JP6690935B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Landscapes
- Semiconductor Memories (AREA)
- Thin Film Transistor (AREA)
- Dram (AREA)
Description
本発明の一態様は、半導体装置、記憶装置及び電子機器に関する。 One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device, a memory device, and an electronic device.
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。または、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、撮像装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法に関する。 Note that one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field. The technical field of one embodiment of the invention disclosed in this specification and the like relates to an object, a method, or a manufacturing method. Alternatively, one embodiment of the present invention relates to a process, a machine, a manufacture, or a composition (composition of matter). Alternatively, one embodiment of the present invention relates to a semiconductor device, a display device, a light-emitting device, a power storage device, a storage device, an imaging device, a driving method thereof, or a manufacturing method thereof.
特許文献1には、酸化物半導体を用いたトランジスタと、単結晶シリコンを用いたトランジスタによって構成された記憶装置が記載されている。また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が極めて小さいことが記載されている。 Patent Document 1 describes a memory device including a transistor including an oxide semiconductor and a transistor including single crystal silicon. Further, it is described that a transistor including an oxide semiconductor has extremely low off-state current.
本発明の一態様は、新規な半導体装置の提供を課題の一つとする。または、本発明の一態様は、多値の情報の記憶が可能な半導体装置の提供を課題の一つとする。または、本発明の一態様は、信頼性が高い半導体装置の提供を課題の一つとする。または、本発明の一態様は、消費電力が低い半導体装置の提供を課題の一つとする。 One object of one embodiment of the present invention is to provide a novel semiconductor device. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device capable of storing multi-valued information. Alternatively, one object of one embodiment of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor device. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with low power consumption.
なお、本発明の一態様は、必ずしも上記の課題の全てを解決する必要はなく、少なくとも一の課題を解決できるものであればよい。また、上記の課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。これら以外の課題は、明細書、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。 Note that one embodiment of the present invention does not necessarily need to solve all of the above problems and may be at least one problem. Further, the above description of the problems does not prevent the existence of other problems. Problems other than these are obvious from the description of the specification, drawings, claims, etc., and it is possible to extract other problems from the description of the specification, drawings, claims, etc. .
本発明の一態様にかかる半導体装置は、メモリセルを有し、メモリセルは、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、第3のトランジスタと、第4のトランジスタと、第1の容量素子と、第2の容量素子と、を有し、第1のトランジスタのゲートは、第1の配線と電気的に接続され、第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第2のトランジスタのゲートおよび第1の容量素子と電気的に接続され、第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第2の配線と電気的に接続され、第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第2の配線と電気的に接続され、第2のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第3の配線と電気的に接続され、第3のトランジスタのゲートは、第4の配線と電気的に接続され、第3のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第2の容量素子と電気的に接続され、第3のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第2の配線と電気的に接続され、第4のトランジスタのゲートは、第5の配線と電気的に接続され、第4のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第2の配線と電気的に接続され、第4のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第6の配線と電気的に接続されている半導体装置である。 A semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes a memory cell, and the memory cell includes a first transistor, a second transistor, a third transistor, a fourth transistor, and a first capacitor. And a second capacitor, the gate of the first transistor is electrically connected to the first wiring, and one of a source and a drain of the first transistor is a gate of the second transistor. And one of the source and the drain of the first transistor is electrically connected to the second wiring, and one of the source and the drain of the second transistor is electrically connected to the second capacitor. Of the second transistor, the other of the source and the drain of the second transistor is electrically connected to the third wiring, and the gate of the third transistor is electrically connected to the fourth wiring. One of the source and the drain of the third transistor is electrically connected to the second capacitor, and the other of the source and the drain of the third transistor is electrically connected to the second wiring, The gate of the fourth transistor is electrically connected to the fifth wiring, and one of the source and the drain of the fourth transistor is electrically connected to the second wiring, and the source or the drain of the fourth transistor. The other one is a semiconductor device electrically connected to the sixth wiring.
さらに、本発明の一態様にかかる半導体装置は、第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方に保持された電位に対応する第1の電位を、第6の配線に供給する機能と、第3のトランジスタのソースまたはドレインの一方に保持された電位に対応する第2の電位を、第6の配線に供給する機能と、を有していてもよい。 Further, a semiconductor device according to one embodiment of the present invention has a function of supplying a first potential corresponding to a potential held in one of a source and a drain of a first transistor to a sixth wiring, It may have a function of supplying a second potential corresponding to the potential held in one of the source and the drain of the transistor to the sixth wiring.
さらに、本発明の一態様にかかる半導体装置において、第2の電位の第6の配線への供給は、第2の容量素子に蓄積された電荷を、第1の容量素子に分配することにより行われてもよい。 Further, in the semiconductor device according to one embodiment of the present invention, the second potential is supplied to the sixth wiring by distributing the charge accumulated in the second capacitor to the first capacitor. You may break.
さらに、本発明の一態様にかかる半導体装置において、第6の配線から第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方にリセット電位を供給した後、電荷の分配が行われてもよい。 Further, in the semiconductor device according to one embodiment of the present invention, charge may be distributed after the reset potential is supplied from the sixth wiring to one of the source and the drain of the first transistor.
さらに、本発明の一態様にかかる半導体装置において、第1のトランジスタおよび第3のトランジスタは、チャネル形成領域に酸化物半導体を含んでいてもよい。 Further, in the semiconductor device according to one embodiment of the present invention, the first transistor and the third transistor may include an oxide semiconductor in a channel formation region.
さらに、本発明の一態様にかかる半導体装置において、第1のトランジスタは、第2のトランジスタ上に設けられ、第3のトランジスタおよび第4のトランジスタは、第1のトランジスタ上に設けられていてもよい。 Further, in the semiconductor device according to one embodiment of the present invention, the first transistor is provided over the second transistor, and the third transistor and the fourth transistor are provided over the first transistor. Good.
また、本発明の一態様にかかる記憶装置は、上記半導体装置と、駆動回路と、を有する。 A memory device according to one embodiment of the present invention includes the above semiconductor device and a driver circuit.
また、本発明の一態様にかかる電子機器は、上記半導体装置または上記記憶装置と、表示部、マイクロホン、スピーカ、または操作キーと、を有する。 An electronic device according to one embodiment of the present invention includes the semiconductor device or the memory device, a display portion, a microphone, a speaker, or an operation key.
本発明の一態様により、新規な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、多値の情報の記憶が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性が高い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低い半導体装置を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, a novel semiconductor device can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device capable of storing multi-valued information can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a highly reliable semiconductor device can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with low power consumption can be provided.
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。 Note that the description of these effects does not disturb the existence of other effects. Note that one embodiment of the present invention does not necessarily have to have all of these effects. It should be noted that the effects other than these are obvious from the description of the specification, drawings, claims, etc., and the effects other than these can be extracted from the description of the specification, drawings, claims, etc. Is.
以下、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、本発明は以下の実施の形態における説明に限定されず、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、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the description of the embodiments below, and it is easily understood by those skilled in the art that modes and details thereof can be variously modified without departing from the spirit and scope of the present invention. To be done. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below.
また、本発明の一態様には、記憶装置の他、RF(Radio Frequency)タグ、表示装置、撮像装置、集積回路を含むあらゆる装置が、その範疇に含まれる。また、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(Digital Micromirror Device)、PDP(Plasma Display Panel)、FED(Field Emission Display)など、集積回路を有する表示装置が、その範疇に含まれる。 Further, one embodiment of the present invention includes, in addition to a memory device, any device including an RF (Radio Frequency) tag, a display device, an imaging device, and an integrated circuit in its category. Further, the display device includes a liquid crystal display device, a light emitting device having a light emitting element represented by an organic light emitting element in each pixel, electronic paper, DMD (Digital Micromirror Device), PDP (Plasma Display Panel), FED (Field Emission). A display device having an integrated circuit such as a display is included in the category.
なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いることがある。 In describing the structure of the invention with reference to the drawings, the same reference numerals may be commonly used in different drawings.
また、本明細書等において、XとYとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、XとYとが電気的に接続されている場合と、XとYとが機能的に接続されている場合と、XとYとが直接接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図又は文章に示された接続関係に限定されず、図又は文章に示された接続関係以外のものも、図又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。 Further, in this specification and the like, when it is explicitly described that X and Y are connected, a case where X and Y are electrically connected and a case where X and Y function The case where they are connected to each other and the case where X and Y are directly connected are disclosed in this specification and the like. Therefore, it is not limited to a predetermined connection relation, for example, a connection relation shown in a figure or a sentence, and other than the connection relation shown in a diagram or a sentence is also described in the diagram or the sentence. Here, X and Y are objects (for example, devices, elements, circuits, wirings, electrodes, terminals, conductive films, layers, etc.).
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。 As an example of the case where X and Y are directly connected, an element (for example, a switch, a transistor, a capacitance element, an inductor, a resistance element, a diode, a display) that enables an electrical connection between X and Y is given. Elements, light emitting elements, loads, etc.) are not connected between X and Y, and elements (eg, switches, transistors, capacitive elements, inductors) that enable electrical connection between X and Y , Resistor element, diode, display element, light emitting element, load, etc.) and X and Y are connected.
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)、又は、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。又は、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。 As an example of the case where X and Y are electrically connected, an element (for example, a switch, a transistor, a capacitance element, an inductor, a resistance element, a diode, a display, etc.) that enables the X and Y to be electrically connected is used. Element, light emitting element, load, etc.) may be connected between X and Y. The switch has a function of controlling on / off. That is, the switch is in a conducting state (on state) or a non-conducting state (off state) and has a function of controlling whether or not to pass a current. Alternatively, the switch has a function of selecting and switching a path through which current flows. Note that the case where X and Y are electrically connected includes the case where X and Y are directly connected.
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(信号振幅又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。 Examples of the case where X and Y are functionally connected include a circuit (for example, a logic circuit (inverter, NAND circuit, NOR circuit, etc.)) that enables functional connection between X and Y, and signal conversion. Circuits (DA conversion circuit, AD conversion circuit, gamma correction circuit, etc.), potential level conversion circuit (power supply circuit (step-up circuit, step-down circuit, etc.), level shifter circuit for changing signal potential level, etc.), voltage source, current source, switching Circuits, amplifier circuits (circuits that can increase the signal amplitude or current amount, operational amplifiers, differential amplifier circuits, source follower circuits, buffer circuits, etc.), signal generation circuits, memory circuits, control circuits, etc. It is possible to connect more than one in between. As an example, even if another circuit is sandwiched between X and Y, if the signal output from X is transmitted to Y, it is assumed that X and Y are functionally connected. To do. In addition, when X and Y are functionally connected, it includes the case where X and Y are directly connected and the case where X and Y are electrically connected.
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。 In addition, when it is explicitly described that X and Y are electrically connected, when X and Y are electrically connected (that is, when X and Y are separately connected, Element or another circuit is sandwiched and connected) and X and Y are functionally connected (that is, another circuit is sandwiched between X and Y and functionally connected). And a case where X and Y are directly connected (that is, a case where another element or another circuit is connected between X and Y without being sandwiched). It is assumed to be disclosed in a written document. That is, when explicitly described as being electrically connected, the same content as in the case where only explicitly described as being connected is disclosed in this specification and the like. It has been done.
なお、図面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。 Even in the case where independent components are illustrated as electrically connected to each other in the drawing, even when one component also has the functions of a plurality of components, is there. For example, in the case where part of the wiring also functions as an electrode, one conductive film has a function of both a wiring function and an electrode function. Therefore, the term “electrically connected” in this specification includes in its category such a case where one conductive film also has functions of a plurality of components.
(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の構成例について説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, a structural example of the semiconductor device according to one embodiment of the present invention will be described.
<半導体装置の構成例>
図1(A)に、本発明の一態様にかかる半導体装置10の構成例を示す。半導体装置10は、複数のメモリセル20を有し、記憶装置として用いることができる。ここでは、半導体装置10がn行m列(n、mは自然数)のメモリセル20(メモリセル20[1,1]乃至[n,m])を有する構成について説明する。
<Example of configuration of semiconductor device>
FIG. 1A illustrates a configuration example of a semiconductor device 10 according to one embodiment of the present invention. The semiconductor device 10 has a plurality of memory cells 20 and can be used as a memory device. Here, a configuration in which the semiconductor device 10 has memory cells 20 (memory cells 20 [1, 1] to [n, m]) of n rows and m columns (n and m are natural numbers) will be described.
メモリセル20は、データを記憶する機能を有する。特に、本発明の一態様においては、メモリセル20に2ビット以上のデータ(多値データ)を記憶することができる。これにより、1ビットあたりの半導体装置10の面積を縮小することができる。 The memory cell 20 has a function of storing data. In particular, in one embodiment of the present invention, data (multivalued data) of 2 bits or more can be stored in the memory cell 20. As a result, the area of the semiconductor device 10 per 1 bit can be reduced.
メモリセル20は、配線WL、配線BLと接続されている。配線WLは、所定の行のメモリセル20を選択するための信号(以下、選択信号ともいう)を伝える機能を有する。配線BLは、選択されたメモリセル20に書き込むデータに対応する電位(以下、書き込み電位ともいう)を伝える機能を有する。また、配線BLは、メモリセル20に記憶されたデータに対応する電位(以下、読み出し電位ともいう)を伝える機能を有する。 The memory cell 20 is connected to the wiring WL and the wiring BL. The wiring WL has a function of transmitting a signal (hereinafter, also referred to as a selection signal) for selecting the memory cell 20 in a predetermined row. The wiring BL has a function of transmitting a potential (hereinafter also referred to as a write potential) corresponding to data to be written in the selected memory cell 20. Further, the wiring BL has a function of transmitting a potential (hereinafter also referred to as a read potential) corresponding to the data stored in the memory cell 20.
なお、ここでは書き込み電位と読み出し電位が同一の配線BLに出力される構成を示すが、書き込み電位と読み出し電位は、それぞれ異なる配線に出力されてもよい。 Note that here, a structure in which the writing potential and the reading potential are output to the same wiring BL is shown; however, the writing potential and the reading potential may be output to different wirings.
ここで、メモリセル20は、複数の配線WLと接続されている。図1(A)においては、メモリセル20は2本の配線WL(配線WLa、WLb)と接続されている。これにより、各メモリセル20には、2ビット以上のデータを書き込むことができる。 Here, the memory cell 20 is connected to a plurality of wirings WL. In FIG. 1A, the memory cell 20 is connected to two wirings WL (wirings WLa and WLb). As a result, data of 2 bits or more can be written in each memory cell 20.
具体的には、図1(B)に示すように、メモリセル20は複数の保持部21を有する。保持部21は、所定の電位を保持する機能を有する回路である。ここでは一例として、メモリセル20が2つの保持部21(保持部21a、21b)を有する構成を示す。保持部21aは、配線WLaおよび配線BLと接続され、保持部21bは、配線WLbおよび配線BLと接続されている。 Specifically, as shown in FIG. 1B, the memory cell 20 has a plurality of holding portions 21. The holding unit 21 is a circuit having a function of holding a predetermined potential. Here, as an example, a configuration in which the memory cell 20 has two holding portions 21 (holding portions 21a and 21b) is shown. The holding portion 21a is connected to the wiring WLa and the wiring BL, and the holding portion 21b is connected to the wiring WLb and the wiring BL.
配線WLaに選択信号が供給されると、配線BLから書き込み電位が保持部21aに供給され、保持される。また、配線WLbに選択信号が供給されると、配線BLから書き込み電位が保持部21bに供給され、保持される。保持部21a、21bにそれぞれ2値以上の電位を保持させることにより、メモリセル20に2ビット以上のデータを記憶することができる。 When the selection signal is supplied to the wiring WLa, the writing potential is supplied from the wiring BL to the holding portion 21a and is held therein. When the selection signal is supplied to the wiring WLb, the writing potential is supplied from the wiring BL to the holding portion 21b and held therein. By holding the holding portions 21a and 21b at two or more potentials, it is possible to store data of two bits or more in the memory cell 20.
保持部21aには、i値(iは自然数)の電位を保持することができ、保持部21bには、j値(jは自然数)の電位を保持することができる。なお、i、jの値は、それぞれ自由に設定することができる。例えば、保持部21a、21bに保持される電位は、それぞれハイレベルとローレベルの2値の電位(i=2、j=2)であってもよいし、3値以上の任意の電位(iが3以上、jが3以上)であってもよい。また、i、jの値は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。 The holding portion 21a can hold a potential of i value (i is a natural number), and the holding portion 21b can hold a potential of j value (j is a natural number). The values of i and j can be set freely. For example, the potentials held in the holding units 21a and 21b may be binary potentials (i = 2, j = 2) of high level and low level, respectively, or arbitrary potentials of three or more values (i Is 3 or more and j is 3 or more). The values of i and j may be the same or different.
メモリセル20からデータの読み出しは、保持部21aに保持された電位に対応する電位(第1の読み出し電位)と、保持部21bに保持された電位に対応する電位(第2の読み出し電位)と、が配線BLに出力されることによって行われる。具体的には、まず、保持部21aから配線BLに第1の読み出し電位が出力される。その後、保持部21bに保持されたデータが保持部21aに転送される。そして、保持部21aから配線BLに第2の読み出し電位が出力される。ここで、保持部21aに保持された電位がi値、保持部21bにされた電位がj値である場合、メモリセル20からi×j値のデータを読み出すことができる。すなわち、保持部21aにaビット(aは自然数)、保持部21bにbビット(bは自然数)のデータが記憶されている場合、a+bビットのデータを読み出すことができる。 Data is read from the memory cell 20 by using a potential corresponding to the potential held in the holding portion 21a (first reading potential) and a potential corresponding to the potential held in the holding portion 21b (second reading potential). , Are output to the wiring BL. Specifically, first, the holding portion 21a outputs the first read potential to the wiring BL. After that, the data held in the holding unit 21b is transferred to the holding unit 21a. Then, the second reading potential is output from the holding portion 21a to the wiring BL. Here, when the potential held in the holding unit 21a is the i value and the potential held in the holding unit 21b is the j value, it is possible to read i × j value data from the memory cell 20. That is, when the holding unit 21a stores a-bit (a is a natural number) data and the holding unit 21b stores b-bit (b is a natural number) data, a + b-bit data can be read.
ここで、保持部21には、チャネル形成領域に酸化物半導体を含むトランジスタ(以下、OSトランジスタともいう)を用いることが好ましい。酸化物半導体は、シリコンなどの他の半導体よりもバンドギャップが広く、キャリア密度が低い。そのため、OSトランジスタのオフ電流は極めて小さい。従って、保持部21にOSトランジスタを用いることにより、保持部21に保持された電位を長期間にわたって保持することができる。 Here, for the holding portion 21, it is preferable to use a transistor including an oxide semiconductor in a channel formation region (hereinafter also referred to as an OS transistor). An oxide semiconductor has a wider bandgap and a lower carrier density than other semiconductors such as silicon. Therefore, the off-state current of the OS transistor is extremely small. Therefore, by using the OS transistor for the holding portion 21, the potential held in the holding portion 21 can be held for a long time.
保持部21の構成例を、図1(C)に示す。保持部21は、トランジスタ22、容量素子23を有する。なお、トランジスタ22はOSトランジスタである。トランジスタ22のソースまたはドレインの一方は、容量素子23と接続されている。ここで、トランジスタ22のソースまたはドレインの一方および容量素子23と接続されたノードを、ノードFNとする。 An example of the structure of the holding unit 21 is shown in FIG. The holding portion 21 includes a transistor 22 and a capacitor 23. Note that the transistor 22 is an OS transistor. One of a source and a drain of the transistor 22 is connected to the capacitor 23. Here, a node connected to one of the source and the drain of the transistor 22 and the capacitor 23 is referred to as a node FN.
ノードFNには、保持部21に保持される電位が、トランジスタ22を介して配線BLなどから供給される。そして、トランジスタ22がオフ状態となると、ノードFNが浮遊状態となり、ノードFNの電位が保持される。ここで、OSトランジスタであるトランジスタ22のオフ電流は極めて小さいため、ノードFNの電位を長期間にわたって保持することが可能となる。なお、トランジスタ22の導通状態は、トランジスタ22のゲートと接続された配線に所定の電位を供給することにより、制御することができる。 The potential held in the holding portion 21 is supplied to the node FN from the wiring BL or the like through the transistor 22. Then, when the transistor 22 is turned off, the node FN is in a floating state and the potential of the node FN is held. Here, since the off-state current of the transistor 22 which is an OS transistor is extremely small, the potential of the node FN can be held for a long time. Note that the conductive state of the transistor 22 can be controlled by supplying a predetermined potential to a wiring connected to the gate of the transistor 22.
ノードFNに保持する電位は、2値(ハイレベルおよびローレベル)の電位であってよいし、3値以上の電位であってもよい。特に、ノードFNに保持される電位が3値以上の場合、保持される電位の間隔が狭くなるため、微小な電荷のリークがデータの変動の原因になり得る。しかしながら、OSトランジスタはオフ電流が極めて小さいため、ノードFNからの電荷のリークを極めて小さく抑えることができる。従って、ノードFNに3値以上の電位を保持する場合、トランジスタ22をOSトランジスタとすることは特に好ましい。 The potential held in the node FN may be a binary (high level and low level) potential, or a ternary or higher potential. In particular, when the potential held in the node FN has three or more values, the interval between the held potentials becomes narrow, so that minute charge leakage can cause data variation. However, since the off-state current of the OS transistor is extremely small, the leakage of charges from the node FN can be suppressed to be extremely small. Therefore, it is particularly preferable to use the transistor 22 as an OS transistor in the case of holding a potential of three or more values in the node FN.
また、OSトランジスタは、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタ(以下、Siトランジスタともいう)と比べて耐圧性が高い。そのため、トランジスタ22をOSトランジスタとすることにより、ノードFNに保持される電位の範囲を広げることができる。従って、保持部21に保持するデータの数を増加させることができる。 Further, the OS transistor has higher withstand voltage than a transistor including silicon in a channel formation region (hereinafter also referred to as a Si transistor). Therefore, when the transistor 22 is an OS transistor, the range of potential held in the node FN can be widened. Therefore, the number of data held in the holding unit 21 can be increased.
例えば、ノードFNには、16値の電位を保持することができる。そして、保持部21a、21bにそれぞれ16値の電位を保持する場合(i=16、j=16)、保持部21a、21bにそれぞれ4ビットのデータを記憶することができる(a=4、b=4)。そして、メモリセル20から、i×j=16×16=256値、すなわちa+b=4+4=8ビットのデータを読み出すことができる。また、例えば、保持部21aに4ビット、保持部21bに5ビットのデータを記憶した場合、メモリセル20から9ビットのデータを読み出すことができる。 For example, the node FN can hold a 16-value potential. When 16-value potentials are held in the holding units 21a and 21b (i = 16, j = 16), 4-bit data can be stored in the holding units 21a and 21b (a = 4, b). = 4). Then, i × j = 16 × 16 = 256 values, that is, a + b = 4 + 4 = 8-bit data can be read from the memory cell 20. Further, for example, when 4-bit data is stored in the holding unit 21a and 5-bit data is stored in the holding unit 21b, 9-bit data can be read from the memory cell 20.
以上のように、メモリセル20に複数の保持部21を設けることにより、多値データを記憶することが可能な半導体装置を提供することができる。また、保持部21にOSトランジスタを用いることにより、保持部21に蓄積された電荷を長期間保持することができ、信頼性が高い半導体装置を提供することができる。以下、メモリセル20の具体的な構成例について説明する。 As described above, by providing the memory cell 20 with the plurality of holding portions 21, it is possible to provide a semiconductor device capable of storing multilevel data. In addition, by using an OS transistor for the holding portion 21, the charge accumulated in the holding portion 21 can be held for a long time and a highly reliable semiconductor device can be provided. Hereinafter, a specific configuration example of the memory cell 20 will be described.
<メモリセルの構成例>
図2(A)に、メモリセル20の具体的な構成例を示す。メモリセル20は、回路30、回路40、回路50を有する。回路30は、トランジスタ31、容量素子32を有する。回路40は、トランジスタ41、容量素子42、トランジスタ43を有する。回路50は、トランジスタ51を有する。なお、回路30、40は、それぞれ図1(B)における保持部21a、21bに対応する。また、回路50は、メモリセル20に記憶されたデータの読み出しを制御する機能を有する。
<Example of memory cell configuration>
FIG. 2A shows a specific configuration example of the memory cell 20. The memory cell 20 has a circuit 30, a circuit 40, and a circuit 50. The circuit 30 includes a transistor 31 and a capacitor 32. The circuit 40 includes a transistor 41, a capacitor 42, and a transistor 43. The circuit 50 has a transistor 51. Note that the circuits 30 and 40 correspond to the holding portions 21a and 21b in FIG. 1B, respectively. Further, the circuit 50 has a function of controlling reading of data stored in the memory cell 20.
トランジスタ31のゲートは配線WLaと接続され、ソースまたはドレインの一方は容量素子32の一方の電極およびトランジスタ51のゲートと接続され、ソースまたはドレインの他方は配線SBLと接続されている。容量素子32の他方の電極は、配線WLCaと接続されている。ここで、トランジスタ31のソースまたはドレインの一方、容量素子32の一方の電極、およびトランジスタ51のゲートと接続されたノードを、ノードFNaとする。 The gate of the transistor 31 is connected to the wiring WLa, one of the source and the drain is connected to one electrode of the capacitor 32 and the gate of the transistor 51, and the other of the source and the drain is connected to the wiring SBL. The other electrode of the capacitor 32 is connected to the wiring WLCa. Here, a node connected to one of a source and a drain of the transistor 31, one electrode of the capacitor 32, and a gate of the transistor 51 is a node FNa.
トランジスタ41のゲートは配線WLbと接続され、ソースまたはドレインの一方は容量素子42の一方の電極と接続され、ソースまたはドレインの他方は配線SBLと接続されている。容量素子42の他方の電極は、配線WLCbと接続されている。トランジスタ43のゲートは配線WLcと接続され、ソースまたはドレインの一方は配線SBLと接続され、ソースまたはドレインの他方は配線BLと接続されている。ここで、トランジスタ41のソースまたはドレインの一方、および容量素子42の一方の電極と接続されたノードを、ノードFNbとする。 A gate of the transistor 41 is connected to the wiring WLb, one of a source and a drain is connected to one electrode of the capacitor 42, and the other of the source and the drain is connected to the wiring SBL. The other electrode of the capacitor 42 is connected to the wiring WLCb. A gate of the transistor 43 is connected to the wiring WLc, one of a source and a drain is connected to the wiring SBL, and the other of the source and the drain is connected to the wiring BL. Here, a node connected to one of a source and a drain of the transistor 41 and one electrode of the capacitor 42 is a node FNb.
トランジスタ51のゲートはノードFNaと接続され、ソースまたはドレインの一方は配線SBLと接続され、ソースまたはドレイン他方は配線SLと接続されている。 The gate of the transistor 51 is connected to the node FNa, one of the source and the drain is connected to the wiring SBL, and the other of the source and the drain is connected to the wiring SL.
配線WLCaは、ノードFNaの電位を制御するための信号(以下、読み出し制御信号ともいう)を伝える機能を有する配線である。配線WLCb、配線SLは、一定の電位を伝える機能を有する配線である。なお、配線WLCb、配線SLには、高電源電位VDDが供給されていてもよいし、低電源電位VSS(接地電位など)が供給されていてもよい。また、配線WLCb、配線SLに供給される電位は一定でなくてもよい。また、配線WLCbには、ノードFNbの電位を制御するための信号が供給されてもよい。 The wiring WLCa is a wiring having a function of transmitting a signal for controlling the potential of the node FNa (hereinafter also referred to as a read control signal). The wiring WLCb and the wiring SL are wirings having a function of transmitting a constant potential. Note that the wiring WLCb and the wiring SL may be supplied with the high power supply potential VDD or the low power supply potential VSS (ground potential or the like). Further, the potentials supplied to the wiring WLCb and the wiring SL do not have to be constant. A signal for controlling the potential of the node FNb may be supplied to the wiring WLCb.
なお、配線SLは、隣接するメモリセル20で共有されていてもよい。 Note that the wiring SL may be shared by the adjacent memory cells 20.
ここで、トランジスタ31、41はOSトランジスタとすることが好ましい。これにより、トランジスタ31、41がオフ状態であるとき、ノードFNa、FNbに蓄積された電荷を長期間にわたって保持することができる。従って、ノードFNa、FNbに3値以上の電位を正確に保持することができる。なお、ノードFNa、FNbは、図1(C)におけるノードFNに対応する。 Here, the transistors 31 and 41 are preferably OS transistors. Thus, when the transistors 31 and 41 are off, the charge accumulated in the nodes FNa and FNb can be held for a long time. Therefore, it is possible to accurately hold the three or more potentials at the nodes FNa and FNb. Note that the nodes FNa and FNb correspond to the node FN in FIG.
トランジスタ43の種類は、特に限定されない。例えば、OSトランジスタを用いてもよいし、チャネル形成領域が単結晶半導体を有する基板の一部に形成されるトランジスタ(以下、単結晶トランジスタともいう)を用いてもよい。単結晶半導体を有する基板としては、単結晶シリコン基板や単結晶ゲルマニウム基板などが挙げられる。 The type of the transistor 43 is not particularly limited. For example, an OS transistor may be used, or a transistor in which a channel formation region is formed in part of a substrate including a single crystal semiconductor (hereinafter also referred to as a single crystal transistor) may be used. As a substrate having a single crystal semiconductor, a single crystal silicon substrate, a single crystal germanium substrate, or the like can be given.
また、トランジスタ43には、酸化物半導体以外の半導体材料を含む膜にチャネル形成領域が形成されるトランジスタを用いることもできる。例えば、チャネル形成領域に非単結晶半導体を有するトランジスタを用いることができる。非単結晶半導体としては、非晶質シリコン、微結晶シリコン、多結晶シリコンなどの非単結晶シリコンや、非晶質ゲルマニウム、微結晶ゲルマニウム、多結晶ゲルマニウムなどの非単結晶ゲルマニウムなどが挙げられる。 Alternatively, as the transistor 43, a transistor in which a channel formation region is formed in a film containing a semiconductor material other than an oxide semiconductor can be used. For example, a transistor including a non-single crystal semiconductor in a channel formation region can be used. Examples of the non-single-crystal semiconductor include non-single-crystal silicon such as amorphous silicon, microcrystalline silicon, and polycrystalline silicon, and non-single-crystal germanium such as amorphous germanium, microcrystalline germanium, and polycrystalline germanium.
トランジスタ51には、トランジスタ43と同様のトランジスタを用いることができる。また、トランジスタ31、41に、単結晶トランジスタや、酸化物半導体以外の半導体材料を含む膜にチャネル形成領域が形成されるトランジスタを用いることもできる。特に、トランジスタ51を単結晶トランジスタとすることにより、メモリセル20からのデータの読み出しを高速に行うことができる。 A transistor similar to the transistor 43 can be used for the transistor 51. Alternatively, as the transistors 31 and 41, a single crystal transistor or a transistor in which a channel formation region is formed in a film containing a semiconductor material other than an oxide semiconductor can be used. In particular, when the transistor 51 is a single crystal transistor, data can be read from the memory cell 20 at high speed.
次に、メモリセル20の動作について説明する。ここでは特に、図2(A)に示すメモリセル20の動作について説明する。 Next, the operation of the memory cell 20 will be described. In particular, the operation of the memory cell 20 shown in FIG. 2A will be described here.
まず、配線WLcの電位をトランジスタ43がオン状態となる電位にして、トランジスタ43をオン状態とする。そして、配線WLaの電位をトランジスタ31がオン状態となる電位にして、トランジスタ31をオン状態とする。これにより、配線BLの電位(書き込み電位)がノードFNaに供給される(データの書き込み)。次に、配線WLaの電位をトランジスタ31がオフ状態となる電位にして、トランジスタ31をオフ状態とする。これにより、ノードFNaが浮遊状態となり、ノードFNaの電位が保持される(データの保持)。このような動作により、回路30においてデータの書き込みおよび保持が行われる。 First, the potential of the wiring WLc is set to a potential at which the transistor 43 is turned on, so that the transistor 43 is turned on. Then, the potential of the wiring WLa is set to a potential at which the transistor 31 is turned on, so that the transistor 31 is turned on. Accordingly, the potential of the wiring BL (writing potential) is supplied to the node FNa (writing data). Next, the potential of the wiring WLa is set to a potential at which the transistor 31 is turned off, so that the transistor 31 is turned off. As a result, the node FNa is brought into a floating state and the potential of the node FNa is held (data holding). With such an operation, writing and holding of data is performed in the circuit 30.
