ａ）に示したメモリセル１０１を複数有する記憶部２００の、回路図の一
例である。メモリセル１０１の構成については、実施の形態１において説明した内容を参
酌することができる。
【０１４２】
図６に示す記憶部２００では、複数のワード線ＷＬ、複数のデータ線ＤＬなどの各種配線
が設けられており、駆動回路からの信号または固定電位が、これら配線を介して各メモリ
セル１０１に供給される。上記配線の数は、メモリセル１０１の数及び配置によって決め
ることができる。
【０１４３】
具体的に、図６に示す記憶部２００の場合、３行×４列のメモリセルがマトリクス状に接
続されており、ワード線ＷＬ１〜ＷＬ３、データ線ＤＬ１〜ＤＬ４が、記憶部２００内に
配置されている場合を例示している。
【０１４４】
次いで、図６に示す記憶部２００の動作について説明する。
【０１４５】
まず、データの書き込み時における記憶部２００の動作について説明する。書き込み時に
おいて、ワード線ＷＬ１にパルスを有する信号が入力されると、当該パルスの電位、具体
的にはハイレベルの電位が、ワード線ＷＬ１に接続されているトランジスタ１０３のゲー
ト電極に与えられる。よって、ワード線ＷＬ１にゲート電極が接続されているトランジス
タ１０３は、全てオンになる。
【０１４６】
次いで、データ線ＤＬ１〜ＤＬ４に、データを情報として含む信号が入力される。データ
線ＤＬ１〜ＤＬ４に入力される信号の電位のレベルは、データの内容によって当然異なる
。データ線ＤＬ１〜ＤＬ４に入力されている電位は、オンのトランジスタ１０３を介して
、容量素子１０５の一方の電極に与えられる。そして、上記信号の電位に従って、容量素
子１０５に蓄積されている電荷量が制御されることで、容量素子１０５へのデータの書き
込みが行われる。
【０１４７】
ワード線ＷＬ１への、パルスを有する信号の入力が終了すると、ワード線ＷＬ１にゲート
電極が接続されているトランジスタ１０３が、全てオフになる。そして、ワード線ＷＬ２
、ワード線ＷＬ３に、パルスを有する信号が順に入力され、ワード線ＷＬ２を有するメモ
リセル１０１、ワード線ＷＬ３を有するメモリセル１０１において、上述した動作が同様
に繰り返される。
【０１４８】
次いで、データの保持時における記憶部２００の動作について説明する。保持時において
、全てのワード線ＷＬ１〜ＷＬ３には、トランジスタ１０３がオフになるレベルの電位、
具体的にはローレベルの電位が与えられる。トランジスタ１０３は、上述したようにオフ
電流が著しく低いので、容量素子１０５に蓄積された電荷はリークしづらく、遮光を行わ
ない場合、或いは、シリコンなどの半導体材料をトランジスタ１０３に用いた場合に比べ
、長い期間に渡ってデータの保持を行うことができる。
【０１４９】
次いで、データの読み出し時における記憶部２００の動作について説明する。データの読
み出し時には、書き込み時と同様に、ワード線ＷＬ１〜ＷＬ３に順にパルスを有する信号
が入力される。当該パルスの電位、具体的にはハイレベルの電位が、ワード線ＷＬ１に接
続されているトランジスタ１０３のゲート電極に与えられると、当該トランジスタ１０３
は全てオンになる。
【０１５０】
トランジスタ１０３がオンになると、データ線ＤＬを介して容量素子１０５に蓄積された
電荷が取り出される。そして、上記電荷量の違いを読み取ることにより、データを読み出
すことができる。
【０１５１】
なお、各データ線ＤＬの先には読み出し回路が接続されており、読み出し回路の出力信号
が、記憶部から実際に読み出されたデータを含んでいる。
【０１５２】
本実施の形態では、書き込み、保持、読み出し、の各動作を、複数のメモリセル１０１に
おいて順に行う駆動方法について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。指定さ
れたアドレスのメモリセル１０１においてのみ、上記動作を行うようにしても良い。
【０１５３】
また、図６に示した記憶部２００の場合、各メモリセル１０１に、データ線ＤＬと、ワー
ド線ＷＬと、容量素子１０５の電極に固定電位を供給するための配線との、３つの配線が
接続されている場合を例示しているが、本発明の一態様では各メモリセルが有する配線の
数はこれに限定されない。トランジスタ１０３のスイッチングを制御するための信号と、
容量素子１０５の電荷量を制御するための信号と、固定電位とを、メモリセル１０１に供
給することができ、なおかつ、容量素子１０５に蓄積されている電荷量が情報として含ま
れる電位を、駆動回路に送ることができるように、配線の数及び接続構造を、適宜決めれ
ば良い。
【０１５４】
本実施の形態は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１５５】
（実施の形態５）
本実施の形態では、記憶部の具体的な構成と、その動作について説明する。
【０１５６】
図７は、図２（Ｃ）に示したメモリセル１０１を複数有する記憶部２０１の、回路図の一
例である。メモリセル１０１の構成については、実施の形態１において説明した内容を参
酌することができる。
【０１５７】
図７に示す記憶部２０１では、複数の第１ワード線ＷＬａ、複数の第２ワード線ＷＬｂ、
複数のデータ線ＤＬなどの各種配線が設けられており、駆動回路からの信号または固定電
位が、これら配線を介して各メモリセル１０１に供給される。上記配線の数は、メモリセ
ル１０１の数及び配置によって決めることができる。
【０１５８】
具体的に、図７に示す記憶部２０１の場合、３行×３列のメモリセルがマトリクス状に接
続されており、第１ワード線ＷＬａ１〜ＷＬａ３、第２ワード線ＷＬｂ１〜ＷＬｂ３、デ
ータ線ＤＬ１〜ＤＬ３が、記憶部２０１内に配置されている場合を例示している。
【０１５９】
次いで、図７に示す記憶部２０１の動作について説明する。図８は、複数の第１ワード線
ＷＬａ１〜ＷＬａ３、複数の第２ワード線ＷＬｂ１〜ＷＬｂ３、複数のデータ線ＤＬ１〜
ＤＬ３に入力される信号の電位の時間変化を示すタイミングチャートである。図８に示す
タイミングチャートは、トランジスタ１０２、トランジスタ１０３が共にｎチャネル型で
あり、なおかつ２値のデータを扱う場合を例示している。
【０１６０】
なお、タイミングチャートにおける信号の電位は、立ち上がりまたは立ち下がりが垂直に
なるように示している。しかし、実際の信号の電位は、配線の負荷やノイズ等の影響を受
けるため、その波形が鈍ることは当業者であれば容易に理解できる。
【０１６１】
まず、データの書き込み時における記憶部２０１の動作について説明する。書き込み時に
おいて、第１ワード線ＷＬａ１にパルスを有する信号が入力されると、当該パルスの電位
、具体的にはハイレベルの電位が、第１ワード線ＷＬａ１に接続されているトランジスタ
１０３のゲート電極に与えられる。よって、第１ワード線ＷＬａ１にゲート電極が接続さ
れているトランジスタ１０３は、全てオンになる。一方、第２ワード線ＷＬｂ１〜ＷＬｂ
３には、ローレベルの電位が与えられている。
【０１６２】
次いで、データ線ＤＬ１〜ＤＬ３に、データを情報として含む信号が入力される。データ
線ＤＬ１〜ＤＬ３に入力される信号の電位のレベルは、データの内容によって当然異なる
。データ線ＤＬ１〜ＤＬ３に入力されている電位は、オンのトランジスタ１０３を介して
、トランジスタ１０２が有するゲート電極と容量素子１０４の一方の電極に与えられる。
そして、上記信号の電位に従って、トランジスタ１０２のゲート容量と、容量素子１０４
に蓄積される電荷量が制御されることで、メモリセル１０１へのデータの書き込みが行わ
れる。
【０１６３】
第１ワード線ＷＬａ１への、パルスを有する信号の入力が終了すると、第１ワード線ＷＬ
ａ１にゲート電極が接続されているトランジスタ１０３が、全てオフになる。そして、第
１ワード線ＷＬａ２、第１ワード線ＷＬａ３に、パルスを有する信号が順に入力され、第
１ワード線ＷＬａ２を有するメモリセル１０１、第１ワード線ＷＬａ３を有するメモリセ
ル１０１において、上述した動作が同様に繰り返される。
【０１６４】
次いで、データの保持時における記憶部２０１の動作について説明する。保持時において
、全ての第１ワード線ＷＬａ１〜ＷＬａ３には、トランジスタ１０３がオフになるレベル
の電位、具体的にはローレベルの電位が与えられる。トランジスタ１０３は、上述したよ
うにオフ電流が著しく低いので、トランジスタ１０２のゲート容量と、容量素子１０４に
蓄積された電荷はリークしづらく、遮光を行わない場合、或いは、シリコンなどの半導体
材料をトランジスタ１０３に用いた場合に比べ、長い期間に渡ってデータの保持を行うこ
とができる。
【０１６５】
一方、第２ワード線ＷＬｂ１〜ＷＬｂ３には、引き続き、ローレベルの電位が与えられる
。
【０１６６】
次いで、データの読み出し時における記憶部２０１の動作について説明する。データの読
み出し時では、全ての第１ワード線ＷＬａ１〜ＷＬａ３にローレベルの電位が入力される
ことで、トランジスタ１０３のゲート電極にローレベルの電位が与えられる。よって、第
１ワード線ＷＬａ１〜ＷＬａ３にゲート電極が接続されているトランジスタ１０３は、全
てオフのままである。
【０１６７】
一方、第２ワード線ＷＬｂ１には、パルスを有する信号が入力され、当該パルスの電位、
具体的にはハイレベルの電位が、容量素子１０４の他方の電極に与えられる。容量素子１
０４が有する一対の電極の電位差は、電荷保存則により維持されたままなので、第２ワー
ド線ＷＬｂ１の電位の変化は、トランジスタ１０２のゲート電極に与えられる。そして、
トランジスタ１０２は、そのゲート容量に蓄積されている電荷量によって閾値電圧が変化
しているため、トランジスタ１０２には、そのゲート容量に蓄積されている電荷量に見合
った高さのドレイン電流が流れる。よって、トランジスタ１０２のドレイン電流の大きさ
から、蓄積されている電荷量の違いを読み取ることにより、データをデータ線ＤＬから読
み出すことができる。
【０１６８】
第２ワード線ＷＬｂ１への、パルスを有する信号の入力が終了すると、第２ワード線ＷＬ
ｂ１を有するメモリセル１０１のトランジスタ１０２は全てオフになる。そして、第２ワ
ード線ＷＬｂ２、第２ワード線ＷＬｂ３に、パルスを有する信号が順に入力され、第２ワ
ード線ＷＬｂ２を有するメモリセル１０１、第２ワード線ＷＬｂ３を有するメモリセル１
０１において、上述した動作が同様に繰り返される。
【０１６９】
なお、データ線ＤＬ１〜ＤＬ３の先には読み出し回路が接続されており、読み出し回路の
出力信号が、記憶部２０１から実際に読み出されたデータを含んでいる。
【０１７０】
本実施の形態では、書き込み、保持、読み出し、の各動作を、複数のメモリセル１０１に
おいて順に行う駆動方法について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。指定さ
れたアドレスのメモリセル１０１においてのみ、上記動作を行うようにしても良い。
【０１７１】
また、図７に示した記憶部２０１の場合、各メモリセル１０１に、第１ワード線ＷＬａと
、第２ワード線ＷＬｂと、データ線ＤＬと、トランジスタ１０２に固定電位を供給するた
めの配線との、４つの配線が接続されている場合を例示しているが、本発明の一態様では
各メモリセルが有する配線の数はこれに限定されない。トランジスタ１０３のスイッチン
グを制御するための信号と、トランジスタ１０２のゲート容量に蓄積される電荷量を制御
するための信号と、固定電位とを、メモリセル１０１に供給することができ、なおかつ、
上記ゲート容量に蓄積される電荷量が情報として含まれる電位を、駆動回路に送ることが
できるように、配線の数及び接続構造を、適宜決めれば良い。
【０１７２】
本実施の形態は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１７３】
（実施の形態６）
図９に、本発明の一態様に係る記憶装置の構成を、一例としてブロック図で示す。図９に
示す記憶装置３００は、メモリセルが複数設けられている記憶部３０１と、記憶部３０１
の動作を制御する駆動回路３０２とを有する。
【０１７４】
駆動回路３０２は、記憶部３０１へのデータの書き込み、記憶部３０１からのデータの読
み出し、記憶部３０１におけるデータの保持などの各種動作を、制御回路からの信号に従
って制御することができる。
【０１７５】
図９では、駆動回路３０２に信号を供給する制御回路が、記憶装置３００に含まれておら
ず、記憶装置３００の外部に設けられている場合を想定しているが、制御回路は記憶装置
の構成要素に含まれていても良い。
【０１７６】
次いで、本発明の一態様に係る記憶装置の、駆動回路の具体的な構成の一例について説明
する。
【０１７７】
図１０に、本発明の一態様に係る記憶装置の具体的な構成を、一例としてブロック図で示
す。なお、図１０に示すブロック図では、記憶装置内の回路を機能ごとに分類し、互いに
独立したブロックとして示しているが、実際の回路は機能ごとに完全に切り分けることが
難しく、一つの回路が複数の機能に係わることもあり得る。
【０１７８】
図１０に示す記憶装置３００は、記憶部３０１と、駆動回路３０２とを有している。駆動
回路３０２は、記憶部３０１から読み出されたデータを情報として含む信号を生成する読
み出し回路３０３と、記憶部３０１が有するメモリセルを、行ごとに選択するワード線駆
動回路３０４と、記憶部３０１において選択されたメモリセルにおけるデータの書き込み
を制御するデータ線駆動回路３０５とを有する。そして、駆動回路３０２は、読み出し回
路３０３、ワード線駆動回路３０４、データ線駆動回路３０５の動作を制御する制御回路
３０６を有している。
【０１７９】
また、図１０に示す記憶装置３００では、ワード線駆動回路３０４が、デコーダ３０７と
、レベルシフタ３０８と、バッファ３０９とを有している。データ線駆動回路３０５が、
デコーダ３１０と、レベルシフタ３１１と、セレクタ３１２とを有している。
【０１８０】
なお、本発明の一態様に係る記憶装置３００は、少なくとも記憶部３０１をその構成に含
んでいればよい。さらに、本発明の一態様に係る記憶装置３００は、記憶部３０１に駆動
回路３０２の一部または全てが接続された状態にあるメモリモジュールを、その範疇に含
む。メモリモジュールは、プリント配線基板等に実装することが可能な接続端子が設けら
れ、なおかつ樹脂等で保護された、所謂パッケージングされた状態であっても良い。
【０１８１】
また、記憶部３０１、読み出し回路３０３、ワード線駆動回路３０４、データ線駆動回路
３０５、制御回路３０６は、全て一の基板を用いて形成されていても良いし、いずれか１
つまたは全てが互いに異なる基板を用いて形成されていても良い。
【０１８２】
異なる基板を用いている場合、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕ
ｉｔ）などを介して電気的な接続を確保することができる。この場合、駆動回路３０２の
一部がＦＰＣにＣＯＦ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｆｉｌｍ）法を用いて接続されていても良い。
或いは、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）法を用いて、電気的な接続を確保するこ
とができる。
【０１８３】
記憶装置３００に、記憶部３０１のアドレス（Ａｘ、Ａｙ）を情報として含む信号ＡＤが
入力されると、制御回路３０６は、列方向のアドレスＡｘをデータ線駆動回路３０５に送
り、行方向のアドレスＡｙをワード線駆動回路３０４に送る。また、制御回路３０６は、
記憶装置３００に入力されたデータを情報として含む信号ＤＡＴＡを、データ線駆動回路
３０５に送る。
【０１８４】
記憶部３０１におけるデータの書き込み動作、読み出し動作の選択は、制御回路３０６に
供給される信号ＲＥ（Ｒｅａｄ ｅｎａｂｌｅ）、信号ＷＥ（Ｗｒｉｔｅ ｅｎａｂｌｅ
）などによって選択される。さらに、記憶部３０１が複数存在する場合、制御回路３０６
に、記憶部３０１を選択するための信号ＣＥ（Ｃｈｉｐ ｅｎａｂｌｅ）が入力されてい
ても良い。この場合、信号ＲＥ、信号ＷＥにより選択される動作が、信号ＣＥにより選択
された記憶部３０１において実行される。
【０１８５】
記憶部３０１では、信号ＷＥによって書き込み動作が選択されると、制御回路３０６から
の指示に従って、ワード線駆動回路３０４が有するデコーダ３０７において、アドレスＡ
ｙに対応するメモリセルを選択するための信号が生成される。当該信号は、レベルシフタ
３０８によって振幅が調整された後、バッファ３０９において波形が処理され、記憶部３
０１に入力される。一方、データ線駆動回路３０５では、制御回路３０６からの指示に従
って、デコーダ３１０において選択されたメモリセルのうち、アドレスＡｘに対応するメ
モリセルを選択するための信号が生成される。当該信号は、レベルシフタ３１１によって
振幅が調整された後、セレクタ３１２に入力される。セレクタ３１２では、入力された信
号に従って信号ＤＡＴＡをサンプリングし、アドレス（Ａｘ、Ａｙ）に対応するメモリセ
ルにサンプリングした信号を入力する。
【０１８６】
また、記憶部３０１では、信号ＲＥによって読み出し動作が選択されると、制御回路３０
６からの指示に従って、ワード線駆動回路３０４が有するデコーダ３０７において、アド
レスＡｙに対応するメモリセルを選択するための信号が生成される。当該信号は、レベル
シフタ３０８によって振幅が調整された後、バッファ３０９において波形が処理され、記
憶部３０１に入力される。一方、読み出し回路３０３では、制御回路３０６からの指示に
従って、デコーダ３０７により選択されたメモリセルのうち、アドレスＡｘに対応するメ
モリセルを選択する。そして、アドレス（Ａｘ、Ａｙ）に対応するメモリセルに記憶され
ているデータを読み出し、該データを情報として含む信号を生成する。
【０１８７】
本実施の形態は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１８８】
（実施の形態７）
本実施の形態では、読み出し回路の具体的な構成の一例について説明する。
【０１８９】
記憶部から読み出された電位は、メモリセルに書き込まれているデータに従って、そのレ
ベルが決まる。よって、理想的には、複数のメモリセルに同じデジタル値のデータが記憶
されているならば、複数のメモリセルから読み出された電位は、全て同じレベルのはずで
ある。しかし、実際には、記憶素子として機能するトランジスタ、または読み出し時にお
いてスイッチング素子として機能するトランジスタの特性が、メモリセル間においてばら
つくことがある。この場合、読み出されるはずのデータが全て同じデジタル値であっても
、実際に読み出された電位にばらつきが生じるため、その分布は幅を有する。よって、記
憶部から読み出された電位に多少のばらつきが生じていても、正確なデータを情報として
含み、なおかつ所望の仕様に合わせて振幅、波形が処理された信号を形成する読み出し回
路を、駆動回路に設けることが望ましい。
【０１９０】
図１１に、読み出し回路の一例を回路図で示す。図１１に示す読み出し回路は、記憶部か
ら読み出された電位Ｖｄａｔａの、読み出し回路への入力を制御するためのスイッチング
素子として機能するトランジスタ２６０と、抵抗として機能するトランジスタ２６１とを
有する。また、図１１に示す読み出し回路は、オペアンプ２６２を有している。
【０１９１】
具体的に、トランジスタ２６１は、それぞれ、そのゲート電極とドレイン電極（または、
ドレイン領域）が接続されており、なおかつ、ゲート電極及びドレイン電極にハイレベル
の電源電位Ｖｄｄが与えられている。また、トランジスタ２６１は、ソース電極が、オペ
アンプ２６２の非反転入力端子（＋）に接続されている。よって、トランジスタ２６１は
、電源電位Ｖｄｄが与えられているノードと、オペアンプ２６２の非反転入力端子（＋）
との間に接続された、抵抗として機能する。なお、図１１では、ゲート電極とドレイン電
極が接続されたトランジスタを抵抗として用いたが、本発明はこれに限定されず、抵抗と
して機能する素子であれば代替が可能である。
【０１９２】
また、スイッチング素子として機能するトランジスタ２６０は、ゲート電極がビット線Ｂ
Ｌ１〜ＢＬ３にそれぞれ接続されている。そして、ビット線ＢＬ１〜ＢＬ３の電位に従っ
て、トランジスタ２６０が有するソース電極への電位Ｖｄａｔａの供給が制御される。
【０１９３】
例えば、ビット線ＢＬ１に接続されたトランジスタ２６０がオンになると、電位Ｖｄａｔ
ａと電源電位Ｖｄｄとを、トランジスタ２６０とトランジスタ２６１により抵抗分割する
ことで得られる電位が、オペアンプ２６２の非反転入力端子（＋）に与えられる。そして
、電源電位Ｖｄｄのレベルは固定されているので、抵抗分割により得られる電位のレベル
