JP6393590B2

JP6393590B2 - 半導体装置

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Publication number: JP6393590B2
Application number: JP2014228668A
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Inventors: 黒川　義元; 義元黒川
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Filing date: 2014-11-11
Publication date: 2018-09-19
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Description

本発明は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、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。特に、本発明の一態様は、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、それらの製造方法に関する。例えば、本発明は、テスト回路が内蔵された半導体装置に関する。

ＢＩＳＴ（ｂｕｉｌｔ−ｉｎｓｅｌｆｔｅｓｔ）は、半導体試験装置の一つであるテスタの機能を集積回路内に組み込む試験手法であり、ＢＩＳＴを用いることで、半導体装置の動作試験に要するコストを削減でき、当該動作試験の高速化を実現できることが知られている。下記の特許文献１では、自己テスト（ＢＩＳＴ）回路を、ＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄ−ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｇａｔｅａｒｒａｙ）を使って実現する技術について開示されている。

特開平５−１４２２９７号公報

ＢＩＳＴを用いた動作試験の品質を高めるため、或いは、複雑な機能を有する半導体装置に対応した動作試験を行うためには、多種多様なテストパターンを用意する必要がある。しかし、生成すべきテストパターンの数及び種類が増加するほど、テストパターンを生成する機能を備えた回路（以下、ＢＩＳＴ回路と呼ぶ）の規模が大きくなり、ＢＩＳＴ回路と被試験回路が組み込まれた半導体装置の、面積的なオーバーヘッドが増加しやすい。

また、上記ＢＩＳＴ回路では、設計段階において生成できるテストパターンが定められるために、追加で動作試験を実行する場合には、新たなテストパターンを半導体装置の外部から供給する必要がある。この場合、動作試験の高速化、動作試験に要するコストの削減など、ＢＩＳＴによりもたらされるメリットを享受できない。

また、分岐予測は、分岐命令において、分岐条件の成否をあらかじめ予想し、上記予想に基づいて、分岐条件の成否が決定する前に、次に実行されると予想された命令を投機的に実行する手法である。分岐予測の精度を高めることができれば、パイプラインにおける分岐ハザードを防ぎ、プロセッサの性能を向上させることができる。

上述したような技術的背景のもと、本発明の一態様は、通常の動作時に不要となる回路の面積規模を縮小することができる半導体装置の提供を、課題の一つとする。或いは、本発明の一態様は、設計後においても、新たなテストパターンを生成することができる半導体装置の提供を、課題の一つとする。また、本発明の一態様は、分岐予測の精度を高めることができる半導体装置の提供を、課題の一つとする。

なお、本発明の一態様は、新規な半導体装置などの提供を、課題の一つとする。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、必ずしも、これらの課題の全てを解決する必要はない。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。

本発明の一態様にかかる半導体装置は、第１の回路と、第２の回路と、を有し、上記第１の回路は、分岐命令の分岐条件が成立したか否かの履歴を含む第１のデータと、上記分岐命令に対応する第１のアドレスとの組を、単数または複数記憶する第３の回路と、命令の第２のアドレスと上記第１のアドレスの比較を行う第４の回路と、上記比較の結果に従って、単数または複数の上記組のうち、一の組の上記第１のデータを選択する第５の回路と、を有し、上記第２の回路は、互いの導通状態と、入力信号の論理値に対する出力信号の論理値とが、第２のデータに従って制御されることで、上記第１の回路の動作を試験するための信号を生成する機能と、上記信号に従って動作が試験された後に、上記第２の回路と共に、上記組を単数または複数記憶する機能とを有する、複数の第６の回路を有する。

本発明の一態様にかかる半導体装置は、第１の回路と、第２の回路と、を有し、上記第１の回路は、分岐命令の分岐条件が成立したか否かの履歴を含む第１のデータと、上記分岐命令に対応する第１のアドレスとの組を、単数または複数記憶する第３の回路と、命令の第２のアドレスと上記第１のアドレスの比較を行う第４の回路と、上記比較の結果に従って、単数または複数の上記組のうち、一の組の上記第１のデータを選択する第５の回路と、を有し、上記第２の回路は、第２のデータが記憶される第６の回路と、互いの導通状態が上記第２のデータに従って上記第６の回路により制御されることで、上記第１の回路の動作を試験するための信号を生成する複数の第７の回路と、を有し、上記第６の回路は、上記信号に従って動作が試験された後に、上記第２の回路と共に、上記組を単数または複数記憶する機能を有する。

また、本発明の一態様にかかる半導体装置は、上記第６の回路が、第１トランジスタと、上記第１トランジスタを介して入力される上記第２のデータに従って、オンまたはオフが選択される第２トランジスタとを、少なくともそれぞれ含む複数の組を有していても良い。

また、本発明の一態様にかかる半導体装置は、上記第１トランジスタが、酸化物半導体膜にチャネル形成領域を有していても良い。

また、本発明の一態様にかかる半導体装置は、上記酸化物半導体膜は、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含んでいても良い。

本発明の一態様により、通常の動作時に不要となる回路の面積規模を縮小することができる半導体装置を提供することができる。或いは、本発明の一態様は、設計後においても、新たなテストパターンを生成することができる半導体装置を提供することができる。また、本発明の一態様は、分岐予測の精度を高めることができる半導体装置を提供することができる。

なお、本発明の一態様により、新規な半導体装置などを提供することができる。なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、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。

半導体装置の構成を示す図。半導体装置の構成を示す図。半導体装置の構成を示す図。回路１７の具体的な構成例。ロジックアレイの構成を示す図。スイッチ回路の構成を示す図。半導体装置の構成を示す図。回路３３の構成を示す図。集積回路の構成例。スイッチ回路の構成を示す図。スイッチ回路の構成を示す図。トランジスタの構造を示す図。トランジスタの構造を示す図。半導体装置の断面構造を示す図。電子機器の図。

以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

なお、本発明は、ＲＦタグ、半導体表示装置など、半導体集積回路を含むあらゆる半導体装置を、その範疇に含む。また、半導体表示装置には、液晶表示装置、有機発光素子に代表される発光素子を各画素に備えた発光装置、電子ペーパー、ＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）、ＰＤＰ（ＰｌａｓｍａＤｉｓｐｌａｙＰａｎｅｌ）、ＦＥＤ（ＦｉｅｌｄＥｍｉｓｓｉｏｎＤｉｓｐｌａｙ）など、半導体集積回路を駆動回路に有している半導体表示装置が、その範疇に含まれる。

なお、本明細書において接続とは電気的な接続を意味しており、電流、電圧または電位が、供給可能、或いは伝送可能な状態にすることができるような回路構成になっている場合に相当する。従って、回路同士または素子同士が接続している構成とは、直接接続している構成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素子を介して間接的に接続している構成も、その範疇に含む。また、回路図上は独立している構成要素どうしが接続されている場合であっても、実際には、例えば配線の一部が電極として機能する場合など、一の導電膜が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合もある。本明細書において接続とは、このような、一の導電膜が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合も、その範疇に含める。

また、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。

トランジスタが有するソースとドレインは、トランジスタの導電型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。

〈半導体装置の構成例１〉
図１に、本発明の一態様にかかる半導体装置１０の構成を、一例として示す。図１に示す半導体装置１０は、集積回路１１と、集積回路１２とを有する。集積回路１１は、例えば、順序回路や組み合わせ回路などの各種の論理回路を有する。なお、集積回路１１及び集積回路１２などの集積回路は、それぞれ、２個以上のトランジスタを有する。そのため、集積回路１１及び集積回路１２などの集積回路は、単に回路と呼ぶ場合がある。例えば、集積回路１１及び集積回路１２などの集積回路は、第１の回路、第２の回路などと呼ぶ場合がある。

集積回路１１は、記憶回路１３と、比較回路１４と、選択回路１５とを有する。記憶回路１３は、分岐命令の分岐条件が成立したか否かの履歴、或いは分岐命令の分岐条件が成立するか否かの予測を含む第１のデータと、当該分岐命令に対応するアドレスに相当する第１のアドレスとの組を、単数または複数記憶する領域を有する。具体的に、図１では、記憶回路１３が第１の記憶領域１３ａと第２の記憶領域１３ｂを有し、第１の記憶領域１３ａに第１のアドレスが記憶され、第２の記憶領域１３ｂに第１のデータが記憶される場合を例示している。そして、図１では、記憶回路１３が、組ＢＲ１乃至組ＢＲｎ−１で示すｎ−１個（ｎ−１は自然数を意味する）の、第１のデータと第１のアドレスの組ＢＲを、記憶する場合を例示している。

記憶回路１３として、例えばフリップフロップ、レジスタ、ＳＲＡＭなどを用いることができる。一の組ＢＲに対応する第２の記憶領域１３ｂが、例えば２ビットの情報量を有する場合、分岐する可能性が最も低い第１の状態（ＳｔｒｏｎｇｌｙＮｏｔＴａｋｅｎ（”００”））と、分岐する可能性がやや低い第２の状態（ＷｅａｋｌｙＮｏｔＴａｋｅｎ（”０１”））と、分岐する可能性がやや高い第３の状態（ＷｅａｋｌｙＴａｋｅｎ（”１０”））と、分岐する可能性が最も高い第４の状態（ＳｔｒｏｎｇｌｙＴａｋｅｎ（”１１”））との間において、分岐条件が成立したか否かに従って状態を遷移させることで、分岐命令の分岐条件が成立したか否かの履歴を、第２の記憶領域１３ｂに記憶させることができる。

具体的には、分岐条件が成立したら、より分岐の可能性が高い方向へ、状態を一つ遷移させる。逆に、分岐条件が成立しなかったら、より分岐の可能性が低い方向へ、状態を一つ遷移させる。過去に分岐条件が続けて成立した分岐命令ほど、次に分岐条件が成立する確率が高いと予測することができるので、上記構成により、分岐命令の分岐条件が成立するか否かの予測の確率を、高めることができる。

そして、当該分岐命令に対応する履歴が、第１の状態（ＳｔｒｏｎｇｌｙＮｏｔＴａｋｅｎ（”００”））または第２の状態（ＷｅａｋｌｙＮｏｔＴａｋｅｎ（”０１”））である場合は、分岐条件が成立しないと予測することができる。また、上記分岐命令に対応する履歴が、第３の状態（ＷｅａｋｌｙＴａｋｅｎ（”１０”））または第４の状態（ＳｔｒｏｎｇｌｙＴａｋｅｎ（”１１”））である場合は、分岐条件が成立すると予測することができる。そして、分岐条件が成立すると予測した場合、半導体装置１０は、投機的実行を行う。

なお、一の組ＢＲに対応する第２の記憶領域１３ｂは、１ビットの情報量を有していても良いし、３ビット以上の情報量を有していても良い。

なお、記憶回路１３などの記憶回路は、例えば、データを記憶することができる機能を有する。そして、記憶回路１３などの記憶回路は、さらに他の機能を有する場合がある。そのため、記憶回路１３などの記憶回路を、単に回路と呼ぶ場合がある。例えば、記憶回路１３などの記憶回路を、第１の回路、第２の回路などと呼ぶ場合がある。

比較回路１４は、次に実行される命令のアドレスに相当する第２のアドレス（ｃｕｒｒｅｎｔＰＣ）と、上記第１のアドレスとの比較を行う機能を有する。具体的に、図１では、集積回路１１が、比較回路１４−１乃至比較回路１４−（ｎ−１）で示すｎ−１個の比較回路１４を有する場合を例示している。そして、比較回路１４−１乃至比較回路１４−（ｎ−１）は、記憶回路１３に記憶されているｎ−１個の組ＢＲにそれぞれ対応している。ｎ−１個の比較回路１４は、第２のアドレスと、ｎ−１個の組ＢＲに含まれるｎ−１個の第１のアドレスとをそれぞれ比較する機能を有する。

なお、比較回路１４などの比較回路は、例えば、アドレスやデータなどを比較することができる機能を有する。そして、比較回路１４などの比較回路は、さらに他の機能を有する場合がある。そのため、比較回路１４などの比較回路を、単に回路と呼ぶ場合がある。例えば、比較回路１４などの比較回路を、第１の回路、第２の回路などと呼ぶ場合がある。

選択回路１５は、比較回路１４において行われた上記比較の結果に従って、ｎ−１個の組ＢＲのうち、一の組ＢＲに含まれる第１のデータを選択する機能を有する。選択回路１５として、マルチプレクサなどを用いることができる。例えば、ｎ−１個の比較回路１４のうち、比較回路１４−ｉ（ｉはｎ−１以下の自然数）において比較された第１のアドレスと第２のアドレスとが一致した場合、選択回路１５は、組ＢＲｉに含まれる第１のデータを選択する機能を有する。

