JP2008211185A - Memory element and semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To easily and inexpensively provide a memory element having a high yield. <P>SOLUTION: The memory element has: at least a first conductive layer 110; a second conductive layer 112; and a memory layer 111 sandwiched by the first conductive layer 110 and the second conductive layer 112. The memory layer 111 is configured of nano-particles 114 composed of a conductive material coated with an organic thin film 113, and formed using a liquid discharging method. More concretely, a composition in which the nano-particles 114 composed of the conductive material coated with the organic thin film are dispersed in a solvent is discharged (jetted) as a liquid droplet, and dried to vaporize the solvent, thereby forming the memory layer 111. Writing into the memory element is executed by the application of a voltage to electrically connect the first conductive layer 110 and the second conductive layer 112 via a conductive portion formed by the fusion of the nano-particles 114 composed of the conductive material. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、記憶素子及び当該記憶素子を有する半導体装置に関する。   The present invention relates to a memory element and a semiconductor device having the memory element.

近年、絶縁表面上に複数の回路が集積され、様々な機能を有する半導体装置の開発が進められている。また、アンテナを設けることにより、アンテナで受信した電波を電気エネルギーに変換して動作するデータの送受信が可能な半導体装置の開発が進められている。このような半導体装置は、無線チップ(IDタグ、ICタグ、ICチップ、RF(Radio Frequency)タグ、無線タグ、電子タグ、RFID(Radio Frequency Identification)とも呼ぶ)と呼ばれ、既に一部の市場に導入されている。   In recent years, development of semiconductor devices having various functions in which a plurality of circuits are integrated on an insulating surface has been promoted. In addition, development of a semiconductor device capable of transmitting and receiving data operating by converting an electric wave received by an antenna into electric energy by providing an antenna has been underway. Such a semiconductor device is called a wireless chip (also referred to as an ID tag, an IC tag, an IC chip, an RF (Radio Frequency) tag, a wireless tag, an electronic tag, or an RFID (Radio Frequency Identification)). Has been introduced.

現在実用化されているこれらの半導体装置の多くは、シリコン等の半導体基板を用いた回路(IC(Integrated Circuit)チップとも呼ばれる)とアンテナとを有する。そして、当該ICチップは記憶回路(メモリとも呼ぶ)や制御回路等から構成されている。特に多くのデータを記憶可能な記憶回路を備えることによって、より高機能で付加価値が高い半導体装置の提供が可能となる。しかし、シリコン基板は高価であるにもかかわらず、これら半導体装置は低コストで作製することが要求されている。これは無線チップのような小型半導体装置が半ば使い捨て商品としての需要が期待されているからである。そこで、近年、制御回路や記憶回路等に有機化合物を用いた有機薄膜トランジスタ(以下、「有機TFT」ともいう。)や有機メモリ等の開発が盛んに行われている(例えば特許文献1参照)。
特開2002−26277号公報
Many of these semiconductor devices currently in practical use have a circuit (also called an IC (Integrated Circuit) chip) using a semiconductor substrate such as silicon and an antenna. The IC chip includes a memory circuit (also referred to as a memory), a control circuit, and the like. In particular, by providing a memory circuit capable of storing a large amount of data, a semiconductor device with higher functions and higher added value can be provided. However, although a silicon substrate is expensive, these semiconductor devices are required to be manufactured at a low cost. This is because small semiconductor devices such as wireless chips are expected to be demanded as disposable products. Therefore, in recent years, organic thin film transistors (hereinafter also referred to as “organic TFTs”) using organic compounds for control circuits, memory circuits, and the like, organic memories, and the like have been actively developed (see, for example, Patent Document 1).
JP 2002-26277 A

有機メモリの記憶部分としてはたらく記憶素子は、一対の電極間に有機化合物層を設けることで形成され、そのデータの書き込みには電圧の印加による電気的特性、例えば抵抗値などの変化を利用する。このような有機化合物層は蒸着法を用いて形成されることが多い。   A memory element that functions as a memory part of an organic memory is formed by providing an organic compound layer between a pair of electrodes, and data writing uses changes in electrical characteristics such as resistance value due to voltage application. Such an organic compound layer is often formed by vapor deposition.

蒸着法を用いて形成した場合、気化した有機化合物のうちの一部しか使用しないため材料の利用効率が悪い。そのうえ、使用されない材料までを気化しているため製造工程におけるエネルギー消費量が大きいといった問題が挙げられる。   When the vapor deposition method is used, only a part of the vaporized organic compound is used, so that the material utilization efficiency is poor. In addition, since materials that are not used are vaporized, there is a problem that energy consumption in the manufacturing process is large.

また、メタルマスクを用いた蒸着法によって有機メモリを作製する場合、メタルマスクにおけるアライメントの位置合わせ工程が必要となる。このため、アライメントの位置あわせの不具合から製品の歩留まりが低下してしまう。   Moreover, when producing an organic memory by the vapor deposition method using a metal mask, the alignment process of the alignment in a metal mask is needed. For this reason, the yield of the product is lowered due to the alignment problem.

そこで、本発明では歩留まりが高く、簡便かつ安価に記憶素子を提供することを課題とする。また、前記記憶素子を備えた半導体装置を提供することを課題とする。   Accordingly, it is an object of the present invention to provide a memory element that has a high yield and is simple and inexpensive. Another object is to provide a semiconductor device including the memory element.

本発明では、記憶素子を少なくとも第1の導電層と、第2の導電層と、第1の導電層と第2の導電層に挟持されたメモリ層とを有する構成とする。前記メモリ層は、有機薄膜で被覆された導電性材料よりなるナノ粒子から構成されており、湿式法を用いて形成することができる。代表的には、液滴吐出法や印刷法等があり、なかでも液滴吐出法を用いて形成することが好ましい。例えば、有機薄膜で被覆された導電性材料よりなるナノ粒子が溶媒に分散された組成物を液滴として吐出(噴出)し、乾燥することで該溶媒を気化させ、メモリ層を形成する。よって、材料の利用効率を高め、簡便に記憶素子を形成することができる。さらに、歩留まりも上がるため安価に記憶素子を提供することが可能となる。   In the present invention, the memory element includes at least a first conductive layer, a second conductive layer, and a memory layer sandwiched between the first conductive layer and the second conductive layer. The memory layer is composed of nanoparticles made of a conductive material coated with an organic thin film, and can be formed using a wet method. Typically, there are a droplet discharge method, a printing method, and the like, and it is preferable to form using a droplet discharge method. For example, a composition in which nanoparticles made of a conductive material coated with an organic thin film are dispersed in a solvent is ejected (ejected) as droplets, and the solvent is vaporized by drying to form a memory layer. Therefore, the use efficiency of the material can be increased and a memory element can be easily formed. Further, since the yield increases, a memory element can be provided at a low cost.

なお、ナノ粒子を被覆する有機薄膜は、吐出される組成物(吐出材料ともいう)中でナノ粒子の凝集を防ぎ、かつ粒子を安定に分散させる機能を有する分散剤に相当し、例えばナノ粒子が有する導電性材料と配位結合を形成することが可能な物質や界面活性剤等より構成されている。また、吐出材料には、導電性ナノ粒子、分散剤、溶媒の他、ナノ粒子の作製時に用いられる物質(例えば、還元剤)、バインダー、可塑剤、シランカップリング剤等が含まれる場合もある。そのため、ナノ粒子を被覆する有機薄膜は、少なくとも分散剤、例えばナノ粒子が有する導電性材料と配位結合を形成することが可能な物質や界面活性剤等から構成されており、さらにナノ粒子の作製時に用いられる物質、バインダー、可塑剤、シランカップリング剤等を有していても良い。   In addition, the organic thin film which coat | covers a nanoparticle corresponds to the dispersing agent which has the function to prevent aggregation of a nanoparticle in the composition (it is also called discharge material) discharged, and to disperse | distribute a particle stably, for example, a nanoparticle It is comprised from the substance, surfactant, etc. which can form a coordination bond with the electroconductive material which has. In addition to the conductive nanoparticles, dispersant, and solvent, the discharge material may contain substances (for example, reducing agents), binders, plasticizers, silane coupling agents, and the like used in the preparation of the nanoparticles. . Therefore, the organic thin film that coats the nanoparticles is composed of at least a dispersant, for example, a substance or a surfactant that can form a coordinate bond with the conductive material of the nanoparticles. You may have the substance used at the time of preparation, a binder, a plasticizer, a silane coupling agent, etc.

このような記憶素子に対し電圧を印加することで、記憶素子の電気的特性を変化させ、データの書き込みを行う。電気的特性には例えば抵抗値があり、書き込んだ際には対となる第1の導電層と第2の導電層とが導電性材料よりなるナノ粒子の融着により形成される導電部を介して電気的に接続される、つまり第1の導電層と第2の導電層とが短絡(ショートともいう)することにより生じる抵抗値の変化を利用して書き込みを行う。   By applying a voltage to such a memory element, electrical characteristics of the memory element are changed, and data is written. The electrical characteristics include, for example, a resistance value, and when written, the first conductive layer and the second conductive layer that form a pair pass through a conductive portion formed by fusion of nanoparticles made of a conductive material. Thus, writing is performed using a change in resistance value that is generated when the first conductive layer and the second conductive layer are short-circuited (also referred to as short-circuit).

なお、書き込み前の記憶素子における第1の導電層は、有機薄膜からなる絶縁膜とナノ粒子の導電性材料である導電層とを交互に複数介して第2の導電層と接続されている。つまり、第1の導電層と第2の導電層とは、多段に連結された複数の容量素子を介して接続された構成でもあると言える。そのため、電圧の印加による書き込みは前記容量素子を破壊することで行ったとも表現することができる。なお、この場合、前記絶縁層は少なくとも前記第3の導電層より一層多く設けられた構成となっている。   Note that the first conductive layer in the memory element before writing is connected to the second conductive layer through a plurality of insulating films made of an organic thin film and a plurality of conductive layers that are conductive materials of nanoparticles. That is, it can be said that the first conductive layer and the second conductive layer are also connected via a plurality of capacitive elements connected in multiple stages. Therefore, it can also be expressed that writing by applying a voltage is performed by destroying the capacitor. In this case, at least the insulating layer is provided more than the third conductive layer.

また、本明細書において書き込み電圧は、第1の導電層と第2の導電層との間に電圧を印加することにより記憶素子の電気的特性を変化させる電圧であれば特に限定されない。この記憶素子の電気的特性を大幅に変化させるために要する印加電圧の最小値を、本明細書においては書き込み電圧とする。また、読み取り電圧とは、未書き込み素子と書き込み済み素子との電気的特性の差を読み取るために用いる印加電圧であり、記憶素子の電気的特性を変化させない程度の電圧であれば特に限定されない。   In this specification, the writing voltage is not particularly limited as long as it is a voltage that changes the electrical characteristics of the memory element by applying a voltage between the first conductive layer and the second conductive layer. In this specification, the minimum value of the applied voltage required to significantly change the electrical characteristics of the memory element is referred to as a write voltage. The read voltage is an applied voltage used for reading a difference in electrical characteristics between an unwritten element and a written element, and is not particularly limited as long as the voltage does not change the electrical characteristics of the memory element.

また、第1の導電層及び第2の導電層を電極と記載することもある。   In addition, the first conductive layer and the second conductive layer may be referred to as electrodes.

本発明の一は、第1の導電層と、第2の導電層と、前記第1の導電層と前記第2の導電層に挟持されたメモリ層とを有し、前記メモリ層は、有機薄膜で被覆された導電性材料よりなるナノ粒子から構成された部分(第2の部分ともよぶ)と、前記ナノ粒子が融着して形成された導電部(第1の部分ともよぶ)とを有し、前記第1の導電層と前記第2の導電層は前記導電部を介して電気的に接続されている記憶素子である。   One aspect of the present invention includes a first conductive layer, a second conductive layer, a memory layer sandwiched between the first conductive layer and the second conductive layer, and the memory layer is organic A portion composed of nanoparticles made of a conductive material coated with a thin film (also referred to as a second portion) and a conductive portion formed by fusing the nanoparticles (also referred to as a first portion) And the first conductive layer and the second conductive layer are memory elements electrically connected via the conductive portion.

上記構成において、メモリ層と第1の導電層及び第2の導電層の少なくとも一方との間に絶縁層もしくは半導体層が設けられていても良い。   In the above structure, an insulating layer or a semiconductor layer may be provided between the memory layer and at least one of the first conductive layer and the second conductive layer.

なお、メモリ層は例えば液滴吐出法を用いて形成されている。また、絶縁層及び半導体層においても、液滴吐出法を用いて形成しても良い。その場合、絶縁層には絶縁性有機化合物を用いて形成することが好ましい。   Note that the memory layer is formed by using, for example, a droplet discharge method. In addition, the insulating layer and the semiconductor layer may be formed by a droplet discharge method. In that case, the insulating layer is preferably formed using an insulating organic compound.

また、本発明の一は上記記憶素子がマトリックス状に複数配置されていることを特徴とする半導体装置であっても良い。なお、その複数の記憶素子の各々は、薄膜トランジスタに接続されていても良い。   One embodiment of the present invention may be a semiconductor device in which a plurality of the memory elements are arranged in a matrix. Note that each of the plurality of memory elements may be connected to a thin film transistor.

本発明により、簡便に歩留り良く、性能及び信頼性に優れた記憶素子及び記憶素子を備えた半導体装置を作製することができる。そのため、性能及び信頼性に優れた記憶素子及び半導体装置を安価に提供することが可能となる。   According to the present invention, a memory element and a semiconductor device including the memory element can be manufactured easily and with high yield and excellent performance and reliability. Therefore, a memory element and a semiconductor device that are excellent in performance and reliability can be provided at low cost.

本発明の実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する本発明の構成において、同じものを指す符号は異なる図面間においても共通して用いる場合がある。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it is easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below. Note that in the structures of the present invention described below, the same reference numerals may be used in common in different drawings.

(実施の形態1)
本発明の記憶素子の一構成例を図1を用いて説明する。図1に示す記憶素子は、第1の導電層110と、第2の導電層112と、第1の導電層110と第2の導電層112に挟持されたメモリ層111とを有し、メモリ層111は有機薄膜113で被覆された導電性材料よりなるナノ粒子114から構成されている。そのため、第2の導電層112は、有機薄膜113からなる絶縁膜と導電性材料からなるナノ粒子114とが交互に配置された領域を介して前記第1の導電層110上に設けられている。つまり、第1の導電層110は、有機薄膜113からなる絶縁膜とナノ粒子114の導電性材料である導電層を交互に複数介して第2の導電層112と接続されている。よって、第1の導電層と第2の導電層とは、多段に連結された容量素子を介して接続されているとも表現することができる。
(Embodiment 1)
One structural example of the memory element of the present invention will be described with reference to FIG. The memory element illustrated in FIG. 1 includes a first conductive layer 110, a second conductive layer 112, and a memory layer 111 sandwiched between the first conductive layer 110 and the second conductive layer 112. The layer 111 is composed of nanoparticles 114 made of a conductive material covered with an organic thin film 113. Therefore, the second conductive layer 112 is provided on the first conductive layer 110 through a region where insulating films made of the organic thin film 113 and nanoparticles 114 made of a conductive material are alternately arranged. . In other words, the first conductive layer 110 is connected to the second conductive layer 112 through a plurality of alternately conductive films made of the organic thin film 113 and the conductive material of the nanoparticles 114. Thus, the first conductive layer and the second conductive layer can also be expressed as being connected via a multi-layered capacitor element.

まず、本発明の記憶素子の動作機構について図2を用いて説明する。書き込みを行う前の記憶素子の断面図を図2(A)に、書き込みを行った後の記憶素子の上面図及び断面図をそれぞれ図2(B)、図2(C)に示す。電圧を印加する前、即ち書き込みを行う前のメモリ層111は、有機薄膜113で被覆された導電性材料よりなるナノ粒子114から構成されている。そのため、メモリ層111は導電性を有さず、記憶素子の抵抗値は高い。このような記憶素子の第1の導電層110と第2の導電層112との間に電圧を印加すると、メモリ層111に微電流が流れ、ジュール熱が発生する。このジュール熱により有機薄膜113が分解され、導電性材料よりなるナノ粒子114同士が接触し融着する。よって、メモリ層111は低抵抗化され、図2(C)に示すように最終的には融着により形成された導電部120を介して第1の導電層110と第2の導電層112とが電気的に接続され、記憶素子はショートした状態となる。以上のように、電圧印加前後での記憶素子の抵抗値が変化する。   First, the operation mechanism of the memory element of the present invention will be described with reference to FIG. A cross-sectional view of the memory element before writing is shown in FIG. 2A, and a top view and a cross-sectional view of the memory element after writing are shown in FIGS. 2B and 2C, respectively. The memory layer 111 before voltage application, that is, before writing, is composed of nanoparticles 114 made of a conductive material covered with an organic thin film 113. Therefore, the memory layer 111 does not have conductivity, and the resistance value of the memory element is high. When a voltage is applied between the first conductive layer 110 and the second conductive layer 112 of such a memory element, a minute current flows through the memory layer 111 and Joule heat is generated. The organic thin film 113 is decomposed by the Joule heat, and the nanoparticles 114 made of a conductive material come into contact with each other and are fused. Therefore, the resistance of the memory layer 111 is reduced, and the first conductive layer 110 and the second conductive layer 112 are finally connected to each other through the conductive portion 120 formed by fusion as shown in FIG. Are electrically connected, and the storage element is short-circuited. As described above, the resistance value of the memory element changes before and after voltage application.

上記の動作機構より、電圧の印加による記憶素子の抵抗値の変化を利用して、データの書き込みを行う。   Data is written by utilizing the change in the resistance value of the memory element due to the application of voltage from the above operating mechanism.

なお、書き込み後のメモリ層111に形成された導電部120の形状は、柱状、錐状もしくは球状となる。もちろん、前述のように表現された形状に限られるものではなく、導電部120が第1の導電層110と第2の導電層112とを電気的に接続する機能を有するものであれば良い。また、その断面は導電性材料よりなるナノ粒子の融着により形成されているため左右対称とは限らず、いびつな形状となっている場合もある。例えば、ナノ粒子の融着量によっては、図3(A)に示すような導電部120であっても良い。   Note that the shape of the conductive portion 120 formed in the memory layer 111 after writing is columnar, conical, or spherical. Of course, the shape is not limited to the above-described shape, and any conductive portion 120 may be used as long as it has a function of electrically connecting the first conductive layer 110 and the second conductive layer 112. In addition, since the cross section is formed by fusing nanoparticles made of a conductive material, it is not necessarily symmetrical and may have an irregular shape. For example, depending on the fusion amount of the nanoparticles, the conductive portion 120 as shown in FIG.

また、導電部120はメモリ層111内に少なくとも1つは形成され、その場所は特に限定されない。また、メモリ層111には、図3(B)に示すように第1の導電層110と第2の導電層112とを電気的に接続するに至らないまでも、第1の導電層110と電気的に接続された導電部121を有していても良い。もちろん、導電部121も導電性材料よりなるナノ粒子の融着により形成されたものであり、メモリ層111が有する導電部121の形状及び数量は特に限定されるものではない。   Further, at least one conductive portion 120 is formed in the memory layer 111, and the location thereof is not particularly limited. In addition, the memory layer 111 includes the first conductive layer 110 and the first conductive layer 110, as long as the first conductive layer 110 and the second conductive layer 112 are not electrically connected as illustrated in FIG. The conductive portion 121 may be electrically connected. Of course, the conductive portion 121 is also formed by fusing nanoparticles made of a conductive material, and the shape and quantity of the conductive portion 121 included in the memory layer 111 are not particularly limited.

また、書き込み後の第2の導電層112に変形は生じず、第1の導電層110と第2の導電層112の間には書き込み後においても一定の距離が保たれている。そのため、例えば第2の導電層112上に他の層を設けた場合などには前記他の層の膜剥がれ等を懸念する必要もなくなる。   Further, no deformation occurs in the second conductive layer 112 after writing, and a constant distance is maintained between the first conductive layer 110 and the second conductive layer 112 even after writing. Therefore, for example, when another layer is provided on the second conductive layer 112, there is no need to worry about peeling of the other layer.

図4に書き込み前後のメモリ層111の上面図の一例を示す。なお、図4における上面図はメモリ層111の膜厚方向における1/2の箇所での切断面であり、図4(A)が書き込み前のメモリ層111であり、図4(B)が書き込み後のメモリ層111である。なお、図4に限らず、メモリ層111は図中においてナノ粒子114と有機薄膜113とを略して示す場合がある。   FIG. 4 shows an example of a top view of the memory layer 111 before and after writing. Note that the top view in FIG. 4 is a cut surface at a half position in the film thickness direction of the memory layer 111, FIG. 4A shows the memory layer 111 before writing, and FIG. 4B shows writing. This is the later memory layer 111. Note that the memory layer 111 is not limited to FIG. 4, and the nanoparticles 114 and the organic thin film 113 may be abbreviated in the drawing.

次に、各層に用いることが可能な材料について説明する。本発明の記憶素子における第1の導電層110と第2の導電層112には、単層または積層構造からなる導電性の高い金属、合金、化合物等を用いることができる。   Next, materials that can be used for each layer will be described. For the first conductive layer 110 and the second conductive layer 112 in the memory element of the present invention, a highly conductive metal, alloy, compound, or the like having a single layer or a stacked structure can be used.

例えば、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、ニッケル(Ni)、タングステン(W)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、銅(Cu)、パラジウム(Pd)、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)等の金属、または金属材料の窒化物(例えば、窒化チタン、窒化タングステン、窒化モリブデン)の他、周期表の1族または2族に属する金属、即ちリチウム(Li)やセシウム(Cs)等のアルカリ金属、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)等のアルカリ土類金属、及びこれらのいずれかを含む合金(たとえば、Mg:Ag、Al:Li)等が挙げられる。また、ユーロピウム(Er)、イッテルビウム(Yb)等の希土類金属及びこれらを含む合金等を用いてもよい。また、透明導電膜として用いられるインジウム錫酸化物(以下、ITOと表記する)、珪素を含有したインジウム錫酸化物、2〜20[wt%]の酸化亜鉛(ZnO)を含む酸化インジウム(略称:IZO)等を用いることもできる。   For example, gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), nickel (Ni), tungsten (W), chromium (Cr), molybdenum (Mo), iron (Fe), cobalt (Co), copper (Cu ), Palladium (Pd), aluminum (Al), manganese (Mn), titanium (Ti), tantalum (Ta) and other metals, or nitrides of metal materials (for example, titanium nitride, tungsten nitride, molybdenum nitride) A metal belonging to Group 1 or 2 of the periodic table, ie, an alkali metal such as lithium (Li) or cesium (Cs), an alkaline earth metal such as magnesium (Mg), calcium (Ca), or strontium (Sr), and An alloy containing any of these (for example, Mg: Ag, Al: Li) or the like can be given. Further, rare earth metals such as europium (Er) and ytterbium (Yb) and alloys containing these may be used. Indium tin oxide (hereinafter referred to as ITO) used as a transparent conductive film, indium tin oxide containing silicon, and indium oxide containing 2 to 20 wt% zinc oxide (ZnO) (abbreviation: abbreviation: IZO) or the like can also be used.

なお、第1の導電層110は、蒸着法、スパッタ法、CVD法、印刷法、電解メッキ法、無電解メッキ法、スピンコート法等を用いて形成される。   Note that the first conductive layer 110 is formed by vapor deposition, sputtering, CVD, printing, electroplating, electroless plating, spin coating, or the like.

第2の導電層112は、蒸着法、スパッタ法、CVD法、印刷法、スピンコート法を用いて形成することができる。   The second conductive layer 112 can be formed by an evaporation method, a sputtering method, a CVD method, a printing method, or a spin coating method.