には、電位Ｖｄａｔａのレベル、すなわち、読み出されたデータのデジタル値が反映され
ている。
【０１９４】
一方、オペアンプ２６２の反転入力端子（−）には、基準電位Ｖｒｅｆが与えられている
。そして、非反転入力端子（＋）に与えられる電位が、基準電位Ｖｒｅｆに対して高いか
低いかにより、出力端子の電位Ｖｏｕｔのレベルを異ならせることができ、それにより、
間接的にデータを情報として含む信号を得ることができる。
【０１９５】
なお、同じ値のデータが記憶されているメモリセルであっても、メモリセル間の特性のば
らつきにより、読み出された電位Ｖｄａｔａのレベルにもばらつきが生じ、その分布が幅
を有する場合がある。よって、基準電位Ｖｒｅｆのレベルは、データの値を正確に読み取
るために、ノードの電位Ｖｄａｔａのばらつきを考慮して定める。
【０１９６】
また、図１１では、２値のデジタル値を扱う場合の読み出し回路の一例であるので、デー
タの読み出しに用いるオペアンプは、電位Ｖｄａｔａの与えられるノードに対して１つず
つ用いているが、オペアンプの数はこれに限定されない。ｎ値（ｎは２以上の自然数）の
データを扱う場合は、電位Ｖｄａｔａの与えられるノードに対するオペアンプの数をｎ−
１とする。
【０１９７】
本実施の形態は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１９８】
（実施の形態８）
本実施の形態では、トランジスタのオフ電流の算出例について説明する。
【０１９９】
まず、オフ電流の算出に用いた特性評価用回路の構成について、図１２を用いて説明する
。本実施の形態では、特性評価用回路が、互いに並列に接続された複数の測定系８０１を
備える。具体的に図１２では、８つの測定系８０１が並列に接続されている特性評価用回
路を例示している。
【０２００】
測定系８０１は、トランジスタ８１１と、トランジスタ８１２と、容量素子８１３と、ト
ランジスタ８１４と、トランジスタ８１５とを含む。
【０２０１】
トランジスタ８１１は、電荷注入用トランジスタである。そして、トランジスタ８１１は
、その第１端子が、電位Ｖ１の与えられているノードに接続されており、その第２端子が
、トランジスタ８１２の第１端子に接続されている。トランジスタ８１１のゲート電極は
、電位Ｖｅｘｔ＿ａの与えられているノードに接続されている。
【０２０２】
トランジスタ８１２は、リーク電流評価用トランジスタである。なお、本実施の形態にお
いてリーク電流とは、トランジスタのオフ電流を含んでいる。そして、トランジスタ８１
２は、その第１端子が、トランジスタ８１１の第２端子に接続されており、その第２端子
が、電位Ｖ２の与えられているノードに接続されている。トランジスタ８１２のゲート電
極は、電位Ｖｅｘｔ＿ｂの与えられているノードに接続されている。
【０２０３】
容量素子８１３の第１の電極は、トランジスタ８１１の第２端子及びトランジスタ８１２
の第１端子に接続されている。容量素子８１３の第２の電極は、電位Ｖ２の与えられてい
るノードに接続されている。
【０２０４】
トランジスタ８１４は、その第１端子が、電位Ｖ３の与えられているノードに接続されて
おり、その第２端子が、トランジスタ８１５の第１端子に接続されている。トランジスタ
８１４のゲート電極は、トランジスタ８１１の第２端子、トランジスタ８１２の第１端子
、容量素子８１３の第１の電極に接続されている。なお、このトランジスタ８１４のゲー
ト電極が接続されている箇所を、ノードＡとする。
【０２０５】
トランジスタ８１５は、その第１端子が、トランジスタ８１４の第２端子に接続されてお
り、その第２端子が、電位Ｖ４の与えられているノードに接続されている。トランジスタ
８１５のゲート電極は、電位Ｖｅｘｔ＿ｃの与えられているノードに接続されている。
【０２０６】
そして、測定系８０１は、トランジスタ８１４の第２端子と、トランジスタ８１５の第１
端子が接続されているノードの電位を、出力信号の電位Ｖｏｕｔとして出力する。
【０２０７】
そして、本実施の形態では、トランジスタ８１１として、酸化物半導体を活性層に含み、
なおかつ、活性層に含まれるチャネル形成領域のサイズがチャネル長Ｌ＝１０μｍ、チャ
ネル幅Ｗ＝１０μｍであるトランジスタを用いる。
【０２０８】
なお、チャネル形成領域とは、半導体膜のうち、ソース電極とドレイン電極の間において
、ゲート絶縁膜を間に挟んでゲート電極と重なる領域に相当する。
【０２０９】
また、トランジスタ８１４及びトランジスタ８１５として、酸化物半導体を活性層に含み
、なおかつ、活性層に含まれるチャネル形成領域のサイズがチャネル長Ｌ＝３μｍ、チャ
ネル幅Ｗ＝１００μｍであるトランジスタを用いる。
【０２１０】
また、トランジスタ８１２として、酸化物半導体を活性層に含み、活性層の上部にソース
電極及びドレイン電極が接し、ソース電極及びドレイン電極と、ゲート電極とが重なるオ
ーバーラップ領域を設けず、幅１μｍのオフセット領域を有するボトムゲート構造のトラ
ンジスタを用いる。オフセット領域を設けることにより、寄生容量を低減することができ
る。さらに、トランジスタ８１２として、活性層に含まれるチャネル形成領域が、下記の
表１の条件１から条件６に示すような、異なるサイズを有するトランジスタを用いる。
【０２１１】
【表１】
【０２１２】
なお、電荷注入用トランジスタ８１１を測定系８０１に設けない場合には、容量素子８１
３への電荷注入の際に、リーク電流評価用トランジスタ８１２を一度オンにする必要があ
る。この場合、リーク電流評価用トランジスタ８１２が、オンからオフの定常状態となる
までに時間を要するような素子だと、測定に時間を要する。図１２に示すように、電荷注
入用トランジスタ８１１と、リーク電流評価用トランジスタ８１２とを別々に測定系８０
１に設けることにより、電荷注入の際に、リーク電流評価用トランジスタ８１２を常にオ
フに保つことができる。よって、測定に要する時間を短縮化することができる。
【０２１３】
また、電荷注入用トランジスタ８１１と、リーク電流評価用トランジスタ８１２とを測定
系８０１に別々に設けることにより、それぞれのトランジスタを適切なサイズとすること
ができる。また、リーク電流評価用トランジスタ８１２のチャネル幅Ｗを、電荷注入用ト
ランジスタ８１１のチャネル幅Ｗよりも大きくすることにより、リーク電流評価用トラン
ジスタ８１２のリーク電流以外の、特性評価回路内のリーク電流成分を相対的に小さくす
ることができる。その結果、リーク電流評価用トランジスタ８１２のリーク電流を高い精
度で測定することができる。同時に、電荷注入の際に、リーク電流評価用トランジスタ８
１２を一度オンとする必要がないため、チャネル形成領域の電荷の一部がノードＡに流れ
込むことによるノードＡの電位変動の影響もない。
【０２１４】
一方、電荷注入用トランジスタ８１１のチャネル幅Ｗを、リーク電流評価用トランジスタ
８１２のチャネル幅Ｗよりも小さくすることにより、電荷注入用トランジスタ８１１のリ
ーク電流を相対的に小さくすることができる。また、電荷注入の際に、チャネル形成領域
の電荷の一部がノードＡに流れ込むことによるノードＡの電位変動の影響も小さい。
【０２１５】
また、図１２に示すように、複数の測定系８０１を並列に接続させた構造にすることによ
り、より正確に特性評価回路のリーク電流を算出することができる。
【０２１６】
次に、図１２に示す特性評価回路を用いた、トランジスタのオフ電流の具体的な算出方法
について説明する。
【０２１７】
まず、図１２に示す特性評価回路のリーク電流測定方法について、図１３を用いて説明す
る。図１３は、図１２に示す特性評価回路を用いたリーク電流測定方法を説明するための
タイミングチャートである。
【０２１８】
図１２に示す特性評価回路を用いたリーク電流測定方法は、書き込み期間及び保持期間に
分けられる。それぞれの期間における動作について、以下に説明する。なお、書き込み期
間及び保持期間の両期間において、電位Ｖ２及び電位Ｖ４を０Ｖ、電位Ｖ３を５Ｖ、電位
Ｖｅｘｔ＿ｃを０．５Ｖとする。
【０２１９】
まず、書き込み期間において、電位Ｖｅｘｔ＿ｂを、トランジスタ８１２がオフとなるよ
うな高さの電位ＶＬ（−３Ｖ）に設定する。また、電位Ｖ１を書き込み電位Ｖｗに設定し
た後、電位Ｖｅｘｔ＿ａを、一定期間トランジスタ８１１がオンとなるような高さの電位
ＶＨ（５Ｖ）に設定する。上記構成により、ノードＡに電荷が蓄積され、ノードＡの電位
は、書き込み電位Ｖｗと同等の値になる。次いで、電位Ｖｅｘｔ＿ａを、トランジスタ８
１１がオフとなるような高さの電位ＶＬに設定する。その後、電位Ｖ１を電位ＶＳＳ（０
Ｖ）に設定する。
【０２２０】
次に、保持期間において、ノードＡが保持する電荷量の変化に起因して生じるノードＡの
電位の変化量の測定を行う。電位の変化量から、トランジスタ８１２の第１端子と第２端
子の間を流れる電流値を算出することができる。以上により、ノードＡの電荷の蓄積とノ
ードＡの電位の変化量の測定とを行うことができる。
【０２２１】
ノードＡの電荷の蓄積及びノードＡの電位の変化量の測定（蓄積及び測定動作ともいう）
は、繰り返し行う。まず、第１の蓄積及び測定動作を１５回繰り返し行う。第１の蓄積及
び測定動作では、書き込み期間に書き込み電位Ｖｗとして５Ｖの電位を入力し、保持期間
に１時間の保持を行う。次に、第２の蓄積及び測定動作を２回繰り返し行う。第２の蓄積
及び測定動作では、書き込み期間に書き込み電位Ｖｗを３．５Ｖとし、保持期間に５０時
間の保持を行う。次に、第３の蓄積及び測定動作を１回行う。第３の蓄積及び測定動作で
は、書き込み期間に書き込み電位Ｖｗを４．５Ｖとし、保持期間に１０時間の保持を行う
。蓄積及び測定動作を繰り返し行うことにより、測定した電流値が、定常状態における値
であることを確認することができる。言い換えると、ノードＡを流れる電流ＩＡのうち、
過渡電流（測定開始後から時間経過とともに減少していく電流成分）を除くことができる
。その結果、より高い精度でリーク電流を測定することができる。
【０２２２】
一般に、ノードＡの電位ＶＡは、出力信号の電位Ｖｏｕｔの関数として次式のように表す
ことができる。
【０２２３】
【数１】
【０２２４】
また、ノードＡの電荷ＱＡは、ノードＡの電位ＶＡ、ノードＡに接続される容量ＣＡ、定
数（ｃｏｎｓｔ）を用いて、次式のように表される。ノードＡに接続される容量ＣＡは、
容量素子８１３の容量値と、容量素子８１３以外の容量が有する容量値の和である。
【０２２５】
【数２】
【０２２６】
ノードＡの電流ＩＡは、ノードＡに流れ込む電荷（またはノードＡから流れ出る電荷）の
時間微分であるから、ノードＡの電流ＩＡは次式のように表現される。
【０２２７】
【数３】
【０２２８】
例えば、Δｔを約５４０００ｓｅｃとする。ノードＡに接続される容量ＣＡと、出力信号
の電位Ｖｏｕｔから、ノードＡの電流ＩＡを求めることができるため、特性評価回路のリ
ーク電流を求めることができる。
【０２２９】
次に、上記特性評価回路を用いた測定方法による出力信号の電位Ｖｏｕｔの測定結果及び
該測定結果より算出した特性評価回路のリーク電流の値を示す。
【０２３０】
図１４に、一例として、条件１、条件２及び条件３における上記測定（第１の蓄積及び測
定動作）に係る経過時間Ｔｉｍｅと、出力信号の電位Ｖｏｕｔとの関係を示す。図１５に
、上記測定に係る経過時間Ｔｉｍｅと、該測定によって算出されたリーク電流との関係を
示す。測定開始後から出力信号の電位Ｖｏｕｔが変動しており、定常状態に到るためには
１０時間以上必要であることがわかる。
【０２３１】
また、図１６に、上記測定により見積もられた条件１乃至条件６におけるノードＡの電位
とリーク電流の関係を示す。図１６では、例えば条件４において、ノードＡの電位が３．
０Ｖの場合、リーク電流は２８ｙＡ／μｍである。リーク電流にはトランジスタ８１２の
オフ電流も含まれるため、トランジスタ８１２のオフ電流も２８ｙＡ／μｍ以下とみなす
ことができる。
【０２３２】
以上のように、チャネル形成層としての機能を有し、高純度化された酸化物半導体層を含
むトランジスタを用いた特性評価用回路において、リーク電流が十分に低いため、該トラ
ンジスタのオフ電流が十分に小さいことがわかる。
【０２３３】
（実施の形態９）
本実施の形態では、本発明の半導体装置の一つであるＲＦタグの、構成の一例について説
明する。
【０２３４】
図１７は本発明のＲＦタグの一形態を示すブロック図である。図１７においてＲＦタグ５
５０は、アンテナ回路５５１と、集積回路５５２とを有している。集積回路５５２は、電
源回路５５３、復調回路５５４、変調回路５５５、レギュレータ５５６、演算回路５５７
、記憶装置５５８、昇圧回路５５９を有している。
【０２３５】
次いで、ＲＦタグ５５０の動作の一例について説明する。質問器から電波が送られてくる
と、アンテナ回路５５１において該電波が交流電圧に変換される。電源回路５５３では、
アンテナ回路５５１からの交流電圧を整流し、電源用の電圧を生成する。電源回路５５３
において生成された電源用の電圧は、演算回路５５７とレギュレータ５５６に与えられる
。レギュレータ５５６は、電源回路５５３からの電源用の電圧を安定化させるか、または
その高さを調整した後、集積回路５５２内の復調回路５５４、変調回路５５５、演算回路
５５７、記憶装置５５８または昇圧回路５５９などの各種回路に供給する。
【０２３６】
復調回路５５４は、アンテナ回路５５１が受信した交流信号を復調して、後段の演算回路
５５７に出力する。演算回路５５７は復調回路５５４から入力された信号に従って演算処
理を行い、別途信号を生成する。上記演算処理を行う際に、記憶装置５５８は一次キャッ
シュメモリまたは二次キャッシュメモリとして用いることができる。また演算回路５５７
は、復調回路５５４から入力された信号を解析し、質問器から送られてきた命令の内容に
従って、記憶装置５５８内の情報の出力、または記憶装置５５８内における命令の内容の
実行を行う。演算回路５５７から出力される信号は符号化され、変調回路５５５に送られ
る。変調回路５５５は該信号に従ってアンテナ回路５５１が受信している電波を変調する
。アンテナ回路５５１において変調された電波は質問器で受け取られる。
【０２３７】
このようにＲＦタグ５５０と質問器との通信は、キャリア（搬送波）として用いる電波を
変調することで行われる。キャリアは、１２５ｋＨｚ、１３．５６ＭＨｚ、９５０ＭＨｚ
など規格により様々である。また変調の方式も規格により振幅変調、周波数変調、位相変
調など様々な方式があるが、規格に即した変調方式であればどの変調方式を用いても良い
。
【０２３８】
信号の伝送方式は、キャリアの波長によって電磁結合方式、電磁誘導方式、マイクロ波方
式など様々な種類に分類することができる。
【０２３９】
昇圧回路５５９は、レギュレータ５５６から出力された電圧を昇圧し、記憶装置５５８に
供給している。
【０２４０】
本発明の一態様では、記憶装置５５８が上記実施の形態に示した構成を有しており、デー
タを保持する期間を確保しつつ、単位面積あたりの記憶容量を高めることができることを
特徴とする。従って、本発明の一態様にかかるＲＦタグ５５０は、上記記憶装置５５８を
用いることで、データの信頼性を高めることができる。また、上記記憶装置５５８を用い
ることで、ＲＦタグ５５０を小型化、或いは高機能化することができる。
【０２４１】
本実施の形態では、アンテナ回路５５１を有するＲＦタグ５５０の構成について説明して
いるが、本発明の一態様にかかるＲＦタグは、必ずしもアンテナ回路をその構成要素に含
む必要はない。また図１７に示したＲＦタグに、発振回路または二次電池を設けても良い
。
【０２４２】
本実施の形態は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０２４３】
（実施の形態１０）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る記憶装置を用いた半導体装置の一つである、携
帯型の記憶媒体の一例について説明する。
【０２４４】
図１８（Ａ）に、本発明の一態様にかかる記憶媒体の構成を、一例として示す。図１８（
Ａ）に示す記憶媒体は、本発明の一態様に係る記憶装置７０１と、駆動装置と記憶媒体の
電気的な接続を行うコネクタ７０２と、コネクタ７０２を介して入出力される各種信号に
、仕様に合わせて信号処理を施すインターフェース７０３と、記憶媒体の動作状態などに
従って点灯する発光ダイオード７０４と、記憶装置７０１、インターフェース７０３、発
光ダイオード７０４などの、記憶媒体内の各種回路や半導体素子の動作を制御するコント
ローラ７０５とが、プリント配線基板７０６に実装されている。その他に、コントローラ
７０５の動作を制御するためのクロック信号を生成するのに用いられる水晶振動子、記憶
媒体内における電源電位の高さを制御するためのレギュレータなどが設けられていても良
い。
【０２４５】
図１８（Ａ）に示すプリント配線基板７０６は、図１８（Ｂ）に示すように、コネクタ７
０２と発光ダイオード７０４が一部露出するように、樹脂等を用いたカバー材７０７で覆
って、保護するようにしても良い。
【０２４６】
本発明の一態様にかかる記憶装置７０１は、データを保持する期間を確保しつつ、単位面
積あたりの記憶容量を高めることができることを特徴とする。従って、本発明の一態様に
かかる記憶媒体は、上記記憶装置７０１を用いることで、データの信頼性を高めることが
できる。また、上記記憶装置７０１を用いることで、記憶媒体を小型化することができる
。
【０２４７】
本実施の形態は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【実施例１】
【０２４８】
本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、信頼性が高い電子機器、高機能を有す
る電子機器を提供することが可能である。
【０２４９】
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示装置、ノート型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、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、電子書籍、ビデオカメラ、デ
ジタルスチルカメラ、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、プリンター、プリンター複合機、現金自動預け入れ払い機（Ａ
ＴＭ）、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１９に示す。
【０２５０】
図１９（Ａ）は携帯型ゲーム機であり、筐体７０３１、筐体７０３２、表示部７０３３、
表示部７０３４、マイクロホン７０３５、スピーカー７０３６、操作キー７０３７、スタ
イラス７０３８等を有する。本発明の一態様に係る半導体装置は、携帯型ゲーム機の駆動
を制御するための集積回路に用いることができる。携帯型ゲーム機の駆動を制御するため
の集積回路に本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、信頼性が高い携帯型ゲー
ム機、高機能を有する携帯型ゲーム機を提供することができる。なお、図１９（Ａ）に示
した携帯型ゲーム機は、２つの表示部７０３３と表示部７０３４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。
【０２５１】
図１９（Ｂ）は携帯電話であり、筐体７０４１、表示部７０４２、音声入力部７０４３、
音声出力部７０４４、操作キー７０４５、受光部７０４６等を有する。受光部７０４６に
おいて受信した光を電気信号に変換することで、外部の画像を取り込むことができる。本
発明の一態様に係る半導体装置は、携帯電話の駆動を制御するための集積回路に用いるこ
とができる。携帯電話の駆動を制御するための集積回路に本発明の一態様に係る半導体装
置を用いることで、信頼性が高い携帯電話、高機能を有する携帯電話を提供することがで
きる。
【０２５２】
図１９（Ｃ）は携帯情報端末であり、筐体７０５１、表示部７０５２、操作キー７０５３
等を有する。図１９（Ｃ）に示す携帯情報端末は、モデムが筐体７０５１に内蔵されてい
ても良い。本発明の一態様に係る半導体装置は、携帯情報端末の駆動を制御するための集
積回路に用いることができる。携帯情報端末の駆動を制御するための集積回路に本発明の
一態様に係る半導体装置を用いることで、信頼性が高い携帯情報端末、高機能を有する携
帯情報端末を提供することができる。
【０２５３】
本実施例は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【符号の説明】