なお、選択回路１５などの選択回路は、例えば、データなどを選択することができる機能を有する。そして、選択回路１５などの選択回路は、さらに他の機能を有する場合がある。そのため、選択回路１５などの選択回路を、単に回路と呼ぶ場合がある。例えば、選択回路１５などの選択回路を、第１の回路、第２の回路などと呼ぶ場合がある。

なお、複数の比較回路１４における比較の結果を情報として含む信号は、選択回路１５とは別の回路、例えばＯＲ回路などを用いて、生成することも可能である。

比較の結果、全ての第１のアドレスと第２のアドレスとが一致しなかった場合、選択回路１５は、一致しなかった情報を含む信号を、出力する機能を有する。

また、集積回路１２は、ロジックアレイ１６と、記憶回路１９とを有する。ロジックアレイ１６は複数の回路１７を有し、複数の回路１７は、入力信号を保持する機能を有する記憶回路１８をそれぞれ有する。記憶回路１８として、例えば、フリップフロップやカウンタなどの順序回路を用いることができる。

記憶回路１９は、複数の回路１７で構成される回路情報を含む第２のデータを、記憶する機能を有する。具体的に第２のデータは、複数の回路１７どうしの導通状態と、複数の各回路１７における、入力信号の論理値に対する出力信号の論理値とを、回路情報として含む。さらに、記憶回路１９は、第２のデータに従って、複数の回路１７間の導通状態を制御する機能を有していても良い。

そして、記憶回路１９に記憶された第２のデータに従って、複数の回路１７間の導通状態が制御され、複数の各回路１７における、入力信号の論理値に対する出力信号の論理値が制御されることで、集積回路１１の動作状態を試験するための信号（以下、テストパターンと呼ぶ）を生成する機能が、複数の回路１７に付加される。

また、集積回路１２において生成されたテストパターンに従って集積回路１１が動作し、それによって集積回路１１から信号が出力される。本発明の一態様にかかる半導体装置１０では、当該信号を用いて集積回路１１の動作状態を評価する機能が、記憶回路１９に記憶された第２のデータに従って、複数の回路１７に付加されても良い。

本発明の一態様では、集積回路１２において、複数の回路１７間の導通状態を制御し、複数の各回路１７における、入力信号の論理値に対する出力信号の論理値を制御することで、複数の回路１７において生成できるテストパターンの種類を変更することができる。そして、複数の回路１７を組み合わせ回路として機能させることもできるし、順序回路として機能させることもできる。よって、複数の回路１７のそれぞれにおける、入力信号の論理値に対する出力信号の論理値の組み合わせの種類を増やすことができる。したがって、本発明の一態様にかかる半導体装置１０では、複数の回路１７のゲート数を小さく抑えつつ、複数の回路１７において生成できるテストパターンの種類を増やすことができる。また、新たなテストパターンを半導体装置１０の外部から供給しなくとも、追加で集積回路１１の動作状態の試験を実行することができる。

また、複数の回路１７において生成されるテストパターンは、集積回路１１が有する一部の回路の動作状態を試験するための信号であっても良いし、集積回路１１全体の動作状態を試験するための信号であっても良い。例えば、集積回路１１が記憶回路１３とは別の記憶回路を有する場合、複数の回路１７は、当該記憶回路の動作状態を試験するためのテストパターンを生成することができる。また、例えば、集積回路１１が位相同期回路などのアナログ回路を有する場合、複数の回路１７は、当該アナログ回路の動作状態を試験するためのテストパターンを生成することができる。

そして、本発明の一態様では、集積回路１１の動作状態の試験が行われないとき、すなわち、通常の動作時において、集積回路１２は、記憶回路１８または記憶回路１９に、第１のデータと第１のアドレスの組ＢＲを単数または複数記憶させる機能を有する。通常の動作時において、記憶回路１８に、第１のデータと第１のアドレスの組ＢＲを単数または複数記憶させる機能が付加された、半導体装置１０の動作状態を、図２に模式的に示す。

図２では、ロジックアレイ１６において、図１に示した複数の回路１７間の導通状態を制御し、複数の各回路１７における、入力信号の論理値に対する出力信号の論理値を制御することで、記憶回路１８に、第１のデータと第１のアドレスの組ＢＲｎを記憶する機能が付加される場合を、例示している。図２では、複数の記憶回路１８のうち、組ＢＲｎを記憶する機能が付加された記憶回路１８を、記憶回路１８ａとして図示している。

さらに、図２では、ロジックアレイ１６において、複数の回路１７間の導通状態を制御し、複数の各回路１７における入力信号の論理値に対する出力信号の論理値を制御することで、複数の回路１７のいずれかに比較回路１４−ｎの機能が付加される場合を例示している。具体的に、比較回路１４−ｎは、第２のアドレスと、組ＢＲｎに含まれる第１のアドレスとの比較を行う機能を有する。

そして、図２に示す半導体装置１０では、選択回路１５は、比較回路１４−１乃至比較回路１４−ｎにおいて行われた上記比較の結果に従って、ｎ個の組ＢＲのうち、一の組ＢＲに含まれる第１のデータを選択する機能を有する。例えば、比較回路１４−１乃至比較回路１４−ｎのうち、比較回路１４−ｊ（ｊはｎ以下の自然数）において比較された第１のアドレスと第２のアドレスとが一致した場合、選択回路１５は、組ＢＲｊに含まれる第１のデータを選択する機能を有する。また、比較の結果、第１のアドレスと第２のアドレスとが、比較回路１４−１乃至比較回路１４−ｎの全てにおいて一致しなかった場合、選択回路１５は、一致しなかった情報を含む信号を、出力する機能を有する。

なお、図１に示すように、集積回路１１の動作状態の試験が行われるとき、図２に示す記憶回路１８ａに記憶されている組ＢＲｎの第１のアドレスと、第２のアドレスとが、一致しないというデータ”０”を、信号線９０を介して集積回路１２から選択回路１５に送る。このとき、図２に示す記憶回路１８ａに記憶されている組ＢＲｎの第１のデータを、信号線９１を介して集積回路１２から選択回路１５に送っても、上記第１のデータは、選択回路１５において選択されない。

或いは、集積回路１１の動作状態の試験が行われるとき、上記第１のデータが選択回路１５において選択されないようにするために、記憶回路１８に記憶されている全てのデータが無効であることを示す識別情報を、集積回路１２から集積回路１１に入力するようにしても良い。

なお、図２では、一の組ＢＲｎを記憶する機能が複数の記憶回路１８のいずれかに付加され、一の比較回路１４−ｎの機能が複数の回路１７のいずれかに付加される場合を、例示している。ただし、本発明の一態様にかかる半導体装置１０では、複数の組ＢＲを記憶する機能が複数の記憶回路１８に付加され、複数の組ＢＲにそれぞれ対応した複数の比較回路１４の機能が複数の回路１７のいずれかに付加されても良い。

また、図２では、ロジックアレイ１６において、複数の回路１７間の導通状態を制御し、複数の各回路１７における、入力信号の論理値に対する出力信号の論理値を制御することで、複数の回路１７のいずれかに、比較回路１４−ｎの機能が付加される場合を、例示している。ただし、本発明の一態様にかかる半導体装置１０では、集積回路１２が、ロジックアレイ１６とは別に、比較回路１４−ｎを予め有していても良い。

なお、集積回路１２においてテストパターンの生成が可能となる第１の状態と、集積回路１２に組ＢＲを記憶する機能が付加された第２の状態との切り替えは、入力装置（図示せず）から入力される命令に従って行うことができる。或いは、上記状態の切り替えを行う命令が、集積回路１１が有する記憶装置（図示せず）内に記憶されており、半導体装置１０への電源の投入時において、当該命令に従って状態の切り替えが行われても良い。

そして、上記状態の切り替えに伴う、信号の経路の切り替えは、スイッチ（図示せず）により行われても良い。

本発明の一態様に係る半導体装置１０では、記憶回路１３と共に、第１のデータと第１のアドレスの組ＢＲを記憶回路１８に記憶させることで、分岐命令の分岐条件が成立したか否かの履歴を含む第１のデータと、当該分岐命令に対応する第１のアドレスとの組を、より多く半導体装置１０において記憶させることができる。上記構成により、より複雑なパイプライン処理が要求される場合においても、分岐命令の分岐条件が成立するか否かの予測の確率を、高めることができ、半導体装置の性能を高めることができる。よって、本発明の一態様に係る半導体装置１０では、記憶回路１８は、集積回路１１の動作状態の試験が行われるときのみならず、通常の動作時にも半導体装置１０の動作に利用される。よって、本発明の一態様に係る半導体装置１０では、通常の動作時に不要となる回路の面積規模を縮小することができる。

〈半導体装置の構成例２〉
次いで、通常の動作時において、記憶回路１９に第１のデータと第１のアドレスの組ＢＲを単数または複数記憶させる機能が付加された、半導体装置１０の動作状態を、図３に模式的に示す。

具体的に、図３では、記憶回路１９に、第１のデータと第１のアドレスの組ＢＲｎを記憶する機能が付加される場合を例示している。そして、図３では、集積回路１２が比較回路１４−ｎを有する場合を例示している。比較回路１４−ｎは、次に実行される命令に対応する第２のアドレスと、組ＢＲｎに含まれる第１のアドレスとの比較を行う機能を有する。

そして、図３に示す半導体装置１０では、選択回路１５は、比較回路１４−１乃至比較回路１４−ｎにおいて行われた比較の結果に従って、ｎ個の組ＢＲのうち、一の組ＢＲに含まれる第１のデータを選択する機能を有する。例えば、比較回路１４−１乃至比較回路１４−ｎのうち、比較回路１４−ｊにおいて比較された第１のアドレスと第２のアドレスとが一致した場合、選択回路１５は、組ＢＲｊに含まれる第１のデータを選択する機能を有する。また、比較の結果、第１のアドレスと第２のアドレスとが、比較回路１４−１乃至比較回路１４−ｎの全てにおいて一致しなかった場合、選択回路１５は、一致しなかった情報を含む信号を、出力する機能を有する。

なお、図１に示すように、集積回路１１の動作状態の試験が行われるとき、図３に示す記憶回路１９に記憶されている組ＢＲｎの第１のアドレスと、第２のアドレスとが、一致しないというデータ”０”を、信号線９０を介して集積回路１２から選択回路１５に送る。このとき、図３に示す記憶回路１９に記憶されている組ＢＲｎの第１のデータを、信号線９１を介して集積回路１２から選択回路１５に送っても、上記第１のデータは、選択回路１５において選択されない。

或いは、集積回路１１の動作状態の試験が行われるとき、上記第１のデータが選択回路１５において選択されないようにするために、記憶回路１９に記憶されている全てのデータが無効であることを示す識別情報を、集積回路１２から集積回路１１に入力するようにしても良い。

なお、図３では、一の組ＢＲｎを記憶する機能が記憶回路１９に付加され、集積回路１２が一の比較回路１４−ｎを有する場合を例示している。ただし、本発明の一態様にかかる半導体装置１０では、複数の組ＢＲを記憶する機能が記憶回路１９に付加され、複数の組ＢＲにそれぞれ対応した複数の比較回路１４を集積回路１２が有していても良い。

本発明の一態様に係る半導体装置１０では、記憶回路１３と共に、第１のデータと第１のアドレスの組ＢＲを記憶回路１９に記憶させることで、分岐命令の分岐条件が成立したか否かの履歴を含む第１のデータと、当該分岐命令に対応する第１のアドレスとの組を、より多く半導体装置１０において記憶させることができる。上記構成により、より複雑なパイプライン処理が要求される場合においても、分岐命令の分岐条件が成立するか否かの予測の確率を、高めることができ、半導体装置の性能を高めることができる。よって、本発明の一態様に係る半導体装置１０では、記憶回路１９は、集積回路１１の動作状態の試験が行われるときのみならず、通常の動作時にも半導体装置１０の動作に利用される。よって、本発明の一態様に係る半導体装置１０では、通常の動作時に不要となる回路の面積規模を縮小することができる。

