DE112020004469T5

DE112020004469T5 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE112020004469T5
Application number: DE112020004469.6T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Aoki; Munehiro KOZUMA; Masashi Fujita; Takahiko Ishizu
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2019-09-20
Filing date: 2020-09-08
Publication date: 2022-08-04
Also published as: US20220343954A1; WO2021053453A1; JPWO2021053453A1; US12002535B2

Abstract

Eine Halbleitervorrichtung wird bereitgestellt, in der die Energie, die für die Datenübertragung zwischen einer arithmetischen Vorrichtung und einem Speicher benötigt wird, verringert wird. Die Halbleitervorrichtung umfasst eine Peripherieschaltung und ein Speicherzellenarray. Die Peripherieschaltung weist eine Funktion einer Treiberschaltung und einer Steuerschaltung für das Speicherzellenarray und eine arithmetische Funktion auf. Die Peripherieschaltung umfasst eine Leseverstärkerschaltung und eine arithmetische Schaltung. Das Speicherzellenarray umfasst eine Speicherzelle und eine Bitleitung. Die Leseverstärkerschaltung weist eine Funktion zum Bestimmen auf, ob die Bitleitung auf dem hohen Pegel oder dem niedrigen Pegel liegt, und das Ergebnis wird an die arithmetische Schaltung ausgegeben. Die arithmetische Schaltung weist eine Funktion zum Durchführen einer Produkt-Summen-Operation auf, und das Ergebnis wird von der Halbleitervorrichtung ausgegeben.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Speichervorrichtung, die Halbleitereigenschaften nutzt, und eine Produkt-Summen-Operation.
In dieser Beschreibung und dergleichen ist mit einer Halbleitervorrichtung eine Vorrichtung gemeint, die Halbleitereigenschaften nutzt, wie z. B. ein Halbleiterelement (z. B. ein Transistor, eine Diode, eine Photodiode und dergleichen), eine Schaltung, die ein Halbleiterelement umfasst (eine Halbleiterschaltung), eine Vorrichtung, die die Schaltung umfasst, und dergleichen. Beispiele für eine Halbleitervorrichtung umfassen eine integrierte Schaltung, die ein Halbleiterelement umfasst, einen Chip, der eine integrierte Schaltung umfasst, eine elektronische Komponente, die einen gehäusten Chip umfasst, und ein elektronisches Gerät, das eine integrierte Schaltung umfasst. Eine arithmetische Vorrichtung, eine Speichervorrichtung, eine Anzeigevorrichtung, eine Abbildungsvorrichtung und dergleichen können jeweils in einigen Fällen als Halbleitervorrichtung betrachtet werden.
Es sei angemerkt, dass eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht auf das vorstehende technische Gebiet beschränkt ist. Das technische Gebiet der Erfindung, die in dieser Beschreibung und dergleichen offenbart wird, betrifft einen Gegenstand, ein Verfahren oder ein Herstellungsverfahren. Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft einen Prozess, eine Maschine, ein Erzeugnis oder eine Zusammensetzung (Zusammensetzung eines Materials).
Stand der Technik
In den letzten Jahren ist die künstliche Intelligenz (artificial intelligence, AI bzw. KI) weit verbreitet. Die künstliche Intelligenz ist ein Versuch, um einige der menschlichen intellektuellen Verhaltensweisen unter Verwendung einer Software (oder einer Hardware) künstlich zu reproduzieren, und kann durch ein Lernverfahren, wie z. B. „maschinelles Lernen“ oder „Deep Learning“, Merkmale oder Konzepte von Dingen aus einer großen Menge von Daten lernen. Die künstliche Intelligenz wird beispielsweise für die Bilderkennung, die Diagnosehilfe in einem Krankenhaus, die Sprachverarbeitung, das automatische Fahren, die Erfassung von Verschlechterungen und Schäden einer Infrastruktur, wie z. B. einer Straße und einer Brücke, oder ein Spiel, wie z. B. Go und Schach, verwendet.
Als Technik zur Realisierung der künstlichen Intelligenz ist ein neuronales Netz bekannt, in dem ein biologisches neuronales Netz, das aus Neuronen und Synapsen besteht, als Modell verwendet wird. In dem neuronalen Netz wird eine Vielzahl von Daten in jedes der Neuronen eingegeben und mit einem „Gewichtskoeffizienten“, der die Verbindungsstärke darstellt, multipliziert, und die Multiplikationsergebnisse werden addiert. Wenn die Produkt-Summen-Operation auf diese Weise durchgeführt wird und das erhaltene Ergebnis einen Schwellenwert überschreitet, gibt das Neuron ein Signal mit hohem Pegel aus. Dieses Phänomen wird als „Feuern“ bezeichnet.
Einer der Faktoren für die Verbreitung der künstlichen Intelligenz ist, dass eine arithmetische Vorrichtung, wie z. B. eine Zentraleinheit (Central Processing Unit, CPU) oder eine Grafikverarbeitungseinheit (Graphics Processing Unit, GPU), eine Speichervorrichtung und dergleichen eine höhere Leistungsfähigkeit aufweisen und eine Verarbeitung einer großen Menge von Daten mit hoher Geschwindigkeit durchführen können. Eine arithmetische Vorrichtung, eine Speichervorrichtung (auch einfach als Speicher bezeichnet), eine aus einer arithmetischen Vorrichtung und einer Speichervorrichtung zusammengesetzte Einheit oder dergleichen, welche Halbleitereigenschaften nutzt, wird in dieser Beschreibung und dergleichen als Halbleitervorrichtung bezeichnet. Die Technik in Bezug auf eine hohe Leistungsfähigkeit der Halbleitervorrichtung ist aktiv entwickelt worden.
Andererseits erregt ein Transistor, der einen Oxidhalbleiter oder ein Metalloxid in einem Kanalbildungsbereich enthält (auch als Oxidhalbleiter-Transistor oder OS-Transistor bezeichnet), Aufmerksamkeit. Ein OS-Transistor weist ein Merkmal auf, dass ein Drain-Strom des Transistors im Sperrzustand (auch als Sperrstrom bezeichnet) sehr niedrig ist (siehe z. B. Nicht-Patentdokumente 1 und 2); daher können dann, wenn der OS-Transistor in einer Speicherzelle eines DRAM (Dynamic Random Access Memory) verwendet wird, elektrische Ladungen, die in einem Kondensator akkumuliert sind, lange Zeit gehalten werden.
Eine Speicherzelle eines DRAM kann zwei Transistoren und einen Kondensator umfassen. Selbst wenn die Kapazität des Kondensators klein ist, ermöglicht die Verstärkung von akkumulierten elektrischen Ladungen durch einen nahe gelegenen Transistor den Betrieb eines Speichers (nachstehend als Verstärkungszellen-Speicherzelle bezeichnet). Da der OS-Transistor durch ein Verfahren, wie z. B. ein Dünnfilmverfahren, ausgebildet werden kann, können OS-Transistoren übereinander angeordnet werden. Beispielsweise kann eine erste Schaltung unter Verwendung eines Si-Transistors, der auf einem einkristallinen Siliziumsubstrat ausgebildet wird, gebildet werden, und darüber kann eine zweite Schaltung unter Verwendung eines OS-Transistors gebildet werden.
Patentdokument 1 offenbart ein Beispiel für eine Halbleitervorrichtung, die eine Vielzahl von Speicherzellen, die jeweils einen OS-Transistor umfassen, über einem Halbleitersubstrat, in dem eine Peripherieschaltung gebildet wird, umfasst. Patentdokument 2 offenbart ein Beispiel, in dem ein OS-Transistor und ein Transistor, der sich von einem OS-Transistor unterscheidet (z. B. ein Si-Transistor), in einer Verstärkungszellen-Speicherzelle verwendet werden (wobei ein Kondensator weggelassen werden kann). Es sei angemerkt, dass in dieser Beschreibung und dergleichen eine Speichervorrichtung oder eine Halbleitervorrichtung, die eine Verstärkungszellen-Speicherzelle umfasst, die einen OS-Transistor umfasst, als Nonvolatile Oxide Semiconductor Random Access Memory (NOSRAM, eingetragenes Markenzeichen) bezeichnet wird.
Außerdem sind eine kristalline Struktur mit Ausrichtung bezüglich der c-Achse (c-axis aligned crystalline structure, CAAC-Struktur) und eine nanokristalline (nanocrystalline, nc-) Struktur, welche weder einkristallin noch amorph sind, bei einem Oxidhalbleiter herausgefunden worden (siehe Nicht-Patentdokument 1 und Nicht-Patentdokument 3). Nicht-Patentdokument 1 und Nicht-Patentdokument 3 offenbaren eine Technik zum Herstellen eines Transistors unter Verwendung eines Oxidhalbleiters mit einer CAAC-Struktur.
[Referenzen]
[Patentdokumente]

[Patentdokument 1] Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2012-256820
[Patentdokument 2] Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2012-256400 [Nicht-Patentdokumente]

[Nicht-Patentdokument 1] S. Yamazaki et al., „Properties of crystalline In-Ga-Zn-oxide semiconductor and its transistor characteristics,“ Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 53, 04ED18 (2014).
[Nicht-Patentdokument 2] K. Kato et al., „Evaluation of Off-State Current Characteristics of Transistor Using Oxide Semiconductor Material, Indium-Gallium-Zinc Oxide,“ Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 51, 021201 (2012).
[Nicht-Patentdokument 3] S. Yamazaki et al., „SID Symposium Digest of Technical Papers“, 2012, Vol. 43, Ausgabe 1, S. 183-186

Zusammenfassung der Erfindung Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Bei Berechnungen durch die künstliche Intelligenz ist es erforderlich, dass eine große Menge von Daten, wie z. B. eine Vielzahl von Daten, die in jedes der Neuronen eingegeben werden, und „Gewichtskoeffizient“, mit dem die einzelnen Daten multipliziert werden, mit hoher Geschwindigkeit behandelt werden, und eine Datenübertragung zwischen einer arithmetischen Vorrichtung und einem Speicher und die Energie, die für die Datenübertragung benötigt wird, sind ein Problem. Beispielsweise werden eine Halbleitervorrichtung, in der eine arithmetische Vorrichtung und ein Speicher mit möglichst kurzem Abstand miteinander verbunden sind, eine Halbleitervorrichtung, die eine verringerte Menge von Daten aufweist, die zwischen einer arithmetischen Vorrichtung und einem Speicher übertragen werden, oder eine Halbleitervorrichtung, in der ein Speicher einen Teil der arithmetischen Funktion einer arithmetischen Vorrichtung aufweist, gewünscht.
Eine Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, eine Halbleitervorrichtung bereitzustellen, in der eine arithmetische Vorrichtung und ein Speicher mit kurzem Abstand miteinander verbunden sind. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, eine Halbleitervorrichtung bereitzustellen, in der die Menge von Daten, die zwischen einer arithmetischen Vorrichtung und einem Speicher übertragen werden, verringert wird. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, eine Halbleitervorrichtung bereitzustellen, in der die Energie, die für die Datenübertragung zwischen einer arithmetischen Vorrichtung und einem Speicher benötigt wird, verringert wird. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, eine Halbleitervorrichtung bereitzustellen, in der ein Speicher einen Teil der arithmetischen Funktion einer arithmetischen Vorrichtung aufweist.
Es sei angemerkt, dass eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise sämtliche der vorstehenden Aufgaben erfüllt, sondern nur mindestens eine der Aufgaben. Des Weiteren steht die Beschreibung der vorstehenden Aufgaben dem Vorhandensein weiterer Aufgaben nicht im Wege. Weitere Aufgaben werden aus der Erläuterung der Beschreibung, der Patentansprüche, der Zeichnungen und dergleichen ersichtlich, und weitere Aufgaben können von der Erläuterung der Beschreibung, der Patentansprüche, der Zeichnungen und dergleichen abgeleitet werden.
Mittel zur Lösung des Problems
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Halbleitervorrichtung, die ein Speicherzellenarray, eine Leseverstärkerschaltung und eine arithmetische Schaltung umfasst. Das Speicherzellenarray umfasst m × n (m und n sind jeweils eine ganze Zahl von 2 oder mehr) Speicherzellen und mindestens n Leitungen, und die m × n Speicherzellen sind in einer Matrix angeordnet. Die Leseverstärkerschaltung umfasst mindestens n erste Schaltungen, jede der n Leitungen ist elektrisch mit m der Speicherzellen verbunden, und die n Leitungen sind elektrisch mit den n ersten Schaltungen verbunden. Die arithmetische Schaltung umfasst s (s ist eine ganze Zahl von 1 oder mehr und n oder weniger) zweite Schaltungen, die zweite Schaltung ist elektrisch mit t (t ist eine ganze Zahl von 1 oder mehr, und s × t ist eine ganze Zahl von n oder weniger) der ersten Schaltungen verbunden, und die zweite Schaltung führt eine arithmetische Operation unter Verwendung eines Signals durch, das von der ersten Schaltung ausgegeben wird.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Halbleitervorrichtung, die ein Speicherzellenarray, eine Leseverstärkerschaltung und eine arithmetische Schaltung umfasst. Ein erstes Signal wird in die Halbleitervorrichtung eingegeben, das Speicherzellenarray umfasst m × n (m und n sind jeweils eine ganze Zahl von 2 oder mehr) Speicherzellen und mindestens n Leitungen, und die m × n Speicherzellen sind in einer Matrix angeordnet. Die Leseverstärkerschaltung umfasst mindestens n erste Schaltungen, jede der n Leitungen ist elektrisch mit m der Speicherzellen verbunden, und die n Leitungen sind elektrisch mit den n ersten Schaltungen verbunden. Die arithmetische Schaltung umfasst s (s ist eine ganze Zahl von 1 oder mehr und n oder weniger) zweite Schaltungen, die zweite Schaltung ist elektrisch mit t (t ist eine ganze Zahl von 1 oder mehr, und s × t ist eine ganze Zahl von n oder weniger) der ersten Schaltungen verbunden, ein zweites Signal wird von der ersten Schaltung in jede der zweiten Schaltungen eingegeben, und die zweite Schaltung führt eine arithmetische Operation unter Verwendung des ersten Signals und des zweiten Signals durch.
Bei der vorstehenden Ausführungsform führen die s zweiten Schaltungen parallele arithmetische Operationen durch.
Bei der vorstehenden Ausführungsform umfasst die Speicherzelle einen Transistor, und der Transistor enthält ein Metalloxid in einem Kanalbildungsbereich.
Bei der vorstehenden Ausführungsform umfassen die erste Schaltung und die zweite Schaltung jeweils einen Transistor, der auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, die Speicherzelle umfasst einen Transistor, der in einer Elementschicht ausgebildet ist, und die Elementschicht ist über dem Halbleitersubstrat angeordnet.
Bei der vorstehenden Ausführungsform enthält der Transistor der Speicherzelle ein Metalloxid in einem Kanalbildungsbereich.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Halbleitervorrichtung, die ein Speicherzellenarray, eine Leseverstärkerschaltung, eine Multiplexer-Schaltung und eine arithmetische Schaltung umfasst. Das Speicherzellenarray umfasst m × n (m und n sind jeweils eine ganze Zahl von 2 oder mehr) Speicherzellen und mindestens n Leitungen, und die m × n Speicherzellen sind in einer Matrix angeordnet. Die Leseverstärkerschaltung umfasst mindestens n erste Schaltungen, jede der n Leitungen ist elektrisch mit m der Speicherzellen verbunden, und die n Leitungen sind elektrisch mit den n ersten Schaltungen verbunden. Die Multiplexer-Schaltung weist eine Funktion auf, s (s ist eine ganze Zahl von 1 oder mehr und n oder weniger) Leitungen aus den n Leitungen auszuwählen und die ersten Schaltungen, die elektrisch mit den s Leitungen verbunden sind, und die arithmetische Schaltung elektrisch zu verbinden. Die arithmetische Schaltung umfasst t (t ist eine ganze Zahl von 1 oder mehr und s oder weniger) zweite Schaltungen, die zweite Schaltung ist elektrisch mit u (u ist eine ganze Zahl von 1 oder mehr, und t × u ist eine ganze Zahl von s oder weniger) der ersten Schaltungen verbunden, und die zweite Schaltung führt eine arithmetische Operation unter Verwendung eines Signals durch, das von der ersten Schaltung ausgegeben wird.
Bei der vorstehenden Ausführungsform umfasst die Speicherzelle einen Transistor, und der Transistor enthält ein Metalloxid in einem Kanalbildungsbereich.
Bei der vorstehenden Ausführungsform umfassen die erste Schaltung, die Multiplexer-Schaltung und die zweite Schaltung jeweils einen Transistor, der auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, die Speicherzelle umfasst einen Transistor, der in einer Elementschicht ausgebildet ist, und die Elementschicht ist über dem Halbleitersubstrat angeordnet.
Bei der vorstehenden Ausführungsform enthält der Transistor der Speicherzelle ein Metalloxid in einem Kanalbildungsbereich.
Bei der vorstehenden Ausführungsform führt die zweite Schaltung eine Produkt-Summen-Operation durch.
Wirkung der Erfindung
Einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend kann eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt werden, in der eine arithmetische Vorrichtung und ein Speicher mit kurzem Abstand miteinander verbunden sind. Einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend kann eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt werden, in der die Menge von Daten, die zwischen einer arithmetischen Vorrichtung und einem Speicher übertragen werden, verringert wird. Einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend kann eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt werden, in der die Energie, die für die Datenübertragung zwischen einer arithmetischen Vorrichtung und einem Speicher benötigt wird, verringert wird. Einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend kann eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt werden, in der ein Speicher einen Teil der arithmetischen Funktion einer arithmetischen Vorrichtung aufweist.
Es sei angemerkt, dass die Beschreibung dieser Wirkungen dem Vorhandensein weiterer Wirkungen nicht im Wege steht. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist nicht notwendigerweise sämtliche dieser Wirkungen auf. Weitere Wirkungen werden aus der Erläuterung der Beschreibung, der Patentansprüche, der Zeichnungen und dergleichen ersichtlich, und weitere Wirkungen können von der Erläuterung der Beschreibung, der Patentansprüche, der Zeichnungen und dergleichen abgeleitet werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die ein Strukturbeispiel einer Halbleitervorrichtung darstellt.
2 ist ein Blockdiagramm, das ein Strukturbeispiel einer Halbleitervorrichtung darstellt.
3A ist ein Blockdiagramm, das ein Strukturbeispiel eines Speicherzellenarrays darstellt. 3B und 3C sind Schaltpläne, die Strukturbeispiele von Speicherzellen darstellen.
4 ist ein Schaltplan, der ein Strukturbeispiel einer Schaltung 147 darstellt.
5 ist ein Zeitdiagramm, das ein Betriebsbeispiel einer Speicherzelle zeigt.
6 ist eine schematische Darstellung, die ein Strukturbeispiel eines hierarchischen neuronalen Netzes zeigt.
7 ist ein Schaltplan, der ein Strukturbeispiel eines Bitleitungsprozessors darstellt.
8 ist eine Querschnittsansicht, die ein Strukturbeispiel einer Halbleitervorrichtung darstellt.
9A bis 9C sind Querschnittsansichten, die ein Strukturbeispiel eines Transistors darstellen.
10A ist eine Draufsicht, die ein Strukturbeispiel eines Transistors darstellt. 10B und 10C sind Querschnittsansichten, die ein Strukturbeispiel des Transistors darstellen.
11A ist eine Draufsicht, die ein Strukturbeispiel eines Transistors darstellt. 11B und 11C sind Querschnittsansichten, die ein Strukturbeispiel des Transistors darstellen.
12A ist eine Draufsicht, die ein Strukturbeispiel eines Transistors darstellt. 12B und 12C sind Querschnittsansichten, die ein Strukturbeispiel des Transistors darstellen.
13A ist eine Draufsicht, die ein Strukturbeispiel eines Transistors darstellt. 13B und 13C sind Querschnittsansichten, die ein Strukturbeispiel des Transistors darstellen.
14A ist eine Draufsicht, die ein Strukturbeispiel eines Transistors darstellt. 14B und 14C sind Querschnittsansichten, die ein Strukturbeispiel des Transistors darstellen.
15A ist eine Draufsicht, die ein Strukturbeispiel eines Transistors darstellt. 15B und 15C sind Querschnittsansichten, die ein Strukturbeispiel des Transistors darstellen.
16A und 16B sind Querschnittsansichten, die ein Strukturbeispiel eines Transistors darstellen.
17 ist eine Querschnittsansicht, die ein Strukturbeispiel einer Halbleitervorrichtung darstellt.
18A und 18B sind Querschnittsansichten, die ein Strukturbeispiel eines Transistors darstellen.
19A ist eine Tabelle, die eine Klassifizierung von Kristallstrukturen von IGZO zeigt.
19B ist ein Diagramm, das ein XRD-Spektrum eines CAAC-IGZO-Films zeigt. 19C ist ein Bild, das ein Nanostrahlelektronenbeugungsmuster des CAAC-IGZO-Films zeigt.

Ausführungsformen der Erfindung
Nachstehend werden Ausführungsformen anhand der Zeichnungen beschrieben. Jedoch können die Ausführungsformen in vielen verschiedenen Modi implementiert werden und es ist für Fachleute leicht verständlich, dass Modi und Details dieser auf verschiedene Weise verändert werden können, ohne dabei vom Gedanken und Schutzbereich dieser abzuweichen. Deshalb sollte die vorliegende Erfindung nicht als auf die folgende Beschreibung der Ausführungsformen beschränkt ausgelegt werden.
Eine Vielzahl von Ausführungsformen, die nachstehend beschrieben werden, kann je nach Bedarf kombiniert werden. Wenn eine Vielzahl von Strukturbeispielen bei einer Ausführungsform beschrieben wird, können diese Strukturbeispiele je nach Bedarf miteinander kombiniert werden.
Es sei angemerkt, dass Bestandteile des Blockdiagramms in Zeichnungen, die dieser Beschreibung beiliegen, entsprechend ihren Funktionen unterteilt und in eigenständigen Blöcken dargestellt werden, wobei es in der Praxis jedoch schwierig ist, die Bestandteile vollständig entsprechend ihren Funktionen zu unterteilen, und es ist möglich, dass ein Bestandteil eine Vielzahl von Funktionen aufweist.
In den Zeichnungen und dergleichen werden die Größe, die Schichtdicke, der Bereich und dergleichen in einigen Fällen der Klarheit halber übertrieben dargestellt. Deshalb sind sie nicht notwendigerweise auf das Größenverhältnis beschränkt. Die Zeichnungen sind schematische Ansichten, die ideale Beispiele zeigen, und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nicht auf die Formen oder Werte beschränkt, welche in den Zeichnungen gezeigt werden.
In einigen Fällen werden in den Zeichnungen und dergleichen die gleichen Bestandteile, Bestandteile, die ähnliche Funktionen aufweisen, Bestandteile aus dem gleichen Material, Bestandteile, die gleichzeitig ausgebildet werden, und dergleichen durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und eine wiederholte Beschreibung dieser Bestandteile kann weggelassen werden.
In dieser Beschreibung und dergleichen können der Begriff „Film“ und der Begriff „Schicht“ untereinander ausgetauscht werden. Beispielsweise kann der Begriff „leitende Schicht“ in einigen Fällen durch den Begriff „leitender Film“ ersetzt werden. Beispielsweise kann der Begriff „Isolierfilm“ in einigen Fällen durch den Begriff „Isolierschicht“ ersetzt werden.
In dieser Beschreibung und dergleichen bedeutet der Begriff, der eine Anordnung darstellt, wie z. B. „über“ oder „unter“, nicht notwendigerweise, dass ein Bestandteil „direkt auf“ oder „direkt unter“ einem anderen Bestandteil liegt. Beispielsweise kann die Formulierung „eine Gate-Elektrode über einer Gate-Isolierschicht“ nicht den Fall ausschließen, in dem sich ein zusätzlicher Bestandteil zwischen der Gate-Isolierschicht und der Gate-Elektrode befindet.
In dieser Beschreibung und dergleichen werden Ordnungszahlen, wie z. B. „erstes“, „zweites“ und „drittes“, verwendet, um eine Verwechslung zwischen Bestandteilen zu vermeiden, und diese Begriffe beschränken die Anzahl von Bestandteilen nicht.
Wenn in dieser Beschreibung und dergleichen mehrere Bestandteile, die durch das gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet werden, insbesondere voneinander unterschieden werden sollen, werden in einigen Fällen Identifikationszeichen, wie z. B. „_1“, „_2“, „[n]“ oder „[m, n]“, den Bezugszeichen hinzugefügt. Beispielsweise wird die zweite Leitung GL als Leitung GL[2] bezeichnet.
In dieser Beschreibung und dergleichen umfasst „elektrisch verbunden“ den Fall, in dem Bestandteile über ein „Objekt mit einer elektrischen Funktion“ verbunden sind. Es gibt keine besondere Beschränkung bezüglich des „Objekts mit einer elektrischen Funktion“, solange zwischen Bestandteilen, die über das Objekt verbunden sind, elektrische Signale übertragen und empfangen werden können. Beispiele für ein „Objekt mit einer elektrischen Funktion“ umfassen ein Schaltelement, wie z. B. einen Transistor, einen Widerstand, einen Induktor, einen Kondensator und Elemente mit verschiedenen Funktionen sowie eine Elektrode und eine Leitung. Auch wenn der Ausdruck „elektrisch verbunden“ verwendet wird, gibt es einen Fall, in dem in einer realen Schaltung keine physikalische Verbindung vorhanden ist und sich eine Leitung einfach erstreckt.
In dieser Beschreibung und dergleichen schränken die Begriffe „Elektrode“ und „Leitung“ die Funktionen dieser Bestandteile nicht ein. Beispielsweise wird in einigen Fällen eine „Elektrode“ als Teil einer „Leitung“ verwendet und umgekehrt.
In dieser Beschreibung und dergleichen bezeichnet ein „Anschluss“ in einer elektrischen Schaltung einen Abschnitt, in dem ein Eingeben (oder ein Ausgeben) eines Stroms oder eines Potentials oder ein Empfangen (oder ein Übertragen) eines Signals durchgeführt wird. Folglich dient ein Teil einer Leitung oder einer Elektrode in einigen Fällen als Anschluss.
Im Allgemeinen weist ein „Kondensator“ eine Struktur auf, bei der zwei Elektroden einander zugewandt sind, wobei ein Isolator (Dielektrikum) dazwischen angeordnet ist. In dieser Beschreibung und dergleichen ist ferner der Fall enthalten, in dem ein „Kondensator“ eine Struktur, bei der zwei Elektroden einander zugewandt sind, wobei ein Isolator dazwischen angeordnet ist, eine Struktur, bei der zwei Leitungen einander zugewandt sind, wobei ein Isolator dazwischen angeordnet ist, oder eine Struktur aufweist, bei der zwei Leitungen angeordnet sind, wobei ein Isolator dazwischen angeordnet ist.
In dieser Beschreibung und dergleichen bezieht sich eine „Spannung“ in vielen Fällen auf eine Potentialdifferenz zwischen einem bestimmten Potential und einem Bezugspotential (z. B. einem Erdpotential). Deshalb kann eine Spannung auch als Potentialdifferenz bezeichnet werden.
In dieser Beschreibung und dergleichen handelt es sich bei einem Transistor um ein Element, das mindestens drei Anschlüsse beinhaltet, nämlich eine Source, einen Drain und ein Gate. Der Transistor umfasst einen Kanalbildungsbereich zwischen einer Source (einem Source-Anschluss, einem Source-Bereich oder einer Source-Elektrode) und einem Drain (einem Drain-Anschluss, einem Drain-Bereich oder einer Drain-Elektrode), und ein Strom kann durch den Kanalbildungsbereich zwischen der Source und dem Drain fließen. Es sei angemerkt, dass sich in dieser Beschreibung und dergleichen ein Kanalbildungsbereich auf einen Bereich bezieht, durch den hauptsächlich ein Strom fließt.
Wenn beispielsweise Transistoren mit unterschiedlichen Polaritäten zum Einsatz kommen oder die Stromflussrichtung im Schaltungsbetrieb geändert wird, können die Funktionen einer Source und eines Drains in einigen Fällen untereinander ausgetauscht werden. Deshalb können die Begriffe „Source“ und „Drain“ in dieser Beschreibung und dergleichen untereinander ausgetauscht werden.
Sofern nicht anders angegeben, bezeichnet ein Sperrstrom in dieser Beschreibung und dergleichen einen Drain-Strom eines Transistors in einem Sperrzustand (auch als nichtleitender Zustand oder Cut-Off-Zustand bezeichnet). Sofern nicht anders angegeben, bezeichnet der Sperrzustand eines n-Kanal-Transistors den Zustand, in dem eine Spannung Vgs eines Gates in Bezug auf eine Source niedriger ist als eine Schwellenspannung Vth, und der Sperrzustand eines p-Kanal-Transistors bezeichnet den Zustand, in dem die Spannung Vgs eines Gates in Bezug auf eine Source höher ist als die Schwellenspannung Vth. Nämlich bezeichnet in einigen Fällen der Sperrstrom eines n-Kanal-Transistors einen Drain-Strom, der fließt, wenn die Spannung Vgs des Gates in Bezug auf die Source niedriger ist als die Schwellenspannung Vth.
In der vorstehenden Beschreibung des Sperrstroms kann der Drain durch die Source ersetzt werden. Das heißt, dass in einigen Fällen der Sperrstrom einen Source-Strom bezeichnet, der dann fließt, wenn sich der Transistor im Sperrzustand befindet. Außerdem weist ein Leckstrom in einigen Fällen die gleiche Bedeutung wie der Sperrstrom auf. In dieser Beschreibung und dergleichen bezeichnet in einigen Fällen der Sperrstrom einen Strom, der zwischen einer Source und einem Drain fließt, wenn sich ein Transistor im Sperrzustand befindet.
In dieser Beschreibung und dergleichen bezeichnet in einigen Fällen ein Durchlassstrom einen Strom, der zwischen einer Source und einem Drain fließt, wenn sich ein Transistor im Durchlasszustand (auch als leitender Zustand bezeichnet) befindet.
In dieser Beschreibung und dergleichen bedeutet ein Metalloxid im weiteren Sinne ein Oxid eines Metalls. Metalloxide werden in einen Oxidisolator, einen Oxidleiter (darunter auch einen durchsichtigen Oxidleiter), einen Oxidhalbleiter und dergleichen unterteilt.
Wenn beispielsweise ein Metalloxid für einen Kanalbildungsbereich eines Transistors verwendet wird, wird das Metalloxid in einigen Fällen als Oxidhalbleiter bezeichnet. Das heißt, dass ein Metalloxid, das mindestens eine von einer Verstärkungsfunktion, einer Gleichrichterfunktion und einer Schaltfunktion aufweist, als Metalloxidhalbleiter bezeichnet werden kann. Das heißt, dass ein Transistor, der ein Metalloxid in einem Kanalbildungsbereich enthält, als „Oxidhalbleiter-Transistor“ oder „OS-Transistor“ bezeichnet werden kann. In ähnlicher Weise handelt es sich auch bei einem „Transistor, bei dem ein Oxidhalbleiter verwendet wird,“ um einen Transistor, der ein Metalloxid in einem Kanalbildungsbereich enthält.
In dieser Beschreibung und dergleichen wird auch ein stickstoffhaltiges Metalloxid in einigen Fällen als Metalloxid bezeichnet. Ein stickstoffhaltiges Metalloxid kann auch als Metalloxynitrid bezeichnet werden. Die Details eines Metalloxids werden nachstehend beschrieben.
(Ausführungsform 1)
Bei dieser Ausführungsform werden ein Strukturbeispiel und ein Betriebsbeispiel einer Halbleitervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Halbleitervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine Funktion einer Speichervorrichtung auf, die Halbleitereigenschaften nutzt. Eine Speichervorrichtung, die Halbleitereigenschaften nutzt, wird auch als Speicher bezeichnet. Die Halbleitervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist auch einen Teil einer arithmetischen Funktion einer arithmetischen Vorrichtung auf und kann eine Produkt-Summen-Operation unter Verwendung von ausgelesenen Daten durchführen.
<Schematische perspektivische Ansicht einer Halbleitervorrichtung>
1 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die ein Strukturbeispiel einer Halbleitervorrichtung 100 einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Die Halbleitervorrichtung 100 beinhaltet eine Schicht 101 und eine Schicht 102 und weist eine Struktur auf, bei der die Schicht 102 oberhalb der Schicht 101 angeordnet ist. In jeder der Schicht 101 und der Schicht 102 ist eine Schaltung, die durch Nutzung von Halbleitereigenschaften arbeiten kann, bereitgestellt; eine Peripherieschaltung 110 ist in der Schicht 101 bereitgestellt, und ein Speicherzellenarray 120 ist in der Schicht 102 bereitgestellt. Es sei angemerkt, dass in den Zeichnungen, die in dieser Beschreibung und dergleichen beschrieben werden, der Verlauf von hauptsächlichen Signalen durch Pfeile oder Linien dargestellt wird und dass eine Stromversorgungsleitung und dergleichen in einigen Fallen weggelassen werden.
Die Peripherieschaltung 110 beinhaltet einen Zeilendecoder 131, eine Wortleitungstreiberschaltung 132, einen Spaltendecoder 141, eine Bitleitungstreiberschaltung 142, eine arithmetische Schaltung 150 und eine Steuerlogikschaltung 160. Es sei angemerkt, dass die Peripherieschaltung 110 eine Funktion einer Treiberschaltung und einer Steuerschaltung für das Speicherzellenarray 120 und eine arithmetische Funktion aufweist.