【０２５４】
１０１ メモリセル
１０２ トランジスタ
１０３ トランジスタ
１０４ 容量素子
１０５ 容量素子
１０６ トランジスタ
１１０ 基板
１１１ 絶縁膜
１１２ 電極
１１３ 絶縁膜
１１４ 電極
１１５ ゲート電極
１１６ 絶縁膜
１１７ 活性層
１１８ ソース電極
１１９ ドレイン電極
１２０ 絶縁膜
１２１ 絶縁膜
１２２ 絶縁膜
１２３ 配線
１３０ 導電膜
１３１ 導電膜
１３２ 活性層
１３３ 絶縁膜
１３４ ゲート電極
１３５ 導電膜
１３６ 活性層
１３７ ゲート電極
１３８ コンタクトホール
１３９ 絶縁膜
１４０ コンタクトホール
１４１ 導電膜
１４２ コンタクトホール
１４３ コンタクトホール
１４４ 導電膜
１５０ ゲート電極
１５１ 絶縁膜
１５２ 活性層
１５３ チャネル保護膜
１５４ ソース電極
１５５ ドレイン電極
１５６ 絶縁膜
１６０ ゲート電極
１６１ 絶縁膜
１６２ 活性層
１６４ ソース電極
１６５ ドレイン電極
１６６ 絶縁膜
２００ 記憶部
２０１ 記憶部
２６０ トランジスタ
２６１ トランジスタ
２６２ オペアンプ
３００ 記憶装置
３０１ 記憶部
３０２ 駆動回路
３０３ 読み出し回路
３０４ ワード線駆動回路
３０５ データ線駆動回路
３０６ 制御回路
３０７ デコーダ
３０８ レベルシフタ
３０９ バッファ
３１０ デコーダ
３１１ レベルシフタ
３１２ セレクタ
５５０ ＲＦタグ
５５１ アンテナ回路
５５２ 集積回路
５５３ 電源回路
５５４ 復調回路
５５５ 変調回路
５５６ レギュレータ
５５７ 演算回路
５５８ 記憶装置
５５９ 昇圧回路
７０１ 記憶装置
７０２ コネクタ
７０３ インターフェース
７０４ 発光ダイオード
７０５ コントローラ
７０６ プリント配線基板
７０７ カバー材
８０１ 測定系
８１１ トランジスタ
８１２ トランジスタ
８１３ 容量素子
８１４ トランジスタ
８１５ トランジスタ
７０３１ 筐体
７０３２ 筐体
７０３３ 表示部
７０３４ 表示部
７０３５ マイクロホン
７０３６ スピーカー
７０３７ 操作キー
７０３８ スタイラス
７０４１ 筐体
７０４２ 表示部
７０４３ 音声入力部
７０４４ 音声出力部
７０４５ 操作キー
７０４６ 受光部
７０５１ 筐体
７０５２ 表示部
７０５３ 操作キー
【技術分野】
【０００１】
記憶装置と、当該記憶装置を用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ポリシリコンや微結晶シリコンによって得られる高い移動度と、アモルファスシリ
コンによって得られる均一な素子特性とを兼ね備えた新たな半導体材料として、酸化物半
導体と呼ばれる、半導体特性を示す金属酸化物に注目が集まっている。金属酸化物は様々
な用途に用いられており、例えば、よく知られた金属酸化物である酸化インジウムは、液
晶表示装置などで透明電極材料として用いられている。半導体特性を示す金属酸化物とし
ては、例えば、酸化タングステン、酸化錫、酸化インジウム、酸化亜鉛などがあり、この
ような半導体特性を示す金属酸化物をチャネル形成領域に用いる絶縁ゲート電界効果型ト
ランジスタ（以下、単にトランジスタとする）が、既に知られている。
【０００３】
上記、酸化物半導体を用いたトランジスタは、光、特に紫外線などの可視光よりも短波長
側の領域の光によって、閾値電圧のシフト、オフ電流の上昇などの特性の劣化が生じるこ
とが知られている。半導体装置に用いられるトランジスタには、特性の変化が小さいこと
、或いは特性の変化によって生じるばらつきが小さいことが望まれる。そのため、特許文
献１または特許文献２に開示されているように、光によるトランジスタの特性の劣化を防
ぐことを目的とした技術が、研究開発されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−０２１５２０号公報
【特許文献２】特開２００９−２７７７０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記酸化物半導体をチャネル形成領域に含むトランジスタを、スイッチング素子として用
いた半導体記憶装置（以下、単に記憶装置とする）の場合、上記トランジスタの閾値電圧
がシフトする、或いはオフ電流が上昇することによって、記憶素子に保持されるべき電荷
が放出されやすくなり、データを保持できる期間が短くなりやすい。よって、記憶装置に
おいて正確なデータが保持される期間をより長く確保するためには、光の照射に起因する
トランジスタの特性の劣化を防ぐことが重要である。
【０００６】
また、上記記憶装置は、各メモリセルの占める面積が小さいほど、単位面積あたりの記憶
容量を高めることができる。しかし、メモリセルの占める面積が小さくなると、記憶素子
の電荷を保持するために各メモリセルに設けられた容量素子の専有面積も、縮小化せざる
を得ない。よって、容量素子は、記憶装置において長期間のデータが保持できる程度の大
きさの容量値を確保しにくくなる。
【０００７】
上述の課題に鑑み、本発明は、データを保持する期間を確保しつつ、単位面積あたりの記
憶容量を高めることができる記憶装置の提案を、目的の一とする。或いは、本発明は、上
記記憶装置を用いた半導体装置の提案を、目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様に係る記憶装置は、記憶素子として機能するトランジスタと、上記記憶素
子における電荷の蓄積、保持、放出を制御するための、酸化物半導体を活性層に含むトラ
ンジスタと、記憶素子に接続された容量素子とを有する。或いは、本発明の一態様に係る
記憶装置は、記憶素子として機能する容量素子と、上記記憶素子における電荷の蓄積、保
持、放出を制御するための、酸化物半導体をチャネル形成領域に含むトランジスタとを有
する。
【０００９】
そして、上記容量素子が有する一対の電極の少なくとも一方は遮光性を有している。さら
に、本発明の一態様に係る記憶装置は、遮光性を有する導電膜或いは絶縁膜などの遮光層
を有しており、上記活性層が遮光性を有する電極と、遮光層との間に、位置することを特
徴とする。
【００１０】
記憶素子として機能するトランジスタの活性層にも、酸化物半導体が含まれていても良い
。
【００１１】
酸化物半導体は、シリコンの約３倍程度の大きなバンドギャップを有し、シリコンよりも
真性キャリア密度が低い。上述したような特性を有する半導体材料をチャネル形成領域に
含むことで、オフ電流が極めて低いトランジスタを実現することができる。上記構成を有
するトランジスタを、記憶素子に蓄積された電荷を保持するためのスイッチング素子とし
て用いることで、記憶素子からの電荷のリークを防ぐことができる。
【００１２】
なお、酸化物半導体は、微結晶シリコンまたは多結晶シリコンによって得られるのと同程
度の高い移動度と、非晶質シリコンによって得られる均一な素子特性とを兼ね備えた、半
導体特性を示す金属酸化物である。そして、電子供与体（ドナー）となる水分または水素
などの不純物が低減されて高純度化され、酸素欠損が低減された酸化物半導体（ｐｕｒｉ
ｆｉｅｄ ＯＳ）は、ｉ型（真性半導体）又はｉ型に限りなく近い。そのため、上記酸化
物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が著しく低いという特性を有する。具体的に
、高純度化され、酸素欠損が低減された酸化物半導体は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭ
Ｓ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）による水素濃
度の測定値が、５×１０１９／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１８／ｃｍ３以下、より
好ましくは５×１０１７／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６／ｃｍ３以下とす
る。また、ホール効果測定により測定できる酸化物半導体膜のキャリア密度は、１×１０
１４／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１２／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１
１／ｃｍ３未満とする。また、酸化物半導体のバンドギャップは、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。水分または水素などの不純物濃度
が十分に低減されて高純度化され、酸素欠損が低減された酸化物半導体膜を用いることに
より、トランジスタのオフ電流、リーク電流を下げることができる。
【００１３】
ここで、酸化物半導体膜中の、水素濃度の分析について触れておく。酸化物半導体膜中及
び導電膜中の水素濃度測定はＳＩＭＳで行う。ＳＩＭＳは、その原理上、試料表面近傍や
、材質が異なる膜との積層界面近傍のデータを正確に得ることが困難であることが知られ
ている。そこで、膜中における水素濃度の厚さ方向の分布をＳＩＭＳで分析する場合、対
象となる膜が存在する範囲において、値に極端な変動が無く、ほぼ一定の値が得られる領
域における平均値を、水素濃度として採用する。また、測定の対象となる膜の厚さが小さ
い場合、隣接する膜内の水素濃度の影響を受けて、ほぼ一定の値が得られる領域を見いだ
せない場合がある。この場合、当該膜が存在する領域における、水素濃度の極大値または
極小値を、当該膜中の水素濃度として採用する。さらに、当該膜の存在する領域において
、極大値を有する山型のピーク、極小値を有する谷型のピークが存在しない場合、変曲点
の値を水素濃度として採用する。
【００１４】
具体的に、高純度化され、酸素欠損が低減された酸化物半導体膜を活性層として用いたト
ランジスタのオフ電流が低いことは、いろいろな実験により証明できる。例えば、チャネ
ル幅が１×１０６μｍでチャネル長が１０μｍの素子であっても、ソース電極とドレイン
電極間の電圧（ドレイン電圧）が１Ｖから１０Ｖの範囲において、オフ電流（ゲート電極
とソース電極間の電圧を０Ｖ以下としたときのドレイン電流）が、半導体パラメータアナ
ライザの測定限界以下、すなわち１×１０−１３Ａ以下という特性を得ることができる。
この場合、オフ電流をトランジスタのチャネル幅で除した数値に相当するオフ電流密度は
、１００ｚＡ／μｍ以下であることが分かる。また、容量素子とトランジスタ（ゲート絶
縁膜の厚さは１００ｎｍ）とを接続して、容量素子に流入または容量素子から流出する電
荷を当該トランジスタで制御する回路を用いた実験において、当該トランジスタとして高
純度化され、酸素欠損が低減された酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いた場合、容
量素子の単位時間あたりの電荷量の推移から当該トランジスタのオフ電流密度を測定した
ところ、トランジスタのソース電極とドレイン電極間の電圧が３Ｖの場合に、１０ｚＡ／
μｍ乃至１００ｚＡ／μｍという、さらに低いオフ電流密度が得られることが分かった。
したがって、本発明の一態様に係る半導体装置では、高純度化され、酸素欠損が低減され
た酸化物半導体膜を活性層として用いたトランジスタのオフ電流密度を、ソース電極とド
レイン電極間の電圧によっては、１０ｚＡ／μｍ以下、好ましくは１ｚＡ／μｍ以下、更
に好ましくは１ｙＡ／μｍ以下にすることができる。従って、高純度化され、酸素欠損が
低減された酸化物半導体膜を活性層として用いたトランジスタは、オフ電流が、結晶性を
有するシリコンを用いたトランジスタに比べて著しく低い。
【００１５】
なお、酸化物半導体は、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半
導体や、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚ
ｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系
酸化物半導体、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半
導体や、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化
物半導体、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｍｇ
−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系酸化物半導体や
、Ｉｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体などを用
いることができる。なお、本明細書においては、例えば、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系
酸化物半導体とは、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）
を有する金属酸化物、という意味であり、その化学量論的組成比は特に問わない。また、
上記酸化物半導体は、珪素を含んでいてもよい。
【００１６】
或いは、酸化物半導体は、化学式ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０、ｍは自然数であると
は限らない）で表記することができる。ここで、Ｍは、Ｚｎ、Ｇａ、Ａｌ、ＭｎおよびＣ
ｏから選ばれた一または複数の金属元素を示す。例えばＭとして、Ｇａ、Ｇａ及びＡｌ、
Ｇａ及びＭｎ、またはＧａ及びＣｏなどがある。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の一態様では、酸化物半導体を活性層に含むトランジスタを、記憶素子における電
荷の保持を制御するためのスイッチング素子として用いることで、記憶素子からの電荷の
リークを防ぐことができる。また、遮光性を有する電極、導電膜、絶縁膜で、上記活性層
を挟むことで、光によって上記トランジスタの特性が劣化するのを防ぐことができる。具
体的には、閾値電圧のシフトを抑制し、オフ電流が上昇するのを防ぐことができる。さら
に、本発明の一態様では、上記遮光性を有する電極を容量素子の電極として用いる。よっ
て、容量素子とトランジスタとが重なるようにメモリセル内に配置されるため、容量素子
の専有面積、或いは容量値を確保しつつも、メモリセルの占める面積を縮小化することが
できる。
【００１８】
したがって、本発明の一態様に係る記憶装置は、データを保持する期間を確保しつつ、単
位面積あたりの記憶容量を高めることができる。或いは、本発明は、上記記憶装置を半導
体装置に用いることで、半導体装置の信頼性を高め、高機能化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】メモリセルの回路図と断面図。
【図２】メモリセルの回路図。
【図３】メモリセルの上面図。
【図４】メモリセルの断面図。
【図５】メモリセルの断面図。
【図６】記憶部の回路図。
【図７】記憶部の回路図。
【図８】記憶部のタイミングチャート。
【図９】記憶装置のブロック図。
【図１０】記憶装置のブロック図。
【図１１】読み出し回路の回路図。
【図１２】特性評価用回路の回路図。
【図１３】特性評価用回路のタイミングチャート。
【図１４】特性評価回路における経過時間Ｔｉｍｅと、出力信号の電位Ｖｏｕｔとの関係を示す図。
【図１５】特性評価回路における経過時間Ｔｉｍｅと、該測定によって算出されたリーク電流との関係を示す図。
【図１６】特性評価回路におけるノードＡの電位とリーク電流の関係を示す図。
【図１７】ＲＦタグのブロック図。
【図１８】記憶媒体の構成を示す図。
【図１９】電子機器の図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下では、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、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び
詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明
は、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
【００２１】
なお、マイクロプロセッサ、画像処理回路などの集積回路や、ＲＦタグ、記憶媒体、半導
体表示装置など、記憶装置を用いることができるありとあらゆる半導体装置が、本発明の
範疇に含まれる。また、半導体表示装置には、液晶表示装置、有機発光素子（ＯＬＥＤ）
に代表される発光素子を各画素に備えた発光装置、電子ペーパー、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａ
ｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ
Ｐａｎｅｌ）、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）など、半導
体膜を用いた回路素子を画素部または駆動回路に有している半導体表示装置が、その範疇
に含まれる。
【００２２】
（実施の形態１）
図１（Ａ）に、本発明の一態様に係る記憶装置のメモリセルの構成を、一例として回路図
で示す。図１（Ａ）に示す回路図では、メモリセル１０１が、記憶素子として機能するト
ランジスタ１０２と、スイッチング素子として機能するトランジスタ１０３と、容量素子
１０４とを有する。記憶素子として機能するトランジスタ１０２は、ゲート電極と活性層
の間に形成されるゲート容量に、電荷を蓄積させることで、データを記憶する。
【００２３】
メモリセル１０１は、必要に応じて、トランジスタ、ダイオード、抵抗素子、容量素子、
インダクタンスなどのその他の回路素子を、さらに有していても良い。
【００２４】
なお、トランジスタが有するソース電極とドレイン電極は、トランジスタの極性及び各電
極に与えられる電位の高低差によって、その呼び方が入れ替わる。一般的に、ｎチャネル
型トランジスタでは、低い電位が与えられる電極がソース電極と呼ばれ、高い電位が与え
られる電極がドレイン電極と呼ばれる。また、ｐチャネル型トランジスタでは、低い電位
が与えられる電極がドレイン電極と呼ばれ、高い電位が与えられる電極がソース電極と呼
ばれる。以下、ソース電極とドレイン電極のいずれか一方を第１端子、他方を第２端子と
し、メモリセル１０１が有するトランジスタ１０２、トランジスタ１０３、容量素子１０
４の接続関係を説明する。
【００２５】
図１（Ａ）に示すメモリセル１０１では、トランジスタ１０３の第１端子に接続されてい
るノードに、データを含む信号の電位が与えられている。また、トランジスタ１０３の第
２端子は、トランジスタ１０２のゲート電極に接続されている。容量素子１０４が有する
一対の電極は、一方がトランジスタ１０２のゲート電極に接続され、他方が所定の電位が
与えられているノードに接続されている。
【００２６】
また、図１（Ｂ）に、図１（Ａ）とは異なるメモリセルの構成を、一例として回路図で示
す。図１（Ｂ）に示す回路図では、メモリセル１０１が、記憶素子として機能する容量素
子１０５と、スイッチング素子として機能するトランジスタ１０３とを有する。記憶素子
として機能する容量素子１０５に電荷を蓄積させることで、データを記憶する。
【００２７】
図１（Ｂ）に示すメモリセル１０１では、トランジスタ１０３の第１端子に接続されてい
るノードに、データを含む信号の電位が与えられている。また、容量素子１０５が有する
一対の電極は、一方がトランジスタ１０３の第２端子に接続され、他方が所定の電位が与
えられているノードに接続されている。
【００２８】
なお、本明細書において接続とは電気的な接続を意味しており、電流、電圧または電位が
、供給可能、或いは伝送可能な状態に相当する。従って、接続している状態とは、直接接
続している状態を必ずしも指すわけではなく、電流、電圧または電位が、供給可能、或い
は伝送可能であるように、配線、抵抗、ダイオード、トランジスタなどの回路素子を介し
て間接的に接続している状態も、その範疇に含む。
【００２９】
また、回路図上は独立している構成要素どうしが接続されている場合であっても、実際に
は、例えば配線の一部が電極として機能する場合など、一の導電膜が、複数の構成要素の
機能を併せ持っている場合もある。本明細書において接続とは、このような、一の導電膜