〈回路１７の構成例〉
次いで、集積回路１２が有する回路１７の構成例について説明する。

図４（Ａ）に、回路１７の一形態を例示する。図４（Ａ）に示す回路１７は、ＬＵＴ（ルックアップテーブル）２０と、記憶回路１８とを有する。ＬＵＴ２０は、記憶回路１９から送られてきた第２のデータを、一時的に記憶する機能を有する記憶回路２１を、有する。ＬＵＴ２０は、上記第２のデータに従って、入力端子２２に入力される入力信号の論理値に対する、ＬＵＴ２０の出力信号の論理値が定められる。記憶回路１８は、ＬＵＴ２０の出力信号に含まれるデータを保持し、信号ＣＬＫに同期して当該データに対応した出力信号を、出力端子２３から出力する。

なお、回路１７が記憶回路１８の前段にマルチプレクサを有し、当該マルチプレクサによって、ＬＵＴ２０からの出力信号が記憶回路１８を経由するか否かを選択できるようにしても良い。

また、回路情報を含むデータによって、記憶回路１８の種類を定義できる構成にしても良い。具体的には、回路情報を含むデータに従って、記憶回路１８がＤ型フリップフロップ、Ｔ型フリップフロップ、ＪＫ型フリップフロップ、またはＲＳ型フリップフロップのいずれかの機能を有するようにしても良い。

また、図４（Ｂ）に、回路１７の別の一形態を例示する。図４（Ｂ）に示す回路１７は、図４（Ａ）に示した回路１７に、ＡＮＤ回路２４が追加された構成を有している。ＡＮＤ回路２４には、記憶回路１８からの信号が、正論理の入力として与えられ、信号ＩＮＩＴの電位が、負論理の入力として与えられている。上記構成により、信号ＩＮＩＴの電位に従って、出力端子２３の電位を初期化することができる。

また、図４（Ｃ）に、回路１７の別の一形態を例示する。図４（Ｃ）に示す回路１７は、図４（Ａ）に示した回路１７に、マルチプレクサ２５が追加された構成を有している。また、図４（Ｃ）に示す回路１７は、記憶回路２６を有しており、記憶回路２６は、マルチプレクサ２５における入力信号の論理値に対する出力信号の論理値を定めるためのデータを、記憶する機能を有する。

ＬＵＴ２０は、記憶回路２１が有する第２のデータに従って、入力信号の論理値に対する出力信号の論理値が定められる。また、マルチプレクサ２５は、ＬＵＴ２０からの出力信号と、記憶回路１８からの出力信号とが入力されている。そして、マルチプレクサ２５は、記憶回路２６に格納されているデータに従って、上記２つの出力信号のいずれか一方を選択し、出力する機能を有する。マルチプレクサ２５からの出力信号は、出力端子２３から出力される。

〈ロジックアレイの構成例〉
次いで、図５に、ロジックアレイ１６の構成例を示す。ロジックアレイ１６は、複数の回路１７と、複数の回路１７の入力端子または出力端子に電気的に接続されている複数の配線３０と、配線３０間の導通状態を制御する機能を有するスイッチ回路３１とを有する。複数の配線３０とスイッチ回路３１とにより、回路１７間の導通状態が制御される。スイッチ回路３１によって制御される配線３０どうしの導通状態は、図１に示す記憶回路１９に記憶される第２のデータにより、定められる。

なお、図５に示すロジックアレイ１６には、複数の回路１７の入力端子または出力端子に電気的に接続されている配線３０に加えて、信号ＣＬＫや信号ＲＥＳを回路１７に供給する機能を有する配線が設けられていても良い。信号ＣＬＫは、例えば、図４に示す回路１７において、記憶回路１８からの信号の出力のタイミングを制御するのに用いることができる。また、例えば、図４に示す回路１７において、記憶回路１８は、信号ＲＥＳに従って保持されているデータを初期化する機能を有していても良い。

図６に、スイッチ回路３１の構成例を示す。図６では、複数の配線３０に含まれる配線３０ａ乃至配線３０ｄ間の、導通状態を制御するスイッチ回路３１の構成を例示している。具体的に、図６に示すスイッチ回路３１は、スイッチ３２ａ乃至スイッチ３２ｆを有する。スイッチ３２ａ乃至スイッチ３２ｆとして、トランジスタを用いることができる。

なお、一のトランジスタをスイッチ３２ａ乃至スイッチ３２ｆのいずれか一つとして用いることができるし、複数のトランジスタをスイッチ３２ａ乃至スイッチ３２ｆのいずれか一つとして用いることもできる。複数のトランジスタをスイッチ３２ａ乃至スイッチ３２ｆのいずれか一つとして用いる場合、上記複数のトランジスタは並列に接続されていても良いし、直列に接続されていても良いし、直列と並列が組み合わされて接続されていても良い。

なお、本明細書において、トランジスタが直列に接続されている状態とは、例えば、第１のトランジスタのソース及びドレインの一方のみが、第２のトランジスタのソース及び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及びドレインの一方が第２のトランジスタのソース及び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及びドレインの他方が第２のトランジスタのソース及びドレインの他方に接続されている状態を意味する。

そして、スイッチ３２ａ乃至スイッチ３２ｆのオンまたはオフの選択（スイッチング）は、図１に示す記憶回路１９に記憶されている第２のデータにより定まる。

具体的に、スイッチ３２ａは、配線３０ａと、配線３０ｃの間の導通状態を制御する機能を有する。スイッチ３２ｂは、配線３０ｂと、配線３０ｃの間の導通状態を制御する機能を有する。スイッチ３２ｃは、配線３０ａと、配線３０ｄの間の導通状態を制御する機能を有する。スイッチ３２ｄは、配線３０ｂと、配線３０ｄの間の導通状態を制御する機能を有する。スイッチ３２ｅは、配線３０ａと配線３０ｂの間の導通状態を制御する機能を有する。スイッチ３２ｆは、配線３０ｃと配線３０ｄの間の導通状態を制御する機能を有する。

図６に示すスイッチ回路３１は、上記構成により、複数の配線３０間の導通状態の制御を行うことができる。なお、スイッチ回路３１は、複数の配線３０と、ロジックアレイ１６の出力端子（図示せず）との間の導通状態を制御する機能を有していても良い。

なお、スイッチ回路３１などのスイッチ回路は、例えば、回路や素子や端子などの間の導通状態を制御することができる機能を有する。そして、スイッチ回路３１などのスイッチ回路は、さらに他の機能を有する場合がある。そのため、スイッチ回路３１などのスイッチ回路を、単に回路と呼ぶ場合がある。例えば、スイッチ回路３１などのスイッチ回路を、第１の回路、第２の回路などと呼ぶ場合がある。

また、集積回路１２は、図１に示すロジックアレイ１６、記憶回路１９に加えて、Ｉ／Ｏエレメント、ＰＬＬ（ｐｈａｓｅｌｏｃｋｌｏｏｐ）、ＲＡＭ、乗算器を有していても良い。Ｉ／Ｏエレメントは、集積回路１２の外部回路からの信号の入力、または外部回路への信号の出力を制御する、インターフェースとしての機能を有する。ＰＬＬは、信号ＣＬＫを生成する機能を有する。ＲＡＭは、論理演算に用いられるデータを格納する機能を有する。乗算器は、乗算専用の論理回路に相当する。ロジックアレイ１６に乗算を行う機能が含まれていれば、乗算器は必ずしも設ける必要はない。

〈半導体装置の具体的な構成例〉
次いで、図７に、図１に示した半導体装置１０の、より具体的な構成の一例をブロック図で示す。なお、本明細書に添付する図面では、ブロック図において、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。

図７に示す半導体装置１０は、図１に示す半導体装置１０と同様に、集積回路１１及び集積回路１２を有する。また、図７に示す集積回路１１は、図１に示す半導体装置１０と同様に、記憶回路１３、単数または複数の比較回路１４、及び選択回路１５を有する。さらに、図７に示す半導体装置１０は、回路３３と、命令キャッシュ３４と、主記憶装置３５と、命令レジスタ３６と、データキャッシュ３７と、演算実行部３８とを有する。

演算実行部３８は、命令レジスタ３６から入力された命令をデコードして各種制御信号を生成する機能と、当該制御信号に従って四則演算、論理演算などの各種演算処理を行う機能とを有する。データキャッシュ３７は、主記憶装置３５から読み出されたデータ、演算実行部３８の演算処理の途中で得られたデータ、或いは演算実行部３８の演算処理の結果得られたデータなど、使用頻度の高いデータを一時的に記憶しておく緩衝記憶装置としての機能を有する。命令キャッシュ３４は、命令レジスタ３６を介して演算実行部３８に送られる命令のうち、使用頻度の高い命令を一時的に記憶しておく緩衝記憶装置としての機能を有する。回路３３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。命令レジスタ３６は、次に実行する命令を記憶する緩衝記憶装置としての機能を有する。主記憶装置３５には、演算実行部３８における演算処理に用いられるデータや、演算実行部３８において実行される命令を記憶する機能を有する。

分岐命令の分岐条件が成立するか否かの予測を含む第１のデータが回路３３に入力されると、当該第１のデータに従って、回路３３において次に実行する命令のアドレスが定められる。演算実行部３８は、回路３３に記憶されている、次に実行する命令のアドレスに従い、命令キャッシュ３４の対応するアドレスから命令を読み出し、命令レジスタ３６に上記命令を記憶させる。命令キャッシュ３４の対応するアドレスに、該当する命令が記憶されていない場合は、主記憶装置３５の対応するアドレスにアクセスし、主記憶装置３５から命令を読み出し、命令レジスタ３６に記憶させる。この場合、上記命令を命令キャッシュ３４にも記憶させておく。

演算実行部３８は、命令レジスタ３６に記憶されている命令をデコードし、当該命令に対応した処理を実行する。実行すべき命令が演算命令の場合は、内部レジスタに記憶されているデータやデータキャッシュ３７に記憶されているデータを用いて演算実行部３８が有する演算装置（ＡＬＵ）にて演算処理を行い、その演算処理の結果を内部レジスタやデータキャッシュ３７に格納する。

そして、演算実行部３８は、命令の実行が終了すると、回路３３に再度アクセスし、命令キャッシュ３４から命令レジスタ３６を介して読み出した命令をデコード、実行するという上記動作を繰り返す。

図８に、回路３３の構成を一例として示す。回路３３は、プログラムカウンタ３９と、加算回路４０と、選択回路４１とを有する。

回路３３は、次に演算実行部３８において実行される命令の第２のアドレス（ｃｕｒｒｅｎｔＰＣ）を生成する機能を有し、プログラムカウンタ３９は当該第２のアドレス（ｃｕｒｒｅｎｔＰＣ）を記憶する機能を有する。加算回路４０は、第２のアドレス（ｃｕｒｒｅｎｔＰＣ）に特定の増分、例えば”１”を加えたアドレスを、生成する機能を有する。

選択回路４１は、プログラムカウンタ３９から出力される第２のアドレス（ｃｕｒｒｅｎｔＰＣ）と、加算回路４０において生成されるアドレスと、分岐命令に対応した第１のアドレス（ｐｒｅｄｉｃｔｅｄｂｒａｎｃｈａｄｄｒｅｓｓ）のいずれかを、さらに次に演算実行部３８において実行される命令の第２のアドレス（ｎｅｘｔＰＣ）として、信号ＳｉｇＡに従って選択する機能を有する。

例えば、アドレス順に命令が実行される場合、加算回路４０において生成されるアドレスが選択回路４１において選択され、第２のアドレス（ｃｕｒｒｅｎｔＰＣ）としてプログラムカウンタ３９に入力される。また、前の命令の演算結果が出ないと次の命令が実行できない場合などにパイプラインを停止する場合や、キャッシュミスを生じた場合などにより、加算回路４０において生成されるアドレスに対応した命令が実行できない場合、第２のアドレス（ｃｕｒｒｅｎｔＰＣ）が選択回路４１において選択され、第２のアドレス（ｃｕｒｒｅｎｔＰＣ）としてプログラムカウンタ３９に入力される。また、分岐予測によって分岐条件が成立すると予測した場合、分岐命令の次に実行すると予測した分岐先の命令のアドレスに対応した第１のアドレス（ｐｒｅｄｉｃｔｅｄｂｒａｎｃｈａｄｄｒｅｓｓ）が、選択回路４１において選択され、第２のアドレス（ｃｕｒｒｅｎｔＰＣ）としてプログラムカウンタ３９に入力される。分岐命令の分岐条件が成立したか否かの履歴を含む第１のデータは、信号ＳｉｇＡに反映されている。なお、分岐予測によって分岐条件が成立しないと予測した場合に、第２のアドレス（ｃｕｒｒｅｎｔＰＣ）に特定の増分を加えたアドレスを選択する構成にすることも可能である。