データの保持期間においては、ノードFNaに書き込まれた電位に関わらず、トランジスタ51をオフ状態とすることが好ましい。具体的には、トランジスタ51がpチャネル型である場合、配線WLCaの電位をハイレベルに上昇させる。このとき、容量素子32の容量結合により、ノードFNaの電位も上昇する。これにより、ノードFNaに書き込まれた電位に関わらず、トランジスタ51をオフ状態とすることができる。ノードFNaの電位は、トランジスタ51のゲート−ソース間の電圧の大きさがトランジスタ51の閾値電圧の大きさ以下となるような電位にすればよい。これにより、データの保持期間においてトランジスタ51のソース−ドレイン間を流れる電流を抑制し、消費電力を低減することができる。 During the data retention period, the transistor 51 is preferably turned off regardless of the potential written in the node FNa. Specifically, when the transistor 51 is a p-channel type, the potential of the wiring WLCa is raised to a high level. At this time, the potential of the node FNa also rises due to the capacitive coupling of the capacitive element 32. Thus, the transistor 51 can be turned off regardless of the potential written in the node FNa. The potential of the node FNa may be set such that the magnitude of the gate-source voltage of the transistor 51 is less than or equal to the magnitude of the threshold voltage of the transistor 51. Accordingly, current flowing between the source and the drain of the transistor 51 in the data retention period can be suppressed and power consumption can be reduced.
次に、配線WLbの電位を、トランジスタ41がオン状態となる電位にして、トランジスタ41をオン状態とする。これにより、配線BLの電位(書き込み電位)がノードFNbに供給される(データの書き込み)。次に、配線WLbの電位をトランジスタ41がオフ状態となる電位にして、トランジスタ41をオフ状態とする。これにより、ノードFNbが浮遊状態となり、ノードFNbの電位が保持される(データの保持)。このような動作により、回路40においてデータの書き込みおよび保持が行われる。 Next, the potential of the wiring WLb is set to a potential at which the transistor 41 is turned on, so that the transistor 41 is turned on. Accordingly, the potential of the wiring BL (writing potential) is supplied to the node FNb (writing data). Next, the potential of the wiring WLb is set to a potential at which the transistor 41 is turned off, so that the transistor 41 is turned off. Accordingly, the node FNb is brought into a floating state and the potential of the node FNb is held (data holding). By such an operation, writing and holding of data is performed in the circuit 40.
なお、ここでは回路30における書き込み動作の後に回路40における書き込み動作を行う例について説明したが、回路40にデータを書き込んだ後に、回路30にデータを書き込んでもよい。 Although an example in which the write operation in the circuit 40 is performed after the write operation in the circuit 30 is described here, data may be written in the circuit 30 after writing data in the circuit 40.
また、配線BLからノードFNa、FNbに供給される電位は、それぞれハイレベルとローレベルの2値の電位(i=2、j=2)であってもよいし、3値以上の電位(iが3以上、jが3以上)であってもよい。また、i、jの値は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。 The potentials supplied from the wiring BL to the nodes FNa and FNb may be binary potentials of high level and low level (i = 2, j = 2), or potentials of three values or more (i Is 3 or more and j is 3 or more). The values of i and j may be the same or different.
ここで、ノードFNa、FNbに1ビットのデータを10年間保持させる場合を考える。電源電圧を2V以上、3.5V以下、ノードFNa、FNbの保持容量を21fF、保持電位の許容変動量を0.5V未満、とした場合、85℃、10年間で保持電位を許容変動量未満とするには、ノードFNa、FNbからのリーク電流は、33×10−24A未満であることが必要となる。他からのリークがさらに小さく、リーク箇所がほぼOSトランジスタである場合、OSトランジスタのチャネル幅が350nmのとき、OSトランジスタの単位面積あたりのリーク電流を93×10−24A/μm未満とすることが好ましい。メモリセル20を上記構成にすることで、メモリセル20は、85℃において、10年間データを保持することが可能になる。 Here, consider a case where the nodes FNa and FNb hold 1-bit data for 10 years. When the power supply voltage is 2 V or more and 3.5 V or less, the holding capacitance of the nodes FNa and FNb is 21 fF, and the allowable fluctuation amount of the holding potential is less than 0.5 V, the holding potential is less than the allowable fluctuation amount at 85 ° C. for 10 years. Therefore, the leakage current from the nodes FNa and FNb needs to be less than 33 × 10 −24 A. When the leakage from other is smaller and the leak location is almost the OS transistor, the leakage current per unit area of the OS transistor is less than 93 × 10 −24 A / μm when the channel width of the OS transistor is 350 nm. Is preferred. With the configuration of the memory cell 20 described above, the memory cell 20 can hold data at 85 ° C. for 10 years.
また、ノードFNa、FNbに4ビットのデータを10年間保持させる場合を考える。電源電圧を2V以上、3.5V以下、保持容量を0.1fF、保持電位の分布幅を30mV未満、保持電位の許容変動量を80mV未満、とした場合、85℃10年間で保持電位を許容変動量未満とするには、ノードFNa、FNbからのリーク電流は0.025×10−24A未満であることが必要となる。他からのリークがさらに小さく、リーク箇所がほぼOSトランジスタである場合、OSトランジスタのチャネル幅が60nmのとき、OSトランジスタの単位面積あたりのリーク電流を0.423×10−24A/μm未満とすることが好ましい。メモリセル20を上記構成にすることで、メモリセル20は、85℃において、10年間データを保持することが可能になる。 Also, consider a case where the nodes FNa and FNb hold 4-bit data for 10 years. When the power supply voltage is 2 V or more and 3.5 V or less, the holding capacity is 0.1 fF, the holding potential distribution width is less than 30 mV, and the allowable fluctuation amount of the holding potential is less than 80 mV, the holding potential is allowed at 85 ° C for 10 years. In order to reduce the fluctuation amount, the leakage current from the nodes FNa and FNb needs to be less than 0.025 × 10 −24 A. When the leakage from other is smaller and the leaked portion is almost the OS transistor, the leakage current per unit area of the OS transistor is less than 0.423 × 10 −24 A / μm when the channel width of the OS transistor is 60 nm. Preferably. With the configuration of the memory cell 20 described above, the memory cell 20 can hold data at 85 ° C. for 10 years.
また、ノードFNa、FNbに8ビットのデータを10年間保持させる場合を考える。電源電圧を2V以上、3.5V以下、保持容量を0.1fF、保持電位の分布幅を2mV未満、保持電位の許容変動量を5mV未満、とした場合、85℃、10年間で保持電位を許容変動量未満とするには、ノードFNa、FNbからのリーク電流は0.0016×10−24A未満であることが必要となる。他からのリークがさらに小さく、リーク箇所がほぼOSトランジスタである場合、OSトランジスタのチャネル幅が60nmのとき、OSトランジスタの単位面積あたりのリーク電流を0.026×10−24A/μm未満とすることが好ましい。メモリセル20を上記構成にすることで、メモリセル20は、85℃において、10年間データを保持することが可能になる。 Also, consider a case where the nodes FNa and FNb hold 8-bit data for 10 years. When the power supply voltage is 2 V or more and 3.5 V or less, the holding capacitance is 0.1 fF, the holding potential distribution width is less than 2 mV, and the allowable fluctuation amount of the holding potential is less than 5 mV, the holding potential is 85 ° C. for 10 years. In order to make it less than the permissible fluctuation amount, it is necessary that the leak current from the nodes FNa and FNb is less than 0.0016 × 10 −24 A. In the case where the leak from other is smaller and the leak is almost the OS transistor, the leak current per unit area of the OS transistor is less than 0.026 × 10 −24 A / μm when the channel width of the OS transistor is 60 nm. Preferably. With the configuration of the memory cell 20 described above, the memory cell 20 can hold data at 85 ° C. for 10 years.
次に、回路30からのデータの読み出し動作について説明する。 Next, the operation of reading data from the circuit 30 will be described.
まず、トランジスタ43をオン状態とし、配線BL、配線SBLを所定の電位(ここではハイレベル)にプリチャージする。また、配線SLに所定の電位(ここではローレベル)を供給する。 First, the transistor 43 is turned on, and the wiring BL and the wiring SBL are precharged to a predetermined potential (here, high level). Further, a predetermined potential (here, low level) is supplied to the wiring SL.
その後、配線WLCaの電位をローレベルとし、ノードFNaの電位を下降させる。これにより、ノードFNaの電位は、書き込み時に配線BLから供給された電位となる。そして、配線SBLおよび配線BLには、ノードFNaの電位に応じて、配線SLから所定の電位が供給される。具体的には、配線BL、配線SBLの電位がハイレベルから下降し、ノードFNaと配線SBLの間の電圧の大きさがトランジスタ51の閾値電圧の大きさ以下となると、トランジスタ51がオフ状態となり、配線BL、配線SBLの電位が確定する。すなわち、ノードFNaの電位に応じて、配線BL、配線SBLの電位は異なる値となる。従って、配線BLの電位を読み取ることにより、ノードFNaの電位を判別することができる。 After that, the potential of the wiring WLCa is set at a low level and the potential of the node FNa is lowered. Accordingly, the potential of the node FNa becomes the potential supplied from the wiring BL at the time of writing. Then, the wiring SBL and the wiring BL are supplied with a predetermined potential from the wiring SL in accordance with the potential of the node FNa. Specifically, when the potentials of the wiring BL and the wiring SBL fall from the high level and the magnitude of the voltage between the node FNa and the wiring SBL becomes less than or equal to the threshold voltage of the transistor 51, the transistor 51 is turned off. , The potentials of the wiring BL and the wiring SBL are determined. That is, the potentials of the wiring BL and the wiring SBL have different values depending on the potential of the node FNa. Therefore, the potential of the node FNa can be determined by reading the potential of the wiring BL.
次に、配線BLに、ノードFNaをリセットするための電位(以下、リセット電位ともいう)を供給する。ここでは、リセット電位としてローレベルの電位を供給する。そして、配線WLaの電位をトランジスタ31がオン状態となる電位にして、トランジスタ31をオン状態とする。これにより、配線BLからノードFNaに電位が供給され、ノードFNaの電位がローレベルにリセットされる。 Next, a potential for resetting the node FNa (hereinafter also referred to as a reset potential) is supplied to the wiring BL. Here, a low-level potential is supplied as the reset potential. Then, the potential of the wiring WLa is set to a potential at which the transistor 31 is turned on, so that the transistor 31 is turned on. Accordingly, the potential is supplied from the wiring BL to the node FNa, and the potential of the node FNa is reset to a low level.
次に、配線WLcの電位をトランジスタ43がオフ状態となる電位にして、トランジスタ43をオフ状態とする。その後、配線WLbの電位をトランジスタ41がオン状態となる電位にして、トランジスタ41をオン状態とする。これにより、ノードFNaとノードFNbが配線SBLを介して導通状態となり、ノードFNbに蓄積された電荷がノードFNaに分配される。これにより、回路40に記憶されたデータが回路30に転送される。 Next, the potential of the wiring WLc is set to a potential at which the transistor 43 is turned off, so that the transistor 43 is turned off. After that, the potential of the wiring WLb is set to a potential at which the transistor 41 is turned on, so that the transistor 41 is turned on. Accordingly, the node FNa and the node FNb are brought into conduction through the wiring SBL, and the charge accumulated in the node FNb is distributed to the node FNa. As a result, the data stored in the circuit 40 is transferred to the circuit 30.
ここで、トランジスタ31、41がオン状態となると、配線SBLに容量素子32、42の容量が付加される。従って、電荷の分配によってノードFNbから配線SBLを経由してノードFNaに供給される電位は、電荷の分配前のノードFNbの電位よりも低くなる。そのため、容量素子42の容量値は、容量素子32の容量値よりも大きくしておくことが好ましい。または、ノードFNbに書き込む電位を、通常の書き込み電位よりも大きくすることが好ましい。これにより、電荷の分配による電位の低下を抑制することができる。なお、電荷の分配による電位の変動の詳細については後述する。 Here, when the transistors 31 and 41 are turned on, the capacitances of the capacitors 32 and 42 are added to the wiring SBL. Therefore, the potential supplied from the node FNb to the node FNa through the wiring SBL by the charge distribution is lower than the potential of the node FNb before the charge distribution. Therefore, it is preferable that the capacitance value of the capacitance element 42 be larger than the capacitance value of the capacitance element 32. Alternatively, the potential written in the node FNb is preferably higher than the normal write potential. As a result, it is possible to suppress a decrease in potential due to distribution of electric charges. Note that details of the potential variation due to charge distribution will be described later.
次に、回路40から回路30に転送されたデータの読み出しを行う。この読み出しは、前述の回路30からデータの読み出しと同様の動作により行うことができる。すなわち、電荷の分配後のノードFNaの電位に応じて、配線BL、配線SBLの電位を変化させることによって行うことができる。 Next, the data transferred from the circuit 40 to the circuit 30 is read. This read can be performed by the same operation as the data read from the circuit 30 described above. That is, this can be performed by changing the potentials of the wiring BL and the wiring SBL in accordance with the potential of the node FNa after the charge distribution.
上記のような動作により、メモリセル20において多値データの書き込みおよび読み出しを行うことができる。具体的には、ノードFNaにi値の電位が書き込まれ、ノードFNbにj値の電位が書き込まれている場合、配線BLに出力されたi値の電位およびj値の電位を読み取ることにより、i×j値のデータを読み出すことができる。 By the above operation, writing and reading of multi-valued data can be performed in the memory cell 20. Specifically, when the i-valued potential is written to the node FNa and the j-valued potential is written to the node FNb, by reading the i-valued potential and the j-valued potential output to the wiring BL, It is possible to read i × j value data.
また、回路30、40のデータの書き換えは、上記のデータの書き込みおよび保持と同様の動作により行うことができる。 Rewriting of data in the circuits 30 and 40 can be performed by the same operation as writing and holding of the above data.
なお、図2(A)においては、トランジスタ31、41、43がnチャネル型、トランジスタ51がpチャネル型である例を示したが、トランジスタ31、41、43、51はそれぞれnチャネル型であってもpチャネル型であってもよい。例えば図2(B)に示すように、トランジスタ51をnチャネル型とすることもできる。 Although FIG. 2A shows an example in which the transistors 31, 41, 43 are n-channel type and the transistor 51 is p-channel type, the transistors 31, 41, 43, 51 are respectively n-channel type. Alternatively, it may be a p-channel type. For example, as shown in FIG. 2B, the transistor 51 can be an n-channel type.
図2(B)に示すメモリセル20においては、配線WLCaの電位をローレベルとし、ノードFNaの電位を下降させることにより、ノードFNaに書き込まれた電位に関わらず、トランジスタ51をオフ状態とすることができる。また、配線SLの電位をハイレベルとし、配線BLをローレベルにプリチャージすることにより、メモリセル20からのデータの読み出しを行うことができる。その他の動作については、図2(A)のメモリセル20についての説明を参酌することができる。 In the memory cell 20 illustrated in FIG. 2B, the potential of the wiring WLCa is set at a low level and the potential of the node FNa is lowered, so that the transistor 51 is turned off regardless of the potential written in the node FNa. be able to. Further, the potential of the wiring SL is set to a high level and the wiring BL is precharged to a low level, whereby data can be read from the memory cell 20. For the other operations, the description of the memory cell 20 in FIG. 2A can be referred to.
<メモリセルの動作例>
次に、メモリセル20の動作例について説明する。図3は、図2(A)に示すメモリセル20の動作を説明するためのタイミングチャートである。なお、期間T11から期間T13は、メモリセル20へのデータの書き込みを行う期間であり、期間T21から期間T26は、メモリセル20からのデータの読み出しを行う期間である。また、図4(A)、図4(B)、図5(A)、図5(B)、図6(A)、図6(B)はそれぞれ、期間T11、期間T12、期間T22、期間T23、期間T24、期間T26におけるメモリセル20の動作を表す図である。
<Operation example of memory cell>
Next, an operation example of the memory cell 20 will be described. FIG. 3 is a timing chart for explaining the operation of the memory cell 20 shown in FIG. Note that the periods T11 to T13 are periods in which data is written to the memory cell 20, and the periods T21 to T26 are periods in which data are read from the memory cell 20. In addition, FIG. 4A, FIG. 4B, FIG. 5A, FIG. 5B, FIG. 6A, and FIG. 6B respectively show a period T11, a period T12, a period T22, and a period T22. It is a figure showing operation | movement of the memory cell 20 in T23, period T24, and period T26.
まず、期間T11において、配線BLに、書き込み電位Vwaを供給する。なお、書き込み電位Vwaは、3値以上の電位とすることができる。ここでは、配線BLに16値(i=16)の書き込み電位Vwaを供給する場合について説明する。この場合、回路30には4ビットのデータが書き込まれる。 First, in the period T11, the writing potential Vwa is supplied to the wiring BL. Note that the write potential Vwa can be a three-value or higher potential. Here, a case where a 16-value (i = 16) write potential Vwa is supplied to the wiring BL is described. In this case, 4-bit data is written in the circuit 30.
そして、配線WLCaをローレベルとする。また、配線WLa、配線WLcの電位をハイレベルにし、トランジスタ31、トランジスタ43をオン状態とする。これにより、図4(A)に示すように、配線BLの電位VwaがノードFNaに供給される。すなわち、回路30においてデータの書き込みが行われる。 Then, the wiring WLCa is set to a low level. Further, the potentials of the wirings WLa and WLc are set to a high level, so that the transistors 31 and 43 are turned on. Accordingly, as illustrated in FIG. 4A, the potential Vwa of the wiring BL is supplied to the node FNa. That is, data is written in the circuit 30.
次に、期間T12において、配線WLaの電位をローレベルにし、トランジスタ31をオフ状態とする。これにより、ノードFNaは浮遊状態となり、配線BLの電位が変動してもノードFNaの電位は保持される。ここで、配線WLCaの電位をハイレベルとし、ノードFNaの電位を上昇させる。これにより、配線BLからノードFNaに供給された電位に関わらず、トランジスタ51はオフ状態となる。 Next, in the period T12, the potential of the wiring WLa is set at a low level, so that the transistor 31 is turned off. Accordingly, the node FNa is brought into a floating state and the potential of the node FNa is held even if the potential of the wiring BL is changed. Here, the potential of the wiring WLCa is set at a high level and the potential of the node FNa is increased. Accordingly, the transistor 51 is turned off regardless of the potential supplied from the wiring BL to the node FNa.
そして、配線BLに書き込み電位Vwbを供給する。なお、書き込み電位Vwbは、3値以上の電位とすることができる。ここでは、配線BLに16値(j=16)の書き込み電位Vwbを供給する場合について説明する。この場合、回路40には4ビットのデータが書き込まれる。 Then, the write potential Vwb is supplied to the wiring BL. Note that the write potential Vwb can be a three-value or higher potential. Here, a case where a 16-value (j = 16) write potential Vwb is supplied to the wiring BL is described. In this case, 4-bit data is written in the circuit 40.
そして、配線WLbの電位をハイレベルにし、トランジスタ41をオン状態とする。これにより、図4(B)に示すように、配線BLの電位VwbがノードFNbに供給される。すなわち、回路40においてデータの書き込みが行われる。 Then, the potential of the wiring WLb is set to a high level and the transistor 41 is turned on. Accordingly, the potential Vwb of the wiring BL is supplied to the node FNb as illustrated in FIG. That is, data is written in the circuit 40.
次に、期間T13において、配線WLbをローレベルにし、トランジスタ41をオフ状態とする。これにより、ノードFNbは浮遊状態となり、配線BLの電位が変動してもノードFNbの電位は保持される。 Next, in the period T13, the wiring WLb is set at a low level and the transistor 41 is turned off. Accordingly, the node FNb is in a floating state and the potential of the node FNb is held even if the potential of the wiring BL changes.
以上の動作により、回路30、40へのデータの書き込みが行われる。なお、期間T12の動作を期間T11の前に行い、回路40へのデータの書き込みを回路30へのデータの書き込みよりも前の期間に行ってもよい。 By the above operation, data writing to the circuits 30 and 40 is performed. Note that the operation in the period T12 may be performed before the period T11 and the data writing to the circuit 40 may be performed before the data writing to the circuit 30.
次に、期間T21において、配線BLの電位をハイレベルにプリチャージした後、配線BLを浮遊状態とする。ここで、配線WLcはハイレベルであり、トランジスタ43はオン状態であるため、配線SBLの電位もハイレベルにプリチャージされる。 Next, in a period T21, the potential of the wiring BL is precharged to a high level and then the wiring BL is brought into a floating state. Here, the wiring WLc is at a high level and the transistor 43 is on, so that the potential of the wiring SBL is also precharged to a high level.
次に、期間T22において、配線WLCaの電位をローレベルにする。これにより、ノードFNaの電位を、例えば期間T11においてノードFNaに供給された電位Vwaにまで下降させる。また、配線SLには電源電位としてローレベルの電位が供給されている。よって、ハイレベルにプリチャージされた配線BL、配線SBLの電位が、トランジスタ51がオフ状態となるまで下降する。これにより、図5(A)に示すように、配線BLに、ノードFNaの電位に対応する16値の電位が読み出し電位Vraとして出力される。よって、回路30から16値のデータを読み出すことができる。 Next, in the period T22, the potential of the wiring WLCa is set at a low level. Accordingly, the potential of the node FNa is lowered to the potential Vwa supplied to the node FNa in the period T11, for example. Further, a low-level potential is supplied to the wiring SL as a power supply potential. Therefore, the potentials of the wiring BL and the wiring SBL which are precharged to a high level fall until the transistor 51 is turned off. Accordingly, as illustrated in FIG. 5A, a 16-value potential corresponding to the potential of the node FNa is output to the wiring BL as the read potential Vra. Therefore, 16-value data can be read from the circuit 30.
次に、期間T23において、配線BLの電位をローレベル(ここでは接地電位VGND)とする。また、配線WLaの電位をハイレベルとし、トランジスタ31をオン状態とする。これにより、図5(B)に示すように、配線BLから配線SBLを介してノードFNaにローレベルの電位が供給され、ノードFNaの電位がローレベルにリセットされる。 Next, in the period T23, the potential of the wiring BL is set at a low level (here, the ground potential V GND ). In addition, the potential of the wiring WLa is set at a high level and the transistor 31 is turned on. Accordingly, as illustrated in FIG. 5B, a low-level potential is supplied from the wiring BL to the node FNa through the wiring SBL and the potential of the node FNa is reset to a low level.
次に、期間T24において、配線WLcをローレベルとし、トランジスタ43をオフ状態とする。また、配線WLbをハイレベルとし、トランジスタ41をオン状態とする。これにより、図6(A)に示すように、ノードFNaとノードFNbが配線SBLを介して導通状態となり、ノードFNbに蓄積された電荷がノードFNaに分配される。これにより、回路40に記憶されたデータが回路30に転送される。 Next, in the period T24, the wiring WLc is set at a low level and the transistor 43 is turned off. Further, the wiring WLb is set to a high level and the transistor 41 is turned on. Accordingly, as illustrated in FIG. 6A, the node FNa and the node FNb are brought into a conductive state through the wiring SBL, and the charge accumulated in the node FNb is distributed to the node FNa. As a result, the data stored in the circuit 40 is transferred to the circuit 30.
なお、上述の通り、電荷の分配が行われることにより、ノードFNaの電位は上昇し、ノードFNbの電位は下降する。ノードFNbに保持された電荷がノードFNaに分配された後のノードFNaの電位を、Vwb´と表す。 Note that, as described above, the potential of the node FNa rises and the potential of the node FNb falls due to the charge distribution. The potential of the node FNa after the charge held in the node FNb is distributed to the node FNa is represented as Vwb ′.
次に、期間T25において、配線WLa、WLbの電位をローレベル、配線WLcの電位をハイレベルとし、トランジスタ31、41をオフ状態、トランジスタ43をオン状態とする。また、配線BLの電位をハイレベルにプリチャージした後、配線BLを浮遊状態とする。ここで、トランジスタ43はオン状態であるため、配線SBLの電位もハイレベルにプリチャージされる。また、配線WLCaの電位をハイレベルとし、ノードFNaの電位を、電位Vwb´に関わらずトランジスタ51をオフ状態となるような電位とする。 Next, in the period T25, the potentials of the wirings WLa and WLb are set at a low level and the potential of the wiring WLc is set at a high level, so that the transistors 31 and 41 are turned off and the transistor 43 is turned on. After precharging the potential of the wiring BL to a high level, the wiring BL is brought into a floating state. Here, since the transistor 43 is on, the potential of the wiring SBL is also precharged to a high level. In addition, the potential of the wiring WLCa is set to a high level and the potential of the node FNa is set to a potential which turns off the transistor 51 regardless of the potential Vwb ′.
次に、期間T26において、配線WLCaの電位をローレベルにする。これにより、ノードFNaの電位を、例えば電位Vwb´まで下降させる。また、配線SLには電源電位としてローレベルの電位が供給されている。よって、ハイレベルにプリチャージされた配線BL、配線SBLの電位が、トランジスタ51がオフ状態となるまで下降する。これにより、図6(B)に示すように、配線BLには、ノードFNaの電位に対応する16値の電位が、読み出し電位Vrbとして出力される。よって、回路40から回路30に転送された16値のデータを読み出すことができる。 Next, in the period T26, the potential of the wiring WLCa is set at a low level. As a result, the potential of the node FNa is lowered to, for example, the potential Vwb '. Further, a low-level potential is supplied to the wiring SL as a power supply potential. Therefore, the potentials of the wiring BL and the wiring SBL which are precharged to a high level fall until the transistor 51 is turned off. Thus, as illustrated in FIG. 6B, a 16-value potential corresponding to the potential of the node FNa is output to the wiring BL as the read potential Vrb. Therefore, the 16-valued data transferred from the circuit 40 to the circuit 30 can be read.
以上の動作により、メモリセル20の記憶された多値データの書き込みおよび読み出しを行うことができる。 By the above operation, the multi-valued data stored in the memory cell 20 can be written and read.
<電荷の分配について>
図3の期間T24および図6(A)に示す、ノードFNbからノードFNaへの電荷の分配の詳細について説明する。
<Distribution of charges>
Details of charge distribution from the node FNb to the node FNa shown in the period T24 of FIG. 3 and FIG. 6A will be described.
図7(A)に、配線BLに供給される書き込み電位Vwa、Vwbの分布を示す。なお、図7(A)には、ノードFNa、FNbにそれぞれ4ビットのデータを記憶する場合を図示している。 FIG. 7A shows the distribution of the write potentials Vwa and Vwb supplied to the wiring BL. Note that FIG. 7A illustrates a case where 4-bit data is stored in each of the nodes FNa and FNb.
4ビットのデータに相当する書き込み電位Vwa、Vwbは、図7(A)に示すように、16値の電位レベルで表すことができる。16値の電位レベルは、4ビットのデータ「0000」乃至「1111」に対応する。 The write potentials Vwa and Vwb corresponding to 4-bit data can be represented by 16-value potential levels as shown in FIG. The 16-valued potential level corresponds to 4-bit data “0000” to “1111”.
上述したように、ノードFNbに書き込まれたデータの読み出しは、ノードFNaに電荷を分配することにより行う。ここで、容量素子42(容量値C1)、容量素子32(容量値C2)、トランジスタ31、トランジスタ41を表した回路図を図7(B)に示す。なお、ここではトランジスタ31、41をスイッチとして表している。トランジスタ41がオフ状態のとき、ノードFNbには電位V1=Vwbが保持され、ノードFNaにはリセット電位である電位V2=VGNDが保持されている。 As described above, the data written in the node FNb is read by distributing the charges to the node FNa. Here, a circuit diagram showing the capacitor 42 (capacitance value C1), the capacitor 32 (capacitance value C2), the transistor 31, and the transistor 41 is illustrated in FIG. The transistors 31 and 41 are shown as switches here. When the transistor 41 is off, the potential V1 = Vwb is held in the node FNb and the potential V2 = V GND which is a reset potential is held in the node FNa.
その後、トランジスタ41をオン状態に切り替えると、図7(C)に示すようにノードFNaとノードFNbが接続され、電荷の分配が生じる。なお、図7(C)は、図6(A)におけるメモリセル20の回路図に対応する。そして、電荷の分配後におけるノードFNa、FNbの電位V3は、V3=(C1・V1)/(C1+C2)となる。電位V3は、図6(A)における電位Vwb´に対応し、電位Vwb´は電位Vwbから低下した電位となる。 After that, when the transistor 41 is turned on, the node FNa and the node FNb are connected as illustrated in FIG. 7C and charge is distributed. Note that FIG. 7C corresponds to the circuit diagram of the memory cell 20 in FIG. 6A. Then, the potential V3 of the nodes FNa and FNb after the charge distribution is V3 = (C1 · V1) / (C1 + C2). The potential V3 corresponds to the potential Vwb ′ in FIG. 6A, and the potential Vwb ′ is a potential lower than the potential Vwb.
ここで、容量値C1を容量値C2より大きくすることで、電荷の分配による電位の低下を抑えることができる。すなわち、容量素子42の容量値を容量素子32の容量値より大きくすることにより、ノードFNbからノードFNaに電荷を分配した際、電位Vwbから電位Vwb´への電位の下降を抑制することができる。従って、容量素子42の電極の面積は、容量素子32の電極の面積よりも大きくすることが好ましい。または、容量素子42の誘電体の厚さは、容量素子32の誘電体の厚さ未満とすることが好ましい。 Here, by setting the capacitance value C1 to be larger than the capacitance value C2, it is possible to suppress a decrease in potential due to charge distribution. That is, by making the capacitance value of the capacitance element 42 larger than that of the capacitance element 32, it is possible to suppress the fall of the potential from the potential Vwb to the potential Vwb ′ when the charge is distributed from the node FNb to the node FNa. . Therefore, the area of the electrode of the capacitive element 42 is preferably larger than the area of the electrode of the capacitive element 32. Alternatively, the thickness of the dielectric of the capacitor 42 is preferably less than the thickness of the dielectric of the capacitor 32.
また、図7(D)に、回路30に記憶されたデータを読み出した際の配線BLの電位Vra(図中の実線)と、回路40から回路30に転送されたデータを読み出した際の配線BLの電位Vrb(図中の破線)を示す。書き込み電位Vwaと書き込み電位Vwbを同レベルの電位とした場合、図7(D)に示すように、読み出し電位Vraと読み出し電位Vrbには差(ΔVr)が生じる。また、電位Vwbが高いほど、ΔVrの値は大きくなる。容量値C1を容量値C2よりも大きく場合、図7(D)に示す電圧の差ΔVが、多値のデータを判別できる程度に小さくなるように設計することが好ましい。 In FIG. 7D, the potential Vra (solid line in the drawing) of the wiring BL when the data stored in the circuit 30 is read and the wiring when the data transferred from the circuit 40 to the circuit 30 is read. The potential Vrb of BL (broken line in the figure) is shown. When the write potential Vwa and the write potential Vwb are at the same level, as shown in FIG. 7D, a difference (ΔVr) occurs between the read potential Vra and the read potential Vrb. Further, the higher the potential Vwb, the larger the value of ΔVr. When the capacitance value C1 is larger than the capacitance value C2, it is preferable to design so that the voltage difference ΔV shown in FIG. 7D is small enough to discriminate multi-valued data.