メモリ層111は、有機薄膜で被覆された導電性材料よりなるナノ粒子から構成されている。このメモリ層111は、液滴吐出法を用いて形成される。液滴吐出法とは所定の物質を含む液滴を細孔から吐出してパターンを形成する方法であり、ここでは溶媒に有機薄膜で被覆された導電性材料よりなるナノ粒子が分散された組成物を液滴として吐出(噴出)し、乾燥することで該溶媒を気化させ、メモリ層111を形成する。メモリ層111の膜厚は特に限定されないが、1nm以上250nm以下が好ましい。ただし、膜厚を厚くしすぎると、電圧を印加した際、記憶素子によって挙動が異なる可能性があるため、これを考慮にいれたうえで適宜設定する必要がある。なお、本発明の記憶素子において、メモリ層111の薄膜化に伴い書き込み電圧を低減することができる。   The memory layer 111 is composed of nanoparticles made of a conductive material covered with an organic thin film. The memory layer 111 is formed using a droplet discharge method. The droplet discharge method is a method of forming a pattern by discharging droplets containing a predetermined substance from pores. Here, a composition in which nanoparticles made of a conductive material coated with an organic thin film are dispersed in a solvent The solvent is vaporized by ejecting (spouting) an object as droplets and drying to form the memory layer 111. The thickness of the memory layer 111 is not particularly limited, but is preferably 1 nm to 250 nm. However, if the film thickness is too thick, the behavior may vary depending on the memory element when a voltage is applied. Therefore, it is necessary to set the voltage appropriately taking this into consideration. Note that in the memory element of the present invention, the write voltage can be reduced as the memory layer 111 is thinned.

ナノ粒子を形成する導電性材料には、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、パラジウム(Pd)、タンタル(Ta)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、タングステン(W)、アルミニウム(Al)、鉄(Fe)、亜鉛(Zn)、錫(Sn)、チタン(Ti)、インジウム(In)等から選択された金属元素又はこれらの元素を主成分とする合金材料が用いられる。また、カドミウム(Cd)、亜鉛(Zn)の金属硫化物、ゲルマニウム(Ge)、ケイ素(Si)、ジルコニウム(Zr)、バリウム(Ba)や上述の金属元素などの酸化物、ハロゲン化物の一種又は複数種が混合されていてもよい。その他、導電性材料に、透明導電膜として用いられるITO、珪素を含有したインジウム錫酸化物、IZO等を用いることもできる。   The conductive material forming the nanoparticles includes gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), nickel (Ni), copper (Cu), palladium (Pd), tantalum (Ta), iridium (Ir) Metal elements selected from rhodium (Rh), tungsten (W), aluminum (Al), iron (Fe), zinc (Zn), tin (Sn), titanium (Ti), indium (In), etc. An alloy material containing an element as a main component is used. In addition, a metal sulfide of cadmium (Cd), zinc (Zn), germanium (Ge), silicon (Si), zirconium (Zr), barium (Ba), oxides such as the above metal elements, a kind of halide, or A plurality of types may be mixed. In addition, ITO used as a transparent conductive film, indium tin oxide containing silicon, IZO, or the like can be used as the conductive material.

なお、導電性材料に2種以上の元素もしくは化合物が用いられる場合、その混合状態については特に限定されず、例えばこれらの各々が均一に存在しても、コア部にいずれか一が偏在していても良い。   In the case where two or more elements or compounds are used for the conductive material, the mixed state is not particularly limited. For example, even if each of them is present uniformly, any one is unevenly distributed in the core portion. May be.

ナノ粒子の粒径は、1nm以上200nm以下、好ましくは1nm以上100nm以下が良く、吐出材料に含まれるナノ粒子の粒径は均一であるほうが好ましい。   The particle diameter of the nanoparticles is 1 nm or more and 200 nm or less, preferably 1 nm or more and 100 nm or less, and the particle diameter of the nanoparticles contained in the discharge material is preferably uniform.

なお、ナノ粒子は、気相法、液相法、固相法のいずれを用いて形成されたものであっても良く、その作製方法は特に限定されない。   The nanoparticles may be formed using any one of a gas phase method, a liquid phase method, and a solid phase method, and the manufacturing method thereof is not particularly limited.

なお、ナノ粒子を構成する導電性材料によっては電圧を印加した際、粒子間にボイドが発生することがある。これは、導電性材料の結晶成長が非常に速く進行したためであり、記憶素子への印加電圧を低く設定することやナノ粒子に合金材料を用いることでこのようなボイドの発生を抑制することができる。よって、より信頼性の高い記憶素子を得ることができる。   Depending on the conductive material constituting the nanoparticles, voids may be generated between the particles when a voltage is applied. This is because the crystal growth of the conductive material progressed very quickly, and the generation of such voids can be suppressed by setting the voltage applied to the memory element low and using an alloy material for the nanoparticles. it can. Therefore, a memory element with higher reliability can be obtained.

ナノ粒子を被覆する有機薄膜は、溶媒中においてナノ粒子の凝集を防ぎ、粒子を安定に分散させる機能を有する分散剤に相当する。そのため、有機薄膜を形成する化合物は、導電性材料が有する金属元素と配位結合を形成することが可能な物質や界面活性剤等により構成されている。ここで、金属元素と配位結合を形成する物質としては、アミノ基、チオール基(−SH)、スルファンジイル基(−S−)、ヒドロキシ基(−OH)、オキシ基(−O−)、カルボキシル基(−COOH)、シアノ基(−CN)等の窒素、硫黄、酸素原子などが有する孤立電子対を有する物質が挙げられる。例えば、エタノールアミン等のヒドロキシアミン類、ポリエチレンイミンやポリビニルピロリドン等のアミン系化合物、ポリビニルアルコール等のアルコール類、アルカンチオール類、ジチオール類、エチレングリコール、ジエチレングリコールやポリエチレングリコール等のグリコール類、ポリアクリル酸やカルボキシメチルセルロース等を用いることができる。また、界面活性剤としては、例えば、ビス(2−エチルヘキシル)スルホコハク酸やドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム等のアニオン性界面活性剤、ポリアルキルグリコールのアルキルエステルやアルキルフェニルエーテル等の非イオン性界面活性剤、フッ素系界面活性剤、ポリエチレンイミンとポリエチレンオキサイドとを有する共重合体等を用いることができる。なお、分散剤はナノ粒子に対し30wt%以上とした場合には吐出材料の粘度が高くなるため、1.0wt%以上30wt%以下が好ましい。   The organic thin film which coat | covers a nanoparticle is corresponded to the dispersing agent which has the function to prevent aggregation of a nanoparticle in a solvent and to disperse | distribute a particle stably. Therefore, the compound forming the organic thin film is composed of a substance, a surfactant, or the like that can form a coordinate bond with the metal element of the conductive material. Here, as a substance which forms a coordinate bond with a metal element, an amino group, a thiol group (—SH), a sulfanediyl group (—S—), a hydroxy group (—OH), an oxy group (—O—) , Carboxyl group (—COOH), cyano group (—CN) and the like, and a substance having a lone electron pair possessed by nitrogen, sulfur, oxygen atom and the like. For example, hydroxyamines such as ethanolamine, amine compounds such as polyethyleneimine and polyvinylpyrrolidone, alcohols such as polyvinyl alcohol, alkanethiols, dithiols, glycols such as ethylene glycol, diethylene glycol and polyethylene glycol, polyacrylic acid Or carboxymethylcellulose can be used. Examples of the surfactant include anionic surfactants such as bis (2-ethylhexyl) sulfosuccinic acid and sodium dodecylbenzenesulfonate, and nonionic surfactants such as alkyl esters of polyalkyl glycol and alkylphenyl ether. , Fluorosurfactants, copolymers having polyethyleneimine and polyethylene oxide, and the like can be used. In addition, since the viscosity of a discharge material will become high when a dispersing agent shall be 30 wt% or more with respect to a nanoparticle, 1.0 wt% or more and 30 wt% or less are preferable.

上記のような有機薄膜で被覆された導電性材料よりなるナノ粒子は溶媒に分散されて吐出される。溶媒には、水または有機溶媒を用いることができ、有機溶媒は水溶性有機溶媒であっても、非水溶性有機溶媒であっても良い。例えば、水溶性有機溶媒にはメタノール、エタノール、プロパノール、ブチルアルコール、グリセリン、ジプロピレングリコール、エチレングレコール等のアルコール、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル等のグリコールエーテル、2−ピロリドン、N−メチルピロリドン等の水溶性含窒素有機化合物や酢酸エチル等が挙げられる。また、非水溶性有機溶媒には、オクタン、ノナン、デカン等のアルカン、シクロアルカン、トルエン、キシレン、ベンゼン、ジクロロベンゼン等の芳香族等が挙げられる。もちろん、これら溶媒は必ずしも一種で使用する必要はなく、溶媒同士において相分離が生じなければ複数種を混合して用いることも可能である。   Nanoparticles made of a conductive material coated with an organic thin film as described above are dispersed in a solvent and discharged. As the solvent, water or an organic solvent can be used, and the organic solvent may be a water-soluble organic solvent or a water-insoluble organic solvent. For example, water-soluble organic solvents include alcohols such as methanol, ethanol, propanol, butyl alcohol, glycerin, dipropylene glycol, ethylene glycol, ketones such as acetone and methyl ethyl ketone, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol Examples thereof include glycol ethers such as monobutyl ether and diethylene glycol monobutyl ether, water-soluble nitrogen-containing organic compounds such as 2-pyrrolidone and N-methylpyrrolidone, and ethyl acetate. Examples of the water-insoluble organic solvent include alkanes such as octane, nonane and decane, aromatics such as cycloalkane, toluene, xylene, benzene and dichlorobenzene. Of course, these solvents do not necessarily need to be used alone, and a plurality of solvents can be mixed and used as long as phase separation does not occur between the solvents.

次に液滴吐出法に用いる液滴吐出装置の一態様を図5に示す。液滴吐出手段203の個々のヘッド205、ヘッド212は制御手段207に接続され、それをコンピュータ210で制御することにより予めプログラミングされたパターンに描画することができる。描画するタイミングは、例えば、記憶素子が設けられる基板200上に形成されたマーカー211を基準に行えば良い。あるいは、基板200の縁を基準としても良い。この基準を撮像手段204により検出し、画像処理手段209にてデジタル信号に変換したものをコンピュータ210で認識して制御信号を発生させて制御手段207に送る。撮像手段204としては、電荷結合素子(CCD)や相補型金属酸化物半導体を利用したイメージセンサなどを用いることができる。基板200上に形成されるべきパターンの情報は記憶媒体208に格納されたものであり、この情報をもとにして制御手段207に制御信号を送り、液滴吐出手段203の個々のヘッド205、ヘッド212を個別に制御する。吐出する材料は、材料供給源213、材料供給源214より配管を通してヘッド205、ヘッド212にそれぞれ供給される。   Next, one mode of a droplet discharge apparatus used for the droplet discharge method is shown in FIG. The individual heads 205 and 212 of the droplet discharge means 203 are connected to the control means 207, and can be drawn in a preprogrammed pattern by controlling it with the computer 210. The drawing timing may be performed based on, for example, the marker 211 formed on the substrate 200 provided with the memory element. Alternatively, the edge of the substrate 200 may be used as a reference. This reference is detected by the image pickup means 204, and converted into a digital signal by the image processing means 209 is recognized by the computer 210, a control signal is generated and sent to the control means 207. As the imaging means 204, a charge coupled device (CCD), an image sensor using a complementary metal oxide semiconductor, or the like can be used. Information on the pattern to be formed on the substrate 200 is stored in the storage medium 208. Based on this information, a control signal is sent to the control means 207, and the individual heads 205 of the droplet discharge means 203, The head 212 is individually controlled. The material to be discharged is supplied from the material supply source 213 and the material supply source 214 to the head 205 and the head 212 through piping.

ヘッド205内部は、点線206が示すように液状の材料を充填する空間と、吐出口であるノズルを有する構造となっている。ここでは図示していないが、ヘッド212もヘッド205と同様の内部構造を有する。例えば、ヘッド205とヘッド212におけるノズルのサイズを異ならせると、異なる材料を異なる幅で同時に描画することができる。もちろん、同じ材料を異なる幅で同時に描画することも可能である。   The inside of the head 205 has a structure having a space filled with a liquid material as indicated by a dotted line 206 and a nozzle that is a discharge port. Although not shown here, the head 212 also has the same internal structure as the head 205. For example, different sizes of nozzles in the head 205 and the head 212 can simultaneously draw different materials with different widths. Of course, it is possible to simultaneously draw the same material with different widths.

また、大型基板を用いる場合、ヘッド205、ヘッド212を図中の矢印の方向に自在に走査し、描画する領域を自由に設定することができる。そのため、同じパターンを一枚の基板に複数描画することもできる。また、ステージを動かし、描画する領域を自由に設定しても良い。もちろん、ヘッド及びステージを同時に動かしても良い。   In the case of using a large substrate, the head 205 and the head 212 can be freely scanned in the direction of the arrow in the drawing, and the drawing area can be freely set. Therefore, a plurality of the same patterns can be drawn on one substrate. Further, the stage may be moved to freely set the drawing area. Of course, the head and the stage may be moved simultaneously.

なお、吐出する材料の粘度は20mPa・s以下が好適であり、これはノズルから材料を円滑に吐出できるようにするためである。また、吐出する材料の表面張力は、40mN/m以下が好ましい。ただし、用いる溶媒や用途等に合わせて、吐出材料の粘度等は適宜調整するとよい。例えば、金や銀のナノ粒子が溶媒に分散された吐出材料の粘度は5mPa・s以上20mPa・s以下に設定するとよい。   The viscosity of the material to be discharged is preferably 20 mPa · s or less, so that the material can be smoothly discharged from the nozzle. The surface tension of the material to be discharged is preferably 40 mN / m or less. However, the viscosity and the like of the discharge material may be adjusted as appropriate in accordance with the solvent to be used and the application. For example, the viscosity of the discharge material in which gold or silver nanoparticles are dispersed in a solvent may be set to 5 mPa · s or more and 20 mPa · s or less.

このような液滴吐出装置を用いて、溶媒に有機薄膜で被覆された導電性材料よりなるナノ粒子が分散された吐出材料を所望の位置に吐出し、その後溶媒を気化するために乾燥する。乾燥条件は用いた溶媒により異なるが、例えば、溶媒にプロパノールを用いた場合には100度で5分間ほど行えば良い。なお、吐出時に第1の導電層110が設けられた基板を加熱して、乾燥に要する時間を短縮しても良い。   Using such a droplet discharge device, a discharge material in which nanoparticles made of a conductive material coated with an organic thin film in a solvent are dispersed is discharged to a desired position, and then dried to evaporate the solvent. The drying conditions vary depending on the solvent used. For example, when propanol is used as the solvent, the drying may be performed at 100 degrees for about 5 minutes. Note that the time required for drying may be shortened by heating the substrate provided with the first conductive layer 110 during discharge.

なお、吐出材料には、導電性材料、分散剤、溶媒の他にナノ粒子の作製時に用いられる物質、バインダー、可塑剤、シランカップリング剤等が含まれる場合もある。バインダーには、熱硬化性樹脂が用いられ、例えば、ポリイミド、アクリル、ノボラック樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フラン樹脂、ジアリルフタレート樹脂等の有機樹脂が挙げられる。なお、バインダーは熱硬化性樹脂の収縮力によりナノ粒子同士の不均一な融着箇所が発生することを抑制することができる。また、このような樹脂により、吐出材料の粘度を調節することも可能である。   In addition to the conductive material, the dispersant, and the solvent, the discharge material may include a substance used at the time of producing the nanoparticles, a binder, a plasticizer, a silane coupling agent, and the like. As the binder, a thermosetting resin is used, and examples thereof include organic resins such as polyimide, acrylic, novolac resin, melamine resin, phenol resin, epoxy resin, silicone resin, furan resin, and diallyl phthalate resin. In addition, the binder can suppress generation | occurrence | production of the non-uniform | heterogenous melt | fusion part of nanoparticles by the shrinkage force of a thermosetting resin. In addition, the viscosity of the discharge material can be adjusted with such a resin.

よって、メモリ層111を構成するナノ粒子を被覆する有機薄膜は、分散剤の他、溶媒、ナノ粒子の作製時に用いられる物質(例えば、還元剤)、バインダー、可塑剤、シランカップリング剤等が含まれる場合もある。さらに、溶媒が有機薄膜中に残留している場合もある。以上のように、メモリ層111を構成する有機薄膜は、少なくともナノ粒子が有する金属元素と配位結合を形成することが可能な物質や界面活性剤等から構成されており、さらにナノ粒子の作製時に用いられる物質、バインダー、可塑剤、シランカップリング剤等を有していても良い。   Therefore, the organic thin film covering the nanoparticles constituting the memory layer 111 includes a dispersant, a solvent, a substance (for example, a reducing agent) used when producing the nanoparticles, a binder, a plasticizer, a silane coupling agent, and the like. May be included. Furthermore, the solvent may remain in the organic thin film. As described above, the organic thin film constituting the memory layer 111 is composed of at least a metal element or a surfactant capable of forming a coordinate bond with the metal element included in the nanoparticle, and further the production of the nanoparticle. You may have the substance used sometimes, a binder, a plasticizer, a silane coupling agent, etc.

なお、上記では液滴吐出法を用いてメモリ層111を形成する場合について述べたが、吐出材料を高粘度化することにより、スクリーン印刷をはじめとする印刷法を用いて形成しても良い。印刷法であっても、蒸着法等と比べ材料の利用効率を高め、簡便にメモリ層111を形成することができる。ただし、これらに限られるものではなく、他の湿式法を用いて形成することも可能である。   Note that although the case where the memory layer 111 is formed using the droplet discharge method has been described above, the discharge layer may be formed using a printing method such as screen printing by increasing the viscosity of the discharge material. Even with the printing method, the use efficiency of the material can be increased compared with the vapor deposition method or the like, and the memory layer 111 can be easily formed. However, the present invention is not limited to these, and other wet methods can be used.

また、第1の導電層110及び第2の導電層112についても、液滴吐出法を用いて形成しても良い。   The first conductive layer 110 and the second conductive layer 112 may also be formed by a droplet discharge method.

以上のようにして、本発明の記憶素子を簡便に歩留り良く作製することができる。また、本発明の記憶素子は、書き込みを一度行った記憶素子に対しデータを消去することは不可能なため、書き換えによる偽造を防止することができる。よって、性能及び信頼性に優れた記憶素子を安価に作製することが可能となる。   As described above, the memory element of the present invention can be easily manufactured with high yield. In addition, since the memory element of the present invention cannot erase data from a memory element that has been written once, forgery due to rewriting can be prevented. Therefore, a memory element with excellent performance and reliability can be manufactured at low cost.

なお、本発明の記憶素子に印加する電圧は、第2の導電層112に比べ第1の導電層110により高い電圧をかけてもよいし、第1の導電層110に比べ第2の導電層112により高い電圧をかけてもよい。   Note that the voltage applied to the memory element of the present invention may be higher than that of the second conductive layer 112 in the first conductive layer 110, or may be higher than that of the first conductive layer 110. A higher voltage may be applied to 112.

また、記憶素子の構成は図1に限らず、図6に示す構成であっても良い。図6(A)に示す記憶素子は、第1の導電層110と、層300と、メモリ層111と、第2の導電層112とを有し、層300及びメモリ層111は第1の導電層110と第2の導電層112に挟持された構成であり、メモリ層111は、層300上に接して形成されている。なお、層300の膜厚は特に限定されないが、0.1nm以上50nm以下が好ましい。   In addition, the configuration of the memory element is not limited to that shown in FIG. A memory element illustrated in FIG. 6A includes a first conductive layer 110, a layer 300, a memory layer 111, and a second conductive layer 112. The layer 300 and the memory layer 111 each include a first conductive layer. The memory layer 111 is formed on and in contact with the layer 300. The memory layer 111 is sandwiched between the layer 110 and the second conductive layer 112. Note that there is no particular limitation on the thickness of the layer 300, but it is preferably 0.1 nm or more and 50 nm or less.

層300は絶縁層であり、絶縁性を有する無機化合物または有機化合物を用いて形成することができる。例えば無機化合物としては、酸化リチウム(LiO)、酸化ナトリウム(NaO)、酸化カリウム(KO)、酸化ルビジウム(RbO)、酸化ベリリウム(BeO)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化カルシウム(CaO)、酸化ストロンチウム(SrO)、酸化バリウム(BaO)等の酸化物、フッ化リチウム(LiF)、フッ化ナトリウム(NaF)、フッ化カリウム(KF)、フッ化ルビジウム(RbF)、フッ化ベリリウム(BeF)、フッ化マグネシウム(MgF)、フッ化カルシウム(CaF)、フッ化ストロンチウム(SrF)、フッ化バリウム(BaF)等のフッ化物や、その他絶縁性を有する窒化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物、炭酸塩、硫酸塩若しくは硝酸塩等が挙げられる。また、絶縁性を有する有機化合物としては、ポリイミド、アクリルポリマー、ポリアミド、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリエステル、ノボラック樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フラン樹脂、ジアリルフタレート樹脂等を用いることができる。また、ケイ素と酸素との結合で主鎖が構成される、いわゆるシロキサン系の材料を用いてもよい。 The layer 300 is an insulating layer and can be formed using an insulating inorganic or organic compound. For example, as an inorganic compound, lithium oxide (Li 2 O), sodium oxide (Na 2 O), potassium oxide (K 2 O), rubidium oxide (Rb 2 O), beryllium oxide (BeO), magnesium oxide (MgO), Oxides such as calcium oxide (CaO), strontium oxide (SrO), barium oxide (BaO), lithium fluoride (LiF), sodium fluoride (NaF), potassium fluoride (KF), rubidium fluoride (RbF), Fluoride such as beryllium fluoride (BeF 2 ), magnesium fluoride (MgF 2 ), calcium fluoride (CaF 2 ), strontium fluoride (SrF 2 ), barium fluoride (BaF 2 ), and other insulating materials Examples thereof include nitrides, chlorides, bromides, iodides, carbonates, sulfates and nitrates. As the organic compound having insulating properties, polyimide, acrylic polymer, polyamide, benzocyclobutene resin, polyester, novolac resin, melamine resin, phenol resin, epoxy resin, silicone resin, furan resin, diallyl phthalate resin, or the like is used. be able to. In addition, a so-called siloxane material in which a main chain is formed by a bond of silicon and oxygen may be used.

図6(A)に示すように絶縁層を設けることで、読み取り電圧を印加した際に未書き込み素子に流れてしまうリーク電流をより小さくすることができる。よって、読み取り時における消費電力を低減することが可能となる。   By providing an insulating layer as shown in FIG. 6A, leakage current that flows to an unwritten element when a read voltage is applied can be further reduced. Therefore, power consumption during reading can be reduced.

なお、本発明の記憶素子における書き込み電圧は、上述のようにメモリ層111を薄くすることで低減することができる。しかしながら、薄膜化すると書き込み電圧を低減することは可能なものの、薄膜化しすぎると読み取り時におけるリーク電流が増えてしまう。このような場合に、絶縁層を設けることは特に効果的である。   Note that the write voltage in the memory element of the present invention can be reduced by making the memory layer 111 thinner as described above. However, although it is possible to reduce the writing voltage if the film is thinned, the leakage current at the time of reading increases if the film is too thin. In such a case, it is particularly effective to provide an insulating layer.

