JP6830820B2 - 入出力装置、情報処理装置 - Google Patents

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Description

本発明の一態様は、入出力装置、情報処理装置または半導体装置に関する。
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関するものである。そのため、より具体的に本明細書で開示する本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法、を一例として挙げることができる。
基板の同一面側に集光手段と画素電極を設け、集光手段の光軸上に画素電極の可視光を透過する領域を重ねて設ける構成を有する液晶表示装置や、集光方向Ｘと非集光方向Ｙを有する異方性の集光手段を用い、非集光方向Ｙと画素電極の可視光を透過する領域の長軸方向を一致して設ける構成を有する液晶表示装置が、知られている（特許文献１）。
特開２０１１−１９１７５０号公報
本発明の一態様は、利便性または信頼性に優れた新規な入出力装置を提供することを課題の一とする。または、利便性または信頼性に優れた新規な情報処理装置を提供することを課題の一とする。または、新規な情報処理装置または新規な半導体装置を提供することを課題の一とする。
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
（１）本発明の一態様は、表示部と、入力部と、を有する入出力装置である。
表示部は、信号線と、画素と、を備える。
画素は、信号線と電気的に接続される。また、画素は、第１の表示素子と、第１の導電膜と、第２の導電膜と、第１の絶縁膜と、画素回路と、第２の表示素子と、を備える。
第１の導電膜は第１の表示素子と電気的に接続される。第２の導電膜は第１の導電膜と重なる領域を備える。第１の絶縁膜は第２の導電膜と第１の導電膜の間に挟まれる領域を備える。画素回路は信号線と電気的に接続される。画素回路は第２の導電膜と電気的に接続される。第２の表示素子は画素回路と電気的に接続される。第１の絶縁膜は開口部を備える。第２の導電膜は開口部において第１の導電膜と電気的に接続される。画素回路は、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、を有する。第２のトランジスタは、第１のトランジスタの少なくとも一部と互いに重なる領域を備える。
また、入力部は表示部と重なる領域を備え、入力部は表示部と重なる領域に近接するものを検知する機能を備える。
これにより、例えば同一の工程を用いて形成することができる画素回路を用いて、第１の表示素子と、第１の表示素子とは異なる方法を用いて表示をする第２の表示素子と、を駆動することができる。また、表示部と重なる領域に近接するものを検知することができる。その結果、利便性または信頼性に優れた新規な入出力装置を提供することができる。
（２）また、本発明の一態様は、上記の第１のトランジスタが第１の半導体膜を備え、上記の第２のトランジスタが第２の半導体膜を備える上記の入出力装置である。
そして、第２の半導体膜は第１の半導体膜と互いに重なる領域を備える。また、第１の半導体膜はチャネルが形成される第１の領域を備え、第２の半導体膜はチャネルが形成される第２の領域を備える。なお、第２の領域は第１の領域と互いに重なる領域を備えない。
（３）また、本発明の一態様は、第２の絶縁膜を有する上記の入出力装置である。
そして、第２の絶縁膜は第１の面および第１の面に対向する第２の面を備える。
また、第１の面は第１の半導体膜に接する領域を備え、第２の面は、前記第２の半導体膜に接する領域を備える。
（４）また、本発明の一態様は、上記の第２の表示素子が、第１の表示素子を用いた表示を視認できる範囲の一部において、当該第２の表示素子を用いた表示を視認できるように配設される、上記の入出力装置である。
これにより、第１の表示素子を用いた表示を視認することができる領域の一部において、第２の表示素子を用いた表示を視認することができる。または、入出力装置の姿勢等を変えることなく使用者は表示を視認することができる。その結果、利便性または信頼性に優れた新規な入出力装置を提供することができる。
（５）また、本発明の一態様は、上記の第２の表示素子が、第１の表示素子が表示をする領域に囲まれた領域に表示をする機能を備える上記の入出力装置である。
（６）また、本発明の一態様は、上記の第１の表示素子が、反射膜と、反射する光の強さを制御する機能と、を有する、上記の入出力装置である。
また、反射膜は入射する光を反射する機能を備え、反射膜は開口部を備え、第２の表示素子は開口部に向けて光を射出する機能を有する。
（７）また、本発明の一態様は、上記の入力部が検知素子を有する上記の入出力装置である。
そして、検知素子は、制御線と、信号線と、を備える。
また、信号線は、表示部と重なる領域に近接するものによって一部が遮られる電界を、制御線との間に形成するように配置される。
（８）また、本発明の一態様は、上記の制御線が透光性の導電膜を備え、信号線は透光性の導電膜を備え、画素は、制御線または信号線と重なる領域を備える上記の入出力装置である。
上記本発明の一態様の入出力装置は、画素と重なる領域に透光性を備える導電膜を備える制御線と、画素と重なる領域に透光性を備える導電膜を備える信号線と、を含んで構成される。これにより、表示部の表示を遮ることなく、表示部と重なる領域に近接するものを検知することができる。その結果、利便性または信頼性に優れた新規な入出力装置を提供することができる。
（９）また、本発明の一態様は、開口部が設けられた導電膜を上記の制御線が備え、開口部が設けられた導電膜を信号線が備える。また、画素は、制御線または信号線の開口部と重なる領域を備える上記の入出力装置である。
（１０）また、本発明の一態様は、制御線および第２の電極の間または信号線および第２の電極の間に０．２μｍ以上１６μｍ以下、好ましくは１μｍ以上８μｍ以下、より好ましくは２．５μｍ以上４μｍ以下の間隔を備える上記の入出力装置である。
上記本発明の一態様の入出力装置は、画素と重なる領域に開口部が設けられた導電膜を備える制御線と、画素と重なる領域に開口部が設けられた導電膜を備える信号線と、を含んで構成される。これにより、表示部の表示を遮ることなく、表示部と重なる領域に近接するものを検知することができる。その結果、利便性または信頼性に優れた新規な入出力装置を提供することができる。
（１１）また、本発明の一態様は、第１の機能膜と、第２の機能膜と、を有する上記の入出力装置である。
第１の機能膜は、第１の表示素子との間に検知素子を挟む領域を備え、第１の機能膜は円偏光フィルムを含む。
第２の機能膜は、第１の機能膜および第１の表示素子の間に配設される領域を備え、第２の機能膜は光拡散フィルムを含む。
上記本発明の一態様の入出力装置は、検知素子より使用者側に配設される第１の機能膜と、第１の機能膜および第１の表示素子の間に第２の機能膜を含んで構成される。これにより、検知素子が反射する光を第１の機能膜を用いて抑制することができる。または、第１の表示素子が反射する光を第２の機能膜を用いて拡散することができる。その結果、利便性または信頼性に優れた新規な入出力装置を提供することができる。
（１２）また、本発明の一態様は、キーボード、ハードウェアボタン、ポインティングデバイス、タッチセンサ、照度センサ、撮像装置、音声入力装置、視点入力装置、姿勢検出装置、のうち一以上と、上記の入出力装置と、を含む、情報処理装置である。
これにより、消費電力を低減し、明るい場所でも優れた視認性を確保することができる。その結果、利便性または信頼性に優れた新規な情報処理装置を提供することができる。
本明細書に添付した図面では、構成要素を機能ごとに分類し、互いに独立したブロックとしてブロック図を示しているが、実際の構成要素は機能ごとに完全に切り分けることが難しく、一つの構成要素が複数の機能に係わることもあり得る。
本明細書においてトランジスタが有するソースとドレインは、トランジスタの極性及び各端子に与えられる電位の高低によって、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端子がソースと呼ばれ、高い電位が与えられる端子がドレインと呼ばれる。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端子がドレインと呼ばれ、高い電位が与えられる端子がソースと呼ばれる。本明細書では、便宜上、ソースとドレインとが固定されているものと仮定して、トランジスタの接続関係を説明する場合があるが、実際には上記電位の関係に従ってソースとドレインの呼び方が入れ替わる。
本明細書においてトランジスタのソースとは、活性層として機能する半導体膜の一部であるソース領域、或いは上記半導体膜に接続されたソース電極を意味する。同様に、トランジスタのドレインとは、上記半導体膜の一部であるドレイン領域、或いは上記半導体膜に接続されたドレイン電極を意味する。また、ゲートはゲート電極を意味する。
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のトランジスタのソースまたはドレインの一方のみが、第２のトランジスタのソースまたはドレインの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のトランジスタのソースまたはドレインの一方が第２のトランジスタのソースまたはドレインの一方に接続され、第１のトランジスタのソースまたはドレインの他方が第２のトランジスタのソースまたはドレインの他方に接続されている状態を意味する。
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。
本明細書において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。
また、本明細書中において、トランジスタの第１の電極または第２の電極の一方がソース電極を、他方がドレイン電極を指す。
本発明の一態様によれば、利便性または信頼性に優れた新規な入出力装置を提供できる。または、利便性または信頼性に優れた新規な情報処理装置を提供できる。または、新規な情報処理装置または新規な半導体装置を提供できる。
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
実施の形態に係る入出力装置の断面の構成を説明する断面図。 実施の形態に係る入出力装置の断面の構成を説明する断面図。 実施の形態に係る入出力装置の断面の構成を説明する断面図。 実施の形態に係る入出力装置の構成を説明する回路図、上面図および断面図。 実施の形態に係る入出力装置の断面の構成を説明する断面図。 実施の形態に係る入出力装置の断面の構成を説明する断面図。 実施の形態に係る入出力装置の断面の構成を説明する断面図。 実施の形態に係る入出力装置の構成を説明する図。 実施の形態に係る入出力装置の断面の構成を説明する断面図。 実施の形態に係る入出力装置の断面の構成を説明する断面図。 実施の形態に係る入出力装置の構成を説明する回路図。 実施の形態に係る入出力装置の断面の構成を説明するブロック図および模式図。 実施の形態に係る入出力装置の検知素子の構成を説明する図。 実施の形態に係る入出力装置の断面の構成を説明する図。 実施の形態に係る入出力装置の断面の構成を説明する断面図。 実施の形態に係る入出力装置の断面の構成を説明する断面図。 実施の形態に係るトランジスタの構成を説明する平面図および断面図。 実施の形態に係るトランジスタの構成を説明する平面図および断面図。 半導体装置の断面を説明する図。 エネルギーバンドを説明する図。 実施の形態に係る情報処理装置の構成を説明するブロック図および投影図。 実施の形態に係る表示部の構成を説明するブロック図および回路図。 実施の形態に係るプログラムを説明するフローチャート。 実施の形態に係る半導体装置の構成を説明する断面図および回路図。 実施の形態に係るＣＰＵの構成を説明するブロック図。 実施の形態に係る記憶素子の構成を説明する回路図。 実施の形態に係る電子機器の構成を説明する図。 実施の形態に係る入出力装置の断面の構成を説明する断面図。 実施の形態に係る入出力装置の断面の構成を説明する断面図。 酸化物半導体の原子数比の範囲を説明する図。 ＩｎＭＺｎＯ４の結晶を説明する図。 酸化物半導体をチャネル領域に用いるトランジスタにおけるエネルギーバンドを説明する図。 ＣＡＡＣ−ＯＳ及び単結晶酸化物半導体のＸＲＤによる構造解析を説明する図、ならびにＣＡＡＣ−ＯＳの制限視野電子回折パターンを示す図。 ＣＡＡＣ−ＯＳの断面ＴＥＭ像、ならびに平面ＴＥＭ像及びその画像解析像。 ｎｃ−ＯＳの電子回折パターンを示す図、及びｎｃ−ＯＳの断面ＴＥＭ像。 ａ−ｌｉｋｅ ＯＳの断面ＴＥＭ像。 Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。
本発明の一態様の入出力装置は、表示部と入力部とを有する。そして、表示部は、第１の表示素子と、第１の表示素子と電気的に接続される第１の導電膜と、第１の導電膜と重なる領域を備える第２の導電膜と、第２の導電膜と第１の導電膜の間に挟まれる領域を備える絶縁膜と、第２の導電膜と電気的に接続される画素回路と、画素回路と電気的に接続される第２の表示素子と、を含み、絶縁膜は開口部を備え、第２の導電膜は第１の導電膜と開口部で電気的に接続される。また、入力部は、表示部と重なる領域に近接するものを検知する機能を備える。
これにより、例えば同一の工程を用いて形成することができる画素回路を用いて、第１の表示素子と、第１の表示素子とは異なる方法を用いて表示をする第２の表示素子と、を駆動することができる。その結果、利便性または信頼性に優れた新規な入出力装置を提供することができる。
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨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。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様の入出力装置７００ＴＰＡの構成について、図８乃至図１３を参照しながら説明する。
図８は本発明の一態様の入出力装置の構成を説明する図である。図８（Ａ）は本発明の一態様の入出力装置の上面図である。図８（Ｂ−１）は図８（Ａ）の一部の構成を説明する下面図であり、図８（Ｂ−２）は図８（Ｂ−１）に図示する一部の構成を省略して説明する下面図である。
図９および図１０は本発明の一態様の入出力装置の構成を説明する断面図である。図９（Ａ）は図８（Ａ）の切断線Ｘ１−Ｘ２、切断線Ｘ３−Ｘ４、切断線Ｘ５−Ｘ６における断面図であり、図９（Ｂ）は図９（Ａ）の一部を説明する図である。
図１０（Ａ）は図８（Ａ）の切断線Ｘ７−Ｘ８、切断線Ｘ９−Ｘ１０、切断線Ｘ１１−Ｘ１２における断面図であり、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）の一部を説明する図である。
図１１は本発明の一態様の入出力装置が備える画素回路の構成を説明する回路図である。
図１２（Ａ）は本発明の一態様の入出力装置に用いることができる表示部の画素および配線等の配置を説明するブロック図である。図１２（Ｂ−１）および図１２（Ｂ−２）は本発明の一態様の入出力装置に用いることができる開口部の配置を説明する模式図である。
図１３は本発明の一態様の入出力装置の構成を説明する図である。図１３（Ａ）は本発明の一態様の入出力装置の入力部のブロック図であり、図１３（Ｂ−１）は図１３（Ａ）の一部を説明する模式図であり、図１３（Ｂ−２）は図１３（Ｂ−１）の一部を説明する模式図である。
＜入出力装置の構成例１．＞
本実施の形態で説明する入出力装置７００ＴＰＡは、表示部と、表示部と重なる領域を備える入力部と、を有する。例えば、表示部が表示をする側に入力部を有する（図９（Ａ）および図１０（Ａ）参照）。
表示部は、信号線Ｓ１（ｊ）と、画素７０２（ｉ，ｊ）と、を備える（図８（Ｂ−１）および図８（Ｂ−２）参照）。
画素７０２（ｉ，ｊ）は、信号線Ｓ１（ｊ）と電気的に接続される。
画素７０２（ｉ，ｊ）は、第１の表示素子７５０（ｉ，ｊ）と、第１の導電膜と、第２の導電膜と、絶縁膜５０１Ｃと、画素回路５３０（ｉ，ｊ）と、第２の表示素子５５０（ｉ，ｊ）と、を有する（図９（Ａ）、図１０（Ａ）および図１１参照）。なお、画素回路５３０（ｉ，ｊ）は、スイッチＳＷ１、容量素子Ｃ１、スイッチＳＷ２、トランジスタＭおよび容量素子Ｃ２を含む。
第１の導電膜は、第１の表示素子７５０（ｉ，ｊ）と電気的に接続される（図１０（Ａ）参照）。例えば、第１の導電膜を、第１の表示素子７５０（ｉ，ｊ）の第１の電極７５１（ｉ，ｊ）に用いることができる。
第２の導電膜は、第１の導電膜と重なる領域を備える。例えば、第２の導電膜を、スイッチＳＷ１に用いることができるトランジスタのソース電極またはドレイン電極として機能する導電膜５１２Ｂに用いることができる。
絶縁膜５０１Ｃは、第２の導電膜と第１の導電膜の間に挟まれる領域を備える。
画素回路５３０（ｉ，ｊ）は、第２の導電膜と電気的に接続される。例えば、第２の導電膜をソース電極またはドレイン電極として機能する導電膜５１２Ｂに用いたトランジスタを、画素回路５３０（ｉ，ｊ）のスイッチＳＷ１に用いることができる（図１０（Ａ）および図１１参照）。
第２の表示素子５５０（ｉ，ｊ）は、画素回路５３０（ｉ，ｊ）と電気的に接続される。
絶縁膜５０１Ｃは、開口部５９１Ａを備える（図１０（Ａ）参照）。
第２の導電膜は、開口部５９１Ａにおいて第１の導電膜と電気的に接続される。例えば、導電膜５１２Ｂは、第１の導電膜を兼ねる第１の電極７５１（ｉ，ｊ）と電気的に接続される。ところで、絶縁膜５０１Ｃに設けられた開口部５９１Ａにおいて第２の導電膜と電気的に接続される第１の導電膜を、貫通電極ということができる。
画素回路５３０（ｉ，ｊ）は、信号線Ｓ１（ｊ）と電気的に接続される（図１１参照）。なお、導電膜５１２Ａは、信号線Ｓ１（ｊ）と電気的に接続される（図１０（Ａ）および図１１参照）。
入力部は、表示部と重なる領域に近接するものを検知する機能を備える（図９（Ａ）参照）。例えば、近接する指などを検知する検知素子７７５（ｇ，ｈ）等を備える。
これにより、例えば同一の工程を用いて形成することができる画素回路を用いて、第１の表示素子と、第１の表示素子とは異なる方法を用いて表示をする第２の表示素子と、を駆動することができる。また、表示部と重なる領域に近接するものを検知することができる。その結果、利便性または信頼性に優れた新規な入出力装置を提供することができる。
また、本実施の形態で説明する入出力装置の第２の表示素子５５０（ｉ，ｊ）は、第１の表示素子７５０（ｉ，ｊ）を用いた表示を視認できる範囲の一部において、当該第２の表示素子５５０（ｉ，ｊ）を用いた表示を視認できるように配設される。例えば、外光を反射する強度を制御して表示をする第１の表示素子７５０（ｉ，ｊ）に外光が入射し反射する方向を、破線の矢印で図中に示す。また、第１の表示素子７５０（ｉ，ｊ）を用いた表示を視認できる範囲の一部に第２の表示素子５５０（ｉ，ｊ）が光を射出する方向を、実線の矢印で図中に示す（図９（Ａ）および図１０（Ａ）参照）。
これにより、第１の表示素子を用いた表示を視認することができる範囲の一部において、第２の表示素子を用いた表示を視認することができる。または、情報処理装置の姿勢等を変えることなく使用者は表示を視認することができる。その結果、利便性または信頼性に優れた新規な入出力装置を提供することができる。
また、本実施の形態で説明する入出力装置の第１の電極７５１（ｉ，ｊ）は、絶縁膜５０１Ｃに埋め込まれた側端部を備える（図９（Ａ）および図１０（Ａ）参照）。これにより、第１の電極７５１（ｉ，ｊ）の端部に生じる段差を小さくし、段差に基づく配向欠陥等を生じ難くすることができる。
また、本実施の形態で説明する入出力装置の画素回路５３０（ｉ，ｊ）は、スイッチＳＷ１を備える。スイッチＳＷ１はトランジスタを含み、トランジスタは、酸化物半導体を含む。
また、本実施の形態で説明する入出力装置の第２の表示素子５５０（ｉ，ｊ）は、第１の表示素子７５０（ｉ，ｊ）が表示をする領域に囲まれた領域に表示をする機能を備える。なお、第１の表示素子７５０（ｉ，ｊ）は、第１の電極７５１（ｉ，ｊ）と重なる領域に表示をし、第２の表示素子５５０（ｉ，ｊ）は、開口部７５１Ｈと重なる領域に表示をする。すなわち、本実施の形態で説明する表示パネルの第２の表示素子５５０（ｉ，ｊ）は、第１の表示素子７５０（ｉ，ｊ）が表示をする領域と重なる第１の電極７５１（ｉ，ｊ）に囲まれた開口部７５１Ｈに重なる領域に表示をする機能を備える（図８（Ｂ−２）、図１２（Ｂ−１）または図１２（Ｂ−２）参照）。
また、本実施の形態で説明する入出力装置の第１の表示素子７５０（ｉ，ｊ）は、入射する光を反射する機能を備える反射膜と、反射する光の強さを制御する機能と、を有する。そして、反射膜は、開口部７５１Ｈを備える。なお、例えば、第１の表示素子７５０（ｉ，ｊ）の反射膜に、第１の導電膜または第１の電極７５１（ｉ，ｊ）等を用いることができる。
また、第２の表示素子５５０（ｉ，ｊ）は、開口部７５１Ｈに向けて光を射出する機能を有する。
また、本実施の形態で説明する入出力装置の入力部は、検知素子７７５（ｇ，ｈ）を有する。検知素子７７５（ｇ，ｈ）は、制御線ＣＬ（ｇ）と、信号線ＭＬ（ｈ）と、を備え、信号線ＭＬ（ｈ）は、表示部と重なる領域に近接するものにより一部が遮られる電界を、制御線ＣＬ（ｇ）との間に形成するように配置される（図９（Ａ）、図１３（Ａ）、図１３（Ｂ−１）および図１３（Ｂ−２）参照）。
また、本実施の形態で説明する入出力装置の制御線ＣＬ（ｇ）は透光性の導電膜を備え、信号線ＭＬ（ｈ）は透光性の導電膜を備える。そして、透光性の導電膜は、画素７０２（ｉ，ｊ）と重なる領域を備える。例えば、制御線ＣＬ（ｇ）は画素７０２（ｉ，ｊ）と重なる領域を備える（図９（Ａ）参照）。
上記本発明の一態様の入出力装置は、画素と重なる領域に透光性を備える導電膜を備える制御線と、画素と重なる領域に透光性を備える導電膜を備える信号線と、を含んで構成される。これにより、表示部の表示を遮ることなく、表示部と重なる領域に近接するものを検知することができる。その結果、利便性または信頼性に優れた新規な入出力装置を提供することができる。
また、本実施の形態で説明する入出力装置は、画素７０２（ｉ，ｊ）と、一群の画素７０２（ｉ，１）乃至画素７０２（ｉ，ｎ）と、他の一群の画素７０２（１，ｊ）乃至画素７０２（ｍ，ｊ）と、走査線Ｇ１（ｉ）と、を有する（図１２（Ａ）参照）。なお、ｉは１以上ｍ以下の整数であり、ｊは１以上ｎ以下の整数であり、ｍおよびｎは１以上の整数である。
また、本実施の形態で説明する入出力装置は、走査線Ｇ２（ｉ）と、配線ＣＳＣＯＭと、配線ＡＮＯと、を有する。
一群の画素７０２（ｉ，１）乃至画素７０２（ｉ，ｎ）は、画素７０２（ｉ，ｊ）を含み、行方向（図中に矢印Ｒで示す方向）に配設される。
また、他の一群の画素７０２（１，ｊ）乃至画素７０２（ｍ，ｊ）は、画素７０２（ｉ，ｊ）を含み、行方向と交差する列方向（図中に矢印Ｃで示す方向）に配設される。
走査線Ｇ１（ｉ）は、行方向に配設される一群の画素７０２（ｉ，１）乃至画素７０２（ｉ，ｎ）と電気的に接続される。
列方向に配設される他の一群の画素７０２（１，ｊ）乃至画素７０２（ｍ，ｊ）は、信号線Ｓ１（ｊ）と電気的に接続される。
例えば、画素７０２（ｉ，ｊ）の行方向に隣接する画素７０２（ｉ，ｊ＋１）は、画素７０２（ｉ，ｊ）に対する開口部７５１Ｈの配置と異なるように画素７０２（ｉ，ｊ＋１）に配置される開口部を備える（図１２（Ｂ−１）参照）。
例えば、画素７０２（ｉ，ｊ）の列方向に隣接する画素７０２（ｉ＋１，ｊ）は、画素７０２（ｉ，ｊ）に対する開口部７５１Ｈの配置と異なるように画素７０２（ｉ＋１，ｊ）に配置される開口部を備える（図１２（Ｂ−２）参照）。なお、例えば、第１の電極７５１（ｉ，ｊ）を反射膜に用いることができる。
また、本実施の形態で説明する入出力装置の第１の表示素子７５０（ｉ，ｊ）は、液晶材料を含む層７５３と、第１の電極７５１（ｉ，ｊ）および第２の電極７５２と、を備える。なお、第２の電極７５２は、第１の電極７５１（ｉ，ｊ）との間に液晶材料の配向を制御する電界が形成されるように配置される（図９（Ａ）および図１０（Ａ）参照）。
また、本実施の形態で説明する入出力装置は、配向膜ＡＦ１および配向膜ＡＦ２を備える。配向膜ＡＦ２は、配向膜ＡＦ１との間に液晶材料を含む層７５３を挟むように配設される。
また、本実施の形態で説明する入出力装置の第２の表示素子５５０（ｉ，ｊ）は、第３の電極５５１（ｉ，ｊ）と、第４の電極５５２と、発光性の材料を含む層５５３（ｊ）と、を備える。
第４の電極５５２は、第３の電極５５１（ｉ，ｊ）と重なる領域を備える。発光性の材料を含む層５５３（ｊ）は、第３の電極５５１および第４の電極５５２の間に配設される領域を備える。そして、第３の電極５５１（ｉ，ｊ）は、接続部５２２において、画素回路５３０（ｉ，ｊ）に含まれるトランジスタＭと電気的に接続される。
また、本実施の形態で説明する入出力装置は、着色膜ＣＦ１と、遮光膜ＢＭと、絶縁膜７７１と、機能膜７７０Ｐと、機能膜７７０Ｄと、を有する。
着色膜ＣＦ１は、第１の表示素子７５０（ｉ，ｊ）と重なる領域を備える。遮光膜ＢＭは、第１の表示素子７５０（ｉ，ｊ）と重なる領域に開口部を備える。
絶縁膜７７１は、着色膜ＣＦ１と液晶材料を含む層７５３の間または遮光膜ＢＭと液晶材料を含む層７５３の間に配設される。これにより、着色膜ＣＦ１の厚さに基づく凹凸を平坦にすることができる。または、遮光膜ＢＭまたは着色膜ＣＦ１等から液晶材料を含む層７５３への不純物の拡散を、抑制することができる。
機能膜７７０Ｐは、第１の表示素子７５０（ｉ，ｊ）と重なる領域を備える。機能膜７７０Ｐは、第１の表示素子７５０（ｉ，ｊ）との間に検知素子７７５（ｇ，ｈ）を挟むように配設される。これにより、例えば、検知素子７７５（ｇ，ｈ）が反射する光を低減することができる。
機能膜７７０Ｄは、第１の表示素子７５０（ｉ，ｊ）と重なる領域を備える。機能膜７７０Ｄは、第１の表示素子７５０（ｉ，ｊ）との間に基板７７０を挟むように配設される。これにより、例えば、第１の表示素子７５０（ｉ，ｊ）が反射する光を拡散することができる。
また、本実施の形態で説明する入出力装置は、基板５７０と、基板７７０と、基板７１０と、機能層５２０と、機能層７２０と、を有する。
基板７７０は、基板５７０と重なる領域を備える。
基板７１０は、基板７７０と重なる領域を備える。
機能層５２０は、基板５７０および基板７７０の間に配設される領域を備える。機能層５２０は、画素回路５３０（ｉ，ｊ）と、第２の表示素子５５０（ｉ，ｊ）と、絶縁膜５２１と、絶縁膜５２８と、を含む。また、機能層５２０は、絶縁膜５１８および絶縁膜５１６を含む（図９（Ａ）および図９（Ｂ）参照）。
絶縁膜５２１は、画素回路５３０（ｉ，ｊ）および第２の表示素子５５０（ｉ，ｊ）の間に配設される。
絶縁膜５２８は、絶縁膜５２１および基板５７０の間に配設され、第２の表示素子５５０（ｉ，ｊ）と重なる領域に開口部を備える。第３の電極５５１の周縁に沿って形成される絶縁膜５２８は、第３の電極５５１および第４の電極５５２の短絡を防止することができる。
絶縁膜５１８は、絶縁膜５２１および画素回路５３０（ｉ，ｊ）の間に配設される領域を備え、絶縁膜５１６は、絶縁膜５１８および画素回路５３０（ｉ，ｊ）の間に配設される領域を備える。
機能層７２０は、基板７７０および基板７１０の間に配設される領域を備える。機能層７２０は、検知素子７７５（ｇ，ｈ）と、絶縁膜７０６と、を備える。
また、本実施の形態で説明する入出力装置は、接合層５０５と、接合層７０９と、封止材７０５と、構造体ＫＢ１と、を有する。
接合層５０５は、機能層５２０および基板５７０の間に配設され、機能層５２０および基板５７０を貼り合せる機能を備える。
封止材７０５は、機能層５２０および基板７７０の間に配設され、機能層５２０および基板７７０を貼り合わせる機能を備える。
構造体ＫＢ１は、機能層５２０および基板７７０の間に所定の間隙を設ける機能を備える。
接合層７０９は、機能層７２０および基板７７０の間に配設され、機能層７２０および基板７７０を貼り合せる機能を備える。
また、本実施の形態で説明する入出力装置は、端子５１９Ｃと、導電膜５１１Ｃと、を有する。
絶縁膜５０１Ｃは、端子５１９Ｃおよび導電膜５１１Ｃの間に挟まれる領域を備える。また、絶縁膜５０１Ｃは、開口部５９１Ｃを備える。
端子５１９Ｃは、開口部５９１Ｃにおいて導電膜５１１Ｃと電気的に接続される。また、導電膜５１１Ｃは、画素回路５３０（ｉ，ｊ）と電気的に接続される。
導電体ＣＰは、端子５１９Ｃと第２の電極７５２の間に挟まれ、端子５１９Ｃと第２の電極７５２を電気的に接続する。例えば、導電性の粒子を導電体ＣＰに用いることができる。
また、本実施の形態で説明する入出力装置は、端子５１９Ｂと、導電膜５１１Ｂと、を有する。
絶縁膜５０１Ｃは、端子５１９Ｂおよび導電膜５１１Ｂの間に挟まれる領域を備える。また、絶縁膜５０１Ｃは、開口部５９１Ｂを備える。
端子５１９Ｂは、開口部５９１Ｂにおいて導電膜５１１Ｂと電気的に接続される。また、導電膜５１１Ｂは、画素回路５３０（ｉ，ｊ）と電気的に接続される。なお、例えば、導電材料ＡＣＦ１を用いて、端子５１９Ｂとフレキシブルプリント基板ＦＰＣ１を電気的に接続することができる。
また、本実施の形態で説明する入出力装置は、端子７１９を有する。端子７１９は、検知素子７７５（ｇ，ｈ）と電気的に接続される。
また、本実施の形態で説明する入出力装置は、駆動回路ＧＤと、駆動回路ＳＤと、を有する（図８（Ａ）および図１２（Ａ）参照）。
駆動回路ＧＤは、走査線Ｇ１（ｉ）と電気的に接続される。駆動回路ＧＤは、例えばトランジスタＭＤを備える。具体的には、画素回路５３０（ｉ，ｊ）に含まれるトランジスタと同じ工程で形成することができる半導体膜を含むトランジスタをトランジスタＭＤに用いることができる（図９（Ａ）および図９（Ｂ）参照）。
駆動回路ＳＤは、信号線Ｓ１（ｊ）と電気的に接続される。駆動回路ＳＤは、例えば端子５１９Ｂまたは端子５１９Ｃと同一の工程で形成することができる端子に導電材料を用いて電気的に接続される。
また、本実施の形態で説明する入出力装置は、一群の検知素子７７５（ｇ，１）乃至検知素子７７５（ｇ，ｑ）と、他の一群の検知素子７７５（１，ｈ）乃至検知素子７７５（ｐ，ｈ）と、を有する（図１３（Ａ）参照）。なお、ｇは１以上ｐ以下の整数であり、ｈは１以上ｑ以下の整数であり、ｐおよびｑは１以上の整数である。
一群の検知素子７７５（ｇ，１）乃至検知素子７７５（ｇ，ｑ）は、検知素子７７５（ｇ，ｈ）を含み、行方向（図中に矢印Ｒで示す方向）に配設される。
また、他の一群の検知素子７７５（１，ｈ）乃至検知素子７７５（ｐ，ｈ）は、検知素子７７５（ｇ，ｈ）を含み、行方向と交差する列方向（図中に矢印Ｃで示す方向）に配設される。
行方向に配設される一群の検知素子７７５（ｇ，１）乃至検知素子７７５（ｇ，ｑ）は、制御線ＣＬ（ｇ）を含む。
列方向に配設される他の一群の検知素子７７５（１，ｈ）乃至検知素子７７５（ｐ，ｈ）は、信号線ＭＬ（ｈ）を含む。
また、本実施の形態で説明する入出力装置の制御線ＣＬ（ｇ）は、導電膜ＢＲ（ｇ，ｈ）を含む（図９（Ａ）参照）。導電膜ＢＲ（ｇ，ｈ）は、信号線ＭＬ（ｈ）と重なる領域を備える。
絶縁膜７０６は、信号線ＭＬ（ｈ）および導電膜ＢＲ（ｇ，ｈ）の間に配設される。これにより、信号線ＭＬ（ｈ）および導電膜ＢＲ（ｇ，ｈ）の短絡を防止することができる。
また、本実施の形態で説明する入出力装置は、発振回路ＯＳＣおよび検知回路ＤＣを備える（図１３（Ａ）参照）。
発振回路ＯＳＣは、制御線ＣＬ（ｇ）と電気的に接続され、探索信号を供給する機能を備える。例えば、矩形波、のこぎり波また三角波等を探索信号に用いることができる。
検知回路ＤＣは、信号線ＭＬ（ｈ）と電気的に接続され、信号線ＭＬ（ｈ）の電位の変化に基づいて検知信号を供給する機能を備える。
以下に、入出力装置を構成する個々の要素について説明する。なお、これらの構成は明確に分離できず、一つの構成が他の構成を兼ねる場合や他の構成の一部を含む場合がある。
例えば第１の導電膜を第１の電極７５１（ｉ，ｊ）に用いることができる。また、第１の導電膜を反射膜に用いることができる。
また、第２の導電膜をトランジスタのソース電極またはドレイン電極の機能を備える導電膜５１２Ｂに用いることができる。
《構成例》
本発明の一態様の入出力装置は、基板５７０、基板７７０、基板７１０、構造体ＫＢ１封止材７０５、接合層５０５または接合層７０９を有する。
また、本発明の一態様の入出力装置は、機能層５２０、機能層７２０、絶縁膜５２１、絶縁膜５２８、を有する。
また、本発明の一態様の入出力装置は、信号線Ｓ１（ｊ）、信号線Ｓ２（ｊ）、走査線Ｇ１（ｉ）、走査線Ｇ２（ｉ）、配線ＣＳＣＯＭ、配線ＡＮＯを有する。
また、本発明の一態様の入出力装置は、第１の導電膜または第２の導電膜を有する。
また、本発明の一態様の入出力装置は、端子５１９Ｂ、端子５１９Ｃ、端子７１９、導電膜５１１Ｂまたは導電膜５１１Ｃを有する。
また、本発明の一態様の入出力装置は、画素回路５３０（ｉ，ｊ）またはスイッチＳＷ１、を有する。
また、本発明の一態様の入出力装置は、第１の表示素子７５０（ｉ，ｊ）、第１の電極７５１（ｉ，ｊ）、反射膜、開口部７５１Ｈ、液晶材料を含む層７５３または第２の電極７５２を有する。
また、本発明の一態様の入出力装置は、配向膜ＡＦ１、配向膜ＡＦ２、着色膜ＣＦ１、遮光膜ＢＭ、絶縁膜７７１、機能膜７７０Ｐまたは機能膜７７０Ｄを有する。
また、本発明の一態様の入出力装置は、第２の表示素子５５０（ｉ，ｊ）、第３の電極５５１（ｉ，ｊ）、第４の電極５５２または発光性の材料を含む層５５３（ｊ）を有する。
また、本発明の一態様の入出力装置は、絶縁膜５０１Ｃを有する。
また、本発明の一態様の入出力装置は、駆動回路ＧＤまたは駆動回路ＳＤを有する。
また、本発明の一態様の入出力装置は、検知素子７７５（ｇ，ｈ）、制御線ＣＬ（ｇ）、信号線ＭＬ（ｈ）、導電膜ＢＲ（ｇ，ｈ）または絶縁膜７０６を有する。
また、本発明の一態様の入出力装置は、発振回路ＯＳＣおよび検知回路ＤＣを備える。
《基板５７０》
作製工程中の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有する材料を基板５７０等に用いることができる。具体的には厚さ０．７ｍｍの無アルカリガラスを用いることができる。または、厚さ０．１ｍｍ程度まで研磨した無アルカリガラスを用いることができる。
例えば、第６世代（１５００ｍｍ×１８５０ｍｍ）、第７世代（１８７０ｍｍ×２２００ｍｍ）、第８世代（２２００ｍｍ×２４００ｍｍ）、第９世代（２４００ｍｍ×２８００ｍｍ）、第１０世代（２９５０ｍｍ×３４００ｍｍ）等の面積が大きなガラス基板を基板５７０等に用いることができる。これにより、大型の表示装置を作製することができる。
有機材料、無機材料または有機材料と無機材料等の複合材料等を基板５７０等に用いることができる。例えば、ガラス、セラミックス、金属等の無機材料を基板５７０等に用いることができる。
具体的には、無アルカリガラス、ソーダ石灰ガラス、カリガラス、クリスタルガラス、アルミノ珪酸ガラス、強化ガラス、化学強化ガラス、石英またはサファイア等を、基板５７０等に用いることができる。具体的には、無機酸化物膜、無機窒化物膜または無機酸窒化物膜等を、基板５７０等に用いることができる。例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、アルミナ膜等を、基板５７０等に用いることができる。ＳＵＳまたはアルミニウム等を、基板５７０等に用いることができる。