または、書き込み電位Vwbを書き込み電位Vwaよりも高くしてもよい。例えば、書き込み電位Vwaの分布と読み出し電位Vraの分布が同じであっても(図8(A))、書き込み電位Vwbの分布と読み出し電位Vrbの分布は異なる。そのため、図8(B)に示すように、書き込み電位Vwbを書き込み電位Vwaよりも高く設定することが好ましい。これにより、電荷の分配によって読み出し電位Vrbが書き込み電位Vwbよりも低下した場合であっても、読み出し電位Vraと読み出し電位Vrbの分布の差を縮めることができる。 Alternatively, the write potential Vwb may be higher than the write potential Vwa. For example, even if the distribution of the write potential Vwa and the distribution of the read potential Vra are the same (FIG. 8A), the distribution of the write potential Vwb and the distribution of the read potential Vrb are different. Therefore, as shown in FIG. 8B, the write potential Vwb is preferably set higher than the write potential Vwa. As a result, even when the read potential Vrb is lower than the write potential Vwb due to the charge distribution, it is possible to reduce the difference in distribution between the read potential Vra and the read potential Vrb.
なお、図7に示す構成と図8に示す構成を組み合わせて、メモリセル20を設計してもよい。 The memory cell 20 may be designed by combining the configuration shown in FIG. 7 and the configuration shown in FIG.
また、トランジスタ31、41にOSトランジスタを用いることにより、ノードFNa、FNbの電荷のリークを抑えることができる。そのため、図7、8に示す書き込み電位および読み出し電位の分布の幅を狭くし、ピークを鋭くすることができる。これにより、回路30、40に記憶する多値データの間隔を狭めることができ、記憶するデータの数を増加させることができる。また、OSトランジスタはSiトランジスタと比べて耐圧性が高いため、ノードFNa、FNbに保持する電位の範囲を広げることができる。従って、回路30、40に記憶するデータの数を増加させることができる。 Further, by using OS transistors as the transistors 31 and 41, leakage of charges at the nodes FNa and FNb can be suppressed. Therefore, the width of the distribution of the write potential and the read potential shown in FIGS. 7 and 8 can be narrowed and the peak can be sharpened. As a result, the interval between the multivalued data stored in the circuits 30 and 40 can be narrowed, and the number of data stored can be increased. Since the OS transistor has higher withstand voltage than the Si transistor, the range of potential held in the nodes FNa and FNb can be widened. Therefore, the number of data stored in the circuits 30 and 40 can be increased.
また、トランジスタ31、41、43にOSトランジスタを用いる場合、トランジスタ43のチャネル幅W/チャネル長Lを、トランジスタ31、41のW/Lよりも大きくすることが好ましい。これにより、トランジスタ43の電流供給能力を向上させて高速な読み出しを行うことができる。また、トランジスタ31、41のW/Lを、トランジスタ43のW/Lよりも小さくすることにより、トランジスタ31、41のオフ電流を小さく抑え、ノードFNa、FNbの電位を長期間保持することができる。 When OS transistors are used for the transistors 31, 41, and 43, it is preferable that the channel width W / channel length L of the transistor 43 be larger than the W / L of the transistors 31 and 41. Accordingly, the current supply capacity of the transistor 43 can be improved and high-speed reading can be performed. Further, by setting the W / L of the transistors 31 and 41 smaller than the W / L of the transistor 43, the off-state current of the transistors 31 and 41 can be suppressed small and the potentials of the nodes FNa and FNb can be held for a long time. .
以上のように、メモリセル20に複数の保持部21を設けることにより、多値データを記憶することが可能な半導体装置を提供することができる。また、保持部21にOSトランジスタを用いることにより、保持部21に蓄積された電荷を長期間保持することができ、信頼性が高く、消費電力が低い半導体装置を提供することができる。 As described above, by providing the memory cell 20 with the plurality of holding portions 21, it is possible to provide a semiconductor device capable of storing multilevel data. Further, by using an OS transistor for the holding portion 21, a charge accumulated in the holding portion 21 can be held for a long time, a semiconductor device with high reliability and low power consumption can be provided.
なお、本発明の一態様は、上記の構成に限定されない。つまり、本実施の形態には様々な発明の態様が記載されているため、本発明の一態様は、特定の態様に限定されない。例えば、本発明の一態様として、メモリセル20に複数の保持部21が設けられた半導体装置の例を示したが、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様は、メモリセル20に1つの保持部21が設けられた構成であってもよい。また、本発明の一態様として、メモリセル20に多値のデータが記憶される例を示したが、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様は、メモリセル20に2値のデータが記憶される構成であってもよい。また、本発明の一態様として、メモリセルに適用した場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。例えば、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様は、別の機能を有する回路に適用してもよい。または例えば、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様は、メモリセルに適用しなくてもよい。また、本発明の一態様として、保持部21でのトランジスタなどでは、トランジスタのチャネル形成領域、ソースドレイン領域などが、酸化物半導体を有する場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレイン領域などは、様々な半導体を有していてもよい。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレイン領域などは、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、または、有機半導体などの少なくとも一つを有していてもよい。または、例えば、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレイン領域などは、酸化物半導体を有していなくてもよい。 Note that one embodiment of the present invention is not limited to the above structure. That is, since various aspects of the invention are described in this embodiment, one aspect of the present invention is not limited to a particular aspect. For example, although an example of a semiconductor device in which the memory cell 20 is provided with the plurality of holding portions 21 is described as one embodiment of the present invention, one embodiment of the present invention is a memory device according to circumstances or circumstances. The cell 20 may have a configuration in which one holding unit 21 is provided. In addition, although an example in which multi-valued data is stored in the memory cell 20 is described as one embodiment of the present invention, one embodiment of the present invention is provided in the memory cell 20 depending on the case or circumstances. The value data may be stored. Although an example of application to a memory cell is shown as one embodiment of the present invention, one embodiment of the present invention is not limited to this. For example, depending on the case or circumstances, one embodiment of the present invention may be applied to a circuit having another function. Alternatively, for example, in some cases or circumstances, one embodiment of the present invention may not be applied to a memory cell. In addition, as an embodiment of the present invention, in the transistor or the like in the holding portion 21, an example of the case where a channel formation region, a source drain region, or the like of the transistor includes an oxide semiconductor is shown. It is not limited to this. Depending on the case or conditions, the various transistors, the channel formation region of the transistor, the source / drain region of the transistor, or the like in one embodiment of the present invention may include various semiconductors. Depending on circumstances or conditions, various transistors, channel formation regions of transistors, source / drain regions of transistors, and the like in one embodiment of the present invention include, for example, silicon, germanium, silicon germanium, silicon carbide, gallium. At least one of arsenic, aluminum gallium arsenide, indium phosphide, gallium nitride, or an organic semiconductor may be included. Alternatively, for example, in some cases or in some circumstances, various transistors in one embodiment of the present invention, a channel formation region of the transistor, a source / drain region of the transistor, or the like do not include an oxide semiconductor. Good.
本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。よって、本実施の形態の中で述べる内容(一部の内容でもよい)は、その実施の形態で述べる別の内容(一部の内容でもよい)、及び/又は、一つ若しくは複数の別の実施の形態で述べる内容(一部の内容でもよい)に対して、適用、組み合わせ、又は置き換えなどを行うことができる。なお、実施の形態の中で述べる内容とは、各々の実施の形態において、様々な図を用いて述べる内容、又は明細書に記載される文章を用いて述べる内容のことである。また、ある一つの実施の形態において述べる図(一部でもよい)は、その図の別の部分、その実施の形態において述べる別の図(一部でもよい)、及び/又は、一つ若しくは複数の別の実施の形態において述べる図(一部でもよい)に対して、組み合わせることにより、さらに多くの図を構成させることができる。これは、以下の実施の形態においても同様である。 This embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate. Therefore, the content described in this embodiment (may be part of the content) is different from the content described in the embodiment (may be part of the content), and / or one or more other content. Application, combination, replacement, or the like can be performed on the content (may be part of the content) described in the embodiment. Note that the content described in the embodiments means the content described using various drawings or the content described in the specification in each embodiment. In addition, a diagram (or part of it) described in one embodiment is another part of the diagram, another diagram (or part) described in the embodiment, and / or one or more. More drawings can be configured by combining the drawings (which may be a part) described in another embodiment of 1. This also applies to the following embodiments.
(実施の形態2)
本実施の形態では、本発明の一態様に係るメモリセル20の変形例について説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, modifications of the memory cell 20 according to one embodiment of the present invention will be described.
<メモリセルの変形例1>
図9に、メモリセル20の変形例を示す。図9(A)に示すメモリセル20は、トランジスタ43のソースまたはドレインの一方と、トランジスタ51のソースまたはドレインの一方が、別々の配線と接続されている点で、図2(A)と異なる。トランジスタ43のソースまたはドレインの一方は配線WBLと接続され、トランジスタ51のソースまたはドレインの一方は配線RBLと接続されている。この場合、メモリセル20へのデータの書き込みとメモリセル20からのデータの読み出しは、異なる配線によって行われる。
<Modification 1 of memory cell>
FIG. 9 shows a modification of the memory cell 20. The memory cell 20 illustrated in FIG. 9A is different from that in FIG. 2A in that one of a source and a drain of the transistor 43 and one of a source and a drain of the transistor 51 are connected to different wirings. . One of a source and a drain of the transistor 43 is connected to the wiring WBL, and one of a source and a drain of the transistor 51 is connected to the wiring RBL. In this case, writing of data to the memory cell 20 and reading of data from the memory cell 20 are performed by different wirings.
図9(B)に示すメモリセル20は、トランジスタ51と配線SBLとの間に、トランジスタ52が設けられている点で、図2(A)と異なる。トランジスタ52のゲートは配線WLCaと接続され、ソースまたはドレインの一方は配線SBLと接続され、ソースまたはドレインの他方はトランジスタ51のソースまたはドレインの一方と接続されている。この場合、データの読み出しのタイミングは、トランジスタ52によって制御される。なお、トランジスタ52は、トランジスタ51と配線SLとの間に設けられていてもよい。 The memory cell 20 illustrated in FIG. 9B is different from that in FIG. 2A in that the transistor 52 is provided between the transistor 51 and the wiring SBL. The gate of the transistor 52 is connected to the wiring WLCa, one of the source and the drain is connected to the wiring SBL, and the other of the source and the drain is connected to one of the source and the drain of the transistor 51. In this case, the timing of reading data is controlled by the transistor 52. Note that the transistor 52 may be provided between the transistor 51 and the wiring SL.
図9(C)に示すメモリセル20は、トランジスタ31、容量素子32、トランジスタ41、容量素子42、トランジスタ51が複数設けられている点で、図2(A)と異なる。また、図9(D)に示すメモリセル20は、トランジスタ41、容量素子42が複数設けられている点で、図2(A)と異なる。 The memory cell 20 illustrated in FIG. 9C is different from FIG. 2A in that a plurality of transistors 31, a capacitor 32, a transistor 41, a capacitor 42, and a transistor 51 are provided. In addition, the memory cell 20 illustrated in FIG. 9D is different from FIG. 2A in that a plurality of transistors 41 and a plurality of capacitors 42 are provided.
図9(C)、(D)に示すように、メモリセル20に3以上のノードFNを設けることにより、1つのメモリセル20に記憶することができるデータ数を増加させることができる。具体的には、図9(C)、(D)において、4つのノードFNに記憶される電位をそれぞれi値、j値、k値、l値(k、lは自然数)とすると、メモリセル20にはi×j×k×l値のデータを記憶することができる。すなわち、4つのノードFNにそれぞれaビット、bビット、cビット、dビット(c、dは自然数)のデータを記憶した場合、a+b+c+dビットのデータを読み出すことができる。 As shown in FIGS. 9C and 9D, by providing the memory cell 20 with three or more nodes FN, the number of data that can be stored in one memory cell 20 can be increased. Specifically, in FIGS. 9C and 9D, if the potentials stored in the four nodes FN are i-value, j-value, k-value, and l-value (k and l are natural numbers), the memory cell 20 can store data of i × j × k × l values. That is, when a-bit, b-bit, c-bit, and d-bit (c and d are natural numbers) data are stored in the four nodes FN, respectively, a + b + c + d-bit data can be read.
なお、図9(C)においては、トランジスタ31、容量素子32、トランジスタ41、容量素子42、トランジスタ51が2つ設けられた構成例を示すが、3つ以上設けてもよい。また、図9(D)においては、トランジスタ41、容量素子42が3つ設けられた構成例を示すが、2つ設けてもよいし、3つ以上設けてもよい。 Note that FIG. 9C illustrates a structural example in which the transistor 31, the capacitor 32, the transistor 41, the capacitor 42, and the transistor 51 are provided, but three or more may be provided. Although FIG. 9D illustrates a structural example in which three transistors 41 and three capacitor elements 42 are provided, two transistors may be provided or three or more capacitors may be provided.
<メモリセルの変形例2>
図10に、メモリセル20の他の変形例を示す。図10に示すメモリセル20は、トランジスタ31、41、43が一対のゲートを有している点で、図2(A)と異なる。すなわち、トランジスタ31、41、43はバックゲートを有する。
<Modification 2 of Memory Cell>
FIG. 10 shows another modification of the memory cell 20. The memory cell 20 illustrated in FIG. 10 is different from FIG. 2A in that the transistors 31, 41, and 43 each have a pair of gates. That is, the transistors 31, 41 and 43 have back gates.
図10(A)に示すメモリセル20においては、トランジスタ31のバックゲートはトランジスタ31のゲートと接続され、トランジスタ41のバックゲートはトランジスタ41のゲートと接続され、トランジスタ43のバックゲートはトランジスタ43のゲートと接続されている。また、図10(B)に示すメモリセル20においては、トランジスタ31、41、43が有するバックゲートは、配線BGと接続されている。なお、配線BGには、固定電位が供給されている。 In the memory cell 20 illustrated in FIG. 10A, the back gate of the transistor 31 is connected to the gate of the transistor 31, the back gate of the transistor 41 is connected to the gate of the transistor 41, and the back gate of the transistor 43 is connected to the transistor 43. It is connected to the gate. In the memory cell 20 illustrated in FIG. 10B, the back gates of the transistors 31, 41, and 43 are connected to the wiring BG. Note that a fixed potential is supplied to the wiring BG.
ここで、トランジスタ31、41、43のように、あるトランジスタTが、半導体膜を間に挟んで存在する一対のゲートを有している場合、一方のゲートには信号Aが、他方のゲートには固定電位Vbが与えられてもよい。 Here, when a certain transistor T has a pair of gates which sandwich a semiconductor film therebetween like the transistors 31, 41, and 43, the signal A is applied to one gate and the signal A is applied to the other gate. May be given a fixed potential Vb.
信号Aは、例えば、導通状態または非導通状態を制御するための信号である。信号Aは、電位V1、または電位V2(V1>V2とする)の2種類の電位をとるデジタル信号であってもよい。例えば、電位V1を高電源電位とし、電位V2を低電源電位(接地電位など)とすることができる。信号Aは、アナログ信号であってもよい。 The signal A is, for example, a signal for controlling the conducting state or the non-conducting state. The signal A may be a digital signal that takes two types of potentials, the potential V1 or the potential V2 (V1> V2). For example, the potential V1 can be a high power supply potential and the potential V2 can be a low power supply potential (ground potential or the like). The signal A may be an analog signal.
固定電位Vbは、例えば、トランジスタTの一方のしきい値電圧VthAを制御するための電位である。固定電位Vbは、電位V1、または電位V2であってもよい。この場合、固定電位Vbを生成するための電位発生回路を別途設ける必要がなく好ましい。固定電位Vbは、電位V1、または電位V2と異なる電位であってもよい。固定電位Vbを低くすることで、しきい値電圧VthAを高くできる場合がある。その結果、ゲートーソース間電圧Vgsが0Vのときのドレイン電流を低減し、トランジスタTを有する回路のリーク電流を低減できる場合がある。例えば、固定電位Vbを低電源電位よりも低くしてもよい。固定電位Vbを高くすることで、しきい値電圧VthAを低くできる場合がある。その結果、ゲートーソース間電圧VgsがVDDのときのドレイン電流を向上させ、トランジスタTを有する回路の動作速度を向上できる場合がある。例えば、固定電位Vbを低電源電位よりも高くしてもよい。 The fixed potential Vb is, for example, a potential for controlling one threshold voltage VthA of the transistor T. The fixed potential Vb may be the potential V1 or the potential V2. In this case, there is no need to separately provide a potential generation circuit for generating the fixed potential Vb, which is preferable. The fixed potential Vb may be a potential different from the potential V1 or the potential V2. The threshold voltage VthA may be increased by decreasing the fixed potential Vb. As a result, the drain current when the gate-source voltage Vgs is 0 V can be reduced, and the leakage current of the circuit including the transistor T can be reduced in some cases. For example, the fixed potential Vb may be lower than the low power supply potential. In some cases, the threshold voltage VthA can be lowered by increasing the fixed potential Vb. As a result, the drain current when the gate-source voltage Vgs is VDD may be improved, and the operation speed of the circuit including the transistor T may be improved in some cases. For example, the fixed potential Vb may be higher than the low power supply potential.
また、トランジスタTの一方のゲートには信号Aが、他方のゲートには信号Bが与えられてもよい。信号Bは、例えば、トランジスタTの導通状態または非導通状態を制御するための信号である。信号Bは、電位V3、または電位V4(V3>V4とする)の2種類の電位をとるデジタル信号であってもよい。例えば、電位V3を高電源電位とし、電位V4を低電源電位とすることができる。信号Bは、アナログ信号であってもよい。 The signal A may be supplied to one gate of the transistor T and the signal B may be supplied to the other gate. The signal B is, for example, a signal for controlling the conductive state or the non-conductive state of the transistor T. The signal B may be a digital signal that takes two types of potentials, the potential V3 and the potential V4 (V3> V4). For example, the potential V3 can be a high power supply potential and the potential V4 can be a low power supply potential. The signal B may be an analog signal.
信号Aと信号Bが共にデジタル信号である場合、信号Bは、信号Aと同じデジタル値を持つ信号であってもよい。この場合、トランジスタTのオン電流を向上し、トランジスタTを有する回路の動作速度を向上できる場合がある。このとき、信号Aの電位V1は信号Bの電位V3と異なっていても良い。また、信号Aの電位V2は信号Bの電位V4と異なっていても良い。例えば、信号Bが入力されるゲートに対応するゲート絶縁層が、信号Aが入力されるゲートに対応するゲート絶縁層よりも厚い場合、信号Bの電位振幅(V3−V4)を、信号Aの電位振幅(V1−V2)より大きくしても良い。そうすることで、トランジスタTの導通状態または非導通状態に対して、信号Aが与える影響と、信号Bが与える影響と、を同程度とすることができる場合がある。 When both the signal A and the signal B are digital signals, the signal B may be a signal having the same digital value as the signal A. In this case, the on-current of the transistor T can be improved and the operation speed of the circuit including the transistor T can be improved in some cases. At this time, the potential V1 of the signal A may be different from the potential V3 of the signal B. The potential V2 of the signal A may be different from the potential V4 of the signal B. For example, when the gate insulating layer corresponding to the gate to which the signal B is input is thicker than the gate insulating layer corresponding to the gate to which the signal A is input, the potential amplitude (V3-V4) of the signal B is It may be larger than the potential amplitude (V1-V2). By doing so, in some cases, the effect of the signal A and the effect of the signal B on the conductive state or the non-conductive state of the transistor T can be made approximately the same.
信号Aと信号Bが共にデジタル信号である場合、信号Bは、信号Aと異なるデジタル値を持つ信号であってもよい。この場合、トランジスタTの制御を信号Aと信号Bによって別々に行うことができ、より高い機能を実現できる場合がある。例えば、トランジスタTがnチャネル型である場合、信号Aが電位V1であり、かつ、信号Bが電位V3である場合のみ導通状態となる場合や、信号Aが電位V2であり、かつ、信号Bが電位V4である場合のみ非導通状態となる場合には、一つのトランジスタでNAND回路やNOR回路等の機能を実現できる場合がある。また、信号Bは、しきい値電圧VthAを制御するための信号であってもよい。例えば、信号Bは、トランジスタTを有する回路が動作している期間と、当該回路が動作していない期間と、で電位が異なる信号であっても良い。信号Bは、回路の動作モードに合わせて電位が異なる信号であってもよい。この場合、信号Bは信号Aほど頻繁には電位が切り替わらない場合がある。 When both the signal A and the signal B are digital signals, the signal B may have a digital value different from that of the signal A. In this case, the transistor T can be controlled separately by the signal A and the signal B, and a higher function may be realized in some cases. For example, when the transistor T is an n-channel type, it is conductive only when the signal A has the potential V1 and the signal B has the potential V3, or the signal A has the potential V2 and the signal B. In the case where the transistor is in the non-conducting state only when V is the potential V4, the function of the NAND circuit, the NOR circuit, or the like may be realized by one transistor. Further, the signal B may be a signal for controlling the threshold voltage VthA. For example, the signal B may be a signal whose potential is different between a period in which a circuit including the transistor T is operating and a period in which the circuit is not operating. The signal B may be a signal having a different potential depending on the operation mode of the circuit. In this case, the potential of the signal B may not switch as frequently as the signal A.
信号Aと信号Bが共にアナログ信号である場合、信号Bは、信号Aと同じ電位のアナログ信号、信号Aの電位を定数倍したアナログ信号、または、信号Aの電位を定数だけ加算もしくは減算したアナログ信号等であってもよい。この場合、トランジスタTのオン電流を向上し、トランジスタTを有する回路の動作速度を向上できる場合がある。信号Bは、信号Aと異なるアナログ信号であってもよい。この場合、トランジスタTの制御を信号Aと信号Bによって別々に行うことができ、より高い機能を実現できる場合がある。 When both the signal A and the signal B are analog signals, the signal B is an analog signal having the same potential as the signal A, an analog signal obtained by multiplying the potential of the signal A by a constant, or the potential of the signal A is added or subtracted by a constant. It may be an analog signal or the like. In this case, the on-current of the transistor T can be improved and the operation speed of the circuit including the transistor T can be improved in some cases. The signal B may be an analog signal different from the signal A. In this case, the transistor T can be controlled separately by the signal A and the signal B, and a higher function may be realized in some cases.
信号Aがデジタル信号、信号Bがアナログ信号であってもよい。信号Aがアナログ信号、信号Bがデジタル信号であってもよい。 The signal A may be a digital signal and the signal B may be an analog signal. The signal A may be an analog signal and the signal B may be a digital signal.
また、トランジスタTの一方のゲートには固定電位Vaが、他方のゲートには固定電位Vbが与えられてもよい。トランジスタTの両方のゲートに固定電位を与える場合、トランジスタTを、抵抗素子と同等の素子として機能させることができる場合がある。例えば、トランジスタTがnチャネル型である場合、固定電位Vaまたは固定電位Vbを高く(低く)することで、トランジスタの実効抵抗を低く(高く)することができる場合がある。固定電位Va及び固定電位Vbを共に高く(低く)することで、一つのゲートしか有さないトランジスタによって得られる実効抵抗よりも低い(高い)実効抵抗が得られる場合がある。 The fixed potential Va may be applied to one gate of the transistor T and the fixed potential Vb may be applied to the other gate. When a fixed potential is applied to both gates of the transistor T, the transistor T may be able to function as a resistance element and an element equivalent to the resistance element. For example, when the transistor T is an n-channel type, the effective resistance of the transistor can be reduced (increased) by increasing (decreasing) the fixed potential Va or the fixed potential Vb in some cases. By increasing (decreasing) both the fixed potential Va and the fixed potential Vb, an effective resistance lower (higher) than the effective resistance obtained by the transistor having only one gate may be obtained.
なお、トランジスタ51が一対のゲートを有していてもよい。また、図2(B)、図9における各トランジスタも、同様に一対のゲートを有していてもよい。 Note that the transistor 51 may have a pair of gates. Each transistor in FIGS. 2B and 9 may also have a pair of gates.
本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。 This embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate.
(実施の形態3)
本実施の形態では、本発明の一態様にかかる半導体装置の積層構造の一例を説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, an example of a stacked structure of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention will be described.
上記実施の形態において、OSトランジスタを有する層と、OSトランジスタ以外のトランジスタを有する層を積層することができる。また、OSトランジスタを有する複数の層を積層することができる。具体的には、図2のメモリセル20において、回路30、回路40、回路50を積層することができる。これにより、メモリセルの面積を縮小することができる。 In the above embodiment, a layer having an OS transistor and a layer having a transistor other than the OS transistor can be stacked. In addition, a plurality of layers each including an OS transistor can be stacked. Specifically, the circuit 30, the circuit 40, and the circuit 50 can be stacked in the memory cell 20 of FIG. As a result, the area of the memory cell can be reduced.
以下に、OSトランジスタとSiトランジスタを積層した半導体装置の構成例について、図11乃至16を用いて説明する。 A structural example of a semiconductor device in which an OS transistor and a Si transistor are stacked will be described below with reference to FIGS.
<断面構造>
本発明の一態様における半導体装置が有するトランジスタは、Siトランジスタ又はOSトランジスタで構成することができる。また、半導体装置の断面構造は、Siトランジスタを有する層と、OSトランジスタを有する層とが積層された構成とすることができる。それぞれの層では、同じ材料の半導体で構成される、複数のトランジスタを有する。
<Cross section structure>
A transistor included in the semiconductor device of one embodiment of the present invention can be a Si transistor or an OS transistor. Further, the cross-sectional structure of the semiconductor device can have a structure in which a layer having a Si transistor and a layer having an OS transistor are stacked. Each layer has a plurality of transistors each formed of a semiconductor of the same material.
本発明の一態様における半導体装置は、一例としては、図11(A)に示すように、Siトランジスタを有する層61(図中、Si−FET Layerと表記)、配線が設けられる層62(図中、Wire Layerと表記)、OSトランジスタを有する33(図中、OS−FET Layerと表記)の順に積層して設けることができる。 As an example, as shown in FIG. 11A, the semiconductor device in one embodiment of the present invention includes a layer 61 having a Si transistor (indicated as Si-FET Layer in the drawing) and a layer 62 provided with a wiring (see FIG. It can be provided by stacking in the order of the middle layer, denoted by Wire Layer) and the 33 having an OS transistor (denoted by OS-FET Layer in the figure).
図11(A)に示す断面構造の模式図でSiトランジスタを有する層61は、単結晶のシリコン基板に形成されるSiトランジスタを有する。なおSiトランジスタは、非晶質、微結晶、多結晶又は単結晶である、シリコン又はゲルマニウムなどの薄膜の半導体を半導体層に用いるトランジスタでもよい。 In the schematic view of the cross-sectional structure illustrated in FIG. 11A, the layer 61 having a Si transistor has a Si transistor formed over a single crystal silicon substrate. Note that the Si transistor may be a transistor in which a thin film semiconductor such as silicon or germanium which is amorphous, microcrystalline, polycrystalline, or single crystal is used for a semiconductor layer.
図11(A)に示す断面構造の模式図でOSトランジスタを有する層63は、平坦化された絶縁表面上に形成されるOSトランジスタを有する。 In the schematic view of the cross-sectional structure illustrated in FIG. 11A, the layer 63 having an OS transistor has an OS transistor formed over a planarized insulating surface.
図11(A)に示す断面構造の模式図で配線が設けられる層62は、Siトランジスタを有する層61、及び/又はOSトランジスタを有する層63が有するトランジスタ同士を電気的に接続するための配線、あるいはトランジスタに電圧を与えるための配線を有する。配線が設けられる層62は、図11(A)では単層で示したが、複数積層して設ける構成としてもよい。 The layer 62 in which wiring is provided in the schematic view of the cross-sectional structure illustrated in FIG. 11A is a wiring for electrically connecting transistors included in the layer 61 including a Si transistor and / or the layer 63 including an OS transistor. Alternatively, it has a wiring for applying a voltage to the transistor. Although the layer 62 in which the wiring is provided is illustrated as a single layer in FIG. 11A, a plurality of layers may be stacked.
なお、OSトランジスタを有する層63は、図11(A)では単層で示したが、積層して設ける構成としてもよい。積層する場合は、図11(B)に示す断面構造の模式図で表すことができる。 Note that the layer 63 including an OS transistor is illustrated as a single layer in FIG. 11A, but may be stacked. In the case of stacking, it can be represented by a schematic view of a cross-sectional structure shown in FIG.
図11(B)では、OSトランジスタを有する層63_1及び63_2とする2層構造を例示している。図11(B)に示す断面構造の模式図でOSトランジスタを有する層63_1及び63_2は、平坦化された絶縁表面上に形成されるOSトランジスタを有する。図11(B)では、2層を積層する例を示したが、積層数は限定されず、3層以上でもよい。なおOSトランジスタを有する層63_1及び63_2の間には、配線が設けられる層62を設ける構成とすることができる。該構成とすることで、OSトランジスタ同士を電気的に接続することができる。 FIG. 11B illustrates a two-layer structure including layers 63_1 and 63_2 each including an OS transistor. In the schematic view of the cross-sectional structure illustrated in FIG. 11B, the layers 63_1 and 63_2 each including an OS transistor each include an OS transistor formed over a planarized insulating surface. Although an example in which two layers are stacked is shown in FIG. 11B, the number of stacked layers is not limited and may be three or more. Note that the layer 62 provided with a wiring can be provided between the layers 63_1 and 63_2 each including an OS transistor. With this structure, the OS transistors can be electrically connected to each other.
例えば、図2におけるトランジスタ31、41、43はOSトランジスタとすることができ、トランジスタ51はSiトランジスタとすることができる。図11(A)の構造を図2のメモリセル20に適用する場合、Siトランジスタを有する層61は、トランジスタ51を有し、OSトランジスタを有する層63は、トランジスタ31、41、43を有する構成とすることができる。また、図11(B)の構造を図2のメモリセル20に適用する場合、Siトランジスタを有する層61は、トランジスタ51を有し、OSトランジスタを有する層63_1は、トランジスタ31を有し、OSトランジスタを有する層63_2は、トランジスタ41、43を有する構成とすることができる。また、OSトランジスタを有する層63_2上にOSトランジスタを有する層63_3を設け、トランジスタ43をOSトランジスタを有する層63_3に設ける構成とすることもできる。また、トランジスタ43をSiトランジスタとし、トランジスタ51と同様にSiトランジスタを有する層61に設けることもできる。 For example, the transistors 31, 41, 43 in FIG. 2 can be OS transistors and the transistor 51 can be Si transistors. When the structure of FIG. 11A is applied to the memory cell 20 of FIG. 2, a layer 61 having a Si transistor has a transistor 51, and a layer 63 having an OS transistor has a transistor 31, 41, or 43. Can be When the structure in FIG. 11B is applied to the memory cell 20 in FIG. 2, the layer 61 including the Si transistor has the transistor 51, the layer 63_1 including the OS transistor has the transistor 31, and the OS The layer 63_2 including a transistor can have a structure including the transistors 41 and 43. Alternatively, the layer 63_3 including an OS transistor may be provided over the layer 63_2 including an OS transistor, and the transistor 43 may be provided in the layer 63_3 including an OS transistor. Alternatively, the transistor 43 can be a Si transistor and can be provided in the layer 61 including a Si transistor like the transistor 51.
図11(A)、(B)に示すようにOSトランジスタを有する層をSiトランジスタを有する層と積層させることで、メモリセルの回路面積の縮小、すなわち半導体装置の面積を縮小し、小型化を図ることができる。 By stacking a layer including an OS transistor with a layer including a Si transistor as illustrated in FIGS. 11A and 11B, the circuit area of a memory cell is reduced, that is, the area of a semiconductor device is reduced and downsizing is achieved. Can be planned.
<Si層・配線層>
図12では、図11(A)、(B)で説明したSiトランジスタを有する層61、配線が設けられる層62の断面構造の一例について示す。図12では、Siトランジスタを有する層61が有するトランジスタ71の断面構造について説明する。図12のトランジスタ71の断面構造は、例えば、図2におけるトランジスタ51などに適用することができる。
<Si layer / wiring layer>
FIG. 12 illustrates an example of a cross-sectional structure of the layer 61 including the Si transistor and the layer 62 in which wiring is provided, which are described in FIGS. 11A and 11B. In FIG. 12, a cross-sectional structure of the transistor 71 included in the layer 61 including the Si transistor will be described. The cross-sectional structure of the transistor 71 in FIG. 12 can be applied to, for example, the transistor 51 in FIG.