選択回路４１において選択され、出力された第２のアドレス（ｎｅｘｔＰＣ）は、信号ＣＬＫのクロックエッジに従って、プログラムカウンタ３９に取り込まれ、第２のアドレス（ｃｕｒｒｅｎｔＰＣ）として回路３３から出力される。

演算実行部３８は、分岐命令を実行する際に、当該分岐命令に対応する第１のアドレス及び第１のデータの組ＢＲが記憶回路１３に記憶されていないと判断すると、上記分岐命令に対応する組ＢＲを、記憶回路１３に追加することができる。

また、第２のアドレス（ｃｕｒｒｅｎｔＰＣ）と一致する第１のアドレスが記憶回路１３に記憶されていない場合に、選択回路１５から出力される、一致しなかった情報を含む信号からＳｉｇＡを生成し、回路３３に供給する。また、第１のアドレス（ｐｒｅｄｉｃｔｅｄｂｒａｎｃｈａｄｄｒｅｓｓ）は、非有効なアドレスとなる。当該信号を受け取った選択回路４１が、分岐命令に対応した第１のアドレス（ｐｒｅｄｉｃｔｅｄｂｒａｎｃｈａｄｄｒｅｓｓ）を第２のアドレス（ｎｅｘｔＰＣ）として選択しないように、ＳｉｇＡは生成される。

〈集積回路１２の構成例〉
次いで、記憶回路１９が、複数の回路１７で構成される回路情報を含む第２のデータを、記憶する機能に加えて、第２のデータに従って、複数の回路１７間の導通状態を制御する機能を有する場合の、集積回路１２の具体的な構成例について説明する。

図９に、集積回路１２の構成の一部を例示する。図９では、複数の回路１７を有する第１の列４３−１と、複数の回路１７を有する第２の列４３−２と、複数の回路１７を有する第３の列４３−３とが、図示されている。図９では、図面に向かって左側から順に、第１の列４３−１、第２の列４３−２、及び第３の列４３−３が、並列に配置されている場合を例示している。

また、図９では、複数の配線３０−１乃至複数の配線３０−７で示される複数の配線３０が、集積回路１２に設けられている。

そして、第１の列４３−１が有する各回路１７の第１出力端子は、複数の配線３０−１のいずれか一つに、それぞれ電気的に接続されている。第１の列４３−１が有する各回路１７の第２出力端子は、複数の配線３０−２のいずれか一つに、それぞれ電気的に接続されている。また、第２の列４３−２が有する各回路１７の第１出力端子は、複数の配線３０−４のいずれか一つに、それぞれ電気的に接続されている。第２の列４３−２が有する各回路１７の第２出力端子は、複数の配線３０−５のいずれか一つに、それぞれ電気的に接続されている。また、第３の列４３−３が有する各回路１７の第１出力端子は、複数の配線３０−３のいずれか一つに、それぞれ電気的に接続されている。第３の列４３−３が有する各回路１７の第２出力端子は、複数の配線３０−７のいずれか一つに、それぞれ電気的に接続されている。

なお、各回路１７が有する第１出力端子の数と、第２出力端子の数は、必ずしも一つとは限らず、いずれか一方が複数であっても良いし、両方とも複数であっても良い。ただし、第１出力端子が複数であっても、第２出力端子が複数であっても、一の配線には、必ず一の出力端子が接続されるものとする。よって、一の列が有する回路１７の数がＹ（Ｙは自然数）であるならば、集積回路１２は、第１出力端子に接続されるＹ本の配線と、第２出力端子に接続されるＹ本の配線とを、少なくとも有する。

そして、第１の列４３−１は、複数の配線３０−１と複数の配線３０−２の間に配置されている。第２の列４３−２は、複数の配線３０−４と複数の配線３０−５の間に配置されている。第３の列４３−３は、複数の配線３０−３と複数の配線３０−７の間に配置されている。

さらに、第２の列４３−２が有する各回路１７の第１出力端子に接続された複数の配線３０−４は、第１の列４３−１と第２の列４３−２の間と、第１の列４３−１と、図９の図面に向かって第１の列４３−１の左側に配置される回路１７の列（図示せず）の間とに、跨るように配置されている。第３の列４３−３が有する各回路１７の第１出力端子に接続された複数の配線３０−３は、第１の列４３−１と第２の列４３−２の間と、第２の列４３−２と第３の列４３−３の間とに、跨るように配置されている。また、図９の図面に向かって第３の列４３−３の右側に配置される各回路１７（図示せず）の、第１出力端子に接続された複数の配線３０−６は、第２の列４３−２と第３の列４３−３の間と、第３の列４３−３と第３の列４３−３の右側に配置される回路１７の列（図示せず）の間とに、跨るように配置されている。

すなわち、第Ｎの列（Ｎは３以上の自然数）に着目すると、上記列が有する各回路１７の第１出力端子に接続された複数の配線は、第Ｎの列と第（Ｎ−１）の列の間と、第（Ｎ−１）の列と第（Ｎ−２）の列の間とに、跨るように配置されている。なお、Ｎが２である場合、第２の列が有する各回路１７の第１出力端子に電気的に接続された複数の配線は、第２の列と第１の列の間と、第１の列とＩ／Ｏエレメントの間とに、跨るように配置される。

また、本発明の一態様では、第（Ｎ−１）の列（Ｎは３以上の自然数）に着目すると、上記列が有する各回路１７の第１出力端子に電気的に接続された複数の配線３０と、第Ｎの列が有する各回路１７の第１出力端子に電気的に接続された複数の配線３０と、第（Ｎ−２）の列が有する各回路１７の第２出力端子に電気的に接続された複数の配線３０とが、スイッチ回路３１を介して、第（Ｎ−１）の列が有する各回路１７の複数の入力端子に電気的に接続されている。

具体的に、図９の場合、例えば、第２の列４３−２が有する各回路１７の第１出力端子に電気的に接続された複数の配線３０−４と、第３の列４３−３が有する各回路１７の第１出力端子に電気的に接続された複数の配線３０−３と、第１の列４３−１が有する各回路１７の第２出力端子に電気的に接続された複数の配線３０−２とが、スイッチ回路３１を介して、第２の列４３−２が有する各回路１７の複数の入力端子に電気的に接続されている。

図１０（Ａ）に、図９に示した、複数の配線３０−２、複数の配線３０−３、及び複数の配線３０−４と、第２の列４３−２が有する各回路１７の複数の入力端子との、導通状態を制御するスイッチ回路３１の回路図を、抜き出して示す。図１０（Ａ）において、複数の配線３０に含まれる複数の配線３０−８は、第２の列４３−２が有する一の回路１７の複数の入力端子に、それぞれ電気的に接続されている。

図１０（Ｂ）に、図１０（Ａ）に示したスイッチ回路３１のより具体的な構成例を示す。図１０（Ａ）に示したスイッチ回路３１は、図１０（Ｂ）に示すように、３つのスイッチ回路３１ａを有する。

なお、図１０（Ｂ）では、３本の配線３０−８に対応するスイッチ回路３１を例示しているため、スイッチ回路３１が３つのスイッチ回路３１ａを有する場合が図示されている。スイッチ回路３１が有するスイッチ回路３１ａの数は、回路１７が有する複数の入力端子の数に従って、定めることができる。

また、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）では、複数の配線３０−２、複数の配線３０−３、及び複数の配線３０−４と、複数の配線３０−８との間の導通状態を制御するスイッチ回路３１を代表例として図示しているが、図９において複数の配線３０と複数の配線３０の間の導通状態を制御する他のスイッチ回路３１も、同様の構成を有するものとする。

次いで、図１０（Ｂ）に示すスイッチ回路３１の、さらに具体的な構成例を図１０（Ｃ）に示す。図１０（Ｃ）では、複数の配線３０−２、複数の配線３０−３、及び複数の配線３０−４と、スイッチ回路３１との接続関係をより詳細に示している。図１０（Ｃ）に示すように、各スイッチ回路３１ａは、複数の配線３０−２、複数の配線３０−３、及び複数の配線３０−４の全てと、複数の配線３０−８の一つとの間の導通状態を制御する。

そして、図１０（Ｂ）及び図１０（Ｃ）に示すスイッチ回路３１ａは、図１に示す記憶回路１９としての機能を有する。すなわち、スイッチ回路３１ａは、回路情報を含む第２のデータに従って、複数の回路１７間の導通状態を制御する機能に加えて、当該第２のデータを記憶する機能を有する。

次いで、スイッチ回路３１ａの、具体的な構成の一例について、図１１を用いて説明する。図１１に示すスイッチ回路３１ａは、配線ＢＬ−１乃至配線ＢＬ−ｘ（ｘは２以上の自然数）で示す複数の配線ＢＬと、配線ＯＬ−１乃至配線ＯＬ−ｘで示す複数の配線ＯＬと、配線３０−８と、配線ＷＬ−１乃至配線ＷＬ−ｙ（ｙは２以上の自然数）で示す複数の配線ＷＬと、配線ＣＬ−１乃至配線ＣＬ−ｙで示す複数の配線ＣＬとを有する。

なお、図１１に示すスイッチ回路３１ａを図１０（Ｃ）に用いる場合、図１０（Ｃ）に示す複数の配線３０−２、複数の配線３０−３、及び複数の配線３０−４が、図１１に示す配線ＯＬ−１乃至配線ＯＬ−ｘに相当する。

さらに、図１１に示すスイッチ回路３１ａは、ｘ×ｙ個の回路４５を有する。各回路４５は、トランジスタ４７と、トランジスタ４８と、トランジスタ４９と、容量素子５０とを、少なくとも有する。そして、ｘ×ｙ個の回路４５は、配線ＷＬ−ｊ及び配線ＣＬ−ｊ（ｊはｙ以下の自然数）に接続されているｘ個の回路４５で構成されている組４６を、ｙ個有する。図１１では、ｙ個の組４６を、組４６−１乃至組４６−ｙとして図示する。

具体的に、ｊ行ｉ列目（ｉはｘ以下の自然数）の回路４５において、トランジスタ４７は、そのゲートが配線ＷＬ−ｊに電気的に接続されている。また、トランジスタ４７のソース及びドレインは、一方が配線ＢＬ−ｉに電気的に接続され、他方がトランジスタ４８のゲートに電気的に接続されている。トランジスタ４８のソース及びドレインは、一方が配線ＯＬ−ｉに電気的に接続され、他方がトランジスタ４９のソース及びドレインの一方に電気的に接続されている。トランジスタ４９のソース及びドレインの他方は、配線３０−８に電気的に接続されている。トランジスタ４９のゲートは、配線ＣＬ−ｊに電気的に接続されている。容量素子５０は、トランジスタ４８のゲートに接続されている。

回路４５は、必要に応じて、トランジスタ、ダイオード、抵抗素子、容量素子、インダクタなどのその他の回路素子を、さらに有していても良い。

図１１に示すスイッチ回路３１ａでは、トランジスタ４７がオンのときに配線ＢＬに第２のデータを含む信号の電位が与えられると、トランジスタ４７を介してトランジスタ４８のゲートに上記電位が供給される。次いで、トランジスタ４７がオフになると、トランジスタ４８のゲートに与えられた電位が保持される。そして、トランジスタ４８は、第２のデータが反映されたゲートの電位に従って、導通状態が選択される。

トランジスタ４９は、トランジスタ４８と直列に電気的に接続されているため、トランジスタ４８と共に、配線ＯＬと配線３０−８の電気的な導通状態を制御する機能を有する。具体的には、トランジスタ４８及びトランジスタ４９がオンであるとき、配線ＯＬと配線３０−８とが導通する。また、トランジスタ４８及びトランジスタ４９の少なくとも一つがオフであるとき、配線ＯＬと配線３０−８とは電気的に分離する。すなわち、各回路４５に保持された第２のデータを含む信号の電位に従って、複数の配線ＯＬと配線３０−８の間の導通状態が定められることとなる。

そして、配線ＯＬには、図９に示した複数の回路１７のいずれか一つが接続されており、配線３０−８には複数の回路１７のいずれか一つが接続されている。よって、スイッチ回路３１ａの各回路４５に書き込まれた第２のデータに従って、回路１７間の導通状態が制御されることとなる。

さらに、図１１に示すスイッチ回路３１ａは、配線３０−８と、所定の電位が与えられた配線５１との電気的な導通状態を制御するスイッチ５２が、設けられている場合を例示している。図１１では、スイッチ５２として、一のトランジスタが用いられている場合を例示している。スイッチ５２は信号ＩＮＩＴに従ってスイッチングが行われる。具体的に、スイッチ５２がオンであるとき、配線５１の電位が配線３０−８に与えられ、スイッチ５２がオフであるとき、配線５１の電位は配線３０−８に与えられない。