例えば、シリコンや炭化シリコンからなる単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム等の化合物半導体基板、ＳＯＩ基板等を基板５７０等に用いることができる。これにより、半導体素子を基板５７０等に形成することができる。
例えば、樹脂、樹脂フィルムまたはプラスチック等の有機材料を基板５７０等に用いることができる。具体的には、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリル樹脂等の樹脂フィルムまたは樹脂板を、基板５７０等に用いることができる。
例えば、金属板、薄板状のガラス板または無機材料等の膜を樹脂フィルム等に貼り合わせた複合材料を基板５７０等に用いることができる。例えば、繊維状または粒子状の金属、ガラスもしくは無機材料等を樹脂フィルムに分散した複合材料を、基板５７０等に用いることができる。例えば、繊維状または粒子状の樹脂もしくは有機材料等を無機材料に分散した複合材料を、基板５７０等に用いることができる。
また、単層の材料または複数の層が積層された材料を、基板５７０等に用いることができる。例えば、基材と基材に含まれる不純物の拡散を防ぐ絶縁膜等が積層された材料を、基板５７０等に用いることができる。具体的には、ガラスとガラスに含まれる不純物の拡散を防ぐ酸化シリコン層、窒化シリコン層または酸化窒化シリコン層等から選ばれた一または複数の膜が積層された材料を、基板５７０等に用いることができる。または、樹脂と樹脂を透過する不純物の拡散を防ぐ酸化シリコン膜、窒化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜等が積層された材料を、基板５７０等に用いることができる。
具体的には、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリイミド、ポリカーボネート若しくはアクリル樹脂等の樹脂フィルム、樹脂板または積層体等を基板５７０等に用いることができる。
具体的には、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミド等）、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリウレタン、アクリル樹脂、エポキシ樹脂もしくはシリコーン等のシロキサン結合を有する樹脂を含む材料を基板５７０等に用いることができる。
具体的には、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）またはアクリル等を基板５７０等に用いることができる。
また、紙または木材などを基板５７０等に用いることができる。
例えば、可撓性を有する基板を基板５７０等に用いることができる。
なお、トランジスタまたは容量素子等を基板に直接形成する方法を用いることができる。また、例えば作製工程中に加わる熱に耐熱性を有する工程用の基板にトランジスタまたは容量素子等を形成し、形成されたトランジスタまたは容量素子等を基板５７０等に転置する方法を用いることができる。これにより、例えば可撓性を有する基板にトランジスタまたは容量素子等を形成できる。
《基板７７０、基板７１０》
例えば、透光性を備える材料を基板７７０または基板７１０に用いることができる。具体的には、基板５７０に用いることができる材料から選択された材料を基板７７０または基板７１０に用いることができる。例えば、無アルカリガラス、アルミノ珪酸ガラス、強化ガラス、化学強化ガラスまたはサファイア等を用いることができる。なお、アルミノ珪酸ガラス、強化ガラス、化学強化ガラスまたはサファイア等を、入出力装置の使用者に近い側に配置される基板７７０または基板７１０に好適に用いることができる。これにより、使用に伴う入出力装置の破損や傷付きを防止することができる。
また、厚さ０．７ｍｍまたは厚さ０．１ｍｍ程度まで研磨した材料を基板７７０または基板７１０に用いることができる。これにより、機能膜７７０Ｄが第１の表示素子７５０（ｉ，ｊ）に近接して配置され、画像のボケを低減し、画像を鮮明に表示することができる。
《構造体ＫＢ１》
例えば、有機材料、無機材料または有機材料と無機材料の複合材料を構造体ＫＢ１等に用いることができる。これにより、構造体ＫＢ１等を挟む構成の間に所定の間隔を設けることができる。
具体的には、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリシロキサン若しくはアクリル樹脂等またはこれらから選択された複数の樹脂の複合材料などを構造体ＫＢ１等に用いることができる。また、感光性を有する材料を用いて形成してもよい。
《封止材７０５》
無機材料、有機材料または無機材料と有機材料の複合材料等を封止材７０５等に用いることができる。
例えば、熱溶融性の樹脂または硬化性の樹脂等の有機材料を、封止材７０５等に用いることができる。
例えば、反応硬化型接着剤、光硬化型接着剤、熱硬化型接着剤または／および嫌気型接着剤等の有機材料を封止材７０５等に用いることができる。
具体的には、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、イミド樹脂、ＰＶＣ（ポリビニルクロライド）樹脂、ＰＶＢ（ポリビニルブチラル）樹脂、ＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）樹脂等を含む接着剤を封止材７０５等に用いることができる。
《接合層５０５》
例えば、封止材７０５に用いることができる材料を接合層５０５に用いることができる。
《接合層７０９》
例えば、封止材７０５に用いることができる材料を接合層７０９に用いることができる。
《絶縁膜５２１》
例えば、絶縁性の無機材料、絶縁性の有機材料または無機材料と有機材料を含む絶縁性の複合材料を、絶縁膜５２１等に用いることができる。
具体的には、無機酸化物膜、無機窒化物膜または無機酸化窒化物膜等またはこれらから選ばれた複数を積層した積層材料を、絶縁膜５２１等に用いることができる。例えば、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜等またはこれらから選ばれた複数を積層した積層材料を含む膜を、絶縁膜５２１等に用いることができる。
具体的には、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリシロキサン若しくはアクリル樹脂等またはこれらから選択された複数の樹脂の積層材料もしくは複合材料などを絶縁膜５２１等に用いることができる。また、感光性を有する材料を用いて形成してもよい。
これにより、例えば絶縁膜５２１と重なるさまざまな構造に由来する段差を平坦化することができる。
《絶縁膜５２８》
例えば、絶縁膜５２１に用いることができる材料を絶縁膜５２８等に用いることができる。具体的には、厚さ１μｍのポリイミドを含む膜を絶縁膜５２８に用いることができる。
《絶縁膜５０１Ｃ》
例えば、絶縁膜５２１に用いることができる材料を絶縁膜５０１Ｃに用いることができる。具体的には、シリコンおよび酸素を含む材料を絶縁膜５０１Ｃに用いることができる。これにより、画素回路または第２の表示素子等への不純物の拡散を抑制することができる。
例えば、シリコン、酸素および窒素を含む厚さ２００ｎｍの膜を絶縁膜５０１Ｃに用いることができる。
なお、絶縁膜５０１Ｃは、開口部５９１Ａ、開口部５９１Ｂまたは開口部５９１Ｃを有する。
《絶縁膜７０６》
例えば、絶縁膜５２１に用いることができる材料を絶縁膜５２８等に用いることができる。具体的には、例えば、シリコンおよび酸素を含む膜を絶縁膜７０６に用いることができる。
《配線、端子、導電膜》
導電性を備える材料を配線等に用いることができる。具体的には、導電性を備える材料を、信号線Ｓ１（ｊ）、信号線Ｓ２（ｊ）、走査線Ｇ１（ｉ）、走査線Ｇ２（ｉ）、配線ＣＳＣＯＭ、配線ＡＮＯ、端子５１９Ｂ、端子５１９Ｃ、端子７１９導電膜５１１Ｂまたは導電膜５１１Ｃ等に用いることができる。
例えば、無機導電性材料、有機導電性材料、金属または導電性セラミックスなどを配線等に用いることができる。
具体的には、アルミニウム、金、白金、銀、銅、クロム、タンタル、チタン、モリブデン、タングステン、ニッケル、鉄、コバルト、パラジウムまたはマンガンから選ばれた金属元素などを、配線等に用いることができる。または、上述した金属元素を含む合金などを、配線等に用いることができる。特に、銅とマンガンの合金がウエットエッチング法を用いた微細加工に好適である。
具体的には、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜または窒化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造等を配線等に用いることができる。
具体的には、酸化インジウム、インジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化亜鉛、ガリウムを添加した酸化亜鉛などの導電性酸化物を、配線等に用いることができる。
具体的には、グラフェンまたはグラファイトを含む膜を配線等に用いることができる。
例えば、酸化グラフェンを含む膜を形成し、酸化グラフェンを含む膜を還元することにより、グラフェンを含む膜を形成することができる。還元する方法としては、熱を加える方法や還元剤を用いる方法等を挙げることができる。
具体的には、導電性高分子を配線等に用いることができる。
《第１の導電膜、第２の導電膜》
例えば、配線等に用いることができる材料を第１の導電膜または第２の導電膜に用いることができる。
また、第１の電極７５１（ｉ，ｊ）または配線等を第１の導電膜に用いることができる。
また、スイッチＳＷ１に用いることができるトランジスタの導電膜５１２Ｂまたは配線等を第２の導電膜に用いることができる。
《画素回路５３０（ｉ，ｊ）》
画素回路５３０（ｉ，ｊ）は、信号線Ｓ１（ｊ）、信号線Ｓ２（ｊ）、走査線Ｇ１（ｉ）、走査線Ｇ２（ｉ）、配線ＣＳＣＯＭおよび配線ＡＮＯと電気的に接続される（図１１参照）。
画素回路５３０（ｉ，ｊ＋１）は、信号線Ｓ１（ｊ＋１）、信号線Ｓ２（ｊ＋１）、走査線Ｇ１（ｉ）、走査線Ｇ２（ｉ）、配線ＣＳＣＯＭおよび配線ＡＮＯと電気的に接続される。
なお、信号線Ｓ２（ｊ）に供給する信号に用いる電圧が、信号線Ｓ１（ｊ＋１）に供給する信号に用いる電圧と異なる場合、信号線Ｓ１（ｊ＋１）を信号線Ｓ２（ｊ）から離して配置する。具体的には、信号線Ｓ２（ｊ＋１）を信号線Ｓ２（ｊ）に隣接するように配置する。
画素回路５３０（ｉ，ｊ）は、スイッチＳＷ１、容量素子Ｃ１、スイッチＳＷ２、トランジスタＭおよび容量素子Ｃ２を含む。
例えば、走査線Ｇ１（ｉ）と電気的に接続されるゲート電極と、信号線Ｓ１（ｊ）と電気的に接続される第１の電極と、を有するトランジスタを、スイッチＳＷ１に用いることができる。
容量素子Ｃ１は、スイッチＳＷ１に用いるトランジスタの第２の電極に電気的に接続される第１の電極と、配線ＣＳＣＯＭに電気的に接続される第２の電極と、を有する。
例えば、走査線Ｇ２（ｉ）と電気的に接続されるゲート電極と、信号線Ｓ２（ｊ）と電気的に接続される第１の電極と、を有するトランジスタを、スイッチＳＷ２に用いることができる。
トランジスタＭは、スイッチＳＷ２に用いるトランジスタの第２の電極に電気的に接続されるゲート電極と、配線ＡＮＯと電気的に接続される第１の電極と、を有する。
なお、半導体膜をゲート電極との間に挟むように設けられた導電膜を備えるトランジスタを、トランジスタＭに用いることができる。例えば、トランジスタＭのゲート電極と同じ電位を供給することができる配線と電気的に接続される導電膜を用いることができる。
容量素子Ｃ２は、スイッチＳＷ２に用いるトランジスタの第２の電極に電気的に接続される第１の電極と、トランジスタＭの第１の電極に電気的に接続される第２の電極と、を有する。
なお、第１の表示素子７５０の第１の電極をスイッチＳＷ１に用いるトランジスタの第２の電極と電気的に接続し、第１の表示素子７５０の第２の電極を配線ＶＣＯＭ１と電気的に接続する。これにより、第１の表示素子７５０を駆動することができる。
また、第２の表示素子５５０の第１の電極をトランジスタＭの第２の電極と電気的に接続し、第２の表示素子５５０の第２の電極を配線ＶＣＯＭ２と電気的に接続する。これにより、第２の表示素子５５０を駆動することができる。
《スイッチＳＷ１、スイッチＳＷ２、トランジスタＭ、トランジスタＭＤ》
例えば、ボトムゲート型またはトップゲート型等のトランジスタをスイッチＳＷ１、スイッチＳＷ２、トランジスタＭ、トランジスタＭＤ等に用いることができる。
例えば、１４族の元素を含む半導体を半導体膜に用いるトランジスタを利用することができる。具体的には、シリコンを含む半導体を半導体膜に用いることができる。例えば、単結晶シリコン、ポリシリコン、微結晶シリコンまたはアモルファスシリコンなどを半導体膜に用いたトランジスタを用いることができる。
例えば、酸化物半導体を半導体膜に用いるトランジスタを利用することができる。具体的には、インジウムを含む酸化物半導体またはインジウムとガリウムと亜鉛を含む酸化物半導体を半導体膜に用いることができる。
一例を挙げれば、アモルファスシリコンを半導体膜に用いたトランジスタと比較して、オフ状態におけるリーク電流が小さいトランジスタをスイッチＳＷ１、スイッチＳＷ２、トランジスタＭ、トランジスタＭＤ等に用いることができる。具体的には、酸化物半導体を半導体膜５０８に用いたトランジスタをスイッチＳＷ１、スイッチＳＷ２、トランジスタＭ、トランジスタＭＤ等に用いることができる。
これにより、アモルファスシリコンを半導体膜に用いたトランジスタを利用する画素回路と比較して、画素回路が画像信号を保持することができる時間を長くすることができる。具体的には、フリッカーの発生を抑制しながら、選択信号を３０Ｈｚ未満、好ましくは１Ｈｚ未満より好ましくは一分に一回未満の頻度で供給することができる。その結果、情報処理装置の使用者に蓄積する疲労を低減することができる。また、駆動に伴う消費電力を低減することができる。
スイッチＳＷ１に用いることができるトランジスタは、半導体膜５０８および半導体膜５０８と重なる領域を備える導電膜５０４を備える（図１０（Ｂ）参照）。また、スイッチＳＷ１に用いることができるトランジスタは、導電膜５１２Ａおよび導電膜５１２Ｂを備える。
なお、導電膜５０４はゲート電極の機能を備え、絶縁膜５０６はゲート絶縁膜の機能を備える。また、導電膜５１２Ａはソース電極の機能またはドレイン電極の機能の一方を備え、導電膜５１２Ｂはソース電極の機能またはドレイン電極の機能の他方を備える。
また、導電膜５０４との間に半導体膜５０８を挟むように設けられた導電膜５２４を備えるトランジスタを、トランジスタＭに用いることができる（図９（Ｂ）参照）。
タンタルおよび窒素を含む厚さ１０ｎｍの膜と、銅を含む厚さ３００ｎｍの膜と、をこの順で積層した導電膜を導電膜５０４に用いることができる。
シリコンおよび窒素を含む厚さ４００ｎｍの膜と、シリコン、酸素および窒素を含む厚さ２００ｎｍの膜と、を積層した材料を絶縁膜５０６に用いることができる。
インジウム、ガリウムおよび亜鉛を含む厚さ２５ｎｍの膜を、半導体膜５０８に用いることができる。
タングステンを含む厚さ５０ｎｍの膜と、アルミニウムを含む厚さ４００ｎｍの膜と、チタンを含む厚さ１００ｎｍの膜と、をこの順で積層した導電膜を、導電膜５１２Ａまたは導電膜５１２Ｂに用いることができる。
《第１の表示素子７５０（ｉ，ｊ）》
例えば、光の反射または透過を制御する機能を備える表示素子を、第１の表示素子７５０（ｉ，ｊ）等に用いることができる。例えば、液晶素子と偏光板を組み合わせた構成またはシャッター方式のＭＥＭＳ表示素子等を用いることができる。具体的には、反射型の表示素子を用いることにより、入出力装置の消費電力を抑制することができる。例えば、反射型の液晶表示素子を第１の表示素子７５０に用いることができる。
例えば、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ａｌｉｇｎｅｄ Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モードなどの駆動方法を用いて駆動することができる液晶素子を用いることができる。
また、例えば垂直配向（ＶＡ）モード、具体的には、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−Ｄｏｍａｉｎ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＥＣＢ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＣＰＡ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｐｉｎｗｈｅｅｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＡＳＶ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｕｐｅｒ−Ｖｉｅｗ）モードなどの駆動方法を用いて駆動することができる液晶素子を用いることができる。
例えば、サーモトロピック液晶、低分子液晶、高分子液晶、高分子分散型液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等を用いることができる。または、コレステリック相、スメクチック相、キュービック相、カイラルネマチック相、等方相等を示す液晶材料を用いることができる。または、ブルー相を示す液晶材料を用いることができる。
《第１の電極７５１（ｉ，ｊ）》
例えば、配線等に用いる材料を第１の電極７５１（ｉ，ｊ）に用いることができる。具体的には、反射膜を第１の電極７５１（ｉ，ｊ）に用いることができる。
《反射膜》
例えば、可視光を反射する材料を反射膜に用いることができる。具体的には、銀を含む材料を反射膜に用いることができる。例えば、銀およびパラジウム等を含む材料または銀および銅等を含む材料を反射膜に用いることができる。
反射膜は、例えば、液晶材料を含む層７５３を透過してくる光を反射する。これにより、第１の表示素子７５０を反射型の液晶素子にすることができる。また、例えば、表面に凹凸を備える材料を、反射膜に用いることができる。これにより、入射する光をさまざまな方向に反射して、白色の表示をすることができる。
なお、第１の電極７５１（ｉ，ｊ）を反射膜に用いる構成に限られない。例えば、液晶材料を含む層７５３と第１の電極７５１（ｉ，ｊ）の間に反射膜を配設する構成を用いることができる。または、反射膜と液晶材料を含む層７５３の間に透光性を有する第１の電極７５１（ｉ，ｊ）を配置する構成を用いることができる。
《開口部７５１Ｈ》
非開口部の総面積に対する開口部７５１Ｈの総面積の比の値が大きすぎると、第１の表示素子７５０（ｉ，ｊ）を用いた表示が暗くなってしまう。また、非開口部の総面積に対する開口部７５１Ｈの総面積の比の値が小さすぎると、第２の表示素子５５０（ｉ，ｊ）を用いた表示が暗くなってしまう。
また、反射膜に設ける開口部７５１Ｈの面積が小さすぎると、第２の表示素子５５０（ｉ，ｊ）が射出する光から取り出せる光の効率が低下してしまう。
多角形、四角形、楕円形、円形または十字等の形状を開口部７５１Ｈの形状に用いることができる。また、細長い筋状、スリット状、市松模様状の形状を開口部７５１Ｈの形状に用いることができる。また、開口部７５１Ｈを隣接する画素に寄せて配置してもよい。好ましくは、開口部７５１Ｈを同じ色を表示する機能を備える他の画素に寄せて配置する。これにより、第２の表示素子５５０（ｉ，ｊ）が射出する光が隣接する画素に配置された着色膜に入射してしまう現象（クロストークともいう）を抑制できる。
《第２の電極７５２》
例えば、可視光について透光性を有し且つ導電性を備える材料を、第２の電極７５２に用いることができる。
例えば、導電性酸化物、光が透過する程度に薄い金属膜または金属ナノワイヤーを第２の電極７５２に用いることができる。
具体的には、インジウムを含む導電性酸化物を第２の電極７５２に用いることができる。または、厚さ１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の金属薄膜を第２の電極７５２に用いることができる。または、銀を含む金属ナノワイヤーを第２の電極７５２に用いることができる。
具体的には、酸化インジウム、インジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化亜鉛、ガリウムを添加した酸化亜鉛、アルミニウムを添加した酸化亜鉛などを、第２の電極７５２に用いることができる。
《制御線ＣＬ（ｇ）、信号線ＭＬ（ｈ）、導電膜ＢＲ（ｇ，ｈ）》
例えば、可視光について透光性を有し且つ導電性を備える材料を、制御線ＣＬ（ｇ）、信号線ＭＬ（ｈ）または導電膜ＢＲ（ｇ，ｈ）に用いることができる。
具体的には、第２の電極７５２に用いる材料を制御線ＣＬ（ｇ）、信号線ＭＬ（ｈ）または導電膜ＢＲ（ｇ，ｈ）に用いることができる。
《配向膜ＡＦ１、配向膜ＡＦ２》
例えば、ポリイミド等を含む材料を配向膜ＡＦ１または配向膜ＡＦ２に用いることができる。具体的には、所定の方向に配向するようにラビング処理または光配向技術を用いて形成された材料を用いることができる。
例えば、可溶性のポリイミドを含む膜を配向膜ＡＦ１または配向膜ＡＦ２に用いることができる。
《着色膜ＣＦ１》
所定の色の光を透過する材料を着色膜ＣＦ１に用いることができる。これにより、着色膜ＣＦ１を例えばカラーフィルターに用いることができる。
例えば、青色の光を透過する材料、緑色の光を透過する材料、赤色の光を透過する材料、黄色の光を透過する材料または白色の光を透過する材料などを着色膜ＣＦ１に用いることができる。
《遮光膜ＢＭ》
光の透過を妨げる材料を遮光膜ＢＭに用いることができる。これにより、遮光膜ＢＭを例えばブラックマトリクスに用いることができる。
《絶縁膜７７１》
例えば、ポリイミド、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等を絶縁膜７７１に用いることができる。
《機能膜７７０Ｐ、機能膜７７０Ｄ》
例えば、反射防止フィルム、偏光フィルム、位相差フィルム、光拡散フィルム、または集光フィルム等を機能膜７７０Ｐまたは機能膜７７０Ｄに用いることができる。または、２色性色素を含む膜を機能膜７７０Ｐに用いることができる。
また、ゴミの付着を抑制する帯電防止膜、汚れを付着しにくくする撥水性の膜、使用に伴う傷の発生を抑制するハードコート膜などを、機能膜７７０Ｐに用いることができる。
具体的には、円偏光フィルムを機能膜７７０Ｐに用いることができる。また、光拡散フィルムを機能膜７７０Ｄに用いることができる。
《第２の表示素子５５０（ｉ，ｊ）》
例えば、発光素子を第２の表示素子５５０（ｉ，ｊ）に用いることができる。具体的には、有機エレクトロルミネッセンス素子、無機エレクトロルミネッセンス素子または発光ダイオードなどを、第２の表示素子５５０（ｉ，ｊ）に用いることができる。
例えば、発光性の有機化合物を発光性の材料を含む層５５３（ｊ）に用いることができる。量子ドットを発光性の材料を含む層５５３（ｊ）に用いることができる。
例えば、青色の光を射出するように積層された積層体、緑色の光を射出するように積層された積層体または赤色の光を射出するように積層された積層体等を、発光性の材料を含む層５５３（ｊ）に用いることができる。
例えば、信号線Ｓ１（ｊ）に沿って列方向に長い帯状の積層体を、発光性の材料を含む層５５３（ｊ）に用いることができる。また、発光性の材料を含む層５５３（ｊ）とは異なる色の光を射出する信号線Ｓ１（ｊ＋１）に沿って列方向に長い帯状の積層体を、発光性の材料を含む層５５３（ｊ＋１）に用いることができる。
また、例えば、白色の光を射出するように積層された積層体を、発光性の材料を含む層５５３（ｊ）および発光性の材料を含む層５５３（ｊ＋１）に用いることができる。具体的には、青色の光を射出する蛍光材料を含む発光性の材料を含む層と、緑色および赤色の光を射出する蛍光材料以外の材料を含む層または黄色の光を射出する蛍光材料以外の材料を含む層と、を積層した積層体を、発光性の材料を含む層５５３（ｊ）および発光性の材料を含む層５５３（ｊ＋１）に用いることができる。
例えば、配線等に用いることができる材料を第３の電極５５１（ｉ，ｊ）または第４の電極５５２に用いることができる。
例えば、配線等に用いることができる材料から選択された、可視光について透光性を有する材料を、第３の電極５５１（ｉ，ｊ）に用いることができる。
具体的には、導電性酸化物またはインジウムを含む導電性酸化物、酸化インジウム、インジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化亜鉛、ガリウムを添加した酸化亜鉛などを、第３の電極５５１（ｉ，ｊ）に用いることができる。または、光が透過する程度に薄い金属膜を第３の電極５５１（ｉ，ｊ）に用いることができる。
例えば、配線等に用いることができる材料から選択された可視光について反射性を有する材料を、第４の電極５５２に用いることができる。
《検知素子７７５（ｇ，ｈ）》
例えば静電容量、照度、磁力、電波または圧力等を検知して、検知した物理量に基づく情報を供給する素子を、検知素子７７５（ｇ，ｈ）に用いることができる。
具体的には、容量素子、光電変換素子、磁気検知素子、圧電素子または共振器等を検知素子７７５（ｇ，ｈ）に用いることができる。
例えば、大気中において、大気より大きな誘電率を備える指などが導電膜に近接すると、指と導電膜の間の静電容量が変化する。この静電容量の変化を検知して検知情報を供給することができる。具体的には、自己容量方式の検知素子を用いることができる。
例えば、制御線ＣＬ（ｇ）と、信号線ＭＬ（ｈ）と、を検知素子７７５（ｇ，ｈ）に用いることができる。具体的には、探索信号が供給される制御線ＣＬ（ｇ）と、近接するものによって一部が遮られる電界が制御線ＣＬ（ｇ）との間に形成されるように配設される信号線ＭＬ（ｈ）と、を用いることができる。これにより、近接するものに遮られて変化する電界を信号線ＭＬ（ｈ）の電位を用いて検知して、検知信号として供給することができる。その結果、電界を遮るように近接するものを検知することができる。具体的には、相互容量方式の検知素子を用いることができる。
《駆動回路ＧＤ》
シフトレジスタ等のさまざまな順序回路等を駆動回路ＧＤに用いることができる。例えば、トランジスタＭＤ、容量素子等を駆動回路ＧＤに用いることができる。具体的には、トランジスタＭと同一の工程で形成することができる半導体膜を備えるトランジスタを用いることができる。
または、スイッチＳＷ１に用いることができるトランジスタと異なる構成をトランジスタＭＤに用いることができる。具体的には、導電膜５２４を有するトランジスタをトランジスタＭＤに用いることができる（図９（Ｂ）参照）。
導電膜５０４との間に半導体膜５０８を挟むように、導電膜５２４を配設し、導電膜５２４および半導体膜５０８の間に絶縁膜５１６を配設し、半導体膜５０８および導電膜５０４の間に絶縁膜５０６を配設する。例えば、導電膜５０４と同じ電位を供給する配線に導電膜５２４を電気的に接続する。
なお、トランジスタＭと同一の構成を、トランジスタＭＤに用いることができる。
《駆動回路ＳＤ》
例えば、集積回路を駆動回路ＳＤに用いることができる。具体的には、シリコン基板上に形成された集積回路を駆動回路ＳＤに用いることができる。
例えば、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ ｏｎ ｇｌａｓｓ）法を用いて、画素回路５３０（ｉ，ｊ）と電気的に接続されるパッドに駆動回路ＳＤを実装することができる。具体的には、異方性導電膜を用いて、パッドに集積回路を実装できる。
なお、パッドは、端子５１９Ｂまたは端子５１９Ｃと同一の工程で形成することができる。
《発振回路ＯＳＣ、検知回路ＤＣ》
例えば、集積回路を発振回路ＯＳＣまたは検知回路ＤＣに用いることができる。具体的には、シリコン基板上に形成された集積回路を発振回路ＯＳＣまたは検知回路ＤＣに用いることができる。
例えば、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ ｏｎ ｇｌａｓｓ）法を用いて、検知素子７７５（ｇ，ｈ）と電気的に接続されるパッドに発振回路ＯＳＣまたは検知回路ＤＣを実装することができる。具体的には、異方性導電膜を用いて、パッドに集積回路を実装できる。
＜入出力装置の構成例２．＞
本発明の一態様の入出力装置の別の構成について、図１４乃至図１６を参照しながら説明する。
図１４は本発明の一態様の入出力装置７００ＴＰＢの構成を説明する図である。図１４（Ａ）は本発明の一態様の入出力装置の上面図であり、図１４（Ｂ）は本発明の一態様の入出力装置の入力部の一部を説明する模式図であり、図１４（Ｃ）は図１４（Ｂ）の一部を説明する模式図である。
図１５および図１６は本発明の一態様の入出力装置の構成を説明する断面図である。図１５（Ａ）は図１４（Ａ）の切断線Ｘ１−Ｘ２、切断線Ｘ３−Ｘ４、図１４（Ｃ）の切断線Ｘ５−Ｘ６における断面図であり、図１５（Ｂ）は図１５（Ａ）の一部を説明する図である。
図１６は図１４（Ｃ）の切断線Ｘ７−Ｘ８、図１４（Ａ）の切断線Ｘ９−Ｘ１０、切断線Ｘ１１−Ｘ１２における断面図である。
なお、入出力装置７００ＴＰＢは、トップゲート型のトランジスタを有する点、基板７７０、絶縁膜５０１Ｃおよび封止材７０５に囲まれる領域に入力部を含む機能層７２０を有する点、画素と重なる領域に開口部を備える導電膜を具備する制御線ＣＬ（ｇ）を有する点、画素と重なる領域に開口部を備える導電膜を具備する信号線ＭＬ（ｈ）を有する点、制御線ＣＬ（ｇ）または信号線ＭＬ（ｈ）と電気的に接続する配線５１１Ｄを有する点、配線５１１Ｄと電気的に接続する端子５１９Ｄを有する点が、図８乃至図１３を参照しながら説明する入出力装置７００ＴＰＡとは異なる。ここでは、異なる部分について詳細に説明し、同様の構成を用いることができる部分について上記の説明を援用する。
本実施の形態で説明する入出力装置７００ＴＰＢの制御線ＣＬ（ｇ）は開口部が設けられた導電膜を備え、信号線ＭＬ（ｈ）は開口部が設けられた導電膜を備える。また、開口部は画素と重なる領域を備える。例えば、制御線ＣＬ（ｇ）が備える導電膜の開口部は、画素７０２（ｉ，ｊ）と重なる領域を備える（図１４（Ｂ）、図１４（Ｃ）および図１５（Ａ）参照）。なお、入出力装置７００ＴＰＢは検知素子７７５（ｇ，ｈ）および基板７７０の間に遮光膜ＢＭを備える（図１５（Ａ）参照）。遮光膜ＢＭは、第１の表示素子７５０（ｉ，ｊ）と重なる領域に開口部を備え、遮光膜ＢＭは、検知素子７７５（ｇ，ｈ）と重なる領域を備える。
本実施の形態で説明する入出力装置７００ＴＰＢは、制御線ＣＬ（ｇ）および第２の電極７５２の間または信号線ＭＬ（ｈ）および第２の電極７５２の間に０．２μｍ以上１６μｍ以下、好ましくは１μｍ以上８μｍ以下、より好ましくは２．５μｍ以上４μｍ以下の間隔を備える。
上記本発明の一態様の入出力装置は、画素と重なる領域に開口部が設けられた導電膜を備える制御線と、画素と重なる領域に開口部が設けられた導電膜を備える信号線と、を含んで構成される。これにより、表示部の表示を遮ることなく、表示部と重なる領域に近接するものを検知することができる。また、入出力装置の厚さを薄くすることができる。その結果、利便性または信頼性に優れた新規な入出力装置を提供することができる。
また、本実施の形態で説明する入出力装置は、機能層７２０を基板７７０、絶縁膜５０１Ｃおよび封止材７０５に囲まれる領域に有する。これにより、基板７１０および接合層７０９を用いることなく入出力装置を構成することができる。
また、本実施の形態で説明する入出力装置は、制御線ＣＬ（ｇ）または信号線ＭＬ（ｈ）と電気的に接続する配線５１１Ｄを有する。
また、本実施の形態で説明する入出力装置は、配線５１１Ｄと電気的に接続する端子５１９Ｄを有する。なお、例えば、導電材料ＡＣＦ２を用いて、端子５１９Ｄとフレキシブルプリント基板ＦＰＣ２を電気的に接続することができる。
《配線５１１Ｄ》
例えば、配線等に用いることができる材料を配線５１１Ｄに用いることができる。
なお、制御線ＣＬ（ｇ）と配線５１１Ｄを、制御線ＣＬ（ｇ）および配線５１１Ｄの間に配設される導電材料等を用いて電気的に接続することができる。または信号線ＭＬ（ｈ）と配線５１１Ｄを、信号線ＭＬ（ｈ）および配線５１１Ｄの間に配設される導電材料等を用いて電気的に接続することができる。
《端子５１９Ｄ》
例えば、配線等に用いることができる材料を端子５１９Ｄに用いることができる。具体的には、端子５１９Ｂまたは端子５１９Ｃと同じ構成を端子５１９Ｄに用いることができる。なお、例えば、導電材料ＡＣＦ２を用いて、端子５１９Ｄとフレキシブルプリント基板ＦＰＣ２を電気的に接続することができる。
なお、配線５１１Ｄと電気的に接続された端子５１９Ｄを用いて、制御線ＣＬ（ｇ）に探索信号を供給することができる。または、信号線ＭＬ（ｈ）から検知信号を供給することができる。
《スイッチＳＷ１Ｂ、トランジスタＭＢ、トランジスタＭＤＢ》
スイッチＳＷ１Ｂに用いることができるトランジスタ、トランジスタＭＢおよびトランジスタＭＤＢは、絶縁膜５０１Ｃと重なる領域を備える導電膜５０４と、絶縁膜５０１Ｃおよび導電膜５０４の間に配設される領域を備える半導体膜５０８と、を備える。なお、導電膜５０４はゲート電極の機能を備える（図１５（Ｂ）参照）。
半導体膜５０８は、導電膜５０４と重ならない第１の領域５０８Ａおよび第２の領域５０８Ｂと、第１の領域５０８Ａおよび第２の領域５０８Ｂの間に導電膜５０４と重なる第３の領域５０８Ｃと、を備える。
トランジスタＭＤＢは絶縁膜５０６を、第３の領域５０８Ｃおよび導電膜５０４の間に備える。なお、絶縁膜５０６はゲート絶縁膜の機能を備える。
第１の領域５０８Ａおよび第２の領域５０８Ｂは、第３の領域５０８Ｃに比べて抵抗率が低く、ソース領域の機能またはドレイン領域の機能を備える。
なお、例えば本実施の形態の最後において詳細に説明する酸化物半導体膜の抵抗率を制御する方法を用いて、第１の領域５０８Ａおよび第２の領域５０８Ｂを半導体膜５０８に形成することができる。具体的には、希ガスを含むガスを用いるプラズマ処理を適用することができる。
また、例えば、導電膜５０４をマスクに用いることができる。これにより、第３の領域５０８Ｃの一部の形状を、導電膜５０４の端部の形状に自己整合させることができる。
トランジスタＭＤＢは、第１の領域５０８Ａと接する導電膜５１２Ａと、第２の領域５０８Ｂと接する導電膜５１２Ｂと、を備える。導電膜５１２Ａおよび導電膜５１２Ｂは、ソース電極またはドレイン電極の機能を備える。
トランジスタＭＤＢと同一の工程で形成することができるトランジスタをトランジスタＭＢに用いることができる。
＜入出力装置の構成例３．＞
本発明の一態様の入出力装置の別の構成について、図２８および図２９を参照しながら説明する。
図２８および図２９は本発明の一態様の入出力装置の構成を説明する断面図である。図２８（Ａ）は、図１５（Ａ）に示す構成とは異なる構成を備える入出力装置の断面図であり、図１４（Ａ）の切断線Ｘ１−Ｘ２、切断線Ｘ３−Ｘ４、図１４（Ｃ）の切断線Ｘ５−Ｘ６における断面図であり、図２８（Ｂ）は図２８（Ａ）の一部を説明する図である。
図２９は、図１６に示す構成とは異なる構成を備える入出力装置の断面図であり、図１４（Ｃ）の切断線Ｘ７−Ｘ８、切断線Ｘ９−Ｘ１０、切断線Ｘ１１−Ｘ１２における断面図である。
