JP2014207434A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本実施の形態では、半導体装置の一例として、スキャン・テストに用いることが可能なシフトレジスタについて説明する。以下、図1−図5を用いて、本実施の形態を説明する。
図2Aは、スキャン・テスト用のシフトレジスタ(スキャン・チェーン)の構成の一例を示すブロック図である。図2Bは、シフトレジスタを構成するスキャン・フリップフロップの構成の一例を示すブロック図である。また、図3は、図2Aのシフトレジスタを備えた集積回路のブロック図である。
図2Bに示すように、スキャン・フリップフロップ110(SCN−FF)は、3つの記憶回路111−113を有する。
図3は、シフトレジスタ100が組み込まれた集積回路の構成の一例を示すブロック図である。図3では、一例として、4つのスキャン・フリップフロップ110を有するシフトレジスタが集積回路10に設けられている。また、図3では、集積回路10の構成の一例として、2つのスキャン・フリップフロップ110の間に組み合わせ回路150(CMB)を接続した構造を示している。入力端子151からは、集積回路10で処理するデータが入力される。出力端子152からは、集積回路10で処理されたデータが出力される。
以下、図1の回路図を用いて、シフトレジスタ100及びスキャン・フリップフロップ110のより詳細な構成、及び動作方法を説明する。図1には、説明を簡単にするため、2つのスキャン・フリップフロップ110でなるシフトレジスタ100を示している。
記憶回路111(MemA)は、一般的なフリップフロップで構成することができる。図1の例では、インバータ212、及びクロックドインバータ213でなるループ回路が設けられている。クロックドインバータ213は、クロック信号CKBにより制御される。このループ回路の入力ノード(ノードMD)は、スイッチ211を介して端子Dに接続され、同出力ノード(ノードMQ)は、インバータ214を介して端子Qに接続されている。スイッチ211は、クロック信号CKにより制御される。クロック信号CKBは、クロック信号CKの反転信号である。
記憶回路112(MemB)は、8つのトランジスタ221−228を有する。ここでは、トランジスタ221−228をnチャネル型トランジスタとしている。記憶回路112は、制御信号(ST、LD)により制御され、ノードMD、MQで保持されているデータをノードND、NQに書き込む機能、及びノードND、NQで保持されているデータをノードMD、MQに書き込む機能を有する。記憶回路112は、セット信号STに従い、記憶回路111に記憶されているデータの退避動作を行い、ロード信号LDに従い、記憶回路111へのデータの復帰動作を行う。
記憶回路113は、6つのトランジスタ231−236を有する。ここでは、トランジスタ231−236をnチャネル型トランジスタとしている。また、記憶回路113は、4つのクロック信号C1−C4に従い、入力端子121または前段の記憶回路113からデータを取り込み、また、記憶しているデータを次段の記憶回路113に出力する。
以下、図4、及び図5に示すタイミングチャートを用いて、図1のシフトレジスタ100の駆動方法の一例を説明する。図4は、集積回路10で処理を実行させる際のシフトレジスタ100の駆動方法の一例を示すタイミングチャートである。この動作モードでは、シフトレジスタ100の各スキャン・フリップフロップ110は、組み合わせ回路150のレジスタとして機能する。また、図5は、集積回路10の動作検証モードでのシフトレジスタ100の駆動方法の一例を示すタイミングチャートである。動作検証モードでは、シフトレジスタ100はシフトレジスタとして機能する。
図4を参照して、シフトレジスタ100の駆動方法の一例を説明する。
通常動作モードでは、SCN−FF[1]、[2]がレジスタとして機能する。時間T1−時間T5において、セット信号ST、及びロード信号LDはLレベルであり、またクロック信号C1−C4もLレベルであり、各SCN−FF[1]、[2]において、MemA[1]、[2]のみに制御信号が供給される。そのため、MemA[1]、[2]が、それぞれ、レジスタとして機能することになる。所定の周期で発振するクロック信号CK及びその反転信号CKBが、MemA[1]、[2]に入力される。端子Q[1]、Q[2]は、信号CKがHレベルのとき、同時点における端子D[1]、D[2]と同じ電位となる。なお、実際には信号遅延があるため、クロック信号CKのクロック立ち上がり時点から遅延して、端子Q[1]、Q[2]の電位が変化する。