スイッチ５２をオンにすることで、配線３０−８の電位が所定の高さになるよう初期化することができる。なお、第２のデータを保持している期間において、配線３０−８や配線ＯＬの電位が不定状態となっても、配線３０−８の電位を初期化することで、配線３０−８と複数の配線ＯＬの間に大量に電流が流れるのを防ぐことができる。それにより、集積回路１２の破損が引き起こされるのを、防ぐことができる。

また、第２のデータを保持している期間において、配線３０−８が、ハイレベルとローレベルの間の中間電位になってしまう場合がある。中間電位が回路１７の入力端子に与えられると、配線３０−８に接続された回路１７において貫通電流が生じやすい。しかし、上述したように、配線３０−８の電位を初期化することができるので、電源が投入された直後において入力端子が中間電位になるのを防ぐことができ、よって、上記貫通電流が生じるのを防ぐことができる。

また、配線３０−８に、ラッチが電気的に接続されていても良い。図１１では、初期化を行うためのスイッチ５２に加えて、ラッチ５３が配線３０−８に電気的に接続されている場合を例示する。ラッチ５３は、配線３０−８の電位を、ハイレベルかローレベルのいずれか一方に保つ機能を有する。ラッチ５３を配線３０−８に電気的に接続させることによって、配線３０−８の電位をハイレベルかローレベルのいずれか一方に保つことができるので、中間の電位が配線３０−８に与えられることで、配線３０−８にその入力端子が接続された回路１７に貫通電流が生じるのを、防ぐことができる。

具体的に、図１１に示すラッチ５３は、電位の極性を反転させる機能を有する回路５４と、トランジスタ５５とを有する。回路５４として、例えばインバータを用いることができる。回路５４の入力端子は配線３０−８に電気的に接続され、回路５４の出力端子はトランジスタ５５のゲートに電気的に接続されている。トランジスタ５５のソース及びドレインは、一方が、配線５１よりも高い電位が与えられている配線５６に電気的に接続され、他方が、配線３０−８に電気的に接続されている。

なお、図１１に示すスイッチ回路３１ａにおいて、トランジスタ４７は、トランジスタ４８のゲートの電位を保持する機能を有しているため、オフ電流の著しく小さいトランジスタであることが望ましい。シリコンよりもバンドギャップが広く、真性キャリア密度がシリコンよりも低い半導体膜に、チャネル形成領域が形成されることを特徴とするトランジスタは、オフ電流を著しく小さくすることができるので、トランジスタ４７として用いるのに好適である。このような半導体としては、例えば、シリコンの２倍以上の大きなバンドギャップを有する、酸化物半導体、窒化ガリウムなどが挙げられる。上記半導体を有するトランジスタは、通常のシリコンやゲルマニウムなどの半導体で形成されたトランジスタに比べて、オフ電流を極めて小さくすることができる。よって、上記構成を有するトランジスタ４７を用いることで、トランジスタ４８のゲートに保持されている電荷が、リークするのを防ぐことができる。

また、図１１に示すスイッチ回路３１ａにおいて、回路４５では、トランジスタ４７がオフであるときトランジスタ４８のゲートが、他の電極や配線との間における絶縁性が極めて高い浮遊状態になることから、以下に述べるブースティング効果が得られる。すなわち、回路４５では、トランジスタ４８のゲートが浮遊状態にあると、配線ＯＬの電位がローレベルからハイレベルに変化するのに伴い、スイッチとして機能するトランジスタ４８のソースとゲートの間に形成される容量Ｃｇｓにより、トランジスタ４８のゲートの電位が上昇する。そして、そのトランジスタ４８のゲートの電位の上昇幅は、上記トランジスタ４８のゲートに入力された電位の論理レベルによって異なる。具体的に、回路４５に書き込まれた第２のデータの電位が”０”の論理レベルである場合、上記トランジスタ４８は弱反転モードにあるため、トランジスタ４８のゲートの電位の上昇に寄与する容量Ｃｇｓには、トランジスタ４８のゲートの電位に依存しない容量Ｃｏｓが含まれる。具体的に、容量Ｃｏｓには、ゲート電極とソース領域とが重畳する領域に形成されるオーバーラップ容量と、ゲート電極とソース電極の間に形成される寄生容量などが含まれる。一方、回路４５に書き込まれた第２のデータの電位が”１”の論理レベルである場合、上記トランジスタ４８は強反転モードにあるため、トランジスタ４８のゲートの電位の上昇に寄与する容量Ｃｇｓには、上述した容量Ｃｏｓに加えて、チャネル形成領域とゲート電極の間に形成される容量Ｃｏｘの一部が含まれる。したがって、電位が”１”の論理レベルである場合、トランジスタ４８のゲートの電位の上昇に寄与する容量Ｃｇｓが、電位が”０”の論理レベルである場合よりも大きいこととなる。よって、回路４５では、電位が”１”の論理レベルである場合の方が、電位が”０”の論理レベルである場合よりも、配線ＯＬの電位の変化に伴い、トランジスタ４８のゲートの電位をより高く上昇させるというブースティング効果を得ることができる。よって、回路４５に書き込む第２のデータの電位が”１”の論理レベルである場合に、配線ＢＬに入力された第２のデータを含む信号の電位に対して、トランジスタ４７の閾値電圧分、トランジスタ４８のゲートの電位が降下していたとしても、ブースティング効果によりトランジスタ４８のゲートの電位を上昇させることができるので、スイッチとして機能するトランジスタ４８をオンにすることができ、回路４５のスイッチ速度を向上させることができる。また、電位が”０”の論理レベルである場合には、スイッチとして機能する上記トランジスタ４８をオフのままにすることができる。

〈トランジスタについて〉
次いで、酸化物半導体膜にチャネル形成領域を有するトランジスタ８０の構成例について説明する。

図１２に、酸化物半導体膜にチャネル形成領域を有するトランジスタ８０の構成を、一例として示す。図１２（Ａ）には、トランジスタ８０の上面図を示す。なお、図１２（Ａ）では、トランジスタ８０のレイアウトを明確にするために、各種の絶縁膜を省略している。また、図１２（Ａ）に示した上面図の、破線Ａ１−Ａ２における断面図を図１２（Ｂ）に示し、破線Ａ３−Ａ４における断面図を図１２（Ｃ）に示す。

図１２に示すように、トランジスタ８０は、基板８７に形成された絶縁膜８１上において順に積層された酸化物半導体膜８２ａ及び酸化物半導体膜８２ｂと、酸化物半導体膜８２ｂに電気的に接続され、ソース電極またはドレイン電極としての機能を有する導電膜８３及び導電膜８４と、酸化物半導体膜８２ｂ、導電膜８３及び導電膜８４上の酸化物半導体膜８２ｃと、ゲート絶縁膜としての機能を有し、なおかつ酸化物半導体膜８２ｃ上に位置する絶縁膜８５と、ゲート電極としての機能を有し、なおかつ絶縁膜８５上において酸化物半導体膜８２ａ乃至酸化物半導体膜８２ｃと重なる導電膜８６とを有する。なお、基板８７は、ガラス基板や半導体基板などであってもよいし、ガラス基板や半導体基板上に半導体素子が形成された素子基板であってもよい。

また、トランジスタ８０の、具体的な構成の別の一例を、図１３に示す。図１３（Ａ）には、トランジスタ８０の上面図を示す。なお、図１３（Ａ）では、トランジスタ８０のレイアウトを明確にするために、各種の絶縁膜を省略している。また、図１３（Ａ）に示した上面図の、破線Ａ１−Ａ２における断面図を図１３（Ｂ）に示し、破線Ａ３−Ａ４における断面図を図１３（Ｃ）に示す。

図１３に示すように、トランジスタ８０は、絶縁膜８１上において順に積層された酸化物半導体膜８２ａ乃至酸化物半導体膜８２ｃと、酸化物半導体膜８２ｃに電気的に接続され、ソース電極またはドレイン電極としての機能を有する導電膜８３及び導電膜８４と、ゲート絶縁膜としての機能を有し、なおかつ酸化物半導体膜８２ｃ、導電膜８３及び導電膜８４上に位置する絶縁膜８５と、ゲート電極としての機能を有し、なおかつ絶縁膜８５上において酸化物半導体膜８２ａ乃至酸化物半導体膜８２ｃと重なる導電膜８６とを有する。

なお、図１２及び図１３では、積層された酸化物半導体膜８２ａ乃至酸化物半導体膜８２ｃを用いるトランジスタ８０の構成を例示している。トランジスタ８０が有する酸化物半導体膜は、積層された複数の酸化物半導体膜で構成されているとは限らず、単膜の酸化物半導体膜で構成されていても良い。

酸化物半導体膜８２ａ乃至酸化物半導体膜８２ｃが順に積層されている半導体膜をトランジスタ８０が有する場合、酸化物半導体膜８２ａ及び酸化物半導体膜８２ｃは、酸化物半導体膜８２ｂを構成する金属元素の少なくとも１つを、その構成要素に含み、伝導帯下端のエネルギーが酸化物半導体膜８２ｂよりも０．０５ｅＶ以上、０．０７ｅＶ以上、０．１ｅＶ以上または０．１５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、１ｅＶ以下、０．５ｅＶ以下または０．４ｅＶ以下、真空準位に近い酸化物膜である。さらに、酸化物半導体膜８２ｂは、少なくともインジウムを含むと、キャリア移動度が高くなるため好ましい。

上記構成の半導体膜をトランジスタ８０が有する場合、ゲート電極に電圧を印加することで、半導体膜に電界が加わると、酸化物半導体膜のうち、伝導帯下端のエネルギーが小さい酸化物半導体膜８２ｂにチャネル領域が形成される。即ち、酸化物半導体膜８２ｂと絶縁膜８５との間に酸化物半導体膜８２ｃが設けられていることによって、絶縁膜８５と離隔している酸化物半導体膜８２ｂに、チャネル領域を形成することができる。

また、酸化物半導体膜８２ｃは、酸化物半導体膜８２ｂを構成する金属元素の少なくとも１つをその構成要素に含むため、酸化物半導体膜８２ｂと酸化物半導体膜８２ｃの界面では、界面散乱が起こりにくい。従って、当該界面においてキャリアの動きが阻害されにくいため、トランジスタ８０の電界効果移動度が高くなる。

また、酸化物半導体膜８２ｂと酸化物半導体膜８２ａの界面に界面準位が形成されると、界面近傍の領域にもチャネル領域が形成されるために、トランジスタ８０の閾値電圧が変動してしまう。しかし、酸化物半導体膜８２ａは、酸化物半導体膜８２ｂを構成する金属元素の少なくとも１つをその構成要素に含むため、酸化物半導体膜８２ｂと酸化物半導体膜８２ａの界面には、界面準位が形成されにくい。よって、上記構成により、トランジスタ８０の閾値電圧等の電気的特性のばらつきを、低減することができる。

また、酸化物半導体膜間に不純物が存在することによって、各膜の界面にキャリアの流れを阻害する界面準位が形成されることがないよう、複数の酸化物半導体膜を積層させることが望ましい。積層された酸化物半導体膜の膜間に不純物が存在していると、酸化物半導体膜間における伝導帯下端のエネルギーの連続性が失われ、界面近傍において、キャリアがトラップされるか、あるいは再結合により消滅してしまうからである。膜間における不純物を低減させることで、主成分である一の金属を少なくとも共に有する複数の酸化物半導体膜を、単に積層させるよりも、連続接合（ここでは特に伝導帯下端のエネルギーが各膜の間で連続的に変化するＵ字型の井戸構造を有している状態）が形成されやすくなる。

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。スパッタリング装置における各チャンバーは、酸化物半導体にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべくクライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて高真空排気（５×１０^−７Ｐａ乃至１×１０^−４Ｐａ程度まで）することが好ましい。または、ターボ分子ポンプとコールドトラップを組み合わせて排気系からチャンバー内に気体が逆流しないようにしておくことが好ましい。

高純度の真性な酸化物半導体を得るためには、各チャンバー内を高真空排気するのみならず、スパッタリングに用いるガスの高純度化も重要である。上記ガスとして用いる酸素ガスやアルゴンガスの露点を、−４０℃以下、好ましくは−８０℃以下、より好ましくは−１００℃以下とし、使用するガスの高純度化を図ることで、酸化物半導体膜に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。具体的に、酸化物半導体膜８２ｂがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ｍは、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）の場合、酸化物半導体膜８２ｂ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＝ｘ_１：ｙ_１：ｚ_１とすると_、ｘ_１／ｙ_１は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であって、ｚ_１／ｙ_１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、ｚ_１／ｙ_１を１以上６以下とすることで、酸化物半導体膜８２ｂとしてＣＡＡＣ−ＯＳ膜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＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２等がある。

