JP2012256400A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ワイドギャップ半導体、例えば酸化物半導体を含むメモリセルを用いて構成された半導体装置であって、メモリセルからの読み出しのために基準電位より低い電位を出力する機能を有する電位切り替え回路を備えた半導体装置とする。ワイドギャップ半導体を用いることで、メモリセルを構成するトランジスタのオフ電流を十分に小さくすることができ、長期間にわたって情報を保持することが可能な半導体装置を提供することができる。
【選択図】図2
Description
本実施の形態では、本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、ビット線BLとトランジスタ160のソース電極(またはドレイン電極)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、ソース線SL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、ゲート線GL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の電極の一方と電気的に接続され、容量線CLと、容量素子164の電極の他方は電気的に接続されている。なお、トランジスタ160のソース電極(またはドレイン電極)と、トランジスタ162のソース電極(またはドレイン電極)と、を電気的に接続させずに、それぞれが別の配線と電気的に接続する構成としてもよい。
次に、図1に示す回路を応用したより具体的な回路構成および動作について、図2乃至図16を参照して説明する。本実施の形態では、複数の状態を一のメモリセルに保持させる、いわゆる多値メモリについて説明する。
次に、図2に適用することができる読み出し回路と、その駆動方法について説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の構成およびその作製方法について図17乃至図22を参照して説明する。
図17は、半導体装置の構成の一例である。図17(A)には、半導体装置の断面を、図17(B)には、半導体装置の平面を、それぞれ示す。ここで、図17(A)は、図17(B)のA1−A2およびB1−B2における断面に相当する。図17(A)および図17(B)に示す半導体装置は、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。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半導体材料としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウムヒ素等を用いることができ、単結晶半導体を用いることが好ましい。他に、有機半導体材料などを用いてもよい。このような半導体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。図17に示す半導体装置は、メモリセルとして用いることができる。
次に、上記半導体装置の作製に用いられるSOI基板の作製方法の一例について、図18を参照して説明する。
次に、上記のSOI基板を用いた半導体装置の作製方法について、図19乃至図22を参照して説明する。
はじめに下部のトランジスタ160の作製方法について、図19および図20を参照して説明する。なお、図19および図20は、図18に示す方法で作製したSOI基板の一部であって、図17(A)に示す下部のトランジスタに相当する断面工程図である。
次に、上部のトランジスタ162の作製方法について、図21および図22を参照して説明する。
(a―A)2+(b―B)2+(c―C)2≦r2
を満たすことをいい、rとしては、例えば、0.05とすればよい。他の酸化物でも同様である。
上記実施の形態において、トランジスタの半導体層に用いることのできる酸化物半導体層の一形態を、図25を用いて説明する。
本実施の形態では、c軸配向し、かつab面、表面または界面の方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、c軸においては金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列しており、ab面においてはa軸またはb軸の向きが異なる(c軸を中心に回転した)結晶(CAAC:C Axis Aligned Crystalともいう。)を含む酸化物について説明する。
本実施の形態では、トランジスタの電界効果移動度に関して説明する。
線形領域におけるドレイン電流Idは、
上式の両辺をVgで割り、更に両辺の対数を取ると、
となる。式(5)の右辺はVgの関数である。この式からわかるように、縦軸をln(Id/Vg)、横軸を1/Vgとして実測値をプロットして得られるグラフの直線の傾きから欠陥密度Nが求められる。すなわち、トランジスタのId―Vg特性から、欠陥密度を評価できる。酸化物半導体としては、インジウム(In)、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)の比率が、In:Sn:Zn=1:1:1のものでは欠陥密度Nは1×1012/cm2程度である。
で表される。ここで、Dはゲート方向の電界、B、lは定数である。Bおよびlは、実際の測定結果より求めることができ、上記の測定結果からは、B=4.75×107cm/s、l=10nm(界面散乱が及ぶ深さ)である。Dが増加する(すなわち、ゲート電圧が高くなる)と式(6)の第2項が増加するため、移動度μ1は低下することがわかる。
本実施の形態では、酸化物半導体としてIn、Sn、Znを主成分とする酸化物半導体を用いたトランジスタについて説明する。
試料1および試料2のいずれも、BT試験前後におけるしきい値電圧の変動が小さく、信頼性が高いことがわかる。
In−Sn−Zn−O膜を酸化物半導体膜に用いたトランジスタの一例について、図42などを用いて説明する。