Die Peripherieschaltung 110 kann unter Verwendung von Transistoren, die auf einem Halbleitersubstrat SUB ausgebildet sind, gebildet werden. Es gibt keine besondere Beschränkung bezüglich des Halbleitersubstrats SUB, solange Kanalbereiche der Transistoren darin ausgebildet werden können. Beispielsweise kann ein einkristallines Siliziumsubstrat, ein einkristallines Germaniumsubstrat, ein Verbundhalbleitersubstrat (wie z. B. ein SiC-Substrat oder ein GaN-Substrat), ein Silizium-auf-Isolator- (silicon on insulator, SOI-) Substrat oder dergleichen verwendet werden.
Als SOI-Substrat kann das folgende Substrat verwendet werden: ein Trennungdurch-implantiertes-Sauerstoff- (separation by implanted oxygen, SIMOX-) Substrat, das derart ausgebildet wird, dass, nachdem ein Sauerstoff-Ion in einen spiegelpolierten Wafer implantiert worden ist, eine Erwärmung bei hoher Temperatur durchgeführt wird, wodurch eine Oxidschicht in einer bestimmten Tiefe von der Oberfläche ausgebildet wird und Defekte, die in einer Oberflächenschicht erzeugt werden, beseitigt werden; oder ein SOI-Substrat, das ausgebildet wird, indem ein Smart-Cut-Verfahren, in dem ein Halbleitersubstrat durch Nutzung eines Wachstums eines winzigen Hohlraums, der durch Implantation eines Wasserstoffions gebildet wird, mittels der Wärmebehandlung gespalten wird, ein epitaktisches Schichtübertragungs- (eingetragenes Markenzeichen: epitaxial layer transfer, ELTRAN-) Verfahren oder dergleichen verwendet wird. Ein Transistor, der unter Verwendung eines einkristallinen Substrats ausgebildet wird, enthält einen einkristallinen Halbleiter in einem Kanalbildungsbereich.
Transistoren, die in der Peripherieschaltung 110 enthalten sind, können auf einem Substrat, das verzerrtes Silizium enthält, ausgebildet werden. Verzerrtes Silizium wird erhalten, indem beispielsweise eine Siliziumkristallschicht auf Silizium, dem Germanium zugesetzt ist, ausgebildet wird und der Abstand zwischen Siliziumatomen in der Siliziumkristallschicht vergrößert wird; daher weist verzerrtes Silizium eine hohe Elektronenbeweglichkeit auf.
Bei dieser Ausführungsform wird ein Beispiel beschrieben, in dem ein einkristallines Siliziumsubstrat als Halbleitersubstrat SUB verwendet wird. Ein Transistor, der auf einem einkristallinen Siliziumsubstrat ausgebildet wird, wird als „Si-Transistor“ bezeichnet. Die Peripherieschaltung 110, die unter Verwendung von Si-Transistoren ausgebildet wird, kann mit hoher Geschwindigkeit arbeiten.
Das Speicherzellenarray 120 beinhaltet eine Vielzahl von Speicherzellen 121, und die Speicherzellen 121 können beispielsweise unter Verwendung von OS-Transistoren ausgebildet werden. Da der OS-Transistor durch ein Verfahren, wie z. B. ein Dünnfilmverfahren, ausgebildet werden kann, kann das Speicherzellenarray 120 über dem Halbleitersubstrat SUB angeordnet werden. Da die Bandlücke eines Oxidhalbleiters höher als oder gleich 2,5 eV, bevorzugt höher als oder gleich 3,0 eV ist, weist ein OS-Transistor Merkmale auf, dass ein Leckstrom infolge thermischer Anregung niedrig ist und der Sperrstrom sehr niedrig ist. Es sei angemerkt, dass ein Sperrstrom einen Strom bezeichnet, der zwischen einer Source und einem Drain fließt, wenn sich ein Transistor im Sperrzustand befindet.
Bei einem Metalloxid, das für den Kanalbildungsbereich des OS-Transistors verwendet wird, handelt es sich vorzugsweise um einen Oxidhalbleiter, der Indium (In) und/oder Zink (Zn) enthält. Typische Beispiele für einen derartigen Oxidhalbleiter umfassen ein In-M-Zn-Oxid (ein Element M ist beispielsweise eines oder mehrere, die aus Al, Ga, Y und Sn ausgewählt werden). Durch Verringerung von als Elektronendonatoren dienenden Verunreinigungen, wie z. B. Feuchtigkeit oder Wasserstoff, sowie durch Verringerung von Sauerstofffehlstellen kann ein i-Typ-(intrinsischer) oder ein im Wesentlichen i-Typ-Oxidhalbleiter erhalten werden. Ein derartiger Oxidhalbleiter kann als hochreiner Oxidhalbleiter bezeichnet werden. Die Details des OS-Transistors werden bei der Ausführungsform 2 und der Ausführungsform 3 beschrieben.
Die Speicherzelle 121 weist eine Funktion zum Speichern von Daten durch Akkumulation und Halten von elektrischen Ladungen auf. Die Speicherzelle 121 kann eine Funktion zum Speichern von binären (hohen oder niedrigen) Daten oder eine Funktion zum Speichern von Daten mit vier oder mehr Stufen aufweisen. Alternativ kann die Speicherzelle 121 eine Funktion zum Speichern von analogen Daten aufweisen.
Ein OS-Transistor wird vorzugsweise als Transistor in der Speicherzelle 121 verwendet, da sein Sperrstrom sehr niedrig ist. Beispielsweise kann in einem OS-Transistor ein normierter Sperrstrom pro Mikrometer der Kanalbreite bei einer Source-Drain-Spannung von 10 V niedriger als oder gleich 10 × 10^-21 A (10 Zeptoampere) sein.
Indem ein OS-Transistor in der Speicherzelle 121 verwendet wird, können Daten, die in der Speicherzelle 121 gespeichert werden, lange Zeit gehalten werden.
Da der Sperrstrom eines OS-Transistors auch bei hohen Temperaturen mit geringerer Wahrscheinlichkeit erhöht wird, werden Daten, die in der Speicherzelle 121 gespeichert werden, auch bei hohen Temperaturen, die durch Wärmeerzeugung der Peripherieschaltung 110 verursacht werden, mit geringerer Wahrscheinlichkeit verloren. Durch Verwendung eines OS-Transistors kann die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung 100 erhöht werden. Ein OS-Transistor kann mit einer Herstellungseinrichtung, die derjenigen für einen Transistor, der Silizium in einem Kanalbildungsbereich enthält, ähnlich ist, hergestellt werden und kann daher mit geringen Kosten hergestellt werden.
Wie in 1 dargestellt, sind in dem Speicherzellenarray 120 die Speicherzellen 121 in einer Matrix angeordnet, und jede der Speicherzellen 121 ist elektrisch mit einer Leitung WL und einer Leitung BL verbunden. Die Speicherzelle 121 wird durch ein Potential, das an die Leitung WL angelegt wird, ausgewählt, und Daten werden über die Leitung BL in die ausgewählte Speicherzelle 121 geschrieben. Alternativ wird die Speicherzelle 121 durch ein Potential, das an die Leitung WL angelegt wird, ausgewählt, und Daten werden über die Leitung BL aus der ausgewählten Speicherzelle 121 gelesen.
Mit anderen Worten: Die Leitung WL weist eine Funktion einer Wortleitung der Speicherzelle 121 auf, und die Leitung BL weist eine Funktion einer Bitleitung der Speicherzelle 121 auf. Obwohl in 1 nicht dargestellt, umfasst die Leitung WL eine Wortleitung wwl und eine Wortleitung rwl, und die Leitung BL umfasst eine Bitleitung wbl und eine Bitleitung rbl (siehe 2 und 3A).
<Blockdiagramm der Halbleitervorrichtung>
2 ist ein Blockdiagramm, das ein Strukturbeispiel der Halbleitervorrichtung 100 darstellt.
Die Halbleitervorrichtung 100 beinhaltet die Peripherieschaltung 110 und das Speicherzellenarray 120. Die Peripherieschaltung 110 beinhaltet den Zeilendecoder 131, die Wortleitungstreiberschaltung 132, den Spaltendecoder 141, die Bitleitungstreiberschaltung 142, die arithmetische Schaltung 150 und die Steuerlogikschaltung 160. Das Speicherzellenarray 120 beinhaltet die Speicherzelle 121, die Wortleitung wwl, die Wortleitung rwl, die Bitleitung wbl und die Bitleitung rbl.
Ein Potential Vss, ein Potential Vdd, ein Potential Vdh und ein Referenzpotential Vref werden in die Halbleitervorrichtung 100 eingegeben. Das Potential Vdh ist ein hohes Stromversorgungspotential der Wortleitung wwl.
Ein Taktsignal CLK, ein Chipfreigabesignal CE, ein Global-Schreibfreigabesignal GW, ein Byte-Schreibfreigabesignal BW, ein Adressensignal ADDR, ein Datensignal WDATA und ein Signal A werden in die Halbleitervorrichtung 100 eingegeben, und die Halbleitervorrichtung 100 gibt ein Datensignal RDATA aus. Es sei angemerkt, dass diese Signale digitale Signale sind, die durch einen hohen Pegel oder einen niedrigen Pegel (in einigen Fallen durch Hoch oder Niedrig, H oder L, 1 oder 0 oder dergleichen) dargestellt werden. Das Byte-Schreibfreigabesignal BW, das Adressensignal ADDR, das Datensignal WDATA, das Datensignal RDATA und das Signal A sind jeweils ein Signal mit einer Vielzahl von Bits.
In dieser Beschreibung und dergleichen wird in Bezug auf ein Signal mit einer Vielzahl von Bits beispielsweise in dem Fall, in dem das Byte-Schreibfreigabesignal BW vier Bits aufweist, das Signal durch das Byte-Schreibfreigabesignal BW[3:0] dargestellt. Dies bedeutet, dass das Byte-Schreibfreigabesignal BW[0] bis BW[3] umfasst. In dem Fall, in dem ein Bit spezifiziert werden muss, wird das Signal beispielsweise durch das Byte-Schreibfreigabesignal BW[0] dargestellt. Wenn das Signal durch das Byte-Schreibfreigabesignal BW dargestellt wird, wird damit ein beliebiges Bit gemeint.
Beispielsweise kann das Byte-Schreibfreigabesignal BW vier Bits aufweisen, und das Datensignal WDATA und das Datensignal RDATA können jeweils 32 Bits aufweisen. Mit anderen Worten: Das Byte-Schreibfreigabesignal BW, das Datensignal WDATA und das Datensignal RDATA werden durch das Byte-Schreibfreigabesignal BW[3:0], ein Datensignal WDATA[31:0] bzw. ein Datensignal RDATA[31:0] dargestellt.
Es sei angemerkt, dass bei der Halbleitervorrichtung 100 die oben genannten Schaltungen, Potentiale und Signale nach Bedarf ausgewählt werden können. Alternativ kann eine weitere Schaltung, ein weiteres Potential oder ein weiteres Signal hinzugefügt werden.
Die Steuerlogikschaltung 160 verarbeitet das Chipfreigabesignal CE und das Global-Schreibfreigabesignal GW und erzeugt Steuersignale für den Zeilendecoder 131 und den Spaltendecoder 141. In dem Fall, in dem beispielsweise das Chipfreigabesignal CE auf dem hohen Pegel liegt und das Global-Schreibfreigabesignal GW auf dem niedrigen Pegel liegt, führen der Zeilendecoder 131 und der Spaltendecoder 141 einen Lesevorgang durch. In dem Fall, in dem das Chipfreigabesignal CE auf dem hohen Pegel liegt und das Global-Schreibfreigabesignal GW auf dem hohen Pegel liegt, führen der Zeilendecoder 131 und der Spaltendecoder 141 einen Schreibvorgang durch. In dem Fall, in dem das Chipfreigabesignal CE auf dem niedrigen Pegel liegt, können der Zeilendecoder 131 und der Spaltendecoder 141 einen Standby-Vorgang durchführen, ungeachtet dessen, ob das Global-Schreibfreigabesignal GW auf dem hohen Pegel oder dem niedrigen Pegel liegt. Signale, die durch die Steuerlogikschaltung 160 verarbeitet werden, sind nicht darauf beschränkt, und andere Signale können nach Bedarf eingegeben werden.
Die Steuerlogikschaltung 160 verarbeitet ferner das Byte-Schreibfreigabesignal BW[3:0], um einen Schreibvorgang zu steuern. In dem Fall, in dem insbesondere das Byte-Schreibfreigabesignal BW[0] auf dem hohen Pegel liegt, führen der Zeilendecoder 131 und der Spaltendecoder 141 einen Schreibvorgang des Datensignals WDATA[7:0] durch. In ähnlicher Weise wird in dem Fall, in dem das Byte-Schreibfreigabesignal BW[1] auf dem hohen Pegel liegt, ein Schreibvorgang des Datensignals WDATA[15:8] durchgeführt; in dem Fall, in dem das Byte-Schreibfreigabesignal BW[2] auf dem hohen Pegel liegt, wird ein Schreibvorgang des Datensignals WDATA[23:16] durchgeführt; und in dem Fall, in dem das Byte-Schreibfreigabesignal BW[3] auf dem hohen Pegel liegt, wird ein Schreibvorgang des Datensignals WDATA[31:24] durchgeführt.
Ein Adressensignal ADDR wird zusätzlich zu den Steuersignalen, die durch die Steuerlogikschaltung 160 erzeugt werden, in den Zeilendecoder 131 und den Spaltendecoder 141 eingegeben.
Der Zeilendecoder 131 decodiert das Adressensignal ADDR und erzeugt Steuersignale für die Wortleitungstreiberschaltung 132. Die Wortleitungstreiberschaltung 132 weist eine Funktion auf, die Wortleitung wwl und die Wortleitung rwl zu treiben. Die Wortleitungstreiberschaltung 132 wählt auf Basis eines Steuersignals des Zeilendecoders 131 die Wortleitung wwl oder die Wortleitung rwl einer Zeile aus, auf die zugegriffen werden soll. In dem Fall, in dem das Speicherzellenarray 120 in eine Vielzahl von Blöcken unterteilt wird, kann ein Vordecoder 133 bereitgestellt werden. Der Vordecoder 133 weist eine Funktion auf, das Adressensignal ADDR zu decodieren und einen Block, auf den zugegriffen werden soll, zu bestimmen.
Der Spaltendecoder 141 und die Bitleitungstreiberschaltung 142 weisen eine Funktion, Daten, die durch das Datensignal WDATA eingegeben werden, in das Speicherzellenarray 120 zu schreiben, eine Funktion, Daten aus dem Speicherzellenarray 120 zu lesen, eine Funktion, die gelesenen Daten zu verstärken und die verstärkten Daten an die arithmetische Schaltung 150 auszugeben, und dergleichen auf.
Die arithmetische Schaltung 150 weist eine Funktion, Daten, die aus dem Speicherzellenarray 120 gelesen werden, als Datensignal RDATA aus der Halbleitervorrichtung 100 auszugeben, eine Funktion, eine Produkt-Summen-Operation unter Verwendung von Daten, die durch das Signal A eingegeben werden, und Daten, die aus dem Speicherzellenarray 120 gelesen werden, durchzuführen und das Ergebnis als Datensignal RDATA auszugeben, und dergleichen auf. Die arithmetische Schaltung 150 wird nachstehend beschrieben.
Die Bitleitungstreiberschaltung 142 beinhaltet ferner eine Vorladeschaltung 143, eine Leseverstärkerschaltung 144, eine Ausgabe-MUX- (Multiplexer-) Schaltung 145 und eine Schreibtreiberschaltung 146. Die Vorladeschaltung 143, die Leseverstärkerschaltung 144, die Ausgabe-MUX-Schaltung 145 und die Schreibtreiberschaltung 146 werden nachstehend beschrieben.
<Speicherzellenarray, Speicherzelle>
3A ist ein Blockdiagramm, das ein Strukturbeispiel des Speicherzellenarrays 120 darstellt. Das Speicherzellenarray 120 umfasst insgesamt m × n Speicherzellen 121; m (m ist eine ganze Zahl von 2 oder mehr) Speicherzellen in einer Spalte und n (n ist eine ganze Zahl von 2 oder mehr) Speicherzellen in einer Zeile. Die Speicherzellen 121 sind in einer Matrix angeordnet.
In 3A sind [1, 1], [i, 1], [m, 1], [1, j], [i, j], [m, j], [1, n], [i, n] und [m, n] (i ist eine ganze Zahl von 1 oder mehr und m oder weniger, und j ist eine ganze Zahl von 1 oder mehr und n oder weniger) die Adressen der Speicherzellen 121. Beispielsweise ist die Speicherzelle 121, die durch [i, j] dargestellt wird, die Speicherzelle 121 in der i-ten Zeile und der j-ten Spalte.
Ferner beinhaltet das Speicherzellenarray 120 n Bitleitungen wbl (wbl(1) bis wbl(n)), n Bitleitungen rbl (rbl(1) bis rbl(n)), m Wortleitungen wwl (wwl(1) bis wwl(m)) und m Wortleitungen rwl (rwl(1) bis rwl(m)).
Die Speicherzellen 121 sind jeweils elektrisch mit der Bitleitung wbl, der Bitleitung rbl, der Wortleitung wwl und der Wortleitung rwl verbunden. Beispielsweise ist die Speicherzelle 121, deren Adresse [i, j] ist, über die Wortleitung wwl(i) und die Wortleitung rwl(i) elektrisch mit der Wortleitungstreiberschaltung 132 verbunden und über die Bitleitung wbl(j) und die Bitleitung rbl(j) elektrisch mit der Bitleitungstreiberschaltung 142 verbunden.
3B ist ein Schaltplan, der ein Strukturbeispiel der Speicherzelle 121 darstellt.
Die Speicherzelle 121 beinhaltet einen Transistor M11 und einen Transistor M12. Ein Anschluss von Source und Drain des Transistors M11 ist elektrisch mit einem Gate des Transistors M12 verbunden, der andere Anschluss von Source und Drain des Transistors M11 ist elektrisch mit der Bitleitung wbl verbunden, und ein Gate des Transistors M11 ist elektrisch mit der Wortleitung wwl verbunden. Ein Anschluss von Source und Drain des Transistors M12 ist elektrisch mit der Bitleitung rbl verbunden, und der andere Anschluss von Source und Drain des Transistors M12 ist elektrisch mit der Wortleitung rwl verbunden. Hier wird ein Verbindungsabschnitt, an dem ein Anschluss von Source und Drain des Transistors M11 und das Gate des Transistors M12 elektrisch verbunden sind, als Knoten N11 bezeichnet.
Die Speicherzelle 121 kann ferner einen Kondensator C11 beinhalten. 3C stellt ein Strukturbeispiel für den Fall dar, in dem die Speicherzelle 121 den Kondensator C11 beinhaltet. Ein Anschluss des Kondensators C11 ist elektrisch mit dem Knoten N11 verbunden, und der andere Anschluss des Kondensators C11 ist elektrisch mit einer Leitung CAL verbunden. Die Leitung CAL dient als Leitung zum Anlegen eines vorbestimmten Potentials an den anderen Anschluss des Kondensators C11.
In dieser Beschreibung und dergleichen werden Ausdrücke, wie z. B. „Anschluss“, verwendet, um eine Eingabe und Ausgabe von Signalen und Potentialen zwischen Bestandteilen zu beschreiben; jedoch bestehen keine physikalischen Verbindungsabschnitte, wie z. B. „Anschluss“, in der tatsächlichen Schaltung, und in einigen Fallen sind die Bestandteile über Leitungen, Elektroden oder dergleichen lediglich elektrisch miteinander verbunden.
In der Speicherzelle 121 dient die Bitleitung wbl als Schreib-Bitleitung, die Bitleitung rbl dient als Lese-Bitleitung, die Wortleitung wwl dient als Schreib-Wortleitung, und die Wortleitung rwl dient als Lese-Wortleitung. Der Transistor M11 weist eine Funktion eines Schalters auf, der das Leiten oder Nichtleiten zwischen dem Knoten N11 und der Bitleitung wbl steuert.
Ein hohes Potential wird an die Wortleitung wwl angelegt, der Transistor M11 wird eingeschaltet, und der Knoten N11 und die Bitleitung wbl werden elektrisch verbunden, wodurch Daten geschrieben werden. Insbesondere wird dann, wenn der Transistor M11 eingeschaltet ist, ein Potential entsprechend Daten, die in die Bitleitung wbl geschrieben werden, angelegt, wodurch das Potential in den Knoten N11 geschrieben wird. Danach wird ein niedriges Potential an die Wortleitung wwl angelegt, und der Transistor M11 wird ausgeschaltet, wodurch das Potential des Knotens N11 gehalten wird.
Ein vorbestimmtes Potential wird an die Bitleitung rbl angelegt, und danach wird die Bitleitung rbl in einen elektrisch schwebenden (potentialfreien) Zustand versetzt, und ein niedriges Potential wird an die Wortleitung rwl angelegt, wodurch Daten gelesen werden. Nachstehend werden das Anlegen eines vorbestimmten Potentials an die Bitleitung rbl und das Versetzen der Bitleitung rbl in einen schwebenden Zustand durch das Vorladen der Bitleitung rbl dargestellt.
Durch Vorladen der Bitleitung rbl auf das Potential Vdd weist beispielsweise der Transistor M12 eine Potentialdifferenz zwischen der Source und dem Drain auf, und der Strom, der zwischen der Source und dem Drain des Transistors M12 fließt, wird abhängig von einem Potential, das an dem Knoten N11 gehalten wird, bestimmt. Daher kann das Potential, das an dem Knoten N11 gehalten wird, gelesen werden, indem eine Änderung des Potentials der Bitleitung rbl zu dem Zeitpunkt, zu dem sich die Bitleitung rbl in einem schwebenden Zustand befindet, gelesen wird.
Eine Zeile, in der die Speicherzellen 121, in die Daten geschrieben werden sollen, angeordnet sind, wird ausgewählt, indem ein hohes Potential an die Wortleitung wwl angelegt wird. Eine Zeile, in der die Speicherzellen 121, aus denen Daten gelesen werden sollen, angeordnet sind, wird ausgewählt, indem ein niedriges Potential an die Wortleitung rwl angelegt wird. Im Gegensatz dazu kann eine Zeile, in der die Speicherzellen 121, in die Daten nicht geschrieben werden sollen, angeordnet sind, in einen nicht ausgewählten Zustand versetzt werden, indem ein niedriges Potential an die Wortleitung wwl angelegt wird, und eine Zeile, in der die Speicherzellen 121, aus denen Daten nicht gelesen werden sollen, angeordnet sind, kann in einen nicht ausgewählten Zustand versetzt werden, indem ein Potential, das dem Potential, auf das die Bitleitung rbl vorgeladen wird, gleich ist, an die Wortleitung rwl angelegt wird.
OS-Transistoren können als Transistor M11 und Transistor M12 verwendet werden. Da der OS-Transistor einen sehr niedrigen Sperrstrom aufweist, kann ein Potential, das in den Knoten N11 geschrieben wird, lange Zeit gehalten werden, indem der OS-Transistor als Transistor M11 verwendet wird. Mit anderen Worten: Daten, die in die Speicherzelle 121 geschrieben werden, können lange Zeit gehalten werden.
Wenn ein OS-Transistor als Transistor M11 verwendet wird, kann die Kapazität des Kondensators C11 in der Speicherzelle 121 verringert werden. Alternativ kann dann, wenn ein OS-Transistor als Transistor M11 verwendet wird, eine Struktur, bei der die Speicherzelle 121 nicht den Kondensator C11 beinhaltet, zum Einsatz kommen (siehe 3B). In dem Fall, in dem die Speicherzelle 121 nicht den Kondensator C11 beinhaltet, wird ein Potential, das in den Knoten N11 geschrieben wird, durch die Gate-Kapazität des Transistors M12 oder dergleichen gehalten.
Ein Transistor, der als Transistor M12 verwendet wird, ist nicht besonders beschränkt. Obwohl ein OS-Transistor, ein Si-Transistor oder die andere Art von Transistor als Transistor M12 verwendet werden kann, wird es bevorzugt, dass OS-Transistoren als Transistor M11 und Transistor M12 verwendet werden, wobei in diesem Fall das Speicherzellenarray 120 über der Peripherieschaltung 110 angeordnet werden kann.
Der Transistor M11 und der Transistor M12 können jeweils ein Rückgate (auch als zweites Gate oder Bottom-Gate bezeichnet) beinhalten. In dem Fall, in dem beispielsweise der Transistor M11 ein Rückgate beinhaltet, kann die Schwellenspannung des Transistors M11 erhöht oder verringert werden, indem ein vorbestimmtes Potential an das Rückgate des Transistors M11 angelegt wird. Alternativ kann dann, wenn das Rückgate des Transistors M11 elektrisch mit dem Gate (auch als erstes Gate, Top-Gate oder Frontgate in Bezug auf das Rückgate bezeichnet) des Transistors M11 verbunden ist, der Durchlassstrom des Transistors M11 erhöht werden.
Insbesondere verschieben sich die Schwellenspannungen in negativer Richtung, wenn ein hohes Potential an die Rückgates des Transistors M11 und des Transistors M12 angelegt wird. Die Schwellenspannungen verschieben sich in positiver Richtung, wenn ein niedriges Potential an die Rückgates des Transistors M11 und des Transistors M12 angelegt wird. Wenn sich die Schwellenspannungen in negativer Richtung verschieben, kann der Durchlassstrom der Transistoren erhöht werden, und die Speicherzelle 121 kann mit hoher Geschwindigkeit arbeiten. Wenn sich die Schwellenspannungen in positiver Richtung verschieben, kann der Sperrstrom der Transistoren verringert werden, und die Speicherzelle 121 kann Daten lange Zeit halten. Alternativ können unterschiedliche Potentiale an die Rückgates des Transistors M11 und des Transistors M12 angelegt werden. Beispielsweise kann das Potential, das an das Rückgate des Transistors M11 angelegt wird, niedrig sein, und das Potential, das an das Rückgate des Transistors M12 angelegt wird, kann hoch sein.
Alternativ können Transistoren, die sich von OS-Transistoren unterscheiden, als Transistor M11 und Transistor M12 verwendet werden. Der Transistor M11 und der Transistor M12 sind jeweils vorzugsweise ein Transistor mit niedrigem Sperrstrom; beispielsweise kann ein Transistor, in dem ein Halbleiter mit großer Bandlücke in einem Kanalbildungsbereich enthalten ist, verwendet werden. Der Halbleiter mit großer Bandlücke kann sich auf einen Halbleiter beziehen, dessen Bandlücke mehr als oder gleich 2,2 eV ist, und Beispiele dafür umfassen Siliziumcarbid, Galliumnitrid und Diamant.
Die Speicherzelle 121 ist eine Verstärkungszellen-Speicherzelle, die zwei Transistoren beinhaltet oder zwei Transistoren und einen Kondensator beinhaltet. Indem die akkumulierte elektrische Ladung durch den nächstgelegenen Transistor verstärkt wird, kann eine Verstärkungszellen-Speicherzelle als Speicher arbeiten, selbst wenn die Kapazität der akkumulierten elektrischen Ladung klein ist. Die Speicherzelle 121 ist das oben genannte NOSRAM. NOSRAM ermöglicht, gehaltene Daten ohne Zerstörung zu lesen (das zerstörungsfreie Lesen), und ist daher für eine Produkt-Summen-Operation eines neuronalen Netzes geeignet, bei der der Lesevorgang von Daten mehrmals wiederholt wird,.
<Strukturbeispiel der Bitleitungstreiberschaltung>
In der Bitleitungstreiberschaltung 142 wird eine Schaltung 147, die in 4 dargestellt wird, für jede Spalte bereitgestellt. 4 ist ein Schaltplan, der ein Strukturbeispiel der Schaltung 147 darstellt. Es sei angemerkt, dass bei dieser Ausführungsform das Speicherzellenarray 120 128 Speicherzellen 121 in einer Zeile umfasst (n = 128).
Die Schaltung 147 beinhaltet Transistoren M21 bis M26, einen Leseverstärker 31, eine AND-Schaltung 32, einen Analogschalter 33 und einen Analogschalter 34.
Die Schaltung 147 arbeitet gemäß einem Signal SEN[3:0], einem Signal SEP[3:0], einem Signal PRE, einem Signal RSEL[3:0], einem Signal WSEL, einem Signal GRSEL[3:0] und einem Signal GWSEL[15:0]. Es sei angemerkt, dass ein 1-Bit-Signal aus den 4-Bit-Signalen SEN[3:0] in eine Schaltung 147 eingegeben wird. Das Gleiche gilt für die anderen Signale mit einer Vielzahl von Bits (SEP[3:0] und dergleichen).
Durch die Bitleitungstreiberschaltung 142 werden Daten DIN[31:0] in das Speicherzellenarray 120 geschrieben, und Daten DOUT[31:0] werden aus dem Speicherzellenarray 120 gelesen. Eine Schaltung 147 weist eine Funktion auf, 1-Bit-Daten aus den 32-Bit-Daten DIN[31:0] in das Speicherzellenarray 120 zu schreiben und 1-Bit-Daten aus den 32-Bit-Daten DOUT[31:0] aus dem Speicherzellenarray 120 zu lesen. Es sei angemerkt, dass die Daten DIN[31:0] und die Daten DOUT[31:0] interne Signale sind und dem Datensignal WDATA bzw. dem Datensignal RDATA entsprechen.
Der Transistor M21 bildet die Vorladeschaltung 143. Die Bitleitung rbl wird durch den Transistor M21 auf das Potential Vdd vorgeladen. Das Signal PRE ist ein Vorladesignal, und der leitende Zustand des Transistors M21 wird durch das Signal PRE gesteuert.
Der Leseverstärker 31 bildet die Leseverstärkerschaltung 144. Beim Lesevorgang bestimmt der Leseverstärker 31, ob Daten, die in die Bitleitung rbl eingegeben werden, auf dem hohen Pegel oder dem niedrigen Pegel liegen. Beim Schreibvorgang dient der Leseverstärker 31 als Latch-Schaltung, die die Daten DIN, die von der Schreibtreiberschaltung 146 eingegeben werden, temporär hält.
Der Leseverstärker 31, der in 4 dargestellt wird, ist ein Latch-Leseverstärker. Der Leseverstärker 31 beinhaltet zwei Inverterschaltungen, und ein Eingangsknoten einer der Inverterschaltungen ist mit einem Ausgangsknoten der anderen der Inverterschaltungen verbunden. Wenn der Eingangsknoten einer der Inverterschaltungen ein Knoten NS ist und der Ausgangsknoten ein Knoten NSB ist, werden Komplementärdaten an dem Knoten NS und dem Knoten NSB gehalten.
Das Signal SEN und das Signal SEP sind jeweils ein Leseverstärker-Freigabesignal zum Aktivieren des Leseverstärkers 31, und ein Referenzpotential Vref ist ein Lesen-Bestimmungspotential. Auf Basis des Referenzpotentials Vref bestimmt der Leseverstärker 31, ob das Potential des Knotens NSB zum Zeitpunkt der Aktivierung auf dem hohen Pegel oder dem niedrigen Pegel liegt.
Die AND-Schaltung 32 steuert den leitenden Zustand zwischen dem Knoten NS und der Bitleitung wbl. Der Analogschalter 33 steuert den leitenden Zustand zwischen dem Knoten NSB und der Bitleitung rbl, und der Analogschalter 34 steuert den leitenden Zustand zwischen dem Knoten NS und einer Leitung zum Zuführen des Referenzpotentials Vref.
Das Signal WSEL ist ein Schreibauswahlsignal, das die AND-Schaltung 32 steuert. Das Signal RSEL[3:0] ist ein Leseauswahlsignal, das den Analogschalter 33 und den Analogschalter 34 steuert.
Der Transistor M22 und der Transistor M23 bilden die Ausgabe-MUX-Schaltung 145. Das Signal GRSEL[3:0] ist ein Global-Leseauswahlsignal und steuert die Ausgabe-MUX-Schaltung 145. Die Ausgabe-MUX-Schaltung 145 weist eine Funktion auf, 32 Bitleitungen rbl, aus denen Daten gelesen werden sollen, aus 128 Bitleitungen rbl auszuwählen. Die Ausgabe-MUX-Schaltung 145 dient als Multiplexer von 128 Eingaben und 32 Ausgaben. Die Ausgabe-MUX-Schaltung 145 liest die Daten DOUT[31:0] aus der Leseverstärkerschaltung 144 und gibt die Daten an die arithmetische Schaltung 150 aus.
Es sei angemerkt, dass die Anzahl von Bitleitungen rbl, aus denen die Ausgabe-MUX-Schaltung 145 Daten liest, nicht auf 32 beschränkt ist. Beispielsweise kann die Anzahl 16 oder 64 sein. Eine Struktur, bei der die Bitleitungstreiberschaltung 142 nicht die Ausgabe-MUX-Schaltung 145 umfasst, kann auch zum Einsatz kommen. In diesem Fall werden Daten, die aus 128 Bitleitungen rbl gelesen werden, aus der Leseverstärkerschaltung 144 an die arithmetische Schaltung 150 ausgegeben. Die Anzahl von Bitleitungen rbl, aus denen die Ausgabe-MUX-Schaltung 145 Daten liest, oder das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein der Ausgabe-MUX-Schaltung 145 kann entsprechend der Struktur der arithmetischen Schaltung 150, die später beschrieben wird, der Anzahl von Bits von Signalen, die durch einen Bitleitungsprozessor 151 verarbeitet werden, der Anzahl von Bits des Datensignals RDATA oder dergleichen reguliert werden.