なお、入出力装置７００ＴＰＣは、ＣＯＦ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｆｉｌｍ）技術に替えて、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）技術を用いて電気的に接続される駆動回路ＳＤを有する点、液晶層の厚さ方向（縦方向ともいう）の電界に替えて、縦方向と交差する方向（横方向または斜め方向ともいう）の電界を液晶材料の配向を制御する電界に用いる点が、図１４乃至図１６を参照しながら説明する入出力装置７００ＴＰＢとは異なる。ここでは、異なる部分について詳細に説明し、同様の構成を用いることができる部分について上記の説明を援用する。
《端子５１９Ｅ》
例えば、配線等に用いることができる材料を端子５１９Ｅに用いることができる。具体的には、端子５１９Ｂと同じ構成を端子５１９Ｅに用いることができる。なお、例えば、導電材料ＡＣＦ３を用いて、端子５１９Ｅを駆動回路ＳＤと電気的に接続することができる。また、端子５１９Ｂを駆動回路ＳＤと電気的に接続することができる。
《第２の電極７５２Ｃ》
例えば、第１の電極７５１（ｉ，ｊ）と同一の工程で形成することができる導電膜を、第２の電極７５２Ｃに用いることができる。これにより、例えばＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モードで駆動することができる液晶素子を第１の表示素子７５０（ｉ，ｊ）に用いることができる。
＜酸化物半導体の抵抗率の制御方法＞
酸化物半導体膜の抵抗率を制御する方法について説明する。
所定の抵抗率を備える酸化物半導体膜を、半導体膜５０８または導電膜５２４等に用いることができる。
例えば、酸化物半導体膜に含まれる水素、水等の不純物の濃度及び／又は膜中の酸素欠損を制御する方法を、酸化物半導体の抵抗率を制御する方法に用いることができる。
具体的には、プラズマ処理を水素、水等の不純物濃度及び／又は膜中の酸素欠損を増加または低減する方法に用いることができる。
具体的には、希ガス（Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ）、水素、ボロン、リン及び窒素の中から選ばれた一種以上を含むガスを用いて行うプラズマ処理を適用できる。例えば、Ａｒ雰囲気下でのプラズマ処理、Ａｒと水素の混合ガス雰囲気下でのプラズマ処理、アンモニア雰囲気下でのプラズマ処理、Ａｒとアンモニアの混合ガス雰囲気下でのプラズマ処理、または窒素雰囲気下でのプラズマ処理などを適用できる。これにより、キャリア密度が高く、抵抗率が低い酸化物半導体膜にすることができる。
または、イオン注入法、イオンドーピング法またはプラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いて、水素、ボロン、リンまたは窒素を酸化物半導体膜に注入して、抵抗率が低い酸化物半導体膜にすることができる。
または、水素を含む絶縁膜を酸化物半導体膜に接して形成し、絶縁膜から酸化物半導体膜に水素を拡散させる方法を用いることができる。これにより、酸化物半導体膜のキャリア密度を高め、抵抗率を低くすることができる。
例えば、膜中の含有水素濃度が１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の絶縁膜を酸化物半導体膜に接して形成することで、効果的に水素を酸化物半導体膜に含有させることができる。具体的には、窒化シリコン膜を酸化物半導体膜に接して形成する絶縁膜に用いることができる。
酸化物半導体膜に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になると共に、酸素が脱離した格子（または酸素が脱離した部分）に酸素欠損を形成する。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合することで、キャリアである電子を生成する場合がある。これにより、キャリア密度が高く、抵抗率が低い酸化物半導体膜にすることができる。
具体的には、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる水素濃度が、８×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、より好ましくは５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物半導体を導電膜５２４に好適に用いることができる。
一方、抵抗率の高い酸化物半導体をトランジスタのチャネルが形成される半導体膜に用いることができる。具体的には半導体膜５０８に好適に用いることができる。
例えば、酸素を含む絶縁膜、別言すると、酸素を放出することが可能な絶縁膜を酸化物半導体に接して形成し、絶縁膜から酸化物半導体膜に酸素を供給させて、膜中または界面の酸素欠損を補填することができる。これにより、抵抗率が高い酸化物半導体膜にすることができる。
例えば、酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を、酸素を放出することが可能な絶縁膜に用いることができる。
酸素欠損が補填され、水素濃度が低減された酸化物半導体膜は、高純度真性化、又は実質的に高純度真性化された酸化物半導体膜といえる。ここで、実質的に真性とは、酸化物半導体膜のキャリア密度が、８×１０１１／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であることを指す。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度を低減することができる。
また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜を備えるトランジスタは、オフ電流が著しく小さく、チャネル幅が１×１０６μｍでチャネル長Ｌ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以下という特性を備えることができる。
上述した高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜をチャネル領域に用いるトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。
具体的には、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる水素濃度が、２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である酸化物半導体を、トランジスタのチャネルが形成される半導体に好適に用いることができる。
なお、半導体膜５０８よりも水素濃度及び／又は酸素欠損量が多く、抵抗率が低い酸化物半導体膜を、導電膜５２４に用いる。
また、半導体膜５０８に含まれる水素濃度の２倍以上、好ましくは１０倍以上の濃度の水素を含む膜を、導電膜５２４に用いることができる。
また、半導体膜５０８の抵抗率の１×１０−８倍以上１×１０−１倍未満の抵抗率を備える膜を、導電膜５２４に用いることができる。
具体的には、１×１０−３Ωｃｍ以上１×１０４Ωｃｍ未満、好ましくは、１×１０−３Ωｃｍ以上１×１０−１Ωｃｍ未満である膜を、導電膜５２４に用いることができる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様の入出力装置に用いることができる画素回路と、画素回路に用いることができる半導体装置の構成について、図１乃至図７を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一態様の入出力装置に用いることができる画素回路の構成を説明する断面図である。
図２および図３は、図１を用いて説明する画素回路を備える、本発明の一態様の入出力装置の構成を説明する断面図である。
図２（Ａ）は図８（Ａ）の切断線Ｘ１−Ｘ２、切断線Ｘ３−Ｘ４、図８（Ｂ−１）の切断線Ｘ５−Ｘ６に相当する場所における断面図であり、図２（Ｂ）および図２（Ｃ）は図２（Ａ）の一部を説明する図である。
図３（Ａ）は図８（Ｂ−１）の切断線Ｘ７−Ｘ８、図８（Ａ）の切断線Ｘ９−Ｘ１０、切断線Ｘ１１−Ｘ１２に相当する場所における断面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）の一部を説明する図である。
図４（Ａ）は、本発明の一態様の入出力装置に用いることができる画素回路の構成を説明する回路図である。
図４（Ｂ）は、図４（Ａ）を参照しながら説明する画素回路に用いることができるトランジスタの上面図である。具体的には、スイッチＳＷ２に用いることができるトランジスタの上面図である。
図４（Ｃ）は、図４（Ａ）を参照しながら説明する画素回路に用いることができるトランジスタの断面図である。具体的には、図４（Ｂ）に示すスイッチＳＷ２に用いることができるトランジスタのチャネル幅（Ｗ）方向の断面を含む断面図である。
＜画素回路の構成例＞
本発明の一態様の画素回路について、図４（Ａ）を参照しながら説明する。本実施の形態で説明する画素回路は、実施の形態１において説明する画素回路とは異なる構成を備える。
図４（Ａ）に図示する画素回路は、スイッチＳＷ２として用いることができるトランジスタの第１のゲート電極と電気的に接続される第２のゲート電極を当該トランジスタが備える点、トランジスタＭの第２の電極と電気的に接続される第２のゲート電極を当該トランジスタが備える点、容量素子Ｃ２の第２の電極がトランジスタＭの第２の電極と電気的に接続される点が、図１１を参照しながら説明する構成とは異なる。
＜半導体装置の構成例１＞
上記の画素回路に用いることができる半導体装置の構成について、図１を参照しながら説明する。
スイッチＳＷ２に用いることができるトランジスタは、絶縁膜５０１Ｃ上の導電膜６０４と、絶縁膜５０１Ｃ及び導電膜６０４上の絶縁膜６０６と、絶縁膜６０６上の半導体膜６０８と、半導体膜６０８上の導電膜６１２Ｂと、半導体膜６０８上の導電膜６１２Ａと、半導体膜６０８、導電膜６１２Ｂ、及び導電膜６１２Ａ上の絶縁膜６１４と、絶縁膜６１４上の絶縁膜６１６と、絶縁膜６１６上の導電膜６２４と、を有する。
トランジスタＭは、導電膜６１２Ａと、導電膜６１２Ａ上の絶縁膜６１４と、絶縁膜６１４上の絶縁膜６１６と、絶縁膜６１６上の半導体膜５０８と、半導体膜５０８上の導電膜５１２Ｂと、半導体膜５０８上の導電膜５１２Ａと、半導体膜５０８、導電膜５１２Ｂ、及び導電膜５１２Ａ上の絶縁膜５１４と、絶縁膜５１４上の絶縁膜５１６と、絶縁膜５１６上の導電膜５２４と、を有する。なお、導電膜５２４は、接続部５２２において、絶縁膜５１４、５１６に設けられた開口部を介して導電膜５１２Ｂと接続される。
また、導電膜５２４上には、絶縁膜５１８と、絶縁膜５１８上の絶縁膜５２１とが設けられる。また、絶縁膜５１８、５２１には、導電膜５２４に達する開口部が設けられる。また、絶縁膜５２１上には、第３の電極５５１（ｉ，ｊ）が設けられる。なお、接続部５２２において、第３の電極５５１（ｉ，ｊ）は、導電膜５２４と開口部を介して接続される。
本実施の形態で説明する半導体装置は、スイッチＳＷ２に用いることができるトランジスタおよびトランジスタＭを有する。例えば、ボトムゲート型のトランジスタまたはトップゲート型のトランジスタをスイッチＳＷ２またはトランジスタＭに用いることができる。
例えば、半導体膜５０８または半導体膜６０８に１４族の元素を含む半導体を用いるトランジスタを利用することができる。具体的には、半導体膜５０８または半導体膜６０８にシリコンを含む半導体を用いるトランジスタを利用することができる。例えば、半導体膜５０８または半導体膜６０８に単結晶シリコン、ポリシリコン、微結晶シリコンまたはアモルファスシリコンなどを用いたトランジスタを用いることができる。
例えば、半導体膜に酸化物半導体を用いるトランジスタを利用することができる。具体的には、半導体膜５０８または半導体膜６０８にインジウムを含む酸化物半導体またはインジウムとガリウムと亜鉛を含む酸化物半導体を用いるトランジスタを利用することができる。
例えば、スイッチＳＷ２に用いることができるトランジスタは、トランジスタＭの少なくとも一部と互いに重なる領域をそなえる。
これにより、スイッチＳＷ２に用いることができるトランジスタおよびトランジスタＭを同じ平面上に配置する場合と比較して、配置に要する面積を縮小することができる。または、半導体装置に占めるトランジスタの配置に要する面積を好適に縮小することができる。その結果、画素の開口率を高めることができる。
または、これにより、画素密度を高めることができる。例えば、画素密度が５００ｐｐｉ（ｐｉｘｅｌ ｐｅｒ ｉｎｃｈ）以上、または画素密度が６００ｐｐｉ以上、または画素密度が１０００ｐｐｉを超える、または画素密度が２０００ｐｐｉを超える場合においても、画素の開口率を高めることができる。なお、ｐｐｉは、１インチあたりの画素数を表す単位である。
または、これにより、例えば、非開口部の総面積に対する開口部７５１Ｈの総面積の比の値を０．１以上０．２５以下にすることができる。これにより、第２の表示素子の信頼性を高めることができる。
または、これにより、トランジスタのチャネル長（Ｌ）及びチャネル幅（Ｗ）、あるいはトランジスタに接続する配線及び電極の幅などを比較的大きくすることができる。その結果、加工寸法のばらつきを低減することが可能となる。
または、半導体膜６０８は、半導体膜５０８と互いに重なる領域を有する（図１参照）。
または、半導体膜６０８に形成されるチャネル領域は、半導体膜５０８に形成されるチャネル領域と互いに重なる領域を有しない。
または、半導体膜６０８のチャネルが形成されない領域は、半導体膜５０８のチャネルが形成されない領域と互いに重なる領域を有する。
例えば、スイッチＳＷ２に用いることができるトランジスタのチャネル領域と、トランジスタＭのチャネル領域とが互いに重なる場合、いずれか一方のトランジスタが動作しているときに他方に影響を与える場合がある。この影響を回避するために、スイッチＳＷ２に用いることができるトランジスタとトランジスタＭとの間の間隔を大きくする構成、またはスイッチＳＷ２に用いることができるトランジスタとトランジスタＭとの間に導電膜を設ける構成などが挙げられる。しかしながら、前者の構成の場合、半導体装置が厚くなるため、例えば、半導体装置をフレキシブル基板等に形成する場合、曲げ性等が問題になる場合がある。また、後者の構成の場合、導電膜を形成する工程の増加、及び前者の構成の場合と同様に半導体装置が厚くなるため問題になる場合がある。
スイッチＳＷ２に用いることができるトランジスタは、トランジスタＭを作製する工程で形成することができる導電膜及び絶縁膜のいずれか一方または双方を備える。これにより、作製に係るマスクの枚数または工程の数を減らすことができる。
例えば、絶縁膜６１４および絶縁膜６１６が積層された絶縁膜は、第１の面と、第１の面と対向する第２の面を備える。第１の面は半導体膜６０８に接する領域を備え、第２の面は半導体膜５０８に接する領域を備える。
例えば、スイッチＳＷ２に用いることができるトランジスタにおいて、導電膜６０４が第１のゲート電極として機能し、導電膜６１２Ｂがソース電極として機能し、導電膜６１２Ａがドレイン電極として機能し、導電膜６２４が第２のゲート電極として機能する。また、スイッチＳＷ２に用いることができるトランジスタにおいて、絶縁膜６０６が第１のゲート絶縁膜として機能し、絶縁膜６１４、６１６が第２のゲート絶縁膜として機能する。
また、トランジスタＭにおいて、導電膜６１２Ａが第１のゲート電極として機能し、導電膜５１２Ｂがソース電極として機能し、導電膜５１２Ａがドレイン電極として機能し、導電膜５２４が第２のゲート電極として機能する。また、トランジスタＭにおいて、絶縁膜６１４、６１６が第１のゲート絶縁膜として機能し、絶縁膜５１４、５１６が第２のゲート絶縁膜として機能する。
また、半導体膜６０８及び半導体膜５０８は、それぞれ、Ｉｎと、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有する。
例えば、半導体膜６０８及び半導体膜５０８は、Ｉｎの原子数比がＭの原子数比より多い領域を有すると好ましい。ただし、本発明の一態様の半導体装置は、これに限定されず、Ｉｎの原子数比がＭの原子数比よりも少ない領域を有する構成、あるいはＩｎの原子数比がＭの原子数比と同じ領域を有する構成としてもよい。
また、半導体膜６０８は、半導体膜５０８の組成と同じ、または概略同じ組成を備えると好ましい。これにより、例えば同一の装置または方法を半導体膜の形成に用いることができるため、製造コストを低減することが可能となる。ただし、本発明の一態様の半導体装置は、これに限定されず、半導体膜６０８と、半導体膜５０８との組成を異ならせてもよい。
半導体膜６０８及び半導体膜５０８は、Ｉｎの原子数比がＭの原子数比より多い領域を有する。これにより、スイッチＳＷ２に用いることができるトランジスタ及びトランジスタＭの電界効果移動度を高くすることができる。具体的には、スイッチＳＷ２に用いることができるトランジスタ及びトランジスタＭのいずれか一方または双方の電界効果移動度が１０ｃｍ２／Ｖｓを超えることが可能となる。さらに好ましくはスイッチＳＷ２に用いることができるトランジスタ及びトランジスタＭのいずれか一方または双方の電界効果移動度が３０ｃｍ２／Ｖｓを超えることが可能となる。
以上のように、本発明の一態様の半導体装置は、複数のトランジスタが積層された構造を有する。これにより、トランジスタの設置面積を縮小することができる。
または、複数のトランジスタの一方は、他方のトランジスタを作製する工程で形成することができる導電膜及び絶縁膜のいずれか一方または双方を備える。これにより、マスク枚数または工程数を削減することができる。
《２つのゲート電極が奏する効果》
スイッチＳＷ２に用いることができるトランジスタまたはトランジスタＭはゲート電極を２つ備えることができる（図１参照）。
２つのゲート電極がトランジスタの特性に奏する効果を図４（Ｃ）及び図１を参照しながら説明する。
図４（Ｃ）に示すように、第２のゲート電極として機能する導電膜６２４は、開口部６２２を介して第１のゲート電極として機能する導電膜６０４と電気的に接続される。よって、導電膜６０４と導電膜６２４には、同じ電位が与えられる。
図４（Ｃ）に示すように、半導体膜６０８は、導電膜６０４、及び導電膜６２４と対向するように位置し、２つのゲート電極として機能する導電膜に挟まれている。
導電膜６０４及び導電膜６２４のチャネル幅方向の長さは、それぞれ半導体膜６０８のチャネル幅方向の長さよりも長い。また、半導体膜６０８の全体は、絶縁膜６０６、６１４、６１６を介して導電膜６０４と導電膜６２４とによって覆われている。
別言すると、導電膜６０４及び導電膜６２４は、絶縁膜６０６、６１４、６１６に設けられる開口部６２２において接続され、且つ半導体膜６０８の側端部よりも外側に位置する領域を有する。
このような構成とすることで、スイッチＳＷ２に用いることができるトランジスタに含まれる半導体膜６０８を、導電膜６０４及び導電膜６２４の電界によって電気的に囲むことができる。スイッチＳＷ２に用いることができるトランジスタのように、第１のゲート電極及び第２のゲート電極の電界によって、チャネル領域が形成される酸化物半導体膜を、電気的に囲むトランジスタのデバイス構造をＳｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造と呼ぶことができる。
スイッチＳＷ２に用いることができるトランジスタは、Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有するため、第１のゲート電極として機能する導電膜６０４によってチャネルを誘起させるための電界を効果的に半導体膜６０８に印加することができるため、トランジスタの電流駆動能力が向上し、高いオン電流特性を得ることが可能となる。また、オン電流を高くすることが可能であるため、トランジスタを微細化することが可能となる。また、スイッチＳＷ２に用いることができるトランジスタは、半導体膜６０８が、第１のゲート電極として機能する導電膜６０４及び第２のゲート電極として機能する導電膜６２４によって囲まれた構造を有するため、機械的強度を高めることができる。
なお、上記の説明においては、第１のゲート電極と、第２のゲート電極とを接続させる構成について例示したがこれに限定されない。例えば、第２のゲート電極として機能する導電膜６２４をトランジスタＭのソース電極またはドレイン電極として機能する導電膜５１２Ｂと電気的に接続させる構成としてもよい。
＜半導体装置の構成例２＞
本発明の一態様の画素回路に用いることができる半導体装置の別の構成について、図５を参照しながら説明する。
図５に示す半導体装置は、スイッチＳＷ２として用いることができるトランジスタの第２のゲート電極として機能する導電膜６２４を有しない点が、図１を参照しながら説明する構成とは異なる。
＜半導体装置の構成例３＞
本発明の一態様の画素回路に用いることができる半導体装置の別の構成について、図６を参照しながら説明する。
図６に示す半導体装置は、トランジスタＭの第２のゲート電極として機能する導電膜５２４を有しない点、導電膜５２４上の絶縁膜５１８が設けられない点が、図１を参照しながら説明する構成とは異なる。
＜半導体装置の構成例４＞
本発明の一態様の画素回路に用いることができる半導体装置の別の構成について、図７を参照しながら説明する。
図７に示す半導体装置は、スイッチＳＷ２として用いることができるトランジスタの第２のゲート電極として機能する導電膜６２４を有しない点、トランジスタＭの第２のゲート電極として機能する導電膜５２４を有しない点、導電膜５２４上の絶縁膜５１８を有しない点が、図１を参照しながら説明する構成とは異なる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の一態様の入出力装置に用いることができるトランジスタの構成について、図１７を参照しながら説明する。
＜半導体装置の構成例＞
図１７（Ａ）は、トランジスタ１００の上面図であり、図１７（Ｃ）は、図１７（Ａ）に示す切断線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図１７（Ｄ）は、図１７（Ａ）に示す切断線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。なお、図１７（Ａ）において、煩雑になることを避けるため、トランジスタ１００の構成要素の一部（ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜等）を省略して図示している。また、切断線Ｘ１−Ｘ２方向をチャネル長方向、切断線Ｙ１−Ｙ２方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。なお、トランジスタの上面図においては、以降の図面においても図１７（Ａ）と同様に、構成要素の一部を省略して図示する場合がある。
なお、トランジスタ１００を実施の形態１において説明する入出力装置等に用いることができる。
例えば、トランジスタ１００をスイッチＳＷ１に用いる場合は、基板１０２を絶縁膜５０１Ｃに、導電膜１０４を導電膜５０４に、絶縁膜１０６および絶縁膜１０７が積層された積層膜を絶縁膜５０６に、酸化物半導体膜１０８を半導体膜５０８に、導電膜１１２ａを導電膜５１２Ａに、導電膜１１２ｂを導電膜５１２Ｂに、絶縁膜１１４および絶縁膜１１６が積層された積層膜を絶縁膜５１６に、絶縁膜１１８を絶縁膜５１８に、それぞれ読み替えることができる。
トランジスタ１００は、基板１０２上のゲート電極として機能する導電膜１０４と、基板１０２及び導電膜１０４上の絶縁膜１０６と、絶縁膜１０６上の絶縁膜１０７と、絶縁膜１０７上の酸化物半導体膜１０８と、酸化物半導体膜１０８に電気的に接続されるソース電極として機能する導電膜１１２ａと、酸化物半導体膜１０８に電気的に接続されるドレイン電極として機能する導電膜１１２ｂと、を有する。また、トランジスタ１００上、より詳しくは、導電膜１１２ａ、１１２ｂ及び酸化物半導体膜１０８上には絶縁膜１１４、１１６、及び絶縁膜１１８が設けられる。絶縁膜１１４、１１６、１１８は、トランジスタ１００の保護絶縁膜としての機能を有する。
また、酸化物半導体膜１０８は、ゲート電極として機能する導電膜１０４側の酸化物半導体膜１０８ａと、酸化物半導体膜１０８ａ上の酸化物半導体膜１０８ｂと、を有する。また、絶縁膜１０６及び絶縁膜１０７は、トランジスタ１００のゲート絶縁膜としての機能を有する。
酸化物半導体膜１０８としては、Ｉｎ−Ｍ（Ｍは、Ｔｉ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、またはＨｆを表す）酸化物、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を用いることができる。とくに、酸化物半導体膜１０８としては、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を用いると好ましい。
また、酸化物半導体膜１０８ａは、Ｉｎの原子数比がＭの原子数比より多い第１の領域を有する。また、酸化物半導体膜１０８ｂは、酸化物半導体膜１０８ａよりもＩｎの原子数比が少ない第２の領域を有する。また、第２の領域は、第１の領域よりも薄い部分を有する。
酸化物半導体膜１０８ａにＩｎの原子数比がＭの原子数比より多い第１の領域を有することで、トランジスタ１００の電界効果移動度（単に移動度、またはμＦＥという場合がある）を高くすることができる。具体的には、トランジスタ１００の電界効果移動度が１０ｃｍ２／Ｖｓを超えることが可能となる。
例えば、上記の電界効果移動度が高いトランジスタを、ゲート信号を生成するゲートドライバ（とくに、ゲートドライバが有するシフトレジスタの出力端子に接続されるデマルチプレクサ）に用いることで、額縁幅の狭い（狭額縁ともいう）半導体装置または表示装置を提供することができる。
一方で、Ｉｎの原子数比がＭの原子数比より多い第１の領域を有する酸化物半導体膜１０８ａとすることで、光照射時にトランジスタ１００の電気特性が変動しやすくなる。しかしながら、本発明の一態様の半導体装置においては、酸化物半導体膜１０８ａ上に酸化物半導体膜１０８ｂが形成されている。また、酸化物半導体膜１０８ｂのチャネル領域の膜厚が酸化物半導体膜１０８ａの膜厚よりも小さい。
また、酸化物半導体膜１０８ｂは、酸化物半導体膜１０８ａよりもＩｎの原子数比が少ない第２の領域を有するため、酸化物半導体膜１０８ａよりもＥｇが大きくなる。したがって、酸化物半導体膜１０８ａと、酸化物半導体膜１０８ｂとの積層構造である酸化物半導体膜１０８は、光負バイアスストレス試験による耐性が高くなる。
上記構成の酸化物半導体膜とすることで、光照射時における酸化物半導体膜１０８の光吸収量を低減させることができる。したがって、光照射時におけるトランジスタ１００の電気特性の変動を抑制することができる。また、本発明の一態様の半導体装置においては、絶縁膜１１４または絶縁膜１１６中に過剰の酸素を含有する構成のため、光照射におけるトランジスタ１００の電気特性の変動をさらに、抑制することができる。
ここで、酸化物半導体膜１０８について、図１７（Ｂ）を用いて詳細に説明する。
図１７（Ｂ）は、図１７（Ｃ）を用いて示すトランジスタ１００の断面の、酸化物半導体膜１０８の近傍を拡大した断面図である。
図１７（Ｂ）において、酸化物半導体膜１０８ａの膜厚をｔ１として、酸化物半導体膜１０８ｂの膜厚をｔ２−１、及びｔ２−２として、それぞれ示している。酸化物半導体膜１０８ａ上には、酸化物半導体膜１０８ｂが設けられているため、導電膜１１２ａ、１１２ｂの形成時において、酸化物半導体膜１０８ａがエッチングガスまたはエッチング溶液等に曝されることがない。したがって、酸化物半導体膜１０８ａにおいては、膜減りがない、または極めて少ない。一方で、酸化物半導体膜１０８ｂにおいては、導電膜１１２ａ、１１２ｂの形成時において、酸化物半導体膜１０８ｂの導電膜１１２ａ、１１２ｂと重ならない部分がエッチングされ、凹部が形成される。すなわち、酸化物半導体膜１０８ｂの導電膜１１２ａ、１１２ｂと重なる領域の膜厚がｔ２−１となり、酸化物半導体膜１０８ｂの導電膜１１２ａ、１１２ｂと重ならない領域の膜厚がｔ２−２となる。
酸化物半導体膜１０８ａと酸化物半導体膜１０８ｂの膜厚の関係は、ｔ２−１＞ｔ１＞ｔ２−２となると好ましい。このような膜厚の関係とすることによって、高い電界効果移動度を有し、且つ光照射時における、しきい値電圧の変動量が少ないトランジスタとすることが可能となる。
また、トランジスタ１００が有する酸化物半導体膜１０８は、酸素欠損が形成されるとキャリアである電子が生じ、ノーマリーオン特性になりやすい。したがって、酸化物半導体膜１０８中の酸素欠損、とくに酸化物半導体膜１０８ａ中の酸素欠損を減らすことが、安定したトランジスタ特性を得る上でも重要となる。そこで、本発明の一態様のトランジスタの構成においては、酸化物半導体膜１０８上の絶縁膜、ここでは、酸化物半導体膜１０８上の絶縁膜１１４及び／又は絶縁膜１１６に過剰な酸素を導入することで、絶縁膜１１４及び／又は絶縁膜１１６から酸化物半導体膜１０８中に酸素を移動させ、酸化物半導体膜１０８中、とくに酸化物半導体膜１０８ａ中の酸素欠損を補填することを特徴とする。
なお、絶縁膜１１４、１１６としては、化学量論的組成よりも過剰に酸素を含有する領域（酸素過剰領域）を有することがより好ましい。別言すると、絶縁膜１１４、１１６は、酸素を放出することが可能な絶縁膜である。なお、絶縁膜１１４、１１６に酸素過剰領域を設けるには、例えば、成膜後の絶縁膜１１４、１１６に酸素を導入して、酸素過剰領域を形成する。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理等を用いることができる。
また、酸化物半導体膜１０８ａ中の酸素欠損を補填するためには、酸化物半導体膜１０８ｂのチャネル領域近傍の膜厚を薄くした方が好適である。したがって、ｔ２−２＜ｔ１の関係を満たせばよい。例えば、酸化物半導体膜１０８ｂのチャネル領域近傍の膜厚としては、好ましくは１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、さらに好ましくは、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
以下に、本実施の形態の半導体装置に含まれるその他の構成要素について、詳細に説明する。
《基板》
基板１０２の材質などに大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有している必要がある。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板等を、基板１０２として用いてもよい。
また、シリコンや炭化シリコンを材料とした単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム等の化合物半導体基板、ＳＯＩ基板等を適用することも可能である。
また、これらの基板上に半導体素子または絶縁膜等が設けられたものを、基板１０２として用いてもよい。
なお、基板１０２として、ガラス基板を用いる場合、第６世代（１５００ｍｍ×１８５０ｍｍ）、第７世代（１８７０ｍｍ×２２００ｍｍ）、第８世代（２２００ｍｍ×２４００ｍｍ）、第９世代（２４００ｍｍ×２８００ｍｍ）、第１０世代（２９５０ｍｍ×３４００ｍｍ）等の大面積基板を用いることで、大型の表示装置を作製することができる。
また、基板１０２として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、トランジスタ１００を形成してもよい。または、基板１０２とトランジスタ１００の間に剥離層を設けてもよい。剥離層は、その上に半導体装置を一部あるいは全部完成させた後、基板１０２より分離し、他の基板に転載するのに用いることができる。その際、トランジスタ１００は耐熱性の劣る基板や可撓性の基板にも転載できる。
《ゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極として機能する導電膜》
ゲート電極として機能する導電膜１０４、及びソース電極として機能する導電膜１１２ａ、及びドレイン電極として機能する導電膜１１２ｂとしては、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）から選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いてそれぞれ形成することができる。
また、導電膜１０４、１１２ａ、１１２ｂは、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜または窒化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造等がある。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた一または複数を組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
また、導電膜１０４、１１２ａ、１１２ｂには、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化シリコンを添加したインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を適用することもできる。
また、導電膜１０４、１１２ａ、１１２ｂには、Ｃｕ−Ｘ合金膜（Ｘは、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔａ、またはＴｉ）を適用してもよい。Ｃｕ−Ｘ合金膜を用いることで、ウエットエッチングプロセスで加工できるため、製造コストを抑制することが可能となる。
《ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜》
トランジスタ１００のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１０６、１０７としては、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ：（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ））法、スパッタリング法等により、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化イットリウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化タンタル膜、酸化マグネシウム膜、酸化ランタン膜、酸化セリウム膜および酸化ネオジム膜を一種以上含む絶縁膜を、それぞれ用いることができる。なお、絶縁膜１０６、１０７の積層構造とせずに、上述の材料から選択された単層の絶縁膜、または３層以上の絶縁膜を用いてもよい。
また、絶縁膜１０６は、酸素の透過を抑制するブロッキング膜としての機能を有する。例えば、絶縁膜１０７、１１４、１１６及び／または酸化物半導体膜１０８中に過剰の酸素を供給する場合において、絶縁膜１０６は酸素の透過を抑制することができる。