この絶縁層は、蒸着法、スパッタ法、CVD法、印刷法、スピンコート法、ゾルゲル法または液滴吐出法等を用いて形成することができる。なかでも、絶縁性を有する有機化合物を用いて液滴吐出法により形成することが好ましい。この場合、絶縁層は前記有機化合物もしくはその反応物質を有機溶媒に溶解させた組成物を所望の位置に吐出し、溶媒を除去することにより形成される。そのため、メモリ層111を形成するために用いられる組成物の溶媒に、絶縁層を形成するために用いた有機溶媒と相分離が生じる溶媒を選択することで、絶縁層を形成する際に有機溶媒が除去しきれていなくともメモリ層111を形成するための組成物を吐出することができる。よって、絶縁層を形成するために溶媒を除去するための乾燥工程を別途設ける必要はなく、例えば絶縁層の形成時に第1の導電層110が設けられた基板を加熱する程度で足りる。また、後の工程のメモリ層111を形成する際に施す乾燥と兼ねて行うことも可能である。さらに、絶縁性を有する有機化合物を用いて液滴吐出法により形成された絶縁層は密度が低く嵩高いため、他の方法もしくは他の絶縁性材料を用いて形成された絶縁層に比べ、層300を設けることによる書き込み電圧の上昇をほとんど招くことなく、読み取り時における未書き込み素子に流れるリーク電流を低減することができる。   This insulating layer can be formed using a vapor deposition method, a sputtering method, a CVD method, a printing method, a spin coating method, a sol-gel method, a droplet discharge method, or the like. Among these, it is preferable to form the organic compound having an insulating property by a droplet discharge method. In this case, the insulating layer is formed by discharging a composition obtained by dissolving the organic compound or a reactant thereof in an organic solvent to a desired position and removing the solvent. Therefore, when the insulating layer is formed, the organic solvent used for forming the insulating layer and the solvent that causes phase separation are selected as the solvent of the composition used for forming the memory layer 111. Even if not completely removed, the composition for forming the memory layer 111 can be discharged. Therefore, it is not necessary to separately provide a drying step for removing the solvent in order to form the insulating layer. For example, it is sufficient to heat the substrate provided with the first conductive layer 110 when forming the insulating layer. Further, it can be performed in combination with drying performed when forming the memory layer 111 in a later step. In addition, an insulating layer formed by a droplet discharge method using an organic compound having an insulating property has a low density and is bulky. Therefore, compared with an insulating layer formed using another method or another insulating material, Leakage current flowing in an unwritten element at the time of reading can be reduced with almost no increase in write voltage due to the provision of 300.

また、層300は半導体層であっても良く、酸化モリブデン、酸化スズ、酸化ビスマス、シリコン膜、酸化バナジウム、酸化ニッケル、酸化亜鉛、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、酸化インジウム、リン化インジウム、窒化インジウム、硫化カドミウム、テルル化カドミウム、チタン酸ストロンチウム膜などの無機半導体を用いて形成することができる。   Alternatively, the layer 300 may be a semiconductor layer, such as molybdenum oxide, tin oxide, bismuth oxide, silicon film, vanadium oxide, nickel oxide, zinc oxide, silicon germanium, gallium arsenide, gallium nitride, indium oxide, indium phosphide. , Indium nitride, cadmium sulfide, cadmium telluride, and a strontium titanate film.

半導体層においても液滴吐出法や印刷法を用いて形成することができる。また、他の形成方法として、蒸着法、電子ビーム、スパッタリング法、CVD法、スピンコート法、ゾルゲル法等を用いても良い。   The semiconductor layer can also be formed using a droplet discharge method or a printing method. As other formation methods, an evaporation method, an electron beam, a sputtering method, a CVD method, a spin coating method, a sol-gel method, or the like may be used.

また、記憶素子の構成は図6(A)に限らず、図6(B)のように層300は第2の導電層112に接して設けられていても良い。また、図6(C)に示すように、層300を第1の導電層110及び第2の導電層112に接するように2層設けても良い。   The structure of the memory element is not limited to FIG. 6A, and the layer 300 may be provided in contact with the second conductive layer 112 as illustrated in FIG. 6B. Further, as illustrated in FIG. 6C, two layers of the layer 300 may be provided so as to be in contact with the first conductive layer 110 and the second conductive layer 112.

以上のように、第1の導電層及び第2の導電層の少なくとも一方に接してさらに絶縁層もしくは半導体層を設けることにより、読み取り時における未書き込み素子に流れるリーク電流を低減することができる。よって、消費電力を低減することも可能となる。   As described above, by providing an insulating layer or a semiconductor layer in contact with at least one of the first conductive layer and the second conductive layer, leakage current flowing through an unwritten element at the time of reading can be reduced. Therefore, power consumption can be reduced.

(実施の形態2)
本実施形態では、本発明の記憶素子を有する半導体装置、代表的には記憶装置について図面を用いて説明する。ここでは、記憶装置の構成がパッシブマトリクス型の場合に関して示す。
(Embodiment 2)
In this embodiment mode, a semiconductor device having a memory element of the present invention, typically a memory device, will be described with reference to the drawings. Here, a case where the structure of the storage device is a passive matrix type is shown.

本実施形態で示す半導体装置の一構成例を図7(A)に示す。半導体装置400は、記憶素子401がマトリクス状に設けられたメモリセルアレイ411、デコーダ412、413、セレクタ414、読み出し/書き込み回路415を有する。なお、ここで示す半導体装置400の構成はあくまで一例であり、センスアンプ、出力回路、バッファ等の他の回路を有していてもよい。   One structural example of the semiconductor device described in this embodiment is illustrated in FIG. The semiconductor device 400 includes a memory cell array 411 in which memory elements 401 are provided in a matrix, decoders 412 and 413, a selector 414, and a read / write circuit 415. Note that the structure of the semiconductor device 400 shown here is merely an example, and other circuits such as a sense amplifier, an output circuit, and a buffer may be included.

なお、デコーダ412、413、セレクタ414、読み出し/書き込み回路415、インターフェイス等は、記憶素子と同様に基板上に形成しても良いし、ICチップとして外付けしても良い。   Note that the decoders 412, 413, the selector 414, the read / write circuit 415, the interface, and the like may be formed over the substrate in the same manner as the memory element, or may be externally attached as an IC chip.

記憶素子401は、ワード線Wy(1≦y≦n)に接続される第1の導電層と、ビット線Bx(1≦x≦m)に接続される第2の導電層と、第1の導電層と第2の導電層に挟持されたメモリ層とを有する。   The memory element 401 includes a first conductive layer connected to the word line Wy (1 ≦ y ≦ n), a second conductive layer connected to the bit line Bx (1 ≦ x ≦ m), A memory layer sandwiched between the conductive layer and the second conductive layer;

メモリセルアレイ411の上面図と断面図の一例に関して図8に示す。なお、図8(A)はメモリセルアレイ411の一部の上面図を示している。   An example of a top view and a cross-sectional view of the memory cell array 411 is illustrated in FIG. Note that FIG. 8A is a top view of part of the memory cell array 411. FIG.

メモリセルアレイ411には、記憶素子401がマトリクス状に設けられている。記憶素子401は、基板上に、第1の方向(A−B)に延びた第1の導電層510と、第1の方向と垂直な第2の方向(C−D)に延びたメモリ層及び第2の導電層512とを有する。なお、複数設けられたメモリ層及び第2の導電層512の各々の間には第2の方向に延びた隔壁(絶縁層)520が設けられており、この、隔壁(絶縁層)520により第1の方向(A−B)に隣接する記憶素子を分離している。なお、記憶素子401に用いられる各々の層は、実施の形態1で示した物質を用いて形成することができる。図8(A)では、隔壁(絶縁層)520及び第2の導電層512を覆うように設けられた保護膜として機能する絶縁層が省略されている。   In the memory cell array 411, memory elements 401 are provided in a matrix. The memory element 401 includes a first conductive layer 510 extending in a first direction (A-B) and a memory layer extending in a second direction (C-D) perpendicular to the first direction on the substrate. And a second conductive layer 512. Note that a partition wall (insulating layer) 520 extending in the second direction is provided between each of the plurality of memory layers and the second conductive layer 512. The memory elements adjacent to each other in the direction 1 (AB) are separated. Note that each layer used for the memory element 401 can be formed using the substance described in Embodiment 1. In FIG. 8A, an insulating layer functioning as a protective film provided to cover the partition wall (insulating layer) 520 and the second conductive layer 512 is omitted.

なお、本実施形態における第1の導電層510は、実施の形態1における第1の導電層110に相当し、メモリ層は、メモリ層111に相当する。また、第2の導電層512は実施の形態1における第2の導電層112に相当する。実施の形態1と同様のものに関しては共通の符号を用いて示し、同一部分又は同様な機能を有する部分の詳細な説明は省略する。   Note that the first conductive layer 510 in this embodiment corresponds to the first conductive layer 110 in Embodiment 1, and the memory layer corresponds to the memory layer 111. The second conductive layer 512 corresponds to the second conductive layer 112 in Embodiment 1. Components similar to those in Embodiment 1 are denoted by common reference numerals, and detailed description of the same portions or portions having similar functions is omitted.

図8(A)におけるA−B間の断面構造の一例を図8(B)に、C−D間の断面構造の一例を図8(C)に示す。記憶素子401が設けられた基板521には、ガラス基板や可撓性基板の他、石英基板、シリコン基板、金属基板、ステンレス基板、繊維質な材料からなる紙等を用いることができる。可撓性基板とは、折り曲げることができる(フレキシブル)基板のことであり、例えば、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエーテルスルフォン等からなるプラスチック基板等が挙げられる。また、フィルム(ポリプロピレン、ポリエステル、ポリフッ化ビニル、ポリ塩化ビニルなどからなる)を用いることもできる。   An example of a cross-sectional structure between A and B in FIG. 8A is shown in FIG. 8B, and an example of a cross-sectional structure between C and D is shown in FIG. As the substrate 521 provided with the memory element 401, a glass substrate, a flexible substrate, a quartz substrate, a silicon substrate, a metal substrate, a stainless steel substrate, paper made of a fibrous material, or the like can be used. The flexible substrate is a substrate that can be bent (flexible), and examples thereof include a plastic substrate made of polycarbonate, polyarylate, polyethersulfone, or the like. A film (made of polypropylene, polyester, polyvinyl fluoride, polyvinyl chloride, or the like) can also be used.

また、絶縁性を有する基板上に薄膜トランジスタ(TFT)を設けてその上に記憶素子401を設けてもよいし、上記基板の代わりにSi等の半導体基板やSOI基板を用いて基板上に電界効果トランジスタ(FET)を形成しその上に記憶素子401を設けてもよい。また、記憶素子401と薄膜トランジスタまたは電界効果トランジスタを貼り合わせることによって設けてもよい。この場合、記憶素子401と薄膜トランジスタまたは電界効果トランジスタは別工程で作製し、その後、導電性フィルムや異方性導電接着剤等を用いて貼り合わせることによって設けることができる。   Further, a thin film transistor (TFT) may be provided over an insulating substrate and the memory element 401 may be provided thereover, or a field effect on the substrate using a semiconductor substrate such as Si or an SOI substrate instead of the substrate. A transistor (FET) may be formed and the memory element 401 may be provided thereover. Alternatively, the memory element 401 may be provided by bonding a thin film transistor or a field effect transistor. In this case, the memory element 401 and the thin film transistor or the field effect transistor can be provided in separate steps and then attached by using a conductive film, an anisotropic conductive adhesive, or the like.

図8(B)及び図8(C)では、まず基板521上に第1の導電層110を、蒸着法、スパッタ法、CVD法、印刷法、電解メッキ法、無電解メッキ法、液滴吐出法等を用いて形成する。次に、隔壁(絶縁層)520を、スパッタ法、CVD法、印刷法、液滴吐出法、スピンコート法、蒸着法等を用いて形成する。なお、隔壁(絶縁層)520には、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素等の無機絶縁性材料、アクリル酸、メタクリル酸及びこれらの誘導体、又はポリイミド、芳香族ポリアミド、ポリベンゾイミダゾールなどの耐熱性高分子、又はシロキサン樹脂を用いてもよい。また、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールなどのビニル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ノボラック樹脂、アクリル樹脂、メラミン樹脂、ウレタン樹脂等の樹脂材料を用いても良いし、またベンゾシクロブテン、パリレン、フッ化アリーレンエーテル、ポリイミドなどの有機材料、水溶性ホモポリマーと水溶性共重合体を含む組成物等を用いてもよい。また、A−B間の断面即ち図8(B)に示す隔壁(絶縁層)520の断面において、隔壁(絶縁層)520の側面は、第1の導電層110の表面に対して10度以上60度未満、好ましくは25度以上45度以下の傾斜角度を有することが好ましい。さらには、湾曲していることが好ましい。このような形状とすることで、液滴吐出法を用いてメモリ層111を形成する際、吐出材料が所望の位置より不要に広がることを防ぐことができる。次に、第1の導電層110上に前述したようにメモリ層111を液滴吐出法を用いて形成する。さらに、メモリ層111上に第2の導電層112を、蒸着法、スパッタ法、CVD法、印刷法または液滴吐出法等を用いて形成する。そして、隔壁(絶縁層)520及び第2の導電層112を覆うように保護膜として機能する絶縁層522を設ける。なお、保護膜には、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素等を用いることができ、水分や酸素等の侵入を防ぐことができる。   8B and 8C, first, a first conductive layer 110 is formed over a substrate 521 by vapor deposition, sputtering, CVD, printing, electroplating, electroless plating, or droplet discharge. It is formed using a method or the like. Next, a partition wall (insulating layer) 520 is formed by a sputtering method, a CVD method, a printing method, a droplet discharge method, a spin coating method, an evaporation method, or the like. Note that the partition wall (insulating layer) 520 has a heat resistance such as an inorganic insulating material such as silicon oxide, silicon nitride, or silicon oxynitride, acrylic acid, methacrylic acid, or a derivative thereof, or polyimide, aromatic polyamide, or polybenzimidazole. A functional polymer or a siloxane resin may be used. In addition, resin materials such as vinyl resins such as polyvinyl alcohol and polyvinyl butyral, epoxy resins, phenol resins, novolac resins, acrylic resins, melamine resins, and urethane resins may be used, and benzocyclobutene, parylene, and fluorinated arylene. An organic material such as ether or polyimide, a composition containing a water-soluble homopolymer and a water-soluble copolymer, or the like may be used. Further, in the cross section between A and B, that is, the cross section of the partition wall (insulating layer) 520 illustrated in FIG. 8B, the side surface of the partition wall (insulating layer) 520 is 10 degrees or more with respect to the surface of the first conductive layer 110. It is preferable to have an inclination angle of less than 60 degrees, preferably 25 degrees or more and 45 degrees or less. Furthermore, it is preferable that it is curved. With such a shape, when the memory layer 111 is formed using a droplet discharge method, the discharge material can be prevented from being unnecessarily spread from a desired position. Next, as described above, the memory layer 111 is formed over the first conductive layer 110 by a droplet discharge method. Further, the second conductive layer 112 is formed over the memory layer 111 by an evaporation method, a sputtering method, a CVD method, a printing method, a droplet discharge method, or the like. Then, an insulating layer 522 functioning as a protective film is provided so as to cover the partition wall (insulating layer) 520 and the second conductive layer 112. Note that silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, or the like can be used for the protective film, so that entry of moisture, oxygen, or the like can be prevented.

また、C−D間の断面即ち図8(C)に示す第1の導電層110の断面において、第1の導電層110の側面は、基板521の表面に対し概略垂直、もしくは10度以上90度未満の傾斜を有することが好ましい。また、第1の導電層110は曲率半径が連続的に変化する形状であっても良い。なお、概略垂直とは90°(±1°)をいう。このような形状とすることで、第1の導電層110上に積層するメモリ層111及び第2の導電層112等のカバレッジを良好なものとすることができる。   In the cross section taken along the line C-D, that is, the cross section of the first conductive layer 110 shown in FIG. 8C, the side surface of the first conductive layer 110 is substantially perpendicular to the surface of the substrate 521 or 90 degrees or more. Preferably it has a slope of less than degrees. Further, the first conductive layer 110 may have a shape in which the radius of curvature continuously changes. Note that “substantially vertical” means 90 ° (± 1 °). With such a shape, coverage of the memory layer 111 and the second conductive layer 112 stacked on the first conductive layer 110 can be improved.

なお、メモリ層111を形成するための吐出材料は、液状であるため被形成領域の表面状態に大きく影響を受ける。そのため、隔壁(絶縁層)520にぬれ性を制御する処理を施しても良い。固体表面のぬれ性は、表面の化学的性質及び物理的な表面形状(表面粗さ)に影響をうける。本発明において表面のぬれ性を制御する処理とは、液状の吐出材料の付着領域に該吐出材料に対してぬれ性の異なる領域を形成することである。なお、ぬれ性の異なる領域とは、吐出材料に対しぬれ性に差を有する、即ち吐出材料の接触角が異なる領域である。吐出材料の接触角が大きい領域は、よりぬれ性が低い領域(以下、低ぬれ性領域ともいう)であり、接触角が小さい領域はぬれ性の高い領域(以下、高ぬれ性領域ともいう)である。接触角が大きいと液状の吐出材料は領域表面上で広がらず、接触角が小さいと吐出材料は広がる。このように、ぬれ性が異なる領域では、表面エネルギーも異なり、ぬれ性が低い領域における表面エネルギーは小さく、ぬれ性の高い領域表面における表面エネルギーは大きい。   Note that since the discharge material for forming the memory layer 111 is in a liquid state, it is greatly affected by the surface state of the formation region. Therefore, the partition wall (insulating layer) 520 may be processed to control wettability. The wettability of a solid surface is affected by the surface chemical properties and the physical surface shape (surface roughness). In the present invention, the process for controlling the wettability of the surface is to form regions having different wettability with respect to the discharge material in the adhesion region of the liquid discharge material. Note that regions having different wettability are regions having a difference in wettability with respect to the discharged material, that is, different contact angles of the discharged material. The region where the contact angle of the discharged material is large is a region with lower wettability (hereinafter also referred to as a low wettability region), and the region with a small contact angle is a region with high wettability (hereinafter also referred to as a high wettability region). It is. When the contact angle is large, the liquid discharge material does not spread on the surface of the region, and when the contact angle is small, the discharge material spreads. As described above, in the regions having different wettability, the surface energy is also different, the surface energy in the region having low wettability is small, and the surface energy in the region having high wettability is large.

なお、ぬれ性の違いは両領域の相対的な関係であり、ここではメモリ層111の被形成領域である隔壁(絶縁層)520上に低ぬれ性領域を形成することで、所望の形成領域とぬれ性の異なる領域を形成することができる。選択的に低ぬれ性領域を形成する方法としては、マスク層を形成し、そのマスク層を用いて、選択的に低ぬれ性物質からなる層を形成する方法、選択的にぬれ性を低める表面処理方法などを用いて形成することができる。   Note that the difference in wettability is a relative relationship between the two regions. Here, a desired formation region is formed by forming a low wettability region over a partition wall (insulating layer) 520 which is a formation region of the memory layer 111. And regions having different wettability can be formed. As a method for selectively forming a low wettability region, a mask layer is formed, and a layer made of a low wettability material is selectively formed using the mask layer. A surface that selectively reduces wettability. It can be formed using a processing method or the like.

例えば、表面のぬれ性を変化させ制御する方法として、光照射のエネルギーによって表面の物質を分解し、領域表面を改質し、ぬれ性を変化させる方法がある。ぬれ性が低い物質として、フッ化炭素基(フッ化炭素鎖)を含む物質、あるいはシランカップリング剤を含む物質を用いることができる。シランカップリング剤は単分子膜を形成することができるため、改質を効率よく行え、短時間でぬれ性を変化させることができる。また、シランカップリング剤は、フッ化炭素鎖を有するもののみでなく、アルキル基を有するものも基板に配列させることで低ぬれ性を示すため用いることができる。また、ぬれ性が低い物質としてチタネートカップリング剤、アルミネートカップリング剤を用いてもよい。   For example, as a method for changing and controlling the wettability of the surface, there is a method of changing the wettability by decomposing the surface material by the energy of light irradiation, modifying the surface of the region. As a substance having low wettability, a substance containing a fluorocarbon group (fluorocarbon chain) or a substance containing a silane coupling agent can be used. Since the silane coupling agent can form a monomolecular film, the modification can be performed efficiently and the wettability can be changed in a short time. The silane coupling agent can be used not only having a fluorocarbon chain but also having an alkyl group because it exhibits low wettability by arranging it on a substrate. Moreover, you may use a titanate coupling agent and an aluminate coupling agent as a substance with low wettability.

液状の吐出材料はぬれ性の高い方へ移動するため、より正確な位置へのパターン形成が可能となる。また、材料の利用効率を向上させることができる。   Since the liquid discharge material moves to a higher wettability, it is possible to form a pattern at a more accurate position. In addition, the utilization efficiency of the material can be improved.

また、図9(A)のC−D間の断面構造に示されるように、記憶素子401において第1の導電層110と基板521との間に整流性を有する素子を設けてもよい。整流性を有する素子とは、ショットキー・バリア型、PIN型、PN型のダイオードの他、ダイオード接続されているトランジスタ等があげられる。ここでは、第3の導電層612及び半導体層613で構成されるダイオード611を第1の導電層110の下に接して設けている。なお、各記憶素子に対応するダイオード611は、層間絶縁膜614により分離されている。また、整流性を有する素子は第2の導電層112と接してメモリ層111と反対側に設けてもよい。   9A, a rectifying element may be provided between the first conductive layer 110 and the substrate 521 in the memory element 401. Examples of rectifying elements include Schottky barrier type, PIN type, and PN type diodes, and diode-connected transistors. Here, a diode 611 including the third conductive layer 612 and the semiconductor layer 613 is provided below and in contact with the first conductive layer 110. Note that the diodes 611 corresponding to the memory elements are separated by an interlayer insulating film 614. Alternatively, the rectifying element may be provided on the side opposite to the memory layer 111 in contact with the second conductive layer 112.

また、第2の方向(C−D)において隣接する記憶素子間への電界の影響が懸念される場合は、図9(B)に示すように各記憶素子の第1の導電層110の間に隔壁(絶縁層)621を設けてもよい。これにより、隣接する記憶素子間への電界の影響を防止するだけでなく、第1の導電層110を覆ってメモリ層111を設ける際に第1の導電層110の段差により生じるメモリ層111の段切れを防止することができる。   Further, in the case where there is a concern about the influence of an electric field between adjacent memory elements in the second direction (C-D), as illustrated in FIG. 9B, the first conductive layer 110 between the memory elements. A partition wall (insulating layer) 621 may be provided. This not only prevents the influence of an electric field between adjacent memory elements, but also prevents the memory layer 111 from being generated due to a step of the first conductive layer 110 when the memory layer 111 is provided to cover the first conductive layer 110. Step breakage can be prevented.

なお、図9(B)に示す隔壁(絶縁層)621の断面において、隔壁(絶縁層)621の側面は、第1の導電層110の表面に対して10度以上60度未満、好ましくは25度以上45度以下の傾斜角度を有することが好ましい。さらには、湾曲していることが好ましい。このように隔壁(絶縁層)621を設けた後、第1の導電層110および隔壁(絶縁層)621を覆うようにメモリ層111及び第2の導電層112を形成する。また、上記構成に限らず、図9(C)に示すように第1の導電層110上のみにメモリ層111を形成しても良い。この場合、隔壁(絶縁層)621上に対しぬれ性を制御する処理を施し、低ぬれ性領域を形成することが好ましい。   Note that in the cross section of the partition wall (insulating layer) 621 illustrated in FIG. 9B, the side surface of the partition wall (insulating layer) 621 is greater than or equal to 10 degrees and less than 60 degrees, preferably 25 with respect to the surface of the first conductive layer 110. It preferably has an inclination angle of not less than 45 degrees and not more than 45 degrees. Furthermore, it is preferable that it is curved. After the partition wall (insulating layer) 621 is thus provided, the memory layer 111 and the second conductive layer 112 are formed so as to cover the first conductive layer 110 and the partition wall (insulating layer) 621. In addition to the above structure, the memory layer 111 may be formed only over the first conductive layer 110 as illustrated in FIG. In this case, it is preferable to perform a process for controlling wettability on the partition wall (insulating layer) 621 to form a low wettability region.

次に、記憶素子へのデータの書き込み動作について説明する。ここでは、電気的作用、代表的には電圧の印加によりデータの書き込みを行う場合について図7を用いて説明する。なお、書き込みは記憶素子の電気的特性を変化させることで行うが、記憶素子の初期状態(電気的作用を加えていない状態)をデータ「0」、電気的特性を変化させた状態をデータ「1」とする。   Next, a data writing operation to the memory element will be described. Here, a case where data writing is performed by electrical action, typically, application of voltage will be described with reference to FIG. Note that writing is performed by changing the electrical characteristics of the memory element, but the initial state of the memory element (the state where no electrical action is applied) is the data “0”, and the state where the electrical characteristic is changed is the data “ 1 ”.