が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合も、その範疇に含める。
【００３０】
本発明の一態様では、図１（Ａ）または図１（Ｂ）に示した上記スイッチング素子として
機能するトランジスタ１０３のチャネル形成領域に、シリコン半導体よりもバンドギャッ
プが広く、真性キャリア密度がシリコンよりも低い酸化物半導体を含むことを特徴とする
。上述したような特性を有する酸化物半導体をチャネル形成領域に含むことで、オフ電流
が極めて低いトランジスタ１０３を実現することができる。上記構成を有するトランジス
タ１０３を、記憶素子として機能するトランジスタ１０２或いは容量素子１０５に蓄積さ
れた電荷を保持するためのスイッチング素子として用いることで、上記電荷のリークを防
ぐことができる。
【００３１】
なお、特に断りがない限り、本明細書でオフ電流とは、ｎチャネル型トランジスタにおい
ては、ドレイン電極をソース電極とゲート電極よりも高い電位とした状態において、ソー
ス電極の電位を基準としたときのゲート電極の電位が０以下であるときに、ソース電極と
ドレイン電極の間に流れる電流のことを意味する。或いは、本明細書でオフ電流とは、ｐ
チャネル型トランジスタにおいては、ドレイン電極をソース電極とゲート電極よりも低い
電位とした状態において、ソース電極の電位を基準としたときのゲート電極の電位が０以
上であるときに、ソース電極とドレイン電極の間に流れる電流のことを意味する。
【００３２】
シリコン半導体よりもバンドギャップが広く、真性キャリア密度がシリコンよりも低い半
導体材料の一例として、酸化物半導体の他に、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（
ＧａＮ）などの化合物半導体を挙げることができる。炭化シリコンや窒化ガリウムなどの
化合物半導体は単結晶であることが必須で、単結晶材料を得るためには、酸化物半導体の
プロセス温度よりも著しく高い温度による結晶成長であるとか、特殊な基板上のエピタキ
シャル成長が必要であるとか、作製条件が厳しく、いずれも入手が容易なシリコンウェハ
や耐熱温度の低いガラス基板上への成膜は難しい。しかし、酸化物半導体は、スパッタリ
ング法や湿式法（印刷法など）により作製可能であり、量産性に優れるといった利点があ
る。また、酸化物半導体は室温でも成膜が可能なため、ガラス基板上への成膜、或いは半
導体素子を用いた集積回路上への成膜が可能であり、基板の大型化にも対応が可能である
。よって、上述したワイドギャップ半導体の中でも、特に酸化物半導体は量産性が高いと
いうメリットを有する。また、トランジスタの性能（例えば電界効果移動度）を向上させ
るために結晶性の酸化物半導体を得ようとする場合でも、２００℃から８００℃の熱処理
によって結晶性の酸化物半導体を得ることができる。
【００３３】
なお、図１（Ａ）において、記憶素子として機能するトランジスタ１０２は、その活性層
に、酸化物半導体膜が用いられていても良い。或いは、トランジスタ１０２の活性層に、
酸化物半導体以外の、非晶質、微結晶、多結晶、または単結晶の、シリコン、またはゲル
マニウムなどの半導体が用いられていても良い。メモリセル１０１内の全てのトランジス
タの活性層に、酸化物半導体膜を用いることで、プロセスを簡略化することができる。ま
た、記憶素子として機能するトランジスタ１０２の活性層に、例えば、多結晶または単結
晶のシリコンなどのように、酸化物半導体よりも高い移動度が得られる半導体材料を用い
ることで、メモリセル１０１からのデータの読み出しを高速で行うことができる。
【００３４】
なお、図１（Ａ）または図１（Ｂ）では、トランジスタ１０３がゲート電極を活性層の片
側にのみ有している場合を示している。トランジスタ１０３が、活性層を間に挟んで存在
する一対のゲート電極を有している場合、一方のゲート電極にはスイッチングを制御する
ための信号が与えられ、他方のゲート電極は、電気的に絶縁しているフローティングの状
態であっても良いし、電位が他から与えられている状態であっても良い。後者の場合、一
対の電極に、同じ高さの電位が与えられていても良いし、他方のゲート電極にのみグラウ
ンドなどの固定電位が与えられていても良い。他方のゲート電極に与える電位の高さを制
御することで、トランジスタ１０３の閾値電圧を制御することができる。
【００３５】
また、図１（Ｂ）では、メモリセル１０１がスイッチング素子として機能するトランジス
タ１０３を一つだけ有する構成を示しているが、本発明はこの構成に限定されない。本発
明の一態様では、スイッチング素子として機能するトランジスタが各メモリセルに最低限
１つ設けられていれば良く、上記トランジスタの数は複数であっても良い。メモリセル１
０１がスイッチング素子として機能するトランジスタを複数有している場合、上記複数の
トランジスタは並列に接続されていても良いし、直列に接続されていても良いし、直列と
並列が組み合わされて接続されていても良い。
【００３６】
なお、本明細書において、トランジスタが直列に接続されている状態とは、例えば、第１
のトランジスタの第１端子と第２端子のいずれか一方のみが、第２のトランジスタの第１
端子と第２端子のいずれか一方のみに接続されている状態を意味する。また、トランジス
タが並列に接続されている状態とは、第１のトランジスタの第１端子が第２のトランジス
タの第１端子に接続され、第１のトランジスタの第２端子が第２のトランジスタの第２端
子に接続されている状態を意味する。
【００３７】
次いで、図１（Ｃ）に、図１（Ａ）が有するトランジスタ１０３と、容量素子１０４の断
面図の一例を示す。なお、図１（Ｃ）では図１（Ａ）に示すメモリセル１０１の断面構造
を示しているが、図１（Ｂ）が有するトランジスタ１０３と、容量素子１０５も、図１（
Ｃ）と同様の構成を採用することができる。
【００３８】
図１（Ｃ）に示す断面図では、絶縁表面を有する基板１１０上に、容量素子１０４とトラ
ンジスタ１０３が形成されており、容量素子１０４とトランジスタ１０３は、絶縁膜１１
１を間に挟んで重なっている。
【００３９】
具体的に、容量素子１０４は、絶縁表面を有する基板１１０上に形成された電極１１２と
、電極１１２上の絶縁膜１１３と、絶縁膜１１３を間に挟んで電極１１２と重なる電極１
１４とを有する。電極１１２と、絶縁膜１１３と、電極１１４とが重なった部分が、容量
素子１０４として機能する。
【００４０】
また、トランジスタ１０３は、電極１１４を覆っている絶縁膜１１１上に、ゲート電極１
１５と、ゲート電極１１５上の絶縁膜１１６と、絶縁膜１１６を間に挟んでゲート電極１
１５と重なる、酸化物半導体を含んだ活性層１１７と、活性層１１７上のソース電極１１
８、ドレイン電極１１９と有している。さらに、トランジスタ１０３は、活性層１１７、
ソース電極１１８及びドレイン電極１１９を覆っている絶縁膜１２０を構成要素に含んで
いても良い。トランジスタ１０３は、ボトムゲート型であり、なおかつ、ソース電極１１
８とドレイン電極１１９の間において、活性層１１７の一部がエッチングされたチャネル
エッチ構造である。
【００４１】
なお、図１（Ｃ）では、トランジスタ１０３がシングルゲート構造である場合を例示して
いるが、トランジスタ１０３は、電気的に接続された複数のゲート電極を有することで、
チャネル形成領域を複数有する、マルチゲート構造であっても良い。
【００４２】
そして、本発明の一態様においては、図１（Ｃ）に示すように、遮光性を有する絶縁膜１
２１が、トランジスタ１０３を覆うように形成されている。具体的には、トランジスタ１
０３の活性層１１７と重なるように、遮光層として機能する絶縁膜１２１を形成する。
【００４３】
なお、遮光性を有する絶縁膜、配線または電極などの遮光層は、活性層に用いられている
酸化物半導体の吸収端波長近傍、もしくはこれよりも短い波長領域の光の透過率が低いも
のとする。具体的には、吸収端波長をλ０とすると、遮光層は、波長が１００ｎｍ以上、
λ０＋１００ｎｍ以下の光の透過率が５０％以下、より好ましくは３０％以下とする。例
えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体を用いて形成された活性層１１７の吸収端波
長が３９３ｎｍにある場合、遮光層は、１００ｎｍ以上４９３ｎｍ以下の光の透過率が、
５０％以下、より好ましくは３０％以下とする。なお、上記波長範囲に含まれる全ての光
が、上記透過率を満たしている必要はなく、少なくとも上記波長範囲に含まれる一の波長
の光が、上記透過率の範囲を満たしていれば良い。さらに、上記波長範囲よりも、長波長
側の光の透過率も上記範囲を満たしていることが、酸化物半導体の光の劣化を防ぐという
点において望ましい。
【００４４】
例えば、絶縁膜１２１は、カーボンブラック、二酸化チタンよりも酸化数が小さい低次酸
化チタンなどの黒色顔料や、二酸化チタン、酸化亜鉛などの紫外線吸収剤が分散された樹
脂を用いて形成することができる。樹脂には、例えば、アクリル樹脂、ポリイミド、ベン
ゾシクロブテン樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の有機樹脂、シロキサン系樹脂などを
用いることができる。シロキサン系樹脂は、シリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）との結合で骨
格構造が構成される材料である。置換基として、水素の他、フッ素、フルオロ基、有機基
（例えばアルキル基、芳香族炭化水素）のうち、少なくとも１種を有していても良い。
【００４５】
なお、絶縁膜１２１に樹脂を用いる場合、樹脂中に含まれる水素、水などの不純物が、活
性層１１７、絶縁膜１１６、或いは、活性層１１７と他の絶縁膜の界面とその近傍に入り
込むのを防ぐために、絶縁膜１２１と、活性層１１７の間に、バリア性の高い材料を用い
た絶縁膜１２２を形成するのが望ましい。バリア性の高い絶縁膜１２２として、例えば窒
化珪素膜、窒化酸化珪素膜、窒化アルミニウム膜、または窒化酸化アルミニウム膜などが
挙げられる。また、活性層１１７と、窒素の含有比率が高い絶縁膜１２２とが直接触れる
と、トランジスタ１０３の特性が劣化することがあるので、図１（Ｃ）に示すように、活
性層１１７と絶縁膜１２２の間に、窒素の含有比率が低い酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜な
どの絶縁膜１２０を形成することが望ましい。
【００４６】
また、酸素を含む無機材料を活性層１１７に接している絶縁膜１２０に用いることで、水
分または水素を低減させるための加熱処理により活性層１１７中に酸素欠損が発生してい
たとしても、活性層１１７に絶縁膜１２０から酸素を供給し、ドナーとなる酸素欠損を低
減して化学量論的組成比を満たす構成とすることが可能である。よって、活性層１１７を
ｉ型に近づけることができ、酸素欠損によるトランジスタ１０３の電気特性のばらつきを
軽減し、電気特性の向上を実現することができる。
【００４７】
また、酸素雰囲気下で活性層１１７に加熱処理を施すことで、酸化物半導体に酸素を添加
し、活性層１１７中においてドナーとなる酸素欠損を低減させても良い。加熱処理の温度
は、例えば１００℃以上３５０℃未満、好ましくは１５０℃以上２５０℃未満で行う。上
記酸素雰囲気下の加熱処理に用いられる酸素ガスには、水、水素などが含まれないことが
好ましい。または、加熱処理装置に導入する酸素ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％
）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上、（即ち酸素中の不純物濃度を１ｐ
ｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
【００４８】
或いは、イオン注入法またはイオンドーピング法などを用いて、活性層１１７に酸素を添
加することで、ドナーとなる酸素欠損を低減させても良い。例えば、２．４５ＧＨｚのマ
イクロ波でプラズマ化した酸素を活性層１１７に添加すれば良い。
【００４９】
なお、本明細書において酸化窒化物とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多
い物質であり、また、窒化酸化物とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い
物質を意味する。例えば、酸化窒化珪素とは、酸素が５０原子％以上７０原子％以下、窒
素が０．５原子％以上１５原子％以下、珪素が２５原子％以上３５原子％以下、水素が０
．１原子％以上１０原子％以下の範囲で含まれる物質とすることができる。また、窒化酸
化珪素とは、酸素が５原子％以上３０原子％以下、窒素が２０原子％以上５５原子％以下
、珪素が２５原子％以上３５原子％以下、水素が１０原子％以上３０原子％以下の範囲で
含まれる物質とすることができる。但し、上記組成の範囲は、ラザフォード後方散乱法（
ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔ
ｒｙ）や、水素前方散乱法（ＨＦＳ：Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｆｏｒｗａｒｄ Ｓｃａｔｔｅ
ｒｉｎｇ）を用いて測定した場合のものである。また、構成元素の含有比率は、その合計
が１００原子％を超えない値をとる。
【００５０】
さらに、本発明の一態様においては、図１（Ｃ）に示すように、容量素子１０４が有する
電極１１２或いは電極１１４の少なくとも一方が遮光性を有する。そして、遮光性を有す
る電極１１２或いは電極１１４が、トランジスタ１０３の活性層１１７と重なる位置に形
成されている。
【００５１】
上記構成により、遮光性を有する電極１１２或いは電極１１４と、遮光性を有する絶縁膜
１２１との間に活性層１１７が挟まれるので、酸化物半導体の吸収端波長近傍の光、もし
くはこれよりも短い波長領域の光が、活性層１１７に入射するのを防ぐことができる。
【００５２】
次いで、図１（Ｄ）に、図１（Ａ）が有するトランジスタ１０３と、容量素子１０４の断
面図の一例を示す。なお、図１（Ｄ）では図１（Ａ）に示すメモリセル１０１の断面構造
を示しているが、図１（Ｂ）が有するトランジスタ１０３と、容量素子１０５も、図１（
Ｄ）と同様の構成を採用することができる。
【００５３】
図１（Ｄ）に示す断面図では、図１（Ｃ）と同様に、絶縁表面を有する基板１１０上に、
容量素子１０４とトランジスタ１０３が形成されており、容量素子１０４とトランジスタ
１０３は、絶縁膜１１１を間に挟んで重なっている。
【００５４】
具体的な容量素子１０４と、トランジスタ１０３の構成は、図１（Ｃ）と同じである。そ
して、図１（Ｄ）では、遮光性を有する導電膜で配線１２３を形成し、配線１２３により
トランジスタ１０３を覆っている。具体的には、トランジスタ１０３の活性層１１７と重
なるように、遮光性を有する配線１２３を形成する。
【００５５】
遮光性を有する配線１２３に求められる特性は、上述したとおり、活性層に用いられてい
る酸化物半導体の吸収端波長近傍、もしくはこれよりも短い波長領域の光の透過率が低い
ものとする。よって、配線１２３には、導電性と遮光性を兼ね備えた金属を用いる。例え
ば、配線１２３には、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、アルミニ
ウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料、これら金属材料を主成分とする合金材
料を用いた導電膜、或いはこれら金属の窒化物を、単層で又は積層で用いることができる
。
【００５６】
さらに、図１（Ｄ）では、図１（Ｃ）と同様に、容量素子１０４が有する電極１１２或い
は電極１１４の少なくとも一方が遮光性を有する。そして、遮光性を有する電極１１２或
いは電極１１４が、トランジスタ１０３の活性層１１７と重なる位置に形成されている。
【００５７】
上記構成により、図１（Ｄ）では、遮光性を有する電極１１２或いは電極１１４と、遮光
性を有する配線１２３との間に活性層１１７が挟まれるので、酸化物半導体の吸収端波長
近傍の光、もしくはこれよりも短い波長領域の光が、活性層１１７に入射するのを防ぐこ
とができる。
【００５８】
なお、図１（Ｃ）、図１（Ｄ）において、トランジスタ１０３は、絶縁膜１２０上におい
て活性層１１７のチャネル形成領域と重なる位置にバックゲート電極を有していても良い
。バックゲート電極を形成する場合、バックゲート電極を覆うように絶縁膜を形成する。
バックゲート電極は、電気的に絶縁しているフローティングの状態であっても良いし、電
位が与えられる状態であっても良い。後者の場合、バックゲート電極には、ゲート電極１
１５と同じ高さの電位が与えられていても良いし、グラウンドなどの固定電位が与えられ
ていても良い。バックゲート電極に与える電位の高さを制御することで、トランジスタ１
０３の閾値電圧を制御することができる。
【００５９】
なお、図１（Ｃ）と図１（Ｄ）では、トランジスタ１０３がボトムゲート型であり、なお
かつ、チャネルエッチ構造を有する場合について示したが、本発明の一態様で用いられる
トランジスタの構造は、この構成に限定されない。
【００６０】
本発明の一態様では、酸化物半導体を活性層１１７に含むトランジスタ１０３を、記憶素
子として用いるトランジスタ１０２または容量素子１０５における電荷の保持を制御する
ためのスイッチング素子として用いることで、上記電荷のリークを防ぐことができる。ま
た、遮光性を有する電極、導電膜、絶縁膜などの層で、上記活性層１１７を挟むことで、
光によって上記トランジスタ１０３の特性が劣化するのを防ぐことができる。具体的には
、閾値電圧のシフトを抑制し、オフ電流が上昇するのを防ぐことができる。さらに、本発
明の一態様では、上記遮光性を有する電極を、容量素子１０４または容量素子１０５の電
極１１２或いは電極１１４として用いる。よって、容量素子１０４または容量素子１０５
とトランジスタ１０３とが重なるようにメモリセル１０１内に配置されるため、容量素子
１０４または容量素子１０５の専有面積、或いは容量値を確保しつつも、メモリセル１０
１の占める面積を縮小化することができる。
【００６１】
したがって、本発明の一態様に係る記憶装置は、データを保持する期間を確保しつつ、単
位面積あたりの記憶容量を高めることができる。或いは、本発明は、上記記憶装置を半導
体装置に用いることで、半導体装置の信頼性を高め、高機能化させることができる。
【００６２】
次いで、図２に、メモリセル１０１における各種配線の、より具体的な接続構成の例を示
す。
【００６３】
図２（Ａ）に示すメモリセル１０１は、スイッチング素子として機能するトランジスタ１
０３と、記憶素子として機能する容量素子１０５とを有する。トランジスタ１０３のゲー
ト電極は、ワード線ＷＬに接続されている。また、トランジスタ１０３の第１端子はデー
タ線ＤＬに接続されており、第２端子は容量素子１０５の一方の電極に接続されている。
容量素子１０５の他方の電極は、グラウンドなどの固定電位が与えられているノードに接
続されている。
【００６４】
図２（Ａ）に示すメモリセル１０１では、データの書き込み時にトランジスタ１０３がオ
ンになり、データ線ＤＬからデータを含む信号の電位が、トランジスタ１０３を介して容
量素子１０５の一方の電極に与えられる。そして、上記信号の電位に従って、容量素子１
０５に蓄積されている電荷量が制御されることで、容量素子１０５へのデータの書き込み
が行われる。
【００６５】
次いで、データの保持時には、トランジスタ１０３がオフになり、容量素子１０５におい
て電荷が保持される。上述したように、トランジスタ１０３はオフ電流が極めて低いとい
う特性を有している。そのため、容量素子１０５に蓄積された電荷はリークしづらく、遮
光を行わない場合、或いは、トランジスタ１０３にシリコンなどの半導体材料を用いた場
合に比べ、長い期間に渡ってデータの保持を行うことができる。
【００６６】
データの読み出し時には、トランジスタ１０３がオンになり、データ線ＤＬを介して容量
素子１０５に蓄積された電荷が取り出される。そして、上記電荷量の違いを読み取ること
により、データを読み出すことができる。
【００６７】
図２（Ｂ）に示すメモリセル１０１は、スイッチング素子として機能するトランジスタ１
０３と、記憶素子として機能するトランジスタ１０２と、容量素子１０４とを有する。ト
ランジスタ１０３のゲート電極は、第１ワード線ＷＬａに接続されている。また、トラン
ジスタ１０３の第１端子は第１データ線ＤＬａに接続されており、第２端子はトランジス
タ１０２のゲート電極に接続されている。トランジスタ１０２の第１端子は第２データ線