なお、トランジスタ１００のチャネル領域として機能する酸化物半導体膜１０８と接する絶縁膜１０７は、酸化物絶縁膜であることが好ましく、化学量論的組成よりも過剰に酸素を含有する領域（酸素過剰領域）を有することがより好ましい。別言すると、絶縁膜１０７は、酸素を放出することが可能な絶縁膜である。なお、絶縁膜１０７に酸素過剰領域を設けるには、例えば、酸素雰囲気下にて絶縁膜１０７を形成すればよい。または、成膜後の絶縁膜１０７に酸素を導入して、酸素過剰領域を形成してもよい。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理等を用いることができる。
また、絶縁膜１０７として、酸化ハフニウムを用いる場合、以下の効果を奏する。酸化ハフニウムは、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率が高い。したがって、酸化シリコンを用いる場合に比べて膜厚を大きくできるため、トンネル電流によるリーク電流を小さくすることができる。すなわち、オフ電流の小さいトランジスタを実現することができる。さらに、結晶構造を有する酸化ハフニウムは、非晶質構造を有する酸化ハフニウムと比べて高い比誘電率を備える。したがって、オフ電流の小さいトランジスタとするためには、結晶構造を有する酸化ハフニウムを用いることが好ましい。結晶構造の例としては、単斜晶系や立方晶系などが挙げられる。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。
なお、本実施の形態では、絶縁膜１０６として窒化シリコン膜を形成し、絶縁膜１０７として酸化シリコン膜を形成する。窒化シリコン膜は、酸化シリコン膜と比較して比誘電率が高く、酸化シリコン膜と同等の静電容量を得るのに必要な膜厚が大きいため、トランジスタ１００のゲート絶縁膜として、窒化シリコン膜を含むことで絶縁膜を物理的に厚膜化することができる。よって、トランジスタ１００の絶縁耐圧の低下を抑制、さらには絶縁耐圧を向上させて、トランジスタ１００の静電破壊を抑制することができる。
《酸化物半導体膜》
酸化物半導体膜１０８としては、先に示す材料を用いることができる。
酸化物半導体膜１０８がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を成膜するために用いるスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比は、Ｉｎ≧Ｍ、Ｚｎ≧Ｍを満たすことが好ましい。このようなスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比として、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：４．１が好ましい。
また、酸化物半導体膜１０８がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、スパッタリングターゲットとしては、多結晶のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を含むターゲットを用いると好ましい。多結晶のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を含むターゲットを用いることで、結晶性を有する酸化物半導体膜１０８を形成しやすくなる。なお、成膜される酸化物半導体膜１０８の原子数比はそれぞれ、誤差として上記のスパッタリングターゲットに含まれる金属元素の原子数比のプラスマイナス４０％の変動を含む。例えば、スパッタリングターゲットとして、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１を用いる場合、成膜される酸化物半導体膜１０８の原子数比は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３近傍となる場合がある。
例えば、酸化物半導体膜１０８ａとしては、上述のＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：４．１等のスパッタリングターゲットを用いて形成すればよい。また、酸化物半導体膜１０８ｂとしては、上述のＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２等を用いて形成すればよい。なお、酸化物半導体膜１０８ｂに用いるスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比としては、Ｉｎ≧Ｍ、Ｚｎ≧Ｍを満たす必要はなく、Ｉｎ≧Ｍ、Ｚｎ＜Ｍを満たす組成でもよい。具体的には、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：２等が挙げられる。
また、酸化物半導体膜１０８は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上である。このように、エネルギーギャップの広い酸化物半導体を用いることで、トランジスタ１００のオフ電流を低減することができる。とくに、酸化物半導体膜１０８ａには、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２ｅＶ以上３．０ｅＶ以下の酸化物半導体膜を用い、酸化物半導体膜１０８ｂには、エネルギーギャップが２．５ｅＶ以上３．５ｅＶ以下の酸化物半導体膜を用いると、好適である。また、酸化物半導体膜１０８ａよりも酸化物半導体膜１０８ｂのエネルギーギャップが大きい方が好ましい。
また、酸化物半導体膜１０８ａ、及び酸化物半導体膜１０８ｂの厚さは、それぞれ３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。なお、先に記載の膜厚の関係を満たすと好ましい。
また、酸化物半導体膜１０８ｂとしては、キャリア密度の低い酸化物半導体膜を用いる。例えば、酸化物半導体膜１０８ｂは、キャリア密度が１×１０１７／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１３／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１１／ｃｍ３以下とする。
なお、これらに限られず、必要とするトランジスタの半導体特性及び電気特性（電界効果移動度、しきい値電圧等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とするトランジスタの半導体特性を得るために、酸化物半導体膜１０８ａ、及び酸化物半導体膜１０８ｂのキャリア密度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。
なお、酸化物半導体膜１０８ａ、及び酸化物半導体膜１０８ｂとしては、それぞれ不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜を用いることで、さらに優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができ好ましい。ここでは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い（酸素欠損の少ない）ことを高純度真性または実質的に高純度真性とよぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。従って、該酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性（ノーマリーオンともいう。）になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、オフ電流が著しく小さく、チャネル幅が１×１０６μｍでチャネル長Ｌ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。
したがって、上記高純度真性、または実質的に高純度真性の酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとすることができる。なお、酸化物半導体膜のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、またはアルカリ土類金属等がある。
酸化物半導体膜に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になると共に、酸素が脱離した格子（または酸素が脱離した部分）に酸素欠損を形成する。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている酸化物半導体膜を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体膜１０８は水素ができる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導体膜１０８において、ＳＩＭＳ分析により得られる水素濃度を、２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
また、酸化物半導体膜１０８ａにおいて、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体膜１０８ａにおいて酸素欠損が増加し、ｎ型化してしまう。このため、酸化物半導体膜１０８ａにおけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体膜１０８ａとの界面近傍のシリコンや炭素の濃度（ＳＩＭＳ分析により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
また、酸化物半導体膜１０８ａにおいて、ＳＩＭＳ分析により得られるアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。アルカリ金属及びアルカリ土類金属は、酸化物半導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電流が増大してしまうことがある。このため、酸化物半導体膜１０８ａのアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。
また、酸化物半導体膜１０８ａに窒素が含まれていると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体膜を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、該酸化物半導体膜において、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、ＳＩＭＳ分析により得られる窒素濃度は、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にすることが好ましい。
また、酸化物半導体膜１０８ａ、及び酸化物半導体膜１０８ｂは、それぞれ非単結晶構造でもよい。非単結晶構造は、例えば、後述するＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶構造、微結晶構造、または非晶質構造を含む。非単結晶構造において、非晶質構造は最も欠陥準位密度が高く、ＣＡＡＣ−ＯＳは最も欠陥準位密度が低い。
《トランジスタの保護絶縁膜として機能する絶縁膜》
絶縁膜１１４、１１６は、酸化物半導体膜１０８に酸素を供給する機能を有する。また、絶縁膜１１８は、トランジスタ１００の保護絶縁膜としての機能を有する。また、絶縁膜１１４、１１６は、酸素を有する。また、絶縁膜１１４は、酸素を透過することのできる絶縁膜である。なお、絶縁膜１１４は、後に形成する絶縁膜１１６を形成する際の、酸化物半導体膜１０８へのダメージ緩和膜としても機能する。
絶縁膜１１４としては、厚さが５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。
また、絶縁膜１１４は、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ＥＳＲ測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れる信号のスピン密度が３×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。これは、絶縁膜１１４に含まれる欠陥密度が多いと、該欠陥に酸素が結合してしまい、絶縁膜１１４における酸素の透過量が減少してしまうためである。
なお、絶縁膜１１４においては、外部から絶縁膜１１４に入った酸素が全て絶縁膜１１４の外部に移動せず、絶縁膜１１４にとどまる酸素もある。また、絶縁膜１１４に酸素が入ると共に、絶縁膜１１４に含まれる酸素が絶縁膜１１４の外部へ移動することで、絶縁膜１１４において酸素の移動が生じる場合もある。絶縁膜１１４として酸素を透過することができる酸化物絶縁膜を形成すると、絶縁膜１１４上に設けられる、絶縁膜１１６から脱離する酸素を、絶縁膜１１４を介して酸化物半導体膜１０８に移動させることができる。
また、絶縁膜１１４は、窒素酸化物に起因する準位密度が低い酸化物絶縁膜を用いて形成することができる。なお、当該窒素酸化物に起因する準位密度は、酸化物半導体膜の価電子帯の上端のエネルギー（Ｅｖ＿ｏｓ）と酸化物半導体膜の伝導帯の下端のエネルギー（Ｅｃ＿ｏｓ）の間に形成され得る場合がある。上記酸化物絶縁膜として、窒素酸化物の放出量が少ない酸化窒化シリコン膜、または窒素酸化物の放出量が少ない酸化窒化アルミニウム膜等を用いることができる。
なお、窒素酸化物の放出量の少ない酸化窒化シリコン膜は、昇温脱離ガス分析法において、窒素酸化物の放出量よりアンモニアの放出量が多い膜であり、代表的にはアンモニアの放出量が１×１０１８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下である。なお、アンモニアの放出量は、膜の表面温度が５０℃以上６５０℃以下、好ましくは５０℃以上５５０℃以下の加熱処理による放出量とする。
窒素酸化物（ＮＯｘ、ｘは０より大きく２以下、好ましくは１以上２以下）、代表的にはＮＯ２またはＮＯは、絶縁膜１１４などに準位を形成する。当該準位は、酸化物半導体膜１０８のエネルギーギャップ内に位置する。そのため、窒素酸化物が、絶縁膜１１４及び酸化物半導体膜１０８の界面に拡散すると、当該準位が絶縁膜１１４側において電子をトラップする場合がある。この結果、トラップされた電子が、絶縁膜１１４及び酸化物半導体膜１０８界面近傍に留まるため、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向にシフトさせてしまう。
また、窒素酸化物は、加熱処理においてアンモニア及び酸素と反応する。絶縁膜１１４に含まれる窒素酸化物は、加熱処理において、絶縁膜１１６に含まれるアンモニアと反応するため、絶縁膜１１４に含まれる窒素酸化物が低減される。このため、絶縁膜１１４及び酸化物半導体膜１０８の界面において、電子がトラップされにくい。
絶縁膜１１４として、上記酸化物絶縁膜を用いることで、トランジスタのしきい値電圧のシフトを低減することが可能であり、トランジスタの電気特性の変動を低減することができる。
なお、トランジスタの作製工程の加熱処理、代表的には３００℃以上３５０℃未満の加熱処理により、絶縁膜１１４は、１００Ｋ以下のＥＳＲで測定して得られたスペクトルにおいてｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下の第３のシグナルが観測される。なお、第１のシグナル及び第２のシグナルのスプリット幅、並びに第２のシグナル及び第３のシグナルのスプリット幅は、ＸバンドのＥＳＲ測定において約５ｍＴである。また、ｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下である第３のシグナルのスピンの密度の合計が１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満であり、代表的には１×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以上１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満である。
なお、１００Ｋ以下のＥＳＲスペクトルにおいてｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１シグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下の第３のシグナルは、窒素酸化物（ＮＯｘ、ｘは０より大きく２以下、好ましくは１以上２以下）起因のシグナルに相当する。窒素酸化物の代表例としては、一酸化窒素、二酸化窒素等がある。即ち、ｇ値が２．０３７以上２．０３９以下の第１のシグナル、ｇ値が２．００１以上２．００３以下の第２のシグナル、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下である第３のシグナルのスピンの密度の合計が少ないほど、酸化物絶縁膜に含まれる窒素酸化物の含有量が少ないといえる。
また、上記酸化物絶縁膜は、ＳＩＭＳで測定される窒素濃度が６×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。
膜の表面温度が２２０℃以上３５０℃以下であり、シラン及び一酸化二窒素を用いたＰＥＣＶＤ法を用いて、上記酸化物絶縁膜を形成することで、緻密であり、且つ硬度の高い膜を形成することができる。
絶縁膜１１６は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を用いて形成する。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜は、加熱により酸素の一部が脱離する。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜は、ＴＤＳ分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物絶縁膜である。なお、上記ＴＤＳにおける膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。
絶縁膜１１６としては、厚さが３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の、酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。
また、絶縁膜１１６は、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ＥＳＲ測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１に現れる信号のスピン密度が１．５×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満、さらには１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。なお、絶縁膜１１６は、絶縁膜１１４と比較して酸化物半導体膜１０８から離れているため、絶縁膜１１４より、欠陥密度が多くともよい。
また、絶縁膜１１４、１１６は、同種の材料の絶縁膜を用いることができるため、絶縁膜１１４と絶縁膜１１６の界面が明確に確認できない場合がある。したがって、本実施の形態においては、絶縁膜１１４と絶縁膜１１６の界面は、破線で図示している。なお、本実施の形態においては、絶縁膜１１４と絶縁膜１１６の２層構造について説明したが、これに限定されず、例えば、絶縁膜１１４の単層構造としてもよい。
絶縁膜１１８は、窒素を有する。また、絶縁膜１１８は、窒素及びシリコンを有する。また、絶縁膜１１８は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキングできる機能を有する。絶縁膜１１８を設けることで、酸化物半導体膜１０８からの酸素の外部への拡散と、絶縁膜１１４、１１６に含まれる酸素の外部への拡散と、外部から酸化物半導体膜１０８への水素、水等の入り込みを防ぐことができる。絶縁膜１１８としては、例えば、窒化物絶縁膜を用いることができる。該窒化物絶縁膜としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム等がある。なお、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキング効果を有する窒化物絶縁膜の代わりに、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜を設けてもよい。酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜としては、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等がある。
なお、上記記載の、導電膜、絶縁膜、酸化物半導体膜などの様々な膜は、スパッタリング法やＰＥＣＶＤ法により形成することができるが、他の方法、例えば、熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成してもよい。熱ＣＶＤ法の例としてＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いても良い。
熱ＣＶＤ法は、プラズマを使わない成膜方法のため、プラズマダメージにより欠陥が生成されることが無いという利点を有する。
熱ＣＶＤ法は、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を行ってもよい。
また、ＡＬＤ法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、反応のための原料ガスが順次チャンバーに導入され、そのガス導入の順序を繰り返すことで成膜を行ってもよい。例えば、それぞれのスイッチングバルブ（高速バルブとも呼ぶ）を切り替えて２種類以上の原料ガスを順番にチャンバーに供給し、複数種の原料ガスが混ざらないように第１の原料ガスと同時またはその後に不活性ガス（アルゴン、或いは窒素など）などを導入し、第２の原料ガスを導入する。なお、同時に不活性ガスを導入する場合には、不活性ガスはキャリアガスとなり、また、第２の原料ガスの導入時にも同時に不活性ガスを導入してもよい。また、不活性ガスを導入する代わりに真空排気によって第１の原料ガスを排出した後、第２の原料ガスを導入してもよい。第１の原料ガスが基板の表面に吸着して第１の層を成膜し、後から導入される第２の原料ガスと反応して、第２の層が第１の層上に積層されて薄膜が形成される。このガス導入順序を制御しつつ所望の厚さになるまで複数回繰り返すことで、段差被覆性に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の厚さは、ガス導入順序を繰り返す回数によって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能であり、微細なＦＥＴを作製する場合に適している。
ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ法などの熱ＣＶＤ法は、上記実施形態の導電膜、絶縁膜、酸化物半導体膜、金属酸化膜などの様々な膜を形成することができ、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−ＺｎＯ膜を成膜する場合には、トリメチルインジウム、トリメチルガリウム、及びジメチル亜鉛を用いる。なお、トリメチルインジウムの化学式は、Ｉｎ（ＣＨ３）３である。また、トリメチルガリウムの化学式は、Ｇａ（ＣＨ３）３である。また、ジメチル亜鉛の化学式は、Ｚｎ（ＣＨ３）２である。また、これらの組み合わせに限定されず、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウム（化学式Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３）を用いることもでき、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛（化学式Ｚｎ（Ｃ２Ｈ５）２）を用いることもできる。
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化ハフニウム膜を形成する場合には、溶媒とハフニウム前駆体化合物を含む液体（ハフニウムアルコキシドや、テトラキスジメチルアミドハフニウム（ＴＤＭＡＨ）などのハフニウムアミド）を気化させた原料ガスと、酸化剤としてオゾン（Ｏ３）の２種類のガスを用いる。なお、テトラキスジメチルアミドハフニウムの化学式はＨｆ［Ｎ（ＣＨ３）２］４である。また、他の材料液としては、テトラキス（エチルメチルアミド）ハフニウムなどがある。
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化アルミニウム膜を形成する場合には、溶媒とアルミニウム前駆体化合物を含む液体（トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）など）を気化させた原料ガスと、酸化剤としてＨ２Ｏの２種類のガスを用いる。なお、トリメチルアルミニウムの化学式はＡｌ（ＣＨ３）３である。また、他の材料液としては、トリス（ジメチルアミド）アルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、アルミニウムトリス（２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオナート）などがある。
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化シリコン膜を形成する場合には、ヘキサクロロジシランを被成膜面に吸着させ、吸着物に含まれる塩素を除去し、酸化性ガス（Ｏ２、一酸化二窒素）のラジカルを供給して吸着物と反応させる。
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置によりタングステン膜を成膜する場合には、ＷＦ６ガスとＢ２Ｈ６ガスを順次繰り返し導入して初期タングステン膜を形成し、その後、ＷＦ６ガスとＨ２ガスを用いてタングステン膜を形成する。なお、Ｂ２Ｈ６ガスに代えてＳｉＨ４ガスを用いてもよい。
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化物半導体膜、例えばＩｎ−Ｇａ−ＺｎＯ膜を成膜する場合には、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを順次繰り返し導入してＩｎ−Ｏ層を形成し、その後、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを用いてＧａＯ層を形成し、更にその後Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスとＯ３ガスを用いてＺｎＯ層を形成する。なお、これらの層の順番はこの例に限らない。また、これらのガスを混ぜてＩｎ−Ｇａ−Ｏ層やＩｎ−Ｚｎ−Ｏ層、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層などの混合化合物層を形成しても良い。なお、Ｏ３ガスに代えてＡｒ等の不活性ガスで水をバブリングして得られたＨ２Ｏガスを用いても良いが、Ｈを含まないＯ３ガスを用いる方が好ましい。また、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスにかえて、Ｉｎ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いても良い。また、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスにかえて、Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いても良い。また、Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスを用いても良い。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、本発明の一態様の入出力装置に用いることができるトランジスタの構成について、図１８を参照しながら説明する。
＜半導体装置の構成例＞
図１８（Ａ）は、トランジスタ１００の上面図であり、図１８（Ｂ）は、図１８（Ａ）に示す切断線Ｘ１−Ｘ２間における切断面の断面図に相当し、図１８（Ｃ）は、図１８（Ａ）に示す切断線Ｙ１−Ｙ２間における切断面の断面図に相当する。なお、図１８（Ａ）において、煩雑になることを避けるため、トランジスタ１００の構成要素の一部（ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜等）を省略して図示している。また、切断線Ｘ１−Ｘ２方向をチャネル長方向、切断線Ｙ１−Ｙ２方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。なお、トランジスタの上面図においては、以降の図面においても図１８（Ａ）と同様に、構成要素の一部を省略して図示する場合がある。
なお、トランジスタ１００を実施の形態１において説明する入出力装置等に用いることができる。
例えば、トランジスタ１００をトランジスタＭまたはトランジスタＭＤに用いる場合は、基板１０２を絶縁膜５０１Ｃに、導電膜１０４を導電膜５０４に、絶縁膜１０６および絶縁膜１０７が積層された積層膜を絶縁膜５０６に、酸化物半導体膜１０８を半導体膜５０８に、導電膜１１２ａを導電膜５１２Ａに、導電膜１１２ｂを導電膜５１２Ｂに、絶縁膜１１４および絶縁膜１１６が積層された積層膜を絶縁膜５１６に、絶縁膜１１８を絶縁膜５１８に、導電膜１２０ｂを導電膜５２４に、それぞれ読み替えることができる。
トランジスタ１００は、基板１０２上の第１のゲート電極として機能する導電膜１０４と、基板１０２及び導電膜１０４上の絶縁膜１０６と、絶縁膜１０６上の絶縁膜１０７と、絶縁膜１０７上の酸化物半導体膜１０８と、酸化物半導体膜１０８に電気的に接続されるソース電極として機能する導電膜１１２ａと、酸化物半導体膜１０８に電気的に接続されるドレイン電極として機能する導電膜１１２ｂと、酸化物半導体膜１０８、導電膜１１２ａ、及び１１２ｂ上の絶縁膜１１４、１１６と、絶縁膜１１６上に設けられ、且つ導電膜１１２ｂと電気的に接続される導電膜１２０ａと、絶縁膜１１６上の導電膜１２０ｂと、絶縁膜１１６及び導電膜１２０ａ、１２０ｂ上の絶縁膜１１８と、を有する。
また、トランジスタ１００において、絶縁膜１０６、１０７は、トランジスタ１００の第１のゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜１１４、１１６は、トランジスタ１００の第２のゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜１１８は、トランジスタ１００の保護絶縁膜としての機能を有する。
なお、導電膜１２０ｂをトランジスタ１００の第２のゲート電極に用いることができる。
また、トランジスタ１００を入出力装置の表示部に用いる場合は、導電膜１２０ａを表示素子の電極等に用いることができる。
また、酸化物半導体膜１０８は、第１のゲート電極として機能する導電膜１０４側の酸化物半導体膜１０８ｂと、酸化物半導体膜１０８ｂ上の酸化物半導体膜１０８ｃと、を有する。また、酸化物半導体膜１０８ｂ及び酸化物半導体膜１０８ｃは、Ｉｎと、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有する。
例えば、酸化物半導体膜１０８ｂとしては、Ｉｎの原子数比がＭの原子数比より多い領域を有すると好ましい。また、酸化物半導体膜１０８ｃとしては、酸化物半導体膜１０８ｂよりもＩｎの原子数が少ない領域を有すると好ましい。
酸化物半導体膜１０８ｂが、Ｉｎの原子数比がＭの原子数比より多い領域を有することで、トランジスタ１００の電界効果移動度（単に移動度、またはμＦＥという場合がある）を高くすることができる。具体的には、トランジスタ１００の電界効果移動度が１０ｃｍ２／Ｖｓを超える、さらに好ましくはトランジスタ１００の電界効果移動度が３０ｃｍ２／Ｖｓを超えることが可能となる。
例えば、上記の電界効果移動度が高いトランジスタを、ゲート信号を生成するゲートドライバ（とくに、ゲートドライバが有するシフトレジスタの出力端子に接続されるデマルチプレクサ）に用いることで、額縁幅の狭い（狭額縁ともいう）半導体装置または表示装置を提供することができる。
一方で、酸化物半導体膜１０８ｂが、Ｉｎの原子数比がＭの原子数比より多い領域を有する場合、光照射時にトランジスタ１００の電気特性が変動しやすくなる。しかしながら、本発明の一態様の半導体装置においては、酸化物半導体膜１０８ｂ上に酸化物半導体膜１０８ｃが形成されている。また、酸化物半導体膜１０８ｃは、酸化物半導体膜１０８ｂよりもＩｎの原子数比が少ない領域を有するため、酸化物半導体膜１０８ｂよりもＥｇが大きくなる。したがって、酸化物半導体膜１０８ｂと、酸化物半導体膜１０８ｃとの積層構造である酸化物半導体膜１０８は、光負バイアスストレス試験による耐性を高めることが可能となる。
また、酸化物半導体膜１０８中、特に酸化物半導体膜１０８ｂのチャネル領域に混入する水素または水分などの不純物は、トランジスタ特性に影響を与えるため問題となる。したがって、酸化物半導体膜１０８ｂ中のチャネル領域においては、水素または水分などの不純物が少ないほど好ましい。また、酸化物半導体膜１０８ｂ中のチャネル領域に形成される酸素欠損は、トランジスタ特性に影響を与えるため問題となる。例えば、酸化物半導体膜１０８ｂのチャネル領域中に酸素欠損が形成されると、該酸素欠損に水素が結合し、キャリア供給源となる。酸化物半導体膜１０８ｂのチャネル領域中にキャリア供給源が生成されると、酸化物半導体膜１０８ｂを有するトランジスタ１００の電気特性の変動、代表的にはしきい値電圧のシフトが生じる。したがって、酸化物半導体膜１０８ｂのチャネル領域においては、酸素欠損が少ないほど好ましい。
そこで、本発明の一態様においては、酸化物半導体膜１０８に接する絶縁膜、具体的には、酸化物半導体膜１０８の下方に形成される絶縁膜１０７、及び酸化物半導体膜１０８の上方に形成される絶縁膜１１４、１１６が過剰酸素を含有する構成である。絶縁膜１０７、及び絶縁膜１１４、１１６から酸化物半導体膜１０８へ酸素または過剰酸素を移動させることで、酸化物半導体膜中の酸素欠損を低減することが可能となる。よって、トランジスタ１００の電気特性、特に光照射におけるトランジスタ１００の電気特性の変動を抑制することが可能となる。
また、本発明の一態様においては、絶縁膜１０７、及び絶縁膜１１４、１１６に過剰酸素を含有させるために、作製工程の増加がない、または作製工程の増加が極めて少ない作製方法を用いる。よって、トランジスタ１００の歩留まりを高くすることが可能である。
具体的には、酸化物半導体膜１０８ｂを形成する工程において、スパッタリング法を用い、酸素ガスを含む雰囲気にて酸化物半導体膜１０８ｂを形成することで、酸化物半導体膜１０８ｂの被形成面となる、絶縁膜１０７に酸素または過剰酸素を添加する。