具体的に、酸化物半導体膜８２ａ、酸化物半導体膜８２ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ｍは、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）の場合、酸化物半導体膜８２ａ、酸化物半導体膜８２ｃ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＝ｘ_２：ｙ_２：ｚ_２とすると_、ｘ_２／ｙ_２＜ｘ_１／ｙ_１であって、ｚ_２／ｙ_２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、ｚ_２／ｙ_２を１以上６以下とすることで、酸化物半導体膜８２ａ、酸化物半導体膜８２ｃとしてＣＡＡＣ−ＯＳ膜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＝１：３：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：８等がある。

なお、酸化物半導体膜８２ａ及び酸化物半導体膜８２ｃの厚さは、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。また、酸化物半導体膜８２ｂの厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。

３層構造の半導体膜において、酸化物半導体膜８２ａ乃至酸化物半導体膜８２ｃは、非晶質または結晶質の両方の形態を取りうる。ただし、チャネル領域が形成される酸化物半導体膜８２ｂが結晶質であることにより、トランジスタ８０に安定した電気的特性を付与することができるため、酸化物半導体膜８２ｂは結晶質であることが好ましい。

なお、チャネル形成領域とは、トランジスタの半導体膜のうち、ゲート電極と重なり、かつソース電極とドレイン電極に挟まれる領域を意味する。また、チャネル領域とは、チャネル形成領域において、電流が主として流れる領域をいう。

例えば、酸化物半導体膜８２ａ及び酸化物半導体膜８２ｃとして、スパッタリング法により形成したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜を用いる場合、酸化物半導体膜８２ａ及び酸化物半導体膜８２ｃの成膜には、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］）であるターゲットを用いることができる。成膜条件は、例えば、成膜ガスとしてアルゴンガスを３０ｓｃｃｍ、酸素ガスを１５ｓｃｃｍ用い、圧力０．４Ｐａとし、基板温度を２００℃とし、ＤＣ電力０．５ｋＷとすればよい。

また、酸化物半導体膜８２ｂをＣＡＡＣ−ＯＳ膜とする場合、酸化物半導体膜８２ｂの成膜には、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］）であり、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を含む多結晶ターゲットを用いることが好ましい。成膜条件は、例えば、成膜ガスとしてアルゴンガスを３０ｓｃｃｍ、酸素ガスを１５ｓｃｃｍ用い、圧力を０．４Ｐａとし、基板の温度３００℃とし、ＤＣ電力０．５ｋＷとすることができる。

なお、酸化物半導体膜８２ａ乃至８２ｃは、スパッタリング法により形成することができるが、他の方法、例えば、熱ＣＶＤ法により形成してもよい。熱ＣＶＤ法の例としてＭＯＣＶＤ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＡＬＤ（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を使っても良い。

なお、電子供与体（ドナー）となる水分または水素などの不純物が低減され、なおかつ酸素欠損が低減されることにより高純度化された酸化物半導体（ｐｕｒｉｆｉｅｄＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）は、キャリア発生源が少ないため、ｉ型（真性半導体）又はｉ型に限りなく近くすることができる。そのため、高純度化された酸化物半導体膜にチャネル形成領域を有するトランジスタは、オフ電流が著しく小さく、信頼性が高い。そして、当該酸化物半導体膜にチャネル形成領域が形成されるトランジスタは、閾値電圧がプラスとなる電気的特性（ノーマリーオフ特性ともいう。）になりやすい。

具体的に、高純度化された酸化物半導体膜にチャネル形成領域を有するトランジスタのオフ電流が小さいことは、いろいろな実験により証明できる。例えば、チャネル幅が１×１０^６μｍでチャネル長が１０μｍの素子であっても、ソース電極とドレイン電極間の電圧（ドレイン電圧）が１Ｖから１０Ｖの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち１×１０^−１３Ａ以下という特性を得ることができる。この場合、トランジスタのチャネル幅で規格化したオフ電流は、１００ｚＡ／μｍ以下であることが分かる。また、容量素子とトランジスタとを接続して、容量素子に流入または容量素子から流出する電荷を当該トランジスタで制御する回路を用いて、オフ電流の測定を行った。当該測定では、高純度化された酸化物半導体膜を上記トランジスタのチャネル形成領域に用い、容量素子の単位時間あたりの電荷量の推移から当該トランジスタのオフ電流を測定した。その結果、トランジスタのソース電極とドレイン電極間の電圧が３Ｖの場合に、数十ｙＡ／μｍという、さらに小さいオフ電流が得られることが分かった。従って、高純度化された酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、オフ電流が、結晶性を有するシリコンを用いたトランジスタに比べて著しく小さい。

なお、半導体膜として酸化物半導体膜を用いる場合、酸化物半導体としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）あるいは亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気的特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム（Ｇａ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ（Ｓｎ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム（Ｈｆ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてアルミニウム（Ａｌ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてジルコニウム（Ｚｒ）を含むことが好ましい。

酸化物半導体の中でもＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ酸化物などは、炭化シリコン、窒化ガリウム、または酸化ガリウムとは異なり、スパッタリング法や湿式法により電気的特性の優れたトランジスタを作製することが可能であり、量産性に優れるといった利点がある。また、炭化シリコン、窒化ガリウム、または酸化ガリウムとは異なり、上記Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、ガラス基板上に、電気的特性の優れたトランジスタを作製することが可能である。また、基板の大型化にも対応が可能である。

また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）のいずれか一種または複数種を含んでいてもよい。

例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化スズ、酸化亜鉛、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ酸化物、Ａｌ−Ｚｎ酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ酸化物、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（ＩＧＺＯとも表記する）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ酸化物を用いることができる。

なお、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを含む酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素を含んでいてもよい。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、無電界時の抵抗が十分に高くオフ電流を十分に小さくすることが可能であり、また、移動度も高い。

例えば、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ酸化物では比較的容易に高い移動度が得られる。しかしながら、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物でも、バルク内欠陥密度を低減することにより移動度を上げることができる。

また、トランジスタ８０において、ソース電極及びドレイン電極に用いられる導電性材料によっては、ソース電極及びドレイン電極中の金属が、酸化物半導体膜から酸素を引き抜くことがある。この場合、酸化物半導体膜のうち、ソース電極及びドレイン電極に接する領域が、酸素欠損の形成によりｎ型化される。ｎ型化された領域は、ソース領域またはドレイン領域として機能するため、酸化物半導体膜とソース電極及びドレイン電極との間におけるコンタクト抵抗を下げることができる。よって、ｎ型化された領域が形成されることで、トランジスタ８０の移動度及びオン電流を高めることができ、それにより、トランジスタ８０を用いた半導体装置の高速動作を実現することができる。

なお、ソース電極及びドレイン電極中の金属による酸素の引き抜きは、ソース電極及びドレイン電極をスパッタリング法などにより形成する際に起こりうるし、ソース電極及びドレイン電極を形成した後に行われる加熱処理によっても起こりうる。また、ｎ型化される領域は、酸素と結合し易い導電性材料をソース電極及びドレイン電極に用いることで、より形成されやすくなる。上記導電性材料としては、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗなどが挙げられる。

複数の積層された酸化物半導体膜を有する半導体膜をトランジスタ８０に用いる場合、ｎ型化される領域は、チャネル領域となる酸化物半導体膜８２ｂにまで達していることが、トランジスタ８０の移動度及びオン電流を高め、半導体装置の高速動作を実現する上で好ましい。

絶縁膜８１は、加熱により酸素を酸化物半導体膜８２ａ乃至酸化物半導体膜８２ｃに供給する機能を有する絶縁膜であることが望ましい。また、絶縁膜８１は、欠陥が少ないことが好ましく、代表的には、ＥＳＲ測定により得られる、シリコンのダングリングボンドに由来するｇ＝２．００１を持つスピンの密度が１×１０^１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３以下であることが好ましい。

絶縁膜８１は、加熱により酸素を酸化物半導体膜８２ａ乃至酸化物半導体膜８２ｃに供給する機能を有するため、酸化物であることが望ましく、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルなどを用いることができる。絶縁膜８１は、プラズマＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法またはスパッタリング法等により、形成することができる。

なお、本明細書中において、酸化窒化物は、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化物は、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を指す。

なお、図１２及び図１３に示すトランジスタ８０は、チャネル領域が形成される酸化物半導体膜８２ｂの端部のうち、導電膜８３及び導電膜８４とは重ならない端部、言い換えると、導電膜８３及び導電膜８４が位置する領域とは異なる領域に位置する端部と、導電膜８６とが、重なる構成を有する。酸化物半導体膜８２ｂの端部は、当該端部を形成するためのエッチングでプラズマに曝されるときに、エッチングガスから生じた塩素ラジカル、フッ素ラジカル等が、酸化物半導体を構成する金属元素と結合しやすい。よって、酸化物半導体膜の端部では、当該金属元素と結合していた酸素が脱離しやすい状態にあるため、酸素欠損が形成され、ｎ型化しやすい。しかし、図１２及び図１３に示すトランジスタ８０では、導電膜８３及び導電膜８４とは重ならない酸化物半導体膜８２ｂの端部と、導電膜８６とが重なるため、導電膜８６の電位を制御することにより、当該端部にかかる電界を制御することができる。よって、酸化物半導体膜８２ｂの端部を介して導電膜８３と導電膜８４の間に流れる電流を、導電膜８６に与える電位によって制御することができる。このようなトランジスタ８０の構造を、ＳｕｒｒｏｕｎｄｅｄＣｈａｎｎｅｌ（Ｓ−Ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。

具体的に、Ｓ−Ｃｈａｎｎｅｌ構造の場合、トランジスタ８０がオフとなるような電位を導電膜８６に与えたときは、当該端部を介して導電膜８３と導電膜８４の間に流れるオフ電流を小さく抑えることができる。そのため、トランジスタ８０では、大きなオン電流を得るためにチャネル長を短くし、その結果、酸化物半導体膜８２ｂの端部における導電膜８３と導電膜８４の間の長さが短くなっても、トランジスタ８０のオフ電流を小さく抑えることができる。よって、トランジスタ８０は、チャネル長を短くすることで、オンのときには大きいオン電流を得ることができ、オフのときにはオフ電流を小さく抑えることができる。

また、具体的に、Ｓ−Ｃｈａｎｎｅｌ構造の場合、トランジスタ８０がオンとなるような電位を導電膜８６に与えたときは、当該端部を介して導電膜８３と導電膜８４の間に流れる電流を大きくすることができる。当該電流は、トランジスタ８０の電界効果移動度とオン電流の増大に寄与する。そして、酸化物半導体膜８２ｂの端部と、導電膜８６とが重なることで、酸化物半導体膜８２ｂにおいてキャリアの流れる領域が、絶縁膜８５に近い酸化物半導体膜８２ｂの界面近傍のみでなく、酸化物半導体膜８２ｂの広い範囲においてキャリアが流れるため、トランジスタ８０におけるキャリアの移動量が増加する。この結果、トランジスタ８０のオン電流が大きくなる共に、電界効果移動度が高くなり、代表的には電界効果移動度が１０ｃｍ^２／Ｖ・ｓ以上、さらには２０ｃｍ^２／Ｖ・ｓ以上となる。なお、ここでの電界効果移動度は、酸化物半導体膜の物性値としての移動度の近似値ではなく、トランジスタの飽和領域における電流駆動力の指標であり、見かけ上の電界効果移動度である。

以下では、酸化物半導体膜の構造について説明する。

なお、本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。

酸化物半導体膜は、非単結晶酸化物半導体膜と単結晶酸化物半導体膜とに分けられる。または、酸化物半導体は、例えば、結晶性酸化物半導体と非晶質酸化物半導体とに分けられる。

なお、非単結晶酸化物半導体としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ（ＣＡｘｉｓＡｌｉｇｎｅｄＣｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、微結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体などがある。また、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、微結晶酸化物半導体などがある。

まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜について説明する。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、ｃ軸配向した複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つである。

透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の明視野像および回折パターンの複合解析像（高分解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察することで複数の結晶部を確認することができる。一方、高分解能ＴＥＭ像によっても明確な結晶部同士の境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、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。

試料面と略平行な方向から、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の断面の高分解能ＴＥＭ像を観察すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の膜を形成する面（被形成面ともいう。）または上面の凹凸を反映した形状であり、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面と平行に配列する。