なお図12において、破線A1−A2で示す領域では、トランジスタ71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71のチャネル幅方向における構造を示している。 Note that in FIG. 12, a region shown by a broken line A1-A2 shows a structure in the channel length direction of the transistor 71, and a region shown by a broken line A3-A4 shows a structure in the channel width direction of the transistor 71.
図12で、トランジスタ71が形成される基板100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12では、単結晶シリコン基板を基板100として用いる場合を例示している。 In FIG. 12, as the substrate 100 on which the transistor 71 is formed, for example, a silicon substrate, a germanium substrate, a silicon germanium substrate, or the like can be used. FIG. 12 illustrates the case where a single crystal silicon substrate is used as the substrate 100.
また、トランジスタ71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:Shallow Trench Isolation)等を用いることができる。図12では、トレンチ分離法を用いてトランジスタ71を電気的に分離する場合を例示している。具体的に、図12では、エッチング等により基板100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101により、トランジスタ71を素子分離させる場合を例示している。 Further, the transistor 71 is electrically isolated by an element isolation method. As an element isolation method, a trench isolation method (STI method: Shallow Trench Isolation) or the like can be used. FIG. 12 illustrates the case where the transistor 71 is electrically isolated by using the trench isolation method. Specifically, in FIG. 12, an insulating material containing silicon oxide or the like is embedded in a trench formed in the substrate 100 by etching or the like, and then the insulating material is partially removed by etching or the like. The case where the transistor 71 is isolated by the element isolation region 101 is illustrated.
また、トレンチ以外の領域に存在する基板100の凸部には、トランジスタ71の不純物領域102及び不純物領域103と、不純物領域102及び不純物領域103に挟まれたチャネル形成領域104とが設けられている。さらに、トランジスタ71は、チャネル形成領域104を覆う絶縁膜105と、絶縁膜105を間に挟んでチャネル形成領域104と重なるゲート電極106とを有する。 Further, an impurity region 102 and an impurity region 103 of the transistor 71 and a channel formation region 104 sandwiched between the impurity region 102 and the impurity region 103 are provided in a convex portion of the substrate 100 which exists in a region other than the trench. . Further, the transistor 71 includes an insulating film 105 which covers the channel formation region 104 and a gate electrode 106 which overlaps with the channel formation region 104 with the insulating film 105 provided therebetween.
トランジスタ71では、チャネル形成領域104における凸部の側部及び上部と、ゲート電極106とが絶縁膜105を間に挟んで重なることで、チャネル形成領域104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71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71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71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104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104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71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。 In the transistor 71, the side portion and the upper portion of the projection in the channel formation region 104 and the gate electrode 106 overlap with each other with the insulating film 105 provided therebetween, so that the transistor 71 has a wide range including the side portion and the top portion of the channel formation region 104. Carrier flows. Therefore, the amount of carrier movement in the transistor 71 can be increased while suppressing the occupied area of the transistor 71 over the substrate to be small. As a result, the transistor 71 has a larger on-current and higher field-effect mobility. In particular, when the length of the convex portion in the channel forming region 104 in the channel width direction (channel width) is W and the film thickness of the convex portion in the channel forming region 104 is T, it corresponds to the ratio of the film thickness T to the channel width W. When the aspect ratio is high, the range in which carriers flow becomes wider, so that the on-state current of the transistor 71 can be increased and the field-effect mobility can be further increased.
なお、バルクの半導体基板を用いたトランジスタ71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。 Note that in the case of the transistor 71 using a bulk semiconductor substrate, the aspect ratio is preferably 0.5 or more, more preferably 1 or more.
トランジスタ71上には、絶縁膜111が設けられている。絶縁膜111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102、不純物領域103にそれぞれ電気的に接続されている導電膜112、導電膜113と、ゲート電極106に電気的に接続されている導電膜114とが、形成されている。 An insulating film 111 is provided over the transistor 71. An opening is formed in the insulating film 111. Then, in the opening, conductive films 112 and 113 which are electrically connected to the impurity regions 102 and 103, respectively, and a conductive film 114 which is electrically connected to the gate electrode 106 are provided. Has been formed.
そして、導電膜112は、絶縁膜111上に形成された導電膜116に電気的に接続されており、導電膜113は、絶縁膜111上に形成された導電膜117に電気的に接続されており、導電膜114は、絶縁膜111上に形成された導電膜118に電気的に接続されている。 The conductive film 112 is electrically connected to the conductive film 116 formed over the insulating film 111, and the conductive film 113 is electrically connected to the conductive film 117 formed over the insulating film 111. Therefore, the conductive film 114 is electrically connected to the conductive film 118 formed over the insulating film 111.
なお図12において、図11(A)、(B)で図示した配線が設けられる層62は、導電膜116、117、118に相当する。なお配線が設けられる層62は、絶縁膜、該絶縁膜に設けられる開口部、該開口部を含む領域に設けられる導電膜を順に形成することで積層することができる。 Note that in FIG. 12, the layer 62 provided with the wiring illustrated in FIGS. 11A and 11B corresponds to the conductive films 116, 117, and 118. Note that the layer 62 provided with a wiring can be stacked by sequentially forming an insulating film, an opening provided in the insulating film, and a conductive film provided in a region including the opening.
<OSトランジスタを有する層>
次いで図13(A)、(B)では、図11(A)、(B)で説明したOSトランジスタを有する層63の断面構造の一例について示す。図13(A)では、OSトランジスタを有する層63が有するトランジスタ72の断面構造について説明する。図13のトランジスタ72の断面構造は、例えば、図2でおけるトランジスタ31、41、43などに適用することができる。
<Layer having OS transistor>
Next, FIGS. 13A and 13B show an example of a cross-sectional structure of the layer 63 including the OS transistor, which is described in FIGS. 11A and 11B. In FIG. 13A, a cross-sectional structure of the transistor 72 included in the layer 63 including an OS transistor will be described. The cross-sectional structure of the transistor 72 in FIG. 13 can be applied to the transistors 31, 41, 43, and the like in FIG. 2, for example.
なお図13(A)、(B)において、図12と同様に、破線A1−A2で示す領域では、トランジスタ72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72のチャネル幅方向における構造を示している。 Note that, in FIGS. 13A and 13B, similarly to FIG. 12, a structure in the channel length direction of the transistor 72 is illustrated in a region indicated by a broken line A1-A2, and a transistor is illustrated in a region indicated by a broken line A3-A4. The structure of 72 in the channel width direction is shown.
図11(A)、(B)で説明した配線が設けられる層62の上方に設けられる、絶縁膜120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121が設けられている。絶縁膜121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121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121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。 An insulating film 121 having a blocking effect which prevents diffusion of oxygen, hydrogen, and water is provided over the insulating film 120 which is provided above the layer 62 in which the wiring described in FIGS. 11A and 11B is provided. ing. The insulating film 121 has a higher blocking effect as the density and density are higher, and as the number of dangling bonds is smaller and the insulating film 121 is chemically stable. As the insulating film 121 which has a blocking effect of preventing diffusion of oxygen, hydrogen, and water, for example, aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, hafnium oxynitride, or the like is used. be able to. As the insulating film 121 which has a blocking effect of preventing diffusion of hydrogen and water, for example, silicon nitride, silicon nitride oxide, or the like can be used.
絶縁膜121上には絶縁膜122が設けられており、絶縁膜122上には、トランジスタ72が設けられている。 The insulating film 122 is provided over the insulating film 121, and the transistor 72 is provided over the insulating film 122.
トランジスタ72は、絶縁膜122上に、酸化物半導体を含む半導体膜130と、半導体膜130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132及び導電膜133と、半導体膜130を覆っているゲート絶縁膜131と、ゲート絶縁膜131を間に挟んで半導体膜130と重なるゲート電極134と、を有する。 The transistor 72 includes a semiconductor film 130 including an oxide semiconductor, a conductive film 132 and a conductive film 133 which function as a source electrode or a drain electrode, which are electrically connected to the semiconductor film 130, over the insulating film 122, and a semiconductor film. A gate insulating film 131 which covers 130 and a gate electrode 134 which overlaps with the semiconductor film 130 with the gate insulating film 131 interposed therebetween are provided.
なお、図13(A)において、トランジスタ72は、ゲート電極134を半導体膜130の片側において少なくとも有していれば良いが、絶縁膜122を間に挟んで半導体膜130と重なるゲート電極を、さらに有していても良い。 Note that in FIG. 13A, the transistor 72 needs to include at least the gate electrode 134 on one side of the semiconductor film 130; however, a gate electrode which overlaps with the semiconductor film 130 with the insulating film 122 interposed therebetween is further included. You may have.
トランジスタ72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、電圧が他の配線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、同じ高さの電圧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圧などの固定の電圧が与えられていても良い。他方のゲート電極に与える電圧を制御することで、トランジスタの閾値電圧を制御することができる。 In the case where the transistor 72 has a pair of gate electrodes, a signal for controlling a conductive state or a non-conductive state is given to one gate electrode and a voltage is given to the other gate electrode from another wiring. It may be in a state of being kept. In this case, a voltage of the same height may be applied to the pair of gate electrodes, or a fixed voltage such as a ground voltage may be applied only to the other gate electrode. By controlling the voltage applied to the other gate electrode, the threshold voltage of the transistor can be controlled.
また、図13(A)では、トランジスタ72が、一のゲート電極134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72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。 Further, FIG. 13A illustrates the case where the transistor 72 has a single-gate structure including one channel formation region corresponding to one gate electrode 134. However, the transistor 72 may have a multi-gate structure in which one active layer has a plurality of channel formation regions by having a plurality of gate electrodes electrically connected to each other.
また、図13(A)に示すように、トランジスタ72は、半導体膜130が、絶縁膜122上において順に積層された酸化物半導体膜130a乃至酸化物半導体膜130c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72が有する半導体膜130が、単膜の金属酸化物膜で構成されていても良い。 In addition, as illustrated in FIG. 13A, the transistor 72 illustrates the case where the semiconductor film 130 includes the oxide semiconductor films 130 a to 130 c sequentially stacked over the insulating film 122. However, in one embodiment of the present invention, the semiconductor film 130 included in the transistor 72 may be formed using a single metal oxide film.
なお酸化物半導体膜130b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130b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130bとしてCAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)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。CAAC−OS膜の詳細については後述する。 Note that when the oxide semiconductor film 130b is an In-M-Zn oxide (M is Ga, Y, Zr, La, Ce, or Nd), a metal is used as a target in forming the oxide semiconductor film 130b. Assuming that the atomic ratio of elements is In: M: Zn = x 1 : y 1 : z 1 , x 1 / y 1 is ⅓ or more and 6 or less, and further 1 or more and 6 or less, and z 1 / y 1 is preferably ⅓ or more and 6 or less, and more preferably 1 or more and 6 or less. Note that when z 1 / y 1 is 1 or more and 6 or less, a CAAC-OS (CAxis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor) film is easily formed as the oxide semiconductor film 130b. In: M: Zn = 1: 1: 1 and In: M: Zn = 3: 1: 2 are typical examples of the atomic ratio of the target metal element. Details of the CAAC-OS film will be described later.
なお酸化物半導体膜130a、130c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130a、130c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。なお、z2/y2を1以上6以下とすることで、酸化物半導体膜130a、130c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等がある。 Note that when the oxide semiconductor films 130a and 130c are In-M-Zn oxides (M is Ga, Y, Zr, La, Ce, or Nd), it is used for forming the oxide semiconductor films 130a and 130c. In the target, if the atomic ratio of the metal elements is In: M: Zn = x 2 : y 2 : z 2 , then x 2 / y 2 <x 1 / y 1 and z 2 / y 2 is 1 It is preferably / 3 or more and 6 or less, and more preferably 1 or more and 6 or less. Note that when z 2 / y 2 is 1 to 6 inclusive, CAAC-OS films are easily formed as the oxide semiconductor films 130a and 130c. As typical examples of the atomic ratio of the target metal element, In: M: Zn = 1: 3: 2, In: M: Zn = 1: 3: 4, In: M: Zn = 1: 3: 6, etc. There is.
絶縁膜122は、加熱により酸素を酸化物半導体膜130a乃至酸化物半導体膜130c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122は、欠陥が少ないことが好ましく、代表的には、ESR(Electron Spin Resonance)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1×1018spins/cm3以下であることが好ましい。 The insulating film 122 is preferably an insulating film having a function of supplying oxygen to the oxide semiconductor films 130a to 130c by heating. The insulating film 122 preferably has few defects. Typically, the density of spins having g = 2.001 derived from a dangling bond of silicon, which is obtained by ESR (Electron Spin Resonance) measurement, is 1 It is preferably × 10 18 spins / cm 3 or less.
絶縁膜122は、加熱により酸素を酸化物半導体膜130a乃至酸化物半導体膜130c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122は、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)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。 The insulating film 122 has a function of supplying oxygen to the oxide semiconductor films 130a to 130c by heating, and thus is preferably an oxide, for example, aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, or silicon oxynitride. , Silicon nitride oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, or the like can be used. The insulating film 122 can be formed by a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a sputtering method, or the like.
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。 Note that in this specification, oxynitride refers to a material whose content of oxygen is higher than that of nitrogen as its composition, and nitride oxide refers to a material whose content of nitrogen is higher than that of oxygen as its composition. Point to.
なお、図13(A)に示すトランジスタ72は、チャネル領域が形成される酸化物半導体膜130bの端部のうち、導電膜132及び導電膜133とは重ならない端部、言い換えると、導電膜132及び導電膜133が位置する領域とは異なる領域に位置する端部と、ゲート電極134とが、重なる構成を有する。酸化物半導体膜130b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13(A)に示すトランジスタ72では、導電膜132及び導電膜133とは重ならない酸化物半導体膜130bの端部と、ゲート電極134とが重なるため、ゲート電極134の電圧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130bの端部を介して導電膜132と導電膜133の間に流れる電流を、ゲート電極134に与える電圧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72の構造を、Surrounded Channel(s−channel)構造とよぶ。 Note that in the transistor 72 illustrated in FIG. 13A, an end portion of the oxide semiconductor film 130b in which a channel region is formed, which does not overlap with the conductive film 132 and the conductive film 133, in other words, the conductive film 132 is included. The gate electrode 134 and the end portion located in a region different from the region where the conductive film 133 is located overlap with each other. When the end portion of the oxide semiconductor film 130b is exposed to plasma by etching for forming the end portion, chlorine radicals, fluorine radicals, and the like generated from an etching gas are separated from metal elements included in the oxide semiconductor. Easy to combine. Therefore, oxygen bound to the metal element is easily released at the edge portion of the oxide semiconductor film, so that oxygen vacancies are formed and n-type is easily formed. However, in the transistor 72 illustrated in FIG. 13A, the edge of the oxide semiconductor film 130b, which does not overlap with the conductive film 132 and the conductive film 133, and the gate electrode 134 overlap with each other; thus, the voltage of the gate electrode 134 is controlled. Thus, the electric field applied to the end can be controlled. Therefore, the current flowing between the conductive film 132 and the conductive film 133 through the end portion of the oxide semiconductor film 130b can be controlled by the voltage applied to the gate electrode 134. Such a structure of the transistor 72 is called a Surrounded Channel (s-channel) structure.
具体的に、s−channel構造の場合、トランジスタ72がオフとなるような電圧をゲート電極134に与えたときは、当該端部を介して導電膜132と導電膜133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72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130bの端部における導電膜132と導電膜133の間の長さが短くなっても、トランジスタ72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72は、チャネル長を短くすることで、導通状態のときには大きいオン電流を得ることができ、非導通状態のときにはオフ電流を小さく抑えることができる。 Specifically, in the case of the s-channel structure, when a voltage which turns off the transistor 72 is applied to the gate electrode 134, the off-state current flowing between the conductive film 132 and the conductive film 133 through the end portion is changed. It can be kept small. Therefore, in the transistor 72, the channel length is shortened in order to obtain a large on-state current, and as a result, even if the length between the conductive film 132 and the conductive film 133 at the end portion of the oxide semiconductor film 130b is shortened, the transistor 72 The off current of 72 can be suppressed small. Therefore, by shortening the channel length of the transistor 72, a large on-current can be obtained in the conductive state and an off-current can be suppressed to be small in the non-conductive state.
また、具体的に、s−channel構造の場合、トランジスタ72が導通状態となるような電圧をゲート電極134に与えたときは、当該端部を介して導電膜132と導電膜133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72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130bの端部と、ゲート電極134とが重なることで、酸化物半導体膜130bにおいてキャリアの流れる領域が、ゲート絶縁膜131に近い酸化物半導体膜130bの界面近傍のみでなく、酸化物半導体膜130b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72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72のオン電流が大きくなると共に、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10cm2/V・s以上、さらには20cm2/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。 Further, specifically, in the case of the s-channel structure, when a voltage which makes the transistor 72 conductive is applied to the gate electrode 134, it flows between the conductive film 132 and the conductive film 133 through the end portion. The current can be increased. The current contributes to the increase of the field effect mobility and the on-state current of the transistor 72. Then, since the edge portion of the oxide semiconductor film 130b and the gate electrode 134 overlap with each other, the region where carriers flow in the oxide semiconductor film 130b is not limited to the vicinity of the interface of the oxide semiconductor film 130b which is close to the gate insulating film 131. Since carriers flow in a wide range of the oxide semiconductor film 130b, the amount of carrier movement in the transistor 72 is increased. As a result, the on-state current of the transistor 72 is increased and the field effect mobility is increased, and the field effect mobility is typically 10 cm 2 / V · s or more, further 20 cm 2 / V · s or more. Note that the field-effect mobility here is not an approximate value of mobility as a physical property value of an oxide semiconductor film but an index of current driving force in a saturation region of a transistor, which is apparent field-effect mobility. .
なお、図13(A)の説明では、トランジスタ72が有する半導体膜130が、順に積層された酸化物半導体膜130a乃至酸化物半導体膜130cを有する構造として例示している。半導体膜130は、他の構造として図13(B)に示すような構造でもよい。図13(B)に示すように、半導体膜130が有する酸化物半導体膜130cは、導電膜132及び導電膜133とゲート絶縁膜131との間に設ける構成としてもよい。 Note that in the description of FIG. 13A, the semiconductor film 130 included in the transistor 72 is illustrated as a structure including the oxide semiconductor films 130a to 130c which are sequentially stacked. The semiconductor film 130 may have a structure as shown in FIG. 13B as another structure. As illustrated in FIG. 13B, the oxide semiconductor film 130c included in the semiconductor film 130 may be provided between the conductive film 132 and the conductive film 133 and the gate insulating film 131.
<積層構造>
次いで図14乃至16では、図12で説明したSiトランジスタを有する層と、配線が設けられた層と、図13(A)で説明したOSトランジスタを有する層と、を積層した際の断面構造の一例について示す。
<Layered structure>
Next, in FIGS. 14 to 16, a cross-sectional structure of the layer including the Si transistor described in FIG. 12, the layer including the wiring, and the layer including the OS transistor described in FIG. 13A is stacked. An example is shown.
図14では、図11(A)に示す模式図の断面構造の一例である。 FIG. 14 illustrates an example of a cross-sectional structure of the schematic view illustrated in FIG.
なお図14において、図12、図13(A)と同様に、破線A1−A2で示す領域では、トランジスタ71、72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71、72のチャネル幅方向における構造を示している。 Note that, in FIG. 14, as in FIGS. 12 and 13A, the structure in the channel length direction of the transistors 71 and 72 is shown in a region shown by a broken line A1-A2, and the region shown by a broken line A3-A4 is shown in FIG. The structure in the channel width direction of the transistors 71 and 72 is shown.
なお本発明の一態様では、図14に示すように、トランジスタ71のチャネル長方向とトランジスタ72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。 Note that in one embodiment of the present invention, as illustrated in FIG. 14, the channel length direction of the transistor 71 and the channel length direction of the transistor 72 do not necessarily match.
なお図14においては、トランジスタ71とトランジスタ72とを電気的に接続するために、絶縁膜120乃至絶縁膜122には開口部が設けられている。開口部に設けられる導電膜133は、上記開口部において導電膜118に接続されている。 Note that in FIG. 14, openings are provided in the insulating films 120 to 122 in order to electrically connect the transistors 71 and 72 to each other. The conductive film 133 provided in the opening is connected to the conductive film 118 in the opening.
図14に示す断面構造では、図11(A)の説明でも述べたように、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72を、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71上に形成する。図14の構成とすることで、トランジスタ72のチャネル形成領域と、トランジスタ71のチャネル形成領域と、を互いに重ねて設けることができる。そのため該構成としたメモリセルを有する半導体装置では、レイアウト面積の縮小を図ることができる。 In the cross-sectional structure illustrated in FIG. 14, as described in the description of FIG. 11A, the transistor 72 having a channel formation region in the oxide semiconductor film is formed over the transistor 71 having a channel formation region in the single crystal silicon substrate. Form. With the structure in FIG. 14, the channel formation region of the transistor 72 and the channel formation region of the transistor 71 can be provided so as to overlap with each other. Therefore, in the semiconductor device having the memory cell having the above structure, the layout area can be reduced.
なおOSトランジスタを有する層63に設けられるトランジスタ72が複数ある場合、それぞれを同じ層に設けてもよいし、異なる層に設けてもよい。 Note that in the case where there are a plurality of transistors 72 provided in the layer 63 having an OS transistor, they may be provided in the same layer or different layers.
例えば、OSトランジスタを有する層63に設けられるトランジスタ72を同じ層に設ける場合、図15に示す構成とすることができる。また、OSトランジスタを有する層63に設けられるトランジスタ72を異なる層に設ける場合、OSトランジスタを有する層63_1と層63_2を分け、配線が設けられる層62を間に介して積層する、図16に示す構成とすることができる。 For example, in the case where the transistor 72 provided in the layer 63 including an OS transistor is provided in the same layer, the structure illustrated in FIG. 15 can be used. In the case where the transistor 72 provided in the layer 63 having an OS transistor is provided in a different layer, the layer 63_1 having an OS transistor and the layer 63_2 are separated and stacked with the layer 62 provided with a wiring provided therebetween, as illustrated in FIG. It can be configured.
図15に示す断面構造とすることで、OSトランジスタ数が増えてもOSトランジスタを有する層63を1層設ければよいため、積層数を削減することができる。例えば図15ではトランジスタ72Aとトランジスタ72Bとを一度に作製することができる。そのため半導体装置を作製するための工程の削減を図ることができる。 With the cross-sectional structure illustrated in FIGS. 15A and 15B, the number of stacked layers can be reduced because one layer 63 including an OS transistor may be provided even if the number of OS transistors increases. For example, in FIG. 15, the transistor 72A and the transistor 72B can be manufactured at one time. Therefore, the number of steps for manufacturing a semiconductor device can be reduced.
なお図15において、トランジスタ71、72A、72Bのチャネル長方向における構造を示している。チャネル幅方向における構造については図14で示した構造と同様であり、前述の構造を参照すればよい。 Note that FIG. 15 illustrates the structures of the transistors 71, 72A, and 72B in the channel length direction. The structure in the channel width direction is similar to the structure shown in FIG. 14, and the above structure may be referred to.
図15の断面構造の構成を図2におけるメモリセル20に適用する場合、例えば、トランジスタ31、41を、トランジスタ72A、72Bと同様、OSトランジスタを有する層63に形成することができる。また、トランジスタ43についても同様に、OSトランジスタを有する層63に作成することができる。そのため、半導体装置の製造コストの低減を図ることができる。 When the configuration of the cross-sectional structure of FIG. 15 is applied to the memory cell 20 in FIG. 2, for example, the transistors 31 and 41 can be formed in the layer 63 including an OS transistor, like the transistors 72A and 72B. Similarly, the transistor 43 can be formed in the layer 63 including an OS transistor. Therefore, the manufacturing cost of the semiconductor device can be reduced.
また、図16に示す断面構造とすることで、OSトランジスタ数が増えても、OSトランジスタを有する層63_1、63_2と複数の層に設ければよいため、トランジスタ数が増えても回路面積の増大を抑制することができる。そのため、半導体装置のチップ面積を縮小し、小型化を図ることができる。 Further, with the cross-sectional structure illustrated in FIG. 16, even if the number of OS transistors is increased, the layers 63_1 and 63_2 including the OS transistors may be provided in a plurality of layers, so that the circuit area is increased even if the number of transistors is increased. Can be suppressed. Therefore, the chip area of the semiconductor device can be reduced and the size can be reduced.
なお図16において、トランジスタ71、72C、72Dのチャネル長方向における構造を示している。チャネル幅方向における構造については図14で示した構造と同様であり、前述の構造を参照すればよい。 Note that FIG. 16 illustrates structures of the transistors 71, 72C, and 72D in the channel length direction. The structure in the channel width direction is similar to the structure shown in FIG. 14, and the above structure may be referred to.
図16に示す断面構造とすることで、異なる層にあるOSトランジスタを有する層63_1、63_2とで膜厚、膜質等を異ならせたOSトランジスタとすることができる。そのため異なる特性を有するトランジスタの作り分けを図ることができる。例えば、ゲート絶縁膜を薄膜化してスイッチン特性を高めたトランジスタと、ゲート絶縁膜を厚膜化して耐圧性を高めたトランジスタを積層して設けることができる。そのため、半導体装置の高性能化を図ることができる。 With the cross-sectional structure illustrated in FIG. 16, an OS transistor having different thicknesses, film qualities, and the like can be formed between the layers 63_1 and 63_2 having the OS transistors in different layers. Therefore, transistors having different characteristics can be manufactured separately. For example, a transistor in which the gate insulating film is thinned to have high switching characteristics and a transistor in which the gate insulating film is thick to have high withstand voltage can be stacked. Therefore, high performance of the semiconductor device can be achieved.
図16の断面構造の構成を図2におけるメモリセル20に適用する場合、例えば、トランジスタ31を、トランジスタ72Cと同様、OSトランジスタを有する層63_1に形成し、トランジスタ41を、トランジスタ72Dと同様、OSトランジスタを有する層63_2に形成することができる。また、トランジスタ43についても同様に、OSトランジスタを有する層63_2に作成することができる。 When the configuration of the cross-sectional structure of FIG. 16 is applied to the memory cell 20 in FIG. 2, for example, the transistor 31 is formed in the layer 63_1 having an OS transistor like the transistor 72C, and the transistor 41 is formed in the same manner as the transistor 72D. It can be formed in the layer 63_2 having a transistor. Similarly, the transistor 43 can be formed in the layer 63_2 including the OS transistor.
また、図16において、OSトランジスタを有する層63をさらに積層することもできる。例えば、OSトランジスタを有する層63_2上に、OSトランジスタを有する層63_3、63_4を順に積層することもできる。この場合、図9(D)におけるトランジスタ41_2をOSトランジスタを有する層63_3に設け、トランジスタ41_3をOSトランジスタを有する層63_4に設けることができる。 Further, in FIG. 16, a layer 63 having an OS transistor can be further stacked. For example, the layers 63_3 and 63_4 each including an OS transistor can be sequentially stacked over the layer 63_2 including an OS transistor. In that case, the transistor 41_2 in FIG. 9D can be provided in the layer 63_3 including the OS transistor and the transistor 41_3 can be provided in the layer 63_4 including the OS transistor.
<具体例>
図17に、図2における回路30、回路40、回路50を順に積層したときのメモリセル20の構成例を示す。なお、図17では、図2における配線WLa、WLb、WLc、配線WLCa、WLCb、トランジスタ31、41、43、51、容量素子32、42の位置を図示している。また、図17では、トランジスタ31、41、43がバックゲートを有し、これらのバックゲートが配線BGと接続された構成(図10(B)参照)を示している。なお、トランジスタ31、41、43はOSトランジスタとすることができ、トランジスタ51はSiトランジスタとすることができる。
<Specific example>
FIG. 17 shows a configuration example of the memory cell 20 when the circuit 30, the circuit 40, and the circuit 50 in FIG. 2 are laminated in order. Note that FIG. 17 illustrates the positions of the wirings WLa, WLb, WLc, the wirings WLCa, WLCb, the transistors 31, 41, 43, 51, and the capacitors 32, 42 in FIG. 2. In addition, FIG. 17 illustrates a structure in which the transistors 31, 41, and 43 have back gates and these back gates are connected to the wiring BG (see FIG. 10B). Note that the transistors 31, 41, and 43 can be OS transistors, and the transistor 51 can be a Si transistor.
図17に示すメモリセル20の断面図では、トランジスタ51と、トランジスタ31と、トランジスタ41、43と、を別の層に設け、積層した構成としている。このような構成とすることにより、複数の保持部を有するメモリセルの回路面積を縮小することができ、半導体装置の小型化を図ることができる。 In the cross-sectional view of the memory cell 20 illustrated in FIG. 17, the transistor 51, the transistor 31, and the transistors 41 and 43 are provided in different layers and stacked. With such a structure, the circuit area of the memory cell having a plurality of holding portions can be reduced and the semiconductor device can be downsized.
なお、図17に示す断面図では、導電層を平行に配置して容量素子32、42を形成する構成としたが、別の構成でもよい。例えば、図18に示すように、トレンチ状に導電層を配置し、容量素子32、42を形成する構成としてもよい。このような構成とすることで、容量素子32、42の容量値を向上させることができる。 In the cross-sectional view shown in FIG. 17, the conductive layers are arranged in parallel to form the capacitive elements 32 and 42, but another structure may be used. For example, as shown in FIG. 18, a conductive layer may be arranged in a trench shape to form the capacitive elements 32 and 42. With such a configuration, the capacitance values of the capacitive elements 32 and 42 can be improved.
また、図17、18においては、回路50上に回路30、40をそれぞれ1層積層した構成を示したが、回路30、40をそれぞれ2層以上積層してもよい。これにより、メモリセル20の面積の増加を抑えつつ、図9(C)、(D)に示すように、3つ以上のノードFNをメモリセル20に搭載することができる。従って、メモリセル20に記憶することが可能なデータ量を増加させることができる。 17 and 18 show a configuration in which the circuits 30 and 40 are laminated one layer each on the circuit 50, but the circuits 30 and 40 may each be laminated two or more layers. As a result, it is possible to mount three or more nodes FN in the memory cell 20, as shown in FIGS. 9C and 9D, while suppressing an increase in the area of the memory cell 20. Therefore, the amount of data that can be stored in the memory cell 20 can be increased.
また、図17、18においては、回路30と回路40を異なる層に形成した構成を示したが、回路30と回路40が回路50上の同一の層に形成されていてもよい。すなわち、トランジスタ41、43がトランジスタ31と同一の層に形成されていてもよいし、容量素子42が容量素子32と同一の層に形成されていてもよい。 17 and 18 show a configuration in which the circuit 30 and the circuit 40 are formed in different layers, the circuit 30 and the circuit 40 may be formed in the same layer on the circuit 50. That is, the transistors 41 and 43 may be formed in the same layer as the transistor 31, and the capacitor 42 may be formed in the same layer as the capacitor 32.
また、図17、18においては、トランジスタ43がトランジスタ41と同一の層に設けられた構成を示したが、トランジスタ43は、トランジスタ31と同一の層に設けられていてもよいし、トランジスタ51と同一の層に設けられていてもよい。トランジスタ31とトランジスタ43を同一の層に設ける場合、トランジスタ43はトランジスタ31と同様、OSトランジスタとすることができる。また、トランジスタ43とトランジスタ51を同一の層に設ける場合、トランジスタ43はトランジスタ51と同様、Siトランジスタとすることができる。 17 and 18 show the structure in which the transistor 43 is provided in the same layer as the transistor 41, the transistor 43 may be provided in the same layer as the transistor 31 or the transistor 51. They may be provided in the same layer. When the transistor 31 and the transistor 43 are provided in the same layer, the transistor 43 can be an OS transistor like the transistor 31. When the transistor 43 and the transistor 51 are provided in the same layer, the transistor 43 can be a Si transistor like the transistor 51.