また、導電膜１２０ａ、１２０ｂを形成する工程において、スパッタリング法を用い、酸素ガスを含む雰囲気にて導電膜１２０ａ、１２０ｂを形成することで、導電膜１２０ａ、１２０ｂの被形成面となる、絶縁膜１１６に酸素または過剰酸素を添加する。なお、絶縁膜１１６に酸素または過剰酸素を添加する際に、絶縁膜１１６の下方に位置する絶縁膜１１４、及び酸化物半導体膜１０８にも酸素または過剰酸素が添加される場合がある。
＜酸化物導電体＞
次に、酸化物導電体について説明する。導電膜１２０ａ、１２０ｂを形成する工程において、導電膜１２０ａ、１２０ｂは、絶縁膜１１４、１１６から酸素の放出を抑制する保護膜として機能する。また、導電膜１２０ａ、１２０ｂは、絶縁膜１１８を形成する工程の前においては、半導体としての機能を有し、絶縁膜１１８を形成する工程の後においては、導電膜１２０ａ、１２０ｂは、導電体としての機能を有する。
導電膜１２０ａ、１２０ｂを導電体として機能させるためには、導電膜１２０ａ、１２０ｂに酸素欠損を形成し、該酸素欠損に絶縁膜１１８から水素を添加すると、伝導帯近傍にドナー準位が形成される。この結果、導電膜１２０ａ、１２０ｂは、導電性が高くなり導電体化する。導電体化された導電膜１２０ａ、１２０ｂを、それぞれ酸化物導電体ということができる。一般に、酸化物半導体は、エネルギーギャップが大きいため、可視光に対して透光性を有する。一方、酸化物導電体は、伝導帯近傍にドナー準位を有する酸化物半導体である。したがって、酸化物導電体は、ドナー準位による吸収の影響は小さく、可視光に対して酸化物半導体と同程度の透光性を有する。
＜半導体装置の構成要素＞
以下に、本実施の形態の半導体装置に含まれる構成要素について、詳細に説明する。
なお、以下の材料については、実施の形態２において説明する材料と同様の材料を用いることができる。
実施の形態２において説明する基板１０２に用いることができる材料を基板１０２に用いることができる。また、実施の形態２において説明する絶縁膜１０６、１０７に用いることができる材料を絶縁膜１０６、１０７に用いることができる。
また、実施の形態２において説明するゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極として機能する導電膜に用いることができる材料を、第１のゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極として機能する導電膜に用いることができる。
《酸化物半導体膜》
酸化物半導体膜１０８としては、先に示す材料を用いることができる。
酸化物半導体膜１０８ｂがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を成膜するために用いるスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比は、Ｉｎ＞Ｍを満たすことが好ましい。このようなスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比として、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：４．１等が挙げられる。
また、酸化物半導体膜１０８ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を成膜するために用いるスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比は、Ｉｎ≦Ｍを満たすことが好ましい。このようなスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比として、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：５等が挙げられる。
また、酸化物半導体膜１０８ｂ及び酸化物半導体膜１０８ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、スパッタリングターゲットとしては、多結晶のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を含むターゲットを用いると好ましい。多結晶のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を含むターゲットを用いることで、結晶性を有する酸化物半導体膜１０８ｂ及び酸化物半導体膜１０８ｃを形成しやすくなる。なお、成膜される酸化物半導体膜１０８ｂ及び酸化物半導体膜１０８ｃの原子数比はそれぞれ、誤差として上記のスパッタリングターゲットに含まれる金属元素の原子数比のプラスマイナス４０％の変動を含む。例えば、酸化物半導体膜１０８ｂのスパッタリングターゲットとして、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１を用いる場合、成膜される酸化物半導体膜１０８ｂの原子数比は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３近傍となる場合がある。
また、酸化物半導体膜１０８は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上である。このように、エネルギーギャップの広い酸化物半導体を用いることで、トランジスタ１００のオフ電流を低減することができる。とくに、酸化物半導体膜１０８ｂには、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２ｅＶ以上３．０ｅＶ以下の酸化物半導体膜を用い、酸化物半導体膜１０８ｃには、エネルギーギャップが２．５ｅＶ以上３．５ｅＶ以下の酸化物半導体膜を用いると、好適である。また、酸化物半導体膜１０８ｂよりも酸化物半導体膜１０８ｃのエネルギーギャップが大きい方が好ましい。
また、酸化物半導体膜１０８ｂ、及び酸化物半導体膜１０８ｃの厚さは、それぞれ３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。
また、酸化物半導体膜１０８ｃとしては、キャリア密度の低い酸化物半導体膜を用いる。例えば、酸化物半導体膜１０８ｃは、キャリア密度が１×１０１７／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１３／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１１／ｃｍ３以下とする。
なお、これらに限られず、必要とするトランジスタの半導体特性及び電気特性（電界効果移動度、しきい値電圧等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とするトランジスタの半導体特性を得るために、酸化物半導体膜１０８ｂ、及び酸化物半導体膜１０８ｃのキャリア密度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。
なお、酸化物半導体膜１０８ｂ、及び酸化物半導体膜１０８ｃとしては、それぞれ不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜を用いることで、さらに優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができ好ましい。ここでは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い（酸素欠損の少ない）ことを高純度真性または実質的に高純度真性とよぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。従って、該酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性（ノーマリーオンともいう。）になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、オフ電流が著しく小さく、チャネル幅が１×１０６μｍでチャネル長Ｌ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。
したがって、上記高純度真性、または実質的に高純度真性の酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとすることができる。なお、酸化物半導体膜のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、またはアルカリ土類金属等がある。
酸化物半導体膜に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になると共に、酸素が脱離した格子（または酸素が脱離した部分）に酸素欠損を形成する。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている酸化物半導体膜を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体膜１０８は水素ができる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導体膜１０８において、ＳＩＭＳ分析により得られる水素濃度を、２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
また、酸化物半導体膜１０８ｂは、酸化物半導体膜１０８ｃよりも水素濃度が少ない領域を有すると好ましい。酸化物半導体膜１０８ｂの方が、酸化物半導体膜１０８ｃよりも水素濃度が少ない領域を有すことにより、信頼性の高い半導体装置とすることができる。
また、酸化物半導体膜１０８ｂにおいて、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体膜１０８ｂにおいて酸素欠損が増加し、ｎ型化してしまう。このため、酸化物半導体膜１０８ｂにおけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体膜１０８ｂとの界面近傍のシリコンや炭素の濃度（ＳＩＭＳ分析により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
また、酸化物半導体膜１０８ｂにおいて、ＳＩＭＳ分析により得られるアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。アルカリ金属及びアルカリ土類金属は、酸化物半導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電流が増大してしまうことがある。このため、酸化物半導体膜１０８ｂのアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。
また、酸化物半導体膜１０８ｂに窒素が含まれていると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体膜を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、該酸化物半導体膜において、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、ＳＩＭＳ分析により得られる窒素濃度は、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にすることが好ましい。
また、酸化物半導体膜１０８ｂ、及び酸化物半導体膜１０８ｃは、それぞれ非単結晶構造でもよい。非単結晶構造は、例えば、後述するＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶構造、微結晶構造、または非晶質構造を含む。非単結晶構造において、非晶質構造は最も欠陥準位密度が高く、ＣＡＡＣ−ＯＳは最も欠陥準位密度が低い。
《第２のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜》
絶縁膜１１４、１１６は、トランジスタ１００の第２のゲート絶縁膜として機能する。また、絶縁膜１１４、１１６は、酸化物半導体膜１０８に酸素を供給する機能を有する。すなわち、絶縁膜１１４、１１６は、酸素を有する。また、絶縁膜１１４は、酸素を透過することのできる絶縁膜である。なお、絶縁膜１１４は、後に形成する絶縁膜１１６を形成する際の、酸化物半導体膜１０８へのダメージ緩和膜としても機能する。
例えば、実施の形態２において説明する絶縁膜１１４、１１６を絶縁膜１１４、１１６に用いることができる。
《導電膜として機能する酸化物半導体膜、及び第２のゲート電極として機能する酸化物半導体膜》
先に記載の酸化物半導体膜１０８と同様の材料を、導電膜として機能する導電膜１２０ａ、及び第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ｂに用いることができる。
すなわち、導電膜として機能する導電膜１２０ａ、及び第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ｂは、酸化物半導体膜１０８（酸化物半導体膜１０８ｂ及び酸化物半導体膜１０８ｃ）に含まれる金属元素を有する。例えば、第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ｂと、酸化物半導体膜１０８（酸化物半導体膜１０８ｂ及び酸化物半導体膜１０８ｃ）と、が同一の金属元素を有する構成とすることで、製造コストを抑制することが可能となる。
例えば、導電膜として機能する導電膜１２０ａ、及び第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ｂとしては、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を成膜するために用いるスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比は、Ｉｎ≧Ｍを満たすことが好ましい。このようなスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比として、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：４．１等が挙げられる。
また、導電膜として機能する導電膜１２０ａ、及び第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ｂの構造としては、単層構造または２層以上の積層構造とすることができる。なお、導電膜１２０ａ、１２０ｂが積層構造の場合においては、上記のスパッタリングターゲットの組成に限定されない。
《トランジスタの保護絶縁膜として機能する絶縁膜》
絶縁膜１１８は、トランジスタ１００の保護絶縁膜として機能する。
絶縁膜１１８は、水素及び窒素のいずれか一方または双方を有する。または、絶縁膜１１８は、窒素及びシリコンを有する。また、絶縁膜１１８は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキングできる機能を有する。絶縁膜１１８を設けることで、酸化物半導体膜１０８からの酸素の外部への拡散と、絶縁膜１１４、１１６に含まれる酸素の外部への拡散と、外部から酸化物半導体膜１０８への水素、水等の入り込みを防ぐことができる。
また、絶縁膜１１８は、導電膜として機能する導電膜１２０ａ、及び第２のゲート電極として機能する導電膜１２０ｂに、水素及び窒素のいずれか一方または双方を供給する機能を有する。特に絶縁膜１１８としては、水素を含み、当該水素を導電膜１２０ａ、１２０ｂに供給する機能を有すると好ましい。絶縁膜１１８から導電膜１２０ａ、１２０ｂに水素が供給されることで、導電膜１２０ａ、１２０ｂは、導電体としての機能を有する。
絶縁膜１１８としては、例えば、窒化物絶縁膜を用いることができる。該窒化物絶縁膜としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム等がある。
なお、上記記載の、導電膜、絶縁膜、酸化物半導体膜などの様々な膜は、スパッタリング法やＰＥＣＶＤ法により形成することができるが、他の方法、例えば、熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成してもよい。熱ＣＶＤ法の例としてＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いても良い。具体的には、実施の形態２で説明する方法により形成することができる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態５）
本実施の形態では、本発明の一態様の入出力装置に用いることができるトランジスタの構成について、図１９および図２０を参照しながら説明する。具体的には、本実施の形態で説明する半導体膜は、例えば、スイッチＳＷ２に用いることができるトランジスタまたはトランジスタＭなどに用いることができる。
図１９は、本発明の一態様の入出力装置に用いることができるトランジスタのチャネル長（Ｌ）方向の断面図である。
図１９（Ａ）は３つの膜が積層された酸化物半導体膜を有するトランジスタのチャネル長（Ｌ）方向の断面図であり、図１９（Ｂ）は２つの膜が積層された酸化物半導体膜を有するトランジスタのチャネル長（Ｌ）方向の断面図である。
図２０は、酸化物半導体膜およびそれに接する絶縁膜を有する積層膜のバンド構造を説明する模式図である。なお、バンド構造の理解を容易にするために、積層膜を構成する各酸化物半導体膜及び各絶縁膜の伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）を図示する。
図２０（Ａ）は、絶縁膜１０６、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、及び絶縁膜１１４を有する積層構造の膜厚方向のバンド構造の一例である。
また、図２０（Ｂ）は、絶縁膜１０６、酸化物半導体膜１０８ｂ、１０８ｃ、及び絶縁膜１１４を有する積層構造の膜厚方向のバンド構造の一例である。
＜半導体装置の構成例１＞
例えば、２つの絶縁膜の間に挟まれる、３つの膜が積層された半導体膜を、本発明の一態様の入出力装置のトランジスタに用いることができる。具体的には、絶縁膜１０６および絶縁膜１１４の間に挟まれる、酸化物半導体膜１０８ａと、酸化物半導体膜１０８ｂと、酸化物半導体膜１０８ｃと、が積層された半導体膜をトランジスタに用いることができる（図１９（Ａ）および図２０（Ａ）参照）。
酸化物半導体膜１０８ｃは、酸化物半導体膜１０８ａと互いに重なる領域を備え、酸化物半導体膜１０８ｂは、酸化物半導体膜１０８ａおよび酸化物半導体膜１０８ｃの間に挟まれる領域を備える。
絶縁膜１１４は、絶縁膜１０６と互いに重なる領域を備える。
酸化物半導体膜１０８ａは、絶縁膜１０６と接する領域を備え、酸化物半導体膜１０８ｃは、絶縁膜１１４と接する領域を備え、いずれの領域も互いに重なる領域を備える。
また、図２０（Ａ）は、絶縁膜１０６、及び絶縁膜１１４として酸化シリコン膜を用い、酸化物半導体膜１０８ａとして金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用い、酸化物半導体膜１０８ｂとして金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用い、酸化物半導体膜１０８ｃとして金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用いる構成のバンド図である。
＜半導体装置の構成例２＞
例えば、２つの絶縁膜の間に挟まれる、２つの膜が積層された半導体膜を、本発明の一態様の入出力装置のトランジスタに用いることができる。具体的には、絶縁膜１０６および絶縁膜１１４の間に挟まれる、酸化物半導体膜１０８ｂと、酸化物半導体膜１０８ｃと、が積層された半導体膜をトランジスタに用いることができる（図１９（Ｂ）および図２０（Ｂ）参照）。
酸化物半導体膜１０８ｃは、酸化物半導体膜１０８ｂと互いに重なる領域を備える。
絶縁膜１１４は、絶縁膜１０６と互いに重なる領域を備える。
酸化物半導体膜１０８ｂは、絶縁膜１０６と接する領域を備え、酸化物半導体膜１０８ｃは、絶縁膜１１４と接する領域を備え、いずれの領域も互いに重なる領域を備える。
また、図２０（Ｂ）は、絶縁膜１０６、及び絶縁膜１１４として酸化シリコン膜を用い、酸化物半導体膜１０８ｂとして金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用い、酸化物半導体膜１０８ｃとして金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２の金属酸化物ターゲットを用いて形成される金属酸化膜を用いる構成のバンド図である。
＜半導体膜のバンド構造＞
図２０（Ａ）（Ｂ）に示すように、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃにおいて、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようなバンド構造を有するためには、酸化物半導体膜１０８ａと酸化物半導体膜１０８ｂとの界面、または酸化物半導体膜１０８ｂと酸化物半導体膜１０８ｃとの界面において、トラップ中心や再結合中心のような欠陥準位、を形成するような不純物が存在しないとする。
酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃに連続接合を形成するためには、ロードロック室を備えたマルチチャンバー方式の成膜装置（スパッタリング装置）を用いて各膜を大気に触れさせることなく連続して積層することが必要となる。
図２０（Ａ）（Ｂ）に示す構成とすることで酸化物半導体膜１０８ｂがウェル（井戸）となり、上記積層構造を用いたトランジスタにおいて、チャネル領域が酸化物半導体膜１０８ｂに形成されることがわかる。
なお、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃを設けることにより、トラップ準位を酸化物半導体膜１０８ｂより遠ざけることができる。
また、トラップ準位がチャネル領域として機能する酸化物半導体膜１０８ｂの伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）より真空準位から遠くなることがあり、トラップ準位に電子が蓄積しやすくなってしまう。トラップ準位に電子が蓄積されることで、マイナスの固定電荷となり、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。したがって、トラップ準位が酸化物半導体膜１０８ｂの伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）より真空準位に近くなるような構成にすると好ましい。このようにすることで、トラップ準位に電子が蓄積しにくくなり、トランジスタのオン電流を増大させることが可能であると共に、電界効果移動度を高めることができる。
また、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃは、酸化物半導体膜１０８ｂよりも伝導帯下端のエネルギー準位が真空準位に近く、代表的には、酸化物半導体膜１０８ｂの伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃの伝導帯下端のエネルギー準位との差が、０．１５ｅＶ以上、または０．５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、または１ｅＶ以下である。すなわち、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃの電子親和力と、酸化物半導体膜１０８ｂの電子親和力との差が、０．１５ｅＶ以上、または０．５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、または１ｅＶ以下である。
このような構成を有することで、酸化物半導体膜１０８ｂが電流の主な経路となり、チャネル領域として機能する。また、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃは、チャネル領域が形成される酸化物半導体膜１０８ｂを構成する金属元素の一種以上から構成される酸化物半導体膜であるため、酸化物半導体膜１０８ａと酸化物半導体膜１０８ｂとの界面、または酸化物半導体膜１０８ｂと酸化物半導体膜１０８ｃとの界面において、界面散乱が起こりにくい。従って、該界面においてはキャリアの動きが阻害されないため、トランジスタの電界効果移動度が高くなる。
また、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃは、チャネル領域の一部として機能することを防止するため、導電率が十分に低い材料を用いるものとする。または、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃには、電子親和力（真空準位と伝導帯下端のエネルギー準位との差）が酸化物半導体膜１０８ｂよりも小さく、伝導帯下端のエネルギー準位が酸化物半導体膜１０８ｂの伝導帯下端エネルギー準位と差分（バンドオフセット）を有する材料を用いるものとする。また、ドレイン電圧の大きさに依存したしきい値電圧の差が生じることを抑制するためには、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃの伝導帯下端のエネルギー準位が、酸化物半導体膜１０８ｂの伝導帯下端のエネルギー準位よりも真空準位に近い材料を用いると好適である。例えば、酸化物半導体膜１０８ｂの伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物半導体膜１０８ａ、酸化物半導体膜１０８ｃの伝導帯下端のエネルギー準位との差が、０．２ｅＶ以上、好ましくは０．５ｅＶ以上とすることが好ましい。
また、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃは、膜中にスピネル型の結晶構造が含まれないことが好ましい。酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃの膜中にスピネル型の結晶構造を含む場合、該スピネル型の結晶構造と他の領域との界面において、導電膜１１２ａ、１１２ｂの構成元素が酸化物半導体膜１０８ｂへ拡散してしまう場合がある。なお、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃが後述するＣＡＡＣ−ＯＳである場合、導電膜１１２ａ、１１２ｂの構成元素、例えば、銅元素のブロッキング性が高くなり好ましい。
酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃの膜厚は、導電膜１１２ａ、１１２ｂの構成元素が酸化物半導体膜１０８ｂに拡散することを抑制することのできる膜厚以上であって、絶縁膜１１４から酸化物半導体膜１０８ｂへの酸素の供給を抑制する膜厚未満とする。例えば、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃの膜厚が１０ｎｍ以上であると、導電膜１１２ａ、１１２ｂの構成元素が酸化物半導体膜１０８ｂへ拡散するのを抑制することができる。また、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃの膜厚を１００ｎｍ以下とすると、絶縁膜１１４から酸化物半導体膜１０８ｂへ効果的に酸素を供給することができる。
酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）であるとき、ＭをＩｎより高い原子数比で有することで、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃのエネルギーギャップを大きく、電子親和力を小さくしうる。よって、酸化物半導体膜１０８ｂとの電子親和力の差をＭの組成によって制御することが可能となる場合がある。また、Ｍは、酸素との結合力が強い金属元素であるため、これらの元素をＩｎより高い原子数比で有することで、酸素欠損が生じにくくなる。
また、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＺｎおよびＯを除いてのＩｎおよびＭの原子数比率は、好ましくは、Ｉｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％より高く、さらに好ましくは、Ｉｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％より高くする。また、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃとして、酸化ガリウム膜を用いてもよい。
また、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃが、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物半導体膜１０８ｂと比較して、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃに含まれるＭの原子数比が大きく、代表的には、酸化物半導体膜１０８ｂに含まれる上記原子と比較して、１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上高い原子数比である。
また、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃが、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物半導体膜１０８ｂをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１［原子数比］、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２［原子数比］とすると、ｙ２／ｘ２がｙ１／ｘ１よりも大きく、好ましくは、ｙ２／ｘ２がｙ１／ｘ１よりも１．５倍以上である。より好ましくは、ｙ２／ｘ２がｙ１／ｘ１よりも２倍以上大きく、さらに好ましくは、ｙ２／ｘ２がｙ１／ｘ１よりも３倍以上または４倍以上大きい。このとき、酸化物半導体膜１０８ｂにおいて、ｙ１がｘ１以上であると、酸化物半導体膜１０８ｂを用いるトランジスタに安定した電気特性を付与できるため好ましい。ただし、ｙ１がｘ１の３倍以上になると、酸化物半導体膜１０８ｂを用いるトランジスタの電界効果移動度が低下してしまうため、ｙ１はｘ１の３倍未満であると好ましい。
酸化物半導体膜１０８ｂがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物半導体膜１０８ｂを成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１とすると、ｘ１／ｙ１は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であって、ｚ１／ｙ１は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であることが好ましい。なお、ｚ１／ｙ１を１以上６以下とすることで、酸化物半導体膜１０８ｂとして後述のＣＡＡＣ−ＯＳが形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：４．１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２等がある。
また、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃを成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２とすると、ｘ２／ｙ２＜ｘ１／ｙ１であって、ｚ２／ｙ２は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であることが好ましい。また、Ｉｎに対するＭの原子数比率を大きくすることで、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃのエネルギーギャップを大きく、電子親和力を小さくすることが可能であるため、ｙ２／ｘ２を３以上、または４以上とすることが好ましい。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：５、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：５、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：５：５等がある。
また、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃがＩｎ−Ｍ酸化物の場合、Ｍとして２価の金属原子（例えば、亜鉛など）を含まない構成とすることで、スピネル型の結晶構造を含有しない酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃを形成することができる。また、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃとしては、例えば、Ｉｎ−Ｇａ酸化物膜を用いることができる。該Ｉｎ−Ｇａ酸化物膜としては、例えば、Ｉｎ−Ｇａ金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ＝７：９３）を用いて、スパッタリング法により形成することができる。また、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｃを、ＤＣ放電を用いたスパッタリング法で成膜するためには、Ｉｎ：Ｍ＝ｘ：ｙ［原子数比］としたときに、ｙ／（ｘ＋ｙ）を０．９６以下、好ましくは０．９５以下、例えば０．９３とするとよい。
なお、酸化物半導体膜１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃの原子数比はそれぞれ、誤差として上記の原子数比のプラスマイナス４０％の変動を含む。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態６）
本実施の形態では、本発明の一態様の情報処理装置の構成について、図２１乃至図２３を参照しながら説明する。
図２１（Ａ）は、情報処理装置２００の構成を説明するブロック図である。図２１（Ｂ）および図２１（Ｃ）は、情報処理装置２００の外観の一例を説明する投影図である。
図２２（Ａ）は、表示部２３０の構成を説明するブロック図である。図２２（Ｂ）は、表示部２３０Ｂの構成を説明するブロック図である。図２２（Ｃ）は、画素２３２（ｉ，ｊ）の構成を説明する回路図である。
＜情報処理装置の構成例＞
本実施の形態で説明する情報処理装置２００は、入出力装置２２０と、演算装置２１０と、を有する（図２１（Ａ）参照）。
入出力装置２２０は、位置情報Ｐ１および圧力情報を供給する機能を備え、画像情報Ｖ１および制御情報を供給される機能を備える。例えば、筐体に押し込むことができるように配設された竜頭または竜頭等と接する感圧検知器等を用いることができる。