上記とは異なるIn−Sn−Zn−O膜を酸化物半導体膜に用いたトランジスタの他の一例について示す。
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23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。
122 絶縁層
122a ゲート絶縁層
124 マスク
126 不純物領域
128a ゲート電極
128b 導電層
130 不純物領域
132 不純物領域
134 チャネル形成領域
136 絶縁層
138 絶縁層
140 絶縁層
142a ソース電極
142b ドレイン電極
144 酸化物半導体層
146 ゲート絶縁層
148a ゲート電極
148b 導電層
150 絶縁層
154 配線
156 絶縁層
160 トランジスタ
162 トランジスタ
164 容量素子
170 メモリセル
201 メモリセルアレイ
202 列駆動回路
203 行駆動回路
204 コントローラ
205 I/O制御回路
206 カウンタ
207 電位生成回路
208 バッファ
221 ビット線/ソース線駆動回路
223a アナログスイッチ
225 回路
231 ゲート線/容量線駆動回路
250 基板温度
314 トランジスタ
323 負荷
324 センスアンプ
325 インバータ
326 クロックドインバータ
327 トランジスタ
328 トランジスタ
329 ラッチ回路
341 トランジスタ
342 トランジスタ
343 トランジスタ
344 トランジスタ
400 絶縁層
401 ゲート電極
402 ゲート絶縁層
403 酸化物半導体層
404a 酸化物導電層
404b 酸化物導電層
405a ソース電極
405b ドレイン電極
410 トランジスタ
420 トランジスタ
427 絶縁層
430 トランジスタ
437 絶縁層
441 トランジスタ
442 トランジスタ
450a 結晶性酸化物半導体層
450b 結晶性酸化物半導体層
453 酸化物半導体層
500 半導体基板
510 単結晶半導体基板
512 酸化膜
514 脆化領域
516 単結晶半導体層
518 単結晶半導体層
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
745 操作キー
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
1101 下地絶縁層
1102 埋め込み絶縁物
1103a 半導体領域
1103b 半導体領域
1103c 半導体領域
1104 ゲート絶縁層
1105 ゲート電極
1106a 側壁絶縁層
1106b 側壁絶縁層
1107 絶縁層
1108a ソース電極
1108b ドレイン電極
1200 基板
1202 下地絶縁膜
1204 保護絶縁膜
1206 酸化物半導体膜
1208 ゲート絶縁膜
1210 ゲート電極
1212 側壁絶縁膜
1214 電極
1216 層間絶縁膜
1218 配線
1600 基板
1602 下地絶縁膜
1606 酸化物半導体膜
1608 ゲート絶縁膜
1610 ゲート電極
1614 電極
1616 層間絶縁膜
1618 配線
1620 保護膜
Claims (6)
- m×n個のメモリセルでなるメモリセルアレイと、読み出し回路を有する第1の駆動回路と、第2の駆動回路と、を有し、
前記メモリセルの一は、
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、
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、
前記読み出し回路は、負荷と、クロックドインバータと、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、を有し、
前記クロックドインバータの出力端子は、前記第3のトランジスタの前記第3のソース電極または前記第3のドレイン電極と接続される、半導体装置。 - 前記第1のソース電極は、ソース線と接続され、
前記クロックドインバータの入力端子は、ビット線を介して、前記第1のドレイン電極と、前記第2のドレイン電極と接続され、
前記第2のゲート電極は、ゲート線を介して、前記第1のゲート電極と、前記第2のソース電極と接続される、請求項1に記載の半導体装置。 - m×n個のメモリセルでなるメモリセルアレイと、読み出し回路を有する第1の駆動回路と、第2の駆動回路と、を有し、
前記メモリセルの一は、
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、
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、
前記読み出し回路は、負荷と、クロックドインバータと、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、を有し、
前記クロックドインバータの出力端子は、前記第3のトランジスタの前記第3のソース電極または前記第3のドレイン電極と接続される、半導体装置。 - 前記第1のソース電極は、ソース線と接続され、
前記クロックドインバータの入力端子は、ビット線を介して、前記第1のドレイン電極と、前記第2のドレイン電極と接続され、
前記第2のゲート電極は、ゲート線と接続され、
前記容量素子の電極の一方は、容量線と接続され、
前記容量素子の電極の他方は、前記第1のゲート電極と、前記第2のソース電極と接続される、請求項3に記載の半導体装置。 - 前記第1のトランジスタは、pチャネル型トランジスタであり、前記第2のトランジスタは、nチャネル型トランジスタである、請求項1乃至4のいずれか一に記載の半導体装置。
- 前記第2のトランジスタの前記第2のチャネル形成領域は、酸化物半導体を含んで構成される、請求項1乃至5のいずれか一に記載の半導体装置。
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