ＤＬｂに接続されており、第２端子はグラウンドなどの固定電位が与えられているノード
に接続されている。容量素子１０４が有する一対の電極は、一方がトランジスタ１０２の
ゲート電極に接続され、他方が第２ワード線ＷＬｂに接続されている。
【００６８】
図２（Ｂ）に示すメモリセル１０１では、データの書き込み時にトランジスタ１０３がオ
ンになり、第１データ線ＤＬａからデータを含む信号の電位が、トランジスタ１０３を介
してトランジスタ１０２のゲート電極に与えられる。そして、上記信号の電位に従って、
トランジスタ１０２のゲート容量、及び容量素子１０４に蓄積される電荷量が制御される
ことで、トランジスタ１０２及び容量素子１０４へのデータの書き込みが行われる。
【００６９】
次いで、データの保持時には、トランジスタ１０３がオフになり、トランジスタ１０２の
ゲート容量、及び容量素子１０４に蓄積された電荷が保持される。上述したように、トラ
ンジスタ１０３はオフ電流が極めて低いという特性を有している。そのため、蓄積された
上記電荷はリークしづらく、遮光を行わない場合、或いは、トランジスタ１０３にシリコ
ンなどの半導体材料を用いた場合に比べ、長い期間に渡ってデータの保持を行うことがで
きる。
【００７０】
データの読み出し時には、第２ワード線ＷＬｂの電位を変化させる。容量素子１０４が有
する一対の電極の電位差は、電荷保存則により維持されたままなので、第２ワード線ＷＬ
ｂの電位の変化は、トランジスタ１０２のゲート電極に与えられる。トランジスタ１０２
は、そのゲート容量に蓄積されている電荷量によって閾値電圧が変化している。よって、
トランジスタ１０２のゲート電極の電位が変化することで得られるトランジスタ１０２の
ドレイン電流の大きさから、蓄積されている電荷量の違いを読み取ることにより、データ
を読み出すことができる。
【００７１】
図２（Ｃ）に示すメモリセル１０１は、一つのデータ線ＤＬが、第１データ線ＤＬａと第
２データ線ＤＬｂの機能を併せ持っている点において、図２（Ｂ）に示すメモリセル１０
１と異なっている。具体的に、図２（Ｃ）に示すメモリセル１０１は、スイッチング素子
として機能するトランジスタ１０３と、記憶素子として機能するトランジスタ１０２と、
容量素子１０４とを有する。トランジスタ１０３のゲート電極は、第１ワード線ＷＬａに
接続されている。また、トランジスタ１０３の第１端子はデータ線ＤＬに接続されており
、第２端子はトランジスタ１０２のゲート電極に接続されている。トランジスタ１０２の
第１端子はデータ線ＤＬに接続されており、第２端子はグラウンドなどの固定電位が与え
られているノードに接続されている。容量素子１０４が有する一対の電極は、一方がトラ
ンジスタ１０２のゲート電極に接続され、他方が第２ワード線ＷＬｂに接続されている。
【００７２】
図２（Ｃ）に示すメモリセル１０１は、データの書き込み、保持、読み出しなどの動作を
、図２（Ｂ）に示すメモリセル１０１と同様に行うことができる。
【００７３】
図２（Ｄ）に示すメモリセル１０１は、スイッチング素子として機能するトランジスタ１
０３と、記憶素子として機能するトランジスタ１０２と、容量素子１０４と、データの読
み出しを制御するスイッチング素子として機能するトランジスタ１０６とを有する。トラ
ンジスタ１０３のゲート電極は、第１ワード線ＷＬａに接続されている。また、トランジ
スタ１０３の第１端子は第１データ線ＤＬａに接続されており、第２端子はトランジスタ
１０２のゲート電極に接続されている。トランジスタ１０２の第１端子は、トランジスタ
１０６の第２端子に接続されており、第２端子はグラウンドなどの固定電位が与えられて
いるノードに接続されている。トランジスタ１０６が有する第１端子は、第２データ線Ｄ
Ｌｂに接続されている。トランジスタ１０６のゲート電極は、第２ワード線ＷＬｂに接続
されている。容量素子１０４が有する一対の電極は、一方がトランジスタ１０２のゲート
電極に接続され、他方が固定電位の与えられているノードに接続されている。
【００７４】
図２（Ｄ）に示すメモリセル１０１では、データの書き込み時にトランジスタ１０３がオ
ンになり、第１データ線ＤＬａからデータを含む信号の電位が、トランジスタ１０３を介
してトランジスタ１０２のゲート電極に与えられる。そして、上記信号の電位に従って、
トランジスタ１０２のゲート容量、容量素子１０４に蓄積される電荷量が制御されること
で、トランジスタ１０２及び容量素子１０４へのデータの書き込みが行われる。
【００７５】
次いで、データの保持時には、トランジスタ１０３がオフになり、トランジスタ１０２の
ゲート容量、容量素子１０４に蓄積された電荷が保持される。上述したように、トランジ
スタ１０３はオフ電流が極めて低いという特性を有している。そのため、蓄積された上記
電荷はリークしづらく、遮光を行わない場合、或いは、シリコンなどの半導体材料を用い
た場合に比べ、長い期間に渡ってデータの保持を行うことができる。
【００７６】
データの読み出し時には、第２ワード線ＷＬｂの電位が変化することでトランジスタ１０
６がオンになる。トランジスタ１０６がオンになると、トランジスタ１０２には、そのゲ
ート容量に蓄積されている電荷量に見合った高さのドレイン電流が流れる。よって、トラ
ンジスタ１０２のドレイン電流の大きさから、蓄積されている電荷量の違いを読み取るこ
とにより、データを読み出すことができる。
【００７７】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る記憶装置が有するメモリセルの、具体的な構成
の一例について説明する。なお、本実施の形態では、図２（Ｃ）に示す回路構成を有した
メモリセルを例に挙げて、その構造について説明する。
【００７８】
図３に、メモリセルの上面図の一例を示す。なお、図３では、メモリセルの構成を明確に
するために、遮光性を有する絶縁膜以外の絶縁膜は、全て省略して示している。また、図
３の破線Ａ１−Ａ２における断面図を、図４に示す。
【００７９】
図３、図４に示すメモリセルは、絶縁表面を有する基板１１０上に、トランジスタ１０２
と、トランジスタ１０３と、容量素子１０４とを有する。そして、基板１１０上に形成さ
れた容量素子１０４は絶縁膜１１１に覆われており、絶縁膜１１１上にはトランジスタ１
０２と、トランジスタ１０３とが形成されている。そして、容量素子１０４と、トランジ
スタ１０２及びトランジスタ１０３とは、絶縁膜１１１を間に挟んで重なっている。
【００８０】
具体的に、容量素子１０４は、絶縁表面を有する基板１１０上に形成された電極１１２と
、電極１１２上の絶縁膜１１３と、絶縁膜１１３を間に挟んで電極１１２と重なる電極１
１４とを有する。電極１１２と、絶縁膜１１３と、電極１１４とが重なった部分が、容量
素子１０４として機能する。
【００８１】
また、トランジスタ１０３は、絶縁膜１１１上に、ソース電極またはドレイン電極として
機能する導電膜１３０及び導電膜１３１と、導電膜１３０及び導電膜１３１に接する、酸
化物半導体を含んだ活性層１３２と、導電膜１３０、導電膜１３１、活性層１３２を覆っ
ている絶縁膜１３３と、絶縁膜１３３を間に挟んで活性層１３２と重なるゲート電極１３
４とを有する。
【００８２】
図３、図４に示すトランジスタ１０３は、トップゲート型であり、なおかつ、ソース電極
またはドレイン電極として機能する導電膜１３０及び導電膜１３１が、活性層１３２の下
側で接している、ボトムコンタクト構造である。
【００８３】
また、トランジスタ１０２は、絶縁膜１１１上に、ソース電極またはドレイン電極として
機能する導電膜１３１及び導電膜１３５と、導電膜１３１及び導電膜１３５に接する、酸
化物半導体を含んだ活性層１３６と、導電膜１３１、導電膜１３５、活性層１３６を覆っ
ている絶縁膜１３３と、絶縁膜１３３を間に挟んで活性層１３６と重なるゲート電極１３
７とを有する。
【００８４】
図３、図４に示すトランジスタ１０２は、トランジスタ１０３と同様にトップゲート型で
あり、なおかつ、ソース電極またはドレイン電極として機能する導電膜１３１及び導電膜
１３５が、活性層１３６の下側で接している、ボトムコンタクト構造である。
【００８５】
また、図３、図４では、トランジスタ１０２、トランジスタ１０３がシングルゲート構造
である場合を例示しているが、トランジスタ１０２、トランジスタ１０３は、電気的に接
続された複数のゲート電極を有することで、チャネル形成領域を複数有する、マルチゲー
ト構造であっても良い。
【００８６】
そして、導電膜１３０は、絶縁膜１１１に形成されたコンタクトホール１３８を介して、
電極１１４に接している。
【００８７】
また、トランジスタ１０２及びトランジスタ１０３を覆うように、絶縁膜１３９が形成さ
れている。そして、絶縁膜１３９上には、絶縁膜１３９に形成されたコンタクトホール１
４０を介してトランジスタ１０２のゲート電極１３７に接続された、遮光性を有する導電
膜１４１が形成されている。また、導電膜１４１は、絶縁膜１３９及び絶縁膜１３３に形
成されたコンタクトホール１４２を介して、導電膜１３０に接続されている。また、絶縁
膜１３９上には、絶縁膜１３９に形成されたコンタクトホール１４３を介してトランジス
タ１０３のゲート電極１３４に接続された、遮光性を有する導電膜１４４が形成されてい
る。
【００８８】
遮光性を有する導電膜１４１は、少なくともトランジスタ１０２の活性層１３６の一部と
重なる位置に形成する。なお、活性層１３６に入射する光をより防ぐためには、活性層１
３６全体を完全に導電膜１４１で覆うのが望ましい。
【００８９】
また、遮光性を有する導電膜１４４は、少なくともトランジスタ１０３の活性層１３２の
一部と重なる位置に形成する。なお、活性層１３２に入射する光をより防ぐためには、活
性層１３２全体を完全に導電膜１４４で覆うのが望ましい。
【００９０】
さらに、本発明の一態様では、容量素子１０４が有する電極１１２或いは電極１１４の少
なくとも一方が遮光性を有する。そして、遮光性を有する電極１１２或いは電極１１４が
、トランジスタ１０３の活性層１３２、トランジスタ１０２の活性層１３６と重なる位置
に形成されている。活性層１３２と、活性層１３６とは、少なくともその一部が電極１１
２或いは電極１１４と重なっていれば良い。しかし、活性層１３２或いは活性層１３６に
入射する光をより防ぐためには、活性層１３２全体、或いは活性層１３６全体が、完全に
電極１１２或いは電極１１４と重なるようにするのが望ましい。
【００９１】
遮光性を有する電極１１２、電極１１４、導電膜１４１、導電膜１４４に求められる特性
は、上述したとおり、活性層に用いられている酸化物半導体の吸収端波長近傍、もしくは
これよりも短い波長領域の光の透過率が低いものとする。よって、電極１１２、電極１１
４、導電膜１４１、導電膜１４４には、導電性と遮光性を兼ね備えた金属を用いる。例え
ば、電極１１２、電極１１４には、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステ
ン、ネオジム、スカンジウム等の金属材料、これら金属材料を主成分とする合金材料を用
いた導電膜、或いはこれら金属の窒化物を、単層で又は積層で用いることができる。また
、導電膜１４１、導電膜１４４には、上述した材料の他に、アルミニウム、または銅を用
いることもできる。アルミニウムまたは銅を導電膜１４１、導電膜１４４に用いる場合、
耐熱性や腐食性の問題を回避するために、高融点金属材料と組み合わせて用いると良い。
高融点金属材料としては、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオ
ジム、スカンジウム等を用いることができる。
【００９２】
例えば、電極１１２、電極１１４、導電膜１４１、導電膜１４４を二層の積層構造とする
場合、アルミニウム膜上にモリブデン膜が積層された二層の積層構造、銅膜上にモリブデ
ン膜を積層した二層構造、銅膜上に窒化チタン膜若しくは窒化タンタル膜を積層した二層
構造、または、窒化チタン膜とモリブデン膜とを積層した二層構造とすることが好ましい
。電極１１２、電極１１４、導電膜１４１、導電膜１４４を３層の積層構造を有する場合
、アルミニウム膜、アルミニウムとシリコンの合金膜、アルミニウムとチタンの合金膜ま
たはアルミニウムとネオジムの合金膜を中間層とし、タングステン膜、窒化タングステン
膜、窒化チタン膜またはチタン膜を上下層として積層した構造とすることが好ましい。
【００９３】
そして、電極１１２、電極１１４、導電膜１４１、導電膜１４４の膜厚は、例えば、１０
ｎｍ〜４００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ〜２００ｎｍとする。
【００９４】
本発明の一態様では、上記構成により、遮光性を有する電極１１２或いは電極１１４と、
遮光性を有する導電膜１４１の間に活性層１３６が挟まれるので、酸化物半導体の吸収端
波長近傍の光、もしくはこれよりも短い波長領域の光が、活性層１３６に入射するのを防
ぐことができる。また、遮光性を有する電極１１２或いは電極１１４と、遮光性を有する
導電膜１４４の間に活性層１３２が挟まれるので、酸化物半導体の吸収端波長近傍の光、
もしくはこれよりも短い波長領域の光が、活性層１３２に入射するのを防ぐことができる
。
【００９５】
なお、図３及び図４では、配線として機能する導電膜１４１、導電膜１４４を用いて活性
層１３２または活性層１３６を遮光する構成を例に挙げているが、図１（Ｃ）に示した構
成と同様に、遮光性を有する絶縁膜で、活性層１３２または活性層１３６を遮光するよう
にしても良い。
【００９６】
また、図３、図４では、記憶素子として機能するトランジスタ１０２が、その活性層１３
６に酸化物半導体を含んでいる場合を例示しているが、トランジスタ１０２は必ずしも酸
化物半導体を活性層に含んでいなくとも良い。例えば、シリコンやゲルマニウムなどの半
導体材料を用いてトランジスタ１０２の活性層を形成する場合、一の絶縁表面上に当該活
性層と容量素子１０４とを共に形成することができる。そして、さらに、容量素子１０４
の電極１１２も、上記活性層と同様に、シリコンやゲルマニウムなどの半導体材料を用い
て形成することができる。
【００９７】
そして、電極１１２は、第２ワード線ＷＬｂとしても機能する。また、導電膜１４４は、
第１ワード線ＷＬａとしても機能する。また、導電膜１３１は、データ線ＤＬとしても機
能する。導電膜１３５は、グラウンドなどの固定電位が与えられる配線として機能する。
【００９８】
なお、基板１１０として使用することができる素材に大きな制限はないが、少なくとも、
作製工程における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１１０には、フュージョン法やフロート法で作製されるガラス基板、石英基板、
セラミック基板等を用いることができる。ガラス基板としては、後の加熱処理の温度が高
い場合には、歪み点が７３０℃以上のものを用いると良い。プラスチック等の可撓性を有
する合成樹脂からなる基板は、一般的に上記基板と比較して耐熱温度が低い傾向にあるが
、作製工程における処理温度に耐え得るのであれば用いることが可能である。
【００９９】
また、絶縁膜１３３は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて、酸化珪素膜
、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウ
ム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜または酸化
タンタル膜を単層で又は積層させて形成することができる。ゲート絶縁膜として機能する
絶縁膜１３３は、水分や、水素、酸素などの不純物を極力含まないことが望ましい。スパ
ッタリング法により酸化珪素膜を成膜する場合には、ターゲットとしてシリコンターゲッ
ト又は石英ターゲットを用い、スパッタガスとして酸素又は、酸素及びアルゴンの混合ガ
スを用いる。
【０１００】
不純物を除去することによりｉ型化又は実質的にｉ型化された酸化物半導体（高純度化さ
れた酸化物半導体）は界面準位、界面電荷に対して極めて敏感であるため、高純度化され
た酸化物半導体とゲート絶縁膜との界面は重要である。そのため高純度化された酸化物半
導体に接するゲート絶縁膜（ＧＩ）は、高品質化が要求される。
【０１０１】
例えば、μ波（周波数２．４５ＧＨｚ）を用いた高密度プラズマＣＶＤは、緻密で絶縁耐
圧の高い高品質な絶縁膜を形成できるので、絶縁膜１３３を形成する方法として適してい
る。高純度化された酸化物半導体と高品質なゲート絶縁膜とが密接することにより、界面
準位を低減して界面特性を良好なものとすることができるからである。
【０１０２】
もちろん、ゲート絶縁膜として良質な絶縁膜１３３を形成できるものであれば、スパッタ
リング法やプラズマＣＶＤ法など他の成膜方法を適用することができる。また、成膜後の
熱処理によって膜質や、酸化物半導体との界面特性が改善される絶縁膜であっても良い。
いずれにしても、ゲート絶縁膜としての膜質が良好であることは勿論のこと、ゲート絶縁
膜と酸化物半導体との界面準位密度を低減し、良好な界面を形成できるものであれば良い
。
【０１０３】
また、酸素を含む無機材料を絶縁膜１３３に用いることで、水分または水素を低減させる
ための加熱処理により活性層１３２、活性層１３６中に酸素欠損が発生していたとしても
、活性層１３２、活性層１３６に絶縁膜１３３から酸素を供給し、ドナーとなる酸素欠損
を低減して化学量論的組成比を満たす構成とすることが可能である。よって、活性層１３
２、活性層１３６をｉ型に近づけることができ、酸素欠損によるトランジスタの電気特性
のばらつきを軽減し、電気特性の向上を実現することができる。
【０１０４】
また、活性層１３２または活性層１３６として用いる酸化物半導体膜は、膜厚２ｎｍ以上
２００ｎｍ以下、好ましくは膜厚３ｎｍ以上５０ｎｍ以下、さらに好ましくは膜厚３ｎｍ
以上２０ｎｍ以下とする。酸化物半導体膜は、酸化物半導体をターゲットとして用い、ス
パッタ法により成膜する。また、酸化物半導体膜は、希ガス（例えばアルゴン）雰囲気下
、酸素雰囲気下、又は希ガス（例えばアルゴン）及び酸素混合雰囲気下においてスパッタ
法により形成することができる。
【０１０５】
酸化物半導体膜には、上述したように、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ
−Ｏ系酸化物半導体や、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、
Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｇ
ａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ
−Ｏ系酸化物半導体や、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−
Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導
体、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系
酸化物半導体や、Ｉｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｚｎ−Ｏ系酸化物
半導体などを用いることができる。
【０１０６】
例えば、スパッタ法により得られるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体の薄膜を、酸化
物半導体膜として用いる場合、ターゲットとして、例えば、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：Ｚ
ｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ数比］の組成比を有するターゲットを用いる。また、Ｉｎ２Ｏ
３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ数比］の組成比を有するターゲット、また
はＩｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：４［ｍｏｌ数比］を有するターゲットを用
いることができる。また、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含むターゲットの充填率は９０％以上
１００％以下、好ましくは９５％以上１００％未満である。充填率の高いターゲットを用
いることにより、成膜した酸化物半導体膜は緻密な膜となる。
【０１０７】