記憶素子401にデータ「1」を書き込む場合、まず、デコーダ412、413およびセレクタ414によって記憶素子401を選択する。具体的には、デコーダ413によって、記憶素子401に接続されるワード線W3に所定の電位V2を印加する。また、デコーダ412とセレクタ414によって、記憶素子401に接続されるビット線B3を読み出し/書き込み回路415に接続する。そして、読み出し/書き込み回路415からビット線B3へ書き込み電位V1を出力する。こうして、当該記憶素子401を構成する第1の導電層と第2の導電層の間に電圧Vw(Vw=V1−V2)を印加する。電圧Vwを適切に選ぶことで、当該導電層間に設けられたメモリ層を物理的もしくは電気的変化させ、データ「1」の書き込みを行う。具体的には、読み出し動作電圧において、データ「1」の状態の第1の導電層と第2の導電層の間の電気抵抗が、データ「0」の状態と比べて、大幅に小さくなるように変化させるとよく、例えば第1の導電層と第2の導電層を短絡(ショート)させれば良い。電圧Vwは、例えば5V以上かつ15V以下、あるいは−15V以上かつ−5V以下とすればよい。   When writing data “1” to the memory element 401, first, the memory element 401 is selected by the decoders 412, 413 and the selector 414. Specifically, the decoder 413 applies a predetermined potential V2 to the word line W3 connected to the storage element 401. In addition, the bit line B 3 connected to the memory element 401 is connected to the read / write circuit 415 by the decoder 412 and the selector 414. Then, the write potential V1 is output from the read / write circuit 415 to the bit line B3. In this manner, the voltage Vw (Vw = V1−V2) is applied between the first conductive layer and the second conductive layer included in the memory element 401. By appropriately selecting the voltage Vw, the memory layer provided between the conductive layers is physically or electrically changed, and data “1” is written. Specifically, at the read operation voltage, the electrical resistance between the first conductive layer and the second conductive layer in the data “1” state is significantly smaller than that in the data “0” state. For example, the first conductive layer and the second conductive layer may be short-circuited. The voltage Vw may be, for example, 5 V or more and 15 V or less, or −15 V or more and −5 V or less.

なお、非選択のワード線および非選択のビット線には、接続される記憶素子にデータ「1」が書き込まれないよう制御する。例えば、非選択のワード線および非選択のビット線を浮遊状態とすればよい。また、非選択のワード線には、第2の導電層と同程度の電位を印加するとよい。   Note that control is performed so that data “1” is not written to the memory element connected to the non-selected word line and the non-selected bit line. For example, unselected word lines and unselected bit lines may be set in a floating state. In addition, it is preferable to apply the same potential as that of the second conductive layer to the non-selected word lines.

一方、記憶素子401にデータ「0」を書き込む場合は、記憶素子401には電気的作用を加えなければよい。回路動作上は、例えば、「1」を書き込む場合と同様に、デコーダ412、413およびセレクタ414によって記憶素子401を選択するが、読み出し/書き込み回路415からビット線B3への出力電位を、選択されたワード線W3の電位あるいは非選択ワード線の電位と同程度とし、記憶素子401を構成する第1の導電層と第2の導電層の間に、記憶素子401の電気的特性を変化させない程度の電圧(例えば−5以上5V以下)を印加すればよい。   On the other hand, when data “0” is written to the memory element 401, it is not necessary to apply an electrical action to the memory element 401. In the circuit operation, for example, as in the case of writing “1”, the memory element 401 is selected by the decoders 412 and 413 and the selector 414, but the output potential from the read / write circuit 415 to the bit line B3 is selected. The potential of the word line W3 or the potential of the non-selected word line is such that the electrical characteristics of the memory element 401 are not changed between the first conductive layer and the second conductive layer constituting the memory element 401. (For example, −5 to 5 V) may be applied.

続いて、記憶素子からデータの読み出しを行う際の動作について図7(B)を用いて説明する。データの読み出しは、第1の導電層と第2の導電層の間の電気的特性が、データ「0」を有する記憶素子とデータ「1」を有する記憶素子とで異なることを利用して行う。例えば、データ「0」を有する記憶素子を構成する第1の導電層と第2の導電層の間の実効的な電気抵抗(以下、単に記憶素子の電気抵抗と呼ぶ)が、読み出し電圧においてR0、データ「1」を有する記憶素子の電気抵抗を、読み出し電圧においてR1とし、電気抵抗の差を利用して読み出す方法を説明する。なお、R1<<R0とする。読み出し/書き込み回路415は、読み出し部分の構成として、例えば図7(B)に示す抵抗素子450と差動増幅器451を有する回路を用いることができる。抵抗素子450は抵抗値Rrを有し、R1<Rr<R0であるとする。また、抵抗素子450の代わりに図7(C)に示すように、トランジスタ452を用いても良いし、差動増幅器451の代わりにクロックトインバータ453を用いることも可能である。クロックトインバータ453には、読み出しを行うときにHigh、行わないときにLowとなる、信号φ又はその反転信号が入力される。もちろん、回路構成は図7(B)及び(C)に限定されない。   Next, an operation for reading data from the memory element is described with reference to FIG. Data reading is performed using the fact that the electrical characteristics between the first conductive layer and the second conductive layer are different between the memory element having the data “0” and the memory element having the data “1”. . For example, the effective electrical resistance (hereinafter simply referred to as the electrical resistance of the memory element) between the first conductive layer and the second conductive layer constituting the memory element having data “0” is R0 at the read voltage. A method of reading data by using the difference in electric resistance when the electric resistance of the memory element having data “1” is R1 in the read voltage will be described. Note that R1 << R0. The read / write circuit 415 can use, for example, a circuit including a resistance element 450 and a differential amplifier 451 illustrated in FIG. The resistance element 450 has a resistance value Rr, and R1 <Rr <R0. Further, as shown in FIG. 7C, a transistor 452 may be used instead of the resistance element 450, and a clocked inverter 453 may be used instead of the differential amplifier 451. The clocked inverter 453 receives a signal φ or its inverted signal that is High when reading is performed and is Low when the reading is not performed. Of course, the circuit configuration is not limited to FIGS. 7B and 7C.

記憶素子402からデータの読み出しを行う場合、まず、デコーダ412、413およびセレクタ414によって記憶素子402を選択する。具体的には、デコーダ413によって、記憶素子402に接続されるワード線Wyに所定の電位Vyを印加する。また、デコーダ412とセレクタ414によって記憶素子402に接続されるビット線Bxを、読み出し/書き込み回路415の端子Pに接続する。その結果、端子Pの電位Vpは、VyとV0が抵抗素子450(抵抗値Rr)と記憶素子402(抵抗値R0もしくはR1)による抵抗分割によって決定される値となる。従って、記憶素子402がデータ「0」を有する場合の端子Pの電位Vp0は、Vp0=Vy+(V0−Vy)×R0/(R0+Rr)となる。また、記憶素子402がデータ「1」を有する場合の端子Pの電位Vp1には、Vp1=Vy+(V0−Vy)×R1/(R1+Rr)となる。その結果、図7(B)では、VrefをVp0とVp1の間となるように選択することで、図7(C)ではクロックトインバータ453の変化点をVp0とVp1の間となるように選択することで、出力電位Voutがデータ「0」/「1」に応じて、Low/High(もしくはHigh/Low)が出力され、読み出しを行うことができる。   When data is read from the memory element 402, first, the memory element 402 is selected by the decoders 412 and 413 and the selector 414. Specifically, the decoder 413 applies a predetermined potential Vy to the word line Wy connected to the memory element 402. In addition, the bit line Bx connected to the memory element 402 by the decoder 412 and the selector 414 is connected to the terminal P of the read / write circuit 415. As a result, the potential Vp of the terminal P becomes a value determined by resistance division of Vy and V0 by the resistance element 450 (resistance value Rr) and the memory element 402 (resistance value R0 or R1). Therefore, the potential Vp0 of the terminal P when the memory element 402 has data “0” is Vp0 = Vy + (V0−Vy) × R0 / (R0 + Rr). Further, the potential Vp1 of the terminal P when the memory element 402 has data “1” is Vp1 = Vy + (V0−Vy) × R1 / (R1 + Rr). As a result, in FIG. 7B, Vref is selected to be between Vp0 and Vp1, and in FIG. 7C, the changing point of the clocked inverter 453 is selected to be between Vp0 and Vp1. Thus, Low / High (or High / Low) is output according to the output potential Vout corresponding to the data “0” / “1”, and reading can be performed.

例えば、差動増幅器451をVdd=3Vで動作させ、Vy=0V、V0=3V、Vref=1.5Vとする。仮に、R0/Rr=Rr/R1=9とすると、記憶素子のデータが「0」の場合、Vp0=2.7VとなりVoutはHighが出力され、記憶素子のデータが「1」の場合、Vp1=0.3VとなりVoutはLowが出力される。こうして、記憶素子の読み出しを行うことができる。   For example, the differential amplifier 451 is operated at Vdd = 3V, and Vy = 0V, V0 = 3V, and Vref = 1.5V. Assuming that R0 / Rr = Rr / R1 = 9, when the data in the memory element is “0”, Vp0 = 2.7V and Vout is High, and when the data in the memory element is “1”, Vp1 = 0.3V and Low is output as Vout. Thus, the memory element can be read.

上記の方法では、メモリ層の電気抵抗の状態は、抵抗値の相違と抵抗分割を利用して電圧値で読み取っている。もちろん、読み出し方法は、この方法に限定されない。例えば、電気抵抗の差を利用する以外に、電流値の差を利用して読み出しても構わない。また、記憶素子の電気的特性がデータ「0」と「1」とでしきい値電圧が異なるダイオード特性を有する場合には、しきい値電圧の差を利用して読み出しても構わない。   In the above method, the state of the electric resistance of the memory layer is read as a voltage value by utilizing the difference in resistance value and resistance division. Of course, the reading method is not limited to this method. For example, in addition to using the difference in electrical resistance, reading may be performed using the difference in current value. Further, when the electrical characteristics of the memory element have diode characteristics with different threshold voltages between data “0” and “1”, reading may be performed using the difference in threshold voltages.

また、絶縁性を有する基板上に薄膜トランジスタ(TFT)を設けてその上に記憶素子又は記憶素子アレイを設けてもよいし、絶縁性を有する基板の代わりにSi等の半導体基板やSOI基板を用いて基板上に電界効果トランジスタ(FET)を形成しその上に記憶素子又は記憶素子アレイを設けてもよい。   Further, a thin film transistor (TFT) may be provided over an insulating substrate, and a memory element or a memory element array may be provided thereover, or a semiconductor substrate such as Si or an SOI substrate may be used instead of the insulating substrate. A field effect transistor (FET) may be formed on the substrate, and a memory element or a memory element array may be provided thereon.

本実施形態で示した半導体装置は、データの書き込みが一度だけではなく、追加(追記)が可能である。一方、書き込みを一度行った記憶素子に対しデータを消去することは不可能なため、書き換えによる偽造を防止することができる。また、簡便に歩留り良く作製することができる本発明の記憶素子を有するため、性能及び信頼性に優れた半導体装置を安価に作製することが可能である。   In the semiconductor device shown in this embodiment mode, data can be written (added) as well as once. On the other hand, since it is impossible to erase data from a memory element once written, forgery due to rewriting can be prevented. In addition, since the memory element of the present invention that can be easily manufactured with high yield is provided, a semiconductor device having excellent performance and reliability can be manufactured at low cost.

なお、本実施形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。そのため、本実施形態で示した半導体装置が有する記憶素子には、例えばメモリ層と第1の導電層及び第2の導電層の少なくとも一方との間に絶縁層もしくは半導体層が設けられていても良い。   Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate. Therefore, the memory element included in the semiconductor device described in this embodiment includes an insulating layer or a semiconductor layer provided between, for example, the memory layer and at least one of the first conductive layer and the second conductive layer. good.

(実施の形態3)
本実施形態では、本発明の記憶素子を有する半導体装置について図10を用いて説明する。なお、具体的にはアクティブマトリクス型の記憶装置について説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment mode, a semiconductor device including the memory element of the present invention will be described with reference to FIG. Note that an active matrix memory device will be specifically described.

本実施形態で示す半導体装置の一構成例を図10(A)に示す。半導体装置700は、メモリセル701がマトリクス状に設けられたメモリセルアレイ711、デコーダ712、713、セレクタ714、読み出し/書き込み回路715を有する。なお、ここで示す半導体装置700の構成はあくまで一例であり、センスアンプ、出力回路、バッファ等の他の回路を有していてもよい。   One structural example of the semiconductor device described in this embodiment is illustrated in FIG. The semiconductor device 700 includes a memory cell array 711 in which memory cells 701 are provided in a matrix, decoders 712 and 713, a selector 714, and a read / write circuit 715. Note that the structure of the semiconductor device 700 shown here is merely an example, and other circuits such as a sense amplifier, an output circuit, and a buffer may be included.

なお、デコーダ712、713、セレクタ714、読み出し/書き込み回路715、インターフェイス等は、記憶素子と同様に基板上に形成しても良いし、ICチップとして外付けしても良い。   Note that the decoders 712 and 713, the selector 714, the read / write circuit 715, the interface, and the like may be formed over the substrate in the same manner as the memory element, or may be externally attached as an IC chip.

メモリセル701は、ビット線Bx(1≦x≦m)に接続される第1の配線と、ワード線Wy(1≦y≦n)に接続される第2の配線と、薄膜トランジスタ721と、記憶素子722とを有する。記憶素子722は、一対の導電層の間にメモリ層が挟持された構造を有する。   The memory cell 701 includes a first wiring connected to the bit line Bx (1 ≦ x ≦ m), a second wiring connected to the word line Wy (1 ≦ y ≦ n), a thin film transistor 721, and a memory An element 722. The memory element 722 has a structure in which a memory layer is sandwiched between a pair of conductive layers.

次に、上記構成を有するメモリセルアレイ711の上面図と断面図の一例に関して図11を用いて説明する。なお、図11(A)はメモリセルアレイ711の一部の上面図を示している。   Next, an example of a top view and a cross-sectional view of the memory cell array 711 having the above structure is described with reference to FIGS. Note that FIG. 11A is a top view of part of the memory cell array 711. FIG.

メモリセルアレイ711は、複数のメモリセル701がマトリクス状に設けられている。又、メモリセル701は、絶縁表面を有する基板上にスイッチング素子として機能する薄膜トランジスタ721および当該薄膜トランジスタ721に接続された記憶素子が設けられている。   In the memory cell array 711, a plurality of memory cells 701 are provided in a matrix. In the memory cell 701, a thin film transistor 721 functioning as a switching element and a memory element connected to the thin film transistor 721 are provided over a substrate having an insulating surface.

図11(A)におけるA−B間の断面構造の一例を図11(B)に示す。なお、図11(A)では、第1の導電層110上に設けられている、隔壁(絶縁層)822、メモリ層111、第2の導電層112、絶縁層522が省略されている。   FIG. 11B illustrates an example of a cross-sectional structure between A and B in FIG. Note that in FIG. 11A, the partition (insulating layer) 822, the memory layer 111, the second conductive layer 112, and the insulating layer 522 which are provided over the first conductive layer 110 are omitted.

メモリセル701は、薄膜トランジスタ721と、記憶素子801と、絶縁層821と、第1の導電層110の一部を覆う隔壁(絶縁層)822とを有する。なお、記憶素子801を覆って保護膜として機能する絶縁層522が設けられている。絶縁表面を有する基板521上に形成された薄膜トランジスタ721に接続された記憶素子801は、絶縁層821上に形成された第1の導電層110と、メモリ層111と、第2の導電層112とを有する。メモリ層111は、上述したように有機薄膜で被覆された導電性材料よりなるナノ粒子により構成されている。また、薄膜トランジスタ721は、スイッチとして機能するものであれば特に限定されず、薄膜トランジスタである必要は特にない。   The memory cell 701 includes a thin film transistor 721, a memory element 801, an insulating layer 821, and a partition wall (insulating layer) 822 that covers part of the first conductive layer 110. Note that an insulating layer 522 which covers the memory element 801 and functions as a protective film is provided. A memory element 801 connected to the thin film transistor 721 formed over the substrate 521 having an insulating surface includes a first conductive layer 110, a memory layer 111, and a second conductive layer 112 formed over the insulating layer 821. Have As described above, the memory layer 111 is composed of nanoparticles made of a conductive material covered with an organic thin film. The thin film transistor 721 is not particularly limited as long as it functions as a switch, and is not particularly required to be a thin film transistor.

薄膜トランジスタ721の一態様について、図12を用いて説明する。図12(A)はトップゲート型の薄膜トランジスタを適用する一例を示している。基板521上に下地膜として絶縁層901が設けられ、絶縁層901上に薄膜トランジスタ910が設けられている。薄膜トランジスタ910は、絶縁層901上に半導体層902及びゲート絶縁層として機能することができる絶縁層903が形成され、さらに半導体層902上には絶縁層903を介してゲート電極904が形成されている。なお、薄膜トランジスタ910上には保護層として機能する絶縁層905及び層間絶縁層として機能する絶縁層821が設けられている。また、半導体層のソース領域及びドレイン領域それぞれに接続する配線907が形成される。   One mode of the thin film transistor 721 is described with reference to FIGS. FIG. 12A illustrates an example in which a top-gate thin film transistor is applied. An insulating layer 901 is provided as a base film over the substrate 521, and a thin film transistor 910 is provided over the insulating layer 901. In the thin film transistor 910, a semiconductor layer 902 and an insulating layer 903 that can function as a gate insulating layer are formed over the insulating layer 901, and a gate electrode 904 is formed over the semiconductor layer 902 with the insulating layer 903 interposed therebetween. . Note that an insulating layer 905 functioning as a protective layer and an insulating layer 821 functioning as an interlayer insulating layer are provided over the thin film transistor 910. In addition, wirings 907 connected to the source region and the drain region of the semiconductor layer are formed.

絶縁層901には、酸化珪素膜、窒化珪素膜または酸化窒化珪素膜等の絶縁膜を用い、これら絶縁膜を単層又は2以上の複数層で形成する。なお、絶縁層901は、スパッタ法、CVD法等を用いて形成すればよい。   As the insulating layer 901, an insulating film such as a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film is used, and these insulating films are formed as a single layer or two or more layers. Note that the insulating layer 901 may be formed by a sputtering method, a CVD method, or the like.

半導体層902は、アモルファスシリコン等の非晶質半導体、セミアモルファス半導体、微結晶半導体等の他、ポリシリコン等の結晶性半導体膜を用いても良い。   As the semiconductor layer 902, a crystalline semiconductor film such as polysilicon may be used in addition to an amorphous semiconductor such as amorphous silicon, a semi-amorphous semiconductor, a microcrystalline semiconductor, or the like.

特に、非晶質若しくは微結晶質の半導体を、レーザ光の照射により結晶化させた結晶性半導体、加熱処理により結晶化させた結晶性半導体、加熱処理とレーザ光の照射を組み合わせて結晶化させた結晶性半導体を適用することが好ましい。加熱処理においては、シリコン半導体の結晶化を助長する作用のあるニッケルなどの金属元素を用いた結晶化法を適用することができる。   In particular, an amorphous or microcrystalline semiconductor is crystallized by crystallizing a semiconductor that is crystallized by laser light irradiation, a crystallized semiconductor that is crystallized by heat treatment, or a combination of heat treatment and laser light irradiation. It is preferable to apply a crystalline semiconductor. In the heat treatment, a crystallization method using a metal element such as nickel which has an action of promoting crystallization of a silicon semiconductor can be applied.

レーザ光を照射して結晶化する場合には、連続発振レーザ光の照射若しくは繰り返し周波数が10MHz以上であって、パルス幅が1ナノ秒以下、好ましくは1乃至100ピコ秒である高繰返周波数超短パルス光を照射することによって、結晶性半導体が溶融した溶融帯を、当該レーザ光の照射方向に連続的に移動させながら結晶化を行うことができる。このような結晶化法により、大粒径であって、結晶粒界が一方向に延びる結晶性半導体を得ることができる。キャリアのドリフト方向を、この結晶粒界が延びる方向に合わせることで、トランジスタにおける電界効果移動度を高めることができる。例えば、400cm/V・sec以上を実現することができる。 In the case of crystallization by irradiating with laser light, high repetition frequency with continuous wave laser light irradiation or repetition frequency of 10 MHz or more and pulse width of 1 nanosecond or less, preferably 1 to 100 picoseconds. By irradiating with ultrashort pulse light, crystallization can be performed while continuously moving the molten zone in which the crystalline semiconductor is melted in the irradiation direction of the laser light. By such a crystallization method, a crystalline semiconductor having a large particle diameter and a crystal grain boundary extending in one direction can be obtained. By adjusting the carrier drift direction to the direction in which the crystal grain boundary extends, the field-effect mobility in the transistor can be increased. For example, 400 cm 2 / V · sec or more can be realized.

上記結晶化工程を、ガラス基板の耐熱温度(約600℃)以下の結晶化プロセスを用いる場合、大面積ガラス基板を用いることが可能である。このため、基板あたり大量の半導体装置を作製することが可能であり、低コスト化が可能である。   When the crystallization process is performed using a crystallization process at a heat resistant temperature (about 600 ° C.) or lower of the glass substrate, a large-area glass substrate can be used. Therefore, a large amount of semiconductor devices can be manufactured per substrate, and the cost can be reduced.

また、加熱温度にたえうる基板を用いて、ガラス基板の耐熱温度以上の加熱により結晶化工程を行い、半導体層902を形成してもよい。代表的には、絶縁性基板に石英基板を用い、非晶質若しくは微結晶質の半導体を700度以上で加熱して半導体層902を形成する。この結果、結晶性の高い半導体を形成することが可能である。この場合、応答速度や移動度などの特性が良好で、高速な動作が可能な薄膜トランジスタを提供することができる。   Alternatively, the semiconductor layer 902 may be formed by performing a crystallization step by heating at a temperature equal to or higher than the heat resistant temperature of the glass substrate using a substrate that can reach a heating temperature. Typically, a quartz substrate is used as the insulating substrate, and the semiconductor layer 902 is formed by heating an amorphous or microcrystalline semiconductor at 700 ° C. or higher. As a result, a semiconductor with high crystallinity can be formed. In this case, a thin film transistor which has favorable characteristics such as response speed and mobility and can operate at high speed can be provided.

ゲート電極904は金属又は一導電型の不純物を添加した多結晶半導体で形成することができる。金属を用いる場合は、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、アルミニウム(Al)などを用いることができる。また、金属を窒化させた金属窒化物を用いることができる。或いは、当該金属窒化物からなる第1層と金属から成る第2層とを積層させた構造としても良い。積層構造とする場合には、第1層の端部が第2層の端部より外側に突き出した所謂ハット形状としても良い。このとき第1層を金属窒化物とすることで、バリアメタルとすることができる。すなわち、第2層の金属が、絶縁層903やその下層の半導体層902に拡散することを防ぐことができる。   The gate electrode 904 can be formed using a metal or a polycrystalline semiconductor to which an impurity of one conductivity type is added. In the case of using a metal, tungsten (W), molybdenum (Mo), titanium (Ti), tantalum (Ta), aluminum (Al), or the like can be used. Alternatively, a metal nitride obtained by nitriding a metal can be used. Or it is good also as a structure which laminated | stacked the 1st layer which consists of the said metal nitride, and the 2nd layer which consists of a metal. In the case of a laminated structure, a so-called hat shape in which the end portion of the first layer protrudes outward from the end portion of the second layer may be employed. At this time, a barrier metal can be formed by using a metal nitride for the first layer. That is, the second layer metal can be prevented from diffusing into the insulating layer 903 and the semiconductor layer 902 below the insulating layer 903.

なお、ゲート電極904の側面には、サイドウォール(側壁スペーサ)908を形成しても良い。サイドウォールは、CVD法により絶縁層を形成し、該絶縁層をRIE(Reactive ion etching:反応性イオンエッチング)法により異方性エッチングすることで形成できる。 Note that a sidewall (side wall spacer) 908 may be formed on a side surface of the gate electrode 904. The sidewall can be formed by forming an insulating layer by a CVD method and anisotropically etching the insulating layer by a RIE (Reactive Ion Etching) method.

半導体層902、絶縁層903、ゲート電極904などを組み合わせて構成されるトランジスタは、シングルドレイン構造、LDD(低濃度ドレイン)構造、ゲートオーバーラップドレイン構造など各種構造を適用することができる。なお、図12(A)では、サイドウォールが重畳する半導体層において、低濃度不純物領域909が形成されるLDD構造の薄膜トランジスタを示している。また、シングルゲート構造、等価的には同電位のゲート電圧が印加されるトランジスタが直列に接続された形となるマルチゲート構造、半導体層を上下にゲート電極で挟むデュアルゲート構造を適用することも可能である。   Various structures such as a single drain structure, an LDD (low concentration drain) structure, and a gate overlap drain structure can be applied to a transistor including the semiconductor layer 902, the insulating layer 903, the gate electrode 904, and the like. Note that FIG. 12A illustrates an LDD thin film transistor in which a low-concentration impurity region 909 is formed in a semiconductor layer where sidewalls overlap. It is also possible to apply a single gate structure, equivalently a multi-gate structure in which transistors to which a gate voltage of the same potential is applied are connected in series, or a dual gate structure in which a semiconductor layer is sandwiched between gate electrodes. Is possible.

絶縁層821は、酸化珪素及び酸化窒化珪素などの無機絶縁材料、又はアクリル樹脂及びポリイミド樹脂などの有機絶縁材料で形成する。スピン塗布やロールコーターなど塗布法を用いる場合には、有機溶媒中に溶かされた絶縁膜材料を塗布した後、熱処理により酸化珪素で形成される絶縁層を用いることもできる。例えば、シロキサン結合を含む塗布膜を形成しておいて、200〜400度での熱処理により形成可能な絶縁層を用いることができる。絶縁層821に、塗布法で形成する絶縁層やリフローにより平坦化した絶縁層を用いることで、その層上に形成する配線の断線を防止することができる。また、このような方法により形成された絶縁層は、多層配線を形成する際にも有効に利用することができる。   The insulating layer 821 is formed using an inorganic insulating material such as silicon oxide or silicon oxynitride, or an organic insulating material such as an acrylic resin or a polyimide resin. When a coating method such as spin coating or roll coater is used, an insulating layer formed of silicon oxide by heat treatment can be used after applying an insulating film material dissolved in an organic solvent. For example, an insulating layer that can be formed by heat treatment at 200 to 400 ° C. after forming a coating film containing a siloxane bond can be used. By using an insulating layer formed by a coating method or an insulating layer flattened by reflowing as the insulating layer 821, disconnection of a wiring formed over the layer can be prevented. In addition, the insulating layer formed by such a method can be effectively used when forming a multilayer wiring.

絶縁層821の上に形成される配線907は、ゲート電極904と同じ層で形成される配線と交差して設けることが可能であり、多層配線構造を形成している。絶縁層821と同様に機能を有する絶縁層を複数積層して、その層上に配線を形成することで多層配線構造を形成することができる。配線907はチタン(Ti)とアルミニウム(Al)の積層構造、モリブデン(Mo)とアルミニウム(Al)との積層構造など、アルミニウム(Al)のような低抵抗材料と、チタン(Ti)やモリブデン(Mo)などの高融点金属材料を用いたバリアメタルとの組み合わせで形成することが好ましい。   The wiring 907 formed over the insulating layer 821 can be provided so as to intersect with a wiring formed in the same layer as the gate electrode 904, so that a multilayer wiring structure is formed. A multilayer wiring structure can be formed by stacking a plurality of insulating layers having the same function as the insulating layer 821 and forming wirings on the insulating layers. The wiring 907 includes a low resistance material such as aluminum (Al) such as a laminated structure of titanium (Ti) and aluminum (Al), a laminated structure of molybdenum (Mo) and aluminum (Al), and titanium (Ti) or molybdenum ( It is preferably formed in combination with a barrier metal using a refractory metal material such as Mo).

図12(B)は、ボトムゲート型の薄膜トランジスタを適用する一例を示している。絶縁性基板521上に絶縁層901が形成され、その上に薄膜トランジスタ920が設けられている。薄膜トランジスタ920には、ゲート電極904、ゲート絶縁層として機能する絶縁層903及び半導体層902が設けられ、さらにその上にはチャネル保護層921、保護層として機能する絶縁層905及び層間絶縁層として機能する絶縁層821が設けられている。さらにその上層には、保護層として機能する絶縁層を形成しても良い。半導体層のソース領域及びドレイン領域それぞれに接続された配線907は、絶縁層905の層上若しくは絶縁層821の層上に形成することができる。なお、ボトムゲート型の薄膜トランジスタの場合は、絶縁層901が形成されなくともよい。   FIG. 12B illustrates an example in which a bottom-gate thin film transistor is applied. An insulating layer 901 is formed over the insulating substrate 521, and a thin film transistor 920 is provided thereover. The thin film transistor 920 is provided with a gate electrode 904, an insulating layer 903 that functions as a gate insulating layer, and a semiconductor layer 902, and a channel protective layer 921, an insulating layer 905 that functions as a protective layer, and an interlayer insulating layer thereon An insulating layer 821 is provided. Further, an insulating layer functioning as a protective layer may be formed thereon. The wiring 907 connected to each of the source region and the drain region of the semiconductor layer can be formed over the insulating layer 905 or the insulating layer 821. Note that in the case of a bottom-gate thin film transistor, the insulating layer 901 is not necessarily formed.

また、基板521が可撓性を有する基板である場合、耐熱温度がガラス基板等の非可撓性基板と比較して低い。このため、薄膜トランジスタの半導体層に、有機半導体を用いて形成することが好ましい。   In the case where the substrate 521 is a flexible substrate, the heat resistant temperature is lower than that of a non-flexible substrate such as a glass substrate. Therefore, the semiconductor layer of the thin film transistor is preferably formed using an organic semiconductor.

ここで、半導体層に有機半導体を用いる薄膜トランジスタの構造について、図12(C)、(D)を参照して説明する。図12(C)は、スタガ型の有機半導体トランジスタを適用する一例を示している。可撓性を有する基板930上に有機半導体トランジスタ931が設けられている。有機半導体トランジスタ931は、ゲート電極932、ゲート絶縁膜として機能する絶縁層933、ゲート電極932及び絶縁層933が重畳する場所に設けられた半導体層934とを有し、半導体層934には配線907が接続されている。なお、半導体層は、ゲート絶縁膜として機能する絶縁層933と配線907に接する。   Here, a structure of a thin film transistor using an organic semiconductor for a semiconductor layer is described with reference to FIGS. FIG. 12C illustrates an example in which a staggered organic semiconductor transistor is applied. An organic semiconductor transistor 931 is provided over a flexible substrate 930. The organic semiconductor transistor 931 includes a gate electrode 932, an insulating layer 933 functioning as a gate insulating film, and a semiconductor layer 934 provided in a place where the gate electrode 932 and the insulating layer 933 overlap with each other. Is connected. Note that the semiconductor layer is in contact with the insulating layer 933 functioning as a gate insulating film and the wiring 907.

ゲート電極932は、ゲート電極904と同様の材料及び手法により、形成することができる。また、液滴吐出法を用い、乾燥・焼成してゲート電極932を形成することができる。また、可撓性を有する基板上に、微粒子を含むペーストを印刷法により印刷し、乾燥・焼成してゲート電極932を形成することができる。微粒子の代表例としては、金、銅、金と銀の合金、金と銅の合金、銀と銅の合金、金と銀と銅の合金のいずれかを主成分とする微粒子でもよい。また、インジウム錫酸化物(ITO)などの導電性酸化物を主成分とする微粒子でもよい。   The gate electrode 932 can be formed using a material and a method similar to those of the gate electrode 904. Alternatively, the gate electrode 932 can be formed by drying and baking using a droplet discharge method. Alternatively, the gate electrode 932 can be formed by printing a paste containing fine particles over a flexible substrate by a printing method, followed by drying and baking. As typical examples of the fine particles, fine particles mainly containing any of gold, copper, an alloy of gold and silver, an alloy of gold and copper, an alloy of silver and copper, and an alloy of gold, silver, and copper may be used. Further, fine particles mainly containing a conductive oxide such as indium tin oxide (ITO) may be used.

ゲート絶縁膜として機能する絶縁層933は、絶縁層903と同様の材料及び手法により形成することができる。但し、有機溶媒中に溶解する絶縁膜材料を塗布した後、熱処理により絶縁層を形成する場合、熱処理温度が可撓性を有する基板の耐熱温度より低い温度で行う。   The insulating layer 933 functioning as a gate insulating film can be formed using a material and a method similar to those of the insulating layer 903. However, when an insulating layer is formed by heat treatment after applying an insulating film material dissolved in an organic solvent, the heat treatment temperature is lower than the heat resistance temperature of the flexible substrate.

有機半導体トランジスタの半導体層934の材料としては、多環芳香族化合物、共役二重結合系化合物、フタロシアニン、電荷移動型錯体等が挙げられる。例えばアントラセン、テトラセン、ペンタセン、6T(ヘキサチオフェン)、TCNQ(テトラシアノキノジメタン)、PTCDA(ペリレンカルボン酸無水化物)、NTCDA(ナフタレンカルボン酸無水化物)などを用いることができる。また、有機半導体トランジスタの半導体層934の材料としては、有機高分子化合物等のπ共役系高分子、カーボンナノチューブ、ポリビニルピリジン、フタロシアニン金属錯体等が挙げられる。特に骨格が共役二重結合から構成されるπ共役系高分子である、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチエニレン、ポリチオフェン誘導体、ポリ(3アルキルチオフェン)、ポリパラフェニレン誘導体又はポリパラフェニレンビニレン誘導体を用いると好ましい。   As a material of the semiconductor layer 934 of the organic semiconductor transistor, a polycyclic aromatic compound, a conjugated double bond compound, phthalocyanine, a charge transfer complex, and the like can be given. For example, anthracene, tetracene, pentacene, 6T (hexathiophene), TCNQ (tetracyanoquinodimethane), PTCDA (perylene carboxylic acid anhydride), NTCDA (naphthalene carboxylic acid anhydride) and the like can be used. Examples of the material for the semiconductor layer 934 of the organic semiconductor transistor include π-conjugated polymers such as organic polymer compounds, carbon nanotubes, polyvinyl pyridine, and phthalocyanine metal complexes. In particular, when polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythienylene, polythiophene derivative, poly (3-alkylthiophene), polyparaphenylene derivative or polyparaphenylene vinylene derivative is used, which is a π-conjugated polymer whose skeleton is composed of conjugated double bonds preferable.

また、有機半導体トランジスタの半導体層の形成方法としては、蒸着法、塗布法、スピンコーティング法、バーコート法、溶液キャスト法、ディップ法、スクリーン印刷法、ロールコーター法又は液滴吐出法を用いることができる。厚さは1nm以上1000nm以下、好ましくは10nm以上100nm以下が望ましい。   In addition, as a method for forming a semiconductor layer of an organic semiconductor transistor, an evaporation method, a coating method, a spin coating method, a bar coating method, a solution casting method, a dipping method, a screen printing method, a roll coater method, or a droplet discharge method is used. Can do. The thickness is 1 nm to 1000 nm, preferably 10 nm to 100 nm.

図12(D)は、コプレナー型の有機半導体トランジスタを適用する一例を示している。可撓性を有する基板930上に有機半導体トランジスタ941が設けられている。有機半導体トランジスタ941は、ゲート電極932、ゲート絶縁膜として機能する絶縁層933、ゲート電極932及び絶縁層933が重畳する場所に設けられた半導体層934とを有し、半導体層934には配線907が接続されている。また、半導体層934に接続された配線907は、ゲート絶縁膜として機能する絶縁層及び半導体層に接する。   FIG. 12D illustrates an example in which a coplanar organic semiconductor transistor is applied. An organic semiconductor transistor 941 is provided over a flexible substrate 930. The organic semiconductor transistor 941 includes a gate electrode 932, an insulating layer 933 functioning as a gate insulating film, and a semiconductor layer 934 provided in a place where the gate electrode 932 and the insulating layer 933 overlap with each other. Is connected. The wiring 907 connected to the semiconductor layer 934 is in contact with the insulating layer and the semiconductor layer which function as a gate insulating film.

薄膜トランジスタや有機半導体トランジスタはスイッチング素子として機能し得るものであれば、どのような構成で設けてもよい。なお、配線907を本発明の記憶素子における第1の導電層として利用しても良いし、配線907に本発明の記憶素子を接続しても良い。   The thin film transistor and the organic semiconductor transistor may have any structure as long as they can function as a switching element. Note that the wiring 907 may be used as the first conductive layer in the memory element of the present invention, or the memory element of the present invention may be connected to the wiring 907.

また、単結晶基板やSOI基板を用いてトランジスタを形成し、その上に記憶素子を設けてもよい。SOI基板はウェハの貼り合わせによる方法や酸素イオンをSi基板内に打ち込むことにより内部に絶縁層831を形成するSIMOXと呼ばれる方法を用いて形成すればよい。   Alternatively, a transistor may be formed using a single crystal substrate or an SOI substrate, and a memory element may be provided thereover. The SOI substrate may be formed by a method of bonding wafers or a method called SIMOX in which an insulating layer 831 is formed inside by implanting oxygen ions into the Si substrate.

例えば、基板に単結晶半導体を用いた場合、図11(C)に示すように単結晶半導体基板830を用いて設けられた電界効果トランジスタ832に記憶素子801が接続されていている。また、電界効果トランジスタ832に接続された配線を覆うように絶縁層833を設け、当該絶縁層833上に記憶素子801を設けている。   For example, in the case where a single crystal semiconductor is used for the substrate, the memory element 801 is connected to a field effect transistor 832 provided using the single crystal semiconductor substrate 830 as illustrated in FIG. In addition, an insulating layer 833 is provided so as to cover a wiring connected to the field-effect transistor 832, and the memory element 801 is provided over the insulating layer 833.

このような単結晶半導体で形成されるトランジスタは、応答速度や移動度などの特性が良好なため高速な動作が可能なトランジスタを提供することができる。また、トランジスタは、その特性のバラツキが少ないために、高い信頼性を実現した半導体装置を提供することができる。   Since a transistor formed using such a single crystal semiconductor has favorable characteristics such as response speed and mobility, a transistor that can operate at high speed can be provided. In addition, since the transistor has less variation in characteristics, a semiconductor device that achieves high reliability can be provided.

なお、記憶素子801は、絶縁層833上に形成される第1の導電層110と、メモリ層111と、第2の導電層112とを有し、メモリ層111は第1の導電層110と第2の導電層112に挟持された構成である。   Note that the memory element 801 includes a first conductive layer 110, a memory layer 111, and a second conductive layer 112 formed over the insulating layer 833. The memory layer 111 includes the first conductive layer 110 and the memory layer 111. The structure is sandwiched between the second conductive layers 112.

このように、絶縁層833を設けて記憶素子801を形成することによって第1の導電層110を自由に配置することができる。つまり、図11(B)の構成では、トランジスタに接続された配線を避けた領域に記憶素子を設ける必要があったが、絶縁層833を設けることによって、例えば、図11(C)のようにトランジスタ832の上方にも記憶素子801を形成することが可能となる。その結果、記憶回路をより高集積化することが可能となる。もちろん、電界効果トランジスタ832が有する配線907を記憶素子が有する第1の導電層としても良い。   In this manner, by providing the insulating layer 833 and forming the memory element 801, the first conductive layer 110 can be freely arranged. In other words, in the structure in FIG. 11B, the memory element needs to be provided in a region avoiding the wiring connected to the transistor. However, by providing the insulating layer 833, for example, as shown in FIG. The memory element 801 can also be formed over the transistor 832. As a result, the memory circuit can be more highly integrated. Needless to say, the wiring 907 included in the field-effect transistor 832 may be used as the first conductive layer included in the memory element.

なお、図11(B)、(C)に示す構成において、メモリ層111を第1の方向(A−B)に対し連続して設けた例を示しているが、各メモリセルのみにこれらのメモリ層111を設けてもよい。このような構成とすることで、さらに材料の利用効率を向上させることが可能となる。   11B and 11C, an example in which the memory layer 111 is continuously provided in the first direction (A-B) is shown. However, these memory cells are only provided in each memory cell. A memory layer 111 may be provided. With such a configuration, it is possible to further improve the material utilization efficiency.

また、基板上に剥離層を設け、剥離層上にトランジスタを有する層1030及び記憶素子801を形成した後、トランジスタを有する層1030及び記憶素子801を剥離層を利用して基板から剥離し、図13に示すように接着層1032を用いてトランジスタを有する層1030及び記憶素子801を前記基板と異なる基板1031と貼り合わせても良い。剥離方法としては、(1)耐熱性の高い基板とトランジスタを有する層の間に剥離層として金属酸化物層を設け、当該金属酸化物層を結晶化により脆弱化して、当該トランジスタを有する層を剥離する方法、(2)耐熱性の高い基板とトランジスタを有する層の間に剥離層として水素を含む非晶質珪素膜を設け、レーザ光の照射またはエッチングにより当該非晶質珪素膜を除去することで、当該トランジスタを有する層を剥離する方法、(3)トランジスタを有する層が形成された耐熱性の高い基板を機械的に削除する、又は溶液やNF、BrF、ClF等のフッ化ハロゲンガスによるエッチングで除去する方法、(4)耐熱性の高い基板とトランジスタを有する層の間に剥離層として金属層及び金属酸化物層を設け、当該金属酸化物層を結晶化により脆弱化し、金属層の一部を溶液やNF等のフッ化ガス、BrF、ClF等のフッ化ハロゲンガスによりエッチングで除去した後、脆弱化された金属酸化物層において物理的に剥離する方法等を用いればよい。 Further, after a separation layer is provided over the substrate and the layer 1030 including the transistor and the memory element 801 are formed over the separation layer, the layer 1030 including the transistor and the memory element 801 are separated from the substrate using the separation layer. As illustrated in FIG. 13, the layer 1030 including a transistor and the memory element 801 may be attached to a substrate 1031 which is different from the substrate using an adhesive layer 1032. As a peeling method, (1) a metal oxide layer is provided as a peeling layer between a substrate having high heat resistance and a layer having a transistor, the metal oxide layer is weakened by crystallization, and a layer having the transistor is formed. (2) An amorphous silicon film containing hydrogen is provided as a separation layer between a substrate having high heat resistance and a layer having a transistor, and the amorphous silicon film is removed by laser light irradiation or etching. Thus, a method of peeling the layer including the transistor, (3) mechanically removing the high heat-resistant substrate on which the layer including the transistor is formed, or a solution or a fluorine such as NF 3 , BrF 3 , or ClF 3 (4) A metal layer and a metal oxide layer are provided as a separation layer between a substrate having high heat resistance and a layer having a transistor, and the metal acid is removed. Object layer weakened by crystallization, a part of the solution and NF 3 or the like fluoride gas in the metal layer, BrF 3, was removed by etching by a halogen fluoride gas such as ClF 3, weakened metal oxide A method of physically peeling in the layer may be used.

また、基板1031としては、実施の形態2で示した基板521で示した可撓性基板、フィルム、繊維質な材料からなる紙等を用いることで、記憶装置の小型、薄型、軽量化を図ることが可能である。   In addition, as the substrate 1031, a flexible substrate, a film, paper made of a fibrous material, or the like shown in the substrate 521 described in Embodiment 2 is used, so that the memory device can be reduced in size, thickness, and weight. It is possible.

次に、記憶装置、即ち半導体装置700へのデータの書き込み動作について図10(A)を用いて説明する。実施の形態2と同様、ここでは電気的作用、代表的には電圧印加によりデータの書き込みを行うときの動作について説明する。なお、書き込みはメモリセルの電気的特性を変化させることで行うが、メモリセルの初期状態(電気的作用を加えていない状態)をデータ「0」、電気的特性を変化させた状態をデータ「1」とする。   Next, a data writing operation to the memory device, that is, the semiconductor device 700 is described with reference to FIG. As in the second embodiment, an operation when data is written by an electrical action, typically, voltage application will be described here. Note that writing is performed by changing the electrical characteristics of the memory cell, but the initial state (state where no electrical action is applied) of the memory cell is data “0”, and the state where the electrical characteristic is changed is data “ 1 ”.

x行かつy列目のメモリセル701にデータを書き込む場合について説明する。メモリセル701にデータ「1」を書き込む場合、まず、デコーダ712、713およびセレクタ714によってメモリセル701を選択する。具体的には、デコーダ713によって、メモリセル701に接続されるワード線Wyに所定の電位V22を印加する。また、デコーダ712とセレクタ714によって、メモリセル701に接続されるビット線Bxを読み出し/書き込み回路715に接続する。そして、読み出し/書き込み回路715からビット線Bxへ書き込み電位V21を出力する。   A case where data is written to the memory cell 701 in the xth row and the yth column will be described. When data “1” is written to the memory cell 701, first, the memory cell 701 is selected by the decoders 712 and 713 and the selector 714. Specifically, the decoder 713 applies a predetermined potential V22 to the word line Wy connected to the memory cell 701. Further, the bit line Bx connected to the memory cell 701 is connected to the read / write circuit 715 by the decoder 712 and the selector 714. Then, the write potential V21 is output from the read / write circuit 715 to the bit line Bx.

こうして、メモリセルを構成する薄膜トランジスタ721をオン状態とし、記憶素子722に、共通電極及びビット線を電気的に接続し、おおむねVw(Vw=Vcom−V21)の電圧を印加する。Vcomとは、記憶素子722における共通電極、即ち第2の導電層の電位である。電圧Vwを適切に選ぶことで、当該電極層の間に設けられたメモリ層を物理的もしくは電気的変化させ、データ「1」の書き込みを行う。具体的には、読み出し動作電圧において、データ「1」の状態の第1の導電層と第2の導電層の間の電気抵抗が、データ「0」の状態と比較して、大幅に小さくなるように変化させるとよく、単に短絡(ショート)させてもよい。なお、電圧Vwは例えば5V以上かつ15V以下、あるいは−15V以上かつ−5V以下とすればよい。   Thus, the thin film transistor 721 included in the memory cell is turned on, the common electrode and the bit line are electrically connected to the memory element 722, and a voltage of approximately Vw (Vw = Vcom−V21) is applied. Vcom is a potential of the common electrode in the memory element 722, that is, the second conductive layer. By appropriately selecting the voltage Vw, the memory layer provided between the electrode layers is physically or electrically changed, and data “1” is written. Specifically, in the read operation voltage, the electrical resistance between the first conductive layer and the second conductive layer in the data “1” state is significantly smaller than that in the data “0” state. It may be changed as described above, or it may be simply short-circuited. Note that the voltage Vw may be, for example, 5 V or more and 15 V or less, or −15 V or more and −5 V or less.

なお、非選択のワード線および非選択のビット線には、接続されるメモリセルにデータ「1」が書き込まれないよう制御する。具体的には、非選択のワード線には接続されるメモリセルのトランジスタをオフ状態とする電位やVcomと同程度の電位を印加するとよい。   Note that data “1” is controlled not to be written in the memory cell connected to the non-selected word line and the non-selected bit line. Specifically, a potential for turning off a transistor of a memory cell to be connected or a potential similar to Vcom may be applied to a non-selected word line.

一方、メモリセル701にデータ「0」を書き込む場合は、メモリセル701には電気的作用を加えなければよい。回路動作上は、例えば、「1」を書き込む場合と同様に、デコーダ712、713およびセレクタ714によってメモリセル701を選択するが、読み出し/書き込み回路715からビット線Bxへの出力電位をVcomと同程度とするか、メモリセルの薄膜トランジスタ721をオフ状態とする電位とする。その結果、記憶素子722には、小さい電圧(例えば−5〜5V)が印加されるか、電圧が印加されないため、電気的特性が変化せず、データ「0」書き込みが実現される。   On the other hand, when data “0” is written to the memory cell 701, it is not necessary to apply an electrical action to the memory cell 701. In the circuit operation, for example, as in the case of writing “1”, the memory cell 701 is selected by the decoders 712 and 713 and the selector 714, but the output potential from the read / write circuit 715 to the bit line Bx is the same as Vcom. Or a potential at which the thin film transistor 721 of the memory cell is turned off. As a result, a small voltage (for example, −5 to 5 V) is applied to the memory element 722 or no voltage is applied to the memory element 722, so that electrical characteristics do not change and data “0” writing is realized.

次に、電気的作用により、データの読み出しを行う際の動作について図10(B)を用いて説明する。データの読み出しは、記憶素子722の電気的特性が、データ「0」を有するメモリセルとデータ「1」を有するメモリセルとで異なることを利用して行う。例えば、データ「0」を有するメモリセルを構成する記憶素子の電気抵抗が読み出し電圧においてR0、データ「1」を有するメモリセルを構成する記憶素子の電気抵抗が読み出し電圧においてR1とし、電気抵抗の差を利用して読み出す方法を説明する。なお、R1<<R0とする。読み出し/書き込み回路715は、読み出し部分の構成として、例えば図10(B)に示す抵抗素子750と差動増幅器751を用いた回路を考えることができる。抵抗素子は抵抗値Rrを有し、R1<Rr<R0であるとする。抵抗素子750の代わりに、図10(C)に示すようにトランジスタ752を用いても良いし、差動増幅器751の代わりにクロックトインバータ753を用いることも可能である。もちろん、回路構成は図10(B)及び(C)に限定されない。   Next, operation when data is read by electrical action is described with reference to FIG. Data is read using the fact that the electrical characteristics of the memory element 722 are different between the memory cell having the data “0” and the memory cell having the data “1”. For example, the electrical resistance of the memory element constituting the memory cell having data “0” is R0 at the read voltage, and the electrical resistance of the memory element constituting the memory cell having data “1” is R1 at the read voltage. A method of reading using the difference will be described. Note that R1 << R0. As the reading / writing circuit 715, for example, a circuit using a resistance element 750 and a differential amplifier 751 illustrated in FIG. The resistance element has a resistance value Rr, and R1 <Rr <R0. A transistor 752 may be used instead of the resistance element 750 as shown in FIG. 10C, or a clocked inverter 753 may be used instead of the differential amplifier 751. Of course, the circuit configuration is not limited to FIGS. 10B and 10C.

x行y列目メモリセル702からデータの読み出しを行う場合、まず、デコーダ712、713およびセレクタ714によってメモリセル702を選択する。具体的には、デコーダ713によって、メモリセル702に接続されるワード線Wyに所定の電位V24を印加し、薄膜トランジスタ721をオン状態にする。また、デコーダ712とセレクタ714によって、メモリセル702に接続されるビット線Bxを読み出し/書き込み回路715の端子Pに接続する。その結果、端子Pの電位Vpは、VcomとV0が抵抗素子750(抵抗値Rr)と記憶素子722(抵抗値R0もしくはR1)による抵抗分割によって決定される値となる。従って、メモリセル702がデータ「0」を有する場合の端子Pの電位Vp0には、Vp0=Vcom+(V0−Vcom)×R0/(R0+Rr)となる。また、メモリセル702がデータ「1」を有する場合の端子Pの電位Vp1には、Vp1=Vcom+(V0−Vcom)×R1/(R1+Rr)となる。その結果、図10(B)では、VrefをVp0とVp1の間となるように選択することで、図10(C)では、クロックトインバータの変化点をVp0とVp1の間となるように選択することで、出力電位Voutがデータ「0」/「1」に応じて、Low/High(もしくはHigh/Low)が出力され、読み出しを行うことができる。   When data is read from the memory cell 702 in the xth row and the yth column, first, the memory cell 702 is selected by the decoders 712 and 713 and the selector 714. Specifically, the decoder 713 applies a predetermined potential V24 to the word line Wy connected to the memory cell 702 to turn on the thin film transistor 721. In addition, the bit line Bx connected to the memory cell 702 is connected to the terminal P of the read / write circuit 715 by the decoder 712 and the selector 714. As a result, the potential Vp of the terminal P becomes a value determined by resistance division of Vcom and V0 by the resistance element 750 (resistance value Rr) and the memory element 722 (resistance value R0 or R1). Therefore, the potential Vp0 of the terminal P when the memory cell 702 has data “0” is Vp0 = Vcom + (V0−Vcom) × R0 / (R0 + Rr). In addition, the potential Vp1 of the terminal P when the memory cell 702 has data “1” is Vp1 = Vcom + (V0−Vcom) × R1 / (R1 + Rr). As a result, in FIG. 10B, Vref is selected to be between Vp0 and Vp1, and in FIG. 10C, the changing point of the clocked inverter is selected to be between Vp0 and Vp1. Thus, Low / High (or High / Low) is output according to the output potential Vout corresponding to the data “0” / “1”, and reading can be performed.

例えば、差動増幅器751をVdd=3Vで動作させ、Vcom=0V、V0=3V、Vref=1.5Vとする。仮に、R0/Rr=Rr/R1=9とし、薄膜トランジスタ721のオン抵抗を無視できるとすると、メモリセルのデータが「0」の場合、Vp0=2.7VとなりVoutはHighが出力され、メモリセルのデータが「1」の場合、Vp1=0.3VとなりVoutはLowが出力される。こうして、メモリセルの読み出しを行うことができる。   For example, the differential amplifier 751 is operated at Vdd = 3V, and Vcom = 0V, V0 = 3V, and Vref = 1.5V. If it is assumed that R0 / Rr = Rr / R1 = 9 and the on-resistance of the thin film transistor 721 can be ignored, when the data in the memory cell is “0”, Vp0 = 2.7V and Vout is output as High, When the data of “1” is “1”, Vp1 = 0.3V and Vout is output as Low. Thus, the memory cell can be read.

上記の方法によると、記憶素子722の抵抗値の相違と抵抗分割を利用して、電圧値で読み取っている。もちろん、読み出し方法は、この方法に限定されない。例えば、電気抵抗の差を利用する以外に、電流値の差を利用して読み出しても構わない。また、メモリセルの電気的特性が、データ「0」と「1」とで、しきい値電圧が異なるダイオード特性を有する場合には、しきい値電圧の差を利用して読み出しても構わない。   According to the above method, the voltage value is read using the difference in resistance value of the memory element 722 and the resistance division. Of course, the reading method is not limited to this method. For example, in addition to using the difference in electrical resistance, reading may be performed using the difference in current value. Further, when the electrical characteristics of the memory cell have data “0” and “1” and the diode characteristics have different threshold voltages, reading may be performed using the difference in threshold voltages. .

また、絶縁性を有する基板上に薄膜トランジスタ(TFT)を設けてその上に記憶素子又は記憶素子アレイを設けてもよいし、絶縁性を有する基板の代わりにSi等の半導体基板やSOI基板を用いて基板上に電界効果トランジスタ(FET)を形成しその上に記憶素子又は記憶素子アレイを設けてもよい。   Further, a thin film transistor (TFT) may be provided over an insulating substrate, and a memory element or a memory element array may be provided thereover, or a semiconductor substrate such as Si or an SOI substrate may be used instead of the insulating substrate. A field effect transistor (FET) may be formed on the substrate, and a memory element or a memory element array may be provided thereon.

本実施形態で示した半導体装置は、データの書き込みが一度だけではなく、追加(追記)が可能である。一方、書き込みを一度行った記憶素子に対しデータを消去することは不可能なため、書き換えによる偽造を防止することができる。また、簡便に歩留り良く作製することができる本発明の記憶素子を有するため、性能及び信頼性に優れた半導体装置を安価に作製することが可能である。   In the semiconductor device shown in this embodiment mode, data can be written (added) as well as once. On the other hand, since it is impossible to erase data from a memory element once written, forgery due to rewriting can be prevented. In addition, since the memory element of the present invention that can be easily manufactured with high yield is provided, a semiconductor device having excellent performance and reliability can be manufactured at low cost.

なお、本実施形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。そのため、本実施形態で示した半導体装置が有する記憶素子には、例えばメモリ層と第1の導電層及び第2の導電層の少なくとも一方との間に絶縁層もしくは半導体層が設けられていても良い。   Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate. Therefore, the memory element included in the semiconductor device described in this embodiment includes an insulating layer or a semiconductor layer provided between, for example, the memory layer and at least one of the first conductive layer and the second conductive layer. good.

(実施の形態4)
本実施の形態では、上記実施の形態で示す記憶装置を有する半導体装置の一構成例に関して図面を用いて説明する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, a structural example of the semiconductor device including the memory device described in the above embodiments will be described with reference to drawings.

本実施の形態で示す半導体装置は、非接触でデータの読み出しと書き込みが可能であることを特徴としており、データの伝送形式は、一対のコイルを対向に配置して相互誘導によって交信を行う電磁結合方式、誘導電磁界によって交信する電磁誘導方式、電波を利用して交信する電波方式の3つに大別されるが、いずれの方式を用いてもよい。また、データの伝送に用いるアンテナは2通りの設け方があり、1つはトランジスタおよび記憶素子が設けられた基板上にアンテナを設ける場合、もう1つはトランジスタおよび記憶素子が設けられた基板に端子部を設け、当該端子部に別の基板に設けられたアンテナを接続して設ける場合がある。   The semiconductor device described in this embodiment is characterized in that data can be read and written in a non-contact manner. A data transmission format is an electromagnetic which performs communication by mutual induction with a pair of coils arranged opposite to each other. There are roughly divided into a coupling system, an electromagnetic induction system that communicates using an induction electromagnetic field, and a radio system that communicates using radio waves, but any system may be used. There are two types of antennas used for data transmission. One is provided on a substrate provided with a transistor and a memory element, and the other is provided on a substrate provided with a transistor and a memory element. There is a case where a terminal portion is provided and an antenna provided on another substrate is connected to the terminal portion.

本実施形態で示す半導体装置の構成について、図14を参照して説明する。図14(A)に示すように、本発明の半導体装置20は、非接触でデータを交信する機能を有し、電源回路11、クロック発生回路12、データ復調/変調回路13、他の回路を制御する制御回路14、インターフェイス回路15、記憶回路16、バス17、アンテナ18を有する。   The structure of the semiconductor device shown in this embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 14A, the semiconductor device 20 of the present invention has a function of communicating data without contact, and includes a power supply circuit 11, a clock generation circuit 12, a data demodulation / modulation circuit 13, and other circuits. A control circuit 14 for controlling, an interface circuit 15, a memory circuit 16, a bus 17, and an antenna 18 are provided.

また、図14(B)に示すように、本発明の半導体装置20は、非接触でデータを交信する機能を有し、電源回路11、クロック発生回路12、データ復調/変調回路13、他の回路を制御する制御回路14、インターフェイス回路15、記憶回路16、バス17、アンテナ18の他、中央処理ユニット1を有しても良い。   Further, as shown in FIG. 14B, the semiconductor device 20 of the present invention has a function of communicating data without contact, and includes a power supply circuit 11, a clock generation circuit 12, a data demodulation / modulation circuit 13, and the like. In addition to the control circuit 14, the interface circuit 15, the memory circuit 16, the bus 17, and the antenna 18, the central processing unit 1 may be included.

また、図14(C)に示すように、本発明の半導体装置20は、非接触でデータを交信する機能を有し、電源回路11、クロック発生回路12、データ復調/変調回路13、他の回路を制御する制御回路14、インターフェイス回路15、記憶回路16、バス17、アンテナ18、中央処理ユニット1の他、検出素子3、検出回路4からなる検出部2を有しても良い。   Further, as shown in FIG. 14C, the semiconductor device 20 of the present invention has a function of communicating data without contact, and includes a power supply circuit 11, a clock generation circuit 12, a data demodulation / modulation circuit 13, and the like. In addition to the control circuit 14 for controlling the circuit, the interface circuit 15, the storage circuit 16, the bus 17, the antenna 18, and the central processing unit 1, the detection unit 2 including the detection element 3 and the detection circuit 4 may be provided.

電源回路11は、アンテナ18から入力された交流信号を基に、半導体装置20の内部の各回路に供給する各種電源を生成する回路である。クロック発生回路12は、アンテナ18から入力された交流信号を基に、半導体装置20の内部の各回路に供給する各種クロック信号を生成する回路である。データ復調/変調回路13は、リーダライタ19と交信するデータを復調/変調する機能を有する。制御回路14は、記憶回路16を制御する機能を有する。アンテナ18は、電磁界或いは電波の送受信を行う機能を有する。リーダライタ19は、半導体装置との交信、制御及びそのデータに関する処理を制御する。なお、半導体装置は上記構成に制約されず、例えば、電源電圧のリミッタ回路や暗号処理専用ハードウエアといった他の要素を追加した構成であってもよい。   The power supply circuit 11 is a circuit that generates various power supplies to be supplied to each circuit inside the semiconductor device 20 based on the AC signal input from the antenna 18. The clock generation circuit 12 is a circuit that generates various clock signals to be supplied to each circuit inside the semiconductor device 20 based on the AC signal input from the antenna 18. The data demodulation / modulation circuit 13 has a function of demodulating / modulating data communicated with the reader / writer 19. The control circuit 14 has a function of controlling the memory circuit 16. The antenna 18 has a function of transmitting and receiving an electromagnetic field or a radio wave. The reader / writer 19 controls communication and control with the semiconductor device and processing related to the data. The semiconductor device is not limited to the above-described configuration, and may be a configuration in which other elements such as a power supply voltage limiter circuit and hardware dedicated to cryptographic processing are added.

記憶回路16は、実施の形態1に示す記憶素子から選択される1つ又は複数の記憶素子を有する。本発明の記憶素子を用いることにより、簡便に歩留まり良く記憶回路を作製することができる。   The memory circuit 16 includes one or a plurality of memory elements selected from the memory elements described in Embodiment 1. By using the memory element of the present invention, a memory circuit can be easily manufactured with a high yield.

また、記憶素子へのデータの書き込みの機会は一度だけではなく、データの追加(追記)が可能である。一方、書き込みを一度行った記憶素子に対しデータを消去することは不可能なため、書き換えによる偽造を防止することができる。よって、性能及び信頼性に優れた半導体装置を安価に作製することが可能である。   In addition, the opportunity of writing data to the memory element is not limited to once, and data can be added (added). On the other hand, since it is impossible to erase data from a memory element once written, forgery due to rewriting can be prevented. Thus, a semiconductor device with excellent performance and reliability can be manufactured at low cost.

また、検出部2は、温度、圧力、流量、光、磁気、音波、加速度、湿度、気体成分、液体成分、その他の特性を物理的又は化学的手段により検出することができる。なお、検出部2は、物理量または化学量を検出する検出素子3と当該検出素子3で検出された物理量または化学量を電気信号等の適切な信号に変換する検出回路4とを有している。検出素子3としては、抵抗素子、容量結合素子、誘導結合素子、光起電力素子、光電変換素子、熱起電力素子、トランジスタ、サーミスタ、ダイオード等で形成することができる。なお、検出部2は複数設けてもよく、この場合、複数の物理量または化学量を同時に検出することが可能である。   The detection unit 2 can detect temperature, pressure, flow rate, light, magnetism, sound wave, acceleration, humidity, gas component, liquid component, and other characteristics by physical or chemical means. The detection unit 2 includes a detection element 3 that detects a physical quantity or a chemical quantity, and a detection circuit 4 that converts the physical quantity or the chemical quantity detected by the detection element 3 into an appropriate signal such as an electrical signal. . The detection element 3 can be formed of a resistance element, a capacitive coupling element, an inductive coupling element, a photovoltaic element, a photoelectric conversion element, a thermoelectric element, a transistor, a thermistor, a diode, or the like. A plurality of detection units 2 may be provided. In this case, a plurality of physical quantities or chemical quantities can be detected simultaneously.

ここでいう物理量とは、温度、圧力、流量、光、磁気、音波、加速度、湿度等を指し、化学量とは、ガス等の気体成分やイオン等の液体成分等の化学物質等を指す。化学量としては、他にも、血液、汗、尿等に含まれる特定の生体物質(例えば、血液中に含まれる血糖値等)等の有機化合物も含まれる。特に、化学量を検出しようとする場合には、必然的にある特定の物質を選択的に検出することになるため、あらかじめ検出素子3に検出したい物質と選択的に反応する物質を設けておく。例えば、生体物質の検出を行う場合には、検出素子3に検出させたい生体物質と選択的に反応する酵素、抗体または微生物細胞等を高分子等に固定化して設けておくことが好ましい。   Here, the physical quantity refers to temperature, pressure, flow rate, light, magnetism, sound wave, acceleration, humidity, and the like, and the chemical quantity refers to a chemical substance such as a gas component such as gas or a liquid component such as ion. In addition, the chemical amount includes organic compounds such as specific biological substances (for example, blood glucose level contained in blood) contained in blood, sweat, urine and the like. In particular, when a chemical amount is to be detected, a specific substance is necessarily selectively detected. Therefore, a substance that selectively reacts with a substance to be detected is provided in advance in the detection element 3. . For example, when detecting a biological substance, it is preferable that an enzyme, an antibody, a microbial cell, or the like that selectively reacts with the biological substance to be detected by the detection element 3 is fixed to a polymer or the like.

次に、複数の素子および記憶素子が設けられた基板上に、アンテナを設けた半導体装置の一構成例を図15に示す。なお、図15は記憶回路16とアンテナ18の部分断面図である。   Next, FIG. 15 illustrates a configuration example of a semiconductor device in which an antenna is provided over a substrate provided with a plurality of elements and memory elements. FIG. 15 is a partial cross-sectional view of the memory circuit 16 and the antenna 18.

図15(A)はパッシブマトリクス型で構成される記憶回路を有する半導体装置を示している。半導体装置は、基板1350上にトランジスタ1300、1301を有する層1351と、トランジスタを有する層1351の上方に形成される記憶素子部1352及びアンテナとして機能する導電層1353とを有する。   FIG. 15A illustrates a semiconductor device including a memory circuit which is formed using a passive matrix type. The semiconductor device includes a layer 1351 including transistors 1300 and 1301 over a substrate 1350, a memory element portion 1352 formed above the layer 1351 including transistors, and a conductive layer 1353 functioning as an antenna.

なお、ここではトランジスタを有する層1351の上方に記憶素子部1352及びアンテナとして機能する導電層1353を有する場合を示しているが、この構成に限られず記憶素子部1352またはアンテナとして機能する導電層1353を、トランジスタを有する層1351の下方や同一の層に有してもよい。   Note that although the case where the memory element portion 1352 and the conductive layer 1353 functioning as an antenna are provided above the layer 1351 including a transistor is shown here, the present invention is not limited to this structure, and the conductive layer 1353 functioning as the memory element portion 1352 or the antenna is used. May be provided below the layer 1351 including a transistor or in the same layer.

記憶素子部1352は複数の記憶素子1352a、1352bを有する。記憶素子1352aは、絶縁層1252上に設けられた第1の導電層110と、第1の導電層110上に設けられたメモリ層111a及び第2の導電層112aとを有する。また、記憶素子1352bは、絶縁層1252上に設けられた第1の導電層110と、第1の導電層110上に設けられたメモリ層111b及び第2の導電層112bとを有する。なお、個々の記憶素子1352a、1352bは隔壁(絶縁層)1374により分離されている。   The memory element portion 1352 includes a plurality of memory elements 1352a and 1352b. The memory element 1352a includes a first conductive layer 110 provided over the insulating layer 1252, and a memory layer 111a and a second conductive layer 112a provided over the first conductive layer 110. The memory element 1352b includes a first conductive layer 110 provided over the insulating layer 1252, and a memory layer 111b and a second conductive layer 112b provided over the first conductive layer 110. Note that the individual memory elements 1352 a and 1352 b are separated by a partition wall (insulating layer) 1374.

記憶素子部1352における第1の導電層110は、トランジスタ1301に接続された配線に接続されており、記憶素子部1352は上記実施の形態で示した記憶素子と同様の材料または作製方法を用いて形成することができる。また、第2の導電層112a、112b及びアンテナとして機能する導電層1353を覆って保護膜として機能する絶縁層522が形成されている。   The first conductive layer 110 in the memory element portion 1352 is connected to a wiring connected to the transistor 1301, and the memory element portion 1352 is formed using a material or a manufacturing method similar to those of the memory element described in the above embodiment mode. Can be formed. An insulating layer 522 functioning as a protective film is formed so as to cover the second conductive layers 112a and 112b and the conductive layer 1353 functioning as an antenna.

なお、アンテナとして機能する導電層1353は導電層1360上に設けられている。導電層1360は、記憶素子部1352における第1の導電層110と同一工程にて形成された配線1310を介してトランジスタ1300と接続されている。また、アンテナとして機能する導電層は第2の導電層112a、112bと同一の層で形成してもよい。   Note that the conductive layer 1353 functioning as an antenna is provided over the conductive layer 1360. The conductive layer 1360 is connected to the transistor 1300 through a wiring 1310 formed in the same step as the first conductive layer 110 in the memory element portion 1352. The conductive layer functioning as an antenna may be formed using the same layer as the second conductive layers 112a and 112b.

アンテナとして機能する導電層1353は、CVD法、スパッタ法、スクリーン印刷やグラビア印刷等の印刷法、液滴吐出法、ディスペンサ法、メッキ法等を用いて、導電性材料により形成する。導電性材料は、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、銀(Ag)、銅(Cu)、金(Au)、白金(Pt)ニッケル(Ni)、パラジウム(Pd)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)から選択された元素、又はこれらの元素を主成分とする合金材料若しくは化合物材料で、単層構造又は積層構造で形成する。   The conductive layer 1353 functioning as an antenna is formed using a conductive material by a CVD method, a sputtering method, a printing method such as screen printing or gravure printing, a droplet discharge method, a dispenser method, a plating method, or the like. Conductive materials are aluminum (Al), titanium (Ti), silver (Ag), copper (Cu), gold (Au), platinum (Pt) nickel (Ni), palladium (Pd), tantalum (Ta), molybdenum An element selected from (Mo) or an alloy material or a compound material containing these elements as a main component is formed in a single layer structure or a laminated structure.

例えば、スクリーン印刷法を用いてアンテナとして機能する導電層を形成する場合には、粒径が数nmから数十μmの導電体粒子を有機樹脂に溶解または分散させた導電性のペーストを所望の領域に選択的に印刷することによって設けることができる。導電体粒子としては、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)およびチタン(Ti)等のいずれか一つ以上の金属粒子やハロゲン化銀の微粒子、または分散性ナノ粒子を用いることができる。また、導電性ペーストに含まれる有機樹脂は、金属粒子のバインダー、溶媒、分散剤および被覆材として機能する有機樹脂から選ばれた一つまたは複数を用いることができる。代表的には、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等の有機樹脂が挙げられる。また、導電層の形成にあたり、導電性のペーストを押し出した後に焼成することが好ましい。例えば、導電性のペーストの材料として、銀を主成分とする微粒子(例えば粒径1nm以上100nm以下)を用いる場合、150〜300℃の温度範囲で焼成することにより硬化させて導電層を得ることができる。また、はんだや鉛フリーのはんだを主成分とする微粒子を用いてもよく、この場合は粒径20μm以下の微粒子を用いることが好ましい。はんだや鉛フリーはんだは、低コストであるといった利点を有している。また、上述した材料以外にも、セラミックやフェライト等をアンテナに適用してもよい。   For example, when a conductive layer functioning as an antenna is formed using a screen printing method, a desired conductive paste in which conductive particles having a particle size of several nanometers to several tens of micrometers are dissolved or dispersed in an organic resin is desired. It can be provided by selectively printing in the area. Conductor particles include silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), nickel (Ni), platinum (Pt), palladium (Pd), tantalum (Ta), molybdenum (Mo) and titanium (Ti). Any one or more metal particles, silver halide fine particles, or dispersible nanoparticles can be used. In addition, as the organic resin contained in the conductive paste, one or more selected from organic resins functioning as a binder of metal particles, a solvent, a dispersant, and a coating material can be used. Typically, an organic resin such as an epoxy resin or a silicone resin can be given. In forming the conductive layer, it is preferable to fire after extruding the conductive paste. For example, in the case where fine particles containing silver as a main component (for example, a particle size of 1 nm or more and 100 nm or less) is used as the material of the conductive paste, the conductive layer is obtained by being cured by baking in a temperature range of 150 to 300 ° C. Can do. Further, fine particles mainly composed of solder or lead-free solder may be used. In this case, it is preferable to use fine particles having a particle diameter of 20 μm or less. Solder and lead-free solder have the advantage of low cost. In addition to the materials described above, ceramic, ferrite, or the like may be applied to the antenna.

トランジスタを有する層1351に含まれるトランジスタ1300、1301は、実施の形態3で示したトランジスタ等を適宜選択し、用いることができる。   As the transistors 1300 and 1301 included in the transistor-containing layer 1351, the transistors described in Embodiment 3 can be selected as appropriate and used.

また、基板上に剥離層を設け、前記剥離層上にトランジスタを有する層1351、記憶素子部1352、及びアンテナとして機能する導電層1353を形成し、実施の形態3に示す剥離方法を適宜用いてトランジスタを有する層1351、記憶素子部1352及びアンテナとして機能する導電層1353を剥離し、基板上に接着層を用いて貼り付けてもよい。基板としては、実施の形態2の基板521で示した可撓性基板、フィルム、繊維質な材料からなる紙、基材フィルム等を用いることで、記憶装置の小型、薄型、軽量化を図ることが可能である。   Further, a separation layer is provided over the substrate, a layer 1351 including a transistor, a memory element portion 1352, and a conductive layer 1353 functioning as an antenna are formed over the separation layer, and the separation method described in Embodiment 3 is used as appropriate. The transistor-containing layer 1351, the memory element portion 1352, and the conductive layer 1353 functioning as an antenna may be peeled off and attached to the substrate with an adhesive layer. As the substrate, a flexible substrate, a film, paper made of a fibrous material, a base film, or the like shown as the substrate 521 of Embodiment 2 is used, so that the storage device can be reduced in size, thickness, and weight. Is possible.

図15(B)にアクティブマトリクス型の記憶回路を有する半導体装置の一例を示す。なお、図15(B)については、図15(A)と異なる部分に関して説明する。   FIG. 15B illustrates an example of a semiconductor device including an active matrix memory circuit. Note that FIG. 15B will be described with respect to portions different from those in FIG.

図15(B)に示す半導体装置は、基板1350上にトランジスタ1300、1301を有する層1351と、トランジスタを有する層1351の上方に記憶素子部1356及びアンテナとして機能する導電層1353とを有する。なお、ここではトランジスタを有する層1351の上方に記憶素子部1356及びアンテナとして機能する導電層1353を有する場合を示しているが、この構成に限られずトランジスタ1301を有する層1351の上方や下方に有してもよいし、記憶素子部1356やアンテナとして機能する導電層1353を、トランジスタを有する層1351の下方や同一の層に有しても可能である。   A semiconductor device illustrated in FIG. 15B includes a layer 1351 including transistors 1300 and 1301 over a substrate 1350, and a conductive element 1353 functioning as a memory element portion 1356 and an antenna above the layer 1351 including transistors. Note that here, a case where the memory element portion 1356 and the conductive layer 1353 functioning as an antenna are provided above the layer 1351 having a transistor is shown; Alternatively, the memory element portion 1356 and the conductive layer 1353 functioning as an antenna can be provided below the layer 1351 including the transistor or in the same layer.

記憶素子部1356は、記憶素子1356a、1356bを有する。記憶素子1356aは、絶縁層1252上に形成された第1の導電層110aと、第1の導電層110a上に設けられたメモリ層111及び第2の導電層112とを有する。記憶素子1356bは、絶縁層1252上に形成された第1の導電層110bと、第1の導電層110b上に設けられたメモリ層111及び第2の導電層112とを有する。なお、記憶素子1356a、1356bは隔壁(絶縁層)1374により分離されており、記憶素子部1356は上記実施の形態で示した記憶素子と同様の材料または作製方法を用いて形成することができる。また、記憶素子を構成する第1の導電層の各々には、トランジスタに接続された配線が接続されている。すなわち、記憶素子はそれぞれ一つのトランジスタに接続されている。なお、図15(B)に示す断面方向においても、メモリ層111は各記憶素子で分離されていても良い。   The memory element portion 1356 includes memory elements 1356a and 1356b. The memory element 1356a includes a first conductive layer 110a formed over the insulating layer 1252, and a memory layer 111 and a second conductive layer 112 provided over the first conductive layer 110a. The memory element 1356b includes a first conductive layer 110b formed over the insulating layer 1252, and a memory layer 111 and a second conductive layer 112 provided over the first conductive layer 110b. Note that the memory elements 1356a and 1356b are separated by a partition wall (insulating layer) 1374, and the memory element portion 1356 can be formed using a material or a manufacturing method similar to those of the memory elements described in the above embodiment modes. In addition, a wiring connected to the transistor is connected to each of the first conductive layers included in the memory element. That is, each memory element is connected to one transistor. Note that also in the cross-sectional direction illustrated in FIG. 15B, the memory layer 111 may be separated by each memory element.

また、基板上に剥離層を設け、前記剥離層上にトランジスタを有する層1351、記憶素子部1356及びアンテナとして機能する導電層1353を形成し、実施の形態3に示す剥離方法を適宜用いてトランジスタを有する層1351、記憶素子部1356及びアンテナとして機能する導電層1353を剥離し、基板上に接着層を用いて貼り付けてもよい。   Further, a separation layer is provided over the substrate, a layer 1351 having a transistor, a memory element portion 1356, and a conductive layer 1353 functioning as an antenna are formed over the separation layer, and the separation method described in Embodiment 3 is used as appropriate. The conductive layer 1353 functioning as the antenna 1351, the memory element portion 1356, and the antenna may be peeled off and attached to the substrate with an adhesive layer.

次に、トランジスタを有する層、アンテナに接続される端子部及び記憶素子を有する第1の基板と、当該端子部に接続されるアンテナが形成された第2の基板とを有する半導体装置の一構成例に関して図16を用いて説明する。なお、図16に関し図15と異なる部分に関して説明を行う。   Next, one structure of a semiconductor device including a layer having a transistor, a first substrate having a terminal portion connected to the antenna and a memory element, and a second substrate on which the antenna connected to the terminal portion is formed An example will be described with reference to FIG. Note that portions different from FIG. 15 will be described with reference to FIG.

図16(A)はパッシブマトリクス型の記憶装置を有する半導体装置を示している。半導体装置は、基板1350上に形成されたトランジスタ1300、1301を有する層1351と、トランジスタを有する層1351の上方に形成される記憶素子部1352と、アンテナに接続する端子部と、アンテナとして機能する導電層1357が形成された基板1365とを有する。導電層1357と接続端子となる導電層1360とは、樹脂1375中に含まれる導電性粒子1359により電気的に接続されている。なお、トランジスタを有する層1351と記憶素子部1352等を有する基板1350と、アンテナとして機能する導電層1357が設けられた基板1365とは、接着性を有する樹脂1375により貼り合わされている。   FIG. 16A illustrates a semiconductor device having a passive matrix memory device. The semiconductor device functions as an antenna, a layer 1351 including transistors 1300 and 1301 formed over a substrate 1350, a memory element portion 1352 formed above the layer 1351 including transistors, a terminal portion connected to an antenna, and the like. And a substrate 1365 over which a conductive layer 1357 is formed. The conductive layer 1357 and the conductive layer 1360 serving as a connection terminal are electrically connected by conductive particles 1359 included in the resin 1375. Note that a substrate 1350 including a transistor-containing layer 1351, a memory element portion 1352, and the like, and a substrate 1365 provided with a conductive layer 1357 functioning as an antenna are attached to each other with a resin 1375 having adhesiveness.

また、銀ペースト、銅ペースト、カーボンペースト等の導電性接着剤や半田接合を行う方法を用いてアンテナとして機能する導電層1357と接続端子となる導電層1360とを接続してもよい。ここではトランジスタを有する層1351の上方に記憶素子部1352を設けた場合を示しているが、この構成に限られず記憶素子部1352を、トランジスタを有する層1351の下方や同一の層に有してもよい。   Alternatively, the conductive layer 1357 functioning as an antenna may be connected to the conductive layer 1360 serving as a connection terminal using a conductive adhesive such as silver paste, copper paste, or carbon paste, or a method of performing solder bonding. Although the case where the memory element portion 1352 is provided above the layer 1351 having a transistor is shown here, the present invention is not limited to this structure, and the memory element portion 1352 is provided below the layer 1351 having a transistor or in the same layer. Also good.

図16(B)はアクティブマトリクス型の記憶装置が設けられた半導体装置を示している。半導体装置は、基板1350上に形成されたトランジスタ1300、1301を有する層1351と、トランジスタを有する層1351の上方に形成される記憶素子部1356と、トランジスタに接続する端子部と、アンテナとして機能する導電層1357が形成された基板1365とを有する。導電層1357と接続端子となる導電層1360とは、樹脂1375中に含まれる導電性粒子1359により接続されている。なお、トランジスタを有する層1351と記憶素子部1356等を有する基板と、アンテナとして機能する導電層1357が設けられた基板1365とは、接着性を有する樹脂1375により貼り合わされている。   FIG. 16B illustrates a semiconductor device provided with an active matrix memory device. The semiconductor device functions as an antenna, a layer 1351 including transistors 1300 and 1301 formed over a substrate 1350, a memory element portion 1356 formed above the layer 1351 including transistors, a terminal portion connected to the transistors, and the like. And a substrate 1365 over which a conductive layer 1357 is formed. The conductive layer 1357 and the conductive layer 1360 serving as a connection terminal are connected by conductive particles 1359 included in the resin 1375. Note that a substrate including the layer 1351 including a transistor, the memory element portion 1356, and the like and a substrate 1365 provided with a conductive layer 1357 functioning as an antenna are attached to each other with a resin 1375 having adhesiveness.

また、銀ペースト、銅ペースト、カーボンペースト等の導電性接着剤や半田接合を行う方法を用いてトランジスタを有する層1351と記憶素子部1356等を有する基板1350と、アンテナとして機能する導電層1357が設けられた基板1365とを貼り合わせてもよい。ここではトランジスタを有する層1351の上方に記憶素子部1352を設けた場合を示しているが、この構成に限られず記憶素子部1356を、トランジスタを有する層1351の下方や同一の層に有してもよい。   Further, a conductive layer such as a silver paste, a copper paste, or a carbon paste, or a method of performing solder bonding, a layer 1351 having a transistor, a substrate 1350 having a memory element portion 1356, and the like, and a conductive layer 1357 functioning as an antenna are provided. The provided substrate 1365 may be attached. Although the case where the memory element portion 1352 is provided above the layer 1351 including a transistor is shown here, the present invention is not limited to this structure, and the memory element portion 1356 is provided below the layer 1351 including a transistor or in the same layer. Also good.

また、基板上に剥離層を形成し、前記剥離層上にトランジスタを有する層1351、記憶素子部1352もしくは記憶素子部1356を形成し、実施の形態3に示す剥離方法を適宜用いてトランジスタを有する層1351及び記憶素子部1352、1356を剥離し、基板上に接着層を用いて貼り付けてもよい。   Further, a separation layer is formed over the substrate, a layer 1351 having a transistor, a memory element portion 1352, or a memory element portion 1356 is formed over the separation layer, and the transistor is included by using the separation method described in Embodiment 3 as appropriate. The layer 1351 and the memory element portions 1352 and 1356 may be peeled off and attached to the substrate using an adhesive layer.

さらには、記憶素子部1352、1356を、アンテナとして機能する導電層1357が設けられた基板1365に設けてもよい。すなわち、トランジスタを有する層が形成される第1の基板と、記憶素子部及びアンテナとして機能する導電層が形成される第2の基板とを、導電性粒子を含む樹脂により貼り合わせてもよい。また、図15(A)及び(B)に示す半導体装置と同様に、トランジスタに接続するセンサを設けてもよい。   Further, the memory element portions 1352 and 1356 may be provided over the substrate 1365 provided with the conductive layer 1357 functioning as an antenna. In other words, the first substrate over which a layer including a transistor is formed and the second substrate over which a conductive layer functioning as a memory element portion and an antenna are formed may be bonded to each other with a resin containing conductive particles. Further, similarly to the semiconductor device illustrated in FIGS. 15A and 15B, a sensor connected to a transistor may be provided.

本実施形態で示した半導体装置は、データの書き込みが一度だけではなく、追加(追記)が可能である。一方、書き込みを一度行った記憶素子に対しデータを消去することは不可能なため、書き換えによる偽造を防止することができる。また、簡便に歩留り良く作製することができる本発明の記憶素子を有するため、性能及び信頼性に優れた半導体装置を安価に作製することが可能である。   In the semiconductor device shown in this embodiment mode, data can be written (added) as well as once. On the other hand, since it is impossible to erase data from a memory element once written, forgery due to rewriting can be prevented. In addition, since the memory element of the present invention that can be easily manufactured with high yield is provided, a semiconductor device having excellent performance and reliability can be manufactured at low cost.

なお、本実施形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。そのため、本実施形態で示した半導体装置が有する記憶素子には、例えばメモリ層と第1の導電層及び第2の導電層の少なくとも一方との間に絶縁層もしくは半導体層が設けられていても良い。   Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate. Therefore, the memory element included in the semiconductor device described in this embodiment includes an insulating layer or a semiconductor layer provided between, for example, the memory layer and at least one of the first conductive layer and the second conductive layer. good.

(実施の形態5)
本実施の形態では、本発明の記憶素子を有する半導体装置の一例に関して図面を用いて説明する。本実施の形態の半導体装置の上面図を図17(A)に、図17(A)における線X−Yの断面図を図17(B)に示す。
(Embodiment 5)
In this embodiment, an example of a semiconductor device including the memory element of the present invention will be described with reference to drawings. A top view of the semiconductor device of this embodiment is shown in FIG. 17A, and a cross-sectional view taken along line XY in FIG. 17A is shown in FIG.

図17(A)に示すように、基板1400上に記憶素子を有する記憶素子部1404、回路部1421、アンテナ1431が形成されている。図17(A)及び(B)は、作成工程途中であり、作製条件に耐えうる基板1400上に記憶素子部、回路部、及びアンテナを形成した状態である。材料及び作製工程は上記実施の形態と同様に適宜選択し、作製すればよい。   As shown in FIG. 17A, a memory element portion 1404 having a memory element, a circuit portion 1421, and an antenna 1431 are formed over a substrate 1400. 17A and 17B show a state in which a memory element portion, a circuit portion, and an antenna are formed over a substrate 1400 that can withstand the manufacturing conditions in the middle of the manufacturing process. Materials and manufacturing steps may be selected as appropriate in the same manner as in the above embodiment mode.

基板1400上に剥離層1452、絶縁層1453を介して記憶素子部1404にはトランジスタ1441、回路部1421にはトランジスタ1442が設けられている。トランジスタ1441及びトランジスタ1442上には絶縁層1461、絶縁層1454、絶縁層1455が形成されており、絶縁層1455上には記憶素子1443が形成されている。   A transistor 1441 is provided in the memory element portion 1404 and a transistor 1442 is provided in the circuit portion 1421 with a separation layer 1452 and an insulating layer 1453 provided over a substrate 1400. An insulating layer 1461, an insulating layer 1454, and an insulating layer 1455 are formed over the transistors 1441 and 1442, and a memory element 1443 is formed over the insulating layer 1455.

記憶素子1443は、絶縁層1455上に設けられた第1の導電層110dと、メモリ層111と、第2の導電層112とを有し、メモリ層111は第1の導電層110dと第2の導電層112に挟持されている。なお、記憶素子1443は上記実施の形態で示した記憶素子と同様の材料または作製方法を用いて形成することができる。図17では省略されているが、隔壁として機能する絶縁層1460b等により多数設けられた記憶素子1443は個々に隔てられている。   The memory element 1443 includes a first conductive layer 110d, a memory layer 111, and a second conductive layer 112 provided over the insulating layer 1455. The memory layer 111 includes the first conductive layer 110d and the second conductive layer 112d. The conductive layer 112 is sandwiched. Note that the memory element 1443 can be formed using a material or a manufacturing method similar to those of the memory element described in the above embodiment. Although omitted in FIG. 17, the memory elements 1443 provided in large numbers by the insulating layer 1460b functioning as a partition or the like are individually separated.

第1の導電層110dはトランジスタ1441の配線層と接続されている。一方、第2の導電層112は、配線層1456aに積層された導電層1457cと接続されている。また、絶縁層1455上には導電層と図17(A)で示すアンテナ1431が積層して設けられている。図17(B)において、前記導電層は、導電層1457a、導電層1457b、導電層1457e、導電層1457fであり、導電層1457aとアンテナ1431a、導電層1457bとアンテナ1431b、及び導電層1457fとアンテナ1431dとがそれぞれ積層された構成となっている。なお、導電層1457eとアンテナ1431cについては、絶縁層1455に形成された配線層1456bに達する開口部において形成されており、導電層1457eと配線層1456bとが接続されている。このようにして、アンテナと記憶素子部1404及び回路部1421とを電気的に接続されている。また、アンテナ1431a、アンテナ1431b、アンテナ1431c、及び1431d下にそれぞれ形成されている導電層1457a、導電層1457b、導電層1457e、導電層1457fは、絶縁層1455とアンテナとの密着性を向上させる効果も有する。本実施の形態では、絶縁層1455にポリイミド膜、導電層1457a、導電層1457b、導電層1457e、及び導電層1457fにチタン膜、アンテナ1431a、アンテナ1431b、アンテナ1431c、及びアンテナ1431dにアルミニウム膜をそれぞれ用いている。   The first conductive layer 110 d is connected to the wiring layer of the transistor 1441. On the other hand, the second conductive layer 112 is connected to a conductive layer 1457c stacked over the wiring layer 1456a. In addition, a conductive layer and an antenna 1431 illustrated in FIG. 17A are stacked over the insulating layer 1455. In FIG. 17B, the conductive layers are a conductive layer 1457a, a conductive layer 1457b, a conductive layer 1457e, and a conductive layer 1457f. The conductive layer 1457a and the antenna 1431a, the conductive layer 1457b and the antenna 1431b, and the conductive layer 1457f and the antenna 1431d is laminated. Note that the conductive layer 1457e and the antenna 1431c are formed in openings that reach the wiring layer 1456b formed in the insulating layer 1455, and the conductive layer 1457e and the wiring layer 1456b are connected to each other. In this manner, the antenna, the memory element portion 1404, and the circuit portion 1421 are electrically connected. In addition, the conductive layer 1457a, the conductive layer 1457b, the conductive layer 1457e, and the conductive layer 1457f formed under the antenna 1431a, the antenna 1431b, the antenna 1431c, and 1431d, respectively, are effective in improving the adhesion between the insulating layer 1455 and the antenna. Also have. In this embodiment, a polyimide film is used for the insulating layer 1455, a titanium film is used for the conductive layer 1457a, a conductive layer 1457b, a conductive layer 1457e, and a conductive layer 1457f, and an aluminum film is used for the antenna 1431a, the antenna 1431b, the antenna 1431c, and the antenna 1431d. Used.

なお、第1の導電層110dとトランジスタ1441、導電層1457cと配線層1456a及び導電層1457eと配線層1456bとがそれぞれ接続するために絶縁層1455に開口(コンタクトホールとも言う)を形成している。開口を大きくし、導電層同士の接触面積を増加した方がより低抵抗となるため、本実施の形態では、第1の導電層110dとトランジスタ1441とが接続する開口が一番小さく、その次が導電層1457cと配線層1456aとが接続する開口、導電層1457eと配線層1456bとが接続する開口が一番大きいというように順に開口を大きく設定している。本実施の形態では、第1の導電層110dとトランジスタ1441とが接続する開口を5μm×5μm、導電層1457cと配線層1456aとが接続する開口を50μm×50μm、導電層1457eと配線層1456bとが接続する開口を500μm×500μmとしている。   Note that an opening (also referred to as a contact hole) is formed in the insulating layer 1455 so that the first conductive layer 110d and the transistor 1441, the conductive layer 1457c and the wiring layer 1456a, and the conductive layer 1457e and the wiring layer 1456b are connected to each other. . When the opening is increased and the contact area between the conductive layers is increased, the resistance becomes lower. Therefore, in this embodiment, the opening where the first conductive layer 110d and the transistor 1441 are connected is the smallest, and the next However, the openings are set in order so that the opening connecting the conductive layer 1457c and the wiring layer 1456a and the opening connecting the conductive layer 1457e and the wiring layer 1456b are the largest. In this embodiment, an opening connecting the first conductive layer 110d and the transistor 1441 is 5 μm × 5 μm, an opening connecting the conductive layer 1457c and the wiring layer 1456a is 50 μm × 50 μm, and the conductive layer 1457e and the wiring layer 1456b are connected. The opening for connecting is set to 500 μm × 500 μm.

本実施の形態では、絶縁層1460aからアンテナ1431bまでの距離aを500μm以上、第2の導電層112の端部から絶縁層1460aの端部までの距離bを250μm以上、第2の導電層112の端部から絶縁層1460cの端部までの距離cを500μm以上、絶縁層1460cの端部からアンテナ1431cまでの距離dを250μm以上としている。なお、回路部1421は部分的に絶縁層1460cが形成されており、トランジスタ1442も絶縁層1460cに覆われていない領域と覆われている領域がある。   In this embodiment, the distance a from the insulating layer 1460a to the antenna 1431b is 500 μm or more, the distance b from the end of the second conductive layer 112 to the end of the insulating layer 1460a is 250 μm or more, and the second conductive layer 112 The distance c from the end of the insulating layer 1460c to the end of the insulating layer 1460c is 500 μm or more, and the distance d from the end of the insulating layer 1460c to the antenna 1431c is 250 μm or more. Note that the insulating layer 1460 c is partially formed in the circuit portion 1421, and the transistor 1442 includes a region not covered with the insulating layer 1460 c and a covered region.

以上のような半導体装置を用いることで、外部入力部から電源電圧や信号を記憶素子部1404に直接入力することで、記憶素子部1404にデータ(情報に相当する)を書き込む、もしくは記憶素子部1404からデータを読み出すことが可能となる。   By using the semiconductor device as described above, a power supply voltage or a signal is directly input to the memory element unit 1404 from the external input unit, thereby writing data (corresponding to information) in the memory element unit 1404 or the memory element unit. Data can be read from 1404.

また、アンテナは、記憶素子部に対して、重なって設けてもよいし、重ならずに周囲に設ける構造でもよい。また重なる場合も全面が重なってもよいし、一部が重なっている構造でもよい。例えば、アンテナ部と記憶素子部が重なる構成であると、アンテナが交信する際に信号に載っているノイズや電磁誘導により発生する起電力の変動等の影響による、半導体装置の動作不良を減らすことが可能である。   Further, the antenna may be provided so as to overlap with the memory element portion, or may be provided around the memory element portion without overlapping. When overlapping, the entire surface may overlap, or a structure where a part overlaps may be used. For example, when the antenna unit and the memory element unit overlap, the malfunction of the semiconductor device due to the influence of noise on the signal when the antenna communicates or fluctuations in electromotive force generated by electromagnetic induction is reduced. Is possible.

また、上述した非接触データの入出力が可能である半導体装置における信号の伝送方式は、電磁結合方式、電磁誘導方式またはマイクロ波方式等を用いることができる。伝送方式は、用途を考慮して適宜選択すればよく、伝送方式に伴って最適なアンテナを設ければよい。   As a signal transmission method in the semiconductor device capable of inputting / outputting non-contact data described above, an electromagnetic coupling method, an electromagnetic induction method, a microwave method, or the like can be used. The transmission method may be appropriately selected in consideration of the application, and an optimal antenna may be provided according to the transmission method.