一方、試料面と略垂直な方向から、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の平面の高分解能ＴＥＭ像を観察すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ＲａｙＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）装置を用いて構造解析を行うと、例えばＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。

なお、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる場合がある。２θが３６°近傍のピークは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中の一部に、ｃ軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、２θが３１°近傍にピークを示し、２θが３６°近傍にピークを示さないことが好ましい。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、不純物濃度の低い酸化物半導体膜である。不純物は、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体膜の主成分以外の元素である。特に、シリコンなどの、酸化物半導体膜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、酸化物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、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、酸化物半導体膜内部に含まれると、酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体膜に含まれる不純物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。

また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜である。例えば、酸化物半導体膜中の酸素欠損は、キャリアトラップとなることや、水素を捕獲することによってキャリア発生源となることがある。

不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い（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呼ぶ。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。したがって、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、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、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、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。なお、酸化物半導体膜のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出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、不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。

また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。

次に、微結晶酸化物半導体膜について説明する。

微結晶酸化物半導体膜は、高分解能ＴＥＭ像において、結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。微結晶酸化物半導体膜に含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の大きさであることが多い。特に、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の微結晶であるナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）を有する酸化物半導体膜を、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜と呼ぶ。また、ｎｃ−ＯＳ膜は、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。

ｎｃ−ＯＳ膜は、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膜は、異なる結晶部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膜は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体膜と区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部よりも大きい径のＸ線を用いるＸＲＤ装置を用いて構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部よりも大きいプローブ径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子回折（制限視野電子回折ともいう。）を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部の大きさと近いか結晶部より小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対しナノビーム電子回折を行うと、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される場合がある。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対しナノビーム電子回折を行うと、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある。

ｎｃ−ＯＳ膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも規則性の高い酸化物半導体膜である。そのため、ｎｃ−ＯＳ膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、ｎｃ−ＯＳ膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、ｎｃ−ＯＳ膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜と比べて欠陥準位密度が高くなる。

次に、非晶質酸化物半導体膜について説明する。

非晶質酸化物半導体膜は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶部を有さない酸化物半導体膜である。石英ガラスのような無定形状態を有する酸化物半導体膜が一例である。

非晶質酸化物半導体膜は、高分解能ＴＥＭ像において結晶部を確認することができない。

非晶質酸化物半導体膜に対し、ＸＲＤ装置を用いた構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、非晶質酸化物半導体膜に対し、電子回折を行うと、ハローパターンが観測される。また、非晶質酸化物半導体膜に対し、ナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測されず、ハローパターンが観測される。

なお、酸化物半導体膜は、ｎｃ−ＯＳ膜と非晶質酸化物半導体膜との間の物性を示す構造を有する場合がある。そのような構造を有する酸化物半導体膜を、特に非晶質ライク酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜と呼ぶ。

ａ−ｌｉｋｅＯＳ膜は、高分解能ＴＥＭ像において鬆（ボイドともいう。）が観察される場合がある。また、高分解能ＴＥＭ像において、明確に結晶部を確認することのできる領域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。ａ−ｌｉｋｅＯＳ膜は、ＴＥＭによる観察程度の微量な電子照射によって、結晶化が起こり、結晶部の成長が見られる場合がある。一方、良質なｎｃ−ＯＳ膜であれば、ＴＥＭによる観察程度の微量な電子照射による結晶化はほとんど見られない。

なお、ａ−ｌｉｋｅＯＳ膜およびｎｃ−ＯＳ膜の結晶部の大きさの計測は、高分解能ＴＥＭ像を用いて行うことができる。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶は層状構造を有し、Ｉｎ−Ｏ層の間に、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層を２層有する。ＩｎＧａＺｎＯ_４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。よって、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。そのため、高分解能ＴＥＭ像における格子縞に着目し、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所においては、それぞれの格子縞がＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶のａ−ｂ面に対応する。

また、酸化物半導体膜は、構造ごとに密度が異なる場合がある。例えば、ある酸化物半導体膜の組成がわかれば、該組成と同じ組成における単結晶の密度と比較することにより、その酸化物半導体膜の構造を推定することができる。例えば、単結晶の密度に対し、ａ−ｌｉｋｅＯＳ膜の密度は７８．６％以上９２．３％未満となる。また、例えば、単結晶の密度に対し、ｎｃ−ＯＳ膜の密度およびＣＡＡＣ−ＯＳ膜の密度は９２．３％以上１００％未満となる。なお、単結晶の密度に対し密度が７８％未満となる酸化物半導体膜は、成膜すること自体が困難である。

上記について、具体例を用いて説明する。例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体膜において、菱面体晶構造を有する単結晶ＩｎＧａＺｎＯ_４の密度は６．３５７ｇ／ｃｍ^３となる。よって、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体膜において、ａ−ｌｉｋｅＯＳ膜の密度は５．０ｇ／ｃｍ^３以上５．９ｇ／ｃｍ^３未満となる。また、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体膜において、ｎｃ−ＯＳ膜の密度およびＣＡＡＣ−ＯＳ膜の密度は５．９ｇ／ｃｍ^３以上６．３ｇ／ｃｍ^３未満となる。

なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合がある。その場合、任意の割合で組成の異なる単結晶を組み合わせることにより、所望の組成の単結晶に相当する密度を算出することができる。所望の組成の単結晶の密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて算出すればよい。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算出することが好ましい。

なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、ａ−ｌｉｋｅＯＳ膜、微結晶酸化物半導体膜、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。

また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜するために、以下の条件を適用することが好ましい。

成膜時の不純物混入を低減することで、不純物によって結晶状態が崩れることを抑制できる。例えば、処理室内に存在する不純物濃度（水素、水、二酸化炭素、及び窒素など）を低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物濃度を低減すればよい。具体的には、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下である成膜ガスを用いる。

また、成膜時の基板加熱温度を高めることで、基板到達後にスパッタリング粒子のマイグレーションが起こる。具体的には、基板加熱温度を１００℃以上７４０℃以下、好ましくは２００℃以上５００℃以下として成膜する。成膜時の基板加熱温度を高めることで、平板状またはペレット状のスパッタリング粒子が基板に到達した場合、基板上でマイグレーションが起こり、スパッタリング粒子の平らな面が基板に付着する。

また、成膜ガス中の酸素割合を高め、電力を最適化することで成膜時のプラズマダメージを軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、３０体積％以上、好ましくは１００体積％とする。

ターゲットの一例として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲットについて以下に示す。

ＩｎＯ_Ｘ粉末、ＧａＯ_Ｙ粉末及びＺｎＯ_Ｚ粉末を所定のｍｏｌ数比で混合し、加圧処理後、１０００℃以上１５００℃以下の温度で加熱処理をすることで多結晶であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲットとする。なお、Ｘ、Ｙ及びＺは任意の正数である。ここで、所定のｍｏｌ数比は、例えば、ＩｎＯ_Ｘ粉末、ＧａＯ_Ｙ粉末及びＺｎＯ_Ｚ粉末が、２：２：１、８：４：３、３：１：１、１：１：１、４：２：３または３：１：２である。なお、粉末の種類、及びその混合するｍｏｌ数比は、作製するターゲットによって適宜変更すればよい。

なお、アルカリ金属は酸化物半導体を構成する元素ではないため、不純物である。アルカリ土類金属も、酸化物半導体を構成する元素ではない場合において、不純物となる。特に、アルカリ金属のうちＮａは、酸化物半導体膜に接する絶縁膜が酸化物である場合、当該絶縁膜中に拡散してＮａ^＋となる。また、Ｎａは、酸化物半導体膜内において、酸化物半導体を構成する金属と酸素の結合を分断する、或いは、その結合中に割り込む。その結果、例えば、閾値電圧がマイナス方向にシフトすることによるノーマリーオン化、移動度の低下等の、トランジスタの電気的特性の劣化が起こり、加えて、特性のばらつきも生じる。具体的に、二次イオン質量分析法によるＮａ濃度の測定値は、５×１０^１６／ｃｍ^３以下、好ましくは１×１０^１６／ｃｍ^３以下、更に好ましくは１×１０^１５／ｃｍ^３以下とするとよい。同様に、Ｌｉ濃度の測定値は、５×１０^１５／ｃｍ^３以下、好ましくは１×１０^１５／ｃｍ^３以下とするとよい。同様に、Ｋ濃度の測定値は、５×１０^１５／ｃｍ^３以下、好ましくは１×１０^１５／ｃｍ^３以下とするとよい。

また、インジウムを含む金属酸化物が用いられている場合に、酸素との結合エネルギーがインジウムよりも大きいシリコンや炭素が、インジウムと酸素の結合を切断し、酸素欠損を形成することがある。そのため、シリコンや炭素が酸化物半導体膜に混入していると、アルカリ金属やアルカリ土類金属の場合と同様に、トランジスタの電気的特性の劣化が起こりやすい。よって、酸化物半導体膜中におけるシリコンや炭素の濃度は低いことが望ましい。具体的に、二次イオン質量分析法によるＣ濃度の測定値、またはＳｉ濃度の測定値は、１×１０^１８／ｃｍ^３以下とするとよい。上記構成により、トランジスタの電気的特性の劣化を防ぐことができ、半導体装置の信頼性を高めることができる。

〈半導体装置の断面構造の例〉
図１４に、図１１に示したスイッチ回路３１ａが有する、トランジスタ４８及びトランジスタ４７の断面構造を、一例として示す。なお、破線Ａ１−Ａ２で示す領域では、トランジスタ４８及びトランジスタ４７のチャネル長方向における構造を示しており、破線Ａ３−Ａ４で示す領域では、トランジスタ４８及びトランジスタ４７のチャネル幅方向における構造を示している。ただし、本発明の一態様では、トランジスタ４８のチャネル長方向とトランジスタ４７のチャネル長方向とが、必ずしも一致していなくともよい。

なお、チャネル長方向とは、ソース領域及びドレイン領域として機能する一対の不純物領域間において、キャリアが最短距離で移動する方向を意味し、チャネル幅方向は、基板と水平な面内において、チャネル長方向に対して垂直の方向を意味する。

また、図１４では、酸化物半導体膜にチャネル形成領域を有するトランジスタ４７が、単結晶のシリコン基板にチャネル形成領域を有するトランジスタ４８上に形成されている場合を例示している。

トランジスタ４８は、非晶質、微結晶、多結晶または単結晶である、シリコン又はゲルマニウムなどの半導体膜または半導体基板に、チャネル形成領域を有していても良い。或いは、トランジスタ４８は、酸化物半導体膜または酸化物半導体基板に、チャネル形成領域を有していても良い。全てのトランジスタが酸化物半導体膜または酸化物半導体基板に、チャネル形成領域を有している場合、トランジスタ４７はトランジスタ４８上に積層されていなくとも良く、トランジスタ４７とトランジスタ４８とは、同一の層に形成されていても良い。

シリコンの薄膜を用いてトランジスタ４８を形成する場合、当該薄膜には、プラズマＣＶＤ法などの気相成長法若しくはスパッタリング法で作製された非晶質シリコン、非晶質シリコンをレーザーアニールなどの処理により結晶化させた多結晶シリコン、単結晶シリコンウェハに水素イオン等を注入して表層部を剥離した単結晶シリコンなどを用いることができる。

トランジスタ４８が形成される基板４００は、例えば、シリコン基板、ゲルマニウム基板、シリコンゲルマニウム基板等を用いることができる。図１４では、単結晶シリコン基板を基板４００として用いる場合を例示している。

また、トランジスタ４８は、素子分離法により電気的に分離されている。素子分離法として、トレンチ分離法（ＳＴＩ法：ＳｈａｌｌｏｗＴｒｅｎｃｈＩｓｏｌａｔｉｏｎ）等を用いることができる。図１４では、トレンチ分離法を用いてトランジスタ４８を電気的に分離する場合を例示している。具体的に、図１４では、エッチング等により基板４００に形成されたトレンチに、酸化珪素などが含まれる絶縁物を埋め込んだ後、当該絶縁物をエッチング等により部分的に除去することで形成される素子分離領域４０１により、トランジスタ４８を素子分離させる場合を例示している。

また、トレンチ以外の領域に存在する基板４００の凸部には、トランジスタ４８の不純物領域４０２及び不純物領域４０３と、不純物領域４０２及び不純物領域４０３に挟まれたチャネル形成領域４０４とが設けられている。さらに、トランジスタ４８は、チャネル形成領域４０４を覆う絶縁膜４０５と、絶縁膜４０５を間に挟んでチャネル形成領域４０４と重なるゲート電極４０６とを有する。