以上のように、メモリセル20に含まれるトランジスタを積層することにより、メモリセル20の面積を縮小することができる。 As described above, by stacking the transistors included in the memory cell 20, the area of the memory cell 20 can be reduced.
本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせることができる。 The structure and the method described in this embodiment can be combined with structures and methods described in other embodiments as appropriate.
(実施の形態4)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた記憶装置およびコンピュータについて説明する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, a memory device and a computer each including the semiconductor device according to one embodiment of the present invention will be described.
<記憶装置の構成例>
図19は、上記実施の形態で説明した半導体装置10を有する記憶装置の構成例を示すブロック図である。
<Structure example of storage device>
FIG. 19 is a block diagram illustrating a structural example of a memory device including the semiconductor device 10 described in the above embodiment.
図19に示す記憶装置300は、上記実施の形態で説明したメモリセル20が複数設けられたメモリセルアレイ310、行選択ドライバ320、列選択ドライバ330、及びA/Dコンバータ340を有する。なお記憶装置300は、n行m列のマトリクス状に設けられたメモリセル20を有する。また、図19では、配線WLa、WLb、WLc、配線WLCa、WLCb、配線BL、配線SLとして、1行目の配線WLa[1]、WLb[1]、WLc[1]、配線WLCa[1]、WLCb[1]、2行目の配線WLa[2]、WLb[2]、WLc[2]、配線WLCa[2]、WLCb[2]、1列目の配線BL[1]、配線SL[1]、2列目の配線BL[2]、配線SL[2]を示している。 A memory device 300 illustrated in FIG. 19 includes a memory cell array 310 including a plurality of memory cells 20 described in the above embodiment, a row selection driver 320, a column selection driver 330, and an A / D converter 340. Note that the memory device 300 includes the memory cells 20 arranged in a matrix of n rows and m columns. In addition, in FIG. 19, as the wirings WLa, WLb, WLc, the wirings WLCa, WLCb, the wiring BL, and the wiring SL, the wirings WLa [1], WLb [1], WLc [1], and the wiring WLCa [1] in the first row are used. , WLCb [1], second row wirings WLa [2], WLb [2], WLc [2], wirings WLCa [2], WLCb [2], first column wiring BL [1], wiring SL [ 1], the wiring BL [2] and the wiring SL [2] in the second column are shown.
図19に示すメモリセルアレイ310は、上記実施の形態で説明したメモリセル20が、マトリクス状に設けられている。なお、メモリセル20が有する各構成の説明は、図2と同様であり、図2での説明を援用するものとして説明を省略する。 In the memory cell array 310 illustrated in FIG. 19, the memory cells 20 described in the above embodiment are provided in matrix. Note that the description of each configuration of the memory cell 20 is the same as that in FIG. 2, and the description in FIG.
行選択ドライバ320は、各行におけるメモリセル20のトランジスタ31、41、43(図2参照)を選択的に導通状態とする機能、及び各行におけるメモリセル20のノードFNの電位を選択的に変化させる機能、を備えた駆動回路である。具体的には、配線WLa、WLb、WLcに選択信号を与え、配線WLCa、WLCbに読み出し信号を与える回路である。行選択ドライバ320を備えることで、記憶装置300は、メモリセル20へのデータの書き込み及び読み出しを行毎に選択して行うことができる。 The row selection driver 320 has a function of selectively turning on the transistors 31, 41, 43 (see FIG. 2) of the memory cells 20 in each row, and selectively changes the potential of the node FN of the memory cells 20 in each row. It is a drive circuit having a function. Specifically, it is a circuit which gives a selection signal to the wirings WLa, WLb, and WLc and gives a read signal to the wirings WLCa and WLCb. By including the row selection driver 320, the memory device 300 can selectively write and read data to and from the memory cell 20 for each row.
列選択ドライバ330は、各列におけるメモリセル20のノードFNに選択的にデータを書き込む機能、配線BLの電位をプリチャージする機能、配線BLの電位を初期化する機能、配線BLを電気的に浮遊状態とする機能などを備えた駆動回路である。具体的には、配線BLに多値のデータに対応する書き込み電位、プリチャージ電圧Vprecharge、初期化電圧Vinitialなどを、スイッチを介して与える機能を備えた回路である。列選択ドライバ330を備えることで、記憶装置300は、メモリセル20へのデータの書き込み及び読み出しを列毎に選択して行うことができる。なお、列選択ドライバ330は上記の機能を全て備えている必要はなく、メモリセル20の動作に合わせて適宜省略することができる。 The column selection driver 330 has a function of selectively writing data to the node FN of the memory cell 20 in each column, a function of precharging the potential of the wiring BL, a function of initializing the potential of the wiring BL, and a wiring BL electrically. It is a drive circuit having a function of making a floating state. Specifically, the wiring BL has a function of giving a write potential corresponding to multi-valued data, a precharge voltage V precharge , an initialization voltage V initial, and the like through a switch. By including the column selection driver 330, the memory device 300 can select and write data to and from the memory cell 20 for each column. Note that the column selection driver 330 does not need to have all of the above functions, and can be appropriately omitted according to the operation of the memory cell 20.
A/Dコンバータ340は、アナログ値である配線BLの電位を、デジタル値に変換して外部に出力する機能を備えた回路である。具体的には、フラッシュ型のA/Dコンバータを有する回路である。A/Dコンバータ340を備えることで、記憶装置300は、メモリセル20より読み出されたデータに対応する配線SLの電位を外部に出力することができる。 The A / D converter 340 is a circuit having a function of converting an electric potential of the wiring BL which is an analog value into a digital value and outputting the digital value to the outside. Specifically, it is a circuit having a flash type A / D converter. By including the A / D converter 340, the memory device 300 can output the potential of the wiring SL corresponding to the data read from the memory cell 20 to the outside.
なおA/Dコンバータ340は、フラッシュ型のA/Dコンバータとして説明を行うが、逐次比較型、マルチスロープ型、デルタシグマ型のA/Dコンバータを用いてもよい。 The A / D converter 340 is described as a flash type A / D converter, but a successive approximation type, multi-slope type, or delta sigma type A / D converter may be used.
[行選択ドライバの構成例]
図20は、図19で説明した行選択ドライバ320の構成例を示すブロック図である。
[Example of row selection driver configuration]
FIG. 20 is a block diagram showing a configuration example of the row selection driver 320 described in FIG.
図20に示す行選択ドライバ320は、デコーダ321、及び制御回路322を有する。制御回路322は、配線WLa、WLb、WLc、配線WLCa、WLCbの行毎に設けられており、各行の制御回路322は、配線WLa、WLb、WLc、配線WLCa、WLCbに接続される。なお、配線WLCbに一定の電位を供給する場合は、配線WLCbは制御回路322と接続されていなくてもよい。 The row selection driver 320 illustrated in FIG. 20 includes a decoder 321 and a control circuit 322. The control circuit 322 is provided for each row of the wirings WLa, WLb, WLc, and the wirings WLCa, WLCb, and the control circuit 322 in each row is connected to the wirings WLa, WLb, WLc, and the wirings WLCa, WLCb. Note that the wiring WLCb does not need to be connected to the control circuit 322 when a constant potential is supplied to the wiring WLCb.
デコーダ321は、特定の行の配線WLa、WLb、WLc、配線WLCa、WLCbを選択するための信号を出力する機能を備えた回路である。具体的には、アドレス信号Addressが入力され、該アドレス信号Addressに従って所定の行の制御回路322を選択する回路である。デコーダ321を備えることで、行選択ドライバ320は、任意の行を選択して、データの書き込み又は読み出しを行うことができる。なお、デコーダ321は、複数の制御回路322のうちいずれか1つを選択する機能を有していてもよいし、2つ以上を選択する機能を有していてもよい。 The decoder 321 is a circuit having a function of outputting a signal for selecting the wirings WLa, WLb, and WLc and the wirings WLCa and WLCb in a specific row. Specifically, it is a circuit to which the address signal Address is input and which selects the control circuit 322 in a predetermined row in accordance with the address signal Address. By including the decoder 321, the row selection driver 320 can select any row and write or read data. Note that the decoder 321 may have a function of selecting any one of the plurality of control circuits 322, or may have a function of selecting two or more.
制御回路322は、デコーダ321で選択された特定の行の配線WLa、WLb、WLc、配線WLCa、WLCbに、選択信号や読み出し信号などを選択的に出力する機能を備えた回路である。具体的に、制御回路322は、書き込み制御信号Write_CONT及び読み出し制御信号Read_CONTが入力され、該信号に従って選択信号又は読み出し信号を選択的に出力する回路である。制御回路322を備えることで、行選択ドライバ320は、デコーダ321で選択された行での、選択信号又は読み出し信号を選択して出力することができる。 The control circuit 322 is a circuit having a function of selectively outputting a selection signal, a read signal, or the like to the wirings WLa, WLb, and WLc and the wirings WLCa and WLCb in a specific row selected by the decoder 321. Specifically, the control circuit 322 is a circuit to which the write control signal Write_CONT and the read control signal Read_CONT are input and which selectively outputs a selection signal or a read signal in accordance with the signals. By including the control circuit 322, the row selection driver 320 can select and output the selection signal or the read signal in the row selected by the decoder 321.
[列選択ドライバの構成例]
図21は、図19で説明した列選択ドライバ330の構成例を示すブロック図である。
[Example of column selection driver configuration]
FIG. 21 is a block diagram showing a configuration example of the column selection driver 330 described with reference to FIG.
図21に示す列選択ドライバ330は、デコーダ331、ラッチ回路332、D/Aコンバータ333、スイッチ回路334、トランジスタ335、及びトランジスタ336を有する。ラッチ回路332、D/Aコンバータ333、スイッチ回路334、トランジスタ335、及びトランジスタ336は、列毎に設けられる。また、各列のスイッチ回路334、トランジスタ335、トランジスタ336は、配線BLに接続される。 The column selection driver 330 illustrated in FIG. 21 includes a decoder 331, a latch circuit 332, a D / A converter 333, a switch circuit 334, a transistor 335, and a transistor 336. The latch circuit 332, the D / A converter 333, the switch circuit 334, the transistor 335, and the transistor 336 are provided for each column. The switch circuit 334, the transistor 335, and the transistor 336 in each column are connected to the wiring BL.
デコーダ331は、配線BLが設けられる列を選択し、入力されるデータを振り分けて出力する機能を備えた回路である。具体的には、アドレス信号Address及びデータDataが入力され、該アドレス信号Addressに従っていずれかの行のラッチ回路332にデータDataを出力する回路である。デコーダ331を備えることで、列選択ドライバ330は、任意の列を選択して、データの書き込みを行うことができる。 The decoder 331 is a circuit having a function of selecting a column provided with the wiring BL and distributing and outputting input data. Specifically, it is a circuit which receives the address signal Address and the data Data and outputs the data Data to the latch circuit 332 in any row in accordance with the address signal Address. By including the decoder 331, the column selection driver 330 can select an arbitrary column and write data.
なおデコーダ331に入力されるデータDataは、aビットのデジタルデータである。aビットのデジタルデータは、ビット毎に1又は0の2値のデータで表される信号である。例えば、2ビットのデジタルデータであれば、00、01、10、11で表されるデータである。 The data Data input to the decoder 331 is a-bit digital data. The a-bit digital data is a signal represented by binary data of 1 or 0 for each bit. For example, 2-bit digital data is data represented by 00, 01, 10, 11.
ラッチ回路332は、入力されるデータDataを一時的に記憶する機能を備えた回路である。具体的には、ラッチ信号W_LATが入力され、該ラッチ信号W_LATに従って記憶したデータDataをD/Aコンバータ333に出力するフリップフロップ回路である。ラッチ回路332を備えることで、列選択ドライバ330は、任意のタイミングでデータの書き込みを行うことができる。 The latch circuit 332 is a circuit having a function of temporarily storing the input data Data. Specifically, the flip-flop circuit receives the latch signal W_LAT and outputs the data Data stored according to the latch signal W_LAT to the D / A converter 333. By including the latch circuit 332, the column selection driver 330 can write data at an arbitrary timing.
D/Aコンバータ333は、入力されるデジタル値のデータDataを、アナログ値のデータVdataに変換する機能を備えた回路である。具体的に、D/Aコンバータ333は、データDataのビット数が4ビットであれば、複数の電位V0乃至V15の16段階の電位のいずれかに変換してスイッチ回路334に出力する回路である。D/Aコンバータ333を備えることで、列選択ドライバ330は、メモリセル20に書き込むデータを、多値のデータに対応する電位とすることができる。 The D / A converter 333 is a circuit having a function of converting input digital value data Data into analog value data V data . Specifically, the D / A converter 333 is a circuit that, when the number of bits of the data Data is 4 bits, converts the data into any of 16 potentials of a plurality of potentials V0 to V15 and outputs it to the switch circuit 334. . By including the D / A converter 333, the column selection driver 330 can set the data to be written in the memory cell 20 to the potential corresponding to the multivalued data.
なおD/Aコンバータ333から出力されるVdataは、異なる電圧値で表されるデータである。例えば、2ビットのデータの場合、0.5V、1.0V、1.5V、2.0Vの4値のデータとなり、いずれかの電圧値で表されるデータということができる。 The V data output from the D / A converter 333 is data represented by different voltage values. For example, in the case of 2-bit data, it becomes 4-valued data of 0.5V, 1.0V, 1.5V, 2.0V, and can be said to be data represented by any voltage value.
スイッチ回路334は、入力されるデータVdataを配線BLに与える機能、及び配線BLを電気的に浮遊状態とする機能を備えた回路である。具体的には、アナログスイッチとインバータを備え、スイッチ制御信号Write_SWによる制御により、データVdataを配線BLに与え、その後アナログスイッチをオフにすることで配線BLを電気的に浮遊状態とする回路である。スイッチ回路334を備えることで、列選択ドライバ330は、データVdataを配線BLに与えた後、配線BLを電気的に浮遊状態に保持することができる。 The switch circuit 334 is a circuit having a function of giving input data V data to the wiring BL and a function of electrically setting the wiring BL to a floating state. Specifically, it is a circuit that includes an analog switch and an inverter, supplies data V data to the wiring BL under the control of a switch control signal Write_SW, and then turns off the analog switch to electrically float the wiring BL. is there. By including the switch circuit 334, the column selection driver 330 can hold the wiring BL in an electrically floating state after supplying the data V data to the wiring BL.
トランジスタ335は、初期化電圧Vinitialを配線BLに与える機能、及び配線BLを電気的に浮遊状態とする機能を備えた回路である。具体的には、初期化制御信号Init_ENによる制御で初期化電圧Vinitialを配線BLに与え、その後配線BLを電気的に浮遊状態とするスイッチである。トランジスタ335を備えることで、列選択ドライバ330は、初期化電圧Vinitialを配線BLに与えた後、配線BLを電気的に浮遊状態に保持することができる。 The transistor 335 is a circuit having a function of applying the initialization voltage V initial to the wiring BL and a function of electrically floating the wiring BL. Specifically, the switch is a switch which applies the initialization voltage V initial to the wiring BL under the control of the initialization control signal Init_EN and then brings the wiring BL into an electrically floating state. By including the transistor 335, the column selection driver 330 can electrically hold the wiring BL in a floating state after applying the initialization voltage V initial to the wiring BL.
トランジスタ336は、プリチャージ電圧Vprechargeを配線BLに与える機能、及び配線BLを電気的に浮遊状態とする機能を備えた回路である。具体的には、プリチャージ制御信号Pre_ENによる制御でプリチャージ電圧Vprechargeを配線BLに与え、その後配線BLを電気的に浮遊状態とするスイッチである。トランジスタ336を備えることで、列選択ドライバ330は、プリチャージ電圧Vprechargeを配線BLに与えた後、配線BLを電気的に浮遊状態に保持することができる。 The transistor 336 is a circuit having a function of applying the precharge voltage V precharge to the wiring BL and a function of bringing the wiring BL into an electrically floating state. Specifically, it is a switch that applies a precharge voltage V precharge to the wiring BL under the control of the precharge control signal Pre_EN and then electrically brings the wiring BL into a floating state. By including the transistor 336, the column selection driver 330 can electrically hold the wiring BL in a floating state after applying the precharge voltage V precharge to the wiring BL.
[A/Dコンバータの構成例]
図22は、図19で説明したA/Dコンバータ340の構成例を示すブロック図である。
[Configuration example of A / D converter]
22 is a block diagram showing a configuration example of the A / D converter 340 described with reference to FIG.
図22に示すA/Dコンバータ340は、コンパレータ341、エンコーダ342、ラッチ回路343、及びバッファ344を有する。コンパレータ341、エンコーダ342、ラッチ回路343、及びバッファ344は、列毎に設けられる。また各列のバッファ344は、データDoutを出力する。 The A / D converter 340 illustrated in FIG. 22 includes a comparator 341, an encoder 342, a latch circuit 343, and a buffer 344. The comparator 341, the encoder 342, the latch circuit 343, and the buffer 344 are provided for each column. Further, the buffer 344 in each column outputs the data Dout.
コンパレータ341は、配線BLの電位と、参照電圧Vref0乃至Vref14との電位の高低を比較し、配線BL位が多値のデータのいずれかに応じた電位であるかを判定する機能を備えた回路である。具体的には、複数のコンパレータ341を備え、それぞれのコンパレータ341に配線BLの電位と、異なる参照電圧Vref0乃至Vref14とが与えられ、配線BLの電位がいずれかの電位の間にあるかを判定する回路である。コンパレータ341を備えることで、A/Dコンバータ340は、配線BLの電位が、多値のデータのいずれかに対応する電位かを判定することができる。 The comparator 341 has a function of comparing the potential of the wiring BL with the level of the potential of the reference voltages Vref0 to Vref14 and determining whether the potential of the wiring BL corresponds to any of multivalued data. Is. Specifically, a plurality of comparators 341 are provided, the potential of the wiring BL and different reference voltages Vref0 to Vref14 are given to each comparator 341, and it is determined whether the potential of the wiring BL is between any of the potentials. It is a circuit to do. By including the comparator 341, the A / D converter 340 can determine whether the potential of the wiring BL corresponds to any of multivalued data.
なお、一例として図22で示す参照電圧Vref0乃至Vref14は、多値のデータが4ビット、すなわち16値のデータである場合に与えられる電位である。 Note that, as an example, the reference voltages Vref0 to Vref14 shown in FIG. 22 are potentials given when multi-valued data is 4-bit data, that is, 16-valued data.
エンコーダ342は、コンパレータ341から出力される配線BLの電位を判定する信号をもとに、多ビットのデジタル信号を生成する機能を備えた回路である。具体的には、複数のコンパレータ341より出力されるハイレベル又はローレベルの信号をもとに符号化を行い、デジタル信号を生成する回路である。エンコーダ342を備えることで、A/Dコンバータ340は、メモリセル20から読み出されたデータをデジタル値のデータとすることができる。 The encoder 342 is a circuit having a function of generating a multi-bit digital signal based on a signal which is output from the comparator 341 and determines the potential of the wiring BL. Specifically, it is a circuit that performs encoding based on high-level or low-level signals output from the plurality of comparators 341 to generate a digital signal. By including the encoder 342, the A / D converter 340 can convert the data read from the memory cell 20 into digital value data.
ラッチ回路343は、入力されるデジタル値のデータを一時的に記憶する機能を備えた回路である。具体的には、ラッチ信号LATが入力され、該ラッチ信号LATに従って記憶したデータをバッファ344に出力するフリップフロップ回路である。ラッチ回路343を備えることで、A/Dコンバータ340は、任意のタイミングでデータの出力を行うことができる。なおラッチ回路343は、省略することができる。 The latch circuit 343 is a circuit having a function of temporarily storing input digital value data. Specifically, the flip-flop circuit receives the latch signal LAT and outputs the data stored in accordance with the latch signal LAT to the buffer 344. By including the latch circuit 343, the A / D converter 340 can output data at an arbitrary timing. Note that the latch circuit 343 can be omitted.
バッファ344は、ラッチ回路343より出力されたデータを増幅して出力信号Doutとして出力する機能を備えた回路である。具体的には、インバータ回路を偶数段備えた回路である。バッファ344を備えることで、A/Dコンバータ340は、デジタル信号に対するノイズを低減することができる。なおバッファ344は、省略することができる。
<コンピュータの構成例>
図23は、上記の記憶装置を有するコンピュータの構成例を示すブロック図である。
The buffer 344 is a circuit having a function of amplifying the data output from the latch circuit 343 and outputting it as the output signal Dout. Specifically, it is a circuit including an even number of inverter circuits. By including the buffer 344, the A / D converter 340 can reduce noise with respect to the digital signal. The buffer 344 can be omitted.
<Computer configuration example>
FIG. 23 is a block diagram showing a configuration example of a computer having the above storage device.
コンピュータ400は、入力装置410、出力装置420、中央演算処理装置430、記憶装置(メインメモリ)440を有する。 The computer 400 has an input device 410, an output device 420, a central processing unit 430, and a storage device (main memory) 440.
中央演算処理装置430は、制御回路431、演算回路432、記憶回路(レジスタ)433及び記憶回路(キャッシュメモリ)434を有する。 The central processing unit 430 has a control circuit 431, an arithmetic circuit 432, a memory circuit (register) 433, and a memory circuit (cache memory) 434.
入力装置410はコンピュータ400に外部からデータを入力する機能を有する。 The input device 410 has a function of inputting data to the computer 400 from the outside.
出力装置420はコンピュータ400から外部にデータを出力する機能を有する。 The output device 420 has a function of outputting data from the computer 400 to the outside.
制御回路431は、入力装置410、出力装置420、記憶装置(メインメモリ)440に、それらの装置を制御するための制御信号を出力する機能を有する。 The control circuit 431 has a function of outputting a control signal for controlling these devices to the input device 410, the output device 420, and the storage device (main memory) 440.
演算回路432は、入力されたデータに対する演算を行う機能を有する。 The arithmetic circuit 432 has a function of performing arithmetic on input data.
記憶装置(レジスタ)433は、演算回路432が計算等に用いるデータを保持するために用いられる。 The storage device (register) 433 is used for holding data used by the arithmetic circuit 432 for calculation and the like.
記憶装置(キャッシュメモリ)434は記憶装置(メインメモリ)440内の頻繁に使う情報をコピーするために用いられる。 The storage device (cache memory) 434 is used to copy frequently used information in the storage device (main memory) 440.
記憶装置(キャッシュメモリ)434は、記憶装置(メインメモリ)440よりも高速アクセスが可能であるため、中央演算処理装置430の処理速度が向上する。なお、メインメモリの容量はキャッシュメモリの容量よりも大きく、キャッシュメモリの容量はレジスタの容量よりも大きい。また、キャッシュメモリ及びレジスタの動作は、メインメモリの動作より高速である。図19における記憶装置300は、記憶回路(レジスタ)433、記憶回路(キャッシュメモリ)434、又は記憶装置(メインメモリ)440のいずれかに用いることができる。 Since the storage device (cache memory) 434 can be accessed faster than the storage device (main memory) 440, the processing speed of the central processing unit 430 is improved. The capacity of the main memory is larger than the capacity of the cache memory, and the capacity of the cache memory is larger than the capacity of the register. The operation of the cache memory and the register is faster than that of the main memory. The memory device 300 in FIG. 19 can be used for any of the memory circuit (register) 433, the memory circuit (cache memory) 434, or the memory device (main memory) 440.
本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせることができる。 The structure and the method described in this embodiment can be combined with structures and methods described in other embodiments as appropriate.
(実施の形態5)
本実施の形態では、本発明の一態様に用いることができるOSトランジスタの構成例について説明する。
(Embodiment 5)
In this embodiment, a structural example of an OS transistor which can be used in one embodiment of the present invention will be described.
<構成例1>
図24にOSトランジスタの構成の一例を示す。図24(A)はOSトランジスタの構成の一例を示す上面図である。図24(B)は、y1−y2線断面図であり、図24(C)はx1−x2線断面図であり、図24(D)はx3−x4線断面図である。ここでは、y1−y2線の方向をチャネル長方向と、x1−x2線方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。よって、図24(B)は、OSトランジスタのチャネル長方向の断面構造を示す図であり、図24(C)および図24(D)は、OSトランジスタのチャネル幅方向の断面構造を示す図である。なお、デバイス構造を明確にするため、図24(A)では、一部の構成要素が省略されている。
<Structure example 1>
FIG. 24 shows an example of the structure of the OS transistor. FIG. 24A is a top view illustrating an example of the structure of the OS transistor. 24B is a sectional view taken along the line y1-y2, FIG. 24C is a sectional view taken along the line x1-x2, and FIG. 24D is a sectional view taken along the line x3-x4. Here, the direction of the y1-y2 line may be referred to as the channel length direction, and the x1-x2 line direction may be referred to as the channel width direction. Therefore, FIG. 24B is a diagram showing a cross-sectional structure in the channel length direction of the OS transistor, and FIGS. 24C and 24D are diagrams showing a cross-sectional structure in the channel width direction of the OS transistor. is there. Note that in order to clarify the device structure, some components are omitted in FIG.
OSトランジスタであるトランジスタ581は絶縁表面に形成される。ここでは、絶縁層511上に形成されている。絶縁層511は基板510表面に形成されている。トランジスタ581は絶縁層516に覆われている。なお、絶縁層516をトランジスタ581の構成要素とみなすこともできる。トランジスタ581は、絶縁層512、絶縁層513、絶縁層514、絶縁層515、半導体層521乃至523、導電層530、導電層531、導電層532および導電層533を有する。ここでは、半導体層521乃至523をまとめて、半導体領域520と呼称する。 The transistor 581 which is an OS transistor is formed over an insulating surface. Here, it is formed on the insulating layer 511. The insulating layer 511 is formed on the surface of the substrate 510. The transistor 581 is covered with the insulating layer 516. Note that the insulating layer 516 can be regarded as a component of the transistor 581. The transistor 581 includes an insulating layer 512, an insulating layer 513, an insulating layer 514, an insulating layer 515, semiconductor layers 521 to 523, a conductive layer 530, a conductive layer 531, a conductive layer 532, and a conductive layer 533. Here, the semiconductor layers 521 to 523 are collectively referred to as a semiconductor region 520.
導電層530はゲート電極として機能し、導電層533はバックゲート電極として機能する。導電層531、532は、それぞれ、ソース電極またはドレイン電極として機能する。絶縁層511は、基板510と導電層533を電気的に分離させる機能を有する。絶縁層515はゲート絶縁層として機能し、絶縁層513、514はバックチャネル側のゲート絶縁層として機能する。 The conductive layer 530 functions as a gate electrode, and the conductive layer 533 functions as a back gate electrode. The conductive layers 531 and 532 each function as a source electrode or a drain electrode. The insulating layer 511 has a function of electrically separating the substrate 510 and the conductive layer 533. The insulating layer 515 functions as a gate insulating layer, and the insulating layers 513 and 514 function as a gate insulating layer on the back channel side.
なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース(ソース領域またはソース電極)とドレイン(ドレイン領域またはドレイン電極)との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書等では、チャネル長はチャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。 Note that the channel length is, for example, in a top view of a transistor, a region where a semiconductor (or a portion of a semiconductor in which a current flows when the transistor is on) and a gate electrode overlap with each other, or a region where a channel is formed. , The distance between the source (source region or source electrode) and the drain (drain region or drain electrode). Note that in one transistor, the channel length does not necessarily have the same value in all regions. That is, the channel length of one transistor may not be set to one value. Therefore, in this specification and the like, the channel length is any one value, a maximum value, a minimum value, or an average value in a region where a channel is formed.
チャネル幅とは、例えば、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。 The channel width is, for example, a region where a semiconductor (or a portion of a semiconductor in which a current flows when a transistor is in an on state) and a gate electrode overlap with each other, or a source and a drain face each other in a region where a channel is formed. It is the length of the part where it exists. Note that in one transistor, the channel width does not necessarily have the same value in all regions. That is, the channel width of one transistor may not be set to one value. Therefore, in this specification, the channel width is any one value, the maximum value, the minimum value, or the average value in the region where the channel is formed.
なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅(以下、実効的なチャネル幅と呼ぶ。)と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅(以下、見かけ上のチャネル幅と呼ぶ。)と、が異なる場合がある。例えば、立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅の方が大きくなる。 Note that depending on the structure of the transistor, the channel width in a region where a channel is actually formed (hereinafter referred to as an effective channel width) and the channel width shown in a top view of the transistor (hereinafter, an apparent channel width). May be different from. For example, in a transistor having a three-dimensional structure, the effective channel width becomes larger than the apparent channel width shown in the top view of the transistor, and the effect thereof may not be negligible. For example, in a transistor having a fine and three-dimensional structure, the proportion of the channel region formed on the side surface of the semiconductor may be large. In that case, the effective channel width in which the channel is actually formed is larger than the apparent channel width shown in the top view.
ところで、立体的な構造を有するトランジスタにおいては、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。 By the way, in a transistor having a three-dimensional structure, it may be difficult to actually measure the effective channel width. For example, in order to estimate the effective channel width from the design value, it is necessary to assume that the semiconductor shape is known. Therefore, it is difficult to measure the effective channel width accurately when the shape of the semiconductor is not known accurately.
そこで、本明細書では、トランジスタの上面図において、半導体とゲート電極とが重なる領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さである見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅(SCW:Surrounded Channel Width)」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面TEM像などを取得して、その画像を解析することなどによって、値を決定することができる。 Therefore, in this specification, in a top view of a transistor, an apparent channel width which is a length of a portion where a source and a drain face each other in a region where a semiconductor and a gate electrode overlap with each other is referred to as an “enclosed channel width (SCW)”. : Surrounded Channel Width) ". Further, in the present specification, when simply described as channel width, it may indicate an enclosed channel width or an apparent channel width. Alternatively, in this specification, the term “channel width” may mean an effective channel width. The channel length, channel width, effective channel width, apparent channel width, enclosing channel width, etc. can be determined by acquiring a cross-sectional TEM image and analyzing the image. it can.
なお、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求める場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。 Note that when the field-effect mobility of the transistor, the current value per channel width, or the like is calculated and obtained, the enclosed channel width may be used in some cases. In that case, the value may be different from the value calculated by using the effective channel width.
図24(B)、図24(C)に示すように、半導体領域520は、半導体層521、半導体層522、半導体層523の順に積層している部分を有する。絶縁層515はこの積層部分を覆っている。導電層530は絶縁層513を介して積層部分と重なる。導電層531および導電層532は、半導体層521および半導体層523とでなる積層上に設けられており、それぞれ、この積層の上面と、同チャネル長方向の側面とに接している。半導体層521、522および導電層531、532の積層は、同じマスクを用いたエッチング工程を経ることで形成されている。 As shown in FIGS. 24B and 24C, the semiconductor region 520 has a portion in which the semiconductor layer 521, the semiconductor layer 522, and the semiconductor layer 523 are stacked in this order. The insulating layer 515 covers this laminated portion. The conductive layer 530 overlaps with the stacked portion with the insulating layer 513 provided therebetween. The conductive layer 531 and the conductive layer 532 are provided on a stacked layer including the semiconductor layer 521 and the semiconductor layer 523, and are in contact with an upper surface of this stacked layer and a side surface in the same channel length direction, respectively. The stacked layers of the semiconductor layers 521 and 522 and the conductive layers 531 and 532 are formed by an etching process using the same mask.
半導体層523は、半導体層521、522、および導電層531、532を覆うように形成されている。絶縁層515は半導体層523を覆っている。ここでは、半導体層523と絶縁層515は同じマスクを用いてエッチングされている。 The semiconductor layer 523 is formed so as to cover the semiconductor layers 521 and 522 and the conductive layers 531 and 532. The insulating layer 515 covers the semiconductor layer 523. Here, the semiconductor layer 523 and the insulating layer 515 are etched using the same mask.