なお、酸化物半導体としてＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料を用いる場合、用いるターゲットの組
成比は、原子数比で、Ｉｎ：Ｚｎ＝５０：１〜１：２（モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ３
：ＺｎＯ＝２５：１〜１：４）、好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝２０：１〜１：１（モル数比に
換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１０：１〜２：１）、さらに好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝１
．５：１〜１５：１（モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝３：４〜１５：２）と
する。例えば、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体の形成に用いるターゲットは、原子数比が
Ｉｎ：Ｚｎ：Ｏ＝Ｘ：Ｙ：Ｚのとき、Ｚ＞１．５Ｘ＋Ｙとする。Ｚｎの比率を上記範囲に
収めることで、移動度の向上を実現することができる。
【０１０８】
なお、スパッタ等で成膜された酸化物半導体膜中には、不純物としての水分または水素が
多量に含まれていることがある。水分または水素はドナー準位を形成しやすいため、酸化
物半導体にとっては不純物である。そこで、本発明の一態様では、酸化物半導体膜中の水
分または水素などの不純物を低減するために、酸化物半導体膜に対して、窒素、酸素、超
乾燥空気、または希ガス（アルゴン、ヘリウムなど）の雰囲気下において、加熱処理を施
す。上記ガスは、水の含有量が２０ｐｐｍ以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、好ましくは１
０ｐｐｂ以下であることが望ましい。
【０１０９】
酸化物半導体膜に加熱処理を施すことで、酸化物半導体膜中の水分または水素を脱離させ
ることができる。具体的には、３００℃以上７００℃以下、好ましくは３００℃以上５０
０℃以下で加熱処理を行えば良い。例えば、５００℃、３分間以上６分間以下程度で行え
ばよい。加熱処理にＲＴＡ法を用いれば、短時間に脱水化または脱水素化が行えるため、
ガラス基板の歪点を超える温度でも処理することができる。
【０１１０】
加熱処理装置は電気炉の他、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によって
、被処理物を加熱する装置であっても良い。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔ
ｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ
Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置を
用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノ
ンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどの
ランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である。ＧＲＴＡ
装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。気体には、アルゴンなどの希ガ
ス、または窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられ
る。
【０１１１】
上述した加熱処理により、酸化物半導体膜中の水素の濃度を低減し、高純度化することが
できる。それにより、酸化物半導体膜の特性を安定化させることができる。また、ガラス
転移温度以下の加熱処理で、水素に起因するキャリア密度が少なく、バンドギャップの広
い酸化物半導体膜を形成することができる。このため、大面積基板を用いてトランジスタ
１０２、トランジスタ１０３を作製することができ、量産性を高めることができる。
【０１１２】
なお、酸化物半導体膜を加熱する場合、酸化物半導体膜の材料や加熱条件にもよるが、そ
の表面に板状結晶が形成されることがある。板状結晶は、酸化物半導体膜の表面に対して
略垂直にｃ軸配向した単結晶体であることが好ましい。また、単結晶体でなくとも、各結
晶が、酸化物半導体膜の表面に対して略垂直にｃ軸配向した多結晶体であることが好まし
い。そして、上記多結晶体は、ｃ軸配向していることに加えて、各結晶のａｂ面が一致す
るか、ａ軸、或いは、ｂ軸が一致していることが好ましい。なお、酸化物半導体膜の下地
表面に凹凸がある場合、板状結晶は多結晶体となる。したがって、下地表面は可能な限り
平坦であることが望まれる。
【０１１３】
本発明の一態様では、酸化物半導体を活性層１３２に含むトランジスタ１０３を、記憶素
子として用いるトランジスタ１０２または容量素子１０４における電荷の保持を制御する
ためのスイッチング素子として用いることで、上記電荷のリークを防ぐことができる。ま
た、遮光性を有する電極、導電膜、絶縁膜などの遮光層で、上記活性層１３２を挟むこと
で、光によって上記トランジスタ１０３の特性が劣化するのを防ぐことができる。具体的
には、閾値電圧のシフトを抑制し、オフ電流が上昇するのを防ぐことができる。さらに、
本発明の一態様では、上記遮光性を有する電極を、容量素子１０４の電極１１２或いは電
極１１４として用いる。よって、容量素子１０４とトランジスタ１０３とが重なるように
メモリセル１０１内に配置されるため、容量素子１０４の専有面積、或いは容量値を確保
しつつも、メモリセル１０１の占める面積を縮小化することができる。
【０１１４】
したがって、本発明の一態様に係る記憶装置は、データを保持する期間を確保しつつ、単
位面積あたりの記憶容量を高めることができる。或いは、本発明は、上記記憶装置を半導
体装置に用いることで、半導体装置の信頼性を高め、高機能化させることができる。
【０１１５】
本実施の形態は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１１６】
（実施の形態３）
本実施の形態では、スイッチング素子として機能するトランジスタ１０３の、図１（Ｄ）
と異なる構成の一例について説明する。
【０１１７】
図５（Ａ）に、トランジスタ１０３と、容量素子１０４の断面図の一例を示す。なお、図
５（Ａ）では図１（Ａ）に示すメモリセル１０１の断面構造を示しているが、図１（Ｂ）
が有するトランジスタ１０３と、容量素子１０５も、図５（Ａ）と同様の構成を採用する
ことができる。
【０１１８】
図５（Ａ）に示す断面図では、図１（Ｄ）と同様に、絶縁表面を有する基板１１０上に、
容量素子１０４とトランジスタ１０３が形成されており、容量素子１０４とトランジスタ
１０３は、絶縁膜１１１を間に挟んで重なっている。
【０１１９】
具体的な容量素子１０４の構成は、図１（Ｄ）と同じである。図５（Ａ）では、トランジ
スタ１０３が、チャネル保護構造を有する点において、図１（Ｄ）と異なる。
【０１２０】
図５（Ａ）に示すトランジスタ１０３は、絶縁膜１１１上にゲート電極１５０と、ゲート
電極１５０上の絶縁膜１５１と、絶縁膜１５１上においてゲート電極１５０と重なってい
る、酸化物半導体を含んだ活性層１５２と、ゲート電極１５０と重なる位置において活性
層１５２上に形成されたチャネル保護膜１５３と、活性層１５２上に形成されたソース電
極１５４、ドレイン電極１５５と、を有する。さらに、トランジスタ１０３は、ソース電
極１５４、ドレイン電極１５５、チャネル保護膜１５３、活性層１５２上に形成された絶
縁膜１５６を、その構成要素に含めても良い。
【０１２１】
チャネル保護膜１５３を設けることによって、活性層１５２のチャネル形成領域となる部
分に対する、後の工程時におけるエッチング時のプラズマやエッチング剤による膜減りな
どのダメージを防ぐことができる。従ってトランジスタの信頼性を向上させることができ
る。
【０１２２】
酸素を含む無機材料をチャネル保護膜１５３に用いることで、水分または水素を低減させ
るための加熱処理により活性層１５２中に酸素欠損が発生していたとしても、活性層１５
２にチャネル保護膜１５３から酸素を供給し、ドナーとなる酸素欠損を低減して化学量論
的組成比を満たす構成とすることが可能である。よって、活性層１５２をｉ型に近づける
ことができ、酸素欠損によるトランジスタの電気特性のばらつきを軽減し、耐圧性が高い
、オフ電流の低いなどの電気特性の向上を実現することができる。
【０１２３】
なお、トランジスタ１０３は、絶縁膜１５６上に、バックゲート電極をさらに有していて
も良い。バックゲート電極は、活性層１５２のチャネル形成領域と重なるように形成する
。バックゲート電極は、電気的に絶縁しているフローティングの状態であっても良いし、
電位が与えられる状態であっても良い。後者の場合、バックゲート電極には、ゲート電極
１５０と同じ高さの電位が与えられていても良いし、グラウンドなどの固定電位が与えら
れていても良い。バックゲート電極に与える電位の高さを制御することで、トランジスタ
１０３の閾値電圧を制御することができる。
【０１２４】
そして、図５（Ａ）では、遮光性を有する導電膜で配線１２３を形成し、配線１２３によ
りトランジスタ１０３を覆っている点において、図１（Ｄ）と同じである。具体的には、
トランジスタ１０３の活性層１５２と重なるように、遮光性を有する配線１２３を形成す
る。
【０１２５】
さらに、図５（Ａ）では、図１（Ｄ）と同様に、容量素子１０４が有する電極１１２或い
は電極１１４の少なくとも一方が遮光性を有する。そして、遮光性を有する電極１１２或
いは電極１１４が、トランジスタ１０３の活性層１５２と重なる位置に形成されている。
【０１２６】
上記構成により、図５（Ａ）では、遮光性を有する電極１１２或いは電極１１４と、遮光
性を有する配線１２３との間に活性層１５２が挟まれるので、酸化物半導体の吸収端波長
近傍の光、もしくはこれよりも短い波長領域の光が、活性層１５２に入射するのを防ぐこ
とができる。
【０１２７】
また、スイッチング素子として機能するトランジスタ１０３の、図１（Ｄ）と異なる構成
の、別の一例について説明する。
【０１２８】
図５（Ｂ）に、トランジスタ１０３と、容量素子１０４の断面図の一例を示す。なお、図
５（Ｂ）では図１（Ａ）に示すメモリセル１０１の断面構造を示しているが、図１（Ｂ）
が有するトランジスタ１０３と、容量素子１０５も、図５（Ｂ）と同様の構成を採用する
ことができる。
【０１２９】
図５（Ｂ）に示す断面図では、図１（Ｄ）と同様に、絶縁表面を有する基板１１０上に、
容量素子１０４とトランジスタ１０３が形成されており、容量素子１０４とトランジスタ
１０３は、絶縁膜１１１を間に挟んで重なっている。
【０１３０】
具体的な容量素子１０４の構成は、図１（Ｄ）と同じである。図５（Ｂ）では、トランジ
スタ１０３がボトムゲート型であり、なおかつ、ソース電極またはドレイン電極が活性層
の下側で接しているボトムコンタクト構造である点において、図１（Ｄ）と異なる。
【０１３１】
図５（Ｂ）に示すトランジスタ１０３は、絶縁膜１１１上にゲート電極１６０と、ゲート
電極１６０上の絶縁膜１６１と、絶縁膜１６１上に形成されたソース電極１６４、ドレイ
ン電極１６５と、絶縁膜１６１上においてゲート電極１６０と重なる位置に形成され、な
おかつソース電極１６４、ドレイン電極１６５と接している、酸化物半導体を含んだ活性
層１６２と、を有する。さらに、トランジスタ１０３は、ソース電極１６４、ドレイン電
極１６５、活性層１６２上に形成された絶縁膜１６６を、その構成要素に含めても良い。
【０１３２】
また、酸素を含む無機材料を活性層１６２に接している絶縁膜１６６に用いることで、水
分または水素を低減させるための加熱処理により活性層１６２中に酸素欠損が発生してい
たとしても、活性層１６２に絶縁膜１６６から酸素を供給し、ドナーとなる酸素欠損を低
減して化学量論的組成比を満たす構成とすることが可能である。よって、活性層１６２を
ｉ型に近づけることができ、酸素欠損によるトランジスタ１０３の電気特性のばらつきを
軽減し、電気特性の向上を実現することができる。
【０１３３】
なお、トランジスタ１０３は、絶縁膜１６６上に、バックゲート電極をさらに有していて
も良い。バックゲート電極は、活性層１６２のチャネル形成領域と重なるように形成する
。バックゲート電極は、電気的に絶縁しているフローティングの状態であっても良いし、
電位が与えられる状態であっても良い。後者の場合、バックゲート電極には、ゲート電極
１６０と同じ高さの電位が与えられていても良いし、グラウンドなどの固定電位が与えら
れていても良い。バックゲート電極に与える電位の高さを制御することで、トランジスタ
１０３の閾値電圧を制御することができる。
【０１３４】
そして、図５（Ｂ）では、遮光性を有する導電膜で配線１２３を形成し、配線１２３によ
りトランジスタ１０３を覆っている点において、図１（Ｄ）と同じである。具体的には、
トランジスタ１０３の活性層１６２と重なるように、遮光性を有する配線１２３を形成す
る。
【０１３５】
さらに、図５（Ｂ）では、図１（Ｄ）と同様に、容量素子１０４が有する電極１１２或い
は電極１１４の少なくとも一方が遮光性を有する。そして、遮光性を有する電極１１２或
いは電極１１４が、トランジスタ１０３の活性層１６２と重なる位置に形成されている。
【０１３６】
上記構成により、図５（Ｂ）では、遮光性を有する電極１１２或いは電極１１４と、遮光
性を有する配線１２３との間に活性層１６２が挟まれるので、酸化物半導体の吸収端波長
近傍の光、もしくはこれよりも短い波長領域の光が、活性層１６２に入射するのを防ぐこ
とができる。
【０１３７】
なお、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）では、配線１２３を用いて活性層１５２または活性層１
６２を遮光する構成を例に挙げているが、図１（Ｃ）に示した構成と同様に、遮光性を有
する絶縁膜で、活性層１５２または活性層１６２を遮光するようにしても良い。
【０１３８】
また、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）では、トランジスタ１０３がシングルゲート構造である
場合を例示しているが、トランジスタ１０３は、電気的に接続された複数のゲート電極を
有することで、チャネル形成領域を複数有する、マルチゲート構造であっても良い。
【０１３９】
本実施の形態は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１４０】
（実施の形態４）
本実施の形態では、記憶部の具体的な構成と、その動作について説明する。
【０１４１】
図６は、図２（Ａ）に示したメモリセル１０１を複数有する記憶部２００の、回路図の一
例である。メモリセル１０１の構成については、実施の形態１において説明した内容を参
酌することができる。
【０１４２】
図６に示す記憶部２００では、複数のワード線ＷＬ、複数のデータ線ＤＬなどの各種配線
が設けられており、駆動回路からの信号または固定電位が、これら配線を介して各メモリ
セル１０１に供給される。上記配線の数は、メモリセル１０１の数及び配置によって決め
ることができる。
【０１４３】
具体的に、図６に示す記憶部２００の場合、３行×４列のメモリセルがマトリクス状に接
続されており、ワード線ＷＬ１〜ＷＬ３、データ線ＤＬ１〜ＤＬ４が、記憶部２００内に
配置されている場合を例示している。
【０１４４】
次いで、図６に示す記憶部２００の動作について説明する。
【０１４５】
まず、データの書き込み時における記憶部２００の動作について説明する。書き込み時に
おいて、ワード線ＷＬ１にパルスを有する信号が入力されると、当該パルスの電位、具体
的にはハイレベルの電位が、ワード線ＷＬ１に接続されているトランジスタ１０３のゲー
ト電極に与えられる。よって、ワード線ＷＬ１にゲート電極が接続されているトランジス
タ１０３は、全てオンになる。
【０１４６】
次いで、データ線ＤＬ１〜ＤＬ４に、データを情報として含む信号が入力される。データ
線ＤＬ１〜ＤＬ４に入力される信号の電位のレベルは、データの内容によって当然異なる
。データ線ＤＬ１〜ＤＬ４に入力されている電位は、オンのトランジスタ１０３を介して
、容量素子１０５の一方の電極に与えられる。そして、上記信号の電位に従って、容量素
子１０５に蓄積されている電荷量が制御されることで、容量素子１０５へのデータの書き
込みが行われる。
【０１４７】
ワード線ＷＬ１への、パルスを有する信号の入力が終了すると、ワード線ＷＬ１にゲート
電極が接続されているトランジスタ１０３が、全てオフになる。そして、ワード線ＷＬ２
、ワード線ＷＬ３に、パルスを有する信号が順に入力され、ワード線ＷＬ２を有するメモ
リセル１０１、ワード線ＷＬ３を有するメモリセル１０１において、上述した動作が同様
に繰り返される。
【０１４８】
次いで、データの保持時における記憶部２００の動作について説明する。保持時において
、全てのワード線ＷＬ１〜ＷＬ３には、トランジスタ１０３がオフになるレベルの電位、
具体的にはローレベルの電位が与えられる。トランジスタ１０３は、上述したようにオフ
電流が著しく低いので、容量素子１０５に蓄積された電荷はリークしづらく、遮光を行わ
ない場合、或いは、シリコンなどの半導体材料をトランジスタ１０３に用いた場合に比べ
、長い期間に渡ってデータの保持を行うことができる。
【０１４９】
次いで、データの読み出し時における記憶部２００の動作について説明する。データの読
み出し時には、書き込み時と同様に、ワード線ＷＬ１〜ＷＬ３に順にパルスを有する信号
が入力される。当該パルスの電位、具体的にはハイレベルの電位が、ワード線ＷＬ１に接
続されているトランジスタ１０３のゲート電極に与えられると、当該トランジスタ１０３
は全てオンになる。
【０１５０】
トランジスタ１０３がオンになると、データ線ＤＬを介して容量素子１０５に蓄積された
電荷が取り出される。そして、上記電荷量の違いを読み取ることにより、データを読み出
すことができる。
【０１５１】
なお、各データ線ＤＬの先には読み出し回路が接続されており、読み出し回路の出力信号
が、記憶部から実際に読み出されたデータを含んでいる。
【０１５２】
本実施の形態では、書き込み、保持、読み出し、の各動作を、複数のメモリセル１０１に
おいて順に行う駆動方法について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。指定さ
れたアドレスのメモリセル１０１においてのみ、上記動作を行うようにしても良い。
【０１５３】
また、図６に示した記憶部２００の場合、各メモリセル１０１に、データ線ＤＬと、ワー
ド線ＷＬと、容量素子１０５の電極に固定電位を供給するための配線との、３つの配線が
接続されている場合を例示しているが、本発明の一態様では各メモリセルが有する配線の
数はこれに限定されない。トランジスタ１０３のスイッチングを制御するための信号と、
容量素子１０５の電荷量を制御するための信号と、固定電位とを、メモリセル１０１に供
給することができ、なおかつ、容量素子１０５に蓄積されている電荷量が情報として含ま
れる電位を、駆動回路に送ることができるように、配線の数及び接続構造を、適宜決めれ
ば良い。
【０１５４】
本実施の形態は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１５５】
（実施の形態５）
本実施の形態では、記憶部の具体的な構成と、その動作について説明する。
【０１５６】
図７は、図２（Ｃ）に示したメモリセル１０１を複数有する記憶部２０１の、回路図の一
例である。メモリセル１０１の構成については、実施の形態１において説明した内容を参
酌することができる。
【０１５７】
図７に示す記憶部２０１では、複数の第１ワード線ＷＬａ、複数の第２ワード線ＷＬｂ、
複数のデータ線ＤＬなどの各種配線が設けられており、駆動回路からの信号または固定電
位が、これら配線を介して各メモリセル１０１に供給される。上記配線の数は、メモリセ
ル１０１の数及び配置によって決めることができる。
【０１５８】
具体的に、図７に示す記憶部２０１の場合、３行×３列のメモリセルがマトリクス状に接
続されており、第１ワード線ＷＬａ１〜ＷＬａ３、第２ワード線ＷＬｂ１〜ＷＬｂ３、デ
ータ線ＤＬ１〜ＤＬ３が、記憶部２０１内に配置されている場合を例示している。
【０１５９】