演算装置２１０は、位置情報Ｐ１および圧力情報を供給され、画像情報Ｖ１および制御情報を供給する機能を備える。
演算装置２１０は、圧力情報に基づいて、画像情報Ｖ１および制御情報を生成する機能を備える。
入出力装置２２０は、画像情報Ｖ１を表示する表示部２３０、位置情報Ｐ１を供給する入力部２４０および圧力情報を供給する検知部２５０を備える。
表示部２３０は、表示パネルを備え、検知部２５０は、感圧検知器および感圧検知器の信号に基づいて圧力情報を生成する機能を備える。
また、演算装置２１０は、演算部２１１と、記憶部２１２と、を有する。
記憶部２１２は、演算部２１１に実行させるプログラムを記憶する。
プログラムは、所定の閾値を超える圧力情報が供給される場合に、第１のモードを選択するステップを備える。また、プログラムは、所定の閾値を超える圧力情報が所定の期間を超えて供給されない場合に、第２のモードを選択するステップと、を備える。
演算部２１１は、第１のモードを選択している場合に供給する制御信号とは異なる制御信号を、第２のモードを選択している場合に供給する機能を備える。
また、制御信号は、表示パネルの表示を更新する信号を含む。
演算装置２１０は、第２のモードを選択している場合に、第１のモードを選択している場合より低い頻度で表示パネルの表示を更新するように、制御信号を供給する機能を備える。
上記本発明の一態様の情報処理装置は、圧力情報を供給する入出力装置と、圧力情報に基づいて異なる制御情報を供給する演算装置と、を有する。
これにより、情報処理装置を例えば押圧して、情報処理装置を異なるモードで動作させることができる。その結果、利便性または信頼性に優れた新規な情報処理装置を提供することができる。
＜構成＞
本発明の一態様は、演算装置２１０または入出力装置２２０を備える。
《演算装置２１０》
演算装置２１０は、演算部２１１および記憶部２１２を備える。また、伝送路２１４および入出力インターフェース２１５を備える（図２１（Ａ）参照）。
《演算部２１１》
演算部２１１は、例えばプログラムを実行する機能を備える。例えば、実施の形態５で説明するＣＰＵを用いることができる。これにより、消費電力を十分に低減することができる。
《記憶部２１２》
記憶部２１２は、例えば演算部２１１が実行するプログラム、初期情報、設定情報または画像等を記憶する機能を有する。
具体的には、ハードディスク、フラッシュメモリまたは酸化物半導体を含むトランジスタを用いたメモリ等を用いることができる。
《入出力インターフェース２１５、伝送路２１４》
入出力インターフェース２１５は端子または配線を備え、情報を供給し、情報を供給される機能を備える。例えば、伝送路２１４と電気的に接続することができる。また、入出力装置２２０と電気的に接続することができる。
伝送路２１４は配線を備え、情報を供給し、情報を供給される機能を備える。例えば、入出力インターフェース２１５と電気的に接続することができる。また、演算部２１１、記憶部２１２または入出力インターフェース２１５と電気的に接続することができる。
《入出力装置２２０》
入出力装置２２０は、表示部２３０、入力部２４０、検知部２５０または通信部２９０を備える。例えば、実施の形態１で説明する入出力装置を用いることができる。これにより、消費電力を低減することができる。
《表示部２３０》
表示部２３０は、表示領域２３１と、駆動回路ＧＤと、駆動回路ＳＤと、を有する（図２２（Ａ）参照）。
表示領域２３１は、行方向に配設される複数の画素２３２（ｉ，１）乃至２３２（ｉ，ｎ）と、列方向に配設される複数の画素２３２（１，ｊ）乃至２３２（ｍ，ｊ）と、複数の画素２３２（ｉ，１）乃至２３２（ｉ，ｎ）と電気的に接続される走査線Ｇ１（ｉ）および走査線Ｇ２（ｉ）と、複数の画素２３２（１，ｊ）乃至２３２（ｍ，ｊ）と電気的に接続される信号線Ｓ１（ｊ）および信号線Ｓ２（ｊ）と、を備える。なお、ｉは１以上ｍ以下の整数であり、ｊは１以上ｎ以下の整数であり、ｍおよびｎは１以上の整数である。
なお、画素２３２（ｉ，ｊ）は、走査線Ｇ１（ｉ）、走査線Ｇ２（ｉ）、信号線Ｓ１（ｊ）信号線Ｓ２（ｊ）、配線ＡＮＯ、配線ＣＳＣＯＭ、配線ＶＣＯＭ１および配線ＶＣＯＭ２と電気的に接続される（図２２（Ｃ）参照）。
また、表示部は、複数の駆動回路を有することができる。例えば、表示部２３０Ｂは、駆動回路ＧＤＡおよび駆動回路ＧＤＢを有することができる（図２２（Ｂ）参照）。
《駆動回路ＧＤ》
駆動回路ＧＤは、制御情報に基づいて選択信号を供給する機能を有する。
一例を挙げれば、制御情報に基づいて、３０Ｈｚ以上、好ましくは６０Ｈｚ以上の頻度で一の走査線に選択信号を供給する機能を備える。これにより、動画像をなめらかに表示することができる。
例えば、制御情報に基づいて、３０Ｈｚ未満、好ましくは１Ｈｚ未満より好ましくは一分に一回未満の頻度で一の走査線に選択信号を供給する機能を備える。これにより、フリッカーが抑制された状態で静止画像を表示することができる。
また、例えば、複数の駆動回路を備える場合、駆動回路ＧＤＡが選択信号を供給する頻度と、駆動回路ＧＤＢが選択信号を供給する頻度を、異ならせることができる。具体的には、動画像を滑らかに表示する領域に、静止画像をフリッカーが抑制された状態で表示する領域より高い頻度で選択信号を供給することができる。
《駆動回路ＳＤ》
駆動回路ＳＤは、画像情報Ｖ１に基づいて画像信号を供給する機能を有する。
《画素２３２（ｉ，ｊ）》
画素２３２（ｉ，ｊ）は、第１の表示素子２３５ＬＣおよび第１の表示素子２３５ＬＣと重なる第２の表示素子２３５ＥＬを備える。また、第１の表示素子２３５ＬＣおよび第２の表示素子２３５ＥＬを駆動する画素回路を備える（図２２（Ｃ）参照）。
《第１の表示素子２３５ＬＣ》
例えば、光の反射または透過を制御する機能を備える表示素子を、第１の表示素子２３５ＬＣに用いることができる。例えば、液晶素子と偏光板を組み合わせた構成またはシャッター方式のＭＥＭＳ表示素子等を用いることができる。反射型の表示素子を用いることにより、表示パネルの消費電力を抑制することができる。具体的には、反射型の液晶表示素子を第１の表示素子２３５ＬＣに用いることができる。
第１の表示素子２３５ＬＣは、第１電極と、第２電極と、液晶層と、を有する。液晶層は、第１電極および第２電極の間の電圧を用いて配向を制御することができる液晶材料を含む。例えば、液晶層の厚さ方向（縦方向ともいう）、縦方向と交差する方向（横方向または斜め方向ともいう）の電界を、液晶材料の配向を制御する電界に用いることができる。
《第２の表示素子２３５ＥＬ》
例えば、光を射出する機能を備える表示素子を第２の表示素子２３５ＥＬに用いることができる。具体的には、有機ＥＬ素子を用いることができる。
具体的には、白色の光を射出する機能を備える有機ＥＬ素子を第２の表示素子２３５ＥＬに用いることができる。または、青色の光、緑色の光または赤色の光を射出する有機ＥＬ素子を第２の表示素子２３５ＥＬに用いることができる。
《画素回路》
第１の表示素子２３５ＬＣまたは第２の表示素子２３５ＥＬを駆動する機能を備える回路を画素回路に用いることができる。
スイッチ、トランジスタ、ダイオード、抵抗素子、インダクタまたは容量素子等を画素回路に用いることができる。
例えば、単数または複数のトランジスタをスイッチに用いることができる。または、並列に接続された複数のトランジスタ、直列に接続された複数のトランジスタ、直列と並列が組み合わされて接続された複数のトランジスタを、一のスイッチに用いることができる。
《トランジスタ》
例えば、同一の工程で形成することができる半導体膜を駆動回路および画素回路のトランジスタに用いることができる。
例えば、ボトムゲート型のトランジスタまたはトップゲート型のトランジスタなどを用いることができる。
ところで、例えば、アモルファスシリコンを半導体に用いるボトムゲート型のトランジスタの製造ラインは、酸化物半導体を半導体に用いるボトムゲート型のトランジスタの製造ラインに容易に改造できる。また、例えばポリシリコンを半導体に用いるトップゲート型の製造ラインは、酸化物半導体を半導体に用いるトップゲート型のトランジスタの製造ラインに容易に改造できる。
例えば、１４族の元素を含む半導体を用いるトランジスタを利用することができる。具体的には、シリコンを含む半導体を半導体膜に用いることができる。例えば、単結晶シリコン、ポリシリコン、微結晶シリコンまたはアモルファスシリコンなどを半導体膜に用いたトランジスタを用いることができる。
なお、半導体にポリシリコンを用いるトランジスタの作製に要する温度は、半導体に単結晶シリコンを用いるトランジスタに比べて低い。
また、ポリシリコンを半導体に用いるトランジスタの電界効果移動度は、アモルファスシリコンを半導体に用いるトランジスタに比べて高い。これにより、画素の開口率を向上することができる。また、極めて高い精細度で設けられた画素と、ゲート駆動回路およびソース駆動回路を同一の基板上に形成することができる。その結果、電子機器を構成する部品数を低減することができる。
また、ポリシリコンを半導体に用いるトランジスタの信頼性は、アモルファスシリコンを半導体に用いるトランジスタに比べて優れる。
例えば、酸化物半導体を用いるトランジスタを利用することができる。具体的には、インジウムを含む酸化物半導体またはインジウムとガリウムと亜鉛を含む酸化物半導体を半導体膜に用いることができる。
一例を挙げれば、オフ状態におけるリーク電流が、半導体膜にアモルファスシリコンを用いたトランジスタより小さいトランジスタを用いることができる。具体的には、半導体膜に酸化物半導体を用いたトランジスタを用いることができる。
これにより、画素回路が画像信号を保持することができる時間を、アモルファスシリコンを半導体膜に用いたトランジスタを利用する画素回路が保持することができる時間より長くすることができる。具体的には、フリッカーの発生を抑制しながら、選択信号を３０Ｈｚ未満、好ましくは１Ｈｚ未満より好ましくは一分に一回未満の頻度で供給することができる。その結果、情報処理装置の使用者に蓄積する疲労を低減することができる。また、駆動に伴う消費電力を低減することができる。
また、例えば、化合物半導体を用いるトランジスタを利用することができる。具体的には、ガリウムヒ素を含む半導体を半導体膜に用いることができる。
例えば、有機半導体を用いるトランジスタを利用することができる。具体的には、ポリアセン類またはグラフェンを含む有機半導体を半導体膜に用いることができる。
《入力部２４０》
さまざまなヒューマンインターフェイス等を入力部２４０に用いることができる（図２１（Ａ）参照）。
例えば、キーボード、マウス、タッチセンサ、マイクまたはカメラ等を入力部２４０に用いることができる。なお、表示部２３０に重なる領域を備えるタッチセンサを用いることができる。表示部２３０と表示部２３０に重なる領域を備えるタッチセンサを備える入出力装置を、タッチパネルということができる。
例えば、使用者は、タッチパネルに触れた指をポインタに用いて様々なジェスチャー（タップ、ドラッグ、スワイプまたはピンチイン等）をすることができる。
例えば、演算装置２１０は、タッチパネルに接触する指の位置または軌跡等の情報を解析し、解析結果が所定の条件を満たすとき、特定のジェスチャーが供給されたとすることができる。これにより、使用者は、所定のジェスチャーにあらかじめ関連付けられた所定の操作命令を、当該ジェスチャーを用いて供給できる。
一例を挙げれば、使用者は、画像情報の表示位置を変更する「スクロール命令」を、タッチパネルに沿ってタッチパネルに接触する指を移動するジェスチャーを用いて供給できる。
《検知部２５０》
検知部２５０は、周囲の状態を検知して情報Ｐ２を供給する機能を備える。具体的には、圧力情報等を供給できる。
例えば、カメラ、加速度センサ、方位センサ、圧力センサ、温度センサ、湿度センサ、照度センサまたはＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）信号受信回路等を、検知部２５０に用いることができる。
例えば、検知部２５０の照度センサが検知した周囲の明るさを、演算装置２１０が、所定の照度と比較して十分に明るいと判断した場合、画像情報を第１の表示素子２３５ＬＣを使用して表示する。または、薄暗いと判断した場合、画像情報を第１の表示素子２３５ＬＣおよび第２の表示素子２３５ＥＬを使用して表示する。または、暗いと判断した場合、画像情報を第２の表示素子２３５ＥＬを使用して表示する。
具体的には、反射型の液晶素子または／および有機ＥＬ素子を用いて、周囲の明るさに基づいて画像を表示する。
これにより、例えば、外光の強い環境において反射型の表示素子を用い、薄暗い環境において自発光型の表示素子を用いて画像情報を表示することができる。その結果、消費電力が低減された、利便性または信頼性に優れた新規な情報処理装置を提供することができる。
例えば、環境光の色度を検出する機能を備えるセンサを検知部２５０に用いることができる。具体的には、ＣＣＤカメラ等を用いることができる。これにより、例えば、検知部２５０が検出した環境光の色度に基づいて、ホワイトバランスの偏りを補うことができる。
具体的には、第１のステップにおいて、環境光のホワイトバランスの偏りを検知する。
第２のステップにおいて、第１の表示素子を用いて環境光を反射して表示する画像に不足する色の光の強さを予測する。
第３のステップにおいて、第１の表示素子を用いて環境光を反射し、第２の表示素子を用いて不足する色の光を補うように光を射出して、画像を表示する。
これにより、ホワイトバランスが偏った環境光を第１の表示素子が反射する光と、第２の表示素子が射出する光を用いて、ホワイトバランスの偏りが補正された表示をすることができる。その結果、消費電力が低減された、またはホワイトバランスが整えられた画像を表示することができる、利便性または信頼性に優れた新規な情報処理装置を提供することができる。
《通信部２９０》
通信部２９０は、ネットワークに情報を供給し、ネットワークから情報を取得する機能を備える。
＜プログラム＞
図２３を参照しながら、本発明の一態様を、本発明の一態様のプログラムを用いて説明する。
図２３（Ａ）は、本発明の一態様のプログラムの主の処理を説明するフローチャートであり、図２３（Ｂ）は、割り込み処理を説明するフローチャートである。
本発明の一態様のプログラムは、下記のステップを有するプログラムである（図２３（Ａ）参照）。
《第１のステップ》
第１のステップにおいて、設定を初期化する（図２３（Ａ）（Ｓ１）参照）。
例えば、起動時に表示する所定の画像情報と、当該画像情報を表示する方法を特定する情報と、を記憶部２１２から取得する。具体的には、静止画像を所定の画像情報に用いることができる。また、動画像を用いる場合より低い頻度で画像情報を更新する方法を、画像情報を表示する方法に用いることができる。
《第２のステップ》
第２のステップにおいて、割り込み処理を許可する（図２３（Ａ）（Ｓ２）参照）。なお、割り込み処理が許可された演算装置は、主の処理と並行して割り込み処理を行うことができる。割り込み処理から主の処理に復帰した演算装置は、割り込み処理をして得た結果を主の処理に反映することができる。
なお、カウンタの値が初期値であるとき、演算装置に割り込み処理をさせ、割り込み処理から復帰する際に、カウンタを初期値以外の値としてもよい。これにより、プログラムを起動した後に常に割り込み処理をさせることができる。
《第３のステップ》
第３のステップにおいて、第１のステップまたは割り込み処理において選択された、所定のモードで画像情報を表示する（図２３（Ａ）（Ｓ３）参照）。なお、モードは画像情報を表示する方法を特定する。
例えば、第１のモードまたは第２のモードを選択することができる。
《第１のモード》
具体的には、３０Ｈｚ以上、好ましくは６０Ｈｚ以上の頻度で一の走査線に選択信号を供給し、選択信号に基づいて表示をする方法を、第１のモードに用いることができる。
３０Ｈｚ以上、好ましくは６０Ｈｚ以上の頻度で選択信号を供給すると、動画像の動きを滑らかに表示することができる。
例えば、３０Ｈｚ以上、好ましくは６０Ｈｚ以上の頻度で画像を更新すると、使用者の操作に滑らかに追従するように変化する画像を、使用者が操作中の情報処理装置２００に表示することができる。
《第２のモード》
具体的には、３０Ｈｚ未満、好ましくは１Ｈｚ未満より好ましくは一分に一回未満の頻度で一の走査線に選択信号を供給し、選択信号に基づいて表示をする方法を、第２のモードに用いることができる。
３０Ｈｚ未満、好ましくは１Ｈｚ未満より好ましくは一分に一回未満の頻度で選択信号を供給すると、フリッカーまたはちらつきが抑制された表示をすることができる。また、消費電力を低減することができる。
ところで、例えば、発光素子を第２の表示素子に用いる場合、発光素子をパルス状に発光させて、画像情報を表示することができる。具体的には、パルス状に有機ＥＬ素子を発光させて、その残光を表示に用いることができる。有機ＥＬ素子は優れた周波数特性を備えるため、発光素子を駆動する時間を短縮し、消費電力を低減することができる場合がある。または、発熱が抑制されるため、発光素子の劣化を軽減することができる場合がある。
例えば、情報処理装置２００を時計に用いる場合、１秒に一回の頻度または１分に一回の頻度で表示を更新することができる。
《第４のステップ》
第４のステップにおいて、終了命令が供給された場合は第５のステップに進み、終了命令が供給されなかった場合は第３のステップに進むように選択する（図２３（Ａ）（Ｓ４）参照）。
例えば、割り込み処理において供給された終了命令を用いてもよい。
《第５のステップ》
第５のステップにおいて、終了する（図２３（Ａ）（Ｓ５）参照）。
《割り込み処理》
割り込み処理は以下の第６のステップ乃至第８のステップを備える（図２３（Ｂ）参照）。
《第６のステップ》
第６のステップにおいて、所定のイベントが供給された場合は、第７のステップに進み、所定のイベントが供給されなかった場合は、第８のステップに進む（図２３（Ｂ）（Ｓ６）参照）。例えば、所定の期間に所定のイベントが供給されたか否かを条件に用いることができる。具体的には、５秒以下、１秒以下または０．５秒以下好ましくは０．１秒以下であって０秒より長い期間を所定の期間とすることができる。
《第７のステップ》
第７のステップにおいて、モードを変更する（図２３（Ｂ）（Ｓ７）参照）。具体的には、第１のモードを選択していた場合は、第２のモードを選択し、第２のモードを選択していた場合は、第１のモードを選択する。
《第８のステップ》
第８のステップにおいて、割り込み処理を終了する（図２３（Ｂ）（Ｓ８）参照）。
《所定のイベント》
例えば、マウス等のポインティング装置を用いて供給する、「クリック」や「ドラッグ」等のイベント、指等をポインタに用いてタッチパネルに供給する、「タップ」、「ドラッグ」または「スワイプ」等のイベントを所定のイベントに用いることができる。
例えば、ポインタが指し示すスライドバーの位置、スワイプの速度、ドラッグの速度等を用いて、所定のイベントに関連付けられた命令の引数を与えることができる。
例えば、検知部２５０が検知した情報を設定された閾値と比較して、比較結果をイベントに用いることができる。
具体的には、筐体に押し込むことができるように配設された竜頭または竜頭等と接する感圧検知器等を用いることができる（図２１（Ｂ）参照）。
具体的には、筐体に設けられた光電変換素子等を用いることができる（図２１（Ｃ）参照）。
《所定のイベントに関連付ける命令》
例えば、終了命令を、特定のイベントに関連付けることができる。
例えば、表示されている一の画像情報から他の画像情報に表示を切り替える「ページめくり命令」を、所定のイベントに関連付けることができる。なお、「ページめくり命令」を実行する際に用いるページをめくる速度などを決定する引数を、所定のイベントを用いて与えることができる。
例えば、一の画像情報の表示されている一部分の表示位置を移動して、一部分に連続する他の部分を表示する「スクロール命令」などを、所定のイベントに関連付けることができる。なお、「スクロール命令」を実行する際に用いる表示を移動する速度などを決定する引数を、所定のイベントを用いて与えることができる。
例えば、画像情報を生成する命令などを、所定のイベントに関連付けることができる。なお、生成する画像の明るさを決定する引数を、検知部２５０が検知する環境の明るさに基づいて決定してもよい。
例えば、プッシュ型のサービスを用いて配信される情報を、通信部２９０を用いて取得する命令などを、所定のイベントに関連付けることができる。なお、情報を取得する資格の有無の判断に、検知部２５０が検知する位置情報を用いてもよい。具体的には、特定の教室、学校、会議室、企業、建物等の内部または領域にいる場合に、情報を取得する資格を有すると判断してもよい（図２１（Ｃ）参照）。例えば、学校または大学等の教室で配信される教材を受信して表示して、情報処理装置２００を教科書等に用いることができる。または、企業等の会議室で配信される資料を受信して表示することができる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態７）
本実施の形態では、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置（記憶装置）、およびそれを含むＣＰＵについて説明する。本実施の形態で説明するＣＰＵは、例えば、実施の形態６で説明する情報処理装置に用いる事が出来る。
＜記憶装置＞
電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置（記憶装置）の一例を図２４に示す。なお、図２４（Ｂ）は図２４（Ａ）を回路図で表したものである。
図２４（Ａ）及び（Ｂ）に示す半導体装置は、第１の半導体材料を用いたトランジスタ３２００と第２の半導体材料を用いたトランジスタ３３００、および容量素子３４００を有している。
第１の半導体材料と第２の半導体材料は異なるエネルギーギャップを持つ材料とすることが好ましい。例えば、第１の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料（シリコン（歪シリコン含む）、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、有機半導体など）とし、第２の半導体材料を酸化物半導体とすることができる。酸化物半導体以外の材料として単結晶シリコンなどを用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が低い。
トランジスタ３３００は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ３３００は、オフ電流が小さいため、これを用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、或いは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導体記憶装置とすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。
図２４（Ｂ）において、第１の配線３００１はトランジスタ３２００のソース電極と電気的に接続され、第２の配線３００２はトランジスタ３２００のドレイン電極と電気的に接続されている。また、第３の配線３００３はトランジスタ３３００のソース電極またはドレイン電極の一方と電気的に接続され、第４の配線３００４はトランジスタ３３００のゲート電極と電気的に接続されている。そして、トランジスタ３２００のゲート電極、およびトランジスタ３３００のソース電極またはドレイン電極の他方は、容量素子３４００の電極の一方と電気的に接続され、第５の配線３００５は容量素子３４００の電極の他方と電気的に接続されている。
図２４（Ａ）に示す半導体装置では、トランジスタ３２００のゲート電極の電位が保持可能という特徴を活かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第４の配線３００４の電位を、トランジスタ３３００がオン状態となる電位にして、トランジスタ３３００をオン状態とする。これにより、第３の配線３００３の電位が、トランジスタ３２００のゲート電極、および容量素子３４００に与えられる。すなわち、トランジスタ３２００のゲート電極には、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下Ｌｏｗレベル電荷、Ｈｉｇｈレベル電荷という）のいずれかが与えられるものとする。その後、第４の配線３００４の電位を、トランジスタ３３００がオフ状態となる電位にして、トランジスタ３３００をオフ状態とすることにより、トランジスタ３２００のゲート電極に与えられた電荷が保持される（保持）。
トランジスタ３３００のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタ３２００のゲート電極の電荷は長時間にわたって保持される。
次に情報の読み出しについて説明する。第１の配線３００１に所定の電位（定電位）を与えた状態で、第５の配線３００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、トランジスタ３２００のゲート電極に保持された電荷量に応じて、第２の配線３００２は異なる電位をとる。一般に、トランジスタ３２００をｎチャネル型とすると、トランジスタ３２００のゲート電極にＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタ３２００のゲート電極にＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Ｖｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけのしきい値電圧とは、トランジスタ３２００を「オン状態」とするために必要な第５の配線３００５の電位をいうものとする。したがって、第５の配線３００５の電位をＶｔｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ０とすることにより、トランジスタ３２００のゲート電極に与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、Ｈｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ３２００は「オン状態」となる。Ｌｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ０（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ３２００は「オフ状態」のままである。このため、第２の配線３００２の電位を判別することで、保持されている情報を読み出すことができる。
なお、メモリセルをアレイ状に配置して用いる場合、所望のメモリセルの情報のみを読み出せることが必要になる。例えば、情報を読み出さないメモリセルにおいては、ゲート電極に与えられている電位にかかわらずトランジスタ３２００が「オフ状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｈより小さい電位を第５の配線３００５に与えることで所望のメモリセルの情報のみを読み出せる構造とすればよい。または、情報を読み出さないメモリセルにおいては、ゲート電極に与えられている電位にかかわらず、トランジスタ３２００が「オン状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｌより大きい電位を第５の配線３００５に与えることで所望のメモリセルの情報のみを読み出せる構成とすればよい。
図２４（Ｃ）に示す半導体装置は、トランジスタ３２００を設けていない点で図２４（Ａ）と相違している。この場合も上記と同様の動作により情報の書き込みおよび保持動作が可能である。
次に、図２４（Ｃ）に示す半導体装置の情報の読み出しについて説明する。トランジスタ３３００がオン状態となると、浮遊状態である第３の配線３００３と容量素子３４００とが導通し、第３の配線３００３と容量素子３４００の間で電荷が再分配される。その結果、第３の配線３００３の電位が変化する。第３の配線３００３の電位の変化量は、容量素子３４００の電極の一方の電位（または容量素子３４００に蓄積された電荷）によって、異なる値をとる。
例えば、容量素子３４００の電極の一方の電位をＶ、容量素子３４００の容量をＣ、第３の配線３００３が有する容量成分をＣＢ、電荷が再分配される前の第３の配線３００３の電位をＶＢ０とすると、電荷が再分配された後の第３の配線３００３の電位は、（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ）／（ＣＢ＋Ｃ）となる。従って、メモリセルの状態として、容量素子３４００の電極の一方の電位がＶ１とＶ０（Ｖ１＞Ｖ０）の２状態をとるとすると、電位Ｖ１を保持している場合の第３の配線３００３の電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ１）／（ＣＢ＋Ｃ））は、電位Ｖ０を保持している場合の第３の配線３００３の電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ０）／（ＣＢ＋Ｃ））よりも高くなることがわかる。
そして、第３の配線３００３の電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができる。
この場合、メモリセルを駆動させるための駆動回路に上記第１の半導体材料が適用されたトランジスタを用い、トランジスタ３３００として第２の半導体材料が適用されたトランジスタを駆動回路上に積層して設ける構成とすればよい。
本実施の形態に示す半導体装置では、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたオフ電流の極めて小さいトランジスタを適用することで、極めて長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合（ただし、電位は固定されていることが望ましい）であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
また、本実施の形態に示す半導体装置では、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため、ゲート絶縁膜の劣化といった問題が全く生じない。すなわち、本実施の形態に示す半導体装置では、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。
なお、上記の記憶装置は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）の他に、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、カスタムＬＳＩ、ＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）等のＬＳＩ、ＲＦ−ＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）にも応用可能である。
＜ＣＰＵ＞
図２５に示す半導体装置１４００は、ＣＰＵコア１４０１、パワーマネージメントユニット１４２１および周辺回路１４２２を有する。パワーマネージメントユニット１４２１は、パワーコントローラ１４０２、およびパワースイッチ１４０３を有する。周辺回路１４２２は、キャッシュメモリを有するキャッシュ１４０４、バスインターフェース（ＢＵＳ Ｉ／Ｆ）１４０５、及びデバッグインターフェース（Ｄｅｂｕｇ Ｉ／Ｆ）１４０６を有する。ＣＰＵコア１４０１は、データバス１４２３、制御装置１４０７、ＰＣ（プログラムカウンタ）１４０８、パイプラインレジスタ１４０９、パイプラインレジスタ１４１０、ＡＬＵ（Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｌｏｇｉｃ ｕｎｉｔ）１４１１、及びレジスタファイル１４１２を有する。ＣＰＵコア１４０１と、キャッシュ１４０４等の周辺回路１４２２とのデータのやり取りは、データバス１４２３を介して行われる。
半導体装置（セル）は、パワーコントローラ１４０２、制御装置１４０７をはじめ、多くの論理回路に適用することができる。特に、スタンダードセルを用いて構成することができる全ての論理回路に適用することができる。その結果、小型の半導体装置１４００を提供できる。また、消費電力低減することが可能な半導体装置１４００を提供できる。また、動作速度を向上することが可能な半導体装置１４００を提供できる。また、電源電圧の変動を低減することが可能な半導体装置１４００を提供できる。
半導体装置（セル）に、ｐチャネル型Ｓｉトランジスタと、先の実施の形態に記載の酸化物半導体（好ましくはＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物）をチャネル形成領域に含むトランジスタとを用い、該半導体装置（セル）を半導体装置１４００に適用することで、小型の半導体装置１４００を提供できる。また、消費電力を低減することが可能な半導体装置１４００を提供できる。また、動作速度を向上することが可能な半導体装置１４００を提供できる。特に、Ｓｉトランジスタはｐチャネル型のみとすることで、製造コストを低く抑えることができる。
制御装置１４０７は、ＰＣ１４０８、パイプラインレジスタ１４０９、パイプラインレジスタ１４１０、ＡＬＵ１４１１、レジスタファイル１４１２、キャッシュ１４０４、バスインターフェース１４０５、デバッグインターフェース１４０６、及びパワーコントローラ１４０２の動作を統括的に制御することで、入力されたアプリケーションなどのプログラムに含まれる命令をデコードし、実行する機能を有する。
ＡＬＵ１４１１は、四則演算、論理演算などの各種演算処理を行う機能を有する。
キャッシュ１４０４は、使用頻度の高いデータを一時的に記憶しておく機能を有する。ＰＣ１４０８は、次に実行する命令のアドレスを記憶する機能を有するレジスタである。なお、図２５では図示していないが、キャッシュ１４０４には、キャッシュメモリの動作を制御するキャッシュコントローラが設けられている。
パイプラインレジスタ１４０９は、命令データを一時的に記憶する機能を有するレジスタである。
レジスタファイル１４１２は、汎用レジスタを含む複数のレジスタを有しており、メインメモリから読み出されたデータ、またはＡＬＵ１４１１の演算処理の結果得られたデータ、などを記憶することができる。
パイプラインレジスタ１４１０は、ＡＬＵ１４１１の演算処理に利用するデータ、またはＡＬＵ１４１１の演算処理の結果得られたデータなどを一時的に記憶する機能を有するレジスタである。
バスインターフェース１４０５は、半導体装置１４００と半導体装置１４００の外部にある各種装置との間におけるデータの経路としての機能を有する。デバッグインターフェース１４０６は、デバッグの制御を行うための命令を半導体装置１４００に入力するための信号の経路としての機能を有する。
パワースイッチ１４０３は、半導体装置１４００が有する、パワーコントローラ１４０２以外の各種回路への、電源電圧の供給を制御する機能を有する。上記各種回路は、幾つかのパワードメインにそれぞれ属しており、同一のパワードメインに属する各種回路は、パワースイッチ１４０３によって電源電圧の供給の有無が制御される。また、パワーコントローラ１４０２はパワースイッチ１４０３の動作を制御する機能を有する。
上記構成を有する半導体装置１４００は、パワーゲーティングを行うことが可能である。パワーゲーティングの動作の流れについて、一例を挙げて説明する。