動作停止移行モードは、シフトレジスタ100への電源供給を停止するための処理が行われる。具体的には、MemA[1]、[2]で保持しているデータをMemB[1]、[2]に退避する処理が実行される。なお、シフトレジスタ100の電源供給停止とは、VDDをLレベルにして、VDDとVSSの電位差を0Vにすることをいう。
時間T8―時間T9の動作停止モードでは、電源電圧が遮断され、クロック信号(CK、CKB)、入力端子(D[1]、D[2])、並びに出力端子(Q[1]、Q[2])の電位のレベルは全て”L”である。従って、シフトレジスタ100を搭載した集積回路10において、電力を消費させずに、MemB[1]、[2]でデータを保持させることができる。
時間T9―時間T12の動作再開移行モードは、通常動作モードの終了時、すなわち、時間T5の状態に、SCN−FF[1]、[2]を復帰させる動作が行われる。具体的には、MemB[1]、[2]に格納されているデータをMemA[1]、[2]に書き込む動作が行われる。
図5には、集積回路10の動作検証モードでのシフトレジスタ100の駆動方法の一例を示す。動作検証モードでは、シフトレジスタ100をシフトレジスタとして動作させる。図5に示されているシフトレジスタ100の動作モードは、以下のとおりである。
時間T21―時間T25でのシフトレジスタ100の動作は、図4の時間T1―時間T5での動作と同じである。
時間T25―時間T27でのデータセット動作モードでは、信号CKはLレベルに維持され、信号CKBはHレベルに維持され、記憶回路111のデータの書き換えが停止する。時間T25―時間T26で、信号C1及び信号C3を”H”にして、MemC[1]、[2]のノード(ND[1]、NQ[1]、ND[2]、NQ[2])をプリジャージして、その電位をHレベルにする。すなわち、ノード(ND[1]、NQ[1]、ND[2]、NQ[2])の電位をリセットする。
次に、時間T28―時間T32のシフト動作モードについて説明する。図5に示すように、時間T28―時間T32では、信号C1―C4を順次Hレベルにすることで、端子(SCN−IN)から入力されたデータを、順次、ノード(ND[1]、NQ[1]、ND[2]、NQ[2])に格納して、最終的に、端子(SCN−OUT)から取り出す動作が行われる。
時間T33―時間T36では、データロード動作が行われる。信号LDを”H”とすることで、MemC[1]のノード(ND[1]、NQ[1])のデータに対応する電位をMemA[1]のノード(MD[1]、MQ[1])に書き込み、MemC[2]のノード(ND[2]、NQ[2])のデータに対応する電位をMemA[2]のノード(MD[2]、MQ[2])に書き込む。ここでは、ノードMD[1]は”L”となり、ノードMQ[1]は”H”となり、ノードMD[2]は”H”となる。また、ノードMQ[2]は”L”となり、MemA[1]の端子Q[1]は”L”となり、MemA[2]の端子Q[2]は”H”となる。つまり、端子(SCN−IN)を介して、シフトレジスタ100に入力された任意のデータを、MemA[1]、MemA[2]に設定することができる。
実施の形態1で示したシフトレジスタ100は、組み合わせ回路等の他の機能回路と共に、1つのICチップに組み込むことができる。本実施の形態では、スキャン・テスト可能な集積回路を1つのICチップとするための構成の一例を示す。
図7A−図12Dを参照して、本実施形態では、酸化物半導体トランジスタの構成、及びその作製方法を説明する。本実施の形態の酸化物半導体トランジスタは、例えば、図6の集積回路のOSトランジスタ560として作製することができる。
図7A−図7Cに、トップゲート型のOSトランジスタの構成の一例を示す。図7Aは、OSトランジスタ651の上面図である。図7Bは、線B1−B2による図7Aの断面図であり、図7Cは、線B3−B4による同断面図である。
以下、図8A−図9Bを用いて、OSトランジスタ651の作製方法の一例について説明する。
次に、図10A−図10Cを参照して、OSトランジスタ651とは異なる構造のOSトランジスタの一例について説明する。
以下では、図11A−図12Dを参照して、OSトランジスタ652の作製方法の一例について説明する。OSトランジスタ651の作製工程と同様な工程は、それに準じて行われる。
本明細書で開示されるシフトレジスタは、デジタル信号処理、ソフトウェア無線、アビオニクス(通信機器、航法システム、自動操縦装置、飛行管理システム等の航空に関する電子機器)、ASICのプロトタイピング、医療用画像処理、音声認識、暗号、バイオインフォマティクス(生物情報科学)、機械装置のエミュレータ、バッテリー(2次電池)を制御する、及び/又は保護するためのIC、及び電波天文学における電波望遠鏡等、幅広い分野の電子機器の集積回路に用いることができる。
