JP2011187950A - 半導体装置および半導体装置の駆動方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1の信号線と、第2の信号線と、メモリセルと、電位変換回路と、を有し、メモリセルは、第1のゲート電極、第1のソース電極、第1のドレイン電極、及び第1のチャネル形成領域を含む第1のトランジスタと、第2のゲート電極、第2のソース電極、第2のドレイン電極、及び第2のチャネル形成領域を含む第2のトランジスタと、容量素子と、を有し、第1のチャネル形成領域は、第2のチャネル形成領域とは、異なる半導体材料を含んで構成され、第2のドレイン電極と、容量素子の電極の一方と、第1のゲート電極と、は電気的に接続され、第2のゲート電極は、第2の信号線を介して電位変換回路と電気的に接続される。
【選択図】図2
Description
本実施の形態では、開示する発明の一態様に係る半導体装置の基本的な回路構成およびその動作について、図1乃至図6を参照して説明する。なお、回路図においては、酸化物半導体を用いたトランジスタであることを示すために、OSの符号を併せて付す場合がある。
はじめに、最も基本的な回路構成およびその動作について、図1を参照して説明する。図1(A−1)に示す半導体装置において、第1の配線(1st Line)とトランジスタ160のソース電極(またはドレイン電極)とは、電気的に接続され、第2の配線(2nd Line)とトランジスタ160のドレイン電極(またはソース電極)とは、電気的に接続されている。また、第3の配線(3rd Line)とトランジスタ162のソース電極(またはドレイン電極)とは、電気的に接続され、第4の配線(4th Line)と、トランジスタ162のゲート電極とは、電気的に接続されている。そして、トランジスタ160のゲート電極と、トランジスタ162のドレイン電極(またはソース電極)は、容量素子164(第1の容量素子ともいう)の電極の一方と電気的に接続され、第5の配線(5th Line)と、容量素子164の電極の他方は電気的に接続されている。
次に、データの書き込みを好適に実現できる半導体装置の回路構成およびその動作について、図2を参照して説明する。
・配線WINによって入力された電位が低電位(例えば、基準電位GND)の場合には、当該低電位を第2の信号線S2に出力する。
・配線WINによって入力された電位が高電位(例えば、電源電位VDD)の場合には、当該高電位より高い電位を第2の信号線S2に出力する。
次に、電位変換回路1100の具体例及びこれを用いた半導体装置の動作について、図3及び図4を参照して説明する。
本実施の形態では、開示する発明の一態様に係る半導体装置の構成およびその作製方法について、図7乃至図11を参照して説明する。
図7は、半導体装置の構成の一例である。図7(A)には、半導体装置の断面を、図7(B)には、半導体装置の平面を、それぞれ示す。ここで、図7(A)は、図7(B)のA1−A2およびB1−B2における断面に相当する。図7(A)および図7(B)に示される半導体装置は、下部に第1の半導体材料を用いたトランジスタ160を有し、上部に第2の半導体材料を用いたトランジスタ162を有するものである。ここで、第1の半導体材料と第2の半導体材料とは異なる材料とすることが望ましい。例えば、第1の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料(シリコンなど)とし、第2の半導体材料を酸化物半導体とすることができる。酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、その特性により長時間の電荷保持を可能とする。
次に、上記半導体装置の作製方法の一例について説明する。以下では、はじめに下部のトランジスタ160の作製方法について図8および図9を参照して説明し、その後、上部のトランジスタ162および容量素子164の作製方法について図10および図11を参照して説明する。