Die Transistoren M24 bis M26 bilden die Schreibtreiberschaltung 146. Das Signal GWSEL[15:0] ist ein Global-Schreibauswahlsignal und steuert die Schreibtreiberschaltung 146. Die Schreibtreiberschaltung 146 weist eine Funktion auf, die Daten DIN[31:0] in die Leseverstärkerschaltung 144 zu schreiben.
Die Schreibtreiberschaltung 146 weist eine Funktion auf, eine Spalte, in die die Daten DIN[31:0] geschrieben werden sollen, auszuwählen. Gemäß dem Signal GWSEL[15:0] schreibt die Schreibtreiberschaltung 146 Daten in Byte-Einheiten, Halbworteinheiten oder Worteinheiten.
In jeder vierten Spalte ist die Schaltung 147 elektrisch mit den Daten DIN[k] (k ist eine ganze Zahl von 0 oder mehr und 31 oder weniger) verbunden. In jeder vierten Spalte ist die Schaltung 147 ferner elektrisch mit den Daten DOUT[k] verbunden.
<Betriebsbeispiel der Speicherzelle>
5 ist ein Zeitdiagramm, das ein Betriebsbeispiel der Speicherzelle 121 zeigt. In 5 wird die Beziehung zwischen den Potentialen der Wortleitung wwl, der Wortleitung rwl, der Bitleitung wbl und der Bitleitung rbl im Schreibvorgang und Lesevorgang der Speicherzelle 121 beschrieben.
In 5 ist eine Periode Twrite eine Periode, in der der Schreibvorgang durchgeführt wird, und eine Periode Tread ist eine Periode, in der der Lesevorgang durchgeführt wird. Ein Potential jeder der Wortleitung rwl, der Bitleitung wbl und der Bitleitung rbl auf dem hohen Pegel ist das Potential Vdd, und ein Potential dieser auf dem niedrigen Pegel ist das Potential Vss. Ein Potential der Wortleitung wwl auf dem hohen Pegel ist das Potential Vdh, und ein Potential der Wortleitung wwl auf dem niedrigen Pegel ist das Potential Vss.
In der Periode Twrite wird ein Potential Vdata entsprechend Daten, die geschrieben werden sollen, an die Bitleitung wbl angelegt. Wenn das Potential Vdh an die Wortleitung wwl einer Zeile, in der die Speicherzellen 121, in die die Daten geschrieben werden sollen, angeordnet sind, in einem Zustand angelegt wird, in dem das Potential Vdata entsprechend den Daten, die geschrieben werden sollen, an die Bitleitung wbl angelegt wird, wird der Transistor M11 in einen leitenden Zustand versetzt, und das Potential Vdata entsprechend den Daten, die geschrieben werden sollen, wird in den Knoten N11 geschrieben.
In der Periode Twrite wird ferner das Potential Vdd an die Bitleitung rbl und die Wortleitung rwl angelegt.
In der Periode Tread wird die Bitleitung rbl auf das Potential Vdd vorgeladen. Wenn das Potential Vss an die Wortleitung rwl einer Zeile, in der die Speicherzellen 121, aus denen Daten gelesen werden sollen, angeordnet sind, in einem Zustand, in dem sich die Bitleitung rbl in einem schwebenden Zustand befindet, angelegt wird, wird in dem Fall, in dem die Daten, die in den Knoten N11 geschrieben werden, auf dem hohen Pegel liegen, der Transistor M12 in einen leitenden Zustand versetzt, und das Potential der Bitleitung rbl beginnt abzufallen. Wenn das Potential der Bitleitung rbl um ΔV1 verringert wird und niedriger als das Referenzpotential Vref wird, bestimmt der Leseverstärker 31, dass die Bitleitung rbl auf dem niedrigen Pegel liegt.
In dem Fall, in dem die Daten, die in den Knoten N11 geschrieben werden, auf dem niedrigen Pegel liegen, wird selbst dann, wenn das Potential Vss an die Wortleitung rwl einer Zeile, in der die Speicherzellen 121, aus denen Daten gelesen werden sollen, angeordnet sind, in einem Zustand, in dem sich die Bitleitung rbl in einem schwebenden Zustand befindet, angelegt wird, der Transistor M12 nicht in einen leitenden Zustand versetzt, und daher wird das Potential der Bitleitung rbl nicht geändert. In diesem Fall bestimmt der Leseverstärker 31, dass die Bitleitung rbl auf dem hohen Pegel liegt.
In der Periode Tread wird ferner das Potential Vss an die Bitleitung wbl und die Wortleitung wwl angelegt.
<Neuronales Netz>
Als Nächstes wird ein hierarchisches neuronales Netz, das für eine Mustererkennung oder dergleichen verwendet wird, als Beispiel angegeben, und eine Beziehung zwischen einem hierarchischen neuronalen Netz und einer Produkt-Summen-Operation wird beschrieben. 6 ist eine schematische Darstellung, die ein Strukturbeispiel des hierarchischen neuronalen Netzes zeigt.
In 6 wird ein Neuron jeder Schicht durch einen Kreis dargestellt. Das hierarchische neuronale Netz in 6 umfasst Neuronen (formale Neuronen), die in drei Schichten unterteilt werden: eine (l-1)-te Schicht, die als Eingabeschicht dient, eine l-te Schicht, die als Mittelschicht (versteckte Schicht) dient, und eine (l+1)-te Schicht, die als Ausgabeschicht dient (/ ist eine ganze Zahl von 2 oder mehr).
Die (l-1)-te Schicht umfasst P Neuronen (P ist eine ganze Zahl von 2 oder mehr), die /-te Schicht umfasst Q Neuronen (Q ist eine ganze Zahl von 2 oder mehr), und die (l+1)-te Schicht umfasst R Neuronen (R ist eine ganze Zahl von 2 oder mehr). 6 stellt fünf Neuronen unter den Neuronen in der (l-1)-ten Schicht, vier Neuronen unter den Neuronen in der l-ten Schicht und drei Neuronen unter den Neuronen in der (l+1)-ten Schicht dar.
Obwohl 6 ein Strukturbeispiel eines hierarchischen neuronalen Netzes zeigt, bei dem die Mittelschicht eine Schicht umfasst, kann die Mittelschicht eine Vielzahl von Schichten umfassen. In dem Fall, in dem beispielsweise ein hierarchisches neuronales Netz L Schichten (L ist eine ganze Zahl von 3 oder mehr) umfasst, entspricht eine erste Schicht einer Eingabeschicht, entsprechen eine zweite bis (L-1)-te Schicht einer Mittelschicht und entspricht eine L-te Schicht einer Ausgabeschicht.
In 6 wird eine Ausgabe a_p ^(l-1) eines p-ten Neurons in der (l-1)-ten Schicht (p ist eine ganze Zahl von 1 oder mehr und P oder weniger) in ein q-tes Neuron in der l-ten Schicht (q ist eine ganze Zahl von 1 oder mehr und Q oder weniger) eingegeben. Eine Ausgabe a_q ^(l) des q-ten Neurons wird in ein r-tes Neuron in der (l+1)-ten Schicht (r ist eine ganze Zahl von 1 oder mehr und R oder weniger) eingegeben. Die Ausgabe des r-ten Neurons wird durch a_r ^(l+1) dargestellt. Der Gewichtskoeffizient für die Eingabe in das q-te Neuron in der l-ten Schicht wird durch w_qp ^(l) dargestellt, und der Gewichtskoeffizient für die Eingabe in das r-te Neuron in der (l+1)-ten Schicht wird durch w_rq ^(l+1) dargestellt.
Dann wird die Summe (der Nettowert) der Eingabe in das q-te Neuron in der /ten Schicht durch die folgende Formel a1 dargestellt.
$u_{q}^{(I)} = Σ_{p} w_{q p}^{(I)} \cdot a_{p}^{(I - 1)}$
Die arithmetische Verarbeitung der Formel a1 ist eine Produkt-Summen-Operation.
Die Ausgabe a_q ^(l) des q-ten Neurons in der l-ten Schicht wird durch die folgende Formel a2 dargestellt.
$a_{q}^{(I)} = f (u_{q}^{(I)})$
Hier ist f eine Ausgabefunktion des Neurons. Als Ausgabefunktion f eines Neurons kann eine Treppenfunktion, eine lineare Rampenfunktion, eine Sigmoidfunktion oder dergleichen verwendet werden.
In ähnlicher Weise wird die Summe (der Nettowert) der Eingabe in das r-te Neuron in der (/+1)-ten Schicht durch die folgende Formel a3 dargestellt.
$u_{r}^{(I + 1)} = Σ q w_{r q}^{(I + 1)} \cdot a_{q}^{(I)}$
Die arithmetische Verarbeitung der Formel a3 ist eine Produkt-Summen-Operation.
Die Ausgabe a_r ^(l+1) des r-ten Neurons in der (/+1)-ten Schicht wird durch die folgende Formel a4 dargestellt.
$a_{r}^{(I + 1)} = f (u_{r}^{(I + 1)})$
Mit der vorstehenden Struktur kann die Ausgabe a_r ^(l+1) des r-ten Neurons erhalten werden.
Nun wird der Fokus auf die arithmetische Verarbeitung der Formel a1 gesetzt, (l-1) und l, die Schichten des hierarchischen neuronalen Netzes darstellen, werden aus der Formel a1 weggelassen, w_qp wird durch W[q,p] dargestellt, a_p wird durch A[p] dargestellt, und u_q wird durch U[q] dargestellt; in diesem Fall wird die Formel a1 durch die folgende Formel a5 dargestellt. $U [q] = Σ_{p} {W [q, p] \times A [p]}$
Die Formel a5 ist U[q] = W[q,1] × A[1] + W[q,2] × A[2] + (in der Mitte weggelassen) + W[q,P] × A[P], und es ist erforderlich, U[1] bis U[Q] zu berechnen (die Berechnung durchzuführen, wobei q 1 bis Q ist).
<Strukturbeispiel der arithmetischen Schaltung>
Die arithmetische Schaltung 150 umfasst vier Bitleitungsprozessoren 151 und weist eine Funktion zum Durchführen einer Produkt-Summen-Operation der Formel a5 auf. 7 ist ein Schaltplan, der ein Strukturbeispiel des Bitleitungsprozessors 151 darstellt.
Der Bitleitungsprozessor 151, der in 7 gezeigt wird, ist eine Schaltung zum Durchführen einer arithmetischen Verarbeitung auf Basis einer Architektur eines binären neuronalen Netzes (Binary Neural Network, BNN). BNN ist eine Architektur zum Verringern einer großen Menge an Berechnung und der Anzahl von Parametern, welche erforderlich sind, um die künstliche Intelligenz zu erzielen, und ist für die Verringerung der Schaltungsgröße und des Stromverbrauchs effektiv. In BNN können beispielsweise Daten, die ursprünglich mit 32-Bit-Genauigkeit oder 16-Bit-Genauigkeit ausgedrückt werden, zu Binärdaten komprimiert werden, wodurch die Menge an Berechnung und die Anzahl von Parametern in hohem Maße verringert werden können.
Der Bitleitungsprozessor 151, der in 7 gezeigt wird, stellt ein Strukturbeispiel dar, bei der eine Produkt-Summen-Operation in Bezug auf 8-Bit-Signale (A[0] bis A[7], W[0] bis W[7]) durchgeführt wird und ein 1-Bit-Ausgabesignal Q und ein 11-Bit-Ausgabesignal (accout[10:0]) ausgegeben werden. Es sei angemerkt, dass die Signale A[0] bis A[7] Daten sind, die in die Schichten des neuronalen Netzes eingegeben werden und von der Außenseite der Halbleitervorrichtung 100 zugeführt werden (siehe 2). Die Signale W[0] bis W[7] sind Gewichtskoeffizienten und werden von der Bitleitungstreiberschaltung 142 zugeführt.
Es sei angemerkt, dass die Bitleitungstreiberschaltung 142 32-Bit-Daten DOUT[31:0] über die Ausgabe-MUX-Schaltung 145 an die arithmetische Schaltung 150 ausgibt. Die arithmetische Schaltung 150 umfasst die vier Bitleitungsprozessoren 151, und die 32-Bit-Daten DOUT[31:0] werden als 8-Bit-Signale W[0] bis W[7] in jeden der Bitleitungsprozessoren 151 eingegeben.
Der Bitleitungsprozessor 151 umfasst eine Bit-Produkt-Summen-Operations-Einheit 42, einen Akkumulator 43 und eine Latch-Schaltung 44.
In 7 umfasst die Bit-Produkt-Summen-Operations-Einheit 42 Multiplizierer, in die 8-Bit-Signale (A[0] bis A[7], W[0] bis W[7]) eingegeben werden, und Addierer, in die Werte, die mit den Multiplizierern erhalten werden, eingegeben werden. Wie in 7 gezeigt, werden Produkte von 1-Bit-Signalen, die durch acht parallele Operationen berechnet werden, durch WA0 bis WA7 dargestellt, ihre Summen werden durch WA10, WA32, WA54 und WA76 dargestellt, und ihre Summen werden durch WA3210 und WA7654 dargestellt.
In 7 gibt der Akkumulator 43, der als Addierer dient, die Summe aus einem Signal der Bit-Produkt-Summen-Operations-Einheit 42 und einem Ausgabesignal der Latch-Schaltung 44 an die Latch-Schaltung 44 aus. Es sei angemerkt, dass in dem Akkumulator 43 ein Signal, das in den Addierer eingegeben wird, abhängig von dem Steuersignal T×D_EN geändert wird. Wenn das Steuersignal T×D_EN 0 ist (T×D_DEN = 0), wird die Summe aus dem Signal der Bit-Produkt-Summen-Operations-Einheit 42 und dem Ausgabesignal der Latch-Schaltung 44 an die Latch-Schaltung 44 ausgegeben. Wenn das Steuersignal T×D_EN 1 ist (T×D_EN = 1), wird die Summe aus einem Signal der Logikschaltung 47 (11-Bit-Selektor) und dem Ausgabesignal der Latch-Schaltung 44 an die Latch-Schaltung 44 ausgegeben.
Nach dem Abschluss der Produkt-Summen-Operation der Signale A[0] bis A[7] und der Signale W[0] bis W[7] addiert die Logikschaltung 47, die unter Verwendung einer AND-Schaltung gebildet wird, Daten für die Batch-Normalisierung, insbesondere das Signal W[7], während Schaltsignale (th select[10:0]) geändert werden. Hier bezeichnet die Batch-Normalisierung einen Vorgang zum Anpassen der Verteilung von Ausgabedaten jeder Schicht in einem neuronalen Netz, um in einen bestimmten Bereich zu passen. Als Daten für die Batch-Normalisierung kann beispielsweise eines der Signale W[0] bis W[6] außer dem Signal W[7] gleichzeitig gelesen und ausgewählt werden.
Die Latch-Schaltung 44 hält ein Ausgabesignal (accout[10:0]) des Akkumulators 43. Durch die Batch-Normalisierung werden Binärdaten, die auf eine Schicht (NN-Schicht) in dem nächsten neuronalen Netz übertragen werden, zu dem höchstwertigen Bit der Ergebnisse der Produkt-Summen-Operation, die in der Latch-Schaltung 44 gehalten werden. In dem Ausgabesignal (accout[10:0]) stellt ein Signal des höchstwertigen Bits (accout10) ein Bezugszeichen von Latch-Daten dar, die durch eine arithmetische Operation mit dem Zweierkomplement erhalten werden. Um positive Daten davon als 1 und negative Daten als 0 auf die nächste NN-Schicht zu übertragen, wird das Signal in einer Inverterschaltung 46, die als Codierschaltung dient, invertiert und als Ausgabesignal Q ausgegeben.
Es sei angemerkt, dass der Bitleitungsprozessor 151, der in 7 gezeigt wird, Produkt-Summen-Operationen in Bezug auf die 8-Bit-Signale (A[0] bis A[7], W[0] bis W[7]) mit einem Takt durchführen kann. Der Bitleitungsprozessor 151 kann die Effizienz der Produkt-Summen-Operationen erhöhen, indem die Produkt-Summen-Operationen parallel durchgeführt werden. Ferner wird es bevorzugt, dass die Signale W[0] bis W[7] in den Speicherzellen 121 in derselben Zeile gehalten werden. Wenn die Signale W[0] bis W[7] in den Speicherzellen 121 in derselben Zeile gehalten werden, können die Signale W[0] bis W[7] von der Bitleitungstreiberschaltung 142 gleichzeitig zugeführt werden.
Da die Schaltung 147 in jeder vierten Spalte elektrisch mit den Daten DOUT[k] verbunden ist, wird es beispielsweise bevorzugt, dass das Signal W[0] in der Speicherzelle 121[1,1], das Signal W[1] in der Speicherzelle 121[1,5], das Signal W[2] in der Speicherzelle 121[1,9], das Signal W[3] in der Speicherzelle 121[1,13], das Signal W[4] in der Speicherzelle 121[1,17], das Signal W[5] in der Speicherzelle 121[1,21], das Signal W[6] in der Speicherzelle 121[1,25] und das Signal W[7] in der Speicherzelle 121[1,29] gehalten wird. Indem die Wortleitung rwl(1) einmal ausgewählt wird, können die Signale W[0] bis W[7] von der Bitleitungstreiberschaltung 142 zugeführt werden.
Da der Bitleitungsprozessor 151 Produkt-Summen-Operationen in Bezug auf die 8-Bit-Signale (A[0] bis A[7], W[0] bis W[7]) mit einem Takt durchführen kann, kann die Berechnung, die durch die Formel a5 dargestellt wird, mit einem P/8-Takt in Bezug auf einen Wert von q durchgeführt werden. Alternativ ermöglicht, da die arithmetische Schaltung 150 vier Bitleitungsprozessoren 151 umfasst, die Zufuhr der Signale W[0] bis W[7] für unterschiedliche Werte von q zu den vier Bitleitungsprozessoren 151, dass parallele arithmetische Operationen für die vier Werte von q durchgeführt werden.
Wenn beispielsweise dem ersten Bitleitungsprozessor 151 W[1,1] bis W[1,7], dem zweiten Bitleitungsprozessor 151 W[2,1] bis W[2,7], dem dritten Bitleitungsprozessor 151 W[3,1] bis W[3,7] und dem vierten Bitleitungsprozessor 151 W[4,1] bis W[4,7] als Signale W[0] bis W[7] zugeführt werden, können die Berechnungen, die durch die Formel a5 dargestellt werden, in Bezug auf den Wert von q mit 1 bis 4 parallel durchgeführt werden.
Obwohl bei dieser Ausführungsform ein Strukturbeispiel beschrieben wird, in dem die arithmetische Schaltung 150 vier Bitleitungsprozessoren 151 umfasst und die Bitleitungstreiberschaltung 142 die 32-Bit-Daten DOUT[31:0] an die arithmetische Schaltung 150 ausgibt, ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Beispielsweise kann eine Struktur zum Einsatz kommen, bei der die arithmetische Schaltung 150 16 Bitleitungsprozessoren 151 umfasst und die Bitleitungstreiberschaltung 142 128-Bit-Daten DOUT[127:0] von der Leseverstärkerschaltung 144 an die arithmetische Schaltung 150 ausgibt, ohne die Ausgabe-MUX-Schaltung 145 zu passieren. Indem die Anzahl von Bitleitungsprozessoren 151, die in der arithmetischen Schaltung 150 enthalten sind, erhöht wird, kann die Parallelität der Produkt-Summen-Operationen erhöht werden.
Alternativ kann der Bitleitungsprozessor 151 eine Struktur aufweisen, bei der Produkt-Summen-Operationen in Bezug auf 32-Bit-Signale (A[0] bis A[31], W[0] bis W[31]) durchgeführt werden können. In diesem Fall kann eine Struktur, bei der die arithmetische Schaltung 150 einen Bitleitungsprozessor 151 umfasst und die Bitleitungstreiberschaltung 142 die 32-Bit-Daten DOUT[31:0] an die arithmetische Schaltung 150 ausgibt, eine Struktur, bei der die arithmetische Schaltung 150 vier Bitleitungsprozessoren 151 umfasst und die Bitleitungstreiberschaltung 142 die 128-Bit-Daten DOUT[127:0] an die arithmetische Schaltung 150 ausgibt, oder dergleichen zum Einsatz kommen. Wenn die Anzahl von Bits von Produkt-Summen-Operationen, die durch den Bitleitungsprozessor 151 durchgeführt werden können, erhöht wird, kann die Parallelität der Produkt-Summen-Operationen erhöht werden.
<Halbleitervorrichtung>
Eine Halbleitervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise 8-Bit-Gewichtskoeffizienten in den Speicherzellen 121 in derselben Zeile halten und die Gewichtskoeffizienten gleichzeitig von der Bitleitungstreiberschaltung 142 zu dem Bitleitungsprozessor 151 zuführen. Der Bitleitungsprozessor 151 weist eine Funktion auf, Produkt-Summen-Operationen parallel durchzuführen, und die Halbleitervorrichtung 100 kann die Ergebnisse der Produkt-Summen-Operationen an eine andere Halbleitervorrichtung (z. B. eine arithmetische Vorrichtung) ausgeben.
Die Halbleitervorrichtung 100 ermöglicht, Gewichtskoeffizienten effizient zu lesen, dem Bitleitungsprozessor 151 die Gewichtskoeffizienten effizient zuzuführen und Produkt-Summen-Operationen effizient durchzuführen. Bei der Datenübertragung von der Halbleitervorrichtung 100 auf eine andere Halbleitervorrichtung können die Ergebnisse der Produkt-Summen-Operationen ausgegeben werden, so dass die Menge von übertragenen Daten verringert werden kann. Daher kann die Verwendung der Halbleitervorrichtung 100 die Energie verringern, die für die Datenübertragung zwischen einer arithmetischen Vorrichtung und einem Speicher benötigt wird. Die Halbleitervorrichtung 100 kann eine große Menge von Daten, die für die Berechnungen der künstlichen Intelligenz verwendet werden, effizient behandeln.
Es sei angemerkt, dass diese Ausführungsform in geeigneter Kombination mit beliebigen der anderen Ausführungsformen, die in dieser Beschreibung beschrieben werden, implementiert werden kann.
(Ausführungsform 2)
Bei dieser Ausführungsform werden Strukturbeispiele des Transistors beschrieben, der in der bei der vorstehenden Ausführungsform beschriebenen Halbleitervorrichtung 100 enthalten ist. Bei dieser Ausführungsform kommt eine Struktur zum Einsatz, bei der eine Schicht, die einen OS-Transistor beinhaltet, oberhalb einer Schicht, die einen Si-Transistor beinhaltet, der auf einem einkristallinen Siliziumsubstrat ausgebildet ist, angeordnet ist.
<Strukturbeispiel einer Halbleitervorrichtung>
Eine Halbleitervorrichtung, die in 8 dargestellt wird, beinhaltet einen Transistor 300, einen Transistor 500 und einen Kondensator 600. 9A ist eine Querschnittsansicht des Transistors 500 in der Kanallängsrichtung, 9B ist eine Querschnittsansicht des Transistors 500 in der Kanalbreitenrichtung, und 9C ist eine Querschnittsansicht des Transistors 300 in der Kanalbreitenrichtung.
Der Transistor 500 entspricht beispielsweise dem Transistor M11, der bei der vorstehenden Ausführungsform beschrieben worden ist, und der Transistor 500 beinhaltet zusätzlich zu einem ersten Gate (auch als Top-Gate oder Frontgate bezeichnet oder einfach als Gate bezeichnet) ein zweites Gate (auch als Bottom-Gate oder Rückgate bezeichnet). Der Transistor 300 entspricht einem Si-Transistor, der in der AND-Schaltung 32 enthalten ist, und der Kondensator 600 entspricht beispielsweise dem Kondensator C11.
Bei dem Transistor 500 handelt es sich um einen Transistor, der ein Metalloxid in einem Kanalbildungsbereich enthält (einen OS-Transistor). Bei der vorstehenden Ausführungsform wird der Transistor 500, der einen sehr niedrigen Sperrstrom aufweist, als Transistor M11 verwendet; somit kann die Halbleitervorrichtung 100 Daten, die in die Speicherzelle 121 geschrieben werden, lange Zeit halten.
Wie in 8 dargestellt, wird bei der Halbleitervorrichtung, die bei dieser Ausführungsform beschrieben wird, der Transistor 500 oberhalb des Transistors 300 bereitgestellt, und der Kondensator 600 wird oberhalb des Transistors 300 und des Transistors 500 bereitgestellt.
Der Transistor 300 ist über einem Substrat 311 bereitgestellt und beinhaltet einen Leiter 316, einen Isolator 315, einen Halbleiterbereich 313, der ein Teil des Substrats 311 ist, sowie einen niederohmigen Bereich 314a und einen niederohmigen Bereich 314b, welche als Source-Bereich und Drain-Bereich dienen.
Wie in 9C dargestellt, sind eine Oberseite und eine Seitenfläche des Halbleiterbereichs 313 des Transistors 300 in der Kanalbreitenrichtung mit dem Leiter 316 bedeckt, wobei der Isolator 315 dazwischen angeordnet ist. Bei dem Transistor 300, der eine derartige Fin-Struktur aufweist, nimmt die effektive Kanalbreite zu; somit können die Eigenschaften im Durchlasszustand des Transistors 300 verbessert werden. Außerdem können, da der Beitrag des elektrischen Feldes einer Gate-Elektrode erhöht werden kann, die Eigenschaften im Sperrzustand des Transistors 300 verbessert werden.
Es kann sich bei dem Transistor 300 um einen p-Kanal-Transistor oder einen n-Kanal-Transistor handeln.
Vorzugsweise enthalten ein Bereich des Halbleiterbereichs 313, in dem ein Kanal gebildet wird, ein Bereich in der Nähe davon, der niederohmige Bereich 314a und der niederohmige Bereich 314b, welche als Source-Bereich und Drain-Bereich dienen, und dergleichen einen Halbleiter, wie z. B. einen Halbleiter auf Siliziumbasis, bevorzugt einkristallines Silizium. Alternativ können diese Bereiche unter Verwendung eines Materials, das Germanium (Ge), Siliziumgermanium (SiGe), Galliumarsenid (GaAs), Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs) oder dergleichen enthält, ausgebildet werden. Es kann auch eine Struktur unter Verwendung von Silizium zum Einsatz kommen, dessen effektive Masse gesteuert wird, indem der Gitterabstand durch die Anlegung einer Spannung an das Kristallgitter verändert wird. Alternativ kann es sich bei dem Transistor 300 um einen Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (High Electron Mobility Transistor, HEMT) unter Verwendung von GaAs und GaAlAs oder dergleichen handeln.
Der niederohmige Bereich 314a und der niederohmige Bereich 314b enthalten zusätzlich zu einem Halbleitermaterial, das für den Halbleiterbereich 313 eingesetzt wird, ein n-Typ-Leitfähigkeit verleihendes Element, wie z. B. Arsen oder Phosphor, oder ein p-Typ-Leitfähigkeit verleihendes Element, wie z. B. Bor.
Für den Leiter 316, der als Gate-Elektrode dient, kann ein Halbleitermaterial, wie z. B. Silizium, das ein n-Typ-Leitfähigkeit verleihendes Element, wie z. B. Arsen oder Phosphor, oder ein p-Typ-Leitfähigkeit verleihendes Element, wie z. B. Bor, enthält, oder ein leitendes Material, wie z. B. ein Metallmaterial, ein Legierungsmaterial oder ein Metalloxidmaterial, verwendet werden.
Es sei angemerkt, dass die Austrittsarbeit eines Leiters durch sein Material bestimmt wird; daher kann Vth des Transistors durch Änderung des Materials des Leiters angepasst werden. Insbesondere wird es bevorzugt, ein Material, wie z. B. Titannitrid oder Tantalnitrid, für den Leiter zu verwenden. Um sowohl die Leitfähigkeit als auch die Einbettbarkeit sicherzustellen, wird es außerdem bevorzugt, eine Schichtanordnung aus Metallmaterialien, wie z. B. Wolfram und Aluminium, als Leiter zu verwenden; insbesondere wird Wolfram im Hinblick auf die Wärmebeständigkeit bevorzugt.
Es sei angemerkt, dass der in 8 dargestellte Transistor 300 nur ein Beispiel ist und nicht auf die darin dargestellte Struktur beschränkt ist; ein geeigneter Transistor kann entsprechend einer Schaltungskonfiguration oder einem Betriebsverfahren verwendet werden.
Ein Isolator 320, ein Isolator 322, ein Isolator 324 und ein Isolator 326 sind der Reihe nach derart übereinander angeordnet, dass sie den Transistor 300 bedecken.
Für den Isolator 320, den Isolator 322, den Isolator 324 und den Isolator 326 kann beispielsweise Siliziumoxid, Siliziumoxynitrid, Siliziumnitridoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Aluminiumoxynitrid, Aluminiumnitridoxid, Aluminiumnitrid oder dergleichen verwendet werden.
Der Isolator 322 kann als Planarisierungsfilm dienen, der eine Pegeldifferenz eliminiert, die durch den unter diesem bereitgestellten Transistor 300 oder dergleichen hervorgerufen wird. Beispielsweise kann die Oberseite des Isolators 322 durch eine Planarisierungsbehandlung mittels eines chemisch-mechanischen Polier- (CMP-) Verfahrens oder dergleichen planarisiert werden, um die Planarität zu erhöhen.
Für den Isolator 324 wird vorzugsweise ein Film mit einer Sperreigenschaft verwendet, der eine Diffusion von Wasserstoff oder Verunreinigungen von dem Substrat 311, dem Transistor 300 oder dergleichen in einen Bereich verhindert, in dem der Transistor 500 bereitgestellt ist.
Für den Film, der eine Sperreigenschaft gegen Wasserstoff aufweist, kann beispielsweise Siliziumnitrid, das durch ein CVD-Verfahren ausgebildet wird, verwendet werden. Hier könnte die Diffusion von Wasserstoff in ein einen Oxidhalbleiter enthaltendes Halbleiterelement, wie z. B. den Transistor 500, die Eigenschaften des Halbleiterelements verschlechtern. Daher wird vorzugsweise ein Film, der die Diffusion von Wasserstoff unterdrückt, zwischen dem Transistor 500 und dem Transistor 300 bereitgestellt. Es handelt sich bei dem Film, der die Diffusion von Wasserstoff unterdrückt, insbesondere um einen Film, von dem eine geringe Menge an Wasserstoff abgegeben wird.
Die Menge an abgegebenem Wasserstoff kann beispielsweise durch thermische Desorptionsspektroskopie (thermal desorption spectroscopy, TDS) analysiert werden. Bei der TDS-Analyse bei einer Oberflächentemperatur des Films im Bereich von 50 °C bis 500 °C kann die Menge an Wasserstoff, der von dem Isolator 324 abgegeben wird, umgerechnet in Wasserstoffatome pro Flächeneinheit des Isolators 324, beispielsweise weniger als oder gleich 10 × 10¹⁵ Atome/cm², bevorzugt weniger als oder gleich 5 × 10¹⁵ Atome/cm² sein.
Es sei angemerkt, dass die Permittivität des Isolators 326 vorzugsweise niedriger ist als diejenige des Isolators 324. Beispielsweise ist die relative Permittivität des Isolators 326 bevorzugt niedriger als 4, bevorzugter niedriger als 3. Beispielsweise ist die relative Permittivität des Isolators 326 bevorzugt das 0,7-Fache oder weniger, bevorzugter das 0,6-Fache oder weniger derjenigen des Isolators 324. Wenn ein Material mit niedriger relativer Permittivität für einen Zwischenschichtfilm verwendet wird, kann die parasitäre Kapazität zwischen Leitungen verringert werden.
Ein Leiter 328, ein Leiter 330 und dergleichen, welche mit dem Kondensator 600 oder dem Transistor 500 verbunden sind, sind in dem Isolator 320, dem Isolator 322, dem Isolator 324 und dem Isolator 326 eingebettet. Es sei angemerkt, dass der Leiter 328 und der Leiter 330 jeweils als Anschlusspfropfen oder Leitung dienen. Eine Vielzahl von Leitern, die als Anschlusspfropfen oder Leitungen dienen, ist in einigen Fällen gemeinsam durch das gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Ferner können in dieser Beschreibung und dergleichen eine Leitung und ein Anschlusspfropfen, der mit der Leitung verbunden ist, eine einzelne Komponente sein. Das heißt, dass in einigen Fällen ein Teil eines Leiters als Leitung dient und ein Teil eines Leiters als Anschlusspfropfen dient.
Als Material der jeweiligen Anschlusspfropfen und Leitungen (z. B. des Leiters 328 und des Leiters 330) kann eine Einzelschicht oder eine Schichtanordnung aus einem leitenden Material, wie z. B. einem Metallmaterial, einem Legierungsmaterial, einem Metallnitridmaterial oder einem Metalloxidmaterial, verwendet werden. Vorzugsweise wird ein hochschmelzendes Material, das sowohl Wärmebeständigkeit als auch Leitfähigkeit aufweist, wie z. B. Wolfram oder Molybdän, verwendet, und vorzugsweise wird Wolfram verwendet. Alternativ wird vorzugsweise ein leitendes Material mit niedrigem Widerstand, wie z. B. Aluminium oder Kupfer, verwendet. Die Verwendung eines leitenden Materials mit niedrigem Widerstand kann den Leitungswiderstand verringern.
Eine Leitungsschicht kann über dem Isolator 326 und dem Leiter 330 bereitgestellt sein. Zum Beispiel sind in 8 ein Isolator 350, ein Isolator 352 und ein Isolator 354 der Reihe nach übereinander angeordnet. Ferner ist ein Leiter 356 in dem Isolator 350, dem Isolator 352 und dem Isolator 354 ausgebildet. Der Leiter 356 dient als Anschlusspfropfen oder Leitung, der/die mit dem Transistor 300 verbunden ist. Es sei angemerkt, dass der Leiter 356 unter Verwendung eines Materials, das den Materialien des Leiters 328 und des Leiters 330 ähnlich ist, bereitgestellt werden kann.
Es sei angemerkt, dass vorzugsweise zum Beispiel ein Isolator, der wie der Isolator 324 eine Sperreigenschaft gegen Wasserstoff aufweist, als Isolator 350 verwendet wird. Ferner umfasst der Leiter 356 vorzugsweise einen Leiter, der eine Sperreigenschaft gegen Wasserstoff aufweist. Der Leiter, der eine Sperreigenschaft gegen Wasserstoff aufweist, ist insbesondere in einer Öffnung des Isolators 350 ausgebildet, der eine Sperreigenschaft gegen Wasserstoff aufweist. Mit dieser Struktur können der Transistor 300 und der Transistor 500 durch eine Sperrschicht getrennt sein, so dass die Diffusion von Wasserstoff von dem Transistor 300 in den Transistor 500 unterdrückt werden kann.
Es sei angemerkt, dass als Leiter, der eine Sperreigenschaft gegen Wasserstoff aufweist, vorzugsweise zum Beispiel Tantalnitrid verwendet wird. Durch Übereinanderanordnen von Tantalnitrid und Wolfram, das eine hohe Leitfähigkeit aufweist, kann die Diffusion von Wasserstoff von dem Transistor 300 unterdrückt werden, während die Leitfähigkeit einer Leitung sichergestellt ist. In diesem Fall ist eine Tantalnitridschicht, die eine Sperreigenschaft gegen Wasserstoff aufweist, vorzugsweise in Kontakt mit dem Isolator 350, der eine Sperreigenschaft gegen Wasserstoff aufweist.
Eine Leitungsschicht kann über dem Isolator 354 und dem Leiter 356 bereitgestellt sein. Beispielsweise sind in 8 ein Isolator 360, ein Isolator 362 und ein Isolator 364 der Reihe nach übereinander angeordnet. Ferner ist ein Leiter 366 in dem Isolator 360, dem Isolator 362 und dem Isolator 364 ausgebildet. Der Leiter 366 dient als Anschlusspfropfen oder Leitung. Es sei angemerkt, dass der Leiter 366 unter Verwendung eines Materials, das den Materialien des Leiters 328 und des Leiters 330 ähnlich ist, bereitgestellt werden kann.
Es sei angemerkt, dass vorzugsweise zum Beispiel ein Isolator, der wie der Isolator 324 eine Sperreigenschaft gegen Wasserstoff aufweist, als Isolator 360 verwendet wird. Ferner umfasst der Leiter 366 vorzugsweise einen Leiter, der eine Sperreigenschaft gegen Wasserstoff aufweist. Der Leiter, der eine Sperreigenschaft gegen Wasserstoff aufweist, ist insbesondere in einer Öffnung des Isolators 360 ausgebildet, der eine Sperreigenschaft gegen Wasserstoff aufweist. Mit dieser Struktur können der Transistor 300 und der Transistor 500 durch eine Sperrschicht getrennt sein, so dass die Diffusion von Wasserstoff von dem Transistor 300 in den Transistor 500 unterdrückt werden kann.
Eine Leitungsschicht kann über dem Isolator 364 und dem Leiter 366 bereitgestellt sein. Beispielsweise sind in 8 ein Isolator 370, ein Isolator 372 und ein Isolator 374 der Reihe nach übereinander angeordnet. Ferner ist ein Leiter 376 in dem Isolator 370, dem Isolator 372 und dem Isolator 374 ausgebildet. Der Leiter 376 dient als Anschlusspfropfen oder Leitung. Es sei angemerkt, dass der Leiter 376 unter Verwendung eines Materials, das den Materialien des Leiters 328 und des Leiters 330 ähnlich ist, bereitgestellt werden kann.
Es sei angemerkt, dass vorzugsweise zum Beispiel ein Isolator, der wie der Isolator 324 eine Sperreigenschaft gegen Wasserstoff aufweist, als Isolator 370 verwendet wird. Ferner umfasst der Leiter 376 vorzugsweise einen Leiter, der eine Sperreigenschaft gegen Wasserstoff aufweist. Der Leiter, der eine Sperreigenschaft gegen Wasserstoff aufweist, ist insbesondere in einer Öffnung des Isolators 370 ausgebildet, der eine Sperreigenschaft gegen Wasserstoff aufweist. Mit dieser Struktur können der Transistor 300 und der Transistor 500 durch eine Sperrschicht getrennt sein, so dass die Diffusion von Wasserstoff von dem Transistor 300 in den Transistor 500 unterdrückt werden kann.
Eine Leitungsschicht kann über dem Isolator 374 und dem Leiter 376 bereitgestellt sein. Beispielsweise sind in 8 ein Isolator 380, ein Isolator 382 und ein Isolator 384 der Reihe nach übereinander angeordnet. Ferner ist ein Leiter 386 in dem Isolator 380, dem Isolator 382 und dem Isolator 384 ausgebildet. Der Leiter 386 dient als Anschlusspfropfen oder Leitung. Es sei angemerkt, dass der Leiter 386 unter Verwendung eines Materials, das den Materialien des Leiters 328 und des Leiters 330 ähnlich ist, bereitgestellt werden kann.
Es sei angemerkt, dass vorzugsweise zum Beispiel ein Isolator, der wie der Isolator 324 eine Sperreigenschaft gegen Wasserstoff aufweist, als Isolator 380 verwendet wird. Ferner umfasst der Leiter 386 vorzugsweise einen Leiter, der eine Sperreigenschaft gegen Wasserstoff aufweist. Der Leiter, der eine Sperreigenschaft gegen Wasserstoff aufweist, ist insbesondere in einer Öffnung des Isolators 380 ausgebildet, der eine Sperreigenschaft gegen Wasserstoff aufweist. Mit dieser Struktur können der Transistor 300 und der Transistor 500 durch eine Sperrschicht getrennt sein, so dass die Diffusion von Wasserstoff von dem Transistor 300 in den Transistor 500 unterdrückt werden kann.
Obwohl die Leitungsschicht, die den Leiter 356 umfasst, die Leitungsschicht, die den Leiter 366 umfasst, die Leitungsschicht, die den Leiter 376 umfasst, und die Leitungsschicht, die den Leiter 386 umfasst, vorstehend beschrieben worden sind, ist die Halbleitervorrichtung dieser Ausführungsform nicht darauf beschränkt. Drei oder weniger Leitungsschichten, die der Leitungsschicht ähnlich sind, die den Leiter 356 umfasst, können bereitgestellt sein, oder fünf oder mehr Leitungsschichten, die der Leitungsschicht ähnlich sind, die den Leiter 356 umfasst, können bereitgestellt sein.
Ein Isolator 510, ein Isolator 512, ein Isolator 514 und ein Isolator 516 sind der Reihe nach über dem Isolator 384 angeordnet. Eine Substanz, die eine Sperreigenschaft gegen Sauerstoff oder Wasserstoff aufweist, wird vorzugsweise für einen des Isolators 510, des Isolators 512, des Isolators 514 und des Isolators 516 verwendet.
Für den Isolator 510 und den Isolator 514 wird vorzugsweise zum Beispiel ein Film mit einer Sperreigenschaft verwendet, der die Diffusion von Wasserstoff und Verunreinigungen von dem Substrat 311, dem Bereich, in dem der Transistor 300 bereitgestellt ist, oder dergleichen in den Bereich verhindert, in dem der Transistor 500 bereitgestellt ist. Daher kann ein Material, das demjenigen des Isolators 324 ähnlich ist, verwendet werden.
Für den Film, der eine Sperreigenschaft gegen Wasserstoff aufweist, kann beispielsweise Siliziumnitrid, das durch ein CVD-Verfahren ausgebildet wird, verwendet werden. Hier könnte die Diffusion von Wasserstoff in ein einen Oxidhalbleiter enthaltendes Halbleiterelement, wie z. B. den Transistor 500, die Eigenschaften des Halbleiterelements verschlechtern. Daher wird vorzugsweise ein Film, der die Diffusion von Wasserstoff unterdrückt, zwischen dem Transistor 500 und dem Transistor 300 bereitgestellt. Es handelt sich bei dem Film, der die Diffusion von Wasserstoff unterdrückt, insbesondere um einen Film, von dem eine geringe Menge an Wasserstoff abgegeben wird.
Bezüglich des Films, der eine Sperreigenschaft gegen Wasserstoff aufweist, wird vorzugsweise zum Beispiel ein Metalloxid, wie z. B. Aluminiumoxid, Hafniumoxid oder Tantaloxid, für den Isolator 510 und den Isolator 514 verwendet.
Aluminiumoxid weist insbesondere eine hohe Sperrwirkung auf, die den Durchgang sowohl von Sauerstoff als auch von Verunreinigungen, wie z. B. Wasserstoff und Feuchtigkeit, welche eine Veränderung der elektrischen Eigenschaften des Transistors verursachen, unterbindet. Daher kann Aluminiumoxid verhindern, dass in einem Herstellungsprozess und nach der Herstellung des Transistors Verunreinigungen, wie z. B. Wasserstoff und Feuchtigkeit, in den Transistor 500 eindringen. Außerdem kann eine Abgabe von Sauerstoff von dem Oxid, das in dem Transistor 500 enthalten ist, unterdrückt werden. Deshalb wird Aluminiumoxid in geeigneter Weise für den Schutzfilm des Transistors 500 verwendet.
Beispielsweise kann ein Material, das demjenigen des Isolators 320 ähnlich ist, für den Isolator 512 und den Isolator 516 verwendet werden. Wenn ein Material mit relativ niedriger Permittivität für einen Zwischenschichtfilm verwendet wird, kann die parasitäre Kapazität, die zwischen Leitungen erzeugt wird, verringert werden. Beispielsweise kann ein Siliziumoxidfilm, ein Siliziumoxynitridfilm oder dergleichen für den Isolator 512 und den Isolator 516 verwendet werden.
Ein Leiter 518, ein Leiter (ein Leiter 503), der in dem Transistor 500 enthalten ist, und dergleichen sind in dem Isolator 510, dem Isolator 512, dem Isolator 514 und dem Isolator 516 eingebettet. Es sei angemerkt, dass der Leiter 518 als Anschlusspfropfen oder Leitung dient, der/die mit dem Kondensator 600 oder dem Transistor 300 verbunden ist. Der Leiter 518 kann unter Verwendung eines Materials, das den Materialien des Leiters 328 und des Leiters 330 ähnlich ist, bereitgestellt werden.
Insbesondere handelt es sich bei dem Leiter 518 in einem Bereich, der in Kontakt mit dem Isolator 510 und dem Isolator 514 ist, vorzugsweise um einen Leiter mit einer Sperreigenschaft gegen Sauerstoff, Wasserstoff und Wasser. Mit dieser Struktur können der Transistor 300 und der Transistor 500 durch eine Schicht mit einer Sperreigenschaft gegen Sauerstoff, Wasserstoff und Wasser getrennt sein, so dass die Diffusion von Wasserstoff von dem Transistor 300 in den Transistor 500 unterdrückt werden kann.
Der Transistor 500 ist oberhalb des Isolators 516 bereitgestellt.
Wie in 9A und 9B dargestellt, beinhaltet der Transistor 500 den Leiter 503, der in dem Isolator 514 und dem Isolator 516 eingebettet angeordnet ist, einen Isolator 520, der über dem Isolator 516 und dem Leiter 503 angeordnet ist, einen Isolator 522, der über dem Isolator 520 angeordnet ist, einen Isolator 524, der über dem Isolator 522 angeordnet ist, ein Oxid 530a, das über dem Isolator 524 angeordnet ist, ein Oxid 530b, das über dem Oxid 530a angeordnet ist, einen Leiter 542a und einen Leiter 542b, welche über dem Oxid 530b voneinander getrennt angeordnet sind, einen Isolator 580, der über dem Leiter 542a und dem Leiter 542b angeordnet ist und eine Öffnung aufweist, die sich mit einem Bereich zwischen dem Leiter 542a und dem Leiter 542b überlappt, einen Leiter 560, der in der Öffnung angeordnet ist, einen Isolator 550, der zwischen dem Leiter 560 und dem Oxid 530b, dem Leiter 542a, dem Leiter 542b und dem Isolator 580 angeordnet ist, und ein Oxid 530c, das zwischen dem Isolator 550 und dem Oxid 530b, dem Leiter 542a, dem Leiter 542b und dem Isolator 580 angeordnet ist.
Wie in 9A und 9B dargestellt, ist vorzugsweise ein Isolator 544 zwischen dem Isolator 580 und dem Oxid 530a, dem Oxid 530b, dem Leiter 542a und dem Leiter 542b angeordnet. Außerdem umfasst, wie in 9A und 9B dargestellt, der Leiter 560 vorzugsweise einen Leiter 560a, der auf der Innenseite des Isolators 550 bereitgestellt ist, und einen Leiter 560b, der derart bereitgestellt ist, dass er auf der Innenseite des Leiters 560a eingebettet ist. Außerdem ist, wie in 9A und 9B dargestellt, ein Isolator 574 vorzugsweise über dem Isolator 580, dem Leiter 560 und dem Isolator 550 angeordnet.
Es sei angemerkt, dass nachstehend das Oxid 530a, das Oxid 530b und das Oxid 530c in einigen Fällen gemeinsam als Oxid 530 bezeichnet werden. Ferner werden der Leiter 542a und der Leiter 542b in einigen Fällen gemeinsam als Leiter 542 bezeichnet.
Es sei angemerkt, dass, obwohl der Transistor 500 eine Struktur aufweist, bei der drei Schichten aus dem Oxid 530a, dem Oxid 530b und dem Oxid 530c in einem Bereich, in dem ein Kanal gebildet wird, und in der Nähe davon übereinander angeordnet sind, die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Beispielsweise kann auch eine einschichtige Struktur aus dem Oxid 530b, eine zweischichtige Struktur aus dem Oxid 530b und dem Oxid 530a, eine zweischichtige Struktur aus dem Oxid 530b und dem Oxid 530c oder eine mehrschichtige Struktur aus vier oder mehr Schichten zum Einsatz kommen. Obwohl bei dem Transistor 500 der Leiter 560 eine mehrschichtige Struktur aus zwei Schichten aufweist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann der Leiter 560 eine einschichtige Struktur oder eine mehrschichtige Struktur aus drei oder mehr Schichten aufweisen. Der Transistor 500 in 8, 9A und 9B ist nur ein Beispiel und nicht auf die darin dargestellte Struktur beschränkt; ein geeigneter Transistor kann entsprechend einer Schaltungskonfiguration oder einem Betriebsverfahren verwendet werden.
Hier dient der Leiter 560 als Gate-Elektrode des Transistors, und der Leiter 542a und der Leiter 542b dienen als Source-Elektrode und Drain-Elektrode. Wie vorstehend beschrieben, ist der Leiter 560 derart ausgebildet, dass er in der Öffnung des Isolators 580 und dem Bereich zwischen dem Leiter 542a und dem Leiter 542b eingebettet ist. Die Positionen des Leiters 560, des Leiters 542a und des Leiters 542b werden in Bezug auf die Öffnung des Isolators 580 in selbstjustierender Weise gewählt. Das heißt, dass bei dem Transistor 500 die Gate-Elektrode zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode in selbstjustierender Weise angeordnet werden kann. Demzufolge kann der Leiter 560 ausgebildet werden, ohne einen Positionsspielraum bereitzustellen; daher kann die Fläche, die von dem Transistor 500 eingenommen wird, verringert werden. Somit können eine Miniaturisierung und eine hohe Integration der Halbleitervorrichtung erzielt werden.
Außerdem umfasst, da der Leiter 560 in dem Bereich zwischen dem Leiter 542a und dem Leiter 542b in selbstjustierender Weise ausgebildet wird, der Leiter 560 keinen Bereich, der sich mit dem Leiter 542a oder dem Leiter 542b überlappt. Daher kann die parasitäre Kapazität zwischen dem Leiter 560 und dem Leiter 542a bzw. dem Leiter 542b verringert werden. Als Ergebnis kann die Schaltgeschwindigkeit des Transistors 500 erhöht werden, und der Transistor 500 kann hohe Frequenzeigenschaften aufweisen.
Der Leiter 560 dient in einigen Fällen als erste Gate-Elektrode. Ferner dient der Leiter 503 in einigen Fällen als zweite Gate-Elektrode. In diesem Fall kann, indem ein an den Leiter 503 angelegtes Potential nicht synchron mit, sondern unabhängig von einem an den Leiter 560 angelegten Potential verändert wird, Vth des Transistors 500 gesteuert werden. Indem insbesondere ein negatives Potential an den Leiter 503 angelegt wird, kann Vth des Transistors 500 höher als 0 V sein, und der Sperrstrom kann verringert werden. Demzufolge kann ein Drain-Strom bei einem an den Leiter 560 angelegten Potential von 0 V in dem Fall, in dem ein negatives Potential an den Leiter 503 angelegt wird, stärker verringert werden als in dem Fall, in dem es nicht angelegt wird.
Der Leiter 503 ist derart angeordnet, dass er sich mit dem Oxid 530 und dem Leiter 560 überlappt. Somit werden dann, wenn Potentiale an den Leiter 560 und den Leiter 503 angelegt werden, ein elektrisches Feld, das von dem Leiter 560 erzeugt wird, und ein elektrisches Feld, das von dem Leiter 503 erzeugt wird, miteinander verbunden, und der Kanalbildungsbereich, der in dem Oxid 530 gebildet wird, kann mit diesen bedeckt werden. In dieser Beschreibung und dergleichen wird eine Transistorstruktur, bei der der Kanalbildungsbereich elektrisch von den elektrischen Feldern der ersten Gate-Elektrode und der zweiten Gate-Elektrode umschlossen ist, als Struktur mit umschlossenem Kanal (surrounded channel structure, S-Kanal-Struktur) bezeichnet.
In dieser Beschreibung und dergleichen ist die S-Kanal-Struktur dadurch gekennzeichnet, dass eine Seitenfläche und eine Peripherie des Oxids 530, das in Kontakt mit dem Leiter 542a und dem Leiter 542b ist, welche als Source-Elektrode und Drain-Elektrode dienen, sowie der Kanalbildungsbereich eine i-Typ-Leitfähigkeit aufweisen. Da die Seitenfläche und die Peripherie des Oxids 530, das in Kontakt mit dem Leiter 542a und dem Leiter 542b ist, in Kontakt mit dem Isolator 544 sind, können sie wie der Kanalbildungsbereich die i-Typ-Leitfähigkeit aufweisen. Es sei angemerkt, dass in dieser Beschreibung und dergleichen die i-Typ-Leitfähigkeit als Synonym für „hochrein intrinsisch“ verwendet werden kann. Die S-Kanal-Struktur, die in dieser Beschreibung und dergleichen offenbart wird, unterscheidet sich von einer Fin-Struktur und einer Planarstruktur. Wenn die S-Kanal-Struktur zum Einsatz kommt, kann die Beständigkeit gegen einen Kurzkanaleffekt erhöht werden. Mit anderen Worten: Ein Transistor kann erhalten werden, bei dem ein Kurzkanaleffekt mit geringerer Wahrscheinlichkeit auftritt.
Der Leiter 503 weist eine Struktur auf, die derjenigen des Leiters 518 ähnlich ist; ein Leiter 503a ist in Kontakt mit einer Innenwand einer Öffnung in dem Isolator 514 und dem Isolator 516 ausgebildet, und ein Leiter 503b ist weiter innen ausgebildet.
Der Isolator 520, der Isolator 522, der Isolator 524 und der Isolator 550 dienen jeweils als Gate-Isolierfilm.
Als Isolator 524, der in Kontakt mit dem Oxid 530 ist, wird hier vorzugsweise ein Isolator verwendet, der mehr Sauerstoff enthält als die stöchiometrische Zusammensetzung. Das heißt, dass vorzugsweise ein Bereich mit überschüssigem Sauerstoff in dem Isolator 524 ausgebildet ist. Wenn ein derartiger Isolator, der überschüssigen Sauerstoff enthält, in Kontakt mit dem Oxid 530 bereitgestellt ist, können Sauerstofffehlstellen in dem Oxid 530 verringert werden, was zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit des Transistors 500 führt.
Als Isolator, der einen Bereich mit überschüssigem Sauerstoff umfasst, wird insbesondere vorzugsweise ein Oxidmaterial verwendet, das einen Teil von Sauerstoff durch Erwärmung abgibt. Ein Oxid, das Sauerstoff durch Erwärmung abgibt, ist ein Oxidfilm, bei dem die Menge an abgegebenem Sauerstoff, umgerechnet in Sauerstoffatome, bei einer TDS-Analyse mehr als oder gleich 1,0 × 10¹⁸ Atome/cm³, bevorzugt mehr als oder gleich 1,0 × 10¹⁹ Atome/cm³, bevorzugter mehr als oder gleich 2,0 × 10¹⁹ Atome/cm³ oder mehr als oder gleich 3,0 × 10²⁰ Atome/cm³ ist. Es sei angemerkt, dass die Oberflächentemperatur des Films bei der TDS-Analyse vorzugsweise im Bereich von höher als oder gleich 100 °C und niedriger als oder gleich 700 °C oder im Bereich von höher als oder gleich 100 °C und niedriger als oder gleich 400 °C liegt.
Wenn der Isolator 524 einen Bereich mit überschüssigem Sauerstoff umfasst, weist der Isolator 522 vorzugsweise eine Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Sauerstoff (z. B. Sauerstoffatomen oder Sauerstoffmolekülen) auf; das heißt, dass der Isolator 522 vorzugsweise mit geringerer Wahrscheinlichkeit den vorstehenden Sauerstoff durchlässt.
Wenn der Isolator 522 eine Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Sauerstoff oder Verunreinigungen aufweist, diffundiert Sauerstoff, der in dem Oxid 530 enthalten ist, nicht in Richtung des Isolators 520, was vorzuziehen ist. Ferner kann verhindert werden, dass der Leiter 503 mit Sauerstoff reagiert, der in dem Isolator 524 oder dem Oxid 530 enthalten ist.
Für den Isolator 522 wird vorzugsweise zum Beispiel eine Einzelschicht oder eine Schichtanordnung aus einem Isolator, der Aluminiumoxid, Hafniumoxid, Tantaloxid, Zirconiumoxid, Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), Strontiumtitanat (SrTiO₃), (Ba,Sr)TiO₃ (BST) oder dergleichen enthält, verwendet. Mit Voranschreiten miniaturisierter und hoch integrierter Transistoren tritt in einigen Fällen ein Problem, wie z. B. ein Leckstrom, aufgrund eines dünnen Gate-Isolierfilms auf. Wenn ein Material mit hohem k für einen Isolator, der als Gate-Isolierfilm dient, verwendet wird, kann das Gate-Potential beim Betrieb des Transistors verringert werden, während die physikalische Filmdicke aufrechterhalten wird.
Insbesondere wird vorzugsweise ein Isolator verwendet, der ein Oxid von Aluminium und/oder ein Oxid von Hafnium enthält, welcher ein isolierendes Material mit einer Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Verunreinigungen, Sauerstoff und dergleichen (ein isolierendes Material, das den vorstehenden Sauerstoff mit geringerer Wahrscheinlichkeit durchlässt) ist. Aluminiumoxid, Hafniumoxid, ein Oxid, das Aluminium und Hafnium enthält (Hafniumaluminat), oder dergleichen wird vorzugsweise als Isolator verwendet, der ein Oxid von Aluminium und/oder ein Oxid von Hafnium enthält. Wenn der Isolator 522 unter Verwendung eines derartigen Materials ausgebildet wird, dient der Isolator 522 als Schicht, die eine Abgabe von Sauerstoff von dem Oxid 530 und ein Eindringen von Verunreinigungen, wie z. B. Wasserstoff, von der Umgebung des Transistors 500 in das Oxid 530 unterdrückt.
Alternativ kann einem derartigen Isolator beispielsweise Aluminiumoxid, Bismutoxid, Germaniumoxid, Nioboxid, Siliziumoxid, Titanoxid, Wolframoxid, Yttriumoxid oder Zirconiumoxid zugesetzt werden. Dieser Isolator kann alternativ einer Nitrierungsbehandlung unterzogen werden. Siliziumoxid, Siliziumoxynitrid oder Siliziumnitrid kann über dem vorstehenden Isolator angeordnet werden.
Der Isolator 520 ist vorzugsweise thermisch stabil. Beispielsweise werden Siliziumoxid und Siliziumoxynitrid aufgrund ihrer thermischen Stabilität bevorzugt. Ferner kann dann, wenn ein Isolator, der ein Material mit hohem k ist, mit Siliziumoxid oder Siliziumoxynitrid kombiniert wird, der Isolator 520 mit einer mehrschichtigen Struktur, der thermisch stabil ist und eine hohe relative Permittivität aufweist, erhalten werden.
Es sei angemerkt, dass der Isolator 520, der Isolator 522 und der Isolator 524 jeweils eine mehrschichtige Struktur aus zwei oder mehr Schichten aufweisen können. In diesem Fall kann, ohne Beschränkung auf eine mehrschichtige Struktur aus dem gleichen Material, eine mehrschichtige Struktur aus unterschiedlichen Materialien verwendet werden.
Bei dem Transistor 500 wird vorzugsweise ein Metalloxid, das als Oxidhalbleiter dient, als Oxid 530 verwendet, das den Kanalbildungsbereich umfasst. Als Oxid 530 wird vorzugsweise zum Beispiel ein Metalloxid, wie z. B. ein In-M-Zn-Oxid (das Element M ist eine oder mehrere Arten, die aus Aluminium, Gallium, Yttrium, Kupfer, Vanadium, Beryllium, Bor, Titan, Eisen, Nickel, Germanium, Zirconium, Molybdän, Lanthan, Cer, Neodym, Hafnium, Tantal, Wolfram, Magnesium und dergleichen ausgewählt werden), verwendet. Ein In-Ga-Oxid oder ein In-Zn-Oxid kann alternativ als Oxid 530 verwendet werden.
Das Metalloxid, das als Oxidhalbleiter dient, kann durch ein Sputterverfahren, ein Atomlagenabscheidungs- (atomic layer deposition, ALD-) Verfahren oder ein chemisches Gasphasenabscheidungs- (chemical vapor deposition, CVD-) Verfahren, wie z. B. ein metallorganisches chemisches Gasphasenabscheidungs- (metal organic chemical vapor deposition, MOCVD-) Verfahren, ausgebildet werden. Das Metalloxid, das als Oxidhalbleiter dient, wird bei der anderen Ausführungsform beschrieben.
Außerdem wird vorzugsweise ein Metalloxid mit niedriger Ladungsträgerdichte für den Transistor 500 verwendet. Wenn die Ladungsträgerdichte eines Metalloxids verringert werden soll, kann die Verunreinigungskonzentration in dem Metalloxid verringert werden, um die Dichte der Defektzustände zu verringern. In dieser Beschreibung und dergleichen wird ein Zustand mit einer niedrigen Verunreinigungskonzentration und niedriger Dichte der Defektzustände als hochreiner intrinsischer oder im Wesentlichen hochreiner intrinsischer Zustand bezeichnet. Es sei angemerkt, dass Beispiele für die Verunreinigungen in dem Metalloxid Wasserstoff, Stickstoff, ein Alkalimetall, ein Erdalkalimetall, Eisen, Nickel und Silizium umfassen.
Insbesondere reagiert Wasserstoff, der in dem Metalloxid enthalten ist, mit Sauerstoff, der an ein Metallatom gebunden ist, zu Wasser, und daher werden in einigen Fällen Sauerstofffehlstellen in dem Metalloxid gebildet. Wenn der Kanalbildungsbereich des Metalloxids Sauerstofffehlstellen enthält, weist der Transistor in einigen Fällen selbstleitende Eigenschaften auf. In einigen Fällen dient ferner ein Defekt, der eine Sauerstofffehlstelle ist, in die Wasserstoff eindringt, als Donator und erzeugt ein Elektron, das als Ladungsträger dient. In einigen Fällen führt die Bindung eines Teils von Wasserstoff an Sauerstoff, der an ein Metallatom gebunden ist, ferner zur Erzeugung von Elektronen, die als Ladungsträger dienen. Daher weist ein Transistor, der ein Metalloxid enthält, das eine große Menge an Wasserstoff enthält, mit höherer Wahrscheinlichkeit selbstleitende Eigenschaften auf.
Ein Defekt, der eine Sauerstofffehlstelle ist, in die Wasserstoff eindringt, kann als Donator des Metalloxids dienen. Jedoch ist es schwierig, diese Defekte quantitativ auszuwerten. In dem Metalloxid werden daher die Defekte in einigen Fällen nicht durch die Donatorkonzentration, sondern durch die Ladungsträgerdichte ausgewertet. In dieser Beschreibung und dergleichen wird deshalb als Parameter des Metalloxids in einigen Fällen nicht die Donatorkonzentration, sondern die Ladungsträgerdichte in der Annahme eines Zustandes, in dem kein elektrisches Feld angelegt wird, verwendet. Mit anderen Worten: Die „Ladungsträgerdichte“ in dieser Beschreibung und dergleichen kann in einigen Fällen durch „Donatorkonzentration“ ersetzt werden.
Wenn ein Metalloxid als Oxid 530 verwendet wird, wird daher Wasserstoff in dem Metalloxid vorzugsweise möglichst verringert. Insbesondere ist die Wasserstoffkonzentration in dem Metalloxid, die durch Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) erhalten wird, niedriger als 1 × 10²⁰ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als 1 × 10¹⁹ Atome/cm³, bevorzugter niedriger als 5 × 10¹⁸ Atome/cm³, noch bevorzugter niedriger als 1 × 10¹⁸ Atome/cm³. Wenn ein Metalloxid, in dem Verunreinigungen, wie z. B. Wasserstoff, ausreichend verringert sind, für den Kanalbildungsbereich des Transistors verwendet wird, können stabile elektrische Eigenschaften erhalten werden.
Wenn ein Metalloxid als Oxid 530 verwendet wird, ist die Ladungsträgerdichte des Metalloxids in dem Kanalbildungsbereich vorzugsweise niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁸ cm^-3, bevorzugt niedriger als 1 × 10¹⁷ cm^-3, bevorzugter niedriger als 1 × 10¹⁶ cm^-3, noch bevorzugter niedriger als 1 × 10¹³ cm^-3, sogar noch bevorzugter niedriger als 1 × 10¹² cm^-3. Es sei angemerkt, dass die Untergrenze der Ladungsträgerdichte des Metalloxids in dem Kanalbildungsbereich nicht besonders beschränkt ist und beispielsweise 1 × 10^-9 cm^-3 sein kann.
Wenn ein Metalloxid als Oxid 530 verwendet wird, ist der Leiter 542 (der Leiter 542a und der Leiter 542b) in Kontakt mit dem Oxid 530, so dass Sauerstoff in dem Oxid 530 in den Leiter 542 diffundieren kann und somit der Leiter 542 oxidiert werden kann. Die Oxidation des Leiters 542 erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass sich die Leitfähigkeit des Leiters 542 verringert. Es sei angemerkt, dass „die Diffusion von Sauerstoff in dem Oxid 530 in den Leiter 542“ in „die Absorption von Sauerstoff in dem Oxid 530 durch den Leiter 542“ umformuliert werden kann.
Wenn Sauerstoff in dem Oxid 530 in den Leiter 542 (den Leiter 542a und den Leiter 542b) diffundiert, wird in einigen Fällen eine andere Schicht zwischen dem Leiter 542a und dem Oxid 530b sowie zwischen dem Leiter 542b und dem Oxid 530b gebildet. Die andere Schicht enthält mehr Sauerstoff als der Leiter 542; daher wird angenommen, dass die andere Schicht eine isolierende Eigenschaft aufweist. In diesem Fall kann die dreischichtige Struktur aus dem Leiter 542, der anderen Schicht und dem Oxid 530b als dreischichtige Struktur aus einem Metall, einem Isolator und einem Halbleiter angesehen werden und wird in einigen Fällen als Metall-Isolator-Halbleiter- (metal-insulatorsemiconductor, MIS-) Struktur oder als Diodenübergangsstruktur, die als Hauptteil eine MIS-Struktur aufweist, bezeichnet.
Es sei angemerkt, dass die vorstehende andere Schicht nicht notwendigerweise zwischen dem Leiter 542 und dem Oxid 530b ausgebildet wird; beispielsweise kann die andere Schicht zwischen dem Leiter 542 und dem Oxid 530c ausgebildet werden oder sowohl zwischen dem Leiter 542 und dem Oxid 530b als auch zwischen dem Leiter 542 und dem Oxid 530c ausgebildet werden.
Das Metalloxid, das als Kanalbildungsbereich in dem Oxid 530 dient, weist vorzugsweise eine Bandlücke von mehr als oder gleich 2 eV, bevorzugter mehr als oder gleich 2,5 eV auf. Die Verwendung eines derartigen Metalloxids mit einer großen Bandlücke kann den Sperrstrom des Transistors verringern.
Halbleitermaterialien, die für das Oxid 530 verwendet werden können, sind nicht auf die vorstehenden Metalloxide beschränkt. Für das Oxid 530 kann ein Halbleitermaterial, das eine Bandlücke aufweist (ein Halbleitermaterial, das kein Zero-Gap-Halbleiter ist), verwendet werden. Beispielsweise wird vorzugsweise ein Einzelelement-Halbleiter, wie z. B. Silizium, ein Verbindungshalbleiter, wie z. B. Galliumarsenid, oder ein geschichtetes Material, das als Halbleiter dient (auch als atomares geschichtetes Material oder zweidimensionales Material bezeichnet), als Halbleitermaterial verwendet. Insbesondere wird ein geschichtetes Material, das als Halbleiter dient, vorzugsweise als Halbleitermaterial verwendet.
In dieser Beschreibung und dergleichen bezeichnet das geschichtete Material im Allgemeinen eine Gruppe von Materialien mit einer geschichteten Kristallstruktur. Bei der geschichteten Kristallstruktur sind Schichten, die durch eine kovalente Bindung oder eine ionische Bindung gebildet werden, mit einer Bindung, wie z. B. der Van der Waals-Kräfte, die schwächer als eine kovalente Bindung oder eine ionische Bindung ist, übereinander angeordnet. Das geschichtete Material weist eine hohe elektrische Leitfähigkeit in einer Monoschicht, d. h. eine hohe zweidimensionale elektrische Leitfähigkeit, auf. Wenn ein Material, das als Halbleiter dient und eine hohe zweidimensionale elektrische Leitfähigkeit aufweist, für einen Kanalbildungsbereich verwendet wird, kann der Transistor, der einen hohen Durchlassstrom aufweist, bereitgestellt werden.
Beispiele für das geschichtete Material umfassen Graphen, Silicen und Chalkogenid. Chalkogenid ist eine Verbindung, die Chalkogen enthält. Chalkogen ist ein allgemeiner Begriff von Elementen, die zu der Gruppe 16 gehören, wobei der Begriff Sauerstoff, Schwefel, Selen, Tellur, Polonium und Livermorium umfasst. Beispiele für ein Chalkogenid umfassen ein Übergangsmetall-Chalkogenid und ein Chalkogenid von Elementen der Gruppe 13.
Für das Oxid 530 wird vorzugsweise zum Beispiel ein Übergangsmetall-Chalkogenid, das als Halbleiter dient, verwendet. Spezifische Beispiele für das Übergangsmetall-Chalkogenid, das für das Oxid 530 verwendet werden kann, umfassen Molybdänsulfid (typischerweise MoS₂), Molybdänselenid (typischerweise MoSe₂), Molybdäntellurid (typischerweise MoTe₂), Wolframsulfid (typischerweise WS₂), Wolframselenid (typischerweise WSe₂), Wolframtellurid (typischerweise WTe₂), Hafniumsulfid (typischerweise HfS₂), Hafniumselenid (typischerweise HfSe₂), Zirconiumsulfid (typischerweise ZrS₂) und Zirconiumselenid (typischerweise ZrSe₂).
Wenn das Oxid 530 das Oxid 530a unter dem Oxid 530b umfasst, kann verhindert werden, dass Verunreinigungen von den Komponenten, die unterhalb des Oxids 530a ausgebildet sind, in das Oxid 530b diffundieren. Außerdem kann dann, wenn das Oxid 530c über dem Oxid 530b bereitgestellt ist, verhindert werden, dass Verunreinigungen von den Komponenten, die oberhalb des Oxids 530c ausgebildet sind, in das Oxid 530b diffundieren.
Es sei angemerkt, dass das Oxid 530 vorzugsweise eine mehrschichtige Struktur aus einer Vielzahl von Oxidschichten aufweist, die sich durch das Atomverhältnis von Metallatomen voneinander unterscheiden. Insbesondere ist das Atomverhältnis des Elements M in den Bestandelementen des Metalloxids, das als Oxid 530a verwendet wird, vorzugsweise größer als das Atomverhältnis des Elements M in den Bestandelementen des Metalloxids, das als Oxid 530b verwendet wird. Das Atomverhältnis des Elements M zu In in dem Metalloxid, das als Oxid 530a verwendet wird, ist vorzugsweise größer als das Atomverhältnis des Elements M zu In in dem Metalloxid, das als Oxid 530b verwendet wird. Das Atomverhältnis von In zu dem Element M in dem Metalloxid, das als Oxid 530b verwendet wird, ist vorzugsweise größer als das Atomverhältnis von In zu dem Element M in dem Metalloxid, das als Oxid 530a verwendet wird. Als Oxid 530c kann ein Metalloxid, das als Oxid 530a oder Oxid 530b verwendet werden kann, verwendet werden.
Die Energie des Leitungsbandminimums von jedem des Oxids 530a und des Oxids 530c ist vorzugsweise höher als die Energie des Leitungsbandminimums des Oxids 530b. Mit anderen Worten: Die Elektronenaffinität von jedem des Oxids 530a und des Oxids 530c ist vorzugsweise niedriger als die Elektronenaffinität des Oxids 530b.
Hier verändern sich die Energieniveaus der Leitungsbandminima in Verbindungsabschnitten des Oxids 530a, des Oxids 530b und des Oxids 530c graduell. Mit anderen Worten: Die Energieniveaus der Leitungsbandminima in den Verbindungsabschnitten des Oxids 530a, des Oxids 530b und des Oxids 530c verändern sich stetig oder sind stetig zusammenhängend. Um die Energieniveaus graduell zu verändern, wird vorzugsweise die Dichte der Defektzustände in Mischschichten verringert, die an der Grenzfläche zwischen dem Oxid 530a und dem Oxid 530b sowie an der Grenzfläche zwischen dem Oxid 530b und dem Oxid 530c ausgebildet sind.
Insbesondere kann dann, wenn das Oxid 530a und das Oxid 530b sowie das Oxid 530b und das Oxid 530c zusätzlich zu Sauerstoff ein gemeinsames Element (als Hauptkomponente) enthalten, eine Mischschicht mit niedriger Dichte der Defektzustände ausgebildet werden. Wenn es sich beispielsweise bei dem Oxid 530b um ein In-Ga-Zn-Oxid handelt, wird vorzugsweise ein In-Ga-Zn-Oxid, ein Ga-Zn-Oxid, Galliumoxid oder dergleichen als Oxid 530a und Oxid 530c verwendet.
Dabei dient das Oxid 530b als Hauptladungsträgerweg. Wenn das Oxid 530a und das Oxid 530c die vorstehend beschriebene Struktur aufweisen, kann die Dichte der Defektzustände an der Grenzfläche zwischen dem Oxid 530a und dem Oxid 530b sowie an der Grenzfläche zwischen dem Oxid 530b und dem Oxid 530c verringert werden. Somit ist der Einfluss der Grenzflächenstreuung auf die Ladungsträgerübertragung gering, und der Transistor 500 kann einen hohen Durchlassstrom aufweisen.
Der Leiter 542 (der Leiter 542a und der Leiter 542b), der als Source-Elektrode und Drain-Elektrode dient, ist über dem Oxid 530b bereitgestellt. Für den Leiter 542 wird vorzugsweise ein Metallelement, das aus Aluminium, Chrom, Kupfer, Silber, Gold, Platin, Tantal, Nickel, Titan, Molybdän, Wolfram, Hafnium, Vanadium, Niob, Mangan, Magnesium, Zirconium, Beryllium, Indium, Ruthenium, Iridium, Strontium und Lanthan ausgewählt wird, eine Legierung, die eines der vorstehenden Metallelemente als ihre Komponente enthält, eine Legierung, die eine Kombination der vorstehenden Metallelemente enthält, oder dergleichen verwendet. Beispielsweise wird vorzugsweise Tantalnitrid, Titannitrid, Wolfram, ein Nitrid, das Titan und Aluminium enthält, ein Nitrid, das Tantal und Aluminium enthält, Rutheniumoxid, Rutheniumnitrid, ein Oxid, das Strontium und Ruthenium enthält, ein Oxid, das Lanthan und Nickel enthält, oder dergleichen verwendet. Tantalnitrid, Titannitrid, ein Nitrid, das Titan und Aluminium enthält, ein Nitrid, das Tantal und Aluminium enthält, Rutheniumoxid, Rutheniumnitrid, ein Oxid, das Strontium und Ruthenium enthält, und ein Oxid, das Lanthan und Nickel enthält, werden bevorzugt, da sie oxidationsbeständige leitende Materialien oder Materialien sind, die auch nach der Absorption von Sauerstoff ihre Leitfähigkeit aufrechterhalten.
Wie in 9A dargestellt, wird in einigen Fällen ein Bereich 543 (ein Bereich 543a und ein Bereich 543b) als niederohmigr Bereich an der Grenzfläche zwischen dem Oxid 530 und dem Leiter 542 und in der Umgebung davon ausgebildet. In diesem Fall dient der Bereich 543a als Source-Bereich oder Drain-Bereich, und der Bereich 543b dient als der andere des Source-Bereichs und des Drain-Bereichs. Der Kanalbildungsbereich wird in einem Bereich zwischen dem Bereich 543a und dem Bereich 543b ausgebildet.
Wenn der Leiter 542 in Kontakt mit dem Oxid 530 bereitgestellt ist, könnte sich die Sauerstoffkonzentration in dem Bereich 543 verringern. Außerdem wird in einigen Fällen eine Metallverbindungsschicht, die das Metall, das in dem Leiter 542 enthalten ist, und eine Komponente des Oxids 530 enthält, in dem Bereich 543 ausgebildet. In diesem Fall erhöht sich die Ladungsträgerdichte in dem Bereich 543, so dass der Bereich 543 zu einem niederohmigen Bereich wird.
Der Isolator 544 ist derart bereitgestellt, dass er den Leiter 542 bedeckt, und unterdrückt eine Oxidation des Leiters 542. Dabei kann der Isolator 544 derart bereitgestellt sein, dass er eine Seitenfläche des Oxids 530 bedeckt und in Kontakt mit dem Isolator 524 ist.
Beispielsweise kann als Isolator 544 ein Metalloxid, das eine oder mehrere Arten enthält, die aus Hafnium, Aluminium, Gallium, Yttrium, Zirconium, Wolfram, Titan, Tantal, Nickel, Germanium, Magnesium und dergleichen ausgewählt werden, verwendet werden.
Insbesondere wird vorzugsweise ein Isolator, der ein Oxid von Aluminium und/oder ein Oxid von Hafnium enthält, wie z. B. Aluminiumoxid, Hafniumoxid oder ein Oxid, das Aluminium und Hafnium enthält (Hafniumaluminat), als Isolator 544 verwendet. Insbesondere weist Hafniumaluminat eine höhere Wärmebeständigkeit auf als ein Hafniumoxidfilm. Deshalb wird Hafniumaluminat bevorzugt, da es mit geringerer Wahrscheinlichkeit durch eine Wärmebehandlung in einem späteren Schritt kristallisiert. Es sei angemerkt, dass der Isolator 544 nicht notwendigerweise bereitgestellt wird, wenn der Leiter 542 ein oxidationsbeständiges Material ist oder seine Leitfähigkeit auch nach der Absorption von Sauerstoff nicht signifikant verringert wird. Der Entwurf kann je nach den erforderlichen Transistoreigenschaften angemessen ausgeführt werden.
Der Isolator 550 dient als Gate-Isolierfilm. Der Isolator 550 ist vorzugsweise in Kontakt mit der Innenseite (der Oberseite und der Seitenfläche) des Oxids 530c angeordnet. Der Isolator 550 wird vorzugsweise unter Verwendung eines Isolators ausgebildet, der Sauerstoff durch Erwärmung abgibt. Beispielsweise wird ein Oxidfilm verwendet, bei dem die Menge an abgegebenem Sauerstoff, umgerechnet in Sauerstoffatome, bei einer TDS-Analyse mehr als oder gleich 1,0 × 10¹⁸ Atome/cm³, bevorzugt mehr als oder gleich 1,0 × 10¹⁹ Atome/cm³, bevorzugter mehr als oder gleich 2,0 × 10¹⁹ Atome/cm³ oder mehr als oder gleich 3,0 × 10²⁰ Atome/cm³ ist. Es sei angemerkt, dass die Oberflächentemperatur des Films bei der TDS-Analyse vorzugsweise im Bereich von höher als oder gleich 100 °C und niedriger als oder gleich 700 °C liegt.
Insbesondere kann Siliziumoxid, Siliziumoxynitrid, Siliziumnitridoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxid, dem Fluor zugesetzt ist, Siliziumoxid, dem Kohlenstoff zugesetzt ist, Siliziumoxid, dem Kohlenstoff und Stickstoff zugesetzt sind, oder poröses Siliziumoxid, welche jeweils überschüssigen Sauerstoff enthalten, verwendet werden. Insbesondere werden Siliziumoxid und Siliziumoxynitrid aufgrund ihrer thermischen Stabilität bevorzugt.
Wenn als Isolator 550 ein Isolator, der Sauerstoff durch Erwärmung abgibt, in Kontakt mit der Oberseite des Oxids 530c bereitgestellt ist, kann dem Kanalbildungsbereich des Oxids 530b Sauerstoff von dem Isolator 550 durch das Oxid 530c effektiv zugeführt werden. Ferner wird wie in dem Isolator 524 vorzugsweise die Konzentration von Verunreinigungen, wie z. B. Wasser oder Wasserstoff, in dem Isolator 550 verringert. Die Dicke des Isolators 550 ist vorzugsweise größer als oder gleich 1 nm und kleiner als oder gleich 20 nm.
Ferner kann ein Metalloxid zwischen dem Isolator 550 und dem Leiter 560 bereitgestellt sein, um dem Oxid 530 den überschüssigen Sauerstoff, der in dem Isolator 550 enthalten ist, effizient zuzuführen. Das Metalloxid unterdrückt vorzugsweise eine Diffusion von Sauerstoff von dem Isolator 550 in den Leiter 560. Das Bereitstellen des Metalloxids, das eine Diffusion von Sauerstoff unterdrückt, unterdrückt eine Diffusion des überschüssigen Sauerstoffs von dem Isolator 550 in den Leiter 560. Das heißt, dass eine Verringerung der Menge an überschüssigem Sauerstoff, der dem Oxid 530 zugeführt wird, unterdrückt werden kann. Außerdem kann eine Oxidation des Leiters 560 aufgrund des überschüssigen Sauerstoffs unterdrückt werden. Als Metalloxid kann ein Material, das für den Isolator 544 verwendet werden kann, verwendet werden.
Obwohl der Leiter 560, der als erste Gate-Elektrode dient, eine zweischichtige Struktur in 9A und 9B aufweist, kann der Leiter 560 eine einschichtige Struktur oder eine mehrschichtige Struktur aus drei oder mehr Schichten aufweisen.
Für den Leiter 560a wird vorzugsweise ein leitendes Material mit einer Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Verunreinigungen, wie z. B. Wasserstoffatomen, Wasserstoffmolekülen, Wassermolekülen, Stickstoffatomen, Stickstoffmolekülen, Stickstoffoxidmolekülen (z. B. N₂O, NO und NO₂) und Kupferatomen, verwendet. Alternativ wird vorzugsweise ein leitendes Material mit einer Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Sauerstoff (z. B. Sauerstoffatomen und/oder Sauerstoffmolekülen) verwendet. Wenn der Leiter 560a eine Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Sauerstoff aufweist, kann verhindert werden, dass die Leitfähigkeit des Leiters 560b infolge einer Oxidation, die durch den in dem Isolator 550 enthaltenen Sauerstoff hervorgerufen wird, verringert wird. Als leitendes Material mit einer Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Sauerstoff wird vorzugsweise zum Beispiel Tantal, Tantalnitrid, Ruthenium, Rutheniumoxid oder dergleichen verwendet.
Für den Leiter 560b wird ferner vorzugsweise ein leitendes Material verwendet, das Wolfram, Kupfer oder Aluminium als Hauptkomponente enthält. Als Leiter 560b, der auch als Leitung dient, wird vorzugsweise ein Leiter mit hoher Leitfähigkeit verwendet. Beispielsweise kann ein leitendes Material, das Wolfram, Kupfer oder Aluminium als Hauptkomponente enthält, verwendet werden. Der Leiter 560b kann eine mehrschichtige Struktur, beispielsweise eine mehrschichtige Struktur aus Titan oder Titannitrid und dem vorstehenden leitenden Material, aufweisen.
Der Isolator 580 ist über dem Leiter 542 bereitgestellt, wobei der Isolator 544 dazwischen angeordnet ist. Der Isolator 580 umfasst vorzugsweise einen Bereich mit überschüssigem Sauerstoff. Der Isolator 580 enthält vorzugsweise zum Beispiel Siliziumoxid, Siliziumoxynitrid, Siliziumnitridoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxid, dem Fluor zugesetzt ist, Siliziumoxid, dem Kohlenstoff zugesetzt ist, Siliziumoxid, dem Kohlenstoff und Stickstoff zugesetzt sind, poröses Siliziumoxid, ein Harz oder dergleichen. Insbesondere werden Siliziumoxid und Siliziumoxynitrid, welche thermisch stabil sind, bevorzugt. Insbesondere werden Siliziumoxid und poröses Siliziumoxid bevorzugt, da ein Bereich mit überschüssigem Sauerstoff in einem späteren Schritt leicht ausgebildet werden kann.
Wenn der Isolator 580, der Sauerstoff durch Erwärmung abgibt, in Kontakt mit dem Oxid 530c bereitgestellt ist, kann dem Oxid 530 Sauerstoff in dem Isolator 580 durch das Oxid 530c effizient zugeführt werden. Es sei angemerkt, dass vorzugsweise die Konzentration von Verunreinigungen, wie z. B. Wasser oder Wasserstoff, in dem Isolator 580 verringert wird.
Die Öffnung des Isolators 580 ist derart ausgebildet, dass sie sich mit dem Bereich zwischen dem Leiter 542a und dem Leiter 542b überlappt. Demzufolge ist der Leiter 560 in der Öffnung des Isolators 580 und dem Bereich zwischen dem Leiter 542a und dem Leiter 542b eingebettet ausgebildet.
Für die Miniaturisierung der Halbleitervorrichtung ist es erforderlich, die Gate-Länge zu verkürzen; dabei muss verhindert werden, dass sich die Leitfähigkeit des Leiters 560 verringert. Wenn die Dicke des Leiters 560 erhöht wird, kann der Leiter 560 eine Form mit einem hohen Seitenverhältnis aufweisen. Da bei dieser Ausführungsform der Leiter 560 in der Öffnung des Isolators 580 eingebettet bereitgestellt ist, kann selbst dann, wenn der Leiter 560 eine Form mit einem hohen Seitenverhältnis aufweist, der Leiter 560 ausgebildet werden, ohne dass er während des Prozesses zerbricht.
Der Isolator 574 ist vorzugsweise in Kontakt mit einer Oberseite des Isolators 580, einer Oberseite des Leiters 560 und einer Oberseite des Isolators 550 bereitgestellt. Indem der Isolator 574 durch ein Sputterverfahren abgeschieden wird, können Bereiche mit überschüssigem Sauerstoff in dem Isolator 550 und dem Isolator 580 bereitgestellt werden. Dadurch kann dem Oxid 530 Sauerstoff von den Bereichen mit überschüssigem Sauerstoff zugeführt werden.
Beispielsweise kann als Isolator 574 ein Metalloxid, das eine oder mehrere Arten enthält, die aus Hafnium, Aluminium, Gallium, Yttrium, Zirconium, Wolfram, Titan, Tantal, Nickel, Germanium, Magnesium und dergleichen ausgewählt werden, verwendet werden.
Insbesondere weist Aluminiumoxid eine hohe Sperreigenschaft auf, so dass selbst ein dünner Aluminiumoxidfilm mit einer Dicke von größer als oder gleich 0,5 nm und kleiner als oder gleich 3,0 nm eine Diffusion von Wasserstoff und Stickstoff unterdrücken kann. Daher kann Aluminiumoxid, das durch ein Sputterverfahren abgeschieden wird, zum einen als Sauerstoffversorgungsquelle und zum anderen als Sperrfilm gegen Verunreinigungen, wie z. B. Wasserstoff, dienen.
Ein Isolator 581, der als Zwischenschichtfilm dient, ist vorzugsweise über dem Isolator 574 bereitgestellt. Wie in dem Isolator 524 oder dergleichen wird vorzugsweise die Konzentration von Verunreinigungen, wie z. B. Wasser oder Wasserstoff, in dem Isolator 581 verringert.
Ein Leiter 540a und ein Leiter 540b sind in Öffnungen angeordnet, die in dem Isolator 581, dem Isolator 574, dem Isolator 580 und dem Isolator 544 ausgebildet sind. Der Leiter 540a und der Leiter 540b sind einander zugewandt bereitgestellt, wobei der Leiter 560 dazwischen angeordnet ist. Die Strukturen des Leiters 540a und des Leiters 540b sind denjenigen eines Leiters 546 und eines Leiters 548 ähnlich, welche nachstehend beschrieben werden.
Ein Isolator 582 ist über dem Isolator 581 bereitgestellt. Eine Substanz, die eine Sperreigenschaft gegen Sauerstoff oder Wasserstoff aufweist, wird vorzugsweise für den Isolator 582 verwendet. Daher kann ein Material, das demjenigen des Isolators 514 ähnlich ist, für den Isolator 582 verwendet werden. Für den Isolator 582 wird vorzugsweise zum Beispiel ein Metalloxid, wie z. B. Aluminiumoxid, Hafniumoxid oder Tantaloxid, verwendet.
Aluminiumoxid weist insbesondere eine hohe Sperrwirkung auf, die den Durchgang sowohl von Sauerstoff als auch von Verunreinigungen, wie z. B. Wasserstoff und Feuchtigkeit, welche eine Veränderung der elektrischen Eigenschaften des Transistors verursachen, unterbindet. Daher kann Aluminiumoxid verhindern, dass in einem Herstellungsprozess und nach der Herstellung des Transistors Verunreinigungen, wie z. B. Wasserstoff und Feuchtigkeit, in den Transistor 500 eindringen. Außerdem kann eine Abgabe von Sauerstoff von dem Oxid, das in dem Transistor 500 enthalten ist, unterdrückt werden. Deshalb wird Aluminiumoxid in geeigneter Weise für den Schutzfilm des Transistors 500 verwendet.
Ein Isolator 586 ist über dem Isolator 582 bereitgestellt. Für den Isolator 586 kann ein Material, das demjenigen des Isolators 320 ähnlich ist, verwendet werden. Wenn ein Material mit relativ niedriger Permittivität für einen Zwischenschichtfilm verwendet wird, kann die parasitäre Kapazität, die zwischen Leitungen erzeugt wird, verringert werden. Beispielsweise kann ein Siliziumoxidfilm, ein Siliziumoxynitridfilm oder dergleichen für den Isolator 586 verwendet werden.
Der Leiter 546, der Leiter 548 und dergleichen sind in dem Isolator 520, dem Isolator 522, dem Isolator 524, dem Isolator 544, dem Isolator 580, dem Isolator 574, dem Isolator 581, dem Isolator 582 und dem Isolator 586 eingebettet.
Der Leiter 546 und der Leiter 548 dienen jeweils als Anschlusspfropfen oder Leitung, der/die mit dem Kondensator 600, dem Transistor 500 oder dem Transistor 300 verbunden ist. Der Leiter 546 und der Leiter 548 können unter Verwendung von Materialien, die denjenigen des Leiters 328 und des Leiters 330 ähnlich sind, bereitgestellt werden.
Des Weiteren ist der Kondensator 600 oberhalb des Transistors 500 bereitgestellt. Der Kondensator 600 beinhaltet einen Leiter 610, einen Leiter 620 und einen Isolator 630.
Ein Leiter 612 kann über dem Leiter 546 und dem Leiter 548 bereitgestellt sein. Der Leiter 612 dient als Anschlusspfropfen oder Leitung, der/die mit dem Transistor 500 verbunden ist. Der Leiter 610 dient als Elektrode des Kondensators 600. Es sei angemerkt, dass der Leiter 612 und der Leiter 610 gleichzeitig ausgebildet werden können.
Für den Leiter 612 und den Leiter 610 kann ein Metallfilm, der ein Element enthält, das aus Molybdän, Titan, Tantal, Wolfram, Aluminium, Kupfer, Chrom, Neodym und Skandium ausgewählt wird, ein Metallnitridfilm, der eines der oben genannten Elemente enthält (ein Tantalnitridfilm, ein Titannitridfilm, ein Molybdännitridfilm oder ein Wolframnitridfilm), oder dergleichen verwendet werden. Alternativ ist es möglich, ein leitendes Material einzusetzen, wie beispielsweise Indiumzinnoxid, Indiumoxid, das Wolframoxid enthält, Indiumzinkoxid, das Wolframoxid enthält, Indiumoxid, das Titanoxid enthält, Indiumzinnoxid, das Titanoxid enthält, Indiumzinkoxid oder Indiumzinnoxid, dem Siliziumoxid zugesetzt ist.
In 8 weisen der Leiter 612 und der Leiter 610 jeweils eine einschichtige Struktur auf; jedoch ist die Struktur nicht darauf beschränkt, und es kann auch eine mehrschichtige Struktur aus zwei oder mehr Schichten zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann zwischen einem Leiter mit einer Sperreigenschaft und einem Leiter mit hoher Leitfähigkeit ein Leiter ausgebildet sein, der auf dem Leiter mit einer Sperreigenschaft und dem Leiter mit hoher Leitfähigkeit stark haftend ist.
Der Leiter 620 ist derart bereitgestellt, dass er sich mit dem Leiter 610 überlappt, wobei der Isolator 630 dazwischen angeordnet ist. Es sei angemerkt, dass für den Leiter 620 ein leitendes Material, wie z. B. ein Metallmaterial, ein Legierungsmaterial oder ein Metalloxidmaterial, verwendet werden kann. Vorzugsweise wird ein hochschmelzendes Material, das sowohl Wärmebeständigkeit als auch Leitfähigkeit aufweist, wie z. B. Wolfram oder Molybdän, verwendet, und besonders vorzugsweise wird Wolfram verwendet. Wenn der Leiter 620 gleichzeitig mit einem anderen Bestandteil, wie z. B. einem Leiter, ausgebildet wird, kann Kupfer (Cu), Aluminium (AI) oder dergleichen, welche Metallmaterialien mit niedrigem Widerstand sind, verwendet werden.
Ein Isolator 650 ist über dem Leiter 620 und dem Isolator 630 bereitgestellt. Der Isolator 650 kann unter Verwendung eines Materials, das demjenigen des Isolators 320 ähnlich ist, bereitgestellt werden. Der Isolator 650 kann als Planarisierungsfilm dienen, der eine unebene Form unter diesem abdeckt.
Unter Verwendung dieser Struktur kann bei einer Halbleitervorrichtung, die einen OS-Transistor beinhaltet, eine Veränderung der elektrischen Eigenschaften unterdrückt werden und die Zuverlässigkeit kann verbessert werden. Alternativ kann ein OS-Transistor mit hohem Durchlassstrom bereitgestellt werden. Alternativ kann ein OS-Transistor mit niedrigem Sperrstrom bereitgestellt werden. Alternativ kann eine Halbleitervorrichtung, die Daten lange Zeit halten kann, bereitgestellt werden. Alternativ kann bei einer Halbleitervorrichtung, die einen OS-Transistor beinhaltet, eine Miniaturisierung oder eine hohe Integration erzielt werden.
<Strukturbeispiel eines Transistors>
Es sei angemerkt, dass die Struktur des Transistors 500 der bei dieser Ausführungsform beschriebenen Halbleitervorrichtung nicht auf die vorstehende Struktur beschränkt ist. Im Folgenden wird ein Strukturbeispiel beschrieben, das bei dem Transistor 500 zum Einsatz kommen kann.
<Strukturbeispiel 1 eines Transistors>
Ein Strukturbeispiel eines Transistors 510A wird anhand von 10A, 10B und 10C beschrieben. 10A ist eine Draufsicht auf den Transistor 510A. 10B ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts entlang der Strichpunktlinie L1-L2 in 10A. 10C ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts entlang der Strichpunktlinie W1-W2 in 10A. Es sei angemerkt, dass der Einfachheit der Zeichnung halber einige Bestandteile in der Draufsicht in 10A weggelassen werden.
10A, 10B und 10C stellen den Transistor 510A und einen Isolator 511, den Isolator 512, den Isolator 514, den Isolator 516, den Isolator 580, den Isolator 582 und einen Isolator 584 dar, welche als Zwischenschichtfilme dienen. Außerdem sind der Leiter 546 (ein Leiter 546a und ein Leiter 546b), der elektrisch mit dem Transistor 510A verbunden ist und als Kontaktpfropfen dient, und der Leiter 503 dargestellt, der als Leitung dient.
Der Transistor 510A beinhaltet den Leiter 560 (den Leiter 560a und den Leiter 560b), der als erste Gate-Elektrode dient, einen Leiter 505 (einen Leiter 505a und einen Leiter 505b), der als zweite Gate-Elektrode dient, den Isolator 550, der als erster Gate-Isolierfilm dient, einen Isolator 521, den Isolator 522 und den Isolator 524, welche als zweite Gate-Isolierfilme dienen, das Oxid 530 (das Oxid 530a, das Oxid 530b und das Oxid 530c), das einen Bereich umfasst, in dem ein Kanal gebildet wird, den Leiter 542a, der als ein Anschluss von Source und Drain dient, den Leiter 542b, der als der andere Anschluss von Source und Drain dient, und den Isolator 574.
Wie in 10B dargestellt, sind bei dem Transistor 510A das Oxid 530c, der Isolator 550 und der Leiter 560 in einer Öffnung des Isolators 580 angeordnet, wobei der Isolator 574 dazwischen angeordnet ist. Des Weiteren sind das Oxid 530c, der Isolator 550 und der Leiter 560 zwischen dem Leiter 542a und dem Leiter 542b angeordnet.
Der Isolator 511 und der Isolator 512 dienen als Zwischenschichtfilme.
Als Zwischenschichtfilm kann eine Einzelschicht oder eine Schichtanordnung aus einem Isolator, wie z. B. Siliziumoxid, Siliziumoxynitrid, Siliziumnitridoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Aluminiumoxynitrid, Aluminiumnitridoxid, Aluminiumnitrid, Hafniumoxid, Hafniumoxynitrid, Hafniumnitridoxid, Hafniumnitrid, Tantaloxid, Zirconiumoxid, Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), Strontiumtitanat (SrTiO₃) oder (Ba,Sr)TiO₃ (BST), verwendet werden. Alternativ kann einem derartigen Isolator beispielsweise Aluminiumoxid, Bismutoxid, Germaniumoxid, Nioboxid, Siliziumoxid, Titanoxid, Wolframoxid, Yttriumoxid oder Zirconiumoxid zugesetzt werden. Dieser Isolator kann alternativ einer Nitrierungsbehandlung unterzogen werden. Siliziumoxid, Siliziumoxynitrid oder Siliziumnitrid kann über dem vorstehenden Isolator angeordnet werden.
Beispielsweise dient den Isolator 511 vorzugsweise als Sperrfilm, der verhindert, dass Verunreinigungen, wie z. B. Wasser oder Wasserstoff, von der Seite des Substrats aus in den Transistor 510A eindringen. Für den Isolator 511 wird daher vorzugsweise ein isolierendes Material mit einer Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Verunreinigungen, wie z. B. Wasserstoffatomen, Wasserstoffmolekülen, Wassermolekülen und Kupferatomen, d. h. ein isolierendes Material, das die vorstehenden Verunreinigungen mit geringerer Wahrscheinlichkeit durchlässt, verwendet. Alternativ wird vorzugsweise ein isolierendes Material mit einer Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Sauerstoff (z. B. Sauerstoffatomen und/oder Sauerstoffmolekülen), d. h. ein isolierendes Material, das den vorstehenden Sauerstoff mit geringerer Wahrscheinlichkeit durchlässt, verwendet. Außerdem kann beispielsweise Aluminiumoxid oder Siliziumnitrid für den Isolator 511 verwendet werden. Bei dieser Struktur kann verhindert werden, dass Verunreinigungen, wie z. B. Wasserstoff und Wasser, von der Seite des Substrats aus durch den Isolator 511 in Richtung des Transistors 510A diffundieren.
Beispielsweise ist die Permittivität des Isolators 512 vorzugsweise niedriger als diejenige des Isolators 511. Wenn ein Material mit niedriger Permittivität für einen Zwischenschichtfilm verwendet wird, kann die parasitäre Kapazität, die zwischen Leitungen erzeugt wird, verringert werden.
Der Leiter 503 wird derart ausgebildet, dass er in dem Isolator 512 eingebettet ist. Hier kann die Oberseite des Leiters 503 im Wesentlichen auf der gleichen Höhe wie die Oberseite des Isolators 512 liegen. Es sei angemerkt, dass der Leiter 503 als Einzelschicht dargestellt ist; jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann der Leiter 503 eine mehrschichtige Struktur aus zwei oder mehr Schichten aufweisen. Es sei angemerkt, dass vorzugsweise ein leitendes Material, das Wolfram, Kupfer oder Aluminium als Hauptkomponente enthält und eine hohe Leitfähigkeit aufweiset, für den Leiter 503 verwendet wird.
Bei dem Transistor 510A dient der Leiter 560 in einigen Fällen als erste Gate-Elektrode. Der Leiter 505 dient in einigen Fällen als zweite Gate-Elektrode. In diesem Fall kann, indem ein an den Leiter 505 angelegtes Potential nicht synchron mit, sondern unabhängig von einem an den Leiter 560 angelegten Potential verändert wird, die Schwellenspannung des Transistors 510A gesteuert werden. Indem insbesondere ein negatives Potential an den Leiter 505 angelegt wird, kann die Schwellenspannung des Transistors 510A höher als 0 V sein, und der Sperrstrom kann verringert werden. Demzufolge kann ein Drain-Strom bei einem an den Leiter 560 angelegten Potential von 0 V in dem Fall, in dem ein negatives Potential an den Leiter 505 angelegt wird, stärker verringert werden als in dem Fall, in dem es nicht angelegt wird.
Indem der Leiter 505 und der Leiter 560 beispielsweise derart bereitgestellt sind, dass sie sich miteinander überlappen, werden dann, wenn Potentiale an den Leiter 560 und den Leiter 505 angelegt werden, ein elektrisches Feld, das von dem Leiter 560 erzeugt wird, und ein elektrisches Feld, das von dem Leiter 505 erzeugt wird, miteinander verbunden und können den Kanalbildungsbereich bedecken, der in dem Oxid 530 gebildet wird.
Das heißt, dass der Kanalbildungsbereich elektrisch von dem elektrischen Feld des Leiters 560, der als erste Gate-Elektrode dient, und dem elektrischen Feld des Leiters 505, der als zweite Gate-Elektrode dient, umschlossen werden kann. Das heißt, dass der Transistor 510A wie der vorstehend beschriebene Transistor 500 eine Struktur mit umschlossenem Kanal (S-Kanal-Struktur) aufweist.
Der Isolator 514 und der Isolator 516 dienen wie der Isolator 511 oder der Isolator 512 als Zwischenschichtfilme. Beispielsweise dient der Isolator 514 vorzugsweise als Sperrfilm, der verhindert, dass Verunreinigungen, wie z. B. Wasser oder Wasserstoff, von der Seite des Substrats aus in den Transistor 510A eindringen. Bei dieser Struktur kann verhindert werden, dass Verunreinigungen, wie z. B. Wasserstoff und Wasser, von der Seite des Substrats aus durch den Isolator 514 in Richtung des Transistors 510A diffundieren. Außerdem ist beispielsweise die Permittivität des Isolators 516 vorzugsweise niedriger als diejenige des Isolators 514. Wenn ein Material mit niedriger Permittivität für einen Zwischenschichtfilm verwendet wird, kann die parasitäre Kapazität, die zwischen Leitungen erzeugt wird, verringert werden.
Bei dem Leiter 505, der als zweites Gate dient, ist der Leiter 505a in Kontakt mit der Innenwand der Öffnung des Isolators 514 und des Isolators 516 ausgebildet und ist der Leiter 505b weiter innen ausgebildet. Hier kann die Oberseite des Leiters 505a und des Leiters 505b im Wesentlichen auf der gleichen Höhe wie die Oberseite des Isolators 516 liegen. Es sei angemerkt, dass, obwohl bei dem Transistor 510A der Leiter 505a und der Leiter 505b übereinander angeordnet sind, die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Beispielsweise kann der Leiter 505 als Einzelschicht oder Schichtanordnung aus drei oder mehr Schichten bereitgestellt sein.
Für den Leiter 505a wird hier vorzugsweise ein leitendes Material mit einer Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Verunreinigungen, wie z. B. Wasserstoffatomen, Wasserstoffmolekülen, Wassermolekülen und Kupferatomen (ein leitendes Material, das die vorstehenden Verunreinigungen mit geringerer Wahrscheinlichkeit durchlässt), verwendet. Alternativ wird vorzugsweise ein leitendes Material mit einer Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Sauerstoff (z. B. Sauerstoffatomen und/oder Sauerstoffmolekülen) (ein leitendes Material, das den vorstehenden Sauerstoff mit geringerer Wahrscheinlichkeit durchlässt) verwendet. Es sei angemerkt, dass in dieser Beschreibung und dergleichen eine Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Verunreinigungen oder Sauerstoff eine Funktion zum Verhindern einer Diffusion der vorstehenden Verunreinigungen und/oder des vorstehenden Sauerstoffs bezeichnet.
Wenn beispielsweise der Leiter 505a eine Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Sauerstoff aufweist, kann verhindert werden, dass sich die Leitfähigkeit des Leiters 505b infolge einer Oxidation verringert.
Wenn der Leiter 505 auch als Leitung dient, wird für den Leiter 505b vorzugsweise ein leitendes Material mit hoher Leitfähigkeit verwendet, das Wolfram, Kupfer oder Aluminium als Hauptkomponente enthält. In diesem Fall wird der Leiter 503 nicht notwendigerweise bereitgestellt. Es sei angemerkt, dass der Leiter 505b, obwohl er als Einzelschicht dargestellt ist, eine mehrschichtige Struktur, beispielsweise eine mehrschichtige Struktur aus Titan oder Titannitrid und dem vorstehenden leitenden Material, aufweisen kann.
Der Isolator 521, der Isolator 522 und der Isolator 524 dienen jeweils als zweiter Gate-Isolierfilm.
Des Weiteren weist der Isolator 522 vorzugsweise eine Sperreigenschaft auf. Wenn der Isolator 522 eine Sperreigenschaft aufweist, dient er als Schicht, die ein Eindringen von Verunreinigungen, wie z. B. Wasserstoff, von der Umgebung des Transistors 510A in den Transistor 510A verhindert.
Für den Isolator 522 wird vorzugsweise zum Beispiel eine Einzelschicht oder eine Schichtanordnung aus einem Isolator, der Aluminiumoxid, Hafniumoxid, ein Oxid, das Aluminium und Hafnium enthält (Hafniumaluminat), ein Oxynitrid, das Aluminium und Hafnium enthält, Tantaloxid, Zirconiumoxid, Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), Strontiumtitanat (SrTiO₃), (Ba,Sr)TiO₃ (BST) oder dergleichen enthält, verwendet. Mit Voranschreiten miniaturisierter und hoch integrierter Transistoren tritt in einigen Fällen ein Problem, wie z. B. ein Leckstrom, aufgrund eines dünnen Gate-Isolierfilms auf. Wenn ein Material mit hohem k für einen Isolator, der als Gate-Isolierfilm dient, verwendet wird, kann das Gate-Potential beim Betrieb des Transistors verringert werden, während die physikalische Filmdicke aufrechterhalten wird.
Der Isolator 521 ist vorzugsweise thermisch stabil. Beispielsweise werden Siliziumoxid und Siliziumoxynitrid aufgrund ihrer thermischen Stabilität bevorzugt. Indem ein Isolator, der ein Material mit hohem k ist, mit Siliziumoxid oder Siliziumoxynitrid kombiniert wird, kann der Isolator 521 mit einer mehrschichtigen Struktur, der thermisch stabil ist und eine hohe relative Permittivität aufweist, erhalten werden.
Es sei angemerkt, dass, obwohl 10B und 10C den zweiten Gate-Isolierfilm mit einer mehrschichtigen Struktur aus drei Schichten darstellen, auch eine mehrschichtige Struktur aus zwei oder weniger Schichten oder vier oder mehr Schichten zum Einsatz kommen kann. In diesem Fall kann, ohne Beschränkung auf eine mehrschichtige Struktur aus dem gleichen Material, eine mehrschichtige Struktur aus unterschiedlichen Materialien verwendet werden.
Das Oxid 530, das einen als Kanalbildungsbereich dienenden Bereich umfasst, umfasst das Oxid 530a, das Oxid 530b über dem Oxid 530a und das Oxid 530c über dem Oxid 530b. Wenn das Oxid 530a unter dem Oxid 530b bereitgestellt ist, kann verhindert werden, dass Verunreinigungen von den Komponenten, die unterhalb des Oxids 530a ausgebildet sind, in das Oxid 530b diffundieren. Außerdem kann dann, wenn das Oxid 530c über dem Oxid 530b bereitgestellt ist, verhindert werden, dass Verunreinigungen von den Komponenten, die oberhalb des Oxids 530c ausgebildet sind, in das Oxid 530b diffundieren. Für das Oxid 530 kann der vorstehend beschriebene Oxidhalbleiter, der eine Art von Metalloxid ist, verwendet werden.
Es sei angemerkt, dass das Oxid 530c vorzugsweise in der Öffnung des Isolators 580 bereitgestellt ist, wobei der Isolator 574 dazwischen angeordnet ist. Wenn der Isolator 574 eine Sperreigenschaft aufweist, kann eine Diffusion von Verunreinigungen von dem Isolator 580 in das Oxid 530 verhindert werden.
Einer der Leiter 542 dient als Source-Elektrode, und der andere dient als Drain-Elektrode.
Ein Metall, wie z. B. Aluminium, Titan, Chrom, Nickel, Kupfer, Yttrium, Zirconium, Molybdän, Silber, Tantal oder Wolfram, oder eine Legierung, die dieses als Hauptkomponente enthält, kann für den Leiter 542a und den Leiter 542b verwendet werden. Insbesondere wird ein Metallnitridfilm, wie z. B. ein Tantalnitridfilm, bevorzugt, da er eine Sperreigenschaft gegen Wasserstoff oder Sauerstoff und eine hohe Oxidationsbeständigkeit aufweist.
Obwohl 10B eine einschichtige Struktur darstellt, kann eine mehrschichtige Struktur aus zwei oder mehr Schichten zum Einsatz kommen. Zum Beispiel sind vorzugsweise ein Tantalnitridfilm und ein Wolframfilm übereinander angeordnet. Alternativ können ein Titanfilm und ein Aluminiumfilm übereinander angeordnet sein. Weitere Beispiele umfassen eine zweischichtige Struktur, bei der ein Aluminiumfilm über einem Wolframfilm angeordnet ist, eine zweischichtige Struktur, bei der ein Kupferfilm über einem Kupfer-Magnesium-Aluminiumlegierungsfilm angeordnet ist, eine zweischichtige Struktur, bei der ein Kupferfilm über einem Titanfilm angeordnet ist, und eine zweischichtige Struktur, bei der ein Kupferfilm über einem Wolframfilm angeordnet ist.
Weitere Beispiele umfassen eine dreischichtige Struktur, bei der ein Aluminiumfilm oder ein Kupferfilm über einem Titanfilm oder einem Titannitridfilm angeordnet ist und ferner ein Titanfilm oder ein Titannitridfilm darüber ausgebildet ist, und eine dreischichtige Struktur, bei der ein Aluminiumfilm oder ein Kupferfilm über einem Molybdänfilm oder einem Molybdännitridfilm angeordnet ist und ferner ein Molybdänfilm oder ein Molybdännitridfilm darüber ausgebildet ist. Es sei angemerkt, dass ein durchsichtiges leitendes Material, das Indiumoxid, Zinnoxid oder Zinkoxid enthält, verwendet werden kann.
Außerdem kann eine Sperrschicht über dem Leiter 542 bereitgestellt sein. Eine Substanz, die eine Sperreigenschaft gegen Sauerstoff oder Wasserstoff aufweist, wird vorzugsweise für die Sperrschicht verwendet. Bei dieser Struktur kann bei der Abscheidung des Isolators 574 eine Oxidation des Leiters 542 verhindert werden.
Für die Sperrschicht kann beispielsweise ein Metalloxid verwendet werden. Insbesondere wird vorzugsweise ein Isolierfilm, der eine Sperreigenschaft gegen Sauerstoff oder Wasserstoff aufweist, wie z. B. Aluminiumoxid, Hafniumoxid oder Galliumoxid, verwendet. Außerdem kann Siliziumnitrid, das durch ein CVD-Verfahren abgeschieden wird, verwendet werden.
Dank der Sperrschicht können die Auswahlmöglichkeiten der Materialien des Leiters 542 erweitert werden. Beispielsweise kann für den Leiter 542 ein Material mit niedriger Oxidationsbeständigkeit und hoher Leitfähigkeit, wie z. B. Wolfram oder Aluminium, verwendet werden. Des Weiteren kann beispielsweise ein Leiter, der leicht abgeschieden oder verarbeitet wird, verwendet werden.
Der Isolator 550 dient als erster Gate-Isolierfilm. Der Isolator 550 ist vorzugsweise in der Öffnung des Isolators 580 bereitgestellt, wobei das Oxid 530c und der Isolator 574 dazwischen angeordnet sind.
Mit Voranschreiten miniaturisierter und hoch integrierter Transistoren kann ein Problem, wie z. B. ein Leckstrom, aufgrund eines dünnen Gate-Isolierfilms auftreten. In diesem Fall kann der Isolator 550 wie der zweite Gate-Isolierfilm eine mehrschichtige Struktur aufweisen. Indem der Isolator, der als Gate-Isolierfilm dient, eine mehrschichtige Struktur aus einem Material mit hohem k und einem thermisch stabilen Material aufweist, kann das Gate-Potential beim Betrieb des Transistors verringert werden, während die physikalische Filmdicke aufrechterhalten wird. Außerdem kann die mehrschichtige Struktur thermisch stabil sein und eine hohe relative Permittivität aufweisen.
Der Leiter 560, der als erste Gate-Elektrode dient, beinhaltet den Leiter 560a und den Leiter 560b über dem Leiter 560a. Für den Leiter 560a wird vorzugsweise wie für den Leiter 505a ein leitendes Material mit einer Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Verunreinigungen, wie z. B. Wasserstoffatomen, Wasserstoffmolekülen, Wassermolekülen und Kupferatomen, verwendet. Alternativ wird vorzugsweise ein leitendes Material mit einer Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Sauerstoff (z. B. Sauerstoffatomen und/oder Sauerstoffmolekülen) verwendet.
Wenn der Leiter 560a eine Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Sauerstoff aufweist, können die Auswahlmöglichkeiten der Materialien des Leiters 560b verbessert werden. Das heißt, dass das Vorhandensein des Leiters 560a die Oxidation des Leiters 560b verhindern und somit eine Verringerung der Leitfähigkeit verhindern kann.
Als leitendes Material mit einer Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Sauerstoff wird vorzugsweise zum Beispiel Tantal, Tantalnitrid, Ruthenium, Rutheniumoxid oder dergleichen verwendet. Zudem kann ein Oxidhalbleiter, der als Oxid 530 verwendet werden kann, für den Leiter 560a verwendet werden. In diesem Fall wird der Leiter 560b durch ein Sputterverfahren abgeschieden, wodurch der Leiter 560a einen verringerten Wert des elektrischen Widerstandes aufweisen und zu einem Leiter werden kann. Ein derartiger Leiter kann als Oxidleiter- (oxide conductor, OC-) Elektrode bezeichnet werden.
Für den Leiter 560b wird vorzugsweise ein leitendes Material verwendet, das Wolfram, Kupfer oder Aluminium als Hauptkomponente enthält. Der der Leiter 560 als Leitung dient, wird vorzugsweise ein Leiter mit hoher Leitfähigkeit als Leiter 560b verwendet. Beispielsweise kann ein leitendes Material, das Wolfram, Kupfer oder Aluminium als Hauptkomponente enthält, verwendet werden. Der Leiter 560b kann eine mehrschichtige Struktur, beispielsweise eine mehrschichtige Struktur aus Titan oder Titannitrid und dem vorstehenden leitenden Material, aufweisen.
Der Isolator 574 ist zwischen dem Isolator 580 und dem Transistor 510A angeordnet. Für den Isolator 574 wird vorzugsweise ein isolierendes Material verwendet, das eine Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Verunreinigungen, wie z. B. Wasser oder Wasserstoff, und Sauerstoff aufweist. Zum Beispiel wird vorzugsweise Aluminiumoxid oder Hafniumoxid verwendet. Ferner kann beispielsweise ein Metalloxid, wie z. B. Magnesiumoxid, Galliumoxid, Germaniumoxid, Yttriumoxid, Zirconiumoxid, Lanthanoxid, Neodymoxid oder Tantaloxid, Siliziumnitridoxid oder Siliziumnitrid verwendet werden.
Dank des Isolators 574 kann verhindert werden, dass Verunreinigungen, wie z. B. Wasser und Wasserstoff, die in dem Isolator 580 enthalten sind, durch das Oxid 530c und den Isolator 550 in das Oxid 530b diffundieren. Des Weiteren kann die Oxidation des Leiters 560 durch überschüssigen Sauerstoff, der in dem Isolator 580 enthalten ist, unterdrückt werden.
Der Isolator 580, der Isolator 582 und der Isolator 584 dienen als Zwischenschichtfilme.
Der Isolator 582 dient vorzugsweise wie der Isolator 514 als isolierender Sperrfilm, der verhindert, dass Verunreinigungen, wie z. B. Wasser oder Wasserstoff, von außen in den Transistor 510A eindringen.
Außerdem weisen der Isolator 580 und der Isolator 584 wie der Isolator 516 vorzugsweise eine niedrigere Permittivität auf als der Isolator 582. Wenn ein Material mit niedriger Permittivität für einen Zwischenschichtfilm verwendet wird, kann die parasitäre Kapazität, die zwischen Leitungen erzeugt wird, verringert werden.
Des Weiteren kann der Transistor 510A über einen Anschlusspfropfen oder eine Leitung, wie z. B. den Leiter 546, der in dem Isolator 580, dem Isolator 582 und dem Isolator 584 eingebettet ist, elektrisch mit einem weiteren Bestandteil verbunden sein.
Als Material des Leiters 546 kann wie bei dem Leiter 505 eine Einzelschicht oder eine Schichtanordnung aus einem leitenden Material, wie z. B. einem Metallmaterial, einem Legierungsmaterial, einem Metallnitridmaterial oder einem Metalloxidmaterial, verwendet werden. Zum Beispiel wird vorzugsweise ein hochschmelzendes Material, das sowohl Wärmebeständigkeit als auch Leitfähigkeit aufweist, wie z. B. Wolfram oder Molybdän, verwendet. Alternativ wird vorzugsweise ein leitendes Material mit niedrigem Widerstand, wie z. B. Aluminium oder Kupfer, verwendet. Die Verwendung eines leitenden Materials mit niedrigem Widerstand kann den Leitungswiderstand verringern.
Wenn beispielsweise der Leiter 546 eine mehrschichtige Struktur aus Tantalnitrid oder dergleichen, das ein Leiter mit einer Sperreigenschaft gegen Wasserstoff und Sauerstoff ist, und Wolfram mit hoher Leitfähigkeit aufweist, kann eine Diffusion von Verunreinigungen von außen verhindert werden, während die Leitfähigkeit einer Leitung sichergestellt ist.
Die vorstehende Struktur ermöglicht, einen OS-Transistor mit hohem Durchlassstrom bereitzustellen. Alternativ kann ein OS-Transistor mit niedrigem Sperrstrom bereitgestellt werden. Alternativ kann bei einer Halbleitervorrichtung, die einen OS-Transistor beinhaltet, eine Veränderung der elektrischen Eigenschaften unterdrückt werden und die Zuverlässigkeit kann verbessert werden.
<Strukturbeispiel 2 eines Transistors>
Ein Strukturbeispiel eines Transistors 510B wird anhand von 11A, 11B und 11C beschrieben. 11A ist eine Draufsicht auf den Transistor 510B. 11B ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts entlang der Strichpunktlinie L1-L2 in 11A. 11C ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts entlang der Strichpunktlinie W1-W2 in 11A. Es sei angemerkt, dass der Einfachheit der Zeichnung halber einige Bestandteile in der Draufsicht in 11A weggelassen werden.
Der Transistor 510B ist ein Modifikationsbeispiel des Transistors 510A. Deshalb werden hauptsächlich Unterschiede zu dem Transistor 510A beschrieben, um eine wiederholte Beschreibung zu vermeiden.
Der Transistor 510B umfasst einen Bereich, in dem sich der Leiter 542 (der Leiter 542a und der Leiter 542b), das Oxid 530c, der Isolator 550 und der Leiter 560 miteinander überlappen. Mit dieser Struktur kann ein Transistor mit hohem Durchlassstrom bereitgestellt werden. Außerdem kann ein Transistor mit hoher Steuerbarkeit bereitgestellt werden.
Der Leiter 560, der als erste Gate-Elektrode dient, beinhaltet den Leiter 560a und den Leiter 560b über dem Leiter 560a. Für den Leiter 560a wird vorzugsweise wie für den Leiter 505a ein leitendes Material mit einer Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Verunreinigungen, wie z. B. Wasserstoffatomen, Wasserstoffmolekülen, Wassermolekülen und Kupferatomen, verwendet. Alternativ wird vorzugsweise ein leitendes Material mit einer Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Sauerstoff (z. B. Sauerstoffatomen und/oder Sauerstoffmolekülen) verwendet.
Wenn der Leiter 560a eine Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Sauerstoff aufweist, können die Auswahlmöglichkeiten der Materialien des Leiters 560b verbessert werden. Das heißt, dass das Vorhandensein des Leiters 560a die Oxidation des Leiters 560b verhindern und somit eine Verringerung der Leitfähigkeit verhindern kann.
Außerdem ist vorzugsweise der Isolator 574 derart bereitgestellt, dass er die Oberseite und die Seitenfläche des Leiters 560, die Seitenfläche des Isolators 550 und die Seitenfläche des Oxids 530c bedeckt. Es sei angemerkt, dass vorzugsweise ein isolierendes Material mit einer Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Verunreinigungen, wie z. B. Wasser oder Wasserstoff, und Sauerstoff für den Isolator 574 verwendet wird. Zum Beispiel wird vorzugsweise Aluminiumoxid oder Hafniumoxid verwendet. Ferner kann beispielsweise ein Metalloxid, wie z. B. Magnesiumoxid, Galliumoxid, Germaniumoxid, Yttriumoxid, Zirconiumoxid, Lanthanoxid, Neodymoxid oder Tantaloxid, Siliziumnitridoxid oder Siliziumnitrid verwendet werden.
Indem der Isolator 574 bereitgestellt wird, kann die Oxidation des Leiters 560 verhindert werden. Des Weiteren kann dank des Isolators 574 eine Diffusion von Verunreinigungen, wie z. B. Wasser und Wasserstoff, die in dem Isolator 580 enthalten sind, in den Transistor 510B verhindert werden.
Des Weiteren kann ein Isolator 576 (ein Isolator 576a und ein Isolator 576b) mit einer Sperreigenschaft zwischen dem Leiter 546 und dem Isolator 580 angeordnet sein. Indem der Isolator 576 bereitgestellt wird, kann verhindert werden, dass Sauerstoff in dem Isolator 580 mit dem Leiter 546 reagiert und der Leiter 546 oxidiert wird.
Außerdem können durch den Isolator 576 mit einer Sperreigenschaft die Auswahlmöglichkeiten der Materialien des Leiters, der für einen Anschlusspfropfen oder eine Leitung verwendet wird, erweitert werden. Wenn beispielsweise ein Metallmaterial mit einer Eigenschaft zum Absorbieren von Sauerstoff und hoher Leitfähigkeit für den Leiter 546 verwendet wird, kann eine Halbleitervorrichtung mit geringem Stromverbrauch bereitgestellt werden. Insbesondere kann ein Material mit niedriger Oxidationsbeständigkeit und hoher Leitfähigkeit, wie z. B. Wolfram oder Aluminium, verwendet werden. Des Weiteren kann beispielsweise ein Leiter, der leicht abgeschieden oder verarbeitet wird, verwendet werden.
<Strukturbeispiel 3 eines Transistors>
Ein Strukturbeispiel eines Transistors 510C wird anhand von 12A, 12B und 12C beschrieben. 12A ist eine Draufsicht auf den Transistor 510C. 12B ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts entlang der Strichpunktlinie L1-L2 in 12A. 12C ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts entlang der Strichpunktlinie W1-W2 in 12A. Es sei angemerkt, dass der Einfachheit der Zeichnung halber einige Bestandteile in der Draufsicht in 12A weggelassen werden.
Der Transistor 510C ist ein Modifikationsbeispiel des Transistors 510A. Deshalb werden hauptsächlich Unterschiede zu dem Transistor 510A beschrieben, um eine wiederholte Beschreibung zu vermeiden.
Bei dem in 12A, 12B und 12C dargestellten Transistor 510C ist ein Leiter 547a zwischen dem Leiter 542a und dem Oxid 530b angeordnet und ist ein Leiter 547b zwischen dem Leiter 542b und dem Oxid 530b angeordnet. Hier erstreckt sich der Leiter 542a (der Leiter 542b) über die Oberseite und die auf der Seite des Leiters 560 liegende Seitenfläche des Leiters 547a (des Leiters 547b) und umfasst einen Bereich in Kontakt mit der Oberseite des Oxids 530b. Als Leiter 547 kann ein Leiter, der als Leiter 542 verwendet werden kann, verwendet werden. Ferner ist vorzugsweise die Dicke des Leiters 547 mindestens größer als diejenige des Leiters 542.
Bei dem in 12A, 12B und 12C dargestellten Transistor 510C, der die vorstehende Struktur aufweist, kann der Leiter 542 näher dem Leiter 560 sein als bei dem Transistor 510A. Alternativ können sich ein Endabschnitt des Leiters 542a und ein Endabschnitt des Leiters 542b mit dem Leiter 560 überlappen. Folglich kann die wesentliche Kanallänge des Transistors 510C verringert werden, was zur Erhöhung des Durchlassstroms und der Frequenzeigenschaften führt.
Außerdem ist der Leiter 547a (der Leiter 547b) vorzugweise derart bereitgestellt, dass er sich mit dem Leiter 542a (dem Leiter 542b) überlappt. Mit einer derartigen Struktur dient beim Ätzen zum Ausbilden einer Öffnung, in die der Leiter 546a (der Leiter 546b) eingebettet wird, der Leiter 547a (der Leiter 547b) als Stopper, so dass die Überätzung des Oxids 530b verhindert werden kann.
Außerdem kann der in 12A, 12B und 12C dargestellte Transistor 510C eine Struktur aufweisen, bei der ein Isolator 545 über und in Kontakt mit dem Isolator 544 angeordnet wird. Der Isolator 544 dient vorzugsweise als isolierender Sperrfilm, der verhindert, dass Verunreinigungen, wie z. B. Wasser oder Wasserstoff, und überschüssiger Sauerstoff von der Seite des Isolators 580 aus in den Transistor 510C eindringen. Als Isolator 545 kann ein Isolator, der als Isolator 544 verwendet werden kann, verwendet werden. Außerdem kann als Isolator 544 beispielsweise ein Nitridisolator, wie z. B. Aluminiumnitrid, Aluminiumtitannitrid, Titannitrid, Siliziumnitrid oder Siliziumnitridoxid, verwendet werden.
Bei dem in 12A, 12B und 12C dargestellten Transistor 510C kann ferner der Leiter 505, im Unterschied zu dem in 10A, 10B und 10C dargestellten Transistor 510A, eine einschichtige Struktur aufweisen. In diesem Fall kann ein Isolierfilm, der zu dem Isolator 516 wird, über dem strukturierten Leiter 505 ausgebildet werden, und ein Oberabschnitt dieses Isolierfilms kann durch ein CMP-Verfahren oder dergleichen entfernt werden, bis die Oberseite des Leiters 505 freigelegt wird. Hier wird vorzugsweise die Planarität der Oberseite des Leiters 505 verbessert. Beispielsweise kann die mittlere Oberflächenrauheit (Ra) der Oberseite des Leiters 505 kleiner als oder gleich 1 nm, bevorzugt kleiner als oder gleich 0,5 nm, bevorzugter kleiner als oder gleich 0,3 nm sein. Folglich kann die Planarität der Isolierschicht, die über dem Leiter 505 ausgebildet wird, verbessert werden, was zur Verbesserung der Kristallinität des Oxids 530b und des Oxids 530c führt.
<Strukturbeispiel 4 eines Transistors>
Ein Strukturbeispiel eines Transistors 510D wird anhand von 13A, 13B und 13C beschrieben. 13A ist eine Draufsicht auf den Transistor 510D. 13B ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts entlang der Strichpunktlinie L1-L2 in 13A. 13C ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts entlang der Strichpunktlinie W1-W2 in 13A. Es sei angemerkt, dass der Einfachheit der Zeichnung halber einige Bestandteile in der Draufsicht in 13A weggelassen werden.
Der Transistor 510D ist ein Modifikationsbeispiel des vorstehenden Transistors. Deshalb werden hauptsächlich Unterschiede zu dem vorstehenden Transistor beschrieben, um eine wiederholte Beschreibung zu vermeiden.
In 13A, 13B und 13C ist der Leiter 503 nicht bereitgestellt und dient der Leiter 505, der als zweites Gate dient, auch als Leitung. Ferner ist der Isolator 550 über dem Oxid 530c bereitgestellt, und ein Metalloxid 552 ist über dem Isolator 550 bereitgestellt. Ferner ist der Leiter 560 über dem Metalloxid 552 bereitgestellt, und ein Isolator 570 ist über dem Leiter 560 bereitgestellt. Ferner ist ein Isolator 571 über dem Isolator 570 bereitgestellt.
Das Metalloxid 552 weist vorzugsweise eine Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Sauerstoff auf. Indem das Metalloxid 552, das eine Diffusion von Sauerstoff verhindert, zwischen dem Isolator 550 und dem Leiter 560 bereitgestellt ist, wird eine Diffusion von Sauerstoff in den Leiter 560 verhindert. Das heißt, dass eine Verringerung der Menge an Sauerstoff, der dem Oxid 530 zugeführt wird, verhindert werden kann. Außerdem kann eine Oxidation des Leiters 560 aufgrund von Sauerstoff verhindert werden.
Es sei angemerkt, dass das Metalloxid 552 auch als ein Teil des ersten Gates dienen kann. Beispielsweise kann ein Oxidhalbleiter, der als Oxid 530 verwendet werden kann, als Metalloxid 552 verwendet werden. In diesem Fall wird der Leiter 560 durch ein Sputterverfahren abgeschieden, wodurch das Metalloxid 552 einen verringerten Wert des elektrischen Widerstandes aufweisen und zu einer leitenden Schicht werden kann. Ein derartiger Leiter kann als Oxidleiter- (oxide conductor, OC-) Elektrode bezeichnet werden.
Ferner dient das Metalloxid 552 in einigen Fällen als ein Teil des Gate-Isolierfilms. Wenn Siliziumoxid, Siliziumoxynitrid oder dergleichen für den Isolator 550 verwendet wird, wird daher vorzugsweise ein Metalloxid, das ein Material mit hohem k und mit hoher relativer Permittivität ist, als Metalloxid 552 verwendet. Eine derartige mehrschichtige Struktur kann thermisch stabil sein und eine hohe relative Permittivität aufweisen. Demzufolge kann das Gate-Potential, das beim Betrieb des Transistors angelegt wird, verringert werden, während die physikalische Dicke aufrechterhalten wird. Außerdem kann die äquivalente Oxiddicke (equivalent oxide thickness, EOT) der Isolierschicht, die als Gate-Isolierfilm dient, verringert werden.
Obwohl bei dem Transistor 510D das Metalloxid 552 als Einzelschicht dargestellt ist, kann auch eine mehrschichtige Struktur aus zwei oder mehr Schichten zum Einsatz kommen. Beispielsweise können ein Metalloxid, das als ein Teil der Gate-Elektrode dient, und ein Metalloxid, das als ein Teil des Gate-Isolierfilms dient, übereinander angeordnet sein.
Das Vorhandensein des Metalloxids 552 kann in dem Fall, in dem es als Gate-Elektrode dient, ohne Abschwächung des Einflusses des elektrischen Feldes von dem Leiter 560 den Durchlassstrom des Transistors 510D erhöhen. Wenn alternativ das Metalloxid 552 als Gate-Isolierfilm dient, kann der Leckstrom zwischen dem Leiter 560 und dem Oxid 530 verringert werden, indem durch die physikalische Dicke des Isolators 550 und des Metalloxids 552 der Abstand zwischen dem Leiter 560 und dem Oxid 530 gehalten wird. Deshalb können dann, wenn die mehrschichtige Struktur aus dem Isolator 550 und dem Metalloxid 552 bereitgestellt ist, der physikalische Abstand zwischen dem Leiter 560 und dem Oxid 530 sowie die Intensität des elektrischen Feldes, das von dem Leiter 560 an das Oxid 530 angelegt wird, leicht in geeigneter Weise angepasst werden.
Wenn insbesondere der Widerstand eines Oxidhalbleiters, der als Oxid 530 verwendet werden kann, verringert wird, kann der Oxidhalbleiter als Metalloxid 552 verwendet werden. Beispielsweise kann ein Metalloxid, das eine oder mehrere Arten enthält, die aus Hafnium, Aluminium, Gallium, Yttrium, Zirconium, Wolfram, Titan, Tantal, Nickel, Germanium, Magnesium und dergleichen ausgewählt werden, verwendet werden.
Insbesondere wird vorzugsweise eine Isolierschicht, die ein Oxid von Aluminium und/oder ein Oxid von Hafnium enthält, wie z. B. Aluminiumoxid, Hafniumoxid oder ein Oxid, das Aluminium und Hafnium enthält (Hafniumaluminat), verwendet. Insbesondere weist Hafniumaluminat eine höhere Wärmebeständigkeit auf als ein Hafniumoxidfilm. Deshalb wird Hafniumaluminat bevorzugt, da es mit geringerer Wahrscheinlichkeit durch eine Wärmebehandlung in einem späteren Schritt kristallisiert. Es sei angemerkt, dass das Metalloxid 552 keine notwendige Komponente ist. Der Entwurf kann je nach den erforderlichen Transistoreigenschaften angemessen ausgeführt werden.
Für den Isolator 570 wird vorzugsweise ein isolierendes Material verwendet, das eine Funktion zum Verhindern des Durchgangs von Verunreinigungen, wie z. B. Wasser oder Wasserstoff, und Sauerstoff aufweist. Zum Beispiel wird vorzugsweise Aluminiumoxid oder Hafniumoxid verwendet. Dadurch kann eine Oxidation des Leiters 560 aufgrund von Sauerstoff von einer Komponente oberhalb des Isolators 570 verhindert werden. Außerdem kann verhindert werden, dass Verunreinigungen, wie z. B. Wasser oder Wasserstoff, von einer Komponente, die sich oberhalb des Isolators 570 befindet, durch den Leiter 560 und den Isolator 550 in das Oxid 530 eindringen.