100 シフトレジスタ
110 スキャン・フリップフロップ
111―113 記憶回路
121 入力端子
122 出力端子
150 組み合わせ回路
151 入力端子
152 出力端子
211 スイッチ
212 インバータ
213 クロックドインバータ
214 インバータ
221―228、231―236 トランジスタ
500 半導体基板
501 素子分離用絶縁膜
502 pウェル
503 不純物領域
504 低濃度不純物領域
505 ゲート電極
506 ゲート絶縁膜
507 不純物領域
508 低濃度不純物領域
509 ゲート電極
510―513、517―520、522、523 配線
516、521、524、544、545 絶縁膜
530 酸化物半導体層
531 ゲート絶縁膜
532、533、546 導電膜
534 ゲート電極
535、536 サイドウォール
560 OSトランジスタ
561、562 Siトランジスタ
600 基板
602 下地絶縁膜
604 ゲート電極
606 多層膜
606a 酸化物層
606b 酸化物半導体層
606c 酸化物層
607 n型領域
612 ゲート絶縁膜
616 導電膜
616a ソース電極
616b ドレイン電極
618 保護絶縁膜
634 導電膜
636a 酸化物層
636b 酸化物半導体層
636c 酸化物層
642 絶縁膜
651、652 OSトランジスタ
901、902 筐体
903、904 表示部
905 マイクロホン
906 スピーカ
907 操作キー
908 スタイラス
911、912 筐体
913、914 表示部
915 接続部
916 操作キー
921 筐体
922 表示部
923 キーボード
924 ポインティングデバイス
931 筐体
932 冷蔵室用扉
933 冷凍室用扉
941、942 筐体
943 表示部
944 操作キー
945 レンズ
946 接続部
951 車体
952 車輪
953 ダッシュボード
954 ライト
Claims (8)
- 複数の組み合わせ回路、及び複数段のフリップフロップを有するシフトレジスタを有し、
前記フリップフロップ回路は、第1乃至第3の記憶回路を有し、
前記第1の記憶回路は、前記複数の組み合わせ回路の何れか1つのレジスタとして機能し、
前記第2の記憶回路は、前記第1の記憶回路のバックアップ用の記憶回路としての機能、前記第1の記憶回路のデータを前記第3の記憶回路に書き込む機能、及び前記第3の記憶回路のデータを前記第1の記憶回路に書き込む機能を有し、
前記第3の記憶回路は、格納しているデータを次段の前記フリップフロップの前記第3の記憶回路に転送する機能を有し、
前記第2及び前記第3の記憶回路は、電源供給が停止されている期間にデータを保持する機能を備えていることを特徴とする半導体装置。 - 複数段のフリップフロップを有するシフトレジスタを有し、
前記フリップフロップは、第1乃至第3の記憶回路を有し、
前記第1の記憶回路は、
第1のデータ保持部、第1の入力端子、及び第1の出力端子を有し、
前記第1の入力端子から入力されたデータを、前記第1のデータ保持部に格納する機能、及び前記第1のデータ保持部で格納されている前記データを前記第1の出力端子から出力する機能を備え、
前記第3の記憶回路は、
第2のデータ保持部と、第2の入力端子と、前段の前記フリップフロップの前記第2の入力端子に接続されている第2の出力端子を有し、
前記第2の入力端子から入力されたデータを、前記第2のデータ保持部に格納する機能、及び前記第2のデータ保持部に格納した前記データを前記第2の出力端子から出力する機能を備え、
前記第2の記憶回路は、
前記第1のデータ保持部に記憶されている前記データを、前記第2のデータ保持部に格納する機能、及び前記第2のデータ保持部に格納されている前記データを前記第1のデータ保持部に格納する機能を備え、
前記第2及び前記第3の記憶回路は、電源供給が停止されている期間に前記第2のデータ保持部で前記データを保持する機能を備えていることを特徴とする半導体装置。 - 複数段のフリップフロップを有するシフトレジスタを有し、
前記フリップフロップは、第1乃至第3の記憶回路を有し、
前記第1の記憶回路は、
第1の入力端子と、
前記第1の入力端子の電位に対応する電位を保持する第1のノードと、
前記第1のノードの電位に対応する電位を保持する第2のノードと、
前記第2のノードの電位に対応する電位を出力する第1の出力端子と、
を有し、
前記第3の記憶回路は、
第2の入力端子と、
後段の前記フリップフロップの前記第2の入力端子に接続されている第2の出力端子と、
第3及び第4のノードと、
第1の信号に従い、前記第2の入力端子と前記第3のノードの導通、非導通を制御するスイッチと、
第2の信号に従い、前記第3のノードの電位を読み出し、前記第4のノードに出力する第1の読み出し回路と、
前記第4のノードの電位に従い、前記第4のノードの電位を読み出し、前記第2の出力端子に出力する第2の読み出し回路と、
を有し、
前記第2の記憶回路は、
第3の信号に従い、前記第1のノードの電位を読み出し、前記第3のノードに出力する第3の読み出し回路と、
前記第3の信号に従い、前記第2のノードの電位を読み出し、前記第4のノードに出力する第4の読み出し回路と、
第4の信号に従い、前記第3のノードの電位を読み出し、前記第1のノードに出力する第5の読み出し回路と、
前記第4の信号に従い、前記第4のノードの電位を読み出し、前記第2のノードに出力する第6の読み出し回路と、
を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項3において、
前記第3の記憶回路の前記スイッチは、1つのトランジスタを有し、前記スイッチの前記トランジスタは、ゲートに前記第1の信号が入力され、ソース及びドレインの一方が、前記第2の入力端子に接続され、他方が前記第3のノードに接続され、
前記第3の記憶回路の前記第1の読み出し回路は、第1の電位が供給される配線と前記第4のノード間に直列に接続された2つのトランジスタを有し、前記第1の読み出し回路の一方の前記トランジスタのゲートは前記第3のノードに接続され、他方の前記トランジスタのゲートには前記第2の信号が入力され、
前記第3の記憶回路の前記第2の読み出し回路は、1つのトランジスタを有し、前記第2の読み出し回路の前記トランジスタは、ゲートが前記第4のノードに接続され、ソース及びドレインの一方が前記第1の電位が供給される配線に接続され、他方が前記第2の出力端子に接続され、
ていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項4において、
前記スイッチの前記トランジスタ、前記第1の読み出し回路の前記2つのトランジスタ、及び前記第2の読み出し回路の前記トランジスタは、酸化物半導体層にチャネルが形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項3乃至5の何れか1項において、
前記第2の記憶回路の前記第3の読み出し回路は、直列に接続された2つのトランジスタを有し、前記第3の読み出し回路の一方の前記トランジスタは、ゲートが前記第1のノードに接続され、ソース及びドレインの一方が前記第1の電位が供給される配線に接続され、他方の前記トランジスタは、ゲートには前記第3の信号が入力され、ソース及びドレインの一方が前記第3のノードに接続され、
前記第2の記憶回路の前記第4の読み出し回路は、直列に接続された2つのトランジスタを有し、前記第4の読み出し回路の一方の前記トランジスタは、ゲートが前記第2のノードに接続され、ソース及びドレインの一方が前記第1の電位が供給される配線に接続され、他方の前記トランジスタは、ゲートには前記第3の信号が入力され、ソース及びドレインの一方が前記第4のノードに接続され、
ていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項6において、
前記第3の読み出し回路の前記2つのトランジスタの少なくとも一方は、酸化物半導体層にチャネルが形成され、
前記第4の読み出し回路の前記2つのトランジスタの少なくとも一方は、酸化物半導体層にチャネルが形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項3乃至7の何れか1項において、
前記第2の記憶回路の前記第5の読み出し回路は、直列に接続された2つのトランジスタを有し、前記第5の読み出し回路の一方の前記トランジスタは、ゲートが、前記第3のノードに接続され、ソース及びドレインの一方が、前記第1の電位が供給される配線に接続され、他方の前記トランジスタは、ゲートには前記第4の信号が入力され、ソース及びドレインの一方が、前記第1のノードに接続され、
前記第2の記憶回路の前記第6の読み出し回路は、直列に接続された2つのトランジスタを有し、前記第6の読み出し回路の一方の前記トランジスタは、ゲートが前記第4のノードに接続され、ソース及びドレインの一方が、前記第1の電位が供給される配線に接続され、他方の前記トランジスタは、ゲートには前記第4の信号が入力され、ソース及びドレインの一方が、前記第2のノードに接続されていることを特徴とする半導体装置。
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