絶縁層515を介して、半導体層521乃至523の積層部分のチャネル幅方向を取り囲むように、導電層530が形成されている(図24(C)参照)。このため、この積層部分には、垂直方向からのゲート電界と、側面方向からのゲート電界も印加される。トランジスタ581において、ゲート電界とは、導電層530(ゲート電極層)に印加される電圧により形成される電界のことをいう。ゲート電界によって、半導体層521乃至523の積層部分全体を電気的に取り囲むことができるので、半導体層522の全体に(バルク)にチャネルが形成される場合がある。そのため、トランジスタ581は高いオン電流を有することができる。また、s−channel構造をとることで、トランジスタ581の高周波特性を向上することができる。具体的には、遮断周波数を向上ることができる。 A conductive layer 530 is formed so as to surround the stacked portion of the semiconductor layers 521 to 523 in the channel width direction with the insulating layer 515 interposed therebetween (see FIG. 24C). Therefore, a gate electric field from the vertical direction and a gate electric field from the side surface direction are also applied to this laminated portion. In the transistor 581, a gate electric field refers to an electric field formed by a voltage applied to the conductive layer 530 (gate electrode layer). Since the gate electric field can electrically surround the entire stacked portion of the semiconductor layers 521 to 523, a channel may be formed in (bulk) over the entire semiconductor layer 522 in some cases. Therefore, the transistor 581 can have a high on-state current. Further, with the s-channel structure, the high frequency characteristics of the transistor 581 can be improved. Specifically, the cutoff frequency can be improved.
s−channel構造は、高いオン電流が得られるため、LSI(Large Scale Integration)など微細化されたトランジスタが要求される半導体装置に適した構造といえる。s−channel構造は、高いオン電流が得られるため、高周波での動作が要求されるトランジスタに適した構造といえる。該トランジスタを有する半導体装置は、高周波で動作可能な半導体装置とすることが可能となる。 Since the s-channel structure can obtain a high on-state current, it can be said that the s-channel structure is suitable for a semiconductor device such as an LSI (Large Scale Integration) that requires a miniaturized transistor. Since the s-channel structure can obtain a high on-state current, it can be said that the s-channel structure is suitable for a transistor which needs to operate at high frequency. A semiconductor device including the transistor can be a semiconductor device which can operate at high frequency.
OSトランジスタの微細化によって、集積度が高い、または小型な半導体装置を提供することが可能となる。例えば、OSトランジスタは、チャネル長が好ましくは10nm以上、1μm未満、さらに好ましくは10nm以上、100nm未満、さらに好ましくは10nm以上、70nm未満、さらに好ましくは10nm以上、60nm未満、さらに好ましくは10nm以上、30nm未満の領域を有する。例えば、トランジスタは、チャネル幅が好ましくは10nm以上、1μm未満、さらに好ましくは10nm以上、100nm未満、さらに好ましくは10nm以上、70nm未満、さらに好ましくは10nm以上、60nm未満、さらに好ましくは10nm以上、30nm未満の領域を有する。 By miniaturization of the OS transistor, a highly integrated or small semiconductor device can be provided. For example, the OS transistor has a channel length of preferably 10 nm or more and less than 1 μm, more preferably 10 nm or more and less than 100 nm, further preferably 10 nm or more and less than 70 nm, further preferably 10 nm or more and less than 60 nm, further preferably 10 nm or more, It has a region of less than 30 nm. For example, the transistor has a channel width of preferably 10 nm or more and less than 1 μm, more preferably 10 nm or more and less than 100 nm, further preferably 10 nm or more and less than 70 nm, further preferably 10 nm or more and less than 60 nm, further preferably 10 nm or more, 30 nm. Having an area of less than.
なお、In−Ga−Zn酸化物などの酸化物半導体は、シリコンと比較して熱伝導が低い。そのため、半導体層522に酸化物半導体を用いると、特に半導体層522のチャネル形成領域のドレイン側の端部などにおいて、発熱が生じやすい。しかしながら、図24(B)に示すトランジスタ581は、導電層531、532が導電層530と重なる領域を有するため、導電層531、532が半導体層522のチャネル形成領域の近傍に配置される。従って、半導体層522のチャネル形成領域で発生した熱が導電層531、532に伝導する。すなわち、導電層531、532を用いてチャネル形成領域の放熱を行うことができる。 Note that an oxide semiconductor such as an In—Ga—Zn oxide has lower heat conductivity than silicon. Therefore, when an oxide semiconductor is used for the semiconductor layer 522, heat is likely to be generated particularly at the drain-side end portion of the channel formation region of the semiconductor layer 522. However, in the transistor 581 illustrated in FIG. 24B, since the conductive layers 531 and 532 overlap with the conductive layer 530, the conductive layers 531 and 532 are provided in the vicinity of the channel formation region of the semiconductor layer 522. Therefore, heat generated in the channel formation region of the semiconductor layer 522 is conducted to the conductive layers 531 and 532. That is, the conductive layers 531 and 532 can be used to dissipate heat in the channel formation region.
次に、図24に示す各層の詳細を説明する。 Next, details of each layer shown in FIG. 24 will be described.
[基板]
基板510としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板は、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板(イットリア安定化ジルコニア基板など)、樹脂基板などである。また、半導体基板は、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などである。半導体基板は、バルク型でもよいし、半導体基板に絶縁領域を介して半導体層が設けられているSOI(Silicon On Insulator)型でもよい。導電体基板は、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などである。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などである。または、上掲された基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子は、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などである。
[substrate]
As the substrate 510, for example, an insulator substrate, a semiconductor substrate, or a conductor substrate may be used. The insulator substrate is, for example, a glass substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, a stabilized zirconia substrate (such as a yttria-stabilized zirconia substrate), or a resin substrate. The semiconductor substrate is, for example, a single semiconductor substrate made of silicon, germanium or the like, or a compound semiconductor substrate made of silicon carbide, silicon germanium, gallium arsenide, indium phosphide, zinc oxide or gallium oxide. The semiconductor substrate may be a bulk type or an SOI (Silicon On Insulator) type in which a semiconductor layer is provided on the semiconductor substrate via an insulating region. The conductor substrate is a graphite substrate, a metal substrate, an alloy substrate, a conductive resin substrate, or the like. Alternatively, a substrate including a metal nitride, a substrate including a metal oxide, or the like can be given. Further, a substrate provided with a conductor or a semiconductor on an insulator substrate, a substrate provided with a conductor or an insulator on a semiconductor substrate, a substrate provided with a semiconductor or an insulator on a conductor substrate, and the like. Alternatively, a substrate provided with an element may be used. Elements provided on the substrate are a capacitive element, a resistive element, a switch element, a light emitting element, a memory element, and the like.
基板510は可撓性基板でもよい。可撓性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可撓性の基板(例えば、半導体基板)上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可撓性基板である基板510に転置する方法もある。その場合には、非可撓性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。なお、基板510として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。また、基板510が伸縮性を有してもよい。また、基板510は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板510の厚さは、例えば、5μm以上700μm以下、好ましくは10μm以上500μm以下、さらに好ましくは15μm以上300μm以下とする。基板510を薄くすると、半導体装置を軽量化することができる。また、基板510を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板510上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。 The substrate 510 may be a flexible substrate. As a method for providing a transistor over a flexible substrate, a transistor is manufactured over a non-flexible substrate (eg, a semiconductor substrate), the transistor is separated, and the transistor is transferred to the substrate 510 which is a flexible substrate. There is also. In that case, a separation layer may be provided between the non-flexible substrate and the transistor. Note that as the substrate 510, a sheet, a film, a foil, or the like in which a fiber is woven may be used. In addition, the substrate 510 may have elasticity. The substrate 510 may also have a property of returning to its original shape when bending or pulling is stopped. Alternatively, it may have a property of not returning to the original shape. The thickness of the substrate 510 is, for example, 5 μm or more and 700 μm or less, preferably 10 μm or more and 500 μm or less, and more preferably 15 μm or more and 300 μm or less. When the substrate 510 is thin, the weight of the semiconductor device can be reduced. Further, by thinning the substrate 510, it may have elasticity even when glass or the like is used, or may have a property of returning to its original shape when bending or pulling is stopped. Therefore, a shock or the like applied to the semiconductor device over the substrate 510 due to dropping or the like can be mitigated. That is, a durable semiconductor device can be provided.
可撓性基板である基板510は、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などである。可撓性基板は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可撓性基板には、例えば、線膨張率が1×10−3/K以下、5×10−5/K以下、または1×10−5/K以下である材質を用いるとよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド(ナイロン、アラミドなど)、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリル、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため可撓性基板の材料として好適である。 The substrate 510 which is a flexible substrate is, for example, a metal, an alloy, a resin, glass, or a fiber thereof. It is preferable that the flexible substrate has a lower linear expansion coefficient because the deformation due to the environment is suppressed. For the flexible substrate, for example, a material having a linear expansion coefficient of 1 × 10 −3 / K or less, 5 × 10 −5 / K or less, or 1 × 10 −5 / K or less may be used. Examples of the resin include polyester, polyolefin, polyamide (nylon, aramid, etc.), polyimide, polycarbonate, acrylic, polytetrafluoroethylene (PTFE), and the like. In particular, aramid is suitable as a material for a flexible substrate because it has a low coefficient of linear expansion.
[絶縁層]
絶縁層511乃至516は、単層構造または積層構造の絶縁層で形成される。絶縁層を構成する材料には、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどがある。
[Insulation layer]
The insulating layers 511 to 516 are formed of an insulating layer having a single layer structure or a stacked structure. Examples of the material forming the insulating layer include aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, and oxide. Hafnium, tantalum oxide, etc. are available.
なお、本明細書において、酸化窒化物とは、窒素よりも酸素の含有量が多い化合物をいい、窒化酸化物とは、酸素よりも窒素の含有量が多い化合物をいう。本明細書等において、絶縁材料に用いられる酸化物には、窒素濃度が1atomic%未満のものも含まれる。 Note that in this specification, an oxynitride refers to a compound having a higher oxygen content than nitrogen, and a nitride oxide refers to a compound having a higher nitrogen content than oxygen. In this specification and the like, the oxide used for the insulating material includes an oxide having a nitrogen concentration of less than 1 atomic%.
絶縁層514および絶縁層515は半導体領域520と接しているため、酸化物を含むことが好ましく、特に、加熱により酸素が脱離する酸化物材料を含むことが好ましい。好適には、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を用いることが好ましい。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膜は、加熱により一部の酸素が脱離する。絶縁層514、絶縁層515から脱離した酸素は酸化物半導体である半導体領域520に供給され、酸化物半導体中の酸素欠損を低減することが可能となる。その結果、トランジスタの電気特性の変動を抑制し、信頼性を高めることができる。 Since the insulating layers 514 and 515 are in contact with the semiconductor region 520, the insulating layer 514 and the insulating layer 515 preferably contain an oxide, and particularly preferably an oxide material from which oxygen is released by heating. It is preferable to use an oxide containing more oxygen than that satisfying the stoichiometric composition. A part of oxygen is desorbed by heating in an oxide film containing more oxygen than the stoichiometric composition. Oxygen desorbed from the insulating layers 514 and 515 is supplied to the semiconductor region 520 which is an oxide semiconductor, so that oxygen vacancies in the oxide semiconductor can be reduced. As a result, variation in electric characteristics of the transistor can be suppressed and reliability can be improved.
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膜は、例えば、TDS(Thermal Desorption Spectroscopy)分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm3以上、好ましくは3.0×1020atoms/cm3以上である酸化物膜である。なお、上記TDS分析時における膜の表面温度は100℃以上700℃以下、または100℃以上500℃以下の範囲が好ましい。 An oxide film containing more oxygen than the stoichiometric composition has, for example, a TDS (Thermal Desorption Spectroscopy) analysis showing a desorption amount of oxygen of 1.0 × 10 5 in terms of oxygen atoms. The oxide film has a thickness of 18 atoms / cm 3 or higher, preferably 3.0 × 10 20 atoms / cm 3 or higher. The surface temperature of the film during the TDS analysis is preferably 100 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, or 100 ° C. or higher and 500 ° C. or lower.
絶縁層513は、絶縁層514に含まれる酸素が、導電層533に含まれる金属と結びつき、絶縁層514に含まれる酸素が減少することを防ぐパッシベーション機能を有する。絶縁層516は、絶縁層515に含まれる酸素が減少することを防ぐパッシベーション機能を有する。 The insulating layer 513 has a passivation function of preventing oxygen contained in the insulating layer 514 from being combined with a metal contained in the conductive layer 533 and reducing oxygen contained in the insulating layer 514. The insulating layer 516 has a passivation function of preventing oxygen contained in the insulating layer 515 from decreasing.
絶縁層511、513、516は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等をブロッキングできる機能を有していることが好ましい。絶縁層511、513、516を設けることで、半導体領域520から外部への酸素の拡散と、外部から半導体領域520への水素、水等が入り込みを防ぐことができる。このような機能を持たせるため、絶縁層511、513、516には、例えば、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、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でなる絶縁層を少なくとも1層設ければよい。 The insulating layers 511, 513, and 516 preferably have a function of blocking oxygen, hydrogen, water, alkali metal, alkaline earth metal, and the like. By providing the insulating layers 511, 513, and 516, diffusion of oxygen from the semiconductor region 520 to the outside and entry of hydrogen, water, or the like from the outside to the semiconductor region 520 can be prevented. In order to have such a function, the insulating layers 511, 513, and 516 have, for example, silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum nitride, aluminum nitride oxide, aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, or oxide. At least one insulating layer formed of yttrium, yttrium oxynitride, hafnium oxide, hafnium oxynitride, or the like may be provided.
[導電層]
導電層531および導電層532は、銅(Cu)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、金(Au)、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、鉛(Pb)、錫(Sn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、ストロンチウム(Sr)の低抵抗材料からなる単体、もしくは合金、またはこれらを主成分とする化合物を含む導電膜の単層または積層とすることが好ましい。特に、耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましい。また、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。さらに、Cu−Mn合金を用いると、酸素を含む絶縁体との界面に酸化マンガンを形成し、酸化マンガンがCuの拡散を抑制する機能を持つので好ましい。
[Conductive layer]
The conductive layer 531 and the conductive layer 532 are formed of copper (Cu), tungsten (W), molybdenum (Mo), gold (Au), aluminum (Al), manganese (Mn), titanium (Ti), tantalum (Ta), nickel. (Ni), chromium (Cr), lead (Pb), tin (Sn), iron (Fe), cobalt (Co), ruthenium (Ru), platinum (Pt), iridium (Ir), strontium (Sr) low It is preferable to use a simple substance made of a resistance material, an alloy, or a single layer or a laminated layer of a conductive film containing a compound containing these as a main component. In particular, it is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum, which has both heat resistance and conductivity. Further, it is preferably formed of a low resistance conductive material such as aluminum or copper. Further, it is preferable to use a Cu—Mn alloy because manganese oxide is formed at the interface with an insulator containing oxygen and the manganese oxide has a function of suppressing diffusion of Cu.
導電層531および導電層532は、半導体層521と半導体層522との積層を形成するために使用されるハードマスクから作製されている。そのため、導電層531および導電層532は、半導体層521および半導体層522の側面に接する領域を有していない。例えば、次のような工程を経て、半導体層521、522、導電層531、532を作製することができる。半導体層521、522を構成する2層の酸化物半導体膜を形成する。酸化物半導体膜上に、単層または積層の導電膜を形成する。この導電膜をエッチングしてハードマスクを形成する。このハードマスクを用いて、2層の酸化物半導体膜をエッチングして、半導体層521と半導体層522の積層を形成する。次に、ハードマスクをエッチングして、導電層531および導電層532を形成する。 The conductive layer 531 and the conductive layer 532 are made of a hard mask used for forming a stack of the semiconductor layer 521 and the semiconductor layer 522. Therefore, the conductive layers 531 and 532 do not have regions in contact with the side surfaces of the semiconductor layers 521 and 522. For example, the semiconductor layers 521 and 522 and the conductive layers 531 and 532 can be manufactured through the following steps. A two-layer oxide semiconductor film which forms the semiconductor layers 521 and 522 is formed. A single-layer or stacked-layer conductive film is formed over the oxide semiconductor film. The conductive film is etched to form a hard mask. Using this hard mask, the two-layer oxide semiconductor film is etched to form a stack of the semiconductor layer 521 and the semiconductor layer 522. Next, the hard mask is etched to form the conductive layer 531 and the conductive layer 532.
導電層530および導電層530には、導電層531および導電層532と同様の材料を用いることができる。 The conductive layer 530 and the conductive layer 530 can be formed using the same material as the conductive layer 531 and the conductive layer 532.
[半導体層]
半導体層522は、例えば、インジウム(In)を含む酸化物半導体である。半導体層522は、例えば、インジウムを含むと、キャリア移動度(電子移動度)が高くなる。また、半導体層522は、元素Mを含むと好ましい。元素Mは、好ましくは、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、イットリウム(Y)またはスズ(Sn)などとする。そのほかの元素Mに適用可能な元素としては、ホウ素(B)、シリコン(Si)、チタン(Ti)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、ゲルマニウム(Ge)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、ネオジム(Nd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)などがある。ただし、元素Mとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。元素Mは、例えば、酸素との結合エネルギーが高い元素である。例えば、酸素との結合エネルギーがインジウムよりも高い元素である。または、元素Mは、例えば、酸化物半導体のエネルギーギャップを大きくする機能を有する元素である。また、半導体層522は、亜鉛(Zn)を含むと好ましい。酸化物半導体は、亜鉛を含むと結晶化しやすくなる場合がある。
[Semiconductor layer]
The semiconductor layer 522 is, for example, an oxide semiconductor containing indium (In). The semiconductor layer 522 has a high carrier mobility (electron mobility) when it contains indium, for example. Further, the semiconductor layer 522 preferably contains the element M. The element M is preferably aluminum (Al), gallium (Ga), yttrium (Y), tin (Sn), or the like. Other elements that can be applied to the element M include boron (B), silicon (Si), titanium (Ti), iron (Fe), nickel (Ni), germanium (Ge), zirconium (Zr), molybdenum (Mo). ), Lanthanum (La), cerium (Ce), neodymium (Nd), hafnium (Hf), tantalum (Ta), and tungsten (W). However, in some cases, a combination of a plurality of the above-mentioned elements may be used as the element M. The element M is, for example, an element having a high binding energy with oxygen. For example, it is an element having a binding energy with oxygen higher than that of indium. Alternatively, the element M is, for example, an element having a function of increasing the energy gap of the oxide semiconductor. In addition, the semiconductor layer 522 preferably contains zinc (Zn). The oxide semiconductor may be easily crystallized when it contains zinc.
ただし、半導体層522は、インジウムを含む酸化物半導体に限定されない。半導体層522は、例えば、亜鉛スズ酸化物、ガリウムスズ酸化物などの、インジウムを含まず、亜鉛を含む酸化物半導体、ガリウムを含む酸化物半導体、スズを含む酸化物半導体などであっても構わない。半導体層522は、例えば、エネルギーギャップが大きい酸化物を用いる。半導体層522のエネルギーギャップは、例えば、2.5eV以上4.2eV以下、好ましくは2.8eV以上3.8eV以下、さらに好ましくは3eV以上3.5eV以下とする。半導体領域520は、後述するCAAC−OSで形成されていることが好ましい。または、少なくとも、半導体層522はCAAC−OSで形成されていることが好ましい。 However, the semiconductor layer 522 is not limited to an oxide semiconductor containing indium. The semiconductor layer 522 may be, for example, an oxide semiconductor containing zinc, an oxide semiconductor containing gallium, an oxide semiconductor containing gallium, an oxide semiconductor containing gallium, which does not contain indium, such as zinc tin oxide or gallium tin oxide. . For the semiconductor layer 522, for example, an oxide with a wide energy gap is used. The energy gap of the semiconductor layer 522 is, for example, 2.5 eV or more and 4.2 eV or less, preferably 2.8 eV or more and 3.8 eV or less, and more preferably 3 eV or more and 3.5 eV or less. The semiconductor region 520 is preferably formed using a CAAC-OS described later. Alternatively, at least the semiconductor layer 522 is preferably formed using a CAAC-OS.
例えば、半導体層521および半導体層523は、半導体層522を構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から構成される酸化物半導体である。半導体層522を構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から半導体層521および半導体層523が構成されるため、半導体層521と半導体層522との界面、および半導体層522と半導体層523との界面において、界面準位が形成されにくい。 For example, the semiconductor layer 521 and the semiconductor layer 523 are oxide semiconductors including one or more elements other than oxygen included in the semiconductor layer 522, or two or more elements. Since the semiconductor layer 521 and the semiconductor layer 523 are composed of one or more elements other than oxygen, which form the semiconductor layer 522, or two or more elements, the interface between the semiconductor layer 521 and the semiconductor layer 522, and the semiconductor layer 522 and the semiconductor layer 523. An interface level is hard to be formed at the interface with and.
なお、半導体層521がIn−M−Zn酸化物のとき、InおよびMの和を100atomic%としたとき、好ましくはInが50atomic%未満、Mが50atomic%より高く、さらに好ましくはInが25atomic%未満、Mが75atomic%より高いとする。半導体層521をスパッタリング法で成膜する場合、上記の組成を満たすスパッタリングターゲットを用いることが好ましい。例えば、In:M:Zn=1:3:2が好ましい。 Note that when the semiconductor layer 521 is an In-M-Zn oxide, when the sum of In and M is 100 atomic%, In is preferably less than 50 atomic%, M is higher than 50 atomic%, more preferably 25 atomic%. And M is higher than 75 atomic%. When the semiconductor layer 521 is formed by a sputtering method, a sputtering target with the above composition is preferably used. For example, In: M: Zn = 1: 3: 2 is preferable.
また、半導体層522がIn−M−Zn酸化物のとき、InおよびMの和を100atomic%としたとき、好ましくはInが25atomic%より高く、Mが75atomic%未満、さらに好ましくはInが34atomic%より高く、Mが66atomic%未満とする。半導体層522をスパッタリング法で成膜する場合、上記の組成を満たすスパッタリングターゲットを用いることが好ましい。例えば、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。特に、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、成膜される半導体層522の原子数比は、In:Ga:Zn=4:2:3近傍となる場合がある。 Further, when the semiconductor layer 522 is an In-M-Zn oxide, In is higher than 25 atomic%, M is less than 75 atomic%, more preferably In is 34 atomic% when the sum of In and M is 100 atomic%. It is higher and M is less than 66 atomic%. When the semiconductor layer 522 is formed by a sputtering method, a sputtering target with the above composition is preferably used. For example, 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 is preferable. In particular, when an atomic ratio of In: Ga: Zn = 4: 2: 4.1 is used as a sputtering target, the atomic ratio of the semiconductor layer 522 to be formed is In: Ga: Zn = 4: 2 :. It may be close to 3.
また、半導体層523がIn−M−Zn酸化物のとき、InおよびMの和を100atomic%としたとき、好ましくはInが50atomic%未満、Mが50atomic%より高く、さらに好ましくはInが25atomic%未満、Mが75atomic%より高くする。なお、半導体層523は、半導体層521と同種の酸化物を用いても構わない。ただし、半導体層521または/および半導体層523がインジウムを含まなくても構わない場合がある。例えば、半導体層521または/および半導体層523が酸化ガリウムであっても構わない。 In addition, when the semiconductor layer 523 is an In-M-Zn oxide, when the sum of In and M is 100 atomic%, In is preferably less than 50 atomic%, M is higher than 50 atomic%, more preferably In is 25 atomic%. And M is higher than 75 atomic%. Note that the semiconductor layer 523 may be formed using the same oxide as the semiconductor layer 521. However, in some cases, the semiconductor layer 521 and / or the semiconductor layer 523 may not contain indium. For example, the semiconductor layer 521 and / or the semiconductor layer 523 may be gallium oxide.
図25を参照して、半導体層521、半導体層522、および半導体層523の積層により構成される半導体領域520の機能およびその効果について、説明する。図25(A)は、図24(B)の部分拡大図であり、トランジスタ581の活性層(チャネル部分)を拡大した図である。図25(B)はトランジスタ581の活性層のエネルギーバンド構造であり、図25(A)の点線z1−z2で示す部位のエネルギーバンド構造を示している。 With reference to FIG. 25, the function and effect of the semiconductor region 520 formed by stacking the semiconductor layer 521, the semiconductor layer 522, and the semiconductor layer 523 will be described. 25A is a partially enlarged view of FIG. 24B and is an enlarged view of the active layer (channel portion) of the transistor 581. 25B shows the energy band structure of the active layer of the transistor 581, and shows the energy band structure of the portion indicated by the dashed line z1-z2 in FIG.
図25(B)の、Ec514、Ec521、Ec522、Ec523、Ec515は、それぞれ、絶縁層514、半導体層521、半導体層522、半導体層523、絶縁層515の伝導帯下端のエネルギーを示している。 Ec 514, Ec 521, Ec 522, Ec 523, and Ec 515 in FIG.
ここで、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差(「電子親和力」ともいう。)は、真空準位と価電子帯上端のエネルギーとの差(イオン化ポテンシャルともいう。)からエネルギーギャップを引いた値となる。なお、エネルギーギャップは、分光エリプソメータを用いて測定できる。また、真空準位と価電子帯上端のエネルギー差は、紫外線光電子分光分析(UPS:Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy)装置を用いて測定できる。 Here, the difference between the vacuum level and the energy at the lower end of the conduction band (also referred to as “electron affinity”) is defined as the energy gap from the difference between the vacuum level and the energy at the upper end of the valence band (also referred to as ionization potential). It will be the subtracted value. The energy gap can be measured using a spectroscopic ellipsometer. The energy difference between the vacuum level and the upper end of the valence band can be measured using an ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) device.
絶縁層515と絶縁層516は絶縁体であるため、Ec513とEc512は、Ec521、Ec522、およびEc523よりも真空準位に近い(電子親和力が小さい)。 Since the insulating layers 515 and 516 are insulators, Ec513 and Ec512 are closer to the vacuum level (electron affinity is lower) than Ec521, Ec522, and Ec523.
半導体層522には、半導体層521および半導体層523よりも電子親和力の大きい酸化物が用いられる。例えば、半導体層522として、半導体層521および半導体層523よりも電子親和力の0.07eV以上1.3eV以下、好ましくは0.1eV以上0.7eV以下、さらに好ましくは0.15eV以上0.4eV以下大きい酸化物が用いられる。なお、電子親和力は、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差である。 For the semiconductor layer 522, an oxide having an electron affinity higher than those of the semiconductor layers 521 and 523 is used. For example, the semiconductor layer 522 has an electron affinity of 0.07 eV or more and 1.3 eV or less, preferably 0.1 eV or more and 0.7 eV or less, more preferably 0.15 eV or more and 0.4 eV or less than the semiconductor layers 521 and 523. Larger oxides are used. The electron affinity is the difference between the vacuum level and the energy at the bottom of the conduction band.
なお、インジウムガリウム酸化物は、小さい電子親和力と、高い酸素ブロック性を有する。そのため、半導体層523がインジウムガリウム酸化物を含むと好ましい。ガリウム原子割合[Ga/(In+Ga)]は、例えば、70%以上、好ましくは80%以上、さらに好ましくは90%以上とする。このとき、ゲート電圧を印加すると、半導体層521、半導体層522、半導体層523のうち、電子親和力の大きい半導体層522にチャネルが形成される。 Note that indium gallium oxide has a low electron affinity and a high oxygen blocking property. Therefore, the semiconductor layer 523 preferably contains indium gallium oxide. The gallium atomic ratio [Ga / (In + Ga)] is, for example, 70% or more, preferably 80% or more, more preferably 90% or more. At this time, when a gate voltage is applied, a channel is formed in the semiconductor layer 522 having a high electron affinity among the semiconductor layers 521, 522, and 523.
ここで、半導体層521と半導体層522との間には、半導体層521と半導体層522との混合領域を有する場合がある。また、半導体層522と半導体層523との間には、半導体層522と半導体層523との混合領域を有する場合がある。混合領域は、界面準位密度が低くなる。そのため、半導体層521、半導体層522および半導体層523の積層体は、それぞれの界面近傍において、エネルギーが連続的に変化する(連続接合ともいう。)バンド構造となる。 Here, a mixed region of the semiconductor layer 521 and the semiconductor layer 522 may be provided between the semiconductor layer 521 and the semiconductor layer 522. Further, a mixed region of the semiconductor layers 522 and 523 may be provided between the semiconductor layers 522 and 523. In the mixed region, the interface state density becomes low. Therefore, the stacked body of the semiconductor layer 521, the semiconductor layer 522, and the semiconductor layer 523 has a band structure in which energy continuously changes (also referred to as a continuous junction) in the vicinity of each interface.
このとき、電子は、半導体層521中および半導体層523中ではなく、半導体層522中を主として移動する。上述したように、半導体層521および半導体層522の界面における界面準位密度、半導体層522と半導体層523との界面における界面準位密度を低くすることによって、半導体層522中で電子の移動が阻害されることが少なく、トランジスタのオン電流を高くすることができる。 At this time, the electrons mainly move in the semiconductor layer 522, not in the semiconductor layers 521 and 523. As described above, by lowering the interface state density at the interface between the semiconductor layer 521 and the semiconductor layer 522 and the interface state density at the interface between the semiconductor layer 522 and the semiconductor layer 523, electrons move in the semiconductor layer 522. It is less likely to be disturbed, and the on-current of the transistor can be increased.
トランジスタのオン電流は、電子の移動を阻害する要因を低減するほど、高くすることができる。例えば、電子の移動を阻害する要因のない場合、効率よく電子が移動すると推定される。電子の移動は、例えば、チャネル形成領域の物理的な凹凸が大きい場合にも阻害される。または、例えば、チャネルの形成される領域中の欠陥準位密度が高い場合にも、電子の移動は阻害される。 The on-state current of the transistor can be increased as the number of factors that hinder the movement of electrons is reduced. For example, if there is no factor that obstructs the movement of electrons, it is estimated that the electrons move efficiently. The movement of electrons is also hindered, for example, when the physical unevenness of the channel formation region is large. Alternatively, for example, even when the defect level density in the region where the channel is formed is high, the electron transfer is hindered.
トランジスタ581のオン電流を高くするためには、例えば、半導体層522の上面または下面(被形成面、ここでは半導体層521)の、1μm×1μmの範囲における二乗平均平方根(RMS:Root Mean Square)粗さが1nm未満、好ましくは0.6nm未満、さらに好ましくは0.5nm未満、より好ましくは0.4nm未満とすればよい。また、1μm×1μmの範囲における平均面粗さ(Raともいう。)が1nm未満、好ましくは0.6nm未満、さらに好ましくは0.5nm未満、より好ましくは0.4nm未満とすればよい。また、1μm×1μmの範囲における最大高低差(P−Vともいう。)が10nm未満、好ましくは9nm未満、さらに好ましくは8nm未満、より好ましくは7nm未満とすればよい。RMS粗さ、RaおよびP−Vは、走査型プローブ顕微鏡システムを用いて測定することができる。 To increase the on-state current of the transistor 581, for example, the root mean square (RMS) of the upper surface or the lower surface (formation surface, here, the semiconductor layer 521) of the semiconductor layer 522 in a range of 1 μm × 1 μm is used. The roughness may be less than 1 nm, preferably less than 0.6 nm, more preferably less than 0.5 nm, and even more preferably less than 0.4 nm. The average surface roughness (also referred to as Ra) in the range of 1 μm × 1 μm is less than 1 nm, preferably less than 0.6 nm, more preferably less than 0.5 nm, and even more preferably less than 0.4 nm. Further, the maximum height difference (also referred to as PV) in the range of 1 μm × 1 μm is less than 10 nm, preferably less than 9 nm, more preferably less than 8 nm, further preferably less than 7 nm. RMS roughness, Ra and PV can be measured using a scanning probe microscope system.