まず、ＣＰＵコア１４０１が、電源電圧の供給を停止するタイミングを、パワーコントローラ１４０２のレジスタに設定する。次いで、ＣＰＵコア１４０１からパワーコントローラ１４０２へ、パワーゲーティングを開始する旨の命令を送る。次いで、半導体装置１４００内に含まれる各種レジスタとキャッシュ１４０４が、データの退避を開始する。次いで、半導体装置１４００が有するパワーコントローラ１４０２以外の各種回路への電源電圧の供給が、パワースイッチ１４０３により停止される。次いで、割込み信号がパワーコントローラ１４０２に入力されることで、半導体装置１４００が有する各種回路への電源電圧の供給が開始される。なお、パワーコントローラ１４０２にカウンタを設けておき、電源電圧の供給が開始されるタイミングを、割込み信号の入力に依らずに、当該カウンタを用いて決めるようにしてもよい。次いで、各種レジスタとキャッシュ１４０４が、データの復帰を開始する。次いで、制御装置１４０７における命令の実行が再開される。
このようなパワーゲーティングは、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ、または複数の論理回路において行うことができる。また、短い時間でも電源の供給を停止することができる。このため、空間的に、あるいは時間的に細かい粒度で消費電力の削減を行うことができる。
パワーゲーティングを行う場合、ＣＰＵコア１４０１や周辺回路１４２２が保持する情報を短期間に退避できることが好ましい。そうすることで、短期間に電源のオンオフが可能となり、省電力の効果が大きくなる。
ＣＰＵコア１４０１や周辺回路１４２２が保持する情報を短期間に退避するためには、フリップフロップ回路がその回路内でデータ退避できることが好ましい（バックアップ可能なフリップフロップ回路と呼ぶ）。また、ＳＲＡＭセルがセル内でデータ退避できることが好ましい（バックアップ可能なＳＲＡＭセルと呼ぶ）。バックアップ可能なフリップフロップ回路やＳＲＡＭセルは、酸化物半導体（好ましくはＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物）をチャネル形成領域に含むトランジスタを有することが好ましい。その結果、トランジスタが低いオフ電流を有することで、バックアップ可能なフリップフロップ回路やＳＲＡＭセルは長期間電源供給なしに情報を保持することができる。また、トランジスタが高速なスイッチング速度を有することで、バックアップ可能なフリップフロップ回路やＳＲＡＭセルは短期間のデータ退避および復帰が可能となる場合がある。
バックアップ可能なフリップフロップ回路の例について、図２６を用いて説明する。
図２６に示す半導体装置１５００は、バックアップ可能なフリップフロップ回路の一例である。半導体装置１５００は、第１の記憶回路１５０１と、第２の記憶回路１５０２と、第３の記憶回路１５０３と、読み出し回路１５０４と、を有する。半導体装置１５００には、電位Ｖ１と電位Ｖ２の電位差が、電源電圧として供給される。電位Ｖ１と電位Ｖ２は一方がハイレベルであり、他方がローレベルである。以下、電位Ｖ１がローレベル、電位Ｖ２がハイレベルの場合を例に挙げて、半導体装置１５００の構成例について説明するものとする。
第１の記憶回路１５０１は、半導体装置１５００に電源電圧が供給されている期間において、データを含む信号Ｄが入力されると、当該データを保持する機能を有する。そして、半導体装置１５００に電源電圧が供給されている期間において、第１の記憶回路１５０１からは、保持されているデータを含む信号Ｑが出力される。一方、第１の記憶回路１５０１は、半導体装置１５００に電源電圧が供給されていない期間においては、データを保持することができない。すなわち、第１の記憶回路１５０１は、揮発性の記憶回路と呼ぶことができる。
第２の記憶回路１５０２は、第１の記憶回路１５０１に保持されているデータを読み込んで記憶する（あるいは退避する）機能を有する。第３の記憶回路１５０３は、第２の記憶回路１５０２に保持されているデータを読み込記憶する（あるいは退避する）機能を有する。読み出し回路１５０４は、第２の記憶回路１５０２または第３の記憶回路１５０３に保持されたデータを読み出して第１の記憶回路１５０１に記憶する（あるいは復帰する）機能を有する。
特に、第３の記憶回路１５０３は、半導体装置１５００に電源電圧が供給されてない期間においても、第２の記憶回路１５０２に保持されているデータを読み込記憶する（あるいは退避する）機能を有する。
図２６に示すように、第２の記憶回路１５０２はトランジスタ１５１２と容量素子１５１９とを有する。第３の記憶回路１５０３はトランジスタ１５１３と、トランジスタ１５１５と、容量素子１５２０とを有する。読み出し回路１５０４はトランジスタ１５１０と、トランジスタ１５１８と、トランジスタ１５０９と、トランジスタ１５１７と、を有する。
トランジスタ１５１２は、第１の記憶回路１５０１に保持されているデータに応じた電荷を、容量素子１５１９に充放電する機能を有する。トランジスタ１５１２は、第１の記憶回路１５０１に保持されているデータに応じた電荷を容量素子１５１９に対して高速に充放電できることが望ましい。具体的には、トランジスタ１５１２が、結晶性を有するシリコン（好ましくは多結晶シリコン、更に好ましくは単結晶シリコン）をチャネル形成領域に含むことが望ましい。
トランジスタ１５１３は、容量素子１５１９に保持されている電荷に従って導通状態または非導通状態が選択される。トランジスタ１５１５は、トランジスタ１５１３が導通状態であるときに、配線１５４４の電位に応じた電荷を容量素子１５２０に充放電する機能を有する。トランジスタ１５１５は、オフ電流が著しく小さいことが望ましい。具体的には、トランジスタ１５１５が、酸化物半導体（好ましくはＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物）をチャネル形成領域に含むことが望ましい。
各素子の接続関係を具体的に説明すると、トランジスタ１５１２のソース及びドレインの一方は、第１の記憶回路１５０１に接続されている。トランジスタ１５１２のソース及びドレインの他方は、容量素子１５１９の一方の電極、トランジスタ１５１３のゲート、及びトランジスタ１５１８のゲートに接続されている。容量素子１５１９の他方の電極は、配線１５４２に接続されている。トランジスタ１５１３のソース及びドレインの一方は、配線１５４４に接続されている。トランジスタ１５１３のソース及びドレインの他方は、トランジスタ１５１５のソース及びドレインの一方に接続されている。トランジスタ１５１５のソース及びドレインの他方は、容量素子１５２０の一方の電極、及びトランジスタ１５１０のゲートに接続されている。容量素子１５２０の他方の電極は、配線１５４３に接続されている。トランジスタ１５１０のソース及びドレインの一方は、配線１５４１に接続されている。トランジスタ１５１０のソース及びドレインの他方は、トランジスタ１５１８のソース及びドレインの一方に接続されている。トランジスタ１５１８のソース及びドレインの他方は、トランジスタ１５０９のソース及びドレインの一方に接続されている。トランジスタ１５０９のソース及びドレインの他方は、トランジスタ１５１７のソース及びドレインの一方、及び第１の記憶回路１５０１に接続されている。トランジスタ１５１７のソース及びドレインの他方は、配線１５４０に接続されている。また、図２６においては、トランジスタ１５０９のゲートは、トランジスタ１５１７のゲートと接続されているが、トランジスタ１５０９のゲートは、必ずしもトランジスタ１５１７のゲートと接続されていなくてもよい。
トランジスタ１５１５に先の実施の形態で例示したトランジスタを適用することができる。トランジスタ１５１５のオフ電流が小さいために、半導体装置１５００は、長期間電源供給なしに情報を保持することができる。トランジスタ１５１５のスイッチング特性が良好であるために、半導体装置１５００は、高速のバックアップとリカバリを行うことができる。
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
（実施の形態８）
本実施の形態では、本発明の一態様の表示パネルを有する表示モジュール及び電子機器について、図２７を用いて説明を行う。
図２７（Ａ）乃至図２７（Ｇ）は、電子機器を示す図である。これらの電子機器は、筐体５０００、表示部５００１、スピーカ５００３、ＬＥＤランプ５００４、操作キー５００５（電源スイッチ、又は操作スイッチを含む）、接続端子５００６、センサ５００７（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、におい又は赤外線を測定する機能を含むもの）、マイクロフォン５００８、等を有することができる。
図２７（Ａ）はモバイルコンピュータであり、上述したものの他に、スイッチ５００９、赤外線ポート５０１０、等を有することができる。図２７（Ｂ）は記録媒体を備えた携帯型の画像再生装置（たとえば、ＤＶＤ再生装置）であり、上述したものの他に、第２表示部５００２、記録媒体読込部５０１１、等を有することができる。図２７（Ｃ）はゴーグル型ディスプレイであり、上述したものの他に、第２表示部５００２、支持部５０１２、イヤホン５０１３、等を有することができる。図２７（Ｄ）は携帯型遊技機であり、上述したものの他に、記録媒体読込部５０１１、等を有することができる。図２７（Ｅ）はテレビ受像機能付きデジタルカメラであり、上述したものの他に、アンテナ５０１４、シャッターボタン５０１５、受像部５０１６、等を有することができる。図２７（Ｆ）は携帯型遊技機であり、上述したものの他に、第２表示部５００２、記録媒体読込部５０１１、等を有することができる。図２７（Ｇ）は持ち運び型テレビ受像器であり、上述したものの他に、信号の送受信が可能な充電器５０１７、等を有することができる。
図２７（Ａ）乃至図２７（Ｇ）に示す電子機器は、様々な機能を有することができる。例えば、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付又は時刻などを表示する機能、様々なソフトウェア（プログラム）によって処理を制御する機能、無線通信機能、無線通信機能を用いて様々なコンピュータネットワークに接続する機能、無線通信機能を用いて様々なデータの送信又は受信を行う機能、記録媒体に記録されているプログラム又はデータを読み出して表示部に表示する機能、等を有することができる。さらに、複数の表示部を有する電子機器においては、一つの表示部を主として画像情報を表示し、別の一つの表示部を主として文字情報を表示する機能、または、複数の表示部に視差を考慮した画像を表示することで立体的な画像を表示する機能、等を有することができる。さらに、受像部を有する電子機器においては、静止画を撮影する機能、動画を撮影する機能、撮影した画像を自動または手動で補正する機能、撮影した画像を記録媒体（外部又はカメラに内蔵）に保存する機能、撮影した画像を表示部に表示する機能、等を有することができる。なお、図２７（Ａ）乃至図２７（Ｇ）に示す電子機器が有することのできる機能はこれらに限定されず、様々な機能を有することができる。
図２７（Ｈ）は、スマートウオッチであり、筐体７３０２、表示パネル７３０４、操作ボタン７３１１、７３１２、接続端子７３１３、バンド７３２１、留め金７３２２、等を有する。
ベゼル部分を兼ねる筐体７３０２に搭載された表示パネル７３０４は、非矩形状の表示領域を有している。なお、表示パネル７３０４としては、矩形状の表示領域としてもよい。表示パネル７３０４は、時刻を表すアイコン７３０５、その他のアイコン７３０６等を表示することができる。
なお、図２７（Ｈ）に示すスマートウオッチは、様々な機能を有することができる。例えば、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付又は時刻などを表示する機能、様々なソフトウェア（プログラム）によって処理を制御する機能、無線通信機能、無線通信機能を用いて様々なコンピュータネットワークに接続する機能、無線通信機能を用いて様々なデータの送信又は受信を行う機能、記録媒体に記録されているプログラム又はデータを読み出して表示部に表示する機能、等を有することができる。
また、筐体７３０２の内部に、スピーカ、センサ（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、におい又は赤外線を測定する機能を含むもの）、マイクロフォン等を有することができる。なお、スマートウオッチは、発光素子をその表示パネル７３０４に用いることにより作製することができる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態９）
本実施の形態においては、本発明の一態様に用いることのできる、酸化物半導体の組成、及び酸化物半導体の構造等について、図３０乃至図３７を参照して説明する。
＜４−１．酸化物半導体の組成＞
まず、酸化物半導体の組成について説明する。
酸化物半導体は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウム及び亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
ここで、酸化物半導体が、インジウム、元素Ｍ及び亜鉛を有する場合を考える。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。元素Ｍに適用可能なその他の元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない。
まず、図３０（Ａ）、図３０（Ｂ）、及び図３０（Ｃ）を用いて、本発明の一態様に係る酸化物半導体が有するインジウム、元素Ｍ及び亜鉛の原子数比の好ましい範囲について説明する。なお、図３０には、酸素の原子数比については記載しない。また、酸化物半導体が有するインジウム、元素Ｍ、及び亜鉛の原子数比のそれぞれの項を［Ｉｎ］、［Ｍ］、及び［Ｚｎ］とする。
図３０（Ａ）、図３０（Ｂ）、及び図３０（Ｃ）において、破線は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：１の原子数比（−１≦α≦１）となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：２の原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：３の原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：４の原子数比となるライン、及び［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：５の原子数比となるラインを表す。
また、一点鎖線は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：βの原子数比（β≧０）となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：２：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：３：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：４：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝２：１：βの原子数比となるライン、及び［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：βの原子数比となるラインを表す。
図３０（Ａ）及び図３０（Ｂ）では、本発明の一態様の酸化物半導体が有する、インジウム、元素Ｍ、及び亜鉛の原子数比の好ましい範囲の一例について示している。
一例として、図３１に、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：１である、ＩｎＭＺｎＯ４の結晶構造を示す。また、図３１は、ｂ軸に平行な方向から観察した場合のＩｎＭＺｎＯ４の結晶構造である。なお、図３１に示すＭ、Ｚｎ、酸素を有する層（以下、（Ｍ，Ｚｎ）層）における金属元素は、元素Ｍまたは亜鉛を表している。この場合、元素Ｍと亜鉛の割合が等しいものとする。元素Ｍと亜鉛とは、置換が可能であり、配列は不規則である。
ＩｎＭＺｎＯ４は、層状の結晶構造（層状構造ともいう）をとり、図３１に示すように、インジウム、及び酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）が１に対し、元素Ｍ、亜鉛、及び酸素を有する（Ｍ，Ｚｎ）層が２となる。
また、インジウムと元素Ｍは、互いに置換可能である。そのため、（Ｍ，Ｚｎ）層の元素Ｍがインジウムと置換し、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層と表すこともできる。その場合、Ｉｎ層が１に対し、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層が２である層状構造をとる。
また、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：２となる原子数比の酸化物半導体は、Ｉｎ層が１に対し、（Ｍ，Ｚｎ）層が３である層状構造をとる。つまり、［Ｉｎ］及び［Ｍ］に対し［Ｚｎ］が大きくなると、酸化物半導体が結晶化した場合、Ｉｎ層に対する（Ｍ，Ｚｎ）層の割合が増加する。
ただし、酸化物半導体中において、Ｉｎ層が１層に対し、（Ｍ，Ｚｎ）層の層数が非整数である場合、Ｉｎ層が１層に対し、（Ｍ，Ｚｎ）層の層数が整数である層状構造を複数種有する場合がある。例えば、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：１．５である場合、Ｉｎ層が１に対し、（Ｍ，Ｚｎ）層が２である層状構造と、（Ｍ，Ｚｎ）層が３である層状構造とが混在する層状構造となる場合がある。
例えば、酸化物半導体をスパッタリング装置にて成膜する場合、ターゲットの原子数比からずれた原子数比の膜が形成される。特に、成膜時の基板温度によっては、ターゲットの［Ｚｎ］よりも、膜の［Ｚｎ］が小さくなる場合がある。
また、酸化物半導体中に複数の相が共存する場合がある（二相共存、三相共存など）。例えば、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：２：１の原子数比の近傍値である原子数比では、スピネル型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。また、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：０：０を示す原子数比の近傍値である原子数比では、ビックスバイト型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。酸化物半導体中に複数の相が共存する場合、異なる結晶構造の間において、粒界（グレインバウンダリーともいう）が形成される場合がある。
また、インジウムの含有率を高くすることで、酸化物半導体のキャリア移動度（電子移動度）を高くすることができる。これは、インジウム、元素Ｍ及び亜鉛を有する酸化物半導体では、主として重金属のｓ軌道がキャリア伝導に寄与しており、インジウムの含有率を高くすることにより、ｓ軌道が重なる領域がより大きくなるため、インジウムの含有率が高い酸化物半導体はインジウムの含有率が低い酸化物半導体と比較してキャリア移動度が高くなるためである。
一方、酸化物半導体中のインジウム及び亜鉛の含有率が低くなると、キャリア移動度が低くなる。従って、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：１：０を示す原子数比、及びその近傍値である原子数比（例えば図３０（Ｃ）に示す領域Ｃ）では、絶縁性が高くなる。
従って、本発明の一態様の酸化物半導体は、キャリア移動度が高く、かつ、粒界が少ない層状構造となりやすい、図３０（Ａ）の領域Ａで示される原子数比を有することが好ましい。
また、図３０（Ｂ）に示す領域Ｂは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝４：２：３から４．１、及びその近傍値を示している。近傍値には、例えば、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：３：４が含まれる。領域Ｂで示される原子数比を有する酸化物半導体は、特に、結晶性が高く、キャリア移動度も高い優れた酸化物半導体である。
なお、酸化物半導体が、層状構造を形成する条件は、原子数比によって一義的に定まらない。原子数比により、層状構造を形成するための難易の差はある。一方、同じ原子数比であっても、形成条件により、層状構造になる場合も層状構造にならない場合もある。従って、図示する領域は、酸化物半導体が層状構造を有する原子数比を示す領域であり、領域Ａ乃至領域Ｃの境界は厳密ではない。
＜４−２．酸化物半導体のキャリア密度＞
次に、酸化物半導体のキャリア密度について、以下に説明を行う。
酸化物半導体のキャリア密度に影響を与える因子としては、酸化物半導体中の酸素欠損（Ｖｏ）、または酸化物半導体中の不純物などが挙げられる。
酸化物半導体中の酸素欠損が多くなると、該酸素欠損に水素が結合（この状態をＶｏＨともいう）した際に、欠陥準位密度が高くなる。または、酸化物半導体中の不純物が多くなると、該不純物に起因し欠陥準位密度が高くなる。したがって、酸化物半導体中の欠陥準位密度を制御することで、酸化物半導体のキャリア密度を制御することができる。
ここで、酸化物半導体をチャネル領域に用いるトランジスタを考える。
トランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトの抑制、またはトランジスタのオフ電流の低減を目的とする場合においては、酸化物半導体のキャリア密度を低くする方が好ましい。酸化物半導体のキャリア密度を低くする場合においては、酸化物半導体中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性と言う。高純度真性の酸化物半導体のキャリア密度としては、８×１０１５ｃｍ−３未満、好ましくは１×１０１１ｃｍ−３未満、さらに好ましくは１×１０１０ｃｍ−３未満であり、１×１０−９ｃｍ−３以上とすればよい。
一方で、トランジスタのオン電流の向上、またはトランジスタの電界効果移動度の向上を目的とする場合においては、酸化物半導体のキャリア密度を高くする方が好ましい。酸化物半導体のキャリア密度を高くする場合においては、酸化物半導体の不純物濃度をわずかに高める、または酸化物半導体の欠陥準位密度をわずかに高めればよい。あるいは、酸化物半導体のバンドギャップをより小さくするとよい。例えば、トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性のオン／オフ比が取れる範囲において、不純物濃度がわずかに高い、または欠陥準位密度がわずかに高い酸化物半導体は、実質的に真性とみなせる。また、電子親和力が大きく、それにともなってバンドギャップが小さくなり、その結果、熱励起された電子（キャリア）の密度が増加した酸化物半導体は、実質的に真性とみなせる。なお、より電子親和力が大きな酸化物半導体を用いた場合には、トランジスタのしきい値電圧がより低くなる。
上述のキャリア密度が高められた酸化物半導体は、わずかにｎ型化している。したがって、キャリア密度が高められた酸化物半導体を、「Ｓｌｉｇｈｔｌｙ−ｎ」と呼称してもよい。
実質的に真性の酸化物半導体のキャリア密度は、１×１０５ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３未満が好ましく、１×１０７ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下がより好ましく、１×１０９ｃｍ−３以上５×１０１６ｃｍ−３以下がさらに好ましく、１×１０１０ｃｍ−３以上１×１０１６ｃｍ−３以下がさらに好ましく、１×１０１１ｃｍ−３以上１×１０１５ｃｍ−３以下がさらに好ましい。
また、上述の実質的に真性の酸化物半導体を用いることで、トランジスタの信頼性が向上する場合がある。ここで、図３２を用いて、酸化物半導体をチャネル領域に用いるトランジスタの信頼性が向上する理由について説明する。図３２は、酸化物半導体をチャネル領域に用いるトランジスタにおけるエネルギーバンドを説明する図である。
図３２において、ＧＥはゲート電極を、ＧＩはゲート絶縁膜を、ＯＳは酸化物半導体を、ＳＤはソース電極またはドレイン電極を、それぞれ表す。すなわち、図３２は、ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、酸化物半導体と、酸化物半導体に接するソース電極またはドレイン電極のエネルギーバンドの一例である。
また、図３２において、ゲート絶縁膜としては、酸化シリコン膜を用い、酸化物半導体にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いる構成である。また、酸化シリコン膜中に形成されうる欠陥の遷移レベル（εｆ）はゲート絶縁膜の伝導帯下端から約３．１ｅＶ離れた位置に形成されるものとし、ゲート電圧（Ｖｇ）が３０Ｖの場合の酸化物半導体と酸化シリコン膜との界面における酸化シリコン膜のフェルミ準位（Ｅｆ）はゲート絶縁膜の伝導帯下端から約３．６ｅＶ離れた位置に形成されるものとする。なお、酸化シリコン膜のフェルミ準位は、ゲート電圧に依存し変動する。例えば、ゲート電圧を大きくすることで、酸化物半導体と、酸化シリコン膜との界面における酸化シリコン膜のフェルミ準位（Ｅｆ）は低くなる。また、図３２中の白丸は電子（キャリア）を表し、図３２中のＸは酸化シリコン膜中の欠陥準位を表す。
図３２に示すように、ゲート電圧が印加された状態で、例えばキャリアが熱励起されると、欠陥準位（図中Ｘ）にキャリアがトラップされ、プラス（“＋”）からニュートラル（“０”）に欠陥準位の荷電状態が変化する。すなわち、酸化シリコン膜のフェルミ準位（Ｅｆ）に上述の熱励起のエネルギーを足した値が欠陥の遷移レベル（εｆ）よりも高くなる場合、酸化シリコン膜中の欠陥準位の荷電状態は正の状態から中性となり、トランジスタのしきい値電圧がプラス方向に変動することになる。
また、電子親和力が異なる酸化物半導体を用いると、ゲート絶縁膜と酸化物半導体との界面のフェルミ準位が形成される深さが異なることがある。電子親和力の大きな酸化物半導体を用いると、ゲート絶縁膜と酸化物半導体との界面近傍において、ゲート絶縁膜の伝導帯下端が相対的に高くなる。この場合、ゲート絶縁膜中に形成されうる欠陥準位（図３２中Ｘ）も相対的に高くなるため、ゲート絶縁膜のフェルミ準位と酸化物半導体のフェルミ準位とのエネルギー差が大きくなる。該エネルギー差が大きくなることにより、ゲート絶縁膜中にトラップされる電荷が少なくなる、例えば、上述の酸化シリコン膜中に形成されうる欠陥準位の荷電状態の変化が少なくなり、ゲートバイアス熱（Ｇａｔｅ Ｂｉａｓ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ：ＧＢＴともいう）ストレスにおける、トランジスタのしきい値電圧の変動を小さくできる。
また、酸化物半導体をチャネル領域に用いるトランジスタは、粒界におけるキャリア散乱等を減少させることができるため、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。
また、酸化物半導体の欠陥準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、欠陥準位密度の高い酸化物半導体にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体中の不純物濃度を低減することが有効である。また、酸化物半導体中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。
＜４−３．酸化物半導体の構造＞
次に、酸化物半導体の構造について説明する。
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ（ｃ−ａｘｉｓ−ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）及び非晶質酸化物半導体などがある。
また別の観点では、酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体と、それ以外の結晶性酸化物半導体と、に分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、ＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶酸化物半導体及びｎｃ−ＯＳなどがある。
非晶質構造は、一般に、等方的であって不均質構造を持たない、準安定状態で原子の配置が固定化していない、結合角度が柔軟である、短距離秩序は有するが長距離秩序を有さない、などといわれている。
すなわち、安定な酸化物半導体を完全な非晶質（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）酸化物半導体とは呼べない。また、等方的でない（例えば、微小な領域において周期構造を有する）酸化物半導体を、完全な非晶質酸化物半導体とは呼べない。一方、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、等方的でないが、鬆（ボイドともいう。）を有する不安定な構造である。不安定であるという点では、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、物性的に非晶質酸化物半導体に近い。
［ＣＡＡＣ−ＯＳ］
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。
ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向した複数の結晶部（ペレットともいう。）を有する酸化物半導体の一種である。
ＣＡＡＣ−ＯＳをＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって解析した場合について説明する。例えば、空間群Ｒ−３ｍに分類されるＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、図３３（Ａ）に示すように回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳでは、結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳの膜を形成する面（被形成面ともいう。）、または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。なお、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる場合がある。２θが３６°近傍のピークは、空間群Ｆｄ−３ｍに分類される結晶構造に起因する。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、該ピークを示さないことが好ましい。
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳに対し、被形成面に平行な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、２θが５６°近傍にピークが現れる。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（１１０）面に帰属される。そして、２θを５６°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）として試料を回転させながら分析（φスキャン）を行っても、図３３（Ｂ）に示すように明瞭なピークは現れない。一方、単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４に対し、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合、図３３（Ｃ）に示すように（１１０）面と等価な結晶面に帰属されるピークが６本観察される。したがって、ＸＲＤを用いた構造解析から、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ａ軸及びｂ軸の配向が不規則であることが確認できる。
次に、電子回折によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面に平行にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させると、図３３（Ｄ）に示すような回折パターン（制限視野電子回折パターンともいう。）が現れる場合がある。この回折パターンには、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットがｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターンを図３３（Ｅ）に示す。図３３（Ｅ）より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、プローブ径が３００ｎｍの電子線を用いた電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットのａ軸及びｂ軸は配向性を有さないことがわかる。なお、図３３（Ｅ）における第１リングは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（０１０）面及び（１００）面などに起因すると考えられる。また、図３３（Ｅ）における第２リングは（１１０）面などに起因すると考えられる。
また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ−ＯＳの明視野像と回折パターンとの複合解析像（高分解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察すると、複数のペレットを確認することができる。一方、高分解能ＴＥＭ像であってもペレット同士の境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を明確に確認することができない場合がある。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
図３４（Ａ）に、試料面と略平行な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの断面の高分解能ＴＥＭ像を示す。高分解能ＴＥＭ像の観察には、球面収差補正（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ Ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ）機能を用いた。球面収差補正機能を用いた高分解能ＴＥＭ像を、特にＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像と呼ぶ。Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像は、例えば、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡ＪＥＭ−ＡＲＭ２００Ｆなどによって観察することができる。