次いで、図７に示す記憶部２０１の動作について説明する。図８は、複数の第１ワード線
ＷＬａ１〜ＷＬａ３、複数の第２ワード線ＷＬｂ１〜ＷＬｂ３、複数のデータ線ＤＬ１〜
ＤＬ３に入力される信号の電位の時間変化を示すタイミングチャートである。図８に示す
タイミングチャートは、トランジスタ１０２、トランジスタ１０３が共にｎチャネル型で
あり、なおかつ２値のデータを扱う場合を例示している。
【０１６０】
なお、タイミングチャートにおける信号の電位は、立ち上がりまたは立ち下がりが垂直に
なるように示している。しかし、実際の信号の電位は、配線の負荷やノイズ等の影響を受
けるため、その波形が鈍ることは当業者であれば容易に理解できる。
【０１６１】
まず、データの書き込み時における記憶部２０１の動作について説明する。書き込み時に
おいて、第１ワード線ＷＬａ１にパルスを有する信号が入力されると、当該パルスの電位
、具体的にはハイレベルの電位が、第１ワード線ＷＬａ１に接続されているトランジスタ
１０３のゲート電極に与えられる。よって、第１ワード線ＷＬａ１にゲート電極が接続さ
れているトランジスタ１０３は、全てオンになる。一方、第２ワード線ＷＬｂ１〜ＷＬｂ
３には、ローレベルの電位が与えられている。
【０１６２】
次いで、データ線ＤＬ１〜ＤＬ３に、データを情報として含む信号が入力される。データ
線ＤＬ１〜ＤＬ３に入力される信号の電位のレベルは、データの内容によって当然異なる
。データ線ＤＬ１〜ＤＬ３に入力されている電位は、オンのトランジスタ１０３を介して
、トランジスタ１０２が有するゲート電極と容量素子１０４の一方の電極に与えられる。
そして、上記信号の電位に従って、トランジスタ１０２のゲート容量と、容量素子１０４
に蓄積される電荷量が制御されることで、メモリセル１０１へのデータの書き込みが行わ
れる。
【０１６３】
第１ワード線ＷＬａ１への、パルスを有する信号の入力が終了すると、第１ワード線ＷＬ
ａ１にゲート電極が接続されているトランジスタ１０３が、全てオフになる。そして、第
１ワード線ＷＬａ２、第１ワード線ＷＬａ３に、パルスを有する信号が順に入力され、第
１ワード線ＷＬａ２を有するメモリセル１０１、第１ワード線ＷＬａ３を有するメモリセ
ル１０１において、上述した動作が同様に繰り返される。
【０１６４】
次いで、データの保持時における記憶部２０１の動作について説明する。保持時において
、全ての第１ワード線ＷＬａ１〜ＷＬａ３には、トランジスタ１０３がオフになるレベル
の電位、具体的にはローレベルの電位が与えられる。トランジスタ１０３は、上述したよ
うにオフ電流が著しく低いので、トランジスタ１０２のゲート容量と、容量素子１０４に
蓄積された電荷はリークしづらく、遮光を行わない場合、或いは、シリコンなどの半導体
材料をトランジスタ１０３に用いた場合に比べ、長い期間に渡ってデータの保持を行うこ
とができる。
【０１６５】
一方、第２ワード線ＷＬｂ１〜ＷＬｂ３には、引き続き、ローレベルの電位が与えられる
。
【０１６６】
次いで、データの読み出し時における記憶部２０１の動作について説明する。データの読
み出し時では、全ての第１ワード線ＷＬａ１〜ＷＬａ３にローレベルの電位が入力される
ことで、トランジスタ１０３のゲート電極にローレベルの電位が与えられる。よって、第
１ワード線ＷＬａ１〜ＷＬａ３にゲート電極が接続されているトランジスタ１０３は、全
てオフのままである。
【０１６７】
一方、第２ワード線ＷＬｂ１には、パルスを有する信号が入力され、当該パルスの電位、
具体的にはハイレベルの電位が、容量素子１０４の他方の電極に与えられる。容量素子１
０４が有する一対の電極の電位差は、電荷保存則により維持されたままなので、第２ワー
ド線ＷＬｂ１の電位の変化は、トランジスタ１０２のゲート電極に与えられる。そして、
トランジスタ１０２は、そのゲート容量に蓄積されている電荷量によって閾値電圧が変化
しているため、トランジスタ１０２には、そのゲート容量に蓄積されている電荷量に見合
った高さのドレイン電流が流れる。よって、トランジスタ１０２のドレイン電流の大きさ
から、蓄積されている電荷量の違いを読み取ることにより、データをデータ線ＤＬから読
み出すことができる。
【０１６８】
第２ワード線ＷＬｂ１への、パルスを有する信号の入力が終了すると、第２ワード線ＷＬ
ｂ１を有するメモリセル１０１のトランジスタ１０２は全てオフになる。そして、第２ワ
ード線ＷＬｂ２、第２ワード線ＷＬｂ３に、パルスを有する信号が順に入力され、第２ワ
ード線ＷＬｂ２を有するメモリセル１０１、第２ワード線ＷＬｂ３を有するメモリセル１
０１において、上述した動作が同様に繰り返される。
【０１６９】
なお、データ線ＤＬ１〜ＤＬ３の先には読み出し回路が接続されており、読み出し回路の
出力信号が、記憶部２０１から実際に読み出されたデータを含んでいる。
【０１７０】
本実施の形態では、書き込み、保持、読み出し、の各動作を、複数のメモリセル１０１に
おいて順に行う駆動方法について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。指定さ
れたアドレスのメモリセル１０１においてのみ、上記動作を行うようにしても良い。
【０１７１】
また、図７に示した記憶部２０１の場合、各メモリセル１０１に、第１ワード線ＷＬａと
、第２ワード線ＷＬｂと、データ線ＤＬと、トランジスタ１０２に固定電位を供給するた
めの配線との、４つの配線が接続されている場合を例示しているが、本発明の一態様では
各メモリセルが有する配線の数はこれに限定されない。トランジスタ１０３のスイッチン
グを制御するための信号と、トランジスタ１０２のゲート容量に蓄積される電荷量を制御
するための信号と、固定電位とを、メモリセル１０１に供給することができ、なおかつ、
上記ゲート容量に蓄積される電荷量が情報として含まれる電位を、駆動回路に送ることが
できるように、配線の数及び接続構造を、適宜決めれば良い。
【０１７２】
本実施の形態は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１７３】
（実施の形態６）
図９に、本発明の一態様に係る記憶装置の構成を、一例としてブロック図で示す。図９に
示す記憶装置３００は、メモリセルが複数設けられている記憶部３０１と、記憶部３０１
の動作を制御する駆動回路３０２とを有する。
【０１７４】
駆動回路３０２は、記憶部３０１へのデータの書き込み、記憶部３０１からのデータの読
み出し、記憶部３０１におけるデータの保持などの各種動作を、制御回路からの信号に従
って制御することができる。
【０１７５】
図９では、駆動回路３０２に信号を供給する制御回路が、記憶装置３００に含まれておら
ず、記憶装置３００の外部に設けられている場合を想定しているが、制御回路は記憶装置
の構成要素に含まれていても良い。
【０１７６】
次いで、本発明の一態様に係る記憶装置の、駆動回路の具体的な構成の一例について説明
する。
【０１７７】
図１０に、本発明の一態様に係る記憶装置の具体的な構成を、一例としてブロック図で示
す。なお、図１０に示すブロック図では、記憶装置内の回路を機能ごとに分類し、互いに
独立したブロックとして示しているが、実際の回路は機能ごとに完全に切り分けることが
難しく、一つの回路が複数の機能に係わることもあり得る。
【０１７８】
図１０に示す記憶装置３００は、記憶部３０１と、駆動回路３０２とを有している。駆動
回路３０２は、記憶部３０１から読み出されたデータを情報として含む信号を生成する読
み出し回路３０３と、記憶部３０１が有するメモリセルを、行ごとに選択するワード線駆
動回路３０４と、記憶部３０１において選択されたメモリセルにおけるデータの書き込み
を制御するデータ線駆動回路３０５とを有する。そして、駆動回路３０２は、読み出し回
路３０３、ワード線駆動回路３０４、データ線駆動回路３０５の動作を制御する制御回路
３０６を有している。
【０１７９】
また、図１０に示す記憶装置３００では、ワード線駆動回路３０４が、デコーダ３０７と
、レベルシフタ３０８と、バッファ３０９とを有している。データ線駆動回路３０５が、
デコーダ３１０と、レベルシフタ３１１と、セレクタ３１２とを有している。
【０１８０】
なお、本発明の一態様に係る記憶装置３００は、少なくとも記憶部３０１をその構成に含
んでいればよい。さらに、本発明の一態様に係る記憶装置３００は、記憶部３０１に駆動
回路３０２の一部または全てが接続された状態にあるメモリモジュールを、その範疇に含
む。メモリモジュールは、プリント配線基板等に実装することが可能な接続端子が設けら
れ、なおかつ樹脂等で保護された、所謂パッケージングされた状態であっても良い。
【０１８１】
また、記憶部３０１、読み出し回路３０３、ワード線駆動回路３０４、データ線駆動回路
３０５、制御回路３０６は、全て一の基板を用いて形成されていても良いし、いずれか１
つまたは全てが互いに異なる基板を用いて形成されていても良い。
【０１８２】
異なる基板を用いている場合、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕ
ｉｔ）などを介して電気的な接続を確保することができる。この場合、駆動回路３０２の
一部がＦＰＣにＣＯＦ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｆｉｌｍ）法を用いて接続されていても良い。
或いは、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）法を用いて、電気的な接続を確保するこ
とができる。
【０１８３】
記憶装置３００に、記憶部３０１のアドレス（Ａｘ、Ａｙ）を情報として含む信号ＡＤが
入力されると、制御回路３０６は、列方向のアドレスＡｘをデータ線駆動回路３０５に送
り、行方向のアドレスＡｙをワード線駆動回路３０４に送る。また、制御回路３０６は、
記憶装置３００に入力されたデータを情報として含む信号ＤＡＴＡを、データ線駆動回路
３０５に送る。
【０１８４】
記憶部３０１におけるデータの書き込み動作、読み出し動作の選択は、制御回路３０６に
供給される信号ＲＥ（Ｒｅａｄ ｅｎａｂｌｅ）、信号ＷＥ（Ｗｒｉｔｅ ｅｎａｂｌｅ
）などによって選択される。さらに、記憶部３０１が複数存在する場合、制御回路３０６
に、記憶部３０１を選択するための信号ＣＥ（Ｃｈｉｐ ｅｎａｂｌｅ）が入力されてい
ても良い。この場合、信号ＲＥ、信号ＷＥにより選択される動作が、信号ＣＥにより選択
された記憶部３０１において実行される。
【０１８５】
記憶部３０１では、信号ＷＥによって書き込み動作が選択されると、制御回路３０６から
の指示に従って、ワード線駆動回路３０４が有するデコーダ３０７において、アドレスＡ
ｙに対応するメモリセルを選択するための信号が生成される。当該信号は、レベルシフタ
３０８によって振幅が調整された後、バッファ３０９において波形が処理され、記憶部３
０１に入力される。一方、データ線駆動回路３０５では、制御回路３０６からの指示に従
って、デコーダ３１０において選択されたメモリセルのうち、アドレスＡｘに対応するメ
モリセルを選択するための信号が生成される。当該信号は、レベルシフタ３１１によって
振幅が調整された後、セレクタ３１２に入力される。セレクタ３１２では、入力された信
号に従って信号ＤＡＴＡをサンプリングし、アドレス（Ａｘ、Ａｙ）に対応するメモリセ
ルにサンプリングした信号を入力する。
【０１８６】
また、記憶部３０１では、信号ＲＥによって読み出し動作が選択されると、制御回路３０
６からの指示に従って、ワード線駆動回路３０４が有するデコーダ３０７において、アド
レスＡｙに対応するメモリセルを選択するための信号が生成される。当該信号は、レベル
シフタ３０８によって振幅が調整された後、バッファ３０９において波形が処理され、記
憶部３０１に入力される。一方、読み出し回路３０３では、制御回路３０６からの指示に
従って、デコーダ３０７により選択されたメモリセルのうち、アドレスＡｘに対応するメ
モリセルを選択する。そして、アドレス（Ａｘ、Ａｙ）に対応するメモリセルに記憶され
ているデータを読み出し、該データを情報として含む信号を生成する。
【０１８７】
本実施の形態は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１８８】
（実施の形態７）
本実施の形態では、読み出し回路の具体的な構成の一例について説明する。
【０１８９】
記憶部から読み出された電位は、メモリセルに書き込まれているデータに従って、そのレ
ベルが決まる。よって、理想的には、複数のメモリセルに同じデジタル値のデータが記憶
されているならば、複数のメモリセルから読み出された電位は、全て同じレベルのはずで
ある。しかし、実際には、記憶素子として機能するトランジスタ、または読み出し時にお
いてスイッチング素子として機能するトランジスタの特性が、メモリセル間においてばら
つくことがある。この場合、読み出されるはずのデータが全て同じデジタル値であっても
、実際に読み出された電位にばらつきが生じるため、その分布は幅を有する。よって、記
憶部から読み出された電位に多少のばらつきが生じていても、正確なデータを情報として
含み、なおかつ所望の仕様に合わせて振幅、波形が処理された信号を形成する読み出し回
路を、駆動回路に設けることが望ましい。
【０１９０】
図１１に、読み出し回路の一例を回路図で示す。図１１に示す読み出し回路は、記憶部か
ら読み出された電位Ｖｄａｔａの、読み出し回路への入力を制御するためのスイッチング
素子として機能するトランジスタ２６０と、抵抗として機能するトランジスタ２６１とを
有する。また、図１１に示す読み出し回路は、オペアンプ２６２を有している。
【０１９１】
具体的に、トランジスタ２６１は、それぞれ、そのゲート電極とドレイン電極（または、
ドレイン領域）が接続されており、なおかつ、ゲート電極及びドレイン電極にハイレベル
の電源電位Ｖｄｄが与えられている。また、トランジスタ２６１は、ソース電極が、オペ
アンプ２６２の非反転入力端子（＋）に接続されている。よって、トランジスタ２６１は
、電源電位Ｖｄｄが与えられているノードと、オペアンプ２６２の非反転入力端子（＋）
との間に接続された、抵抗として機能する。なお、図１１では、ゲート電極とドレイン電
極が接続されたトランジスタを抵抗として用いたが、本発明はこれに限定されず、抵抗と
して機能する素子であれば代替が可能である。
【０１９２】
また、スイッチング素子として機能するトランジスタ２６０は、ゲート電極がビット線Ｂ
Ｌ１〜ＢＬ３にそれぞれ接続されている。そして、ビット線ＢＬ１〜ＢＬ３の電位に従っ
て、トランジスタ２６０が有するソース電極への電位Ｖｄａｔａの供給が制御される。
【０１９３】
例えば、ビット線ＢＬ１に接続されたトランジスタ２６０がオンになると、電位Ｖｄａｔ
ａと電源電位Ｖｄｄとを、トランジスタ２６０とトランジスタ２６１により抵抗分割する
ことで得られる電位が、オペアンプ２６２の非反転入力端子（＋）に与えられる。そして
、電源電位Ｖｄｄのレベルは固定されているので、抵抗分割により得られる電位のレベル
には、電位Ｖｄａｔａのレベル、すなわち、読み出されたデータのデジタル値が反映され
ている。
【０１９４】
一方、オペアンプ２６２の反転入力端子（−）には、基準電位Ｖｒｅｆが与えられている
。そして、非反転入力端子（＋）に与えられる電位が、基準電位Ｖｒｅｆに対して高いか
低いかにより、出力端子の電位Ｖｏｕｔのレベルを異ならせることができ、それにより、
間接的にデータを情報として含む信号を得ることができる。
【０１９５】
なお、同じ値のデータが記憶されているメモリセルであっても、メモリセル間の特性のば
らつきにより、読み出された電位Ｖｄａｔａのレベルにもばらつきが生じ、その分布が幅
を有する場合がある。よって、基準電位Ｖｒｅｆのレベルは、データの値を正確に読み取
るために、ノードの電位Ｖｄａｔａのばらつきを考慮して定める。
【０１９６】
また、図１１では、２値のデジタル値を扱う場合の読み出し回路の一例であるので、デー
タの読み出しに用いるオペアンプは、電位Ｖｄａｔａの与えられるノードに対して１つず
つ用いているが、オペアンプの数はこれに限定されない。ｎ値（ｎは２以上の自然数）の
データを扱う場合は、電位Ｖｄａｔａの与えられるノードに対するオペアンプの数をｎ−
１とする。
【０１９７】
本実施の形態は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１９８】
（実施の形態８）
本実施の形態では、トランジスタのオフ電流の算出例について説明する。
【０１９９】
まず、オフ電流の算出に用いた特性評価用回路の構成について、図１２を用いて説明する
。本実施の形態では、特性評価用回路が、互いに並列に接続された複数の測定系８０１を
備える。具体的に図１２では、８つの測定系８０１が並列に接続されている特性評価用回
路を例示している。
【０２００】
測定系８０１は、トランジスタ８１１と、トランジスタ８１２と、容量素子８１３と、ト
ランジスタ８１４と、トランジスタ８１５とを含む。
【０２０１】
トランジスタ８１１は、電荷注入用トランジスタである。そして、トランジスタ８１１は
、その第１端子が、電位Ｖ１の与えられているノードに接続されており、その第２端子が
、トランジスタ８１２の第１端子に接続されている。トランジスタ８１１のゲート電極は
、電位Ｖｅｘｔ＿ａの与えられているノードに接続されている。
【０２０２】
トランジスタ８１２は、リーク電流評価用トランジスタである。なお、本実施の形態にお
いてリーク電流とは、トランジスタのオフ電流を含んでいる。そして、トランジスタ８１
２は、その第１端子が、トランジスタ８１１の第２端子に接続されており、その第２端子
が、電位Ｖ２の与えられているノードに接続されている。トランジスタ８１２のゲート電
極は、電位Ｖｅｘｔ＿ｂの与えられているノードに接続されている。
【０２０３】
容量素子８１３の第１の電極は、トランジスタ８１１の第２端子及びトランジスタ８１２
の第１端子に接続されている。容量素子８１３の第２の電極は、電位Ｖ２の与えられてい
るノードに接続されている。
【０２０４】
トランジスタ８１４は、その第１端子が、電位Ｖ３の与えられているノードに接続されて
おり、その第２端子が、トランジスタ８１５の第１端子に接続されている。トランジスタ
８１４のゲート電極は、トランジスタ８１１の第２端子、トランジスタ８１２の第１端子
、容量素子８１３の第１の電極に接続されている。なお、このトランジスタ８１４のゲー
ト電極が接続されている箇所を、ノードＡとする。
【０２０５】
トランジスタ８１５は、その第１端子が、トランジスタ８１４の第２端子に接続されてお
り、その第２端子が、電位Ｖ４の与えられているノードに接続されている。トランジスタ
８１５のゲート電極は、電位Ｖｅｘｔ＿ｃの与えられているノードに接続されている。
【０２０６】
そして、測定系８０１は、トランジスタ８１４の第２端子と、トランジスタ８１５の第１
端子が接続されているノードの電位を、出力信号の電位Ｖｏｕｔとして出力する。
【０２０７】
そして、本実施の形態では、トランジスタ８１１として、酸化物半導体を活性層に含み、
なおかつ、活性層に含まれるチャネル形成領域のサイズがチャネル長Ｌ＝１０μｍ、チャ
ネル幅Ｗ＝１０μｍであるトランジスタを用いる。
【０２０８】
なお、チャネル形成領域とは、半導体膜のうち、ソース電極とドレイン電極の間において
、ゲート絶縁膜を間に挟んでゲート電極と重なる領域に相当する。
【０２０９】
また、トランジスタ８１４及びトランジスタ８１５として、酸化物半導体を活性層に含み
、なおかつ、活性層に含まれるチャネル形成領域のサイズがチャネル長Ｌ＝３μｍ、チャ
ネル幅Ｗ＝１００μｍであるトランジスタを用いる。
【０２１０】
また、トランジスタ８１２として、酸化物半導体を活性層に含み、活性層の上部にソース
電極及びドレイン電極が接し、ソース電極及びドレイン電極と、ゲート電極とが重なるオ
ーバーラップ領域を設けず、幅１μｍのオフセット領域を有するボトムゲート構造のトラ
ンジスタを用いる。オフセット領域を設けることにより、寄生容量を低減することができ
る。さらに、トランジスタ８１２として、活性層に含まれるチャネル形成領域が、下記の
表１の条件１から条件６に示すような、異なるサイズを有するトランジスタを用いる。
【０２１１】
【表１】
【０２１２】
なお、電荷注入用トランジスタ８１１を測定系８０１に設けない場合には、容量素子８１
３への電荷注入の際に、リーク電流評価用トランジスタ８１２を一度オンにする必要があ
る。この場合、リーク電流評価用トランジスタ８１２が、オンからオフの定常状態となる
までに時間を要するような素子だと、測定に時間を要する。図１２に示すように、電荷注
入用トランジスタ８１１と、リーク電流評価用トランジスタ８１２とを別々に測定系８０