例えば、半導体層522が酸素欠損(VOとも表記する。)を有する場合、酸素欠損のサイトに水素が入り込むことでドナー準位を形成することがある。以下では酸素欠損のサイトに水素が入り込んだ状態をVOHと表記する場合がある。VOHは電子を散乱するため、トランジスタのオン電流を低下させる要因となる。なお、酸素欠損のサイトは、水素が入るよりも酸素が入る方が安定する。したがって、半導体層522中の酸素欠損を低減することで、トランジスタのオン電流を高くすることができる場合がある。 For example, in the case where the semiconductor layer 522 has oxygen vacancies (also referred to as V 2 O ), hydrogen may enter a site of oxygen vacancies to form a donor level. The following may be referred to a state that has entered the hydrogen to oxygen vacancies in the site as V O H. Since V OH scatters electrons, it becomes a factor that reduces the on-current of the transistor. Note that oxygen-deficient sites are more stable when oxygen enters than when hydrogen enters. Therefore, in some cases, the on-state current of the transistor can be increased by reducing oxygen vacancies in the semiconductor layer 522.
例えば、半導体層522のある深さにおいて、または、半導体層522のある領域において、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)で測定される水素濃度は、1×1016atoms/cm3以上、2×1020atoms/cm3以下、好ましくは1×1016atoms/cm3以上、5×1019atoms/cm3以下、より好ましくは1×1016atoms/cm3以上、1×1019atoms/cm3以下、さらに好ましくは1×1016atoms/cm3以上、5×1018atoms/cm3以下とする。 For example, at a certain depth of the semiconductor layer 522 or in a certain region of the semiconductor layer 522, the hydrogen concentration measured by Secondary Ion Mass Spectroscopy (SIMS) is 1 × 10 16 atoms / cm 2. 3 or more and 2 × 10 20 atoms / cm 3 or less, preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more, 5 × 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more, 1 × It is 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less.
半導体層522の酸素欠損を低減するために、例えば、絶縁層515に含まれる過剰酸素を、半導体層521を介して半導体層522まで移動させる方法などがある。この場合、半導体層521は、酸素透過性を有する層(酸素を通過または透過させる層)であることが好ましい。 In order to reduce oxygen vacancies in the semiconductor layer 522, for example, there is a method of moving excess oxygen contained in the insulating layer 515 to the semiconductor layer 522 through the semiconductor layer 521. In this case, the semiconductor layer 521 is preferably a layer having oxygen permeability (a layer which allows oxygen to pass through or transmits).
トランジスタ581がs−channel構造である場合、半導体層522の全体にチャネルが形成される。したがって、半導体層522が厚いほどチャネル領域は大きくなる。即ち、半導体層522が厚いほど、トランジスタ581のオン電流を高くすることができる。 When the transistor 581 has an s-channel structure, a channel is formed over the entire semiconductor layer 522. Therefore, the thicker the semiconductor layer 522, the larger the channel region. That is, the thicker the semiconductor layer 522 is, the higher the on-state current of the transistor 581 can be.
また、トランジスタ581のオン電流を高くするためには、半導体層523の厚さは小さいほど好ましい。半導体層523は、例えば、10nm未満、好ましくは5nm以下、さらに好ましくは3nm以下の領域を有していればよい。一方、半導体層523は、チャネルの形成される半導体層522へ、隣接する絶縁体を構成する酸素以外の元素(水素、シリコンなど)が入り込まないようブロックする機能を有する。そのため、半導体層523は、ある程度の厚さを有することが好ましい。半導体層523は、例えば、0.3nm以上、好ましくは1nm以上、さらに好ましくは2nm以上の厚さの領域を有していればよい。また、半導体層523は、絶縁層515などから放出される酸素の外方拡散を抑制するために、酸素をブロックする性質を有すると好ましい。 Further, in order to increase the on-state current of the transistor 581, it is preferable that the thickness of the semiconductor layer 523 be smaller. The semiconductor layer 523 may have a region of less than 10 nm, preferably 5 nm or less, more preferably 3 nm or less. On the other hand, the semiconductor layer 523 has a function of blocking an element (hydrogen, silicon, or the like) other than oxygen which is included in an adjacent insulator from entering the semiconductor layer 522 in which a channel is formed. Therefore, the semiconductor layer 523 preferably has a certain thickness. The semiconductor layer 523 may have a region with a thickness of 0.3 nm or more, preferably 1 nm or more, more preferably 2 nm or more. In addition, the semiconductor layer 523 preferably has a property of blocking oxygen in order to suppress outward diffusion of oxygen released from the insulating layer 515 and the like.
また、トランジスタ581の信頼性を高くするためには、半導体層521は厚く、半導体層523は薄いことが好ましい。半導体層521は、例えば、10nm以上、好ましくは20nm以上、さらに好ましくは40nm以上、より好ましくは60nm以上の厚さの領域を有していればよい。半導体層521の厚さを、厚くすることで、隣接する絶縁体と半導体層521との界面からチャネルの形成される半導体層522までの距離を離すことができる。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、半導体層521は、例えば、200nm以下、好ましくは120nm以下、さらに好ましくは80nm以下の厚さの領域を有していればよい。 In addition, in order to increase the reliability of the transistor 581, the semiconductor layer 521 is preferably thick and the semiconductor layer 523 is preferably thin. The semiconductor layer 521 may have a region with a thickness of, for example, 10 nm or more, preferably 20 nm or more, further preferably 40 nm or more, more preferably 60 nm or more. By increasing the thickness of the semiconductor layer 521, the distance from the interface between the adjacent insulator and the semiconductor layer 521 to the semiconductor layer 522 where the channel is formed can be increased. However, since the productivity of the semiconductor device may be reduced, the semiconductor layer 521 may have a region with a thickness of, for example, 200 nm or less, preferably 120 nm or less, further preferably 80 nm or less.
トランジスタ581に安定した電気特性を付与するには、半導体領域520中の不純物濃度を低減し、半導体層522を真性または実質的に真性にすることが有効である。なお、本明細書等において、酸化物半導体が実質的に真性であるという場合、酸化物半導体のキャリア密度が、8×1011個/cm3未満、好ましくは1×1011個/cm3未満、さらに好ましくは1×1010個/cm3未満であり、且つ、1×10−9個/cm3以上であることを指す。 In order to impart stable electric characteristics to the transistor 581, it is effective to reduce the impurity concentration in the semiconductor region 520 and make the semiconductor layer 522 intrinsic or substantially intrinsic. Note that in this specification and the like, when an oxide semiconductor is substantially intrinsic, the carrier density of the oxide semiconductor is less than 8 × 10 11 pieces / cm 3 , preferably less than 1 × 10 11 pieces / cm 3. And more preferably less than 1 × 10 10 pieces / cm 3 and 1 × 10 −9 pieces / cm 3 or more.
酸化物半導体において、水素、窒素、炭素、シリコン、および主成分以外の金属元素は不純物となる。例えば、水素および窒素はドナー準位の形成に寄与し、キャリア密度を増大させてしまう。また、シリコンは酸化物半導体中で不純物準位の形成に寄与する。当該不純物準位はトラップとなり、トランジスタの電気特性を劣化させることがある。したがって、半導体層521、半導体層522および半導体層523の層中や、それぞれの界面において不純物濃度を低減させることが好ましい。 In the oxide semiconductor, hydrogen, nitrogen, carbon, silicon, and metal elements other than the main components are impurities. For example, hydrogen and nitrogen contribute to the formation of donor levels and increase the carrier density. In addition, silicon contributes to the formation of impurity levels in the oxide semiconductor. The impurity level serves as a trap and may deteriorate the electrical characteristics of the transistor. Therefore, it is preferable to reduce the impurity concentration in the layers of the semiconductor layer 521, the semiconductor layer 522, and the semiconductor layer 523, or at each interface.
例えば、半導体層522と半導体層521との間に、シリコン濃度が1×1016atoms/cm3以上かつ1×1019atoms/cm3未満である領域を有する。シリコン濃度は、1×1016atoms/cm3以上かつ5×1018atoms/cm3未満が好ましく、1×1016atoms/cm3以上かつ2×1018atoms/cm3未満であることがより好ましい。また、半導体層522と半導体層523との間に、シリコン濃度が1×1016atoms/cm3以上かつ1×1019atoms/cm3未満である領域を有する。シリコン濃度は1×1016atoms/cm3以上かつ5×1018atoms/cm3未満が好ましく、1×1016atoms/cm3以上、2×1018atoms/cm3未満がより好ましい。シリコン濃度は例えばSIMSで測定することができる。 For example, a region having a silicon concentration of 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 is provided between the semiconductor layer 522 and the semiconductor layer 521. Silicon concentration more be less than 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 5 × 10 18 atoms / cm 3 is preferably less than 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 2 × 10 18 atoms / cm 3 preferable. In addition, a region having a silicon concentration of 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 is provided between the semiconductor layers 522 and 523. The silicon concentration is preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and less than 5 × 10 18 atoms / cm 3, more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and less than 2 × 10 18 atoms / cm 3 . The silicon concentration can be measured by SIMS, for example.
また、半導体層522の水素濃度を低減するために、半導体層521および半導体層523の水素濃度を低減すると好ましい。半導体層521および半導体層523は、水素濃度が1×1016atoms/cm3以上かつ2×1020atoms/cm3以下の領域を有する。水素濃度は、1×1016atoms/cm3以上かつ5×1019atoms/cm3以下が好ましく、1×1016atoms/cm3以上かつ1×1019atoms/cm3以下がより好ましく、1×1016atoms/cm3以上かつ5×1018atoms/cm3以下がさらに好ましい。水素濃度は例えばSIMSで測定することができる。 Further, in order to reduce the hydrogen concentration of the semiconductor layer 522, it is preferable to reduce the hydrogen concentration of the semiconductor layers 521 and 523. The semiconductor layers 521 and 523 each have a region with a hydrogen concentration of 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 2 × 10 20 atoms / cm 3 or less. The hydrogen concentration is preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 5 × 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less, 1 It is more preferably not less than × 10 16 atoms / cm 3 and not more than 5 × 10 18 atoms / cm 3 . The hydrogen concentration can be measured by SIMS, for example.
半導体層522の窒素濃度を低減するために、半導体層521および半導体層523の窒素濃度を低減すると好ましい。半導体層521および半導体層523は、窒素濃度が1×1016atoms/cm3以上かつ5×1019atoms/cm3未満の領域を有する。窒素濃度は1×1016atoms/cm3以上かつ5×1018atoms/cm3以下が好ましく、1×1016atoms/cm3以上かつ1×1018atoms/cm3以下がより好ましく、1×1016atoms/cm3以上かつ5×1017atoms/cm3以下がさらに好ましい。窒素濃度はSIMSで測定することができる。 In order to reduce the nitrogen concentration of the semiconductor layer 522, it is preferable to reduce the nitrogen concentration of the semiconductor layers 521 and 523. The semiconductor layers 521 and 523 each have a region with a nitrogen concentration of 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and less than 5 × 10 19 atoms / cm 3 . The nitrogen concentration is preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, and 1 × More preferably, it is 10 16 atoms / cm 3 or more and 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less. The nitrogen concentration can be measured by SIMS.
また、上述のように高純度化された酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタのオフ電流は極めて小さい。例えば、ソースとドレインとの間の電圧を0.1(V)、5(V)、または、10(V)程度とした場合に、トランジスタのチャネル幅で規格化したオフ電流を数yA/μmから数zA/μmにまで低減することが可能となる。 Further, the off-state current of a transistor including a highly purified oxide semiconductor in a channel formation region as described above is extremely low. For example, when the voltage between the source and the drain is about 0.1 (V), 5 (V), or 10 (V), the off-current standardized by the channel width of the transistor is several yA / μm. To several zA / μm can be reduced.
図24は、半導体領域520が3層の例であるが、これに限定されない。例えば、半導体層521または半導体層523が無い2層構造としてもよい。または、半導体層521の上もしくは下、または半導体層523上もしくは下に、半導体層521乃至523と同様の半導体層を設けて、4層構造とすることも可能である。または、半導体層521の上、半導体層521の下、半導体層523の上、半導体層523の下のいずれか二箇所以上に、半導体層521乃至523と同様の半導体層を設けて、n層構造(nは5以上の整数)とすることもできる。 FIG. 24 shows an example in which the semiconductor region 520 has three layers, but the invention is not limited to this. For example, a two-layer structure without the semiconductor layer 521 or the semiconductor layer 523 may be used. Alternatively, a semiconductor layer similar to the semiconductor layers 521 to 523 can be provided over or below the semiconductor layer 521 or above or below the semiconductor layer 523 to have a four-layer structure. Alternatively, a semiconductor layer similar to the semiconductor layers 521 to 523 is provided at any two or more positions above the semiconductor layer 521, below the semiconductor layer 521, above the semiconductor layer 523, and below the semiconductor layer 523 to form an n-layer structure. (N is an integer of 5 or more).
トランジスタ581をバックゲート電極の無いトランジスタにする場合、導電層533を設けなければよい。この場合、絶縁層512も設けず、絶縁層511上に絶縁層513を形成すればよい。 When the transistor 581 is a transistor without a back gate electrode, the conductive layer 533 may not be provided. In this case, the insulating layer 512 is not provided and the insulating layer 513 may be formed over the insulating layer 511.
<構成例2>
図24に示すトランジスタ581は、導電層530をマスクにして、半導体層523及び絶縁層515をエッチングすることができる。そのような工程を経たOSトランジスタの構成例を図26(A)に示す。図26(A)に示すトランジスタ582では、半導体層523および絶縁層515の端部は導電層530の端部とほぼ一致することになる。導電層530の下部のみに半導体層523および絶縁層515が存在する。
<Structure example 2>
In the transistor 581 illustrated in FIG. 24, the semiconductor layer 523 and the insulating layer 515 can be etched using the conductive layer 530 as a mask. An example of a structure of an OS transistor which has undergone such a process is shown in FIG. In the transistor 582 illustrated in FIG. 26A, the end portions of the semiconductor layer 523 and the insulating layer 515 substantially match the end portions of the conductive layer 530. The semiconductor layer 523 and the insulating layer 515 exist only under the conductive layer 530.
<構成例3>
図26(B)に示すトランジスタ583は、トランジスタ582に導電層535、導電層536を追加したデバイス構造を有する。トランジスタ582のソース電極およびドレイン電極として一対の電極は、導電層535と導電層531の積層、および導電層536と導電層532の積層で構成される。
<Structure example 3>
A transistor 583 illustrated in FIG. 26B has a device structure in which a conductive layer 535 and a conductive layer 536 are added to the transistor 582. A pair of electrodes serving as a source electrode and a drain electrode of the transistor 582 includes a stack of a conductive layer 535 and a conductive layer 531 and a stack of a conductive layer 536 and a conductive layer 532.
導電層535、536は、単層または積層の導電体で形成される。例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を用いることができる。導電体は合金膜や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。 The conductive layers 535 and 536 are formed using a single-layer or stacked conductor. For example, boron, nitrogen, oxygen, fluorine, silicon, phosphorus, aluminum, titanium, chromium, manganese, cobalt, nickel, copper, zinc, gallium, yttrium, zirconium, molybdenum, ruthenium, silver, indium, tin, tantalum and tungsten. A conductor containing one or more kinds can be used. The conductor may be an alloy film or a compound, including a conductor containing aluminum, a conductor containing copper and titanium, a conductor containing copper and manganese, a conductor containing indium, tin and oxygen, and titanium and nitrogen. A conductor or the like may be used.
導電層535、536は可視光線を透過する性質を有してよい。または、導電層535、536は可視光線、紫外線、赤外線もしくはX線を、反射もしくは吸収することで透過させない性質を有してもよい。このような性質を有することで、トランジスタ582の電気特性の迷光による変動を抑制できる場合がある。 The conductive layers 535 and 536 may have a property of transmitting visible light. Alternatively, the conductive layers 535 and 536 may have a property of not transmitting visible light, ultraviolet light, infrared light, or X-ray by reflecting or absorbing it. With such a property, variation in electrical characteristics of the transistor 582 due to stray light can be suppressed in some cases.
導電層535、536は、半導体層522などとの間にショットキー障壁を形成しない層を用いると好ましい場合がある。こうすることで、トランジスタ583のオン特性を向上させることができる。 As the conductive layers 535 and 536, it is preferable to use a layer which does not form a Schottky barrier with the semiconductor layer 522 or the like. Thus, the on characteristics of the transistor 583 can be improved.
導電層535、536は、導電層531、532よりも高抵抗の膜を用いると好ましい場合がある。また、導電層535、536は、トランジスタ583のチャネル(具体的には、半導体層522)よりも抵抗を低いことが好ましい場合がある。例えば、導電層535、536の抵抗率を、0.1Ωcm以上100Ωcm以下、または0.5Ωcm以上50Ωcm以下、または1Ωcm以上10Ωcm以下とすればよい。導電層535、536の抵抗率を上述の範囲とすることにより、チャネルとドレインとの境界部における電界集中を緩和することができる。そのため、トランジスタ583の電気特性の変動を低減することができる。また、ドレインから生じる電界に起因したパンチスルー電流を低減することができる。そのため、チャネル長の短いトランジスタにおいても、飽和特性を良好にすることができる。なお、ソースとドレインとが入れ替わらない回路構成であれば、導電層535および導電層536のいずれか一方のみ(例えば、ドレイン側)を配置するほうが好ましい場合がある。 As the conductive layers 535 and 536, it may be preferable to use a film having a higher resistance than the conductive layers 531 and 532. In some cases, the conductive layers 535 and 536 preferably have lower resistance than the channel of the transistor 583 (specifically, the semiconductor layer 522). For example, the resistivity of the conductive layers 535 and 536 may be 0.1 Ωcm or more and 100 Ωcm or less, or 0.5 Ωcm or more and 50 Ωcm or less, or 1 Ωcm or more and 10 Ωcm or less. By setting the resistivity of the conductive layers 535 and 536 within the above range, electric field concentration at the boundary between the channel and the drain can be reduced. Therefore, variation in electric characteristics of the transistor 583 can be reduced. In addition, punch-through current due to the electric field generated from the drain can be reduced. Therefore, the saturation characteristics can be improved even in a transistor having a short channel length. Note that in some circuit configurations in which the source and the drain are not interchanged, it may be preferable to dispose only one of the conductive layers 535 and 536 (for example, the drain side).
<構成例4>
図24に示すトランジスタ581は、導電層531及び導電層532が、半導体層521、522の側面と接していてもよい。そのような構成例を図26(C)に示す。図26(C)に示すトランジスタ584は、導電層531及び導電層532が半導体層521の側面及び半導体層522の側面と接している。
<Structure example 4>
In the transistor 581 illustrated in FIG. 24, the conductive layer 531 and the conductive layer 532 may be in contact with side surfaces of the semiconductor layers 521 and 522. An example of such a structure is shown in FIG. In the transistor 584 illustrated in FIG. 26C, the conductive layer 531 and the conductive layer 532 are in contact with the side surface of the semiconductor layer 521 and the side surface of the semiconductor layer 522.
<酸化物半導体膜の結晶構造>
以下に、半導体領域520を構成する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、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。
<Crystal structure of oxide semiconductor film>
The structure of the oxide semiconductor film included in the semiconductor region 520 is described below. Note that in this specification, a trigonal crystal or a rhombohedral crystal is referred to as a hexagonal crystal system.
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大別される。非単結晶酸化物半導体膜とは、CAAC−OS膜、多結晶酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、非晶質酸化物半導体膜などをいう。 The oxide semiconductor film is roughly classified into a non-single-crystal oxide semiconductor film and a single-crystal oxide semiconductor film. The non-single-crystal oxide semiconductor film refers to a CAAC-OS film, a polycrystalline oxide semiconductor film, a microcrystalline oxide semiconductor film, an amorphous oxide semiconductor film, or the like.
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。 In this specification, “parallel” means a state in which two straight lines are arranged at an angle of −10 ° or more and 10 ° or less. Therefore, the case of -5 ° or more and 5 ° or less is also included. Further, “substantially parallel” means a state in which two straight lines are arranged at an angle of −30 ° or more and 30 ° or less. Further, “vertical” means a state in which two straight lines are arranged at an angle of 80 ° or more and 100 ° or less. Therefore, the case of 85 ° or more and 95 ° or less is included. Further, “substantially vertical” means a state in which two straight lines are arranged at an angle of 60 ° or more and 120 ° or less.
[CAAC−OS膜]
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。
[CAAC-OS film]
The CAAC-OS film is one of oxide semiconductor films including a plurality of c-axis aligned crystal parts.
透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)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。 Confirming a plurality of crystal parts by observing a composite analysis image (also referred to as a high-resolution TEM image) of a bright field image and a diffraction pattern of the CAAC-OS film by a transmission electron microscope (TEM). You can On the other hand, a clear boundary between crystal parts, that is, a crystal grain boundary (also referred to as a grain boundary) cannot be confirmed by a high-resolution TEM image. Therefore, it can be said that in the CAAC-OS film, electron mobility is less likely to be reduced due to the crystal grain boundaries.
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。 When a high-resolution TEM image of a cross section of the CAAC-OS film is observed from a direction substantially parallel to the sample surface, it can be confirmed that metal atoms are arranged in a layered manner in the crystal part. Each layer of metal atoms has a shape that reflects unevenness of a surface (also referred to as a formation surface) or a top surface of the CAAC-OS film which is to be formed, and is arranged in parallel to the formation surface or the top surface of the CAAC-OS film. .
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。 On the other hand, when a high-resolution TEM image of the plane of the CAAC-OS film is observed from a direction substantially perpendicular to the sample surface, it can be confirmed that the metal atoms are arranged in a triangular shape or a hexagonal shape in the crystal part. However, there is no regularity in the arrangement of metal atoms between different crystal parts.
CAAC−OS膜に対し、X線回折(XRD:X−Ray Diffraction)装置を用いて構造解析を行うと、例えばInGaZnO4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、InGaZnO4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。 When the structural analysis of the CAAC-OS film is performed using an X-ray diffraction (XRD) apparatus, for example, in the analysis of the CAAC-OS film including a crystal of InGaZnO 4 by the out-of-plane method, A peak may appear near the diffraction angle (2θ) of 31 °. Since this peak belongs to the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal, the crystal of the CAAC-OS film has c-axis orientation, and the c-axis faces a direction substantially perpendicular to the formation surface or the top surface. Can be confirmed.
InGaZnO4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。 In the analysis of the CAAC-OS film including an InGaZnO 4 crystal by the out-of-plane method, a peak may appear near 2θ of 36 ° in addition to the peak at 2θ of 31 °. The peak near 2θ of 36 ° indicates that a part of the CAAC-OS film contains a crystal having no c-axis orientation. The CAAC-OS film preferably has a peak at 2θ of around 31 ° and no peak at 2θ of around 36 °.
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。 The CAAC-OS film is an oxide semiconductor film with low impurity concentration. The impurities are elements other than the main components of the oxide semiconductor film, such as hydrogen, carbon, silicon, and transition metal elements. In particular, an element such as silicon which has a stronger bonding force with oxygen than a metal element forming the oxide semiconductor film deprives the oxide semiconductor film of oxygen and thus disturbs the atomic arrangement of the oxide semiconductor film to cause crystallinity. Will be a factor to reduce. In addition, heavy metals such as iron and nickel, argon, carbon dioxide, and the like have a large atomic radius (or molecular radius); therefore, when contained in the oxide semiconductor film, the atomic arrangement of the oxide semiconductor film is disturbed and crystallinity is increased. Will be a factor to reduce. Note that the impurities contained in the oxide semiconductor film might serve as carrier traps or carrier generation sources.
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。 The CAAC-OS film is an oxide semiconductor film having a low density of defect states. For example, oxygen vacancies in the oxide semiconductor film might serve as carrier traps or carrier generation sources by capturing hydrogen.
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。 The low impurity concentration and low defect level density (low oxygen deficiency) is called high-purity intrinsic or substantially high-purity intrinsic. A highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film has few carrier generation sources and thus can have a low carrier density. Therefore, a transistor including the oxide semiconductor film rarely has negative threshold voltage (is rarely normally on). Further, a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film has few carrier traps. Therefore, a transistor including the oxide semiconductor film has high variation in electric characteristics and high reliability. Note that the charge trapped in the carrier trap of the oxide semiconductor film takes a long time to be released, and may behave like fixed charge. Therefore, a transistor including an oxide semiconductor film having a high impurity concentration and a high density of defect states might have unstable electric characteristics.
CAAC−OS膜を用いたOS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。 An OS transistor including a CAAC-OS film has little variation in electric characteristics due to irradiation with visible light or ultraviolet light.
[微結晶酸化物半導体膜]
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(nanocrystalline Oxide Semiconductor)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。
[Microcrystalline oxide semiconductor film]
The microcrystalline oxide semiconductor film has a region where a crystal part can be confirmed and a region where a clear crystal part cannot be confirmed in a high-resolution TEM image. A crystal part included in the microcrystalline oxide semiconductor film is often 1 nm to 100 nm inclusive, or 1 nm to 10 nm inclusive. In particular, an oxide semiconductor film having nanocrystals (nc: nanocrystals) of 1 nm or more and 10 nm or less, or 1 nm or more and 3 nm or less is referred to as an nc-OS (nanocrystalline Oxide Semiconductor) film. Further, in the nc-OS film, for example, in a high-resolution TEM image, crystal grain boundaries may not be clearly confirmed in some cases.
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。 The nc-OS film has periodicity in atomic arrangement in a minute region (for example, a region of 1 nm to 10 nm, particularly a region of 1 nm to 3 nm). In the nc-OS film, no regularity is found in crystal orientation between different crystal parts. Therefore, no orientation is seen in the entire film. Therefore, the nc-OS film may be indistinguishable from the amorphous oxide semiconductor film depending on the analysis method. For example, when a structural analysis is performed on the nc-OS film by using an XRD apparatus that uses X-rays having a diameter larger than that of the crystal part, a peak indicating a crystal plane is not detected in the analysis by the out-of-plane method. Further, when electron diffraction (also referred to as selected area electron diffraction) using an electron beam having a probe diameter (eg, 50 nm or more) larger than that of a crystal portion is performed on the nc-OS film, a diffraction pattern such as a halo pattern is observed. To be done. On the other hand, spots are observed when the nc-OS film is subjected to nanobeam electron diffraction using an electron beam having a probe diameter close to or smaller than that of the crystal part. In addition, when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS film, a region with high luminance may be observed like a circle (in a ring shape). Further, when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS film, a plurality of spots may be observed in the ring-shaped region.
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。 The nc-OS film is an oxide semiconductor film having higher regularity than an amorphous oxide semiconductor film. Therefore, the nc-OS film has a lower density of defect states than the amorphous oxide semiconductor film. However, in the nc-OS film, there is no regularity in crystal orientation between different crystal parts. Therefore, the nc-OS film has a higher density of defect states than the CAAC-OS film.
[非晶質酸化物半導体膜]
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。
[Amorphous oxide semiconductor film]
The amorphous oxide semiconductor film is an oxide semiconductor film in which atomic arrangement in the film is irregular and which does not have a crystal part. An example is an oxide semiconductor film having an amorphous state such as quartz.
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。 In the high-resolution TEM image of the amorphous oxide semiconductor film, crystal parts cannot be found. When a structural analysis using an XRD apparatus is performed on the amorphous oxide semiconductor film, a peak indicating a crystal plane is not detected in the analysis by the out-of-plane method. When electron diffraction is performed on the amorphous oxide semiconductor film, a halo pattern is observed. When nanobeam electron diffraction is performed on the amorphous oxide semiconductor film, no spot is observed and a halo pattern is observed.
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−like OS:amorphous−like Oxide Semiconductor)膜と呼ぶ。 The oxide semiconductor film may have a structure having physical properties between the nc-OS film and the amorphous oxide semiconductor film. An oxide semiconductor film having such a structure is particularly referred to as an amorphous-like oxide semiconductor (a-like OS: amorphous-like oxide semiconductor) film.
a−like OS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−like OS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。 In the high-resolution TEM image of the a-like OS film, a void may be observed. In addition, in the high-resolution TEM image, there is a region where a crystal part can be clearly confirmed and a region where a crystal part cannot be confirmed. The a-like OS film may be crystallized by the irradiation of a small amount of electrons as observed with a TEM, and growth of a crystal part may be observed. On the other hand, in the case of a good nc-OS film, almost no crystallization due to a small amount of electron irradiation as observed by TEM is observed.
a−like OS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、InGaZnO4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。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。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InGaZnO4の結晶のa−b面に対応する。 The size of the crystal part of the a-like OS film and the nc-OS film can be measured using a high resolution TEM image. For example, a crystal of InGaZnO 4 has a layered structure and includes two Ga—Zn—O layers between In—O layers. The unit cell of the InGaZnO 4 crystal has a structure in which three layers of In—O layers and six layers of Ga—Zn—O layers, nine layers in total, are layered in the c-axis direction. Therefore, the distance between these adjacent layers is about the same as the lattice distance (also referred to as the d value) of the (009) plane, and the value is determined to be 0.29 nm from the crystal structure analysis. Therefore, paying attention to the lattice fringes in the high-resolution TEM image, each lattice fringe corresponds to the ab plane of the InGaZnO 4 crystal at the place where the lattice fringe spacing is 0.28 nm or more and 0.30 nm or less.
酸化物半導体膜は、構造ごとに膜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酸化物半導体膜の膜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、単結晶酸化物半導体膜の膜密度に対し、a−like OS膜の膜密度は78.6%以上92.3%未満となる。また、例えば、単結晶酸化物半導体膜の膜密度に対し、nc−OS膜の膜密度およびCAAC−OS膜の膜密度は92.3%以上100%未満となる。なお、単結晶酸化物半導体膜の膜密度に対し膜密度が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。 The oxide semiconductor film may have different film density depending on the structure. For example, if the composition of an oxide semiconductor film is known, the structure of the oxide semiconductor film can be estimated by comparing with the film density of a single crystal oxide semiconductor film having the same composition. For example, the film density of the a-like OS film is greater than or equal to 78.6% and less than 92.3% of the film density of the single crystal oxide semiconductor film. Further, for example, with respect to the film density of the single crystal oxide semiconductor film, the film density of the nc-OS film and the film density of the CAAC-OS film are 92.3% or more and less than 100%. Note that it is difficult to form an oxide semiconductor film having a film density of less than 78% with respect to the film density of a single crystal oxide semiconductor film.
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InGaZnO4の膜密度は6.357g/cm3となる。よって、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体膜において、a−like OS膜の膜密度は5.0g/cm3以上5.9g/cm3未満となる。また、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体膜において、nc−OS膜の膜密度およびCAAC−OS膜の膜密度は5.9g/cm3以上6.3g/cm3未満となる。 The above will be described using a specific example. For example, in an oxide semiconductor film that satisfies In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio], the film density of single crystal InGaZnO 4 having a rhombohedral structure is 6.357 g / cm 3 . Thus, for example, In: Ga: Zn = 1 : 1: 1 in the oxide semiconductor film which satisfies the atomic ratio of the film density of a-like OS film 5.0 g / cm 3 or more 5.9 g / cm 3 Less than Further, for example, in an oxide semiconductor film satisfying In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio], the film density of the nc-OS film and the film density of the CAAC-OS film are 5.9 g / cm 3. The above is less than 6.3 g / cm 3 .
なお、同じ組成の単結晶酸化物半導体膜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酸化物半導体膜を組み合わせることにより、所望の組成の単結晶酸化物半導体膜に相当する膜密度を算出することができる。所望の組成の単結晶酸化物半導体膜の膜密度は、組成の異なる単結晶酸化物半導体膜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、膜密度は、可能な限り少ない種類の単結晶酸化物半導体膜を組み合わせて算出することが好ましい。 Note that a single crystal oxide semiconductor film having the same composition may not exist. In that case, by combining single crystal oxide semiconductor films having different compositions at an arbitrary ratio, the film density corresponding to the single crystal oxide semiconductor film having a desired composition can be calculated. The film density of a single crystal oxide semiconductor film having a desired composition may be calculated using a weighted average with respect to a ratio of combining single crystal oxide semiconductor films having different compositions. However, the film density is preferably calculated by combining as few kinds of single crystal oxide semiconductor films as possible.
なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、a−like OS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。 Note that the oxide semiconductor film may be, for example, a stacked film including two or more of an amorphous oxide semiconductor film, an a-like OS film, a microcrystalline oxide semiconductor film, and a CAAC-OS film. .