図３４（Ａ）より、金属原子が層状に配列している領域であるペレットを確認することができる。ペレット一つの大きさは１ｎｍ以上のものや、３ｎｍ以上のものがあることがわかる。したがって、ペレットを、ナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）と呼ぶこともできる。また、ＣＡＡＣ−ＯＳを、ＣＡＮＣ（Ｃ−Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。ペレットは、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面または上面の凹凸を反映しており、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面または上面と平行となる。
また、図３４（Ｂ）及び図３４（Ｃ）に、試料面と略垂直な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの平面のＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を示す。図３４（Ｄ）及び図３４（Ｅ）は、それぞれ図３４（Ｂ）及び図３４（Ｃ）を画像処理した像である。以下では、画像処理の方法について説明する。まず、図３４（Ｂ）を高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理することでＦＦＴ像を取得する。次に、取得したＦＦＴ像において原点を基準に、２．８ｎｍ−１から５．０ｎｍ−１の間の範囲を残すマスク処理する。次に、マスク処理したＦＦＴ像を、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ：Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理することで画像処理した像を取得する。こうして取得した像をＦＦＴフィルタリング像と呼ぶ。ＦＦＴフィルタリング像は、Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像から周期成分を抜き出した像であり、格子配列を示している。
図３４（Ｄ）では、格子配列の乱れた箇所を破線で示している。破線で囲まれた領域が、一つのペレットである。そして、破線で示した箇所がペレットとペレットとの連結部である。破線は、六角形状であるため、ペレットが六角形状であることがわかる。なお、ペレットの形状は、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合が多い。
図３４（Ｅ）では、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を点線で示し、格子配列の向きの変化を破線で示している。点線近傍においても、明確な結晶粒界を確認することはできない。点線近傍の格子点を中心に周囲の格子点を繋ぐと、歪んだ六角形や、五角形及び／または七角形などが形成できる。即ち、格子配列を歪ませることによって結晶粒界の形成を抑制していることがわかる。これは、ＣＡＡＣ−ＯＳが、ａ−ｂ面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。
以上に示すように、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向性を有し、かつａ−ｂ面方向において複数のペレット（ナノ結晶）が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。よって、ＣＡＡＣ−ＯＳを、ＣＡＡ ｃｒｙｓｔａｌ（ｃ−ａｘｉｓ−ａｌｉｇｎｅｄ ａ−ｂ−ｐｌａｎｅ−ａｎｃｈｏｒｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ）を有する酸化物半導体と称することもできる。
ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体である。酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、ＣＡＡＣ−ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損など）の少ない酸化物半導体ともいえる。
なお、不純物は、酸化物半導体の主成分以外の元素で、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。
［ｎｃ−ＯＳ］
次に、ｎｃ−ＯＳについて説明する。
ｎｃ−ＯＳをＸＲＤによって解析した場合について説明する。例えば、ｎｃ−ＯＳに対し、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、配向性を示すピークが現れない。即ち、ｎｃ−ＯＳの結晶は配向性を有さない。
また、例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するｎｃ−ＯＳを薄片化し、厚さが３４ｎｍの領域に対し、被形成面に平行にプローブ径が５０ｎｍの電子線を入射させると、図３５（Ａ）に示すようなリング状の回折パターン（ナノビーム電子回折パターン）が観測される。また、同じ試料にプローブ径が１ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターン（ナノビーム電子回折パターン）を図３５（Ｂ）に示す。図３５（Ｂ）より、リング状の領域内に複数のスポットが観測される。したがって、ｎｃ−ＯＳは、プローブ径が５０ｎｍの電子線を入射させることでは秩序性が確認されないが、プローブ径が１ｎｍの電子線を入射させることでは秩序性が確認される。
また、厚さが１０ｎｍ未満の領域に対し、プローブ径が１ｎｍの電子線を入射させると、図３５（Ｃ）に示すように、スポットが略正六角状に配置された電子回折パターンを観測される場合がある。したがって、厚さが１０ｎｍ未満の範囲において、ｎｃ−ＯＳが秩序性の高い領域、即ち結晶を有することがわかる。なお、結晶が様々な方向を向いているため、規則的な電子回折パターンが観測されない領域もある。
図３５（Ｄ）に、被形成面と略平行な方向から観察したｎｃ−ＯＳの断面のＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を示す。ｎｃ−ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において、補助線で示す箇所などのように結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。ｎｃ−ＯＳに含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の大きさであり、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の大きさであることが多い。なお、結晶部の大きさが１０ｎｍより大きく１００ｎｍ以下である酸化物半導体を微結晶酸化物半導体（ｍｉｃｒｏ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶことがある。ｎｃ−ＯＳは、例えば、高分解能ＴＥＭ像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。なお、ナノ結晶は、ＣＡＡＣ−ＯＳにおけるペレットと起源を同じくする可能性がある。そのため、以下ではｎｃ−ＯＳの結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。
このように、ｎｃ−ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ−ＯＳは、分析方法によっては、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。
なお、ペレット（ナノ結晶）間で結晶方位が規則性を有さないことから、ｎｃ−ＯＳを、ＲＡＮＣ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体、またはＮＡＮＣ（Ｎｏｎ−Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
ｎｃ−ＯＳは、非晶質酸化物半導体よりも規則性の高い酸化物半導体である。そのため、ｎｃ−ＯＳは、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、ｎｃ−ＯＳは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、ｎｃ−ＯＳは、ＣＡＡＣ−ＯＳと比べて欠陥準位密度が高くなる。
［ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ］
ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。
図３６に、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像を示す。ここで、図３６（Ａ）は電子照射開始時におけるａ−ｌｉｋｅ ＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像である。図３６（Ｂ）は４．３×１０８ｅ−／ｎｍ２の電子（ｅ−）照射後におけるａ−ｌｉｋｅ ＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像である。図３６（Ａ）及び図３６（Ｂ）より、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは電子照射開始時から、縦方向に延伸する縞状の明領域が観察されることがわかる。また、明領域は、電子照射後に形状が変化することがわかる。なお、明領域は、鬆または低密度領域と推測される。
鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、不安定な構造である。以下では、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳが、ＣＡＡＣ−ＯＳ及びｎｃ−ＯＳと比べて不安定な構造であることを示すため、電子照射による構造の変化を示す。
試料として、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ、ｎｃ−ＯＳ及びＣＡＡＣ−ＯＳを準備する。いずれの試料もＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である。
まず、各試料の高分解能断面ＴＥＭ像を取得する。高分解能断面ＴＥＭ像により、各試料は、いずれも結晶部を有する。
なお、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の単位格子は、Ｉｎ−Ｏ層を３層有し、またＧａ−Ｚｎ−Ｏ層を６層有する、計９層がｃ軸方向に層状に重なった構造を有することが知られている。これらの近接する層同士の間隔は、（００９）面の格子面間隔（ｄ値ともいう。）と同程度であり、結晶構造解析からその値は０．２９ｎｍと求められている。したがって、以下では、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所を、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶部と見なした。なお、格子縞は、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａ−ｂ面に対応する。
図３７は、各試料の結晶部（２２箇所から３０箇所）の平均の大きさを調査した例である。なお、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図３７より、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ＴＥＭ像の取得などに係る電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなっていくことがわかる。図３７より、ＴＥＭによる観察初期においては１．２ｎｍ程度の大きさだった結晶部（初期核ともいう。）が、電子（ｅ−）の累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２においては１．９ｎｍ程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、ｎｃ−ＯＳ及びＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射開始時から電子の累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２までの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。図３７より、電子の累積照射量によらず、ｎｃ−ＯＳ及びＣＡＡＣ−ＯＳの結晶部の大きさは、それぞれ１．３ｎｍ程度及び１．８ｎｍ程度であることがわかる。なお、電子線照射及びＴＥＭの観察は、日立透過電子顕微鏡Ｈ−９０００ＮＡＲを用いた。電子線照射条件は、加速電圧を３００ｋＶ、電流密度を６．７×１０５ｅ−／（ｎｍ２・ｓ）、照射領域の直径を２３０ｎｍとした。
このように、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、電子照射によって結晶部の成長が見られる場合がある。一方、ｎｃ−ＯＳ及びＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射による結晶部の成長がほとんど見られない。即ち、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳ及びＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、不安定な構造であることがわかる。
また、鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳ及びＣＡＡＣ−ＯＳと比べて密度の低い構造である。具体的には、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の７８．６％以上９２．３％未満である。また、ｎｃ−ＯＳの密度及びＣＡＡＣ−ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の９２．３％以上１００％未満である。単結晶の密度の７８％未満である酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、菱面体晶構造を有する単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４の密度は６．３５７ｇ／ｃｍ３である。よって、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳの密度は５．０ｇ／ｃｍ３以上５．９ｇ／ｃｍ３未満である。また、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ｎｃ−ＯＳの密度及びＣＡＡＣ−ＯＳの密度は５．９ｇ／ｃｍ３以上６．３ｇ／ｃｍ３未満である。
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合、任意の割合で組成の異なる単結晶を組み合わせることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もることができる。所望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を組み合わせて見積もることが好ましい。
以上のように、酸化物半導体は、様々な構造をとり、それぞれが様々な特性を有する。なお、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ、ｎｃ−ＯＳ、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
なお、本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜、組み合わせて用いることができる。
例えば、本明細書等において、ＸとＹとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合と、ＸとＹとが直接接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に記載されているものとする。
ここで、Ｘ、Ｙは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
ＸとＹとが直接的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に接続されていない場合であり、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）を介さずに、ＸとＹとが、接続されている場合である。
ＸとＹとが電気的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、スイッチは、導通状態（オン状態）、または、非導通状態（オフ状態）になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有している。または、スイッチは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有している。なお、ＸとＹとが電気的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合を含むものとする。
ＸとＹとが機能的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの機能的な接続を可能とする回路（例えば、論理回路（インバータ、ＮＡＮＤ回路、ＮＯＲ回路など）、信号変換回路（ＤＡ変換回路、ＡＤ変換回路、ガンマ補正回路など）、電位レベル変換回路（電源回路（昇圧回路、降圧回路など）、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など）、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路（信号振幅または電流量などを大きく出来る回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など）、信号生成回路、記憶回路、制御回路など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、一例として、ＸとＹとの間に別の回路を挟んでいても、Ｘから出力された信号がＹへ伝達される場合は、ＸとＹとは機能的に接続されているものとする。なお、ＸとＹとが機能的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合と、ＸとＹとが電気的に接続されている場合とを含むものとする。
なお、ＸとＹとが電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の素子又は別の回路を挟んで接続されている場合）と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の回路を挟んで機能的に接続されている場合）と、ＸとＹとが直接接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の素子又は別の回路を挟まずに接続されている場合）とが、本明細書等に開示されているものとする。つまり、電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、単に、接続されている、とのみ明示的に記載されている場合と同様な内容が、本明細書等に開示されているものとする。
なお、例えば、トランジスタのソース（又は第１の端子など）が、Ｚ１を介して（又は介さず）、Ｘと電気的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）が、Ｚ２を介して（又は介さず）、Ｙと電気的に接続されている場合や、トランジスタのソース（又は第１の端子など）が、Ｚ１の一部と直接的に接続され、Ｚ１の別の一部がＸと直接的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）が、Ｚ２の一部と直接的に接続され、Ｚ２の別の一部がＹと直接的に接続されている場合では、以下のように表現することが出来る。
例えば、「ＸとＹとトランジスタのソース（又は第１の端子など）とドレイン（又は第２の端子など）とは、互いに電気的に接続されており、Ｘ、トランジスタのソース（又は第１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙの順序で電気的に接続されている。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、Ｘと電気的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）はＹと電気的に接続され、Ｘ、トランジスタのソース（又は第１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙは、この順序で電気的に接続されている」と表現することができる。または、「Ｘは、トランジスタのソース（又は第１の端子など）とドレイン（又は第２の端子など）とを介して、Ｙと電気的に接続され、Ｘ、トランジスタのソース（又は第１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙは、この接続順序で設けられている」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続の順序について規定することにより、トランジスタのソース（又は第１の端子など）と、ドレイン（又は第２の端子など）とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。
または、別の表現方法として、例えば、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、少なくとも第１の接続経路を介して、Ｘと電気的に接続され、前記第１の接続経路は、第２の接続経路を有しておらず、前記第２の接続経路は、トランジスタを介した、トランジスタのソース（又は第１の端子など）とトランジスタのドレイン（又は第２の端子など）との間の経路であり、前記第１の接続経路は、Ｚ１を介した経路であり、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）は、少なくとも第３の接続経路を介して、Ｙと電気的に接続され、前記第３の接続経路は、前記第２の接続経路を有しておらず、前記第３の接続経路は、Ｚ２を介した経路である。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、少なくとも第１の接続経路によって、Ｚ１を介して、Ｘと電気的に接続され、前記第１の接続経路は、第２の接続経路を有しておらず、前記第２の接続経路は、トランジスタを介した接続経路を有し、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）は、少なくとも第３の接続経路によって、Ｚ２を介して、Ｙと電気的に接続され、前記第３の接続経路は、前記第２の接続経路を有していない。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、少なくとも第１の電気的パスによって、Ｚ１を介して、Ｘと電気的に接続され、前記第１の電気的パスは、第２の電気的パスを有しておらず、前記第２の電気的パスは、トランジスタのソース（又は第１の端子など）からトランジスタのドレイン（又は第２の端子など）への電気的パスであり、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）は、少なくとも第３の電気的パスによって、Ｚ２を介して、Ｙと電気的に接続され、前記第３の電気的パスは、第４の電気的パスを有しておらず、前記第４の電気的パスは、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）からトランジスタのソース（又は第１の端子など）への電気的パスである。」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続経路について規定することにより、トランジスタのソース（又は第１の端子など）と、ドレイン（又は第２の端子など）とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。
なお、これらの表現方法は、一例であり、これらの表現方法に限定されない。ここで、Ｘ、Ｙ、Ｚ１、Ｚ２は、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
なお、回路図上は独立している構成要素同士が電気的に接続しているように図示されている場合であっても、１つの構成要素が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合もある。例えば配線の一部が電極としても機能する場合は、一の導電膜が、配線の機能、及び電極の機能の両方の構成要素の機能を併せ持っている。したがって、本明細書における電気的に接続とは、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。
ＡＦ１ 配向膜
ＡＦ２ 配向膜
ＡＮＯ 配線
ＢＲ 導電膜
Ｃ１ 容量素子
Ｃ２ 容量素子
ＣＦ１ 着色膜
ＣＬ（ｇ） 制御線
ＣＳＣＯＭ 配線
ＤＣ 検知回路
ＦＰＣ１ フレキシブルプリント基板
ＦＰＣ２ フレキシブルプリント基板
ＧＤ 駆動回路
ＧＤＡ 駆動回路
ＧＤＢ 駆動回路
Ｇ１ 走査線
Ｇ２ 走査線
ＫＢ１ 構造体
Ｍ トランジスタ
ＭＢ トランジスタ
ＭＤ トランジスタ
ＭＤＢ トランジスタ
ＭＬ（ｈ） 信号線
ＯＳＣ 発振回路
Ｐ１ 位置情報
Ｐ２ 情報
Ｓ１（ｊ） 信号線
Ｓ２（ｊ） 信号線
ＳＤ 駆動回路
ＳＷ１ スイッチ
ＳＷ１Ｂ スイッチ
ＳＷ２ スイッチ
Ｖ１ 画像情報
ＶＣＯＭ１ 配線
ＶＣＯＭ２ 配線
１００ トランジスタ
１０２ 基板
１０４ 導電膜
１０６ 絶縁膜
１０７ 絶縁膜
１０８ 酸化物半導体膜
１０８ａ 酸化物半導体膜
１０８ｂ 酸化物半導体膜
１０８ｃ 酸化物半導体膜
１１２ａ 導電膜
１１２ｂ 導電膜
１１４ 絶縁膜
１１６ 絶縁膜
１１８ 絶縁膜
１２０ａ 導電膜
１２０ｂ 導電膜
２００ 情報処理装置
２１０ 演算装置
２１１ 演算部
２１２ 記憶部
２１４ 伝送路
２１５ 入出力インターフェース
２２０ 入出力装置
２３０ 表示部
２３０Ｂ 表示部
２３１ 表示領域
２３２ 画素
２３５ＥＬ 表示素子
２３５ＬＣ 表示素子
２４０ 入力部
２５０ 検知部
２９０ 通信部
５０１Ｃ 絶縁膜
５０４ 導電膜
５０５ 接合層
５０６ 絶縁膜
５０８ 半導体膜
５０８Ａ 領域
５０８Ｂ 領域
５０８Ｃ 領域
５１１Ｂ 導電膜
５１１Ｃ 導電膜
５１１Ｄ 配線
５１２Ａ 導電膜
５１２Ｂ 導電膜
５１４ 絶縁膜
５１６ 絶縁膜
５１８ 絶縁膜
５１９Ｂ 端子
５１９Ｃ 端子
５１９Ｄ 端子
５１９Ｅ 端子
５２０ 機能層
５２１ 絶縁膜
５２２ 接続部
５２４ 導電膜
５２８ 絶縁膜
５３０ 画素回路
５５０ 表示素子
５５１ 電極
５５２ 電極
５５３ 層
５７０ 基板
５９１Ａ 開口部
５９１Ｂ 開口部
５９１Ｃ 開口部
６０４ 導電膜
６０６ 絶縁膜
６０８ 半導体膜
６１２Ａ 導電膜
６１２Ｂ 導電膜
６１４ 絶縁膜
６１６ 絶縁膜
６２２ 開口部
６２４ 導電膜
７００ＴＰＡ 入出力装置
７００ＴＰＢ 入出力装置
７００ＴＰＣ 入出力装置
７０２ 画素
７０５ 封止材
７０６ 絶縁膜
７０９ 接合層
７１０ 基板
７１９ 端子
７２０ 機能層
７５０ 表示素子
７５１ 電極
７５１Ｈ 開口部
７５２ 電極
７５２Ｃ 電極
７５３ 層
７７０ 基板
７７０Ｄ 機能膜
７７０Ｐ 機能膜
７７１ 絶縁膜
７７５ 検知素子
１４００ 半導体装置
１４０１ ＣＰＵコア
１４０２ パワーコントローラ
１４０３ パワースイッチ
１４０４ キャッシュ
１４０５ バスインターフェース
１４０６ デバッグインターフェース
１４０７ 制御装置
１４０８ ＰＣ
１４０９ パイプラインレジスタ
１４１０ パイプラインレジスタ
１４１１ ＡＬＵ
１４１２ レジスタファイル
１４２１ パワーマネージメントユニット
１４２２ 周辺回路
１４２３ データバス
１５００ 半導体装置
１５０１ 記憶回路
１５０２ 記憶回路
１５０３ 記憶回路
１５０４ 回路
１５０９ トランジスタ
１５１０ トランジスタ
１５１２ トランジスタ
１５１３ トランジスタ
１５１５ トランジスタ
１５１７ トランジスタ
１５１８ トランジスタ
１５１９ 容量素子
１５２０ 容量素子
１５４０ 配線
１５４１ 配線
１５４２ 配線
１５４３ 配線
１５４４ 配線
３００１ 配線
３００２ 配線
３００３ 配線
３００４ 配線
３００５ 配線
３２００ トランジスタ
３３００ トランジスタ
３４００ 容量素子
５０００ 筐体
５００１ 表示部
５００２ 表示部
５００３ スピーカ
５００４ ＬＥＤランプ
５００５ 操作キー
５００６ 接続端子
５００７ センサ
５００８ マイクロフォン
５００９ スイッチ
５０１０ 赤外線ポート
５０１１ 記録媒体読込部
５０１２ 支持部
５０１３ イヤホン
５０１４ アンテナ
５０１５ シャッターボタン
５０１６ 受像部
５０１７ 充電器
７３０２ 筐体
７３０４ 表示パネル
７３０５ アイコン
７３０６ アイコン
７３１１ 操作ボタン
７３１２ 操作ボタン
７３１３ 接続端子
７３２１ バンド
７３２２ 留め金

Claims (12)

  1. 表示部と、入力部と、を有し、
    前記表示部は、信号線と、画素と、を備え、
    前記画素は、前記信号線と電気的に接続され、
    前記画素は、第１の表示素子と、第１の導電膜と、第２の導電膜と、第１の絶縁膜と、画素回路と、第２の表示素子と、を有し、
    前記第１の導電膜は、前記第１の表示素子と電気的に接続され、
    前記第２の導電膜は、前記第１の導電膜と重なる領域を備え、
    前記第１の絶縁膜は、前記第２の導電膜と前記第１の導電膜の間に挟まれる領域を備え、
    前記画素回路は、前記信号線と電気的に接続され、
    前記画素回路は、前記第２の導電膜と電気的に接続され、
    前記第２の表示素子は、前記画素回路と電気的に接続され、
    前記第１の絶縁膜は、開口部を備え、
    前記第２の導電膜は、前記開口部において前記第１の導電膜と電気的に接続され、
    前記画素回路は、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、を有し、
    前記第１及び第２のトランジスタは、前記第１の表示素子と前記第２の表示素子との間に挟まれる領域を備え、
    前記第２のトランジスタは、前記第１のトランジスタの少なくとも一部と互いに重なる領域を備え、
    前記第１の絶縁膜は、前記第１及び第２のトランジスタのゲート絶縁膜としての機能を有し、
    前記入力部は、前記表示部と重なる領域を備え、
    前記入力部は、前記表示部と重なる領域に近接するものを検知する機能を備える入出力装置。
  2. 前記第１のトランジスタは、第１の半導体膜を備え、
    前記第２のトランジスタは、第２の半導体膜を備え、
    前記第２の半導体膜は、前記第１の半導体膜と互いに重なる領域を備え、
    前記第１の半導体膜は、チャネルが形成される第１の領域を備え、
    前記第２の半導体膜は、チャネルが形成される第２の領域を備え、
    前記第２の領域は、前記第１の領域と互いに重なる領域を備えない、請求項１に記載の入出力装置。
  3. 前記第１の絶縁膜は、第１の面および第２の面を備え、
    前記第２の面は、第１の面に対向し、
    前記第１の面は、前記第１の半導体膜に接する領域を備え、
    前記第２の面は、前記第２の半導体膜に接する領域を備える、請求項２に記載の入出力装置。
  4. 前記第２の表示素子は、前記第１の表示素子を用いた表示を視認できる範囲の一部において、前記第２の表示素子を用いた表示を視認できるように配設される、請求項１乃至請求項３に記載の入出力装置。
  5. 前記第２の表示素子は、前記第１の表示素子が表示をする領域に囲まれた領域に表示をする機能を備える、請求項１乃至請求項４に記載の入出力装置。
  6. 前記第１の表示素子は、反射膜と、反射する光の強さを制御する機能と、を有し、
    前記反射膜は、入射する光を反射する機能を備え、
    前記反射膜は、開口部を備え、
    前記第２の表示素子は、
    前記開口部に向けて光を射出する機能を有する、請求項１乃至請求項５のいずれか一に記載の入出力装置。
  7. 前記入力部は、検知素子を備え、
    前記検知素子は、制御線と、信号線と、を備え、
    前記信号線は、前記表示部と重なる領域に近接するものにより一部が遮られる電界を、前記制御線との間に形成するように配置される、請求項１乃至請求項６のいずれか一に記載の入出力装置。
  8. 前記制御線は、透光性の導電膜を備え、
    前記信号線は、透光性の導電膜を備え、
    前記画素は、前記制御線または前記信号線と重なる領域を備える、請求項７に記載の入出力装置。
  9. 前記制御線は、開口部が設けられた導電膜を備え、
    前記信号線は、開口部が設けられた導電膜を備え、
    前記画素は、前記制御線または前記信号線の開口部と重なる領域を備える、請求項７に記載の入出力装置。
  10. 前記第１の表示素子は、第２の電極を備え、
    前記制御線および前記第２の電極の間または前記信号線および前記第２の電極の間に、０．２μｍ以上１６μｍ以下の間隔を備える、請求項９に記載の入出力装置。
  11. 第１の機能膜と、第２の機能膜と、を有し、
    前記第１の機能膜は、前記第１の表示素子との間に前記検知素子を挟む領域を備え、
    前記第１の機能膜は、円偏光フィルムを含み、
    前記第２の機能膜は、前記第１の機能膜および前記第１の表示素子の間に配設される領域を備え、
    前記第２の機能膜は、光拡散フィルムを含む、請求項７乃至請求項１０のいずれか一に記載の入出力装置。
  12. キーボード、ハードウェアボタン、ポインティングデバイス、タッチセンサ、照度センサ、撮像装置、音声入力装置、視点入力装置、姿勢検出装置、のうち一以上と、請求項１乃至請求項１１のいずれか一に記載の入出力装置と、を含む、情報処理装置。
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