１に設けることにより、電荷注入の際に、リーク電流評価用トランジスタ８１２を常にオ
フに保つことができる。よって、測定に要する時間を短縮化することができる。
【０２１３】
また、電荷注入用トランジスタ８１１と、リーク電流評価用トランジスタ８１２とを測定
系８０１に別々に設けることにより、それぞれのトランジスタを適切なサイズとすること
ができる。また、リーク電流評価用トランジスタ８１２のチャネル幅Ｗを、電荷注入用ト
ランジスタ８１１のチャネル幅Ｗよりも大きくすることにより、リーク電流評価用トラン
ジスタ８１２のリーク電流以外の、特性評価回路内のリーク電流成分を相対的に小さくす
ることができる。その結果、リーク電流評価用トランジスタ８１２のリーク電流を高い精
度で測定することができる。同時に、電荷注入の際に、リーク電流評価用トランジスタ８
１２を一度オンとする必要がないため、チャネル形成領域の電荷の一部がノードＡに流れ
込むことによるノードＡの電位変動の影響もない。
【０２１４】
一方、電荷注入用トランジスタ８１１のチャネル幅Ｗを、リーク電流評価用トランジスタ
８１２のチャネル幅Ｗよりも小さくすることにより、電荷注入用トランジスタ８１１のリ
ーク電流を相対的に小さくすることができる。また、電荷注入の際に、チャネル形成領域
の電荷の一部がノードＡに流れ込むことによるノードＡの電位変動の影響も小さい。
【０２１５】
また、図１２に示すように、複数の測定系８０１を並列に接続させた構造にすることによ
り、より正確に特性評価回路のリーク電流を算出することができる。
【０２１６】
次に、図１２に示す特性評価回路を用いた、トランジスタのオフ電流の具体的な算出方法
について説明する。
【０２１７】
まず、図１２に示す特性評価回路のリーク電流測定方法について、図１３を用いて説明す
る。図１３は、図１２に示す特性評価回路を用いたリーク電流測定方法を説明するための
タイミングチャートである。
【０２１８】
図１２に示す特性評価回路を用いたリーク電流測定方法は、書き込み期間及び保持期間に
分けられる。それぞれの期間における動作について、以下に説明する。なお、書き込み期
間及び保持期間の両期間において、電位Ｖ２及び電位Ｖ４を０Ｖ、電位Ｖ３を５Ｖ、電位
Ｖｅｘｔ＿ｃを０．５Ｖとする。
【０２１９】
まず、書き込み期間において、電位Ｖｅｘｔ＿ｂを、トランジスタ８１２がオフとなるよ
うな高さの電位ＶＬ（−３Ｖ）に設定する。また、電位Ｖ１を書き込み電位Ｖｗに設定し
た後、電位Ｖｅｘｔ＿ａを、一定期間トランジスタ８１１がオンとなるような高さの電位
ＶＨ（５Ｖ）に設定する。上記構成により、ノードＡに電荷が蓄積され、ノードＡの電位
は、書き込み電位Ｖｗと同等の値になる。次いで、電位Ｖｅｘｔ＿ａを、トランジスタ８
１１がオフとなるような高さの電位ＶＬに設定する。その後、電位Ｖ１を電位ＶＳＳ（０
Ｖ）に設定する。
【０２２０】
次に、保持期間において、ノードＡが保持する電荷量の変化に起因して生じるノードＡの
電位の変化量の測定を行う。電位の変化量から、トランジスタ８１２の第１端子と第２端
子の間を流れる電流値を算出することができる。以上により、ノードＡの電荷の蓄積とノ
ードＡの電位の変化量の測定とを行うことができる。
【０２２１】
ノードＡの電荷の蓄積及びノードＡの電位の変化量の測定（蓄積及び測定動作ともいう）
は、繰り返し行う。まず、第１の蓄積及び測定動作を１５回繰り返し行う。第１の蓄積及
び測定動作では、書き込み期間に書き込み電位Ｖｗとして５Ｖの電位を入力し、保持期間
に１時間の保持を行う。次に、第２の蓄積及び測定動作を２回繰り返し行う。第２の蓄積
及び測定動作では、書き込み期間に書き込み電位Ｖｗを３．５Ｖとし、保持期間に５０時
間の保持を行う。次に、第３の蓄積及び測定動作を１回行う。第３の蓄積及び測定動作で
は、書き込み期間に書き込み電位Ｖｗを４．５Ｖとし、保持期間に１０時間の保持を行う
。蓄積及び測定動作を繰り返し行うことにより、測定した電流値が、定常状態における値
であることを確認することができる。言い換えると、ノードＡを流れる電流ＩＡのうち、
過渡電流（測定開始後から時間経過とともに減少していく電流成分）を除くことができる
。その結果、より高い精度でリーク電流を測定することができる。
【０２２２】
一般に、ノードＡの電位ＶＡは、出力信号の電位Ｖｏｕｔの関数として次式のように表す
ことができる。
【０２２３】
【数１】
【０２２４】
また、ノードＡの電荷ＱＡは、ノードＡの電位ＶＡ、ノードＡに接続される容量ＣＡ、定
数（ｃｏｎｓｔ）を用いて、次式のように表される。ノードＡに接続される容量ＣＡは、
容量素子８１３の容量値と、容量素子８１３以外の容量が有する容量値の和である。
【０２２５】
【数２】
【０２２６】
ノードＡの電流ＩＡは、ノードＡに流れ込む電荷（またはノードＡから流れ出る電荷）の
時間微分であるから、ノードＡの電流ＩＡは次式のように表現される。
【０２２７】
【数３】
【０２２８】
例えば、Δｔを約５４０００ｓｅｃとする。ノードＡに接続される容量ＣＡと、出力信号
の電位Ｖｏｕｔから、ノードＡの電流ＩＡを求めることができるため、特性評価回路のリ
ーク電流を求めることができる。
【０２２９】
次に、上記特性評価回路を用いた測定方法による出力信号の電位Ｖｏｕｔの測定結果及び
該測定結果より算出した特性評価回路のリーク電流の値を示す。
【０２３０】
図１４に、一例として、条件１、条件２及び条件３における上記測定（第１の蓄積及び測
定動作）に係る経過時間Ｔｉｍｅと、出力信号の電位Ｖｏｕｔとの関係を示す。図１５に
、上記測定に係る経過時間Ｔｉｍｅと、該測定によって算出されたリーク電流との関係を
示す。測定開始後から出力信号の電位Ｖｏｕｔが変動しており、定常状態に到るためには
１０時間以上必要であることがわかる。
【０２３１】
また、図１６に、上記測定により見積もられた条件１乃至条件６におけるノードＡの電位
とリーク電流の関係を示す。図１６では、例えば条件４において、ノードＡの電位が３．
０Ｖの場合、リーク電流は２８ｙＡ／μｍである。リーク電流にはトランジスタ８１２の
オフ電流も含まれるため、トランジスタ８１２のオフ電流も２８ｙＡ／μｍ以下とみなす
ことができる。
【０２３２】
以上のように、チャネル形成層としての機能を有し、高純度化された酸化物半導体層を含
むトランジスタを用いた特性評価用回路において、リーク電流が十分に低いため、該トラ
ンジスタのオフ電流が十分に小さいことがわかる。
【０２３３】
（実施の形態９）
本実施の形態では、本発明の半導体装置の一つであるＲＦタグの、構成の一例について説
明する。
【０２３４】
図１７は本発明のＲＦタグの一形態を示すブロック図である。図１７においてＲＦタグ５
５０は、アンテナ回路５５１と、集積回路５５２とを有している。集積回路５５２は、電
源回路５５３、復調回路５５４、変調回路５５５、レギュレータ５５６、演算回路５５７
、記憶装置５５８、昇圧回路５５９を有している。
【０２３５】
次いで、ＲＦタグ５５０の動作の一例について説明する。質問器から電波が送られてくる
と、アンテナ回路５５１において該電波が交流電圧に変換される。電源回路５５３では、
アンテナ回路５５１からの交流電圧を整流し、電源用の電圧を生成する。電源回路５５３
において生成された電源用の電圧は、演算回路５５７とレギュレータ５５６に与えられる
。レギュレータ５５６は、電源回路５５３からの電源用の電圧を安定化させるか、または
その高さを調整した後、集積回路５５２内の復調回路５５４、変調回路５５５、演算回路
５５７、記憶装置５５８または昇圧回路５５９などの各種回路に供給する。
【０２３６】
復調回路５５４は、アンテナ回路５５１が受信した交流信号を復調して、後段の演算回路
５５７に出力する。演算回路５５７は復調回路５５４から入力された信号に従って演算処
理を行い、別途信号を生成する。上記演算処理を行う際に、記憶装置５５８は一次キャッ
シュメモリまたは二次キャッシュメモリとして用いることができる。また演算回路５５７
は、復調回路５５４から入力された信号を解析し、質問器から送られてきた命令の内容に
従って、記憶装置５５８内の情報の出力、または記憶装置５５８内における命令の内容の
実行を行う。演算回路５５７から出力される信号は符号化され、変調回路５５５に送られ
る。変調回路５５５は該信号に従ってアンテナ回路５５１が受信している電波を変調する
。アンテナ回路５５１において変調された電波は質問器で受け取られる。
【０２３７】
このようにＲＦタグ５５０と質問器との通信は、キャリア（搬送波）として用いる電波を
変調することで行われる。キャリアは、１２５ｋＨｚ、１３．５６ＭＨｚ、９５０ＭＨｚ
など規格により様々である。また変調の方式も規格により振幅変調、周波数変調、位相変
調など様々な方式があるが、規格に即した変調方式であればどの変調方式を用いても良い
。
【０２３８】
信号の伝送方式は、キャリアの波長によって電磁結合方式、電磁誘導方式、マイクロ波方
式など様々な種類に分類することができる。
【０２３９】
昇圧回路５５９は、レギュレータ５５６から出力された電圧を昇圧し、記憶装置５５８に
供給している。
【０２４０】
本発明の一態様では、記憶装置５５８が上記実施の形態に示した構成を有しており、デー
タを保持する期間を確保しつつ、単位面積あたりの記憶容量を高めることができることを
特徴とする。従って、本発明の一態様にかかるＲＦタグ５５０は、上記記憶装置５５８を
用いることで、データの信頼性を高めることができる。また、上記記憶装置５５８を用い
ることで、ＲＦタグ５５０を小型化、或いは高機能化することができる。
【０２４１】
本実施の形態では、アンテナ回路５５１を有するＲＦタグ５５０の構成について説明して
いるが、本発明の一態様にかかるＲＦタグは、必ずしもアンテナ回路をその構成要素に含
む必要はない。また図１７に示したＲＦタグに、発振回路または二次電池を設けても良い
。
【０２４２】
本実施の形態は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０２４３】
（実施の形態１０）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る記憶装置を用いた半導体装置の一つである、携
帯型の記憶媒体の一例について説明する。
【０２４４】
図１８（Ａ）に、本発明の一態様にかかる記憶媒体の構成を、一例として示す。図１８（
Ａ）に示す記憶媒体は、本発明の一態様に係る記憶装置７０１と、駆動装置と記憶媒体の
電気的な接続を行うコネクタ７０２と、コネクタ７０２を介して入出力される各種信号に
、仕様に合わせて信号処理を施すインターフェース７０３と、記憶媒体の動作状態などに
従って点灯する発光ダイオード７０４と、記憶装置７０１、インターフェース７０３、発
光ダイオード７０４などの、記憶媒体内の各種回路や半導体素子の動作を制御するコント
ローラ７０５とが、プリント配線基板７０６に実装されている。その他に、コントローラ
７０５の動作を制御するためのクロック信号を生成するのに用いられる水晶振動子、記憶
媒体内における電源電位の高さを制御するためのレギュレータなどが設けられていても良
い。
【０２４５】
図１８（Ａ）に示すプリント配線基板７０６は、図１８（Ｂ）に示すように、コネクタ７
０２と発光ダイオード７０４が一部露出するように、樹脂等を用いたカバー材７０７で覆
って、保護するようにしても良い。
【０２４６】
本発明の一態様にかかる記憶装置７０１は、データを保持する期間を確保しつつ、単位面
積あたりの記憶容量を高めることができることを特徴とする。従って、本発明の一態様に
かかる記憶媒体は、上記記憶装置７０１を用いることで、データの信頼性を高めることが
できる。また、上記記憶装置７０１を用いることで、記憶媒体を小型化することができる
。
【０２４７】
本実施の形態は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【実施例１】
【０２４８】
本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、信頼性が高い電子機器、高機能を有す
る電子機器を提供することが可能である。
【０２４９】
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示装置、ノート型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、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、電子書籍、ビデオカメラ、デ
ジタルスチルカメラ、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、プリンター、プリンター複合機、現金自動預け入れ払い機（Ａ
ＴＭ）、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１９に示す。
【０２５０】
図１９（Ａ）は携帯型ゲーム機であり、筐体７０３１、筐体７０３２、表示部７０３３、
表示部７０３４、マイクロホン７０３５、スピーカー７０３６、操作キー７０３７、スタ
イラス７０３８等を有する。本発明の一態様に係る半導体装置は、携帯型ゲーム機の駆動
を制御するための集積回路に用いることができる。携帯型ゲーム機の駆動を制御するため
の集積回路に本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、信頼性が高い携帯型ゲー
ム機、高機能を有する携帯型ゲーム機を提供することができる。なお、図１９（Ａ）に示
した携帯型ゲーム機は、２つの表示部７０３３と表示部７０３４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。
【０２５１】
図１９（Ｂ）は携帯電話であり、筐体７０４１、表示部７０４２、音声入力部７０４３、
音声出力部７０４４、操作キー７０４５、受光部７０４６等を有する。受光部７０４６に
おいて受信した光を電気信号に変換することで、外部の画像を取り込むことができる。本
発明の一態様に係る半導体装置は、携帯電話の駆動を制御するための集積回路に用いるこ
とができる。携帯電話の駆動を制御するための集積回路に本発明の一態様に係る半導体装
置を用いることで、信頼性が高い携帯電話、高機能を有する携帯電話を提供することがで
きる。
【０２５２】
図１９（Ｃ）は携帯情報端末であり、筐体７０５１、表示部７０５２、操作キー７０５３
等を有する。図１９（Ｃ）に示す携帯情報端末は、モデムが筐体７０５１に内蔵されてい
ても良い。本発明の一態様に係る半導体装置は、携帯情報端末の駆動を制御するための集
積回路に用いることができる。携帯情報端末の駆動を制御するための集積回路に本発明の
一態様に係る半導体装置を用いることで、信頼性が高い携帯情報端末、高機能を有する携
帯情報端末を提供することができる。
【０２５３】
本実施例は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【符号の説明】
【０２５４】
１０１ メモリセル
１０２ トランジスタ
１０３ トランジスタ
１０４ 容量素子
１０５ 容量素子
１０６ トランジスタ
１１０ 基板
１１１ 絶縁膜
１１２ 電極
１１３ 絶縁膜
１１４ 電極
１１５ ゲート電極
１１６ 絶縁膜
１１７ 活性層
１１８ ソース電極
１１９ ドレイン電極
１２０ 絶縁膜
１２１ 絶縁膜
１２２ 絶縁膜
１２３ 配線
１３０ 導電膜
１３１ 導電膜
１３２ 活性層
１３３ 絶縁膜
１３４ ゲート電極
１３５ 導電膜
１３６ 活性層
１３７ ゲート電極
１３８ コンタクトホール
１３９ 絶縁膜
１４０ コンタクトホール
１４１ 導電膜
１４２ コンタクトホール
１４３ コンタクトホール
１４４ 導電膜
１５０ ゲート電極
１５１ 絶縁膜
１５２ 活性層
１５３ チャネル保護膜
１５４ ソース電極
１５５ ドレイン電極
１５６ 絶縁膜
１６０ ゲート電極
１６１ 絶縁膜
１６２ 活性層
１６４ ソース電極
１６５ ドレイン電極
１６６ 絶縁膜
２００ 記憶部
２０１ 記憶部
２６０ トランジスタ
２６１ トランジスタ
２６２ オペアンプ
３００ 記憶装置
３０１ 記憶部
３０２ 駆動回路
３０３ 読み出し回路
３０４ ワード線駆動回路
３０５ データ線駆動回路
３０６ 制御回路
３０７ デコーダ
３０８ レベルシフタ
３０９ バッファ
３１０ デコーダ
３１１ レベルシフタ
３１２ セレクタ
５５０ ＲＦタグ
５５１ アンテナ回路
５５２ 集積回路
５５３ 電源回路
５５４ 復調回路
５５５ 変調回路
５５６ レギュレータ
５５７ 演算回路
５５８ 記憶装置
５５９ 昇圧回路
７０１ 記憶装置
７０２ コネクタ
７０３ インターフェース
７０４ 発光ダイオード
７０５ コントローラ
７０６ プリント配線基板
７０７ カバー材
８０１ 測定系
８１１ トランジスタ
８１２ トランジスタ
８１３ 容量素子
８１４ トランジスタ
８１５ トランジスタ
７０３１ 筐体
７０３２ 筐体
７０３３ 表示部
７０３４ 表示部
７０３５ マイクロホン
７０３６ スピーカー
７０３７ 操作キー
７０３８ スタイラス
７０４１ 筐体
７０４２ 表示部
７０４３ 音声入力部
７０４４ 音声出力部
７０４５ 操作キー
７０４６ 受光部
７０５１ 筐体
７０５２ 表示部
７０５３ 操作キー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メモリセルを有し、
前記メモリセルは、
酸化物半導体層を含むトランジスタと、
前記トランジスタに電気的に接続される容量素子と、
遮光性を有する層と、
を有し、
前記容量素子が有する一対の電極のうち、少なくとも一方の電極は遮光性を有し、
前記一方の電極と、前記遮光性を有する層との間に前記酸化物半導体層を有し、
前記酸化物半導体層のチャネル形成領域は、前記一方の電極及び前記遮光性を有する層の少なくとも一つで覆われていることを特徴とする記憶装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記酸化物半導体層のチャネル形成領域は、前記一方の電極及び前記遮光性を有する層と重なる領域を有していることを特徴とする記憶装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、
前記遮光性を有する層は、前記酸化物半導体層の吸収端波長をλ０とすると、
波長が１００ｎｍ以上λ０＋１００ｎｍ以下の光の透過率が５０％以下であることを特徴とする記憶装置。
【請求項１】
メモリセルを有し、
前記メモリセルは、
酸化物半導体層を含むトランジスタと、
前記トランジスタに電気的に接続される容量素子と、
遮光性を有する層と、
を有し、
前記容量素子が有する一対の電極のうち、少なくとも一方の電極は遮光性を有し、
前記一方の電極と、前記遮光性を有する層との間に前記酸化物半導体層を有し、
前記酸化物半導体層のチャネル形成領域は、前記一方の電極及び前記遮光性を有する層の少なくとも一つで覆われていることを特徴とする記憶装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記酸化物半導体層のチャネル形成領域は、前記一方の電極及び前記遮光性を有する層と重なる領域を有していることを特徴とする記憶装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、
前記遮光性を有する層は、前記酸化物半導体層の吸収端波長をλ０とすると、
波長が１００ｎｍ以上λ０＋１００ｎｍ以下の光の透過率が５０％以下であることを特徴とする記憶装置。
【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】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１２−２５６９４１（Ｐ２０１２−２５６９４１Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２０４００８（Ｐ２０１２−２０４００８）
【出願日】平成２４年９月１８日（２０１２．９．１８）
【分割の表示】特願２０１１−１１０９４８（Ｐ２０１１−１１０９４８）の分割
【原出願日】平成２３年５月１８日（２０１１．５．１８）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年９月１８日（２０１２．９．１８）
【分割の表示】特願２０１１−１１０９４８（Ｐ２０１１−１１０９４８）の分割
【原出願日】平成２３年５月１８日（２０１１．５．１８）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]