JP2015170749A - semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device having a reduced area.SOLUTION: A semiconductor device comprises a first transistor 490, a second transistor 491, a third transistor 492, a first capacitative element 493 and a second capacitative element 494. The third transistor has a first conductor on an insulator, a first insulator on the first conductor, a semiconductor on the first insulator, a second insulator on the semiconductor, a second conductor on the second insulator and a third conductor and a fourth conductor which are connected to the semiconductor. Either one of a source electrode or a drain electrode of the first transistor 490 is electrically connected with an electrode of one of the second conductor and the first capacitative element 493 of the third transistor 492. And either one of the source electrode or the drain electrode of the second transistor 491 is electrically connected with an electrode of one of the first conductor and the second capacitative element 494 of the third transistor 492.

Description

本発明は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または組成物(コンポジション・オブ・マター)に関する。特に、本発明は、例えば、半導体、半導体装置、表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置またはプロセッサに関する。または、半導体、半導体装置、表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置またはプロセッサの製造方法に関する。または、半導体装置、表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置またはプロセッサの駆動方法に関する。 The present invention relates to an object, a method, or a manufacturing method. Alternatively, the present invention relates to a process, machine, manufacture, or composition (composition of matter). In particular, the present invention relates to, for example, a semiconductor, a semiconductor device, a display device, a light-emitting device, a lighting device, a power storage device, a storage device, or a processor. Alternatively, the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor, a semiconductor device, a display device, a light-emitting device, a lighting device, a power storage device, a memory device, or a processor. Alternatively, the present invention relates to a method for driving a semiconductor device, a display device, a light-emitting device, a lighting device, a power storage device, a memory device, or a processor.

なお、本明細書などにおいて半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。記憶装置、表示装置、発光装置、照明装置、電気光学装置、半導体回路および電子機器等は、半導体装置を有する場合がある。 Note that in this specification and the like, a semiconductor device refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics. A memory device, a display device, a light-emitting device, a lighting device, an electro-optical device, a semiconductor circuit, an electronic device, and the like may include a semiconductor device.

チャネル形成領域が、半導体シリコン(Si)でなるトランジスタ(以下、Siトランジスタという)と、酸化物半導体(好ましくはIn、Ga、及びZnを含む酸化物)をチャネル形成領域に含むトランジスタと、を組み合わせて電源遮断後もデータの保持を可能にした半導体装置が注目されている(特許文献1参照)。 A combination of a transistor whose channel formation region is made of semiconductor silicon (Si) (hereinafter referred to as an Si transistor) and a transistor whose channel formation region includes an oxide semiconductor (preferably an oxide containing In, Ga, and Zn). Thus, a semiconductor device that can retain data even after the power is shut off has been attracting attention (see Patent Document 1).

近年、扱われるデータ量の増大に伴って、大きな記憶容量を有する半導体装置が求められている。そうした中で、前述した特許文献1に記載の半導体装置では、多値のデータを記憶し、該データを読み出す構成について開示している。 In recent years, with an increase in the amount of data handled, a semiconductor device having a large storage capacity has been demanded. Under such circumstances, the semiconductor device described in Patent Document 1 described above discloses a configuration for storing multi-value data and reading the data.

特開2012−256400号公報JP 2012-256400 A

本発明の一形態は、以下の少なくとも1つを課題とする。面積を縮小した半導体装置(メモリセル)を提供すること、記憶密度を向上した半導体装置を提供すること、記憶容量を向上した半導体装置を提供すること、小型化された半導体装置を提供すること、または、新規な半導体装置を提供すること。 One embodiment of the present invention has at least one of the following problems. Providing a semiconductor device (memory cell) with a reduced area, providing a semiconductor device with improved storage density, providing a semiconductor device with improved storage capacity, providing a miniaturized semiconductor device, Alternatively, a novel semiconductor device is provided.

なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。 Note that the description of these problems does not disturb the existence of other problems. Note that one embodiment of the present invention does not have to solve all of these problems. Issues other than these will be apparent from the description of the specification, drawings, claims, etc., and other issues can be extracted from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc. It is.