まず、半導体材料を含む基板100を用意する(図8(A)参照)。半導体材料を含む基板100としては、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、SOI基板などを適用することができる。ここでは、半導体材料を含む基板100として、単結晶シリコン基板を用いる場合の一例について示すものとする。なお、一般に「SOI基板」は、絶縁表面上にシリコン半導体層が設けられた構成の基板をいうが、本明細書等においては、絶縁表面上にシリコン以外の材料からなる半導体層が設けられた構成の基板も含む概念として用いる。つまり、「SOI基板」が有する半導体層は、シリコン半導体層に限定されない。また、SOI基板には、ガラス基板などの絶縁基板上に絶縁層を介して半導体層が設けられた構成のものが含まれるものとする。
次に、ゲート電極110、絶縁層128、絶縁層130などの上に導電層を形成し、該導電層を選択的にエッチングして、ソース電極またはドレイン電極142a、ソース電極またはドレイン電極142bを形成する(図10(A)参照)。
本実施の形態では、先に実施の形態に示す半導体装置の応用例につき、図12乃至図15を用いて説明する。
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明した半導体装置を電子機器に適用する場合について、図16を用いて説明する。本実施の形態では、コンピュータ、携帯電話機(携帯電話、携帯電話装置ともいう)、携帯情報端末(携帯型ゲーム機、音響再生装置なども含む)、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、電子ペーパー、テレビジョン装置(テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう)などの電子機器に、上述の半導体装置を適用する場合について説明する。
102 保護層
104 半導体領域
106 素子分離絶縁層
108 ゲート絶縁層
110 ゲート電極
116 チャネル形成領域
120 不純物領域
122 金属層
124 金属化合物領域
128 絶縁層
130 絶縁層
142a ソース電極またはドレイン電極
142b ソース電極またはドレイン電極
143a 絶縁層
143b 絶縁層
144 酸化物半導体層
146 ゲート絶縁層
148a ゲート電極
148b 電極
150 絶縁層
152 絶縁層
154 電極
156 配線
160 トランジスタ
162 トランジスタ
164 容量素子
166 トランジスタ
200 容量素子
201 トランジスタ
202 トランジスタ
203 トランジスタ
310 トランジスタ
701 筐体
702 筐体
703 表示部
704 キーボード
711 本体
712 スタイラス
713 表示部
714 操作ボタン
715 外部インターフェイス
720 電子書籍
721 筐体
723 筐体
725 表示部
727 表示部
731 電源
733 操作キー
735 スピーカー
737 軸部
740 筐体
741 筐体
742 表示パネル
743 スピーカー
744 マイクロフォン
746 ポインティングデバイス
747 カメラ用レンズ
748 外部接続端子
749 太陽電池セル
750 外部メモリスロット
761 本体
763 接眼部
764 操作スイッチ
765 表示部
766 バッテリー
767 表示部
770 テレビジョン装置
771 筐体
773 表示部
775 スタンド
780 リモコン操作機
800 測定系
802 容量素子
802a 容量素子
802b 容量素子
802c 容量素子
804 トランジスタ
805 トランジスタ
806 トランジスタ
808 トランジスタ
1000 メモリセル
1100 電位変換回路
Claims (9)
- 第1の信号線と、第2の信号線と、メモリセルと、電位変換回路と、を有し、
前記メモリセルは、
第1のゲート電極、第1のソース電極、第1のドレイン電極、及び第1のチャネル形成領域を含む第1のトランジスタと、
第2のゲート電極、第2のソース電極、第2のドレイン電極、及び第2のチャネル形成領域を含む第2のトランジスタと、
第1の容量素子と、を有し、
前記第1のチャネル形成領域は、前記第2のチャネル形成領域とは、異なる半導体材料を含んで構成され、
前記第2のドレイン電極と、前記第1の容量素子の電極の一方と、前記第1のゲート電極と、は電気的に接続され、
前記第2のゲート電極は、前記第2の信号線を介して前記電位変換回路と電気的に接続され、
前記第2のソース電極は、前記第1の信号線と電気的に接続され、