トランジスタ４８では、チャネル形成領域４０４における凸部の側部及び上部と、ゲート電極４０６とが絶縁膜４０５を間に挟んで重なることで、チャネル形成領域４０４の側部と上部を含めた広い範囲においてキャリアが流れる。そのため、トランジスタ４８の基板上における専有面積を小さく抑えつつ、トランジスタ４８におけるキャリアの移動量を増加させることができる。その結果、トランジスタ４８は、オン電流が大きくなると共に、電界効果移動度が高められる。特に、チャネル形成領域４０４における凸部のチャネル幅方向の長さ（チャネル幅）をＷ、チャネル形成領域４０４における凸部の膜厚をＴとすると、チャネル幅Ｗに対する膜厚Ｔの比に相当するアスペクト比が高い場合、キャリアが流れる範囲はより広くなるため、トランジスタ４８のオン電流をより大きくすることができ、電界効果移動度もより高められる。

なお、バルクの半導体基板を用いたトランジスタ４８の場合、アスペクト比は０．５以上であることが望ましく、１以上であることがより望ましい。

トランジスタ４８上には、絶縁膜４１１が設けられている。絶縁膜４１１には開口部が形成されている。そして、上記開口部には、不純物領域４０２、不純物領域４０３にそれぞれ電気的に接続されている導電膜４１２、導電膜４１３と、ゲート電極４０６に電気的に接続されている導電膜４１４とが、形成されている。

そして、導電膜４１２は、絶縁膜４１１上に形成された導電膜４１６に電気的に接続されており、導電膜４１３は、絶縁膜４１１上に形成された導電膜４１７に電気的に接続されており、導電膜４１４は、絶縁膜４１１上に形成された導電膜４１８に電気的に接続されている。

導電膜４１６乃至導電膜４１８上には、絶縁膜４２０が設けられている。そして、絶縁膜４２０上には、酸素、水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を有する絶縁膜４２１が設けられている。絶縁膜４２１は、密度が高くて緻密である程、また未結合手が少なく化学的に安定である程、より高いブロッキング効果を示す。酸素、水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を示す絶縁膜４２１として、例えば、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を用いることができる。水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を示す絶縁膜４２１として、例えば、窒化シリコン、窒化酸化シリコン等を用いることができる。

絶縁膜４２１上には絶縁膜４２２が設けられており、絶縁膜４２２上には、トランジスタ４７が設けられている。

トランジスタ４７は、絶縁膜４２２上に、酸化物半導体を含む半導体膜４３０と、半導体膜４３０に電気的に接続された、ソース電極またはドレイン電極として機能する導電膜４３２及び導電膜４３３と、半導体膜４３０を覆っているゲート絶縁膜４３１と、ゲート絶縁膜４３１を間に挟んで半導体膜４３０と重なるゲート電極４３４と、を有する。なお、絶縁膜４２０乃至絶縁膜４２２には開口部が設けられており、導電膜４３３は、上記開口部において導電膜４１８に接続されている。

なお、図１４において、トランジスタ４７は、ゲート電極４３４を半導体膜４３０の片側において少なくとも有していれば良いが、絶縁膜４２２を間に挟んで半導体膜４３０と重なるゲート電極を、さらに有していても良い。

トランジスタ４７が、一対のゲート電極を有している場合、一方のゲート電極には導通状態または非導通状態を制御するための信号が与えられ、他方のゲート電極は、電位が他から与えられている状態であっても良い。この場合、一対のゲート電極に、同じ高さの電位が与えられていても良いし、他方のゲート電極にのみ接地電位などの固定の電位が与えられていても良い。他方のゲート電極に与える電位の高さを制御することで、トランジスタの閾値電圧を制御することができる。

また、図１４では、トランジスタ４７が、一のゲート電極４３４に対応した一のチャネル形成領域を有する、シングルゲート構造である場合を例示している。しかし、トランジスタ４７は、電気的に接続された複数のゲート電極を有することで、一の活性層にチャネル形成領域を複数有する、マルチゲート構造であっても良い。

また、図１４に示すように、トランジスタ４７は、半導体膜４３０が、絶縁膜４２２上において順に積層された酸化物半導体膜４３０ａ乃至酸化物半導体膜４３０ｃを有する場合を例示している。ただし、本発明の一態様では、トランジスタ４７が有する半導体膜４３０が、単膜の金属酸化物膜で構成されていても良い。

〈電子機器の例〉
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置（代表的にはＤＶＤ：ＤｉｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｃ等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置）に用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯情報端末、電子書籍、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等）、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機（ＡＴＭ）、自動販売機、医療機器などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図１５に示す。

図１５（Ａ）は携帯型ゲーム機であり、筐体５００１、筐体５００２、表示部５００３、表示部５００４、マイクロホン５００５、スピーカー５００６、操作キー５００７、スタイラス５００８等を有する。本発明の一態様にかかる半導体装置は、携帯型ゲーム機の各種集積回路に用いることができる。なお、図１５（Ａ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示部５００３と表示部５００４とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。

図１５（Ｂ）は携帯情報端末であり、第１筐体５６０１、第２筐体５６０２、第１表示部５６０３、第２表示部５６０４、接続部５６０５、操作キー５６０６等を有する。本発明の一態様にかかる半導体装置は、携帯情報端末の各種集積回路に用いることができる。第１表示部５６０３は第１筐体５６０１に設けられており、第２表示部５６０４は第２筐体５６０２に設けられている。そして、第１筐体５６０１と第２筐体５６０２とは、接続部５６０５により接続されており、第１筐体５６０１と第２筐体５６０２の間の角度は、接続部５６０５により変更が可能である。第１表示部５６０３における映像を、接続部５６０５における第１筐体５６０１と第２筐体５６０２との間の角度に従って、切り替える構成としても良い。また、第１表示部５６０３及び第２表示部５６０４の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしても良い。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。或いは、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。

図１５（Ｃ）はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体５４０１、表示部５４０２、キーボード５４０３、ポインティングデバイス５４０４等を有する。本発明の一態様にかかる半導体装置は、ノート型パーソナルコンピュータの各種集積回路に用いることができる。

図１５（Ｄ）は電気冷凍冷蔵庫であり、筐体５３０１、冷蔵室用扉５３０２、冷凍室用扉５３０３等を有する。本発明の一態様にかかる半導体装置は、電気冷凍冷蔵庫の各種集積回路に用いることができる。

図１５（Ｅ）はビデオカメラであり、第１筐体５８０１、第２筐体５８０２、表示部５８０３、操作キー５８０４、レンズ５８０５、接続部５８０６等を有する。本発明の一態様にかかる半導体装置は、ビデオカメラの各種集積回路に用いることができる。操作キー５８０４及びレンズ５８０５は第１筐体５８０１に設けられており、表示部５８０３は第２筐体５８０２に設けられている。そして、第１筐体５８０１と第２筐体５８０２とは、接続部５８０６により接続されており、第１筐体５８０１と第２筐体５８０２の間の角度は、接続部５８０６により変更が可能である。表示部５８０３における映像を、接続部５８０６における第１筐体５８０１と第２筐体５８０２との間の角度に従って切り替える構成としても良い。

図１５（Ｆ）は普通自動車であり、車体５１０１、車輪５１０２、ダッシュボード５１０３、ライト５１０４等を有する。本発明の一態様にかかる半導体装置は、普通自動車の各種集積回路に用いることができる。

１０半導体装置
１１集積回路
１２集積回路
１３記憶回路
１３ａ記憶領域
１３ｂ記憶領域
１４比較回路
１４−１比較回路
１４−ｉ比較回路
１４−ｊ比較回路
１４−ｎ比較回路
１４−（ｎ−１）比較回路
１５選択回路
１６ロジックアレイ
１７回路
１８記憶回路
１８ａ記憶回路
１９記憶回路
２０ＬＵＴ
２１記憶回路
２２入力端子
２３出力端子
２４ＡＮＤ回路
２５マルチプレクサ
２６記憶回路
３０配線
３０−１配線
３０−２配線
３０−３配線
３０−４配線
３０−５配線
３０−６配線
３０−７配線
３０−８配線
３０ａ配線
３０ｂ配線
３０ｃ配線
３０ｄ配線
３１スイッチ回路
３１ａスイッチ回路
３２ａスイッチ
３２ｂスイッチ
３２ｃスイッチ
３２ｄスイッチ
３２ｅスイッチ
３２ｆスイッチ
３３回路
３４命令キャッシュ
３５主記憶装置
３６命令レジスタ
３７データキャッシュ
３８演算実行部
３９プログラムカウンタ
４０加算回路
４１選択回路
４３−１列
４３−２列
４３−３列
４５回路
４６組
４６−ｙ組
４６−１組
４７トランジスタ
４８トランジスタ
４９トランジスタ
５０容量素子
５１配線
５２スイッチ
５３ラッチ
５４回路
５５トランジスタ
５６配線
８０トランジスタ
８１絶縁膜
８２ａ酸化物半導体膜
８２ｂ酸化物半導体膜
８２ｃ酸化物半導体膜
８３導電膜
８４導電膜
８５絶縁膜
８６導電膜
８７基板
９０信号線
９１信号線
４００基板
４０１素子分離領域
４０２不純物領域
４０３不純物領域
４０４チャネル形成領域
４０５絶縁膜
４０６ゲート電極
４１１絶縁膜
４１２導電膜
４１３導電膜
４１４導電膜
４１６導電膜
４１７導電膜
４１８導電膜
４２０絶縁膜
４２１絶縁膜
４２２絶縁膜
４３０半導体膜
４３０ａ酸化物半導体膜
４３０ｂ酸化物半導体膜
４３０ｃ酸化物半導体膜
４３１ゲート絶縁膜
４３２導電膜
４３３導電膜
４３４ゲート電極
５００１筐体
５００２筐体
５００３表示部
５００４表示部
５００５マイクロホン
５００６スピーカー
５００７操作キー
５００８スタイラス
５１０１車体
５１０２車輪
５１０３ダッシュボード
５１０４ライト
５３０１筐体
５３０２冷蔵室用扉
５３０３冷凍室用扉
５４０１筐体
５４０２表示部
５４０３キーボード
５４０４ポインティングデバイス
５６０１筐体
５６０２筐体
５６０３表示部
５６０４表示部
５６０５接続部
５６０６操作キー
５８０１筐体
５８０２筐体
５８０３表示部
５８０４操作キー
５８０５レンズ
５８０６接続部

Claims

第１の回路と、第２の回路と、を有し、
前記第１の回路は、分岐命令の分岐条件が成立したか否かの履歴を含む第１のデータと、前記分岐命令に対応する第１のアドレスとの組を、単数または複数記憶する第３の回路と、命令の第２のアドレスと前記第１のアドレスの比較を行う第４の回路と、前記比較の結果に従って、単数または複数の前記組のうち、一の組の前記第１のデータを選択する第５の回路と、を有し、
前記第２の回路は、互いの導通状態と、入力信号の論理値に対する出力信号の論理値とが、第２のデータに従って制御されることで、前記第１の回路の動作を試験するための信号を生成する機能と、前記信号に従って動作が試験された後に、前記第２の回路と共に、前記組を単数または複数記憶する機能とを有する、複数の第６の回路を有する半導体装置。
第１の回路と、第２の回路と、を有し、
前記第１の回路は、分岐命令の分岐条件が成立したか否かの履歴を含む第１のデータと、前記分岐命令に対応する第１のアドレスとの組を、単数または複数記憶する第３の回路と、命令の第２のアドレスと前記第１のアドレスの比較を行う第４の回路と、前記比較の結果に従って、単数または複数の前記組のうち、一の組の前記第１のデータを選択する第５の回路と、を有し、
前記第２の回路は、第２のデータが記憶される第６の回路と、互いの導通状態が前記第２のデータに従って前記第６の回路により制御されることで、前記第１の回路の動作を試験するための信号を生成する複数の第７の回路と、を有し、
前記第６の回路は、前記信号に従って動作が試験された後に、前記第２の回路と共に、前記組を単数または複数記憶する機能を有する半導体装置。
請求項１または請求項２において、
前記第６の回路は、第１トランジスタと、前記第１トランジスタを介して入力される前記第２のデータに従って、オンまたはオフが選択される第２トランジスタとを、少なくともそれぞれ含む複数の組を有する半導体装置。
請求項３において、
前記第１トランジスタは、酸化物半導体膜にチャネル形成領域を有する半導体装置。
請求項４において、
前記酸化物半導体膜は、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む半導体装置。