図18(A)乃至(D)に、基板1501上に形成されたアンテナとして機能する導電層1502及び記憶素子部1503を有するチップ状の半導体装置の例を示す。なお、半導体装置には記憶素子の他、集積回路等を搭載していても良い。   FIGS. 18A to 18D illustrate an example of a chip-shaped semiconductor device including a conductive layer 1502 functioning as an antenna formed over a substrate 1501 and a memory element portion 1503. Note that an integrated circuit or the like may be mounted in addition to the memory element in the semiconductor device.

半導体装置における信号の伝送方式として、マイクロ波方式(例えば、UHF帯(860〜960MHz帯)、2.45GHz帯等)を適用する場合には、信号の伝送に用いる電磁波の波長を考慮してアンテナとして機能する導電層の長さ等の形状を適宜設定すればよく、例えば、アンテナとして機能する導電層を線状(例えば、ダイポールアンテナ(図18(A)参照))、平坦な形状(例えば、パッチアンテナ(図18(B)参照))またはリボン型の形状(図18(C)及び(D)参照)等に形成することができる。また、アンテナとして機能する導電層の形状は線状に限られず、電磁波の波長を考慮して曲線状や蛇行形状またはこれらを組み合わせた形状で設けてもよい。   When a microwave method (for example, UHF band (860 to 960 MHz band), 2.45 GHz band, or the like) is applied as a signal transmission method in a semiconductor device, an antenna is used in consideration of the wavelength of an electromagnetic wave used for signal transmission. For example, the conductive layer functioning as an antenna has a linear shape (for example, a dipole antenna (see FIG. 18A)), a flat shape (for example, A patch antenna (see FIG. 18B)) or a ribbon shape (see FIGS. 18C and 18D) can be formed. Further, the shape of the conductive layer functioning as an antenna is not limited to a linear shape, and may be provided in a curved shape, a meandering shape, or a combination thereof in consideration of the wavelength of electromagnetic waves.

また、半導体装置における信号の伝送方式として、電磁結合方式または電磁誘導方式(例えば13.56MHz帯)を適用する場合には、磁界密度の変化による電磁誘導を利用するため、アンテナとして機能する導電層を輪状(例えば、ループアンテナ)、らせん状(例えば、スパイラルアンテナ)に形成することが好ましい。   When an electromagnetic coupling method or an electromagnetic induction method (for example, 13.56 MHz band) is applied as a signal transmission method in a semiconductor device, a conductive layer that functions as an antenna is used because electromagnetic induction due to a change in magnetic field density is used. Is preferably formed in a ring shape (for example, a loop antenna) or a spiral shape (for example, a spiral antenna).

また、電磁結合方式または電磁誘導方式を適用する場合であって、アンテナを備えた半導体装置を金属に接して設ける場合には、当該半導体装置と金属との間に透磁率を備えた磁性材料を設けることが好ましい。アンテナを備えた半導体装置を金属に接して設ける場合には、磁界の変化に伴い金属に渦電流が流れ、当該渦電流により発生する反磁界によって、磁界の変化が弱められて通信距離が低下する。そのため、半導体装置と金属との間に透磁率を備えた材料を設けることにより金属の渦電流を抑制し通信距離の低下を抑制することができる。なお、磁性材料としては、高い透磁率を有し高周波損失の少ないフェライトや金属薄膜を用いることができる。   Further, in the case where an electromagnetic coupling method or an electromagnetic induction method is applied and a semiconductor device provided with an antenna is provided in contact with a metal, a magnetic material having a permeability between the semiconductor device and the metal is used. It is preferable to provide it. When a semiconductor device provided with an antenna is provided in contact with a metal, an eddy current flows in the metal as the magnetic field changes, and the change in the magnetic field is weakened by the demagnetizing field generated by the eddy current, thereby reducing the communication distance. . Therefore, by providing a material having magnetic permeability between the semiconductor device and the metal, it is possible to suppress the eddy current of the metal and suppress the decrease in the communication distance. As the magnetic material, ferrite or metal thin film having high magnetic permeability and low high-frequency loss can be used.

また、アンテナを設ける場合には、1枚の基板上にトランジスタ等の半導体素子とアンテナとして機能する導電層を直接作り込んで設けてもよいし、半導体素子とアンテナとして機能する導電層を別々の基板上に設けた後に、電気的に接続するように貼り合わせることによって設けてもよい。   In the case of providing an antenna, a semiconductor element such as a transistor and a conductive layer functioning as an antenna may be directly formed over one substrate, or the semiconductor element and the conductive layer functioning as an antenna may be provided separately. After being provided on the substrate, it may be provided by bonding so as to be electrically connected.

本実施形態で示した半導体装置は、データの書き込みが一度だけではなく、追加(追記)することが可能である。一方、書き込みを一度行った記憶素子に対しデータを消去することは不可能なため、書き換えによる偽造を防止することができる。また、簡便に歩留り良く作製することができる本発明の記憶素子を有するため、性能及び信頼性に優れた半導体装置を安価に作製することが可能である。   In the semiconductor device described in this embodiment, data can be written (added) not only once but also once. On the other hand, since it is impossible to erase data from a memory element once written, forgery due to rewriting can be prevented. In addition, since the memory element of the present invention that can be easily manufactured with high yield is provided, a semiconductor device having excellent performance and reliability can be manufactured at low cost.

なお、本実施形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。例えば、本実施形態で示した半導体装置が有する記憶素子には、メモリ層と第1の導電層及び第2の導電層の少なくとも一方との間に絶縁層もしくは半導体層が設けられていても良い。   Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate. For example, in the memory element included in the semiconductor device described in this embodiment, an insulating layer or a semiconductor layer may be provided between the memory layer and at least one of the first conductive layer and the second conductive layer. .

(実施の形態6)
本発明により無線チップとして機能する半導体装置を形成することができる。無線チップの用途は広範にわたるが、例えば、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、証書類(運転免許証や住民票等、図19(A)参照)、包装用容器類(包装紙やボトル等、図19(C)参照)、記録媒体(DVDソフトやビデオテープ等、図19(B)参照)、乗物類(自転車等、図19(D)参照)、身の回り品(鞄や眼鏡等)、食品類、植物類、動物類、人体、衣類、生活用品類、電子機器等の商品や荷物の荷札(図19(E)、図19(F)参照)等の物品に設けて使用することができる。電子機器とは、液晶表示装置、EL表示装置、テレビジョン装置(単にテレビ、テレビ受像機、テレビジョン受像機とも呼ぶ)及び携帯電話等を指す。
(Embodiment 6)
According to the present invention, a semiconductor device functioning as a wireless chip can be formed. Applications of wireless chips are wide-ranging. For example, banknotes, coins, securities, bearer bonds, certificates (driver's license, resident card, etc., see FIG. 19A), packaging containers (wrapping paper and Bottle, etc., see FIG. 19C), recording medium (DVD software, video tape, etc., see FIG. 19B), vehicles (bicycle, etc., see FIG. 19D), personal items (bags, glasses, etc.) ), Used on goods such as foods, plants, animals, human bodies, clothing, daily necessities, electronic devices, etc. and luggage tags (see FIGS. 19E and 19F). be able to. Electronic devices refer to liquid crystal display devices, EL display devices, television devices (also simply referred to as televisions, television receivers, television receivers), mobile phones, and the like.

本発明の半導体装置1610は、本発明の記憶素子を有し、プリント基板に実装する、表面に貼る、あるいは基板に埋め込むことにより、物品に固定される。例えば、本なら紙に埋め込んだり、有機樹脂からなるパッケージなら当該有機樹脂に埋め込んだりして各物品に固定される。本発明の半導体装置1610は、小型、薄型、軽量を実現するため、物品に固定した後も、その物品自体のデザイン性を損なうことがない。また、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、証書類等に本発明の半導体装置1610を設けることにより、認証機能を設けることができ、この認証機能を活用すれば、偽造を防止することができる。また、包装用容器類、記録媒体、身の回り品、食品類、衣類、生活用品類、電子機器等に本発明の半導体装置を設けることにより、検品システム等のシステムの効率化を図ることができる。   A semiconductor device 1610 of the present invention includes the memory element of the present invention, and is fixed to an article by being mounted on a printed board, pasted on a surface, or embedded in a board. For example, a book is embedded in paper, and a package made of an organic resin is embedded in the organic resin and fixed to each article. Since the semiconductor device 1610 of the present invention is small, thin, and lightweight, it does not impair the design of the article itself even after being fixed to the article. In addition, by providing the semiconductor device 1610 of the present invention on bills, coins, securities, bearer bonds, certificates, etc., an authentication function can be provided, and if this authentication function is utilized, forgery can be prevented. Can do. In addition, by providing the semiconductor device of the present invention in packaging containers, recording media, personal items, foods, clothing, daily necessities, electronic devices, etc., the efficiency of a system such as an inspection system can be improved.

次に、本発明の半導体装置を実装した電子機器の一態様について図20を用いて説明する。ここで例示する電子機器は携帯電話機であり、筐体1700、1706、パネル1701、ハウジング1702、プリント配線基板1703、操作ボタン1704、バッテリ1705を有する。パネル1701はハウジング1702に脱着自在に組み込まれ、ハウジング1702はプリント配線基板1703に嵌着される。ハウジング1702はパネル1701が組み込まれる電子機器に合わせて、形状や寸法が適宜変更される。プリント配線基板1703には、パッケージングされた複数の半導体装置が実装されており、このうちの1つとして、本発明の記憶素子を有する半導体装置を用いることができる。プリント配線基板1703に実装される複数の半導体装置は、コントローラ、中央処理ユニット(CPU、Central Processing Unit)、メモリ、電源回路、音声処理回路、送受信回路等のいずれかの機能を有する。   Next, one mode of an electronic device in which the semiconductor device of the present invention is mounted is described with reference to FIGS. The electronic device illustrated here is a mobile phone, and includes housings 1700 and 1706, a panel 1701, a housing 1702, a printed wiring board 1703, operation buttons 1704, and a battery 1705. The panel 1701 is detachably incorporated in the housing 1702, and the housing 1702 is fitted on the printed wiring board 1703. The shape and dimensions of the housing 1702 are changed as appropriate in accordance with the electronic device in which the panel 1701 is incorporated. A plurality of packaged semiconductor devices are mounted on the printed wiring board 1703, and a semiconductor device including the memory element of the present invention can be used as one of them. The plurality of semiconductor devices mounted on the printed wiring board 1703 have any one function of a controller, a central processing unit (CPU), a memory, a power supply circuit, a sound processing circuit, a transmission / reception circuit, and the like.

パネル1701は、接続フィルム1708を介して、プリント配線基板1703と接続される。上記のパネル1701、ハウジング1702、プリント配線基板1703は、操作ボタン1704やバッテリ1705と共に、筐体1700、1706の内部に収納される。パネル1701が含む画素領域1709は、筐体1700に設けられた開口窓から視認できるように配置されている。   The panel 1701 is connected to the printed wiring board 1703 via the connection film 1708. The panel 1701, the housing 1702, and the printed wiring board 1703 are housed in the housings 1700 and 1706 together with the operation buttons 1704 and the battery 1705. A pixel region 1709 included in the panel 1701 is arranged so as to be visible from an opening window provided in the housing 1700.

上記の通り、本発明の半導体装置は、小型、薄型、軽量であることを特徴としており、上記特徴により、電子機器の筐体1700、1706内部の限られた空間を有効に利用することができる。なお、筐体1700、1706は、携帯電話機の外観形状を一例として示したものであり、本実施形態に係る電子機器は、その機能や用途に応じて様々な態様に変容しうる。   As described above, the semiconductor device of the present invention is characterized in that it is small, thin, and lightweight, and the limited space inside the casings 1700 and 1706 of the electronic device can be effectively used due to the above characteristics. . Note that the casings 1700 and 1706 are examples of the appearance of a mobile phone, and the electronic device according to the present embodiment can be transformed into various modes depending on the function and application.

なお、本発明の記憶素子は、第1の導電層と、メモリ層と、第2の導電層とを有し、メモリ層は第1の導電層と第2の導電層に挟持されている。なお、メモリ層は有機薄膜で被覆された導電性材料よりなるナノ粒子から構成され、液滴吐出法を用いて形成する。そのため、本発明の記憶素子は、簡便に歩留り良く作製することができる。   Note that the memory element of the present invention includes a first conductive layer, a memory layer, and a second conductive layer, and the memory layer is sandwiched between the first conductive layer and the second conductive layer. Note that the memory layer is composed of nanoparticles made of a conductive material covered with an organic thin film, and is formed using a droplet discharge method. Therefore, the memory element of the present invention can be easily manufactured with a high yield.

また、このような記憶素子を有する半導体装置は、データの書き込みが一度だけではなく、追加(追記)することが可能である。一方、書き込みを一度行った記憶素子に対しデータを消去することは不可能なため、書き換えによる偽造を防止することができる。よって、性能及び信頼性に優れた半導体装置を安価に作製することが可能である。   In addition, in a semiconductor device having such a memory element, data can be written (added) as well as once. On the other hand, since it is impossible to erase data from a memory element once written, forgery due to rewriting can be prevented. Thus, a semiconductor device with excellent performance and reliability can be manufactured at low cost.

なお、本実施形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。例えば、本実施形態で示した半導体装置が有する記憶素子には、メモリ層と第1の導電層及び第2の導電層の少なくとも一方との間に絶縁層もしくは半導体層が設けられていても良い。   Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate. For example, in the memory element included in the semiconductor device described in this embodiment, an insulating layer or a semiconductor layer may be provided between the memory layer and at least one of the first conductive layer and the second conductive layer. .

本発明の記憶素子の一構成例について説明する図。3A and 3B each illustrate a structure example of a memory element of the present invention. 本発明の記憶素子の動作機構について説明する図。3A and 3B illustrate an operation mechanism of a memory element of the present invention. 書き込み後の記憶素子の一構成例を示す図。The figure which shows the example of 1 structure of the memory element after writing. 書き込み前後のメモリ層の上面図の一例を示す図。The figure which shows an example of the top view of the memory layer before and behind writing. 液滴吐出装置の一態様を示す図。The figure which shows the one aspect | mode of a droplet discharge apparatus. 本発明の記憶素子の一構成例について説明する図。3A and 3B each illustrate a structure example of a memory element of the present invention. 本発明の半導体装置の一構成例について説明する図。8A and 8B illustrate a structure example of a semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置が有するメモリセルについて説明する図。6A and 6B illustrate a memory cell included in a semiconductor device of the present invention. 本発明の記憶素子の一構成例について説明する図。3A and 3B each illustrate a structure example of a memory element of the present invention. 本発明の半導体装置の一構成例について説明する図。8A and 8B illustrate a structure example of a semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置が有するメモリセルについて説明する図。6A and 6B illustrate a memory cell included in a semiconductor device of the present invention. 薄膜トランジスタの一態様について説明する図。4A and 4B illustrate one embodiment of a thin film transistor. 本発明の半導体装置の一構成例について説明する図。8A and 8B illustrate a structure example of a semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置の一構成例について説明する図。8A and 8B illustrate a structure example of a semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置の断面の一部を説明する図。6A and 6B illustrate part of a cross section of a semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置の断面の一部を説明する図。6A and 6B illustrate part of a cross section of a semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置について説明する図。6A and 6B illustrate a semiconductor device of the present invention. 本発明のチップ状の半導体装置について説明する図。6A and 6B illustrate a chip-like semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置を搭載した物品について説明する図。6A and 6B illustrate an article on which a semiconductor device of the present invention is mounted. 本発明の半導体装置を搭載した携帯電話について説明する図。6A and 6B illustrate a mobile phone equipped with a semiconductor device of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

110 第1の導電層
111 メモリ層
112 第2の導電層
113 有機薄膜
114 ナノ粒子
120 導電部
121 導電部
300 層
400 半導体装置
401 記憶素子
402 記憶素子
411 メモリセルアレイ
412 デコーダ
413 デコーダ
414 セレクタ
415 読み出し/書き込み回路
450 抵抗素子
451 差動増幅器
452 トランジスタ
453 クロックトインバータ
510 第1の導電層
512 第2の導電層
520 隔壁(絶縁層)
521 基板
522 絶縁層
611 ダイオード
612 導電層
613 半導体層
614 層間絶縁膜
621 隔壁(絶縁層)
110 First conductive layer 111 Memory layer 112 Second conductive layer 113 Organic thin film 114 Nanoparticle 120 Conductive part 121 Conductive part 300 Layer 400 Semiconductor device 401 Memory element 402 Memory element 411 Memory cell array 412 Decoder 413 Decoder 414 Selector 415 Read / Write circuit 450 Resistive element 451 Differential amplifier 452 Transistor 453 Clocked inverter 510 First conductive layer 512 Second conductive layer 520 Partition (insulating layer)
521 Substrate 522 Insulating layer 611 Diode 612 Conductive layer 613 Semiconductor layer 614 Interlayer insulating film 621 Partition (insulating layer)

Claims (21)

第1の導電層と、第2の導電層と、複数の導電性材料よりなるナノ粒子と絶縁膜とを有し、
前記第2の導電層は、前記絶縁膜と前記ナノ粒子とが交互に配置された領域を介して前記第1の導電層上に設けられていることを特徴とする記憶素子。
Having a first conductive layer, a second conductive layer, nanoparticles made of a plurality of conductive materials, and an insulating film;
The memory element, wherein the second conductive layer is provided on the first conductive layer through a region where the insulating film and the nanoparticles are alternately arranged.
請求項1において、
電圧の印加により前記ナノ粒子が互いに融着して形成された、前記第1の導電層と前記第2の導電層とを電気的に接続する導電部を有することを特徴とする記憶素子。
In claim 1,
A memory element, comprising: a conductive portion electrically connecting the first conductive layer and the second conductive layer, wherein the nanoparticles are fused to each other by application of voltage.
第1の導電層と、第2の導電層と、前記第1の導電層と前記第2の導電層に挟持されたメモリ層とを有し、
前記メモリ層は、有機薄膜で被覆された導電性材料よりなるナノ粒子から構成された部分と、前記ナノ粒子が融着して形成された導電部とを有し、
前記第1の導電層と前記第2の導電層は前記導電部を介して電気的に接続されていることを特徴とする記憶素子。
A first conductive layer; a second conductive layer; and a memory layer sandwiched between the first conductive layer and the second conductive layer;
The memory layer has a portion composed of nanoparticles made of a conductive material coated with an organic thin film, and a conductive portion formed by fusing the nanoparticles,
The memory element, wherein the first conductive layer and the second conductive layer are electrically connected through the conductive portion.
請求項3において、
前記ナノ粒子から構成された部分は、液滴吐出法を用いて形成されていることを特徴する記憶素子。
In claim 3,
The memory element, wherein the portion composed of the nanoparticles is formed using a droplet discharge method.
請求項3または請求項4において、
前記ナノ粒子の粒径は1nm以上200nm以下であることを特徴とする記憶素子。
In claim 3 or claim 4,
The memory element according to claim 1, wherein the nanoparticles have a particle size of 1 nm to 200 nm.
請求項3乃至請求項5のいずれか一項において、
前記有機薄膜は、少なくとも前記導電性材料と配位結合を形成することが可能な物質もしくは界面活性剤より構成されていることを特徴とする記憶素子。
In any one of Claim 3 thru | or 5,
The memory element, wherein the organic thin film is composed of at least a substance or a surfactant capable of forming a coordinate bond with the conductive material.
請求項6において、
前記有機薄膜には、さらに還元剤、樹脂、可塑剤が含まれていることを特徴とする記憶素子。
In claim 6,
The organic thin film further contains a reducing agent, a resin, and a plasticizer.
請求項3乃至請求項7のいずれか一項において、
前記導電部は、前記第1の導電層と前記第2の導電層間に電圧を印加することにより形成されることを特徴とする記憶素子。
In any one of Claims 3 thru | or 7,
The memory element, wherein the conductive portion is formed by applying a voltage between the first conductive layer and the second conductive layer.
請求項3乃至請求項8のいずれか一において、
前記導電部は、前記メモリ層につき1つであることを特徴とする記憶素子。
In any one of Claims 3 thru | or 8,
The memory element according to claim 1, wherein the number of the conductive portions is one for the memory layer.
請求項3乃至請求項9のいずれか一項において、
前記第1の導電層と前記第2の導電層の間には、一定の距離が保持されていることを特徴とする記憶素子。
In any one of Claim 3 thru | or Claim 9,
A memory element, wherein a certain distance is maintained between the first conductive layer and the second conductive layer.
請求項2乃至請求項10のいずれか一項において、
前記導電部の形状は、柱状、錐状もしくは球状であることを特徴する記憶素子。
In any one of Claims 2 thru | or 10,
A memory element, wherein the shape of the conductive portion is columnar, conical, or spherical.
請求項1乃至請求項11のいずれか一項において、
前記第1の導電層に接して絶縁層が設けられていることを特徴とする記憶素子。
In any one of Claims 1 to 11,
A memory element, wherein an insulating layer is provided in contact with the first conductive layer.
請求項1乃至請求項12のいずれか一項において、
前記第2の導電層と接して絶縁層が設けられていることを特徴とする記憶素子。
In any one of Claims 1 to 12,
A memory element, wherein an insulating layer is provided in contact with the second conductive layer.
請求項12または請求項13において、
前記絶縁層は液滴吐出法を用いて形成されることを特徴とする記憶素子。
In claim 12 or claim 13,
The memory element, wherein the insulating layer is formed using a droplet discharge method.
請求項1乃至請求項11のいずれか一項において、
前記第1の導電層と接して半導体層が設けられていることを特徴とする記憶素子。
In any one of Claims 1 to 11,
A memory element, wherein a semiconductor layer is provided in contact with the first conductive layer.
請求項1乃至請求項11及び請求項15のいずれか一項において、
前記第2の導電層と接して半導体層が設けられていることを特徴とする記憶素子。
In any one of Claim 1 thru | or Claim 11 and Claim 15,
A memory element, wherein a semiconductor layer is provided in contact with the second conductive layer.
請求項15または請求項16において、
前記半導体層は液滴吐出法を用いて形成されることを特徴とする記憶素子。
In claim 15 or claim 16,
The memory element, wherein the semiconductor layer is formed by a droplet discharge method.
マトリクス状に配置された複数の記憶素子を有し、
前記複数の記憶素子の各々は、第1の導電層と、第2の導電層と、前記第1の導電層と前記第2の導電層に挟持されたメモリ層とを有し、
前記メモリ層は、有機薄膜で被覆された導電性材料よりなるナノ粒子から構成され、
前記複数の記憶素子のうち少なくとも一のメモリ層は、前記第1の導電層と前記第2の導電層を電気的に接続する導電部を有することを特徴とする半導体装置。
Having a plurality of memory elements arranged in a matrix;
Each of the plurality of memory elements includes a first conductive layer, a second conductive layer, and a memory layer sandwiched between the first conductive layer and the second conductive layer,
The memory layer is composed of nanoparticles made of a conductive material coated with an organic thin film,
At least one memory layer of the plurality of memory elements includes a conductive portion that electrically connects the first conductive layer and the second conductive layer.
請求項18において、
前記導電部は、前記メモリ層が有する一部のナノ粒子が互いに融着して形成されたことを特徴とする半導体装置。
In claim 18,
The semiconductor device, wherein the conductive portion is formed by fusing together some of the nanoparticles of the memory layer.
請求項18または請求項19において、
前記複数の記憶素子の各々は、薄膜トランジスタに電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
In claim 18 or claim 19,
Each of the plurality of memory elements is electrically connected to a thin film transistor.
請求項20において、
前記薄膜トランジスタはガラス基板もしくは可撓性基板上に設けられていることを特徴とする半導体装置。
In claim 20,
The semiconductor device is characterized in that the thin film transistor is provided on a glass substrate or a flexible substrate.
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