<成膜方法>
半導体装置を構成する絶縁層、導電層、半導体層等の成膜方法としては、スパッタ法や、プラズマCVD法が代表的である。その他の方法、例えば、熱CVD法により形成すること可能である。熱CVD法として、例えば、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法やALD(Atomic Layer Deposition)法を使用することができる。
<Film forming method>
As a method for forming an insulating layer, a conductive layer, a semiconductor layer, and the like which form a semiconductor device, a sputtering method and a plasma CVD method are typical. It can be formed by another method, for example, a thermal CVD method. As the thermal CVD method, for example, a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method or an ALD (Atomic Layer Deposition) method can be used.
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、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、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。 Since the thermal CVD method is a film forming method that does not use plasma, it has an advantage that defects are not generated due to plasma damage. In the thermal CVD method, the inside of the chamber may be at atmospheric pressure or reduced pressure, the source gas and the oxidant may be simultaneously sent into the chamber, and the reaction may be performed in the vicinity of the substrate or on the substrate to deposit the film on the substrate. .
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に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)を切り換えて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の単原子層を成膜し、後から導入される第2の原料ガスと反応して、第2の単原子層が第1の単原子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。 In the ALD method, the film may be formed by setting the inside of the chamber under atmospheric pressure or reduced pressure, sequentially introducing the raw material gases for the reaction into the chamber, and repeating the order of introducing the gas. For example, by switching respective switching valves (also referred to as high-speed valves), two or more kinds of raw material gases are sequentially supplied to the chamber, and at the same time as or after the first raw material gas is mixed so that plural kinds of raw material gases are not mixed. An active gas (argon, nitrogen, or the like) is introduced, and a second source gas is introduced. When the inert gas is introduced at the same time, the inert gas becomes a carrier gas, and the inert gas may be introduced at the same time when the second source gas is introduced. Further, instead of introducing the inert gas, the second raw material gas may be introduced after exhausting the first raw material gas by evacuation. The first source gas is adsorbed on the surface of the substrate to form a first monoatomic layer, and reacts with a second source gas introduced later, so that the second monoatomic layer becomes the first monolayer. A thin film is formed by stacking on the atomic layer. By repeating the gas introduction sequence a plurality of times while controlling the gas introduction sequence, a thin film having excellent step coverage can be formed. Since the thickness of the thin film can be adjusted by the number of times the gas introduction sequence is repeated, it is possible to precisely adjust the film thickness, which is suitable for producing a fine FET.
MOCVD法やALD法などの熱CVD法は、これまでに記載した実施形態に開示された導電膜や半導体膜を形成することができ、例えば、InGaZnOX(X>0)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。 The thermal CVD method such as MOCVD method or ALD method can form the conductive film and the semiconductor film disclosed in the above-described embodiments. For example, in the case of forming an InGaZnO X (X> 0) film. For this, trimethylindium, trimethylgallium, and dimethylzinc are used. The chemical formula of trimethylindium is In (CH 3 ) 3 . The chemical formula of trimethylgallium is Ga (CH 3 ) 3 . The chemical formula of dimethylzinc is Zn (CH 3 ) 2 . Further, without being limited to these combinations, triethylgallium (chemical formula Ga (C 2 H 5 ) 3 ) can be used instead of trimethylgallium, and diethyl zinc (chemical formula Zn (C 2 H 5 )) can be used instead of dimethylzinc. 2 ) can also be used.
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。 For example, when forming a tungsten film by a film forming apparatus using ALD, WF 6 gas and B 2 H 6 gas are sequentially and repeatedly introduced to form an initial tungsten film, and then WF 6 gas and H 2 gas are added. A tungsten film is formed using gas. Note that SiH 4 gas may be used instead of B 2 H 6 gas.
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InGaZnOX(X>0)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InO2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InGaO2層やInZnO2層、GaInO層、ZnInO層、GaZnO層などの混合化合物層を形成してもよい。なお、O3ガスに変えてAr等の不活性ガスでバブリングして得られたH2Oガスを用いてもよいが、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ガスを用いてもよい。また、Ga(CH3)3ガスにかえて、Ga(C2H5)3ガスを用いてもよい。また、Zn(CH3)2ガスを用いてもよい。 For example, when an oxide semiconductor film, for example, an InGaZnO x (X> 0) film is formed by a film forming apparatus using ALD, In (CH 3 ) 3 gas and O 3 gas are sequentially and repeatedly introduced to introduce InO Two layers are formed, and then a GaO layer is formed by using Ga (CH 3 ) 3 gas and O 3 gas, and further, a ZnO layer is formed by using Zn (CH 3 ) 2 gas and O 3 gas. The order of these layers is not limited to this example. Further, a mixed compound layer such as an InGaO 2 layer, an InZnO 2 layer, a GaInO layer, a ZnInO layer, or a GaZnO layer may be formed by mixing these gases. Incidentally, instead of the O 3 gas may be used the H 2 O gas obtained by bubbling with an inert gas such as Ar, but better to use an O 3 gas containing no H are preferred. Further, In (CH 3) 3 in place of the gas may be used In (C 2 H 5) 3 gas. Further, Ga (C 2 H 5 ) 3 gas may be used instead of Ga (CH 3 ) 3 gas. Alternatively, Zn (CH 3 ) 2 gas may be used.
本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせることができる。 The structure and the method described in this embodiment can be combined with structures and methods described in other embodiments as appropriate.
(実施の形態6)
本実施の形態では、半導体装置の一例として、電子部品、及び電子部品を具備する電子機器等について説明する。
(Embodiment 6)
In this embodiment, as an example of a semiconductor device, an electronic component, an electronic device including the electronic component, and the like will be described.
図27(A)は、電子部品の作製方法例を示すフローチャートである。電子部品は、半導体パッケージ、IC用パッケージ、またはパッケージともいう。この電子部品は、端子取り出し方向や、端子の形状に応じて、複数の規格や名称が存在する。そこで、本実施の形態では、その一例について説明することにする。 FIG. 27A is a flowchart illustrating an example of a method for manufacturing an electronic component. Electronic components are also called semiconductor packages, IC packages, or packages. This electronic component has a plurality of standards and names depending on the direction in which the terminal is taken out and the shape of the terminal. Therefore, in this embodiment, an example thereof will be described.
トランジスタで構成される半導体装置は、組み立て工程(後工程)を経て、プリント基板に脱着可能な部品が複数合わさることで完成する。後工程については、図27(A)に示す各工程を経ることで完成させることができる。具体的には、前工程で得られる素子基板が完成(ステップS1)した後、基板を複数のチップに分離するダイシング工程を行う(ステップS2)。基板を複数に分割する前に、基板を薄膜化して、前工程での基板の反り等を低減し、部品の小型化を図る。 A semiconductor device including a transistor is completed by assembling a plurality of detachable components on a printed circuit board through an assembly process (post process). The post-process can be completed by passing through each process shown in FIG. Specifically, after the element substrate obtained in the previous step is completed (step S1), a dicing step of separating the substrate into a plurality of chips is performed (step S2). Before the substrate is divided into a plurality of parts, the substrate is thinned to reduce the warp of the substrate in the previous process and to reduce the size of parts.
チップをピックアップしてリードフレーム上に搭載し接合する、ダイボンディング工程を行う(ステップS3)。ダイボンディング工程におけるチップとリードフレームとの接着は樹脂やテープによって行えばよい。接着方法は製品に適した方法を選択すればよい。ダイボンディング工程は、インターポーザ上にチップを搭載し接合してもよい。ワイヤーボンディング工程で、リードフレームのリードとチップ上の電極とを金属の細線(ワイヤー)で電気的に接続する(ステップS4)。金属の細線には、銀線や金線を用いることができる。ワイヤーボンディングは、ボールボンディングとウェッジボンディングの何れでもよい。 A die bonding process of picking up the chip, mounting it on the lead frame and bonding it is performed (step S3). Adhesion between the chip and the lead frame in the die bonding process may be performed with resin or tape. As the bonding method, a method suitable for the product may be selected. In the die bonding process, a chip may be mounted on the interposer and bonded. In the wire bonding step, the leads of the lead frame and the electrodes on the chip are electrically connected with a thin metal wire (step S4). A silver wire or a gold wire can be used as the thin metal wire. The wire bonding may be either ball bonding or wedge bonding.
ワイヤーボンディングされたチップは、エポキシ樹脂等で封止される、モールド工程が施される(ステップS5)。リードフレームのリードをメッキ処理する。そしてリードを切断及び成形加工する(ステップS6)。めっき処理によりリードの錆を防止し、後にプリント基板に実装する際のはんだ付けをより確実に行うことができる。パッケージの表面に印字処理(マーキング)を施す(ステップS7)。検査工程(ステップS8)を経て、電子部品が完成する(ステップS9)。上掲した実施の形態の半導体装置を組み込むことで、低消費電力で、小型な電子部品を提供することができる。 The wire-bonded chip is sealed with epoxy resin or the like and subjected to a molding process (step S5). The lead of the lead frame is plated. Then, the lead is cut and molded (step S6). It is possible to prevent the lead from rusting by the plating process, and to more reliably perform soldering when mounting on a printed circuit board later. A printing process (marking) is performed on the surface of the package (step S7). Through the inspection process (step S8), the electronic component is completed (step S9). By incorporating the semiconductor device of any of the above-described embodiments, a small electronic component with low power consumption can be provided.
図27(B)は完成した電子部品の斜視模式図である。一例として、図27(B)はQFP(Quad Flat Package)を示している。図27(B)に示す電子部品800は、リード801及び回路部803を示している。回路部803には、例えば、上記実施の形態に示す半導体装置や記憶装置、その他の論理回路が含まれている。電子部品800は、例えばプリント基板802に実装される。このような電子部品800が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板802上で電気的に接続されることで電子機器に搭載することができる。完成した回路基板804は、電子機器等の内部に設けられる。例えば、電子部品800は、データを記憶するランダムアクセスメモリ、CPU、MCU、FPGA、無線IC等の各種の処理を実行するプロセッシングユニットに用いることができる。電子部品800を搭載することで、電子機器の消費電力を削減することができる。または、電子機器を小型化することが容易になる。 FIG. 27B is a schematic perspective view of the completed electronic component. As an example, FIG. 27B shows a QFP (Quad Flat Package). The electronic component 800 illustrated in FIG. 27B includes a lead 801 and a circuit portion 803. The circuit portion 803 includes, for example, the semiconductor device, the memory device, and other logic circuits described in the above embodiment. The electronic component 800 is mounted on the printed board 802, for example. A plurality of such electronic components 800 are combined and electrically connected to each other on the printed circuit board 802, whereby the electronic component 800 can be mounted on an electronic device. The completed circuit board 804 is provided inside an electronic device or the like. For example, the electronic component 800 can be used as a processing unit that executes various processes such as a random access memory that stores data, a CPU, an MCU, an FPGA, and a wireless IC. By mounting the electronic component 800, the power consumption of the electronic device can be reduced. Alternatively, it becomes easy to downsize the electronic device.
よって、電子部品800は、デジタル信号処理、ソフトウェア無線、アビオニクス(通信機器、航法システム、自動操縦装置、飛行管理システム等の航空に関する電子機器)、ASICのプロトタイピング、医療用画像処理、音声認識、暗号、バイオインフォマティクス(生物情報科学)、機械装置のエミュレータ、および電波天文学における電波望遠鏡等、幅広い分野の電子機器の電子部品(ICチップ)に適用することが可能である。このような電子機器としては、表示機器、パーソナルコンピュータ(PC)、記録媒体を備えた画像再生装置(DVD、ブルーレイディスク、フラッシュメモリ、HDD等の記録媒体を再生する装置、および画像を表示するための表示部を有する装置)に用いることができる。その他に、本発明の一形態に係る半導体装置を用いることができる電子機器には、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、カメラ(ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等)、ウエアラブル型表示装置(ヘッドマウント型、ゴーグル型、眼鏡型、腕章型、ブレスレッド型、ネックレス型等)ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等)、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機(ATM)、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図28に示す。 Therefore, the electronic component 800 includes digital signal processing, software defined radio, avionics (electronic equipment related to aviation such as communication equipment, navigation system, autopilot, and flight management system), ASIC prototyping, medical image processing, voice recognition, It can be applied to electronic components (IC chips) of electronic devices in a wide range of fields such as encryption, bioinformatics (bioinformatics), mechanical device emulators, and radio telescopes in radio astronomy. Examples of such electronic devices include a display device, a personal computer (PC), an image reproducing device having a recording medium (a device for reproducing a recording medium such as a DVD, a Blu-ray disc, a flash memory, and an HDD, and an image display device. Device having a display section). In addition, a mobile phone, a game machine including a portable type, a portable data terminal, an electronic book terminal, a camera (a video camera, a digital still camera, or the like) can be used as an electronic device in which the semiconductor device of one embodiment of the present invention can be used. , Wearable type display device (head mount type, goggle type, glasses type, armband type, bracelet type, necklace type, etc.) navigation system, sound reproduction device (car audio, digital audio player, etc.), copier, facsimile, printer, printer Examples include multifunction machines, automatic teller machines (ATMs), vending machines, and the like. Specific examples of these electronic devices are shown in FIGS.
図28(A)に示す携帯型ゲーム機900は、筐体901、筐体902、表示部903、表示部904、マイクロホン905、スピーカ906、操作キー907、およびスタイラス908等を有する。 A portable game machine 900 illustrated in FIG. 28A includes a housing 901, a housing 902, a display portion 903, a display portion 904, a microphone 905, a speaker 906, operation keys 907, a stylus 908, and the like.
図28(B)に示す携帯情報端末910は、筐体911、筐体912、表示部913表示部914、接続部915、および操作キー916等を有する。表示部913は筐体911に設けられ、表示部914は筐体912に設けられている。接続部915により筐体911と筐体912とが接続され、筐体911と筐体912との間の角度は接続部915により変更可能となっている。そのため、接続部915における筐体911と筐体912との間の角度によって、表示部913に表示される画像を切り換える構成としてもよい。また、表示部913および/または表示部914にタッチパネル付の表示装置を使用してもよい。 A portable information terminal 910 illustrated in FIG. 28B includes a housing 911, a housing 912, a display portion 913, a display portion 914, a connection portion 915, operation keys 916, and the like. The display portion 913 is provided in the housing 911 and the display portion 914 is provided in the housing 912. The housing 911 and the housing 912 are connected by the connecting portion 915, and the angle between the housing 911 and the housing 912 can be changed by the connecting portion 915. Therefore, the image displayed on the display portion 913 may be switched depending on the angle between the housing 911 and the housing 912 in the connection portion 915. A display device with a touch panel may be used for the display portion 913 and / or the display portion 914.
図28(C)に示すノート型PC920は、筐体921、表示部922、キーボード923、およびポインティングデバイス924等を有する。 A laptop PC 920 illustrated in FIG. 28C includes a housing 921, a display portion 922, a keyboard 923, a pointing device 924, and the like.
図28(D)に示す電気冷凍冷蔵庫930は、筐体931、冷蔵室用扉932、および冷凍室用扉933等を有する。 An electric refrigerator-freezer 930 illustrated in FIG. 28D includes a housing 931, a refrigerator compartment door 932, a freezer compartment door 933, and the like.
図28(E)に示すビデオカメラ940は、筐体941、筐体942、表示部943、操作キー944、レンズ945、および接続部946等を有する。操作キー944およびレンズ945は筐体941に設けられており、表示部943は筐体942に設けられている。そして、筐体941と筐体942は接続部946によって接続されており、かつ接続部946により筐体941と筐体942の間の角度を変えることが可能な構造となっている。筐体941に対する筐体942の角度によって、表示部943に表示される画像の向きの変更、画像の表示/非表示の切り換え等を行えるようにしてもよい。 A video camera 940 illustrated in FIG. 28E includes a housing 941, a housing 942, a display portion 943, operation keys 944, a lens 945, a connection portion 946, and the like. The operation keys 944 and the lens 945 are provided in the housing 941, and the display portion 943 is provided in the housing 942. The housing 941 and the housing 942 are connected by a connecting portion 946, and the connecting portion 946 can change the angle between the housing 941 and the housing 942. Depending on the angle of the housing 942 with respect to the housing 941, the orientation of the image displayed on the display portion 943 may be changed, the display / non-display of the image may be switched, or the like.
図28(F)に示す自動車950は、車体951、車輪952、ダッシュボード953、およびライト954等を有する。 An automobile 950 illustrated in FIG. 28F includes a vehicle body 951, wheels 952, a dashboard 953, lights 954, and the like.
本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせることができる。 The structure and the method described in this embodiment can be combined with structures and methods described in other embodiments as appropriate.
(実施例)
本実施の形態では、上記実施の形態で用いることができるOSトランジスタの特性の測定結果について説明する。
(Example)
In this embodiment, measurement results of characteristics of the OS transistor which can be used in the above embodiments will be described.
<温度特性>
まず、OSトランジスタとSiトランジスタの温度特性を測定した。図29(A)に、OSトランジスタのゲート電圧VG−ドレイン電流ID特性、及びゲート電圧VG−電界効果移動度μFE特性の温度依存性の測定結果を示す。また、図29(B)に、チャネル形成領域にSiトランジスタのゲート電圧VG−ドレイン電流ID特性、及びゲート電圧VG−電界効果移動度μFE特性の温度依存性を示す。なお、図29(A)、(B)においては、−25℃、50℃、150℃の温度での各電気特性の測定結果を示している。また、ドレイン電圧VDは1Vとしている。
<Temperature characteristics>
First, the temperature characteristics of the OS transistor and the Si transistor were measured. In FIG. 29 (A), the gate voltage V G of the OS transistor - shows the temperature dependence of the measurement results of the field-effect mobility mu FE characteristics - drain current I D characteristics, and the gate voltage V G. Further, in FIG. 29 (B), a channel formation region a gate voltage V G of the Si transistor - shows the temperature dependence of the field-effect mobility mu FE characteristics - drain current I D characteristics, and the gate voltage V G. Note that FIGS. 29A and 29B show the measurement results of each electric characteristic at temperatures of −25 ° C., 50 ° C., and 150 ° C. The drain voltage V D is set to 1V.
なお、図29(A)に示すOSトランジスタの電気特性は、チャネル長L=0.45μm、チャネル幅W=10μm、ゲート絶縁層の酸化膜の膜厚Tox=20nmとしたときのグラフである。また、図29(B)に示すSiトランジスタの電気特性は、L=0.35μm、W=10μm、Tox=20nmとしたときのグラフである。 Note that the electric characteristics of the OS transistor illustrated in FIG. 29A are graphs when the channel length L = 0.45 μm, the channel width W = 10 μm, and the thickness Tox = 20 nm of the oxide film of the gate insulating layer. The electrical characteristics of the Si transistor illustrated in FIG. 29B are graphs when L = 0.35 μm, W = 10 μm, and Tox = 20 nm.
OSトランジスタの酸化物半導体層は、In−Ga−Zn系酸化物で作製し、Siトランジスタは、シリコンウェハから作製した。 The oxide semiconductor layer of the OS transistor was formed using an In—Ga—Zn-based oxide, and the Si transistor was formed using a silicon wafer.
図29(A)、(B)より、OSトランジスタにおいて、立ち上がりゲート電圧の温度依存性は小さいことがわかる。また、OSトランジスタのオフ電流が温度によらず測定下限(I0)以下であるが、Siトランジスタのオフ電流は、温度依存性が大きい。図29(B)の測定結果は、150℃では、Siトランジスタはオフ電流が上昇し、電流オン/オフ比が十分に大きくならないことを示している。 From FIGS. 29A and 29B, it is found that the temperature dependence of the rising gate voltage in the OS transistor is small. Further, the off-current of the OS transistor is equal to or lower than the measurement lower limit (I 0 ) regardless of the temperature, but the off-current of the Si transistor has large temperature dependence. The measurement result of FIG. 29B shows that at 150 ° C., the off-state current of the Si transistor rises and the current on / off ratio does not become sufficiently large.
図29(A)、(B)のグラフから、OSトランジスタで本発明の一態様に係る半導体装置を構成することで、150℃以上の温度下においても、動作させることができる。そのため、耐熱性に優れた半導体装置を実現することができる。 From the graphs of FIGS. 29A and 29B, when the semiconductor device of one embodiment of the present invention is formed using an OS transistor, the semiconductor device can operate even at a temperature higher than or equal to 150 ° C. Therefore, a semiconductor device having excellent heat resistance can be realized.
<耐圧性>
次に、OSトランジスタと、Siトランジスタの耐圧性に関する測定を行った。図30に、SiトランジスタとOSトランジスタのVD−ID特性の測定結果を示す。図30では、SiトランジスタとOSトランジスタとについて同じ条件での耐圧を比較するために、共にチャネル長を0.9μmとし、チャネル幅を10μmとし、酸化シリコンを用いたゲート絶縁膜の膜厚を20nmとしている。なお、ゲート電圧は、2Vとしている。
<Pressure resistance>
Next, the withstand voltage of the OS transistor and the Si transistor were measured. FIG. 30 shows the measurement result of the VD-ID characteristics of the Si transistor and the OS transistor. In FIG. 30, in order to compare the breakdown voltage under the same conditions for the Si transistor and the OS transistor, the channel length is 0.9 μm, the channel width is 10 μm, and the thickness of the gate insulating film using silicon oxide is 20 nm. I am trying. The gate voltage is 2V.
図30に示すようにSiトランジスタでは、ドレイン電圧の増加に対して4V程度でアバランシェブレークダウンが起こるのに対して、OSトランジスタでは、ドレイン電圧の増加に対して26V程度までアバランシェブレークダウンが起きずに定電流を流すことができるのがわかる。 As shown in FIG. 30, in the Si transistor, the avalanche breakdown occurs at about 4V with the increase of the drain voltage, whereas in the OS transistor, the avalanche breakdown does not occur up to about 26V with the increase of the drain voltage. It can be seen that a constant current can be applied to.
図31(A)に、ゲート電圧を変化させた際の、OSトランジスタのVD−ID特性の測定結果を示す。また、図31(B)では、ゲート電圧を変化させた際の、SiトランジスタのVD−ID特性の測定結果を示す。なお、SiトランジスタとOSトランジスタとについて同じ条件での耐圧を比較するために、共にチャネル長を0.9μmとし、チャネル幅を10μmとし、酸化シリコンを用いたゲート絶縁膜の膜厚を20nmとしている。また、図31(A)のOSトランジスタでは、ゲート電圧を0.1V、2.06V、4.02V、5.98V、7.94Vと変化させて測定を行った。また、図31(B)のSiトランジスタでは、ゲート電圧を0.1V、1.28V、2.46V、3.64V、4.82Vと変化させて測定を行った。 FIG. 31A shows the measurement result of VD-ID characteristics of the OS transistor when the gate voltage is changed. Further, FIG. 31B shows a measurement result of VD-ID characteristics of the Si transistor when the gate voltage is changed. In order to compare the breakdown voltages of the Si transistor and the OS transistor under the same conditions, the channel length is 0.9 μm, the channel width is 10 μm, and the thickness of the gate insulating film using silicon oxide is 20 nm. . In addition, in the OS transistor in FIG. 31A, the gate voltage was changed to 0.1 V, 2.06 V, 4.02 V, 5.98 V, and 7.94 V for measurement. Further, in the Si transistor in FIG. 31B, the gate voltage was changed to 0.1 V, 1.28 V, 2.46 V, 3.64 V, and 4.82 V, and measurement was performed.
図31(A)、(B)に示すように、Siトランジスタでは、ドレイン電圧の増加に対して4V乃至5V程度でアバランシェブレークダウンが起こるのに対して、OSトランジスタでは、ドレイン電圧の増加に対して9V程度ではアバランシェブレークダウンが起きずに定電流を流すことができていることが分かる。 As shown in FIGS. 31A and 31B, in the Si transistor, avalanche breakdown occurs at about 4 V to 5 V as the drain voltage increases, whereas in the OS transistor, as the drain voltage increases. It can be seen that at about 9 V, a constant current can flow without causing avalanche breakdown.
図30、31から、OSトランジスタはSiトランジスタと比べて耐圧が高いことが分かる。そのため、本発明の一態様に係るメモリセルにおいては、ノードFNが取りうる電圧の範囲を広げて、保持できる電位の分布を増やすことができる。 From FIGS. 30 and 31, it can be seen that the OS transistor has a higher breakdown voltage than the Si transistor. Therefore, in the memory cell according to one embodiment of the present invention, the range of voltage that the node FN can take can be widened and the distribution of potential that can be held can be increased.
10 半導体装置
20 メモリセル
21 保持部
21a 保持部
21b 保持部
22 トランジスタ
23 容量素子
30 回路
31 トランジスタ
32 容量素子
40 回路
41 トランジスタ
42 容量素子
43 トランジスタ
50 回路
51 トランジスタ
52 トランジスタ
61 層
62 層
63 層
71 トランジスタ
72 トランジスタ
100 基板
101 素子分離領域
102 不純物領域
103 不純物領域
104 チャネル形成領域
105 絶縁膜
106 ゲート電極
111 絶縁膜
112 導電膜
113 導電膜
114 導電膜
116 導電膜
117 導電膜
118 導電膜
120 絶縁膜
121 絶縁膜
122 絶縁膜
130 半導体膜
130a 酸化物半導体膜
130b 酸化物半導体膜
130c 酸化物半導体膜
131 ゲート絶縁膜
132 導電膜
133 導電膜
134 ゲート電極
300 記憶装置
310 メモリセルアレイ
320 行選択ドライバ
321 デコーダ
322 制御回路
330 列選択ドライバ
331 デコーダ
332 ラッチ回路
333 D/Aコンバータ
334 スイッチ回路
335 トランジスタ
336 トランジスタ
340 A/Dコンバータ
341 コンパレータ
342 エンコーダ
343 ラッチ回路
344 バッファ
400 コンピュータ
410 入力装置
420 出力装置
430 中央演算処理装置
431 制御回路
432 演算回路
510 基板
511 絶縁層
512 絶縁層
513 絶縁層
514 絶縁層
515 絶縁層
516 絶縁層
520 半導体領域
521 半導体層
522 半導体層
523 半導体層
530 導電層
531 導電層
532 導電層
533 導電層
535 導電層
536 導電層
581 トランジスタ
582 トランジスタ
583 トランジスタ
584 トランジスタ
800 電子部品
801 リード
802 プリント基板
803 回路部
804 回路基板
900 携帯型ゲーム機
901 筐体
902 筐体
903 表示部
904 表示部
905 マイクロホン
906 スピーカ
907 操作キー
908 スタイラス
910 携帯情報端末
911 筐体
912 筐体
913 表示部
914 表示部
915 接続部
916 操作キー
921 筐体
922 表示部
923 キーボード
924 ポインティングデバイス
930 電気冷凍冷蔵庫
931 筐体
932 冷蔵室用扉
933 冷凍室用扉
940 ビデオカメラ
941 筐体
942 筐体
943 表示部
944 操作キー
945 レンズ
946 接続部
950 自動車
951 車体
952 車輪
953 ダッシュボード
954 ライト
10 semiconductor device 20 memory cell 21 holding portion 21a holding portion 21b holding portion 22 transistor 23 capacitance element 30 circuit 31 transistor 32 capacitance element 40 circuit 41 transistor 42 capacitance element 43 transistor 50 circuit 51 transistor 52 transistor 61 layer 62 layer 63 layer 71 transistor 72 transistor 100 substrate 101 element isolation region 102 impurity region 103 impurity region 104 channel formation region 105 insulating film 106 gate electrode 111 insulating film 112 conductive film 113 conductive film 114 conductive film 116 conductive film 117 conductive film 118 conductive film 120 insulating film 121 insulation Film 122 Insulating film 130 Semiconductor film 130a Oxide semiconductor film 130b Oxide semiconductor film 130c Oxide semiconductor film 131 Gate insulating film 132 Conductive film 133 Conductive film 134 Gate charge 300 memory device 310 memory cell array 320 row selection driver 321 decoder 322 control circuit 330 column selection driver 331 decoder 332 latch circuit 333 D / A converter 334 switch circuit 335 transistor 336 transistor 340 A / D converter 341 comparator 342 encoder 343 latch circuit 344 buffer 400 computer 410 input device 420 output device 430 central processing unit 431 control circuit 432 arithmetic circuit 510 substrate 511 insulating layer 512 insulating layer 513 insulating layer 514 insulating layer 515 insulating layer 516 insulating layer 520 semiconductor region 521 semiconductor layer 522 semiconductor layer 523 semiconductor Layer 530 Conductive layer 531 Conductive layer 532 Conductive layer 533 Conductive layer 535 Conductive layer 536 Conductive layer 581 Transistor 582 Transistor 583 Transistor 584 Transistor 800 Electronic component 801 Lead 802 Printed circuit board 803 Circuit part 804 Circuit board 900 Handheld game console 901 Housing 902 Housing 903 Display 904 Display 905 Microphone 906 Speaker 907 Operation key 908 Stylus 910 Mobile information terminal 911 Housing 912 Housing 913 Display 914 Display 915 Connection 916 Operation keys 921 Housing 922 Display 923 Keyboard 924 Pointing device 930 Electric freezer / refrigerator 931 Housing 932 Refrigerator compartment door 933 Freezer compartment door 940 Video camera 941 enclosure Body 942 Housing 943 Display 944 Operation keys 945 Lens 946 Connection 950 Automobile 951 Car body 952 Wheels 953 Dashboard 954 Light
Claims (3)
前記メモリセルは、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、第3のトランジスタと、第4のトランジスタと、第1の容量素子と、第2の容量素子と、を有し、
前記第1のトランジスタのゲートは、第1の配線と電気的に接続され、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第2のトランジスタのゲートおよび前記第1の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第2の配線と電気的に接続され、
前記第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第2の配線と電気的に接続され、
前記第2のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第3の配線と電気的に接続され、
前記第3のトランジスタのゲートは、第4の配線と電気的に接続され、
前記第3のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第2の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
前記第3のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第2の配線と電気的に接続され、
前記第4のトランジスタのゲートは、第5の配線と電気的に接続され、
前記第4のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第2の配線と電気的に接続され、
前記第4のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第6の配線と電気的に接続され、
前記第1の容量素子の他方の電極は、第7の配線と電気的に接続され、
前記第2の容量素子の他方の電極は、第8の配線と電気的に接続されている半導体装置。 Have memory cells,
The memory cell includes a first transistor, a second transistor, a third transistor, a fourth transistor, a first capacitance element, and a second capacitance element,
The gate of the first transistor is electrically connected to the first wiring,
Wherein one of the first source or drain of the transistor, to one electrode electrically connected to the gate and the first capacitor of the second transistor,
The other of the source and the drain of the first transistor is electrically connected to the second wiring,
One of a source and a drain of the second transistor is electrically connected to the second wiring,
The other of the source and the drain of the second transistor is electrically connected to a third wiring,
A gate of the third transistor is electrically connected to a fourth wiring,
One of a source and a drain of the third transistor is electrically connected to one electrode of the second capacitor,
The other of the source and the drain of the third transistor is electrically connected to the second wiring,
The gate of the fourth transistor is electrically connected to the fifth wiring,
One of a source and a drain of the fourth transistor is electrically connected to the second wiring,
The other of the source and the drain of the fourth transistor is electrically connected to a sixth wiring ,
The other electrode of the first capacitor is electrically connected to the seventh wiring,
A semiconductor device in which the other electrode of the second capacitor is electrically connected to the eighth wiring .
前記第1のトランジスタ及び前記第3のトランジスタは、チャネル形成領域に酸化物半導体を含む半導体装置。A semiconductor device in which the first transistor and the third transistor each include an oxide semiconductor in a channel formation region.
前記第1のトランジスタは、前記第2のトランジスタ上に設けられ、The first transistor is provided on the second transistor,
前記第3のトランジスタ及び前記第4のトランジスタは、前記第1のトランジスタ上に設けられている半導体装置。The semiconductor device in which the third transistor and the fourth transistor are provided on the first transistor.
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