Der Isolator 571 dient als Hartmaske. Durch Bereitstellen des Isolators 571 kann bei der Verarbeitung des Leiters 560 die Seitenfläche des Leiters 560 im Wesentlichen senkrecht sein. Insbesondere kann der Winkel, der von der Seitenfläche des Leiters 560 und einer Oberfläche des Substrats gebildet wird, größer als oder gleich 75° und kleiner als oder gleich 100°, bevorzugt größer als oder gleich 80° und kleiner als oder gleich 95° sein.
Es sei angemerkt, dass ein isolierendes Material, das eine Funktion zum Verhindern des Durchgangs von Verunreinigungen, wie z. B. Wasser oder Wasserstoff, und Sauerstoff aufweist, für den Isolator 571 verwendet werden kann, damit er auch als Sperrschicht dienen kann. In diesem Fall wird der Isolator 570 nicht notwendigerweise bereitgestellt.
Indem unter Verwendung des Isolators 571 als Hartmaske Teile des Isolators 570, des Leiters 560, des Metalloxids 552, des Isolators 550 und des Oxids 530c selektiv entfernt werden, können die Seitenflächen dieser im Wesentlichen aufeinander ausgerichtet sein und kann eine Oberfläche des Oxids 530b teilweise freigelegt werden.
Außerdem umfasst der Transistor 510D einen Bereich 531a und einen Bereich 531 b in einem Teil der freiliegenden Oberfläche des Oxids 530b. Einer des Bereichs 531a und des Bereichs 531b dient als Source-Bereich, und der andere dient als Drain-Bereich.
Der Bereich 531a und der Bereich 531b können ausgebildet werden, indem beispielsweise durch ein Ionenimplantationsverfahren, ein Ionendotierungsverfahren, ein Plasma-Immersions-Ionenimplantationsverfahren oder eine Plasmabehandlung ein Verunreinigungselement, wie z. B. Phosphor oder Bor, von der freiliegenden Oberfläche des Oxids 530b eingeführt wird. Es sei angemerkt, dass bei dieser Ausführungsform oder dergleichen ein „Verunreinigungselement“ ein Element, das sich von den Hauptbestandelementen unterscheidet, bezeichnet.
Ferner können der Bereich 531a und der Bereich 531b ausgebildet werden, indem ein Metallfilm ausgebildet wird, nachdem die Oberfläche des Oxids 530b teilweise freigelegt worden ist, und danach eine Wärmebehandlung durchgeführt wird, um ein Element, das in dem Metallfilm enthalten ist, in das Oxid 530b zu diffundieren.
Der spezifische elektrische Widerstand eines Bereichs des Oxids 530b, in den ein Verunreinigungselement eingeführt worden ist, wird verringert. Deshalb werden in einigen Fällen der Bereich 531a und der Bereich 531b als „Verunreinigungsbereich“ oder „niederohmiger Bereich“ bezeichnet.
Wenn der Isolator 571 und/oder der Leiter 560 als Maske verwendet werden/wird, können der Bereich 531a und der Bereich 531b in selbstjustierender Weise (Selbstausrichtung) ausgebildet werden. Somit überlappt sich der Leiter 560 nicht mit dem Bereich 531a und/oder dem Bereich 531b und kann die parasitäre Kapazität verringert werden. Außerdem wird kein Offset-Bereich zwischen dem Kanalbildungsbereich und dem Source-/Drain-Bereich (dem Bereich 531a oder dem Bereich 531b) ausgebildet. Indem der Bereich 531a und der Bereich 531b in selbstjustierender Weise (Selbstausrichtung) ausgebildet werden, können die Erhöhung des Durchlassstroms, die Verringerung der Schwellenspannung, die Verbesserung der Betriebsfrequenz und dergleichen erzielt werden.
Es sei angemerkt, dass ein Offset-Bereich zwischen dem Kanalbildungsbereich und dem Source-/Drain-Bereich bereitgestellt sein kann, um den Sperrstrom weiter zu verringern. Bei dem Offset-Bereich handelt es sich um einen Bereich, der einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist und in dem die vorstehend beschriebene Einführung eines Verunreinigungselements nicht durchgeführt wird. Der Offset-Bereich kann ausgebildet werden, indem nach der Ausbildung des Isolators 575 die vorstehend beschriebene Einführung eines Verunreinigungselements durchgeführt wird. In diesem Fall dient wie der Isolator 571 oder dergleichen auch der Isolator 575 als Maske. Somit wird kein Verunreinigungselement in den Bereich des Oxids 530b eingeführt, der sich mit dem Isolator 575 überlappt, so dass ein hoher spezifischer elektrischer Widerstand dieses Bereichs aufrechterhalten werden kann.
Des Weiteren beinhaltet der Transistor 510D an den Seitenflächen des Isolators 570, des Leiters 560, des Metalloxids 552, des Isolators 550 und des Oxids 530c den Isolator 575. Bei dem Isolator 575 handelt es sich vorzugsweise um einen Isolator mit niedriger relativer Permittivität. Beispielsweise wird Siliziumoxid, Siliziumoxynitrid, Siliziumnitridoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxid, dem Fluor zugesetzt worden ist, Siliziumoxid, dem Kohlenstoff zugesetzt worden ist, Siliziumoxid, dem Kohlenstoff und Stickstoff zugesetzt worden sind, poröses Siliziumoxid oder ein Harz bevorzugt. Insbesondere wird vorzugsweise Siliziumoxid, Siliziumoxynitrid, Siliziumnitridoxid oder poröses Siliziumoxid für den Isolator 575 verwendet, da in einem späteren Schritt ein Bereich mit überschüssigem Sauerstoff leicht in dem Isolator 575 ausgebildet werden kann. Außerdem werden Siliziumoxid und Siliziumoxynitrid, welche thermisch stabil sind, bevorzugt. Des Weiteren weist der Isolator 575 vorzugsweise eine Funktion zum Diffundieren von Sauerstoff auf.
Des Weiteren beinhaltet der Transistor 510D den Isolator 574 über dem Isolator 575 und dem Oxid 530. Der Isolator 574 wird vorzugsweise durch ein Sputterverfahren abgeschieden. Durch ein Sputterverfahren kann ein Isolator mit weniger Verunreinigungen, wie z. B. Wasser oder Wasserstoff, abgeschieden werden. Zum Beispiel wird vorzugsweise Aluminiumoxid für den Isolator 574 verwendet.
Es sei angemerkt, dass ein Oxidfilm, der durch ein Sputterverfahren ausgebildet wird, in einigen Fällen aus einem Strukturteil, über dem der Oxidfilm abgeschieden wird, Wasserstoff extrahiert. Daher absorbiert der Isolator 574 Wasserstoff und Wasser aus dem Oxid 530 und dem Isolator 575, wodurch die Wasserstoffkonzentration in dem Oxid 530 und dem Isolator 575 verringert werden kann.
<Strukturbeispiel 5 eines Transistors>
Ein Strukturbeispiel eines Transistors 510E wird anhand von 14A, 14B und 14C beschrieben. 14A ist eine Draufsicht auf den Transistor 510E. 14B ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts entlang der Strichpunktlinie L1-L2 in 14A. 14C ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts entlang der Strichpunktlinie W1-W2 in 14A. Es sei angemerkt, dass der Einfachheit der Zeichnung halber einige Bestandteile in der Draufsicht in 14A weggelassen werden.
Der Transistor 510E ist ein Modifikationsbeispiel des vorstehenden Transistors. Deshalb werden hauptsächlich Unterschiede zu dem vorstehenden Transistor beschrieben, um eine wiederholte Beschreibung zu vermeiden.
In 14A, 14B und 14C ist der Leiter 542 nicht bereitgestellt und sind in einem Teil der freiliegenden Oberfläche des Oxids 530b der Bereich 531a und der Bereich 531b bereitgestellt. Einer des Bereichs 531a und des Bereichs 531b dient als Source-Bereich, und der andere dient als Drain-Bereich. Ferner ist ein Isolator 573 zwischen dem Oxid 530b und dem Isolator 574 bereitgestellt.
Bei dem in 14B dargestellten Bereich 531 (dem Bereich 531a und dem Bereich 531b) handelt es sich um einen Bereich, in dem dem Oxid 530b das nachstehende Element zugesetzt worden ist. Der Bereich 531 kann beispielsweise unter Verwendung eines Dummy-Gates ausgebildet werden.
Insbesondere ist vorzuziehen, dass ein Dummy-Gate über dem Oxid 530b bereitgestellt wird und ein Element, das den Widerstand des Oxids 530b verringern kann, unter Verwendung dieses Dummy-Gates als Maske zugesetzt wird. Das heißt, dass der Bereich 531 ausgebildet wird, indem dieses Element einem Bereich zugesetzt wird, in dem sich das Oxid 530 mit dem Dummy-Gate nicht überlappt. Es sei angemerkt, dass als Zusatzverfahren dieses Elements ein Ionenimplantationsverfahren, durch das ein ionisiertes Quellengas zugesetzt wird, wobei dabei es einer Massentrennung unterzogen wird, ein Ionendotierungsverfahren, durch das ein ionisiertes Quellengas ohne Massentrennung zugesetzt wird, ein Plasma-Immersions-Ionenimplantationsverfahren oder dergleichen verwendet werden kann.
Typische Beispiele für das Element, das den Widerstand des Oxids 530 verringern kann, umfassen Bor und Phosphor. Ferner kann Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Fluor, Schwefel, Chlor, Titan, ein Edelgas oder dergleichen verwendet werden. Typische Beispiele für das Edelgas umfassen Helium, Neon, Argon, Krypton und Xenon. Die Konzentration dieses Elements kann durch SIMS oder dergleichen gemessen werden.
Bor und Phosphor werden besonders bevorzugt, da eine Vorrichtung in einer Fertigungslinie für Niedertemperatur-Polysilizium-Transistoren verwendet werden kann.
Da die bestehenden Einrichtungen verwendet werden können, können die Investitionen verringert werden.
Anschließend können ein Isolierfilm, der zu dem Isolator 573 wird, und ein Isolierfilm, der zu dem Isolator 574 wird, über dem Oxid 530b und dem Dummy-Gate ausgebildet werden. Der Isolierfilm, der zu dem Isolator 573 wird, und der Isolierfilm, der zu dem Isolator 574 wird, werden übereinander angeordnet, wodurch ein Bereich, in dem sich der Bereich 531, das Oxid 530c und der Isolator 550 miteinander überlappen, bereitgestellt werden kann.
Insbesondere wird, nachdem ein Isolierfilm, der zu dem Isolator 580 wird, über dem Isolierfilm, der zu dem Isolator 574 wird, bereitgestellt worden ist, eine CMP-Behandlung an dem Isolierfilm, der zu dem Isolator 580 wird, durchgeführt, wodurch ein Teil des Isolierfilms, der zu dem Isolator 580 wird, entfernt wird und das Dummy-Gate freigelegt wird. Anschließend wird vorzugsweise bei der Entfernung des Dummy-Gates auch ein Teil des Isolators 573 entfernt, der in Kontakt mit dem Dummy-Gate ist. Demzufolge liegen der Isolator 574 und der Isolator 573 an der Seitenfläche der Öffnung des Isolators 580 frei, und an der Bodenfläche der Öffnung liegt ein Teil des Bereichs 531 frei, der in dem Oxid 530b bereitgestellt ist. Als Nächstes werden, nachdem ein Oxidfilm, der zu dem Oxid 530c wird, ein Isolierfilm, der zu dem Isolator 550 wird, und ein leitender Film, der zu dem Leiter 560 wird, der Reihe nach in der Öffnung ausgebildet worden sind, Teile des Oxidfilms, der zu dem Oxid 530c wird, des Isolierfilms, der zu dem Isolator 550 wird, und des leitenden Films, der zu dem Leiter 560 wird, durch eine CMP-Behandlung oder dergleichen entfernt, bis der Isolator 580 freigelegt wird. Auf diese Weise kann der in 14A, 14B und 14C dargestellte Transistor ausgebildet werden.
Es sei angemerkt, dass der Isolator 573 und der Isolator 574 keine notwendigen Komponenten sind. Der Entwurf kann je nach den erforderlichen Transistoreigenschaften angemessen ausgeführt werden.
Für den in 14A, 14B und 14C dargestellten Transistor kann die bestehende Vorrichtung verwendet werden und ist der Leiter 542 nicht bereitgestellt, so dass die Kosten verringert werden können.
<Strukturbeispiel 6 eines Transistors>
Ein Strukturbeispiel eines Transistors 510F wird anhand von 15A, 15B und 15C beschrieben. 15A ist eine Draufsicht auf den Transistor 510F. 15B ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts entlang der Strichpunktlinie L1-L2 in 15A. 15C ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts entlang der Strichpunktlinie W1-W2 in 15A. Es sei angemerkt, dass der Einfachheit der Zeichnung halber einige Bestandteile in der Draufsicht in 15A weggelassen werden.
Der Transistor 510F ist ein Modifikationsbeispiel des Transistors 510A. Deshalb werden hauptsächlich Unterschiede zu dem vorstehenden Transistor beschrieben, um eine wiederholte Beschreibung zu vermeiden.
Bei dem Transistor 510A ist ein Teil des Isolators 574 in der Öffnung des Isolators 580 derart bereitgestellt, dass er die Seitenfläche des Leiters 560 bedeckt. Bei dem Transistor 510F ist im Gegensatz dazu eine Öffnung ausgebildet, indem Teile des Isolators 580 und des Isolators 574 entfernt werden.
Des Weiteren kann ein Isolator 576 (ein Isolator 576a und ein Isolator 576b) mit einer Sperreigenschaft zwischen dem Leiter 546 und dem Isolator 580 angeordnet sein. Indem der Isolator 576 bereitgestellt wird, kann verhindert werden, dass Sauerstoff in dem Isolator 580 mit dem Leiter 546 reagiert und der Leiter 546 oxidiert wird.
Es sei angemerkt, dass dann, wenn ein Oxidhalbleiter als Oxid 530 verwendet wird, der Oxidhalbleiter vorzugsweise eine mehrschichtige Struktur aus mehreren Oxidschichten aufweist, die sich durch das Atomverhältnis von Metallatomen voneinander unterscheiden. Insbesondere ist das Atomverhältnis des Elements M zu Bestandelementen in dem Metalloxid, das als Oxid 530a verwendet wird, vorzugsweise größer als das Atomverhältnis des Elements M zu Bestandelementen in dem Metalloxid, das als Oxid 530b verwendet wird. Das Atomverhältnis des Elements M zu In in dem Metalloxid, das als Oxid 530a verwendet wird, ist vorzugsweise größer als das Atomverhältnis des Elements M zu In in dem Metalloxid, das als Oxid 530b verwendet wird. Das Atomverhältnis von In zu dem Element M in dem Metalloxid, das als Oxid 530b verwendet wird, ist vorzugsweise größer als das Atomverhältnis von In zu dem Element M in dem Metalloxid, das als Oxid 530a verwendet wird. Als Oxid 530c kann ein Metalloxid, das als Oxid 530a oder Oxid 530b verwendet werden kann, verwendet werden.
Das Oxid 530a, das Oxid 530b und das Oxid 530c weisen vorzugsweise Kristallinität auf, und insbesondere wird vorzugsweise ein CAAC-OS verwendet. Ein Oxid mit Kristallinität, wie z. B. ein CAAC-OS, weist eine dichte Struktur mit nur geringen Verunreinigungen und Defekten (z. B. Sauerstofffehlstellen) und hoher Kristallinität auf. Daher kann eine Extraktion von Sauerstoff aus dem Oxid 530b durch die Source-Elektrode oder die Drain-Elektrode verhindert werden. Selbst bei einer Wärmebehandlung kann daher die Extraktion von Sauerstoff aus dem Oxid 530b verringert werden; der Transistor 510F ist deshalb gegen eine hohe Temperatur im Herstellungsprozess (sogenannte Wärmebilanz) stabil.
Es sei angemerkt, dass das Oxid 530a und/oder das Oxid 530c weggelassen werden können/kann. Das Oxid 530 kann eine Einzelschicht aus dem Oxid 530b sein. Wenn es sich bei dem Oxid 530 um eine Schichtanordnung aus dem Oxid 530a, dem Oxid 530b und dem Oxid 530c handelt, ist die Energie der Leitungsbandminima des Oxids 530a und des Oxids 530c vorzugsweise höher als die Energie des Leitungsbandminimums des Oxids 530b. Mit anderen Worten: Die Elektronenaffinität des Oxids 530a und diejenige des Oxids 530c sind vorzugsweise kleiner als die Elektronenaffinität des Oxids 530b. In diesem Fall wird vorzugsweise ein Metalloxid, das als Oxid 530a verwendet werden kann, als Oxid 530c verwendet. Insbesondere ist das Atomverhältnis des Elements M zu Bestandelementen in dem Metalloxid, das als Oxid 530c verwendet wird, vorzugsweise größer als das Atomverhältnis des Elements M zu Bestandelementen in dem Metalloxid, das als Oxid 530b verwendet wird. Das Atomverhältnis des Elements M zu In in dem Metalloxid, das als Oxid 530c verwendet wird, ist vorzugsweise größer als das Atomverhältnis des Elements M zu In in dem Metalloxid, das als Oxid 530b verwendet wird. Das Atomverhältnis von In zu dem Element M in dem Metalloxid, das als Oxid 530b verwendet wird, ist vorzugsweise größer als das Atomverhältnis von In zu dem Element M in dem Metalloxid, das als Oxid 530c verwendet wird.
Hier verändern sich die Energieniveaus der Leitungsbandminima in Verbindungsabschnitten des Oxids 530a, des Oxids 530b und des Oxids 530c graduell. Mit anderen Worten: Die Energieniveaus der Leitungsbandminima in den Verbindungsabschnitten des Oxids 530a, des Oxids 530b und des Oxids 530c verändern sich stetig oder sind stetig zusammenhängend. Um die Energieniveaus graduell zu verändern, wird vorzugsweise die Dichte der Defektzustände in Mischschichten verringert, die an der Grenzfläche zwischen dem Oxid 530a und dem Oxid 530b sowie an der Grenzfläche zwischen dem Oxid 530b und dem Oxid 530c ausgebildet sind.
Insbesondere kann dann, wenn das Oxid 530a und das Oxid 530b sowie das Oxid 530b und das Oxid 530c zusätzlich zu Sauerstoff ein gemeinsames Element (als Hauptkomponente) enthalten, eine Mischschicht mit niedriger Dichte der Defektzustände ausgebildet werden. Wenn es sich beispielsweise bei dem Oxid 530b um ein In-Ga-Zn-Oxid handelt, wird vorzugsweise ein In-Ga-Zn-Oxid, ein Ga-Zn-Oxid, Galliumoxid oder dergleichen als Oxid 530a und Oxid 530c verwendet. Das Oxid 530c kann eine mehrschichtige Struktur aufweisen. Beispielsweise kann eine mehrschichtige Struktur aus einem In-Ga-Zn-Oxid und einem Ga-Zn-Oxid über diesem In-Ga-Zn-Oxid oder eine mehrschichtige Struktur aus einem In-Ga-Zn-Oxid und Galliumoxid über diesem In-Ga-Zn-Oxid zum Einsatz kommen. Mit anderen Worten: Eine mehrschichtige Struktur aus einem In-Ga-Zn-Oxid und einem Oxid, das kein In enthält, kann als Oxid 530c verwendet werden.
Insbesondere kann als Oxid 530a ein Metalloxid mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:3:4 oder In:Ga:Zn = 1:1:0,5 verwendet werden. Als Oxid 530b kann ein Metalloxid mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 4:2:3 oder In:Ga:Zn = 3:1:2 verwendet werden. Als Oxid 530c kann ein Metalloxid mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:3:4, In:Ga:Zn = 4:2:3, Ga:Zn = 2:1 oder Ga:Zn = 2:5 verwendet werden. Spezifische Beispiele für eine mehrschichtige Struktur des Oxids 530c umfassen eine mehrschichtige Struktur aus einem Metalloxid mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 4:2:3 und einem Metalloxid mit einem Atomverhältnis von Ga:Zn = 2:1, eine mehrschichtige Struktur aus einem Metalloxid mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 4:2:3 und einem Metalloxid mit einem Atomverhältnis von Ga:Zn = 2:5 und eine mehrschichtige Struktur aus einem Metalloxid mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 4:2:3 und Galliumoxid.
Dabei dient das Oxid 530b als Hauptladungsträgerweg. Wenn das Oxid 530a und das Oxid 530c die vorstehend beschriebene Struktur aufweisen, kann die Dichte der Defektzustände an der Grenzfläche zwischen dem Oxid 530a und dem Oxid 530b sowie an der Grenzfläche zwischen dem Oxid 530b und dem Oxid 530c verringert werden. Somit ist der Einfluss der Grenzflächenstreuung auf die Ladungsträgerübertragung gering, der Transistor 510F kann einen hohen Durchlassstrom aufweisen, und es können hohe Frequenzeigenschaften erhalten werden. Es sei angemerkt, dass dann, wenn das Oxid 530c eine mehrschichtige Struktur aufweist, wie vorstehend beschrieben, die Dichte der Defektzustände an der Grenzfläche zwischen dem Oxid 530b und dem Oxid 530c verringert werden kann; außerdem wird erwartet, dass eine Diffusion der Bestandelemente des Oxids 530c in Richtung des Isolators 550 verhindert wird. Insbesondere kann eine mögliche Diffusion von In in Richtung des Isolators 550 verhindert werden, da das Oxid 530c eine mehrschichtige Struktur aufweist und ein Oxid, das kein In enthält, über der mehrschichtigen Struktur angeordnet ist. Wenn In in den Isolator 550, der als Gate-Isolator dient, diffundiert, werden die Eigenschaften des Transistors verschlechtert. Daher kann, indem das Oxid 530c eine mehrschichtige Struktur aufweist, eine zuverlässige Halbleitervorrichtung bereitgestellt werden.
Das Oxid 530 wird vorzugsweise unter Verwendung eines Metalloxids ausgebildet, das als Oxidhalbleiter dient. Beispielsweise wird als Metalloxid, das zu dem Kanalbildungsbereich des Oxids 530 wird, vorzugsweise ein Metalloxid mit einer Bandlücke von mehr als oder gleich 2 eV, bevorzugt mehr als oder gleich 2,5 eV verwendet. Die Verwendung eines derartigen Metalloxids mit einer großen Bandlücke kann den Sperrstrom des Transistors verringern. Mit einem derartigen Transistor kann eine Halbleitervorrichtung mit geringem Stromverbrauch bereitgestellt werden.
<Strukturbeispiel 7 eines Transistors>
Ein Strukturbeispiel eines Transistors 510G wird anhand von 16A und 16B beschrieben. Der Transistor 510G ist ein Modifikationsbeispiel des Transistors 500. Deshalb werden hauptsächlich Unterschiede zu dem vorstehenden Transistor beschrieben, um eine wiederholte Beschreibung zu vermeiden. Es sei angemerkt, dass die in 16A und 16B dargestellte Struktur auch auf einen anderen Transistor, der in der Halbleitervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist, wie z. B. den Transistor 300, angewendet werden kann.
16A ist eine Querschnittsansicht des Transistors 510G in der Kanallängsrichtung, und 16B ist eine Querschnittsansicht des Transistors 510G in der Kanalbreitenrichtung. Der Transistor 510G in 16A und 16B unterscheidet sich von dem Transistor 500 in 9A und 9B dadurch, dass ein Isolator 402 und ein Isolator 404 bereitgestellt sind. Des Weiteren unterscheidet sich der Transistor 510G von dem Transistor 500 in 9A und 9B dadurch, dass ein Isolator 551 in Kontakt mit einer Seitenfläche des Leiters 540a bereitgestellt ist und der Isolator 551 in Kontakt mit einer Seitenfläche des Leiters 540b bereitgestellt ist. Darüber hinaus unterscheidet sich der Transistor 510G von dem Transistor 500 in 9A und 9B dadurch, dass der Isolator 520 nicht bereitgestellt ist.
Bei dem Transistor 510G in 16A und 16B ist der Isolator 402 über dem Isolator 512 bereitgestellt. Der Isolator 404 ist über dem Isolator 574 und dem Isolator 402 bereitgestellt.
Bei dem Transistor 510G in 16A und 16B sind der Isolator 514, der Isolator 516, der Isolator 522, der Isolator 524, der Isolator 544, der Isolator 580 und der Isolator 574 strukturiert und mit dem Isolator 404 bedeckt. Das heißt, dass der Isolator 404 in Kontakt mit einer Oberseite des Isolators 574, einer Seitenfläche des Isolators 574, einer Seitenfläche des Isolators 580, einer Seitenfläche des Isolators 544, einer Seitenfläche des Isolators 524, einer Seitenfläche des Isolators 522, einer Seitenfläche des Isolators 516, einer Seitenfläche des Isolators 514 und einer Oberseite des Isolators 402 ist. Daher sind das Oxid 530 und dergleichen durch den Isolator 404 und den Isolator 402 von außen isoliert.
Der Isolator 402 und der Isolator 404 weisen jeweils vorzugsweise eine hohe Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Wasserstoff (z. B. Wasserstoffatomen und/oder Wasserstoffmolekülen) oder Wassermolekülen auf. Zum Beispiel wird vorzugsweise Siliziumnitrid oder Siliziumnitridoxid, welche Materialien mit einer hohen Wasserstoffsperreigenschaft sind, für den Isolator 402 und den Isolator 404 verwendet. Somit kann verhindert werden, dass Wasserstoff oder dergleichen in das Oxid 530 diffundiert, und daher kann eine Verschlechterung der Eigenschaften des Transistors 510G verhindert werden. Folglich kann die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung, die einen OS-Transistor beinhaltet, erhöht werden.
Der Isolator 551 ist in Kontakt mit dem Isolator 581, dem Isolator 404, dem Isolator 574, dem Isolator 580 und dem Isolator 544 bereitgestellt. Der Isolator 551 weist vorzugsweise eine Funktion zum Verhindern einer Diffusion von Wasserstoff oder Wassermolekülen auf. Zum Beispiel wird vorzugsweise ein Isolator, wie z. B. Siliziumnitrid, Aluminiumoxid oder Siliziumnitridoxid, welche Materialien mit einer hohen Wasserstoffsperreigenschaft sind, als Isolator 551 verwendet. Im Besonderen wird Siliziumnitrid vorteilhaft als Isolator 551 verwendet, da es ein Material mit einer hohen Wasserstoffsperreigenschaft ist. Unter Verwendung eines Materials mit einer hohen Wasserstoffsperreigenschaft für den Isolator 551 kann verhindert werden, dass Verunreinigungen, wie z. B. Wasser oder Wasserstoff, von dem Isolator 580 oder dergleichen durch den Leiter 540a und den Leiter 540b in das Oxid 530 diffundieren. Außerdem kann verhindert werden, dass Sauerstoff, der in dem Isolator 580 enthalten ist, von dem Leiter 540a und dem Leiter 540b absorbiert wird. Auf die vorstehende Weise kann die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung, die einen OS-Transistor beinhaltet, erhöht werden.
17 ist eine Querschnittsansicht, die ein Strukturbeispiel der Halbleitervorrichtung darstellt, in der der Transistor 500 und der Transistor 300 jeweils die in 16A und 16B dargestellte Struktur aufweisen. Auf einer Seitenfläche des Leiters 546 ist der Isolator 551 bereitgestellt.
18A und 18B stellen ein Modifikationsbeispiel des Transistors in 16A und 16B. 18A ist eine Querschnittsansicht des Transistors in der Kanallängenrichtung, und 18B ist eine Querschnittsansicht des Transistors in der Kanalbreitenrichtung. Der in 18A und 18B dargestellte Transistor unterscheidet sich von dem in 16A und 16B dargestellten Transistor dadurch, dass das Oxid 530c eine zweischichtige Struktur aus einem Oxid 530c1 und einem Oxid 530c2 aufweist.
Das Oxid 530c1 ist in Kontakt mit einer Oberseite des Isolators 524, einer Seitenfläche des Oxids 530a, einer Oberseite und einer Seitenfläche des Oxids 530b, Seitenflächen des Leiters 542a und des Leiters 542b, der Seitenfläche des Isolators 544 und der Seitenfläche des Isolators 580. Das Oxid 530c2 ist in Kontakt mit dem Isolator 550.
Als Oxid 530c1 kann beispielsweise ein In-Zn-Oxid verwendet werden. Für das Oxid 530c2 kann ein Material verwendet werden, das dem Material ähnlich ist, das für das Oxid 530c verwendet werden kann, wenn das Oxid 530c eine einschichtige Struktur aufweist. Beispielsweise kann ein Metalloxid mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:3:4, ein Metalloxid mit einem Atomverhältnis von Ga:Zn = 2:1 oder ein Metalloxid mit einem Atomverhältnis von Ga:Zn = 2:5 als Oxid 530c2 verwendet werden.
Wenn das Oxid 530c eine zweischichtige Struktur aus dem Oxid 530c1 und dem Oxid 530c2 aufweist, kann im Vergleich zu dem Fall, in dem das Oxid 530c eine einschichtige Struktur aufweist, der Durchlassstrom des Transistors erhöht werden. Daher kann es sich bei dem Transistor beispielsweise um einen Power-MOS-Transistor handeln. Es sei angemerkt, dass auch das Oxid 530c, das in dem in 9A und 9B dargestellten Transistor enthalten ist, eine zweischichtige Struktur aus dem Oxid 530c1 und dem Oxid 530c2 aufweisen kann.
Der in 18A und 18B dargestellte Transistor kann beispielsweise als Transistor 500 und/oder Transistor 300 eingesetzt werden.
Es sei angemerkt, dass diese Ausführungsform in geeigneter Kombination mit beliebigen der anderen Ausführungsformen, die in dieser Beschreibung beschrieben werden, implementiert werden kann.
(Ausführungsform 3)
Bei dieser Ausführungsform wird ein Oxidhalbleiter beschrieben, bei dem es sich um eine Art von Metalloxid handelt.
Ein Metalloxid enthält vorzugsweise mindestens Indium oder Zink. Insbesondere sind vorzugsweise Indium und Zink enthalten. Außerdem sind eine oder mehrere Arten, die aus Aluminium, Gallium, Yttrium, Zinn und dergleichen ausgewählt werden, vorzugsweise enthalten. Ferner können eine oder mehrere Arten, die aus Bor, Silizium, Titan, Eisen, Nickel, Germanium, Zirconium, Molybdän, Lanthan, Cer, Neodym, Hafnium, Tantal, Wolfram, Magnesium, Cobalt und dergleichen ausgewählt werden, enthalten sein.
<Klassifizierung von Kristallstrukturen>
Zuerst wird die Klassifizierung der Kristallstrukturen eines Oxidhalbleiters anhand von 19A beschrieben. 19A ist ein Diagramm, das die Klassifizierung der Kristallstrukturen eines Oxidhalbleiters, typischerweise IGZO (eines Metalloxids, das In, Ga und Zn enthält), zeigt.
Wie in 19A gezeigt, wird ein Oxidhalbleiter grob in „amorph (Amorphous)“, „kristallin (Crystalline)“ und „Kristall (Crystal)“ klassifiziert. Ferner umfasst „amorph“ „vollständig amorph“ (completely amorphous). Ferner umfasst „kristallin“ „CAAC“ (c-axis aligned crystalline bzw. einen Kristall mit Ausrichtung bezüglich der c-Achse), „nc“ (nanocrystalline bzw. nanokristallin) und „CAC“ (cloud-aligned composite bzw. einen wolkenartig ausgerichteten Verbund). Es sei angemerkt, dass „Einkristall“, „Polykristall“ und „vollständig amorph“ aus der Kategorie von „kristallin“ ausgeschlossen werden. „Kristall“ umfasst „Einkristall“ und „Polykristall“.
Es sei angemerkt, dass sich die Strukturen im dicken Rahmen in 19A in einem Zwischenzustand zwischen „amorph (Amorphous)“ und „Kristall (Crystal)“ befinden und zu einem neuen Grenzgebiet (New crystalline phase bzw. einer neuen kristallinen Phase) gehören. Das heißt, dass sich diese Strukturen von „amorph (Amorphous)“, welches energetisch instabil ist, und „Kristall (Crystal)“ völlig unterscheiden.
Es sei angemerkt, dass eine Kristallstruktur eines Films oder eines Substrats mit einem Röntgenbeugungs- (X-ray diffraction, XRD-) Spektrum ausgewertet werden kann. 19B zeigt ein XRD-Spektrum, das durch Messung der Röntgenbeugung unter streifendem Einfall (grazing-incidence XRD, GIXD) erhalten wird, eines CAAC-IGZO-Films, der in „kristallin“ klassifiziert wird. Es sei angemerkt, dass ein GIXD-Verfahren auch als Dünnfilmverfahren oder Seemann-Bohlin-Verfahren bezeichnet wird. Das in 19B gezeigte XRD-Spektrum, das durch die GIXD-Messung erhalten wird, wird nachstehend einfach als XRD-Spektrum bezeichnet. Es sei angemerkt, dass der CAAC-IGZO-Film in 19B eine Zusammensetzung in der Nähe von In:Ga:Zn = 4:2:3 [Atomverhältnis] aufweist. Der CAAC-IGZO-Film in 19B weist eine Dicke von 500 nm auf.
In 19B stellt die horizontale Achse 2θ[Grad] dar, und die vertikale Achse stellt die Intensität [willk. Einh.] dar. Wie in 19B gezeigt, wird ein Peak, der eine eindeutige Kristallinität zeigt, in dem XRD-Spektrum des CAAC-IGZO-Films erfasst. Insbesondere wird ein Peak, der eine Ausrichtung bezüglich der c-Achse zeigt, bei 2θ von ungefähr 31° in dem XRD-Spektrum des CAAC-IGZO-Films erfasst. Es sei angemerkt, dass, wie in 19B gezeigt, der Peak bei 2θ von ungefähr 31° eine asymmetrische Form aufweist, wobei der Winkel, bei dem die Peakintensität erfasst wird, die Achse ist.
Eine Kristallstruktur eines Films oder eines Substrats kann mit einem Beugungsmuster ausgewertet werden, das durch ein Nanostrahlelektronenbeugungs-(Nano Beam Electron Diffraction, NBED-) Verfahren erhalten wird (auch als Nanostrahlelektronenbeugungsmuster bezeichnet). 19C zeigt ein Beugungsmuster des CAAC-IGZO-Films. 19C zeigt ein Beugungsmuster, das durch NBED, bei der ein Elektronenstrahl parallel zu dem Substrat einfällt, beobachtet wird. Es sei angemerkt, dass der CAAC-IGZO-Film in 19C eine Zusammensetzung in der Nähe von In:Ga:Zn = 4:2:3 [Atomverhältnis] aufweist. In dem Nanostrahlelektronenbeugungsverfahren wird eine Elektronenbeugung mit einem Probendurchmesser von 1 nm durchgeführt.
Wie in 19C gezeigt, wird eine Vielzahl von Punkten, die eine Ausrichtung bezüglich der c-Achse zeigen, in dem Beugungsmuster des CAAC-IGZO-Films beobachtet.
<<Struktur eines Oxidhalbleiters>>
Im Hinblick auf die Kristallstruktur könnten Oxidhalbleiter auf andere Weise als diejenige in 19A klassifiziert werden. Oxidhalbleiter werden beispielsweise in einen einkristallinen Oxidhalbleiter und einen nicht-einkristallinen Oxidhalbleiter klassifiziert. Beispiele für den nicht-einkristallinen Oxidhalbleiter umfassen den CAAC-OS und den nc-OS, welche vorstehend beschrieben worden sind. Weitere Beispiele für den nicht-einkristallinen Oxidhalbleiter umfassen einen polykristallinen Oxidhalbleiter, einen amorphähnlichen Oxidhalbleiter (a-ähnlichen OS) und einen amorphen Oxidhalbleiter.
Hier werden CAAC-OS, nc-OS und a-ähnlicher OS, die vorstehend beschrieben worden sind, ausführlich beschrieben.
[CAAC-OS]
Der CAAC-OS ist ein Oxidhalbleiter, der eine Vielzahl von Kristallbereichen aufweist, die jeweils eine Ausrichtung bezüglich der c-Achse in einer bestimmten Richtung aufweisen. Es sei angemerkt, dass die bestimmte Richtung die Dickenrichtung eines CAAC-OS-Films, die Normalrichtung der Ausbildungsoberfläche des CAAC-OS-Films oder die Normalrichtung der Oberfläche des CAAC-OS-Films bezeichnet. Der Kristallbereich bezeichnet einen Bereich, der eine periodische Atomanordnung aufweist. Wenn eine Atomanordnung als Gitteranordnung angesehen wird, bezeichnet der Kristallbereich auch einen Bereich mit einer gleichmäßigen Gitteranordnung. Der CAAC-OS weist einen Bereich auf, in dem eine Vielzahl von Kristallbereichen in der Richtung der a-b Ebene verbunden ist, und der Bereich könnte eine Verzerrung aufweisen. Es sei angemerkt, dass eine Verzerrung einen Abschnitt bezeichnet, in dem sich die Richtung einer Gitteranordnung zwischen einem Bereich mit einer gleichmäßigen Gitteranordnung und einem anderen Bereich mit einer gleichmäßigen Gitteranordnung in einem Bereich verändert, in dem eine Vielzahl von Kristallbereichen verbunden ist. Das heißt, dass der CAAC-OS ein Oxidhalbleiter ist, der eine Ausrichtung bezüglich der c-Achse aufweist und keine deutliche Ausrichtung in Richtung der a-b-Ebene aufweist.
Es sei angemerkt, dass jeder der Vielzahl von Kristallbereichen aus einem oder mehreren feinen Kristallen (Kristallen, die jeweils einen maximalen Durchmesser von kleiner als 10 nm aufweisen) gebildet wird. In dem Fall, in dem der Kristallbereich aus einem feinen Kristall gebildet wird, ist der maximale Durchmesser des Kristallbereichs kleiner als 10 nm. In dem Fall, in dem der Kristallbereich aus einer großen Anzahl von feinen Kristallen gebildet wird, könnte die Größe des Kristallbereichs ungefähr mehrere zehn Nanometer sein.
Im Falle eines In-M-Zn-Oxids (das Element M ist eine oder mehrere Arten, die aus Aluminium, Gallium, Yttrium, Zinn, Titan und dergleichen ausgewählt werden) gibt es eine Tendenz, dass der CAAC-OS eine geschichtete Kristallstruktur (auch als geschichtete Struktur bezeichnet) aufweist, bei der eine Schicht, die Indium (In) und Sauerstoff enthält (nachstehend eine In-Schicht), und eine Schicht, die das Element M, Zink (Zn) und Sauerstoff enthält (nachstehend eine (M,Zn)-Schicht), übereinander angeordnet sind. Es sei angemerkt, dass Indium und das Element M durcheinander ersetzt werden können. Deshalb könnte in der (M,Zn)-Schicht Indium enthalten sein. Außerdem könnte in der In-Schicht das Element M enthalten sein. Es sei angemerkt, dass in der In-Schicht Zn enthalten sein könnte. Eine derartige geschichtete Struktur wird beispielsweise in einem hochauflösenden TEM-Bild als Gitterbild beobachtet.
Wenn beispielsweise der CAAC-OS-Film einer Strukturanalyse mittels eines XRD-Geräts unterzogen wird, wird durch die Out-of-Plane-XRD-Messung mit einem θl2θ-Scan ein Peak, der eine Ausrichtung bezüglich der c-Achse zeigt, bei 2θ von 31° oder in der Nähe davon erfasst. Es sei angemerkt, dass sich die Position des Peaks, der eine Ausrichtung bezüglich der c-Achse zeigt (der Wert von 2θ), abhängig von der Art, der Zusammensetzung oder dergleichen des Metallelements, das in dem CAAC-OS enthalten ist, ändern könnte.
In dem Elektronenbeugungsmuster des CAAC-OS-Films wird beispielsweise eine Vielzahl von hellen Punkten (Punkten) beobachtet. Es sei angemerkt, dass ein Punkt und ein anderer Punkt punktsymmetrisch beobachtet werden, wobei ein Punkt des einfallenden Elektronenstrahls, der durch eine Probe hindurchgeht (auch als direkter Punkt bezeichnet), als Symmetriezentrum verwendet wird.
Wenn der Kristallbereich aus einer bestimmten Richtung beobachtet wird, weist die Gitteranordnung in diesem Kristallbereich grundsätzlich ein hexagonales Gitter auf; die Gittereinheit weist jedoch nicht immer ein regelmäßiges Sechseck, sondern auch in einigen Fällen ein unregelmäßiges Sechseck auf. Eine fünfeckige Gitteranordnung, eine siebeneckige Gitteranordnung und dergleichen sind in einigen Fällen in der Verzerrung enthalten. Es sei angemerkt, dass eine eindeutige Kristallkorngrenze (Grain-Boundary) selbst in der Nähe der Verzerrung in dem CAAC-OS nicht beobachtet werden kann. Das heißt, dass das Bilden einer Kristallkorngrenze durch die Verzerrung einer Gitteranordnung unterdrückt wird. Das liegt wahrscheinlich daran, dass der CAAC-OS eine Verzerrung dank einer niedrigen Dichte der Anordnung von Sauerstoffatomen in Richtung der a-b-Ebene, einer Veränderung des interatomaren Bindungsabstandes durch Substitution eines Metallatoms und dergleichen tolerieren kann.
Es sei angemerkt, dass eine Kristallstruktur, bei der eine eindeutige Kristallkorngrenze beobachtet wird, ein sogenannter Polykristall ist. Es ist sehr wahrscheinlich, dass die Kristallkorngrenze als Rekombinationszentrum dient und Ladungsträger eingefangen werden, was zu einer Verringerung des Durchlassstroms, einer Verringerung der Feldeffektbeweglichkeit oder dergleichen eines Transistors führt. Daher ist der CAAC-OS, in dem keine eindeutige Kristallkorngrenze beobachtet wird, ein kristallines Oxid mit einer Kristallstruktur, das für eine Halbleiterschicht eines Transistors geeignet ist. Es sei angemerkt, dass Zn vorzugsweise enthalten ist, um den CAAC-OS zu bilden. Beispielsweise werden ein In-Zn-Oxid und ein In-Ga-Zn-Oxid bevorzugt, da diese Oxide im Vergleich zu einem In-Oxid die Erzeugung einer Kristallkorngrenze unterdrücken können.
Der CAAC-OS ist ein Oxidhalbleiter mit hoher Kristallinität, in dem keine eindeutige Kristallkorngrenze beobachtet wird. In dem CAAC-OS tritt daher eine Verringerung der Elektronenbeweglichkeit aufgrund der Kristallkorngrenze mit geringerer Wahrscheinlichkeit auf. Ein Eindringen von Verunreinigungen, eine Bildung von Defekten oder dergleichen könnte die Kristallinität eines Oxidhalbleiters verringern. Dies bedeutet, dass der CAAC-OS ein Oxidhalbleiter ist, der geringe Mengen an Verunreinigungen und Defekten (z. B. Sauerstofffehlstellen) aufweist. Daher ist ein Oxidhalbleiter, der einen CAAC-OS enthält, physikalisch stabil. Deshalb ist der Oxidhalbleiter, der den CAAC-OS enthält, wärmebeständig und weist eine hohe Zuverlässigkeit auf. Der CAAC-OS ist auch gegenüber hohen Temperaturen im Herstellungsprozess (d. h. dem sogenannten Wärmebudget) stabil. Die Verwendung des CAAC-OS für einen OS-Transistor kann daher den Freiheitsgrad des Herstellungsprozesses erhöhen.
[nc-OS]
In dem nc-OS weist ein mikroskopischer Bereich (zum Beispiel ein Bereich mit einer Größe von größer als oder gleich 1 nm und kleiner als oder gleich 10 nm, insbesondere ein Bereich mit einer Größe von größer als oder gleich 1 nm und kleiner als oder gleich 3 nm) eine regelmäßige Atomanordnung auf. Mit anderen Worten: Der nc-OS enthält einen feinen Kristall. Es sei angemerkt, dass die Größe des feinen Kristalls beispielsweise größer als oder gleich 1 nm und kleiner als oder gleich 10 nm, insbesondere größer als oder gleich 1 nm und kleiner als oder gleich 3 nm ist; daher wird der feine Kristall auch als Nanokristall bezeichnet. Es gibt keine Regelmäßigkeit der Kristallausrichtung zwischen unterschiedlichen Nanokristallen in dem nc-OS. Daher wird keine Ausrichtung des gesamten Films beobachtet. Deshalb kann man den nc-OS in einigen Fällen nicht von einem a-ähnlichen OS oder einem amorphen Oxidhalbleiter abhängig von einem Analyseverfahren unterscheiden. Wenn beispielsweise der nc-OS-Film einer Strukturanalyse mittels eines XRD-Geräts unterzogen wird, wird durch die Out-of-Plane-XRD-Messung mit einem θl2θ-Scan ein Peak, der eine Kristallinität zeigt, nicht erfasst. Ferner wird ein Beugungsmuster wie ein Halo-Muster beobachtet, wenn der nc-OS-Film einer Elektronenbeugung (auch als Feinbereichs- (selected-area) Elektronenbeugung bezeichnet) mittels eines Elektronenstrahls mit einem Probendurchmesser, der größer ist als derjenige eines Nanokristalls (z. B. größer als oder gleich 50 nm), unterzogen wird. Im Gegensatz dazu wird in einigen Fällen ein Elektronenbeugungsmuster erhalten, in dem eine Vielzahl von Punkten in einem ringförmigen Bereich rund um einen direkten Punkt beobachtet wird, wenn der nc-OS-Film einer Elektronenbeugung (auch als Nanostrahl-Elektronenbeugung bezeichnet) mittels eines Elektronenstrahls mit einem Probendurchmesser, der nahezu gleich oder kleiner als derjenige eines Nanokristalls ist (z. B. größer als oder gleich 1 nm und kleiner als oder gleich 30 nm), unterzogen wird.
[a-ähnlicher OS]
Der a-ähnliche OS ist ein Oxidhalbleiter, der eine Struktur aufweist, die zwischen derjenigen des nc-OS und derjenigen des amorphen Oxidhalbleiters liegt. Der a-ähnliche OS enthält einen Hohlraum oder einen Bereich mit niedriger Dichte. Das heißt, dass der a-ähnliche OS im Vergleich zu dem nc-OS und dem CAAC-OS eine niedrige Kristallinität aufweist. Der a-ähnliche OS weist im Vergleich zu dem nc-OS und dem CAAC-OS eine hohe Wasserstoffkonzentration in dem Film auf.
<<Struktur eines Oxidhalbleiters>>
Als Nächstes wird der vorstehend beschriebene CAC-OS ausführlich beschrieben. Es sei angemerkt, dass der CAC-OS die Materialzusammensetzung betrifft.
[CAC-OS]
Es handelt sich bei dem CAC-OS beispielsweise um ein Material mit einer Zusammensetzung, bei der Elemente, die in einem Metalloxid enthalten sind, ungleichmäßig verteilt sind, wobei sie jeweils eine Größe von größer als oder gleich 0,5 nm und kleiner als oder gleich 10 nm, bevorzugt größer als oder gleich 1 nm und kleiner als oder gleich 3 nm oder eine ähnliche Größe aufweisen. Es sei angemerkt, dass in der folgenden Beschreibung eines Metalloxids ein Zustand, in dem ein oder mehrere Metallelemente ungleichmäßig verteilt sind und Bereiche, die das/die Metallelement/e enthalten, mit einer Größe von größer als oder gleich 0,5 nm und kleiner als oder gleich 10 nm, bevorzugt größer als oder gleich 1 nm und kleiner als oder gleich 3 nm oder einer ähnlichen Größe vermischt sind, als Mosaikmuster oder patchartiges Muster bezeichnet wird.
Außerdem weist der CAC-OS eine Zusammensetzung auf, bei der Materialien in einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich derart geteilt sind, dass ein Mosaikmuster gebildet wird, wobei die ersten Bereiche in dem Film verteilt sind (nachstehend auch als wolkenartige Zusammensetzung bezeichnet). Das heißt, dass der CAC-OS ein Verbundmetalloxid mit einer Zusammensetzung ist, bei der die ersten Bereiche und die zweiten Bereiche vermischt sind.
Hier werden die Atomverhältnisse von In, Ga und Zn zu den Metallelementen, die in dem CAC-OS in einem In-Ga-Zn-Oxid enthalten sind, als [In], [Ga] bzw. [Zn] bezeichnet. Beispielsweise weist der erste Bereich in dem CAC-OS in dem In-Ga-Zn-Oxid [In] auf, welches höher ist als dasjenige in der Zusammensetzung des CAC-OS-Films. Außerdem weist der zweite Bereich [Ga] auf, welches höher ist als dasjenige in der Zusammensetzung des CAC-OS-Films. Alternativ weist der erste Bereich beispielsweise [In], welches höher ist als dasjenige in dem zweiten Bereich, und [Ga] auf, welches niedriger ist als dasjenige in dem zweiten Bereich. Außerdem weist der zweite Bereich [Ga], welches höher ist als dasjenige in dem ersten Bereich, und [In] auf, welches niedriger ist als dasjenige in dem ersten Bereich.
Insbesondere handelt es sich bei dem ersten Bereich um einen Bereich, der Indiumoxid, Indiumzinkoxid oder dergleichen als Hauptkomponente enthält. Außerdem handelt es sich bei dem zweiten Bereich um einen Bereich, der Galliumoxid, Galliumzinkoxid oder dergleichen als Hauptkomponente enthält. Das heißt, dass der erste Bereich auch als Bereich, der In als Hauptkomponente enthält, bezeichnet werden kann. Außerdem kann der zweite Bereich auch als Bereich, der Ga als Hauptkomponente enthält, bezeichnet werden.
Es sei angemerkt, dass in einigen Fällen keine eindeutige Grenze zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich beobachtet werden kann.
Beispielsweise bestätigt ein durch energiedispersive Röntgenspektroskopie (energy dispersive X-ray spectroscopy, EDX) erhaltenes Verteilungsbild, dass ein CAC-OS in einem In-Ga-Zn-Oxid eine Struktur aufweist, bei der der Bereich, der In als Hauptkomponente enthält (der erste Bereich), und der Bereich, der Ga als Hauptkomponente enthält (der zweite Bereich), ungleichmäßig verteilt und vermischt sind.
In dem Fall, in dem der CAC-OS für einen Transistor verwendet wird, komplementieren die Leitfähigkeit, die von dem ersten Bereich stammt, und die isolierende Eigenschaft, die von dem zweiten Bereich stammt, miteinander, wodurch der CAC-OS eine Schaltfunktion (Ein-/Ausschaltfunktion) aufweisen kann. Mit anderen Worten: Der CAC-OS weist eine leitende Funktion in einem Teil des Materials auf und weist eine isolierende Funktion in einem anderen Teil des Materials auf; als gesamtes Material weist der CAC-OS eine Funktion eines Halbleiters auf. Die Trennung der leitenden Funktion und der isolierenden Funktion kann jede Funktion maximieren. Demzufolge können dann, wenn der CAC-OS für einen Transistor verwendet wird, ein hoher Durchlassstrom (I_on), eine hohe Feldeffektbeweglichkeit (µ) und eine ausgezeichnete Umschaltung erzielt werden.
Ein Oxidhalbleiter kann verschiedene Strukturen aufweisen, die unterschiedliche Eigenschaften zeigen. Zwei oder mehr von dem amorphen Oxidhalbleiter, dem polykristallinen Oxidhalbleiter, dem a-ähnlichen OS, dem CAC-OS, dem nc-OS und dem CAAC-OS können in einem Oxidhalbleiter einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten sein.
<Transistor, der den Oxidhalbleiter enthält>
Als Nächstes wird der Fall beschrieben, in dem der vorstehende Oxidhalbleiter für einen Transistor verwendet wird.
Wenn der vorstehende Oxidhalbleiter für einen Transistor verwendet wird, kann ein Transistor erhalten werden, der eine hohe Feldeffektbeweglichkeit aufweist. Außerdem kann ein Transistor erhalten werden, der eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.
Ein Oxidhalbleiter mit niedriger Ladungsträgerdichte wird vorzugsweise für den Transistor verwendet (siehe insbesondere Ausführungsform 2). In dem Fall, in dem die Ladungsträgerkonzentration eines Oxidhalbleiterfilms verringert werden soll, wird die Verunreinigungskonzentration in dem Oxidhalbleiterfilm verringert, um die Dichte der Defektzustände zu verringern. In dieser Beschreibung und dergleichen wird ein Zustand mit einer niedrigen Verunreinigungskonzentration und niedriger Dichte der Defektzustände als hochreiner intrinsischer oder im Wesentlichen hochreiner intrinsischer Zustand bezeichnet. Es sei angemerkt, dass ein Oxidhalbleiter mit einer niedrigen Ladungsträgerkonzentration in einigen Fällen als hochreiner intrinsischer oder im Wesentlichen hochreiner intrinsischer Oxidhalbleiter bezeichnet wird.
Ein hochreiner intrinsischer oder im Wesentlichen hochreiner intrinsischer Oxidhalbleiterfilm weist eine niedrige Dichte der Defektzustände auf und weist daher in einigen Fällen eine niedrige Dichte der Einfangzustände auf.
Eine elektrische Ladung, die von den Einfangzuständen in dem Oxidhalbleiter eingefangen wird, benötigt eine lange Zeit, bis sie sich verliert, und sie kann sich wie feste elektrische Ladung verhalten. Daher weist ein Transistor, dessen Kanalbildungsbereich in einem Oxidhalbleiter mit hoher Dichte der Einfangzustände gebildet wird, in einigen Fällen instabile elektrische Eigenschaften auf.
Um stabile elektrische Eigenschaften des Transistors zu erhalten, ist es daher effektiv, die Verunreinigungskonzentration in dem Oxidhalbleiter zu verringern. Um die Verunreinigungskonzentration in dem Oxidhalbleiter zu verringern, wird vorzugsweise auch die Verunreinigungskonzentration in einem Film verringert, der dem Oxidhalbleiter benachbart ist. Beispiele für die Verunreinigungen umfassen Wasserstoff, Stickstoff, ein Alkalimetall, ein Erdalkalimetall, Eisen, Nickel und Silizium.
<Verunreinigung>
Hier wird der Einfluss von Verunreinigungen in dem Oxidhalbleiter beschrieben.
Wenn Silizium oder Kohlenstoff, welche Elemente der Gruppe 14 sind, in dem Oxidhalbleiter enthalten ist, werden Defektzustände in dem Oxidhalbleiter gebildet. Deshalb werden die Silizium- oder Kohlenstoffkonzentration in dem Oxidhalbleiter und die Silizium- oder Kohlenstoffkonzentration (die Konzentration, die durch SIMS erhalten wird) in der Nähe einer Grenzfläche zu dem Oxidhalbleiter auf niedriger als oder gleich 2 × 10¹⁸ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als oder gleich 2 × 10¹⁷ Atome/cm³ eingestellt.
Wenn der Oxidhalbleiter ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall enthält, werden in einigen Fällen Defektzustände gebildet und Ladungsträger erzeugt. Daher ist es wahrscheinlich, dass ein Transistor, bei dem ein ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall enthaltender Oxidhalbleiter verwendet wird, selbstleitende Eigenschaften aufweist. Daher wird die durch SIMS erhaltene Alkalimetall- oder Erdalkalimetallkonzentration in dem Oxidhalbleiter auf niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁸ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als oder gleich 2 × 10¹⁶ Atome/cm³ eingestellt.
Wenn der Oxidhalbleiter Stickstoff enthält, wird der Oxidhalbleiter infolge der Erzeugung von Elektronen, die als Ladungsträger dienen, und eines Anstiegs der Ladungsträgerkonzentration leicht zum n-Typ. Folglich ist es wahrscheinlich, dass ein Transistor, bei dem ein Stickstoff enthaltender Oxidhalbleiter als Halbleiter verwendet wird, selbstleitende Eigenschaften aufweist. Wenn Stickstoff in dem Oxidhalbleiter enthalten ist, wird in einigen Fällen ein Einfangzustand gebildet. Dies könnte zu instabilen elektrischen Eigenschaften des Transistors führen. Daher wird die durch SIMS erhaltene Stickstoffkonzentration in dem Oxidhalbleiter auf niedriger als 5 × 10¹⁹ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁸ Atome/cm³, bevorzugter niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁸ Atome/cm³, noch bevorzugter niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁷ Atome/cm³ eingestellt.
Wasserstoff, der in dem Oxidhalbleiter enthalten ist, reagiert mit Sauerstoff, der an ein Metallatom gebunden ist, zu Wasser, und daher wird in einigen Fällen eine Sauerstofffehlstelle gebildet. Infolge des Eindringens von Wasserstoff in die Sauerstofffehlstelle wird in einigen Fällen ein Elektron erzeugt, das als Ladungsträger dient. In einigen Fällen verursacht ferner eine Bindung eines Teils von Wasserstoff an Sauerstoff, der an ein Metallatom gebunden ist, die Erzeugung eines Elektrons, das als Ladungsträger dient. Folglich ist es wahrscheinlich, dass ein Transistor, bei dem ein Wasserstoff enthaltender Oxidhalbleiter verwendet wird, selbstleitende Eigenschaften aufweist. Aus diesem Grund wird Wasserstoff in dem Oxidhalbleiter vorzugsweise so weit wie möglich verringert (siehe insbesondere Ausführungsform 2).
Wenn ein Oxidhalbleiter, in dem Verunreinigungen ausreichend verringert sind, für einen Kanalbildungsbereich eines Transistors verwendet wird, kann der Transistor stabile elektrische Eigenschaften aufweisen.
Die Zusammensetzung, die Struktur, das Verfahren und dergleichen, welche bei dieser Ausführungsform beschrieben werden, können je nach Bedarf mit beliebigen der Zusammensetzungen, der Strukturen, der Verfahren und dergleichen, welche bei den anderen Ausführungsformen und dergleichen beschrieben worden sind, kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

BL: Leitung,
CAL: Leitung,
C11: Kondensator,
M11: Transistor,
M12: Transistor,
M21: Transistor,
M22: Transistor,
M23: Transistor,
M24: Transistor,
M26: Transistor,
N11: Knoten,
NS: Knoten,
NSB: Knoten,
rbl: Bitleitung,
rwl: Wortleitung,
SUB: Halbleitersubstrat,
wbl: Bitleitung,
WL: Leitung,
wwl: Wortleitung,
31: Leseverstärker,
32: AND-Schaltung,
33: Analogschalter,
34: Analogschalter,
42: Bit-Produkt-Summen-Operations-Einheit,
43: Akkumulator,
44: Latch-Schaltung,
46: Inverterschaltung,
47: Logikschaltung,
100: Halbleitervorrichtung,
101: Schicht,
102: Schicht,
110: Peripherieschaltung,
120: Speicherzellenarray,
121: Speicherzelle,
131: Zeilendecoder,
132: Wortleitungstreiberschaltung,
133: Vordecoder,
141: Spaltendecoder,
142: Bitleitungstreiberschaltung,
143: Vorladeschaltung,
144: Leseverstärkerschaltung,
145: Ausgabe-MUX-Schaltung,
146: Schreibtreiberschaltung,
147: Schaltung,
150: arithmetische Schaltung,
151: Bitleitungsprozessor,
160: Steuerlogikschaltung,
300: Transistor,
311: Substrat,
313: Halbleiterbereich,
314a: niederohmiger Bereich,
314b: niederohmiger Bereich,
315: Isolator,
316: Leiter,
320: Isolator,
322: Isolator,
324: Isolator,
326: Isolator,
328: Leiter,
330: Leiter,
350: Isolator,
352: Isolator,
354: Leiter,
356: Leiter,
360: Isolator,
362: Isolator,
364: Isolator,
366: Leiter,
370: Isolator,
372: Isolator,
374: Isolator,
376: Leiter,
380: Isolator,
382: Isolator,
384: Isolator,
386: Leiter,
402: Isolator,
404: Isolator,
500: Transistor,
503: Leiter,
503a: Leiter,
503b: Leiter,
505: Leiter,
505a: Leiter,
505b: Leiter,
510: Isolator,
510A: Transistor,
510B: Transistor,
510C: Transistor,
510D: Isolator,
510E: Transistor,
510F: Transistor,
510G: Transistor,
511: Isolator,
512: Isolator,
514: Isolator,
516: Isolator,
518: Leiter,
520: Isolator,
521: Isolator,
522: Isolator,
524: Isolator,
530: Oxid,
530a: Oxid,
530b: Oxid,
530c: Oxid,
530c1: Oxid,
530c2: Oxid,
531: Bereich,
531a: Bereich,
531b: Bereich,
540a: Leiter,
540b: Leiter,
542: Leiter,
542a: Leiter,
542b: Leiter,
543: Bereich,
543a: Bereich,
543b: Bereich,
544: Isolator,
545: Isolator,
546: Leiter,
546a: Leiter,
546b: Leiter,
547: Leiter,
547a: Leiter,
547b: Leiter,
548: Isolator,
550: Isolator,
551: Isolator,
552: Metalloxid,
560: Leiter,
560a: Leiter,
560b: Leiter
570: Isolator,
571: Isolator,
573: Isolator,
574: Isolator,
575: Isolator,
576: Isolator,
576a: Isolator,
576b: Isolator,
580: Isolator,
581: Isolator,
582: Isolator,
584: Isolator,
586: Isolator,
600: Kondensator,
610: Leiter,
612: Leiter,
620: Leiter,
630: Isolator,
650: Isolator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2012256820 [0010]
JP 2012256400 [0010]

Claims

Halbleitervorrichtung, die umfasst: ein Speicherzellenarray; eine Leseverstärkerschaltung; und eine arithmetische Schaltung, wobei das Speicherzellenarray m × n (m und n sind jeweils eine ganze Zahl von 2 oder mehr) Speicherzellen und mindestens n Leitungen umfasst, wobei die m × n Speicherzellen in einer Matrix angeordnet sind, wobei die Leseverstärkerschaltung mindestens n erste Schaltungen umfasst, wobei jede der n Leitungen elektrisch mit m der Speicherzellen verbunden ist, wobei die n Leitungen elektrisch mit den n ersten Schaltungen verbunden sind, wobei die arithmetische Schaltung s (s ist eine ganze Zahl von 1 oder mehr und n oder weniger) zweite Schaltungen umfasst, wobei die zweite Schaltung elektrisch mit t (t ist eine ganze Zahl von 1 oder mehr, und s × t ist eine ganze Zahl von n oder weniger) der ersten Schaltungen verbunden ist, und wobei die zweite Schaltung eine arithmetische Operation unter Verwendung eines Signals durchführt, das von der ersten Schaltung ausgegeben wird.
Halbleitervorrichtung, die umfasst: ein Speicherzellenarray; eine Leseverstärkerschaltung; und eine arithmetische Schaltung, wobei ein erstes Signal in die Halbleitervorrichtung eingegeben wird, wobei das Speicherzellenarray m × n (m und n sind jeweils eine ganze Zahl von 2 oder mehr) Speicherzellen und mindestens n Leitungen umfasst, wobei die m × n Speicherzellen in einer Matrix angeordnet sind, wobei die Leseverstärkerschaltung mindestens n erste Schaltungen umfasst, wobei jede der n Leitungen elektrisch mit m der Speicherzellen verbunden ist, wobei die n Leitungen elektrisch mit den n ersten Schaltungen verbunden sind, wobei die arithmetische Schaltung s (s ist eine ganze Zahl von 1 oder mehr und n oder weniger) zweite Schaltungen umfasst, wobei die zweite Schaltung elektrisch mit t (t ist eine ganze Zahl von 1 oder mehr, und s × t ist eine ganze Zahl von n oder weniger) der ersten Schaltungen verbunden ist, wobei ein zweites Signal von der ersten Schaltung in jede der zweiten Schaltungen eingegeben wird, und wobei die zweite Schaltung eine arithmetische Operation unter Verwendung des ersten Signals und des zweiten Signals durchführt.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die s zweiten Schaltungen parallele arithmetische Operationen durchführen.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Speicherzelle einen Transistor umfasst, und wobei der Transistor ein Metalloxid in einem Kanalbildungsbereich enthält.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Schaltung und die zweite Schaltung jeweils einen Transistor umfassen, der auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, wobei die Speicherzelle einen Transistor umfasst, der in einer Elementschicht ausgebildet ist, und wobei die Elementschicht über dem Halbleitersubstrat angeordnet ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Transistor der Speicherzelle ein Metalloxid in einem Kanalbildungsbereich enthält.
Halbleitervorrichtung, die umfasst: ein Speicherzellenarray; eine Leseverstärkerschaltung; eine Multiplexer-Schaltung; und eine arithmetische Schaltung, wobei das Speicherzellenarray m × n (m und n sind jeweils eine ganze Zahl von 2 oder mehr) Speicherzellen und mindestens n Leitungen umfasst, wobei die m × n Speicherzellen in einer Matrix angeordnet sind, wobei die Leseverstärkerschaltung mindestens n erste Schaltungen umfasst, wobei jede der n Leitungen elektrisch mit m der Speicherzellen verbunden ist, wobei die n Leitungen elektrisch mit den n ersten Schaltungen verbunden sind, wobei die Multiplexer-Schaltung eine Funktion aufweist, s (s ist eine ganze Zahl von 1 oder mehr und n oder weniger) Leitungen aus den n Leitungen auszuwählen und die ersten Schaltungen, die elektrisch mit den s Leitungen verbunden sind, und die arithmetische Schaltung elektrisch zu verbinden, wobei die arithmetische Schaltung t (t ist eine ganze Zahl von 1 oder mehr und s oder weniger) zweite Schaltungen umfasst, wobei die zweite Schaltung elektrisch mit u (u ist eine ganze Zahl von 1 oder mehr, und t × u ist eine ganze Zahl von s oder weniger) der ersten Schaltungen verbunden ist, und wobei die zweite Schaltung eine arithmetische Operation unter Verwendung eines Signals durchführt, das von der ersten Schaltung ausgegeben wird.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Speicherzelle einen Transistor umfasst, und wobei der Transistor ein Metalloxid in einem Kanalbildungsbereich enthält.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7, wobei die erste Schaltung, die Multiplexer-Schaltung und die zweite Schaltung jeweils einen Transistor umfassen, der auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, wobei die Speicherzelle einen Transistor umfasst, der in einer Elementschicht ausgebildet ist, und wobei die Elementschicht über dem Halbleitersubstrat angeordnet ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Transistor der Speicherzelle ein Metalloxid in einem Kanalbildungsbereich enthält.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die zweite Schaltung eine Produkt-Summen-Operation durchführt.