前記電位変換回路は、入力された電位が低電位の場合には、前記第2の信号線に前記低電位を出力し、入力された電位が高電位の場合には、前記第2の信号線に前記高電位より高い電位を出力する半導体装置。 - 第1の信号線と、第2の信号線と、ソース線と、ワード線と、ビット線と、メモリセルと、電位変換回路と、を有し、
前記メモリセルは、
第1のゲート電極、第1のソース電極、第1のドレイン電極、及び第1のチャネル形成領域を含む第1のトランジスタと、
第2のゲート電極、第2のソース電極、第2のドレイン電極、及び第2のチャネル形成領域を含む第2のトランジスタと、
第1の容量素子と、を有し、
前記第1のチャネル形成領域は、前記第2のチャネル形成領域とは、異なる半導体材料を含んで構成され、
前記第2のドレイン電極と、前記第1の容量素子の電極の一方と、前記第1のゲート電極と、は電気的に接続され、
前記第2のゲート電極は、前記第2の信号線を介して前記電位変換回路と電気的に接続され、
前記第2のソース電極は、前記第1の信号線と電気的に接続され、
前記第1の容量素子の電極の他方は、前記ワード線と電気的に接続され、
前記第1のソース電極は、前記ソース線と電気的に接続され、
前記第1のドレイン電極は、前記ビット線と電気的に接続され、
前記電位変換回路は、入力された電位が低電位の場合には、前記第2の信号線に前記低電位を出力し、入力された電位が高電位の場合には、前記第2の信号線に前記高電位より高い電位を出力する半導体装置。 - 前記第1のトランジスタは、酸化物半導体以外の半導体材料を用いて構成され、
前記第2のトランジスタは、酸化物半導体材料を含んで構成される、請求項1または請求項2に記載の半導体装置。 - 前記電位変換回路は、
第1の配線と、
第2の配線と、
第3の配線と、
第3のゲート電極、第3のソース電極、第3のドレイン電極、及び第3のチャネル形成領域を含む第3のトランジスタと、
第4のゲート電極、第4のソース電極、第4のドレイン電極、及び第4のチャネル形成領域を含む第4のトランジスタと、
第2の容量素子と、
を有し、
前記第2の信号線と、前記第2の容量素子の電極の一方と、前記第4のソース電極と前記第4のドレイン電極の一方と、は電気的に接続され、
前記第2の容量素子の電極の他方と、前記第3のソース電極と前記第3のドレイン電極の一方と、は電気的に接続され、
前記第3のソース電極と前記第3のドレイン電極の他方と、前記第1の配線と、は電気的に接続され、
前記第3のゲート電極と、前記第4のソース電極と前記ドレイン電極の他方と、前記第2の配線と、は電気的に接続され、
前記第4のゲート電極と、第3の配線と、は電気的に接続される、請求項1乃至請求項3のいずれか一に記載の半導体装置。 - 前記第3のトランジスタ及び第4のトランジスタは、酸化物半導体以外の半導体材料を用いて構成される、請求項4に記載の半導体装置。
- 前記第3のトランジスタ及び第4のトランジスタは、酸化物半導体材料を含んで構成される、請求項4に記載の半導体装置。
- 前記電位変換回路は、
第5のゲート電極、第5のソース電極、第5のドレイン電極、及び第5のチャネル形成領域を含む第5のトランジスタと、
第4の配線と、
を有し、
前記第5のソース電極と前記第5のドレイン電極の一方と、前記第2の信号線と、は電気的に接続され、
前記第5のソース電極と前記第5のドレイン電極の他方は、接地され、
前記第5のゲート電極と、前記第4の配線と、は電気的に接続される、請求項4乃至請求項6のいずれか一に記載の半導体装置。 - 第1のトランジスタのゲート電極と、第2のトランジスタのソース電極またはドレイン電極と、第1の容量素子の電極の一方と、が電気的に接続されてなるノードに、前記第2のトランジスタのオン状態またはオフ状態を選択することで、電荷を保持させる半導体装置の駆動方法であって、
前記ノードに高電位を与える場合において、前記第2のトランジスタをオン状態とするための電位を前記第2のトランジスタのゲート電極に与える際に、前記第2のトランジスタをオン状態とするための電位を電源電位より高い電位とする半導体装置の駆動方法。 - 前記第2のトランジスタをオン状態とするための電位は、前記電源電位に前記第2のトランジスタのしきい値電圧を加えた電位より高い電位である、請求項8に記載の半導体装置の駆動方法。
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