(1)本発明の一態様は、第1トランジスタと、第2トランジスタと、第3トランジスタと、第1容量素と、第2容量素子と、を有し、第3トランジスタは、第1導電体と、第1導電体上の第1絶縁体と、第1絶縁体上の半導体と、半導体上の第2絶縁体と、第2絶縁体上の第2導電体と、半導体に接続された第3導電体及び第4導電体と、を有し、半導体は、第1導電体と重なり第2導電体と重ならない第1領域と、第2導電体と重なり第1導電体と重ならない第2領域と、を有し、第1トランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方は、第3トランジスタの第2導電体および第1容量素子の一方の電極と電気的に接続され、第2トランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方は、第3トランジスタの第1導電体および第2容量素子の一方の電極と電気的に接続されている半導体装置である。 (1) One embodiment of the present invention includes a first transistor, a second transistor, a third transistor, a first capacitor element, and a second capacitor element, and the third transistor includes a first conductor. A first insulator on the first conductor; a semiconductor on the first insulator; a second insulator on the semiconductor; a second conductor on the second insulator; and a second conductor connected to the semiconductor. A first conductor that overlaps the first conductor and does not overlap the second conductor; and a second semiconductor that overlaps the second conductor and does not overlap the first conductor. One of the source electrode and the drain electrode of the first transistor is electrically connected to the second conductor of the third transistor and the one electrode of the first capacitor, and the source electrode of the second transistor Alternatively, one of the drain electrodes is connected to the first conductor and the second capacitor of the third transistor. It is a semiconductor device that is one electrode electrically connected to the element.

(2)または、本発明の一態様は、半導体が有する第1領域と第2領域に挟まれた領域の面積は、第1領域の面積以下であり、かつ、第2領域の面積以下である、(1)の態様に係る半導体装置である。 (2) Alternatively, according to one embodiment of the present invention, the area of the region between the first region and the second region included in the semiconductor is less than or equal to the area of the first region and less than or equal to the area of the second region. A semiconductor device according to the aspect of (1).

(3)または、本発明の一態様は、第1トランジスタと、第2トランジスタと、第3トランジスタと、第1容量素子と、第2容量素子と、を有し、第3トランジスタは、絶縁体上の第1導電体と、第1導電体上の第1絶縁体と、第1絶縁体上の半導体と、半導体上の第2絶縁体と、第2絶縁体上の第2導電体と、半導体に接続された第3導電体及び第4導電体と、を有し、半導体は、第1導電体と重なる第3領域と、第2導電体と重なる第4領域と、を有し、第3領域と第4領域とは重ならず、第1トランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方は、第3トランジスタの第2導電体および第1容量素子の一方の電極と電気的に接続され、第2トランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方は、第3トランジスタの第1導電体および第2容量素子の一方の電極と電気的に接続されている半導体装置である。 (3) Another embodiment of the present invention includes a first transistor, a second transistor, a third transistor, a first capacitor, and a second capacitor, and the third transistor is an insulator. A first conductor on the first conductor, a first insulator on the first conductor, a semiconductor on the first insulator, a second insulator on the semiconductor, a second conductor on the second insulator, A third conductor and a fourth conductor connected to the semiconductor, and the semiconductor has a third region overlapping the first conductor and a fourth region overlapping the second conductor; The third region and the fourth region do not overlap, and one of the source electrode or the drain electrode of the first transistor is electrically connected to the second conductor of the third transistor and one electrode of the first capacitor, One of the source electrode or the drain electrode of the two transistors is connected to the first conductor and the third transistor. Which is one electrode and the semiconductor device is electrically connected to the second capacitive element.

(4)または、本発明の一態様は、半導体が有する第3領域と第4領域に挟まれた領域の面積は、前記第1領域の面積以下であり、かつ、前記第2領域の面積以下である、(1)の態様に係る半導体装置である。 (4) Alternatively, according to one embodiment of the present invention, the area of the region between the third region and the fourth region included in the semiconductor is less than or equal to the area of the first region and less than or equal to the area of the second region. The semiconductor device according to the aspect of (1).

(5)または、本発明の一態様は、第1トランジスタと、第2トランジスタと、第3トランジスタと、第1容量素子と、第2容量素子と、を有し、第3トランジスタは、絶縁体上の第1導電体と、第1導電体上の第1絶縁体と、第1絶縁体上の半導体と、半導体上の第2絶縁体と、第2絶縁体上の第2導電体と、半導体に接続された第3導電体及び第4導電体と、を有し、半導体は、第1導電体と重なる第3領域と、第2導電体と重なる第4領域と、第3領域と第4領域とが重なる第5領域と、を有し、第5領域の面積は、第3領域の面積の25%以下であり、かつ、第4領域の面積の25%以下であり、第1トランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方は、第3トランジスタの第2導電体および第1容量素子の一方の電極と電気的に接続され、第2トランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方は、第3トランジスタの第1導電体および第2容量素子の一方の電極と電気的に接続されている半導体装置である。 (5) Another embodiment of the present invention includes a first transistor, a second transistor, a third transistor, a first capacitor, and a second capacitor, and the third transistor is an insulator. A first conductor on the first conductor, a first insulator on the first conductor, a semiconductor on the first insulator, a second insulator on the semiconductor, a second conductor on the second insulator, A third conductor and a fourth conductor connected to the semiconductor, wherein the semiconductor includes a third region overlapping the first conductor, a fourth region overlapping the second conductor, a third region, A fifth region overlapping with the four regions, and the area of the fifth region is 25% or less of the area of the third region and 25% or less of the area of the fourth region. One of the source electrode and the drain electrode is electrically connected to the second conductor of the third transistor and the one electrode of the first capacitor. Are connected, one of a source electrode and a drain electrode of the second transistor, which is one of the electrodes and electrically the attached semiconductor device of the first conductor and the second capacitive element of the third transistor.

(6)または、本発明の一態様は、第1トランジスタと、第2トランジスタと、第3トランジスタと、第1容量素子と、第2容量素子と、を有し、第3トランジスタは、絶縁体上の第1導電体と、第1導電体上の第1絶縁体と、第1絶縁体上において前記第1導電体と重なる位置にある半導体と、半導体上の第2絶縁体と、第2絶縁体上において前記半導体と重なる位置にある第2導電体と、半導体に接続された第3導電体及び第4導電体と、を有し、上面から見て、第1導電体の端部と第2導電体の端部は重ならず、第1導電体の端部と第2導電体の端部との間隔は、第1導電体の幅以下であり、かつ、第2導電体の幅以下であり、第1トランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方は、第3トランジスタの第2導電体および第1容量素子の一方の電極と電気的に接続され、第2トランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方は、第3トランジスタの第1導電体および第2容量素子の一方の電極と電気的に接続されている半導体装置である。 (6) Another embodiment of the present invention includes a first transistor, a second transistor, a third transistor, a first capacitor, and a second capacitor, and the third transistor is an insulator. A first insulator on the first conductor; a first insulator on the first conductor; a semiconductor on the first insulator at a position overlapping the first conductor; a second insulator on the semiconductor; A second conductor in a position overlapping with the semiconductor on the insulator; a third conductor and a fourth conductor connected to the semiconductor; and when viewed from above, an end of the first conductor; The end portions of the second conductor do not overlap, the distance between the end portions of the first conductor and the second conductor is equal to or less than the width of the first conductor, and the width of the second conductor. In the following, one of the source electrode or the drain electrode of the first transistor is connected to the second conductor and the first capacitor of the third transistor. One electrode of the element is electrically connected, and one of the source electrode and the drain electrode of the second transistor is electrically connected to the first conductor of the third transistor and one electrode of the second capacitor element. It is a semiconductor device.

(7)または、本発明の一態様は、第1トランジスタと、第2トランジスタと、第3トランジスタと、第1容量素子と、第2容量素子と、を有し、第3トランジスタは、絶縁体上の第1導電体と、第1導電体上の第1絶縁体と、第1絶縁体上において前記第1導電体と重なる位置にある半導体と、半導体上の第2絶縁体と、第2絶縁体上において前記半導体と重なる位置にある第2導電体と、半導体に接続された第3導電体及び第4導電体と、を有し、第1導電体と、第2導電体と、は互いに重なる領域を有し、重なる領域の面積は、第1導電体の面積の25%以下であり、かつ、第2導電体の面積の25%以下であり、第1トランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方は、第3トランジスタの第2導電体および第1容量素子の一方の電極と電気的に接続され、第2トランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方は、第3トランジスタの第1導電体および第2容量素子の一方の電極と電気的に接続されている半導体装置である。 (7) Another embodiment of the present invention includes a first transistor, a second transistor, a third transistor, a first capacitor, and a second capacitor, and the third transistor includes an insulator. A first insulator on the first conductor; a first insulator on the first conductor; a semiconductor on the first insulator at a position overlapping the first conductor; a second insulator on the semiconductor; A second conductor that is located on the insulator and overlapping the semiconductor; and a third conductor and a fourth conductor that are connected to the semiconductor. The first conductor and the second conductor are: The area of the overlapping region is 25% or less of the area of the first conductor and 25% or less of the area of the second conductor. The source electrode or the drain electrode of the first transistor Is one of the second conductor of the third transistor and the first capacitive element. The semiconductor device is electrically connected to the electrode, and one of the source electrode and the drain electrode of the second transistor is electrically connected to one electrode of the first conductor and the second capacitor of the third transistor. .

(8)または、本発明の一態様は、第1トランジスタと、第2トランジスタと、第3トランジスタと、第1容量素子と、第2容量素子と、を有し、第3トランジスタは、絶縁体上の第1導電体と、第1導電体上の第1絶縁体と、第1絶縁体上において前記第1導電体と重なる位置にある半導体と、半導体上の第2絶縁体と、第2絶縁体上において前記半導体と重なる位置にある第2導電体と、半導体に接続された第3導電体及び第4導電体と、を有し、上面から見て、第1導電体の端部と第2導電体の端部は揃っていて、第1トランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方は、第3トランジスタの第2導電体および第1容量素子の一方の電極と電気的に接続され、第2トランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方は、第3トランジスタの第1導電体および第2容量素子の一方の電極と電気的に接続されている半導体装置である。 (8) Alternatively, one embodiment of the present invention includes a first transistor, a second transistor, a third transistor, a first capacitor, and a second capacitor, and the third transistor includes an insulator. A first insulator on the first conductor; a first insulator on the first conductor; a semiconductor on the first insulator at a position overlapping the first conductor; a second insulator on the semiconductor; A second conductor in a position overlapping with the semiconductor on the insulator; a third conductor and a fourth conductor connected to the semiconductor; and when viewed from above, an end of the first conductor; The ends of the second conductor are aligned, and one of the source electrode or the drain electrode of the first transistor is electrically connected to the second conductor of the third transistor and one electrode of the first capacitor, One of the source electrode or drain electrode of the two transistors is connected to the third transistor. Which is one electrode and the semiconductor device is electrically connected to the first conductor and the second capacitive element register.

(9)または、本発明の一態様は、第1トランジスタのチャネル形成領域は、酸化物半導体で形成され、第2トランジスタのチャネル形成領域は、酸化物半導体で形成され、第2トランジスタが有する半導体は、酸化物半導体である(1)乃至(8)のいずれか一の態様に係る半導体装置である。 (9) Alternatively, according to one embodiment of the present invention, the channel formation region of the first transistor is formed using an oxide semiconductor, the channel formation region of the second transistor is formed using an oxide semiconductor, and the semiconductor included in the second transistor Is a semiconductor device according to any one of (1) to (8), which is an oxide semiconductor.

(10)または、本発明の一態様は、第3トランジスタは、第2トランジスタ上に積層され、第1トランジスタは、第3トランジスタ上に積層される(1)乃至(9)のいずれか一の態様に係る半導体装置である。 (10) Alternatively, in one embodiment of the present invention, the third transistor is stacked over the second transistor, and the first transistor is stacked over the third transistor. A semiconductor device according to an aspect.

(11)または、本発明の一態様は、第1トランジスタは、第2トランジスタ上に積層され、第1トランジスタのチャネル形成領域と、第2トランジスタのチャネル形成領域と、は重なる(1)乃至(9)のいずれか一の態様に係る半導体装置である。 (11) Alternatively, according to one embodiment of the present invention, the first transistor is stacked over the second transistor, and the channel formation region of the first transistor and the channel formation region of the second transistor overlap with each other. 9) A semiconductor device according to any one of the aspects.

(12)または、本発明の一態様は、第1トランジスタと、第2トランジスタと、第3トランジスタと、第1容量素子と、第2容量素子と、によって16値乃至1024値のいずれかの状態を保持する(1)乃至(11)のいずれか一の態様に係る半導体装置である。 (12) Alternatively, according to one embodiment of the present invention, the first transistor, the second transistor, the third transistor, the first capacitor element, and the second capacitor element are in any of 16 values to 1024 values. A semiconductor device according to any one of (1) to (11).

(13)または、本発明の一態様は、(1)乃至(12)のいずれか一の態様に係る半導体装置と、アンテナと、を有するRFIDタグである。 (13) Another embodiment of the present invention is an RFID tag including the semiconductor device according to any one of the embodiments (1) to (12) and an antenna.

(14)または、本発明の一態様は、(1)乃至(12)のいずれか一の態様に係る半導体装置と、プリント配線基板と、を有する電子機器である。 (14) Another embodiment of the present invention is an electronic device including the semiconductor device according to any one of (1) to (12) and a printed wiring board.

面積を縮小した半導体装置(メモリセル)を提供することができる。または、記憶密度を向上した半導体装置を提供することができる。または、記憶容量を向上した半導体装置を提供することができる。または、小型化された半導体装置を提供することができる。または、新規な半導体装置を提供することができる。 A semiconductor device (memory cell) with a reduced area can be provided. Alternatively, a semiconductor device with improved memory density can be provided. Alternatively, a semiconductor device with improved storage capacity can be provided. Alternatively, a miniaturized semiconductor device can be provided. Alternatively, a novel semiconductor device can be provided.

なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。 Note that the description of these effects does not disturb the existence of other effects. Note that one embodiment of the present invention does not necessarily have all of these effects. It should be noted that the effects other than these are naturally obvious from the description of the specification, drawings, claims, etc., and it is possible to extract the other effects from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc. It is.

本発明の一態様に係る半導体装置(メモリセル)を示す回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a semiconductor device (memory cell) according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置(メモリセル)の上面図。FIG. 6 is a top view of a semiconductor device (memory cell) according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置(メモリセル)の断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view of a semiconductor device (memory cell) according to one embodiment of the present invention. メモリセルの動作に関わる電圧を説明する図。6A and 6B illustrate voltages related to operation of a memory cell. メモリセルの動作に関わる電圧を説明する図。6A and 6B illustrate voltages related to operation of a memory cell. メモリセルアレイを示す回路図。The circuit diagram which shows a memory cell array. メモリセルの書き込み動作を表すタイミングチャート図。FIG. 9 is a timing chart illustrating a memory cell write operation. メモリセルの読み出し動作を表すタイミングチャート図。FIG. 10 is a timing chart illustrating a memory cell read operation. 記憶装置を示すブロック図。1 is a block diagram illustrating a storage device. トランジスタを示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a transistor. トランジスタを示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a transistor. 酸化物半導体の断面TEM像および局所的なフーリエ変換像。Sectional TEM image and local Fourier transform image of an oxide semiconductor. 酸化物半導体のナノビーム電子回折パターンを示す図、および透過電子回折測定装置の一例を示す図。The figure which shows the nano beam electron diffraction pattern of an oxide semiconductor, and the figure which shows an example of a transmission electron diffraction measuring apparatus. 透過電子回折測定による構造解析の一例を示す図、および平面TEM像。The figure which shows an example of the structural analysis by a transmission electron diffraction measurement, and a plane TEM image. 半導体の積層を示す断面図、およびバンド構造を示す図。Sectional drawing which shows lamination | stacking of a semiconductor, and the figure which shows a band structure. 本発明の一態様に係るCPUを示すブロック図。FIG. 10 is a block diagram illustrating a CPU according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るRFIDを示すブロック図。FIG. 10 is a block diagram illustrating an RFID according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る電子部品を示す図。FIG. 6 illustrates an electronic component according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る電子機器を示す図。FIG. 14 illustrates an electronic device according to one embodiment of the present invention.

本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態およ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。また、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、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。なお、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it will be easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed. In addition, the present invention is not construed as being limited to the description of the embodiments below. Note that in describing the structure of the present invention with reference to drawings, the same portions are denoted by the same reference numerals in different drawings. In addition, when referring to the same thing, a hatch pattern is made the same and there is a case where it does not attach a code in particular.

なお、図において、大きさ、膜(層)の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。 Note that the size, the thickness of films (layers), or regions in drawings is sometimes exaggerated for simplicity.

また、電圧は、ある電位と、基準の電位(例えば接地電位(GND)またはソース電位)との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能である。 In many cases, the voltage indicates a potential difference between a certain potential and a reference potential (for example, a ground potential (GND) or a source potential). Thus, a voltage can be rephrased as a potential.

なお、第1、第2として付される序数詞は便宜的に用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名称を示すものではない。 The ordinal numbers attached as the first and second are used for convenience and do not indicate the order of steps or the order of lamination. In addition, a specific name is not shown as a matter for specifying the invention in this specification.

なお、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分低い場合は「絶縁体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「絶縁体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。従って、本明細書に記載の「半導体」は、「絶縁体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「絶縁体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。 Note that even when “semiconductor” is described, for example, when the conductivity is sufficiently low, the semiconductor device may have characteristics as an “insulator”. In addition, the boundary between “semiconductor” and “insulator” is ambiguous and may not be strictly discriminated. Therefore, a “semiconductor” in this specification can be called an “insulator” in some cases. Similarly, an “insulator” in this specification can be called a “semiconductor” in some cases.

また、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分高い場合は「導電体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「導電体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。従って、本明細書に記載の「半導体」は、「導電体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「導電体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。 In addition, even when “semiconductor” is described, for example, when the conductivity is sufficiently high, the semiconductor device may have characteristics as a “conductor”. In addition, the boundary between “semiconductor” and “conductor” is ambiguous, and there are cases where it cannot be strictly distinguished. Therefore, a “semiconductor” in this specification can be called a “conductor” in some cases. Similarly, a “conductor” in this specification can be called a “semiconductor” in some cases.

なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が0.1原子%未満の元素は不純物である。不純物が含まれることにより、例えば、半導体にDOS(Density of State)が形成されることや、キャリア移動度が低下することや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第1族元素、第2族元素、第14族元素、第15族元素、主成分以外の遷移金属などがあり、特に、例えば、水素(水にも含まれる)、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、例えば水素などの不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコンである場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第1族元素、第2族元素、第13族元素、第15族元素などがある。 Note that the impurity of the semiconductor means, for example, a component other than the main component constituting the semiconductor. For example, an element having a concentration of less than 0.1 atomic% is an impurity. When impurities are included, for example, DOS (Density of State) may be formed in the semiconductor, carrier mobility may be reduced, or crystallinity may be reduced. When the semiconductor is an oxide semiconductor, examples of impurities that change the characteristics of the semiconductor include Group 1 elements, Group 2 elements, Group 14 elements, Group 15 elements, and transition metals other than the main component. In particular, for example, hydrogen (also included in water), lithium, sodium, silicon, boron, phosphorus, carbon, nitrogen and the like. In the case of an oxide semiconductor, oxygen vacancies may be formed by mixing impurities such as hydrogen, for example. In the case where the semiconductor is silicon, examples of impurities that change the characteristics of the semiconductor include group 1 elements, group 2 elements, group 13 elements, and group 15 elements excluding oxygen and hydrogen.

なお、以下に示す実施の形態では、特に断りがない場合、絶縁体として、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを一種以上含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。または、絶縁体として、樹脂を用いてもよい。例えば、ポリイミド、ポリアミド、アクリル、シリコーンなどを含む樹脂を用いればよい。樹脂を用いることで、絶縁体の上面を平坦化処理しなくてもよい場合がある。また、樹脂は短い時間で厚い膜を成膜することができるため、生産性を高めることができる。絶縁体としては、好ましくは酸化アルミニウム、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。 In the embodiment shown below, unless otherwise specified, as an insulator, for example, boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, yttrium, An insulator containing one or more of zirconium, lanthanum, neodymium, hafnium, or tantalum may be used in a single layer or a stacked layer. Alternatively, a resin may be used as the insulator. For example, a resin containing polyimide, polyamide, acrylic, silicone, or the like may be used. By using a resin, it may not be necessary to planarize the upper surface of the insulator. In addition, since the resin can form a thick film in a short time, productivity can be increased. As the insulator, an insulator containing aluminum oxide, silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide is preferably a single layer or a stacked layer. Use it.

また、以下に示す実施の形態では、特に断りがない場合、導電体として、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルまたはタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金膜や化合物膜であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。 In the embodiment shown below, unless otherwise specified, as the conductor, for example, boron, nitrogen, oxygen, fluorine, silicon, phosphorus, aluminum, titanium, chromium, manganese, cobalt, nickel, copper, zinc, A conductor including one or more of gallium, yttrium, zirconium, molybdenum, ruthenium, silver, indium, tin, tantalum, or tungsten may be used as a single layer or a stacked layer. For example, it may be an alloy film or a compound film, and includes a conductor containing aluminum, a conductor containing copper and titanium, a conductor containing copper and manganese, a conductor containing indium, tin and oxygen, titanium and nitrogen. A conductor or the like may be used.

なお、本明細書において、Aが濃度Bの領域を有する、と記載する場合、例えば、Aのある領域における深さ方向全体が濃度Bである場合、Aのある領域における深さ方向の平均値が濃度Bである場合、Aのある領域における深さ方向の中央値が濃度Bである場合、Aのある領域における深さ方向の最大値が濃度Bである場合、Aのある領域における深さ方向の最小値が濃度Bである場合、Aのある領域における深さ方向の収束値が濃度Bである場合、測定上Aそのものの確からしい値の得られる領域が濃度Bである場合などを含む。 In this specification, when it is described that A has a region having a concentration B, for example, when the entire depth direction in a region with A is a concentration B, the average value in the depth direction in a region with A Is the density B, the median value in the depth direction in the area with A is the density B, the maximum value in the depth direction in the area with A is the density B, the depth in the area with A The case where the minimum value in the direction is the density B, the convergence value in the depth direction in a certain area of A is the density B, and the area where a probable value of A itself is obtained in the measurement is the density B is included. .

また、本明細書において、Aが大きさB、長さB、厚さB、幅Bまたは距離Bの領域を有する、と記載する場合、例えば、Aのある領域における全体が大きさB、長さB、厚さB、幅Bまたは距離Bである場合、Aのある領域における平均値が大きさB、長さB、厚さB、幅Bまたは距離Bである場合、Aのある領域における中央値が大きさB、長さB、厚さB、幅Bまたは距離Bである場合、Aのある領域における最大値が大きさB、長さB、厚さB、幅Bまたは距離Bである場合、Aのある領域における最小値が大きさB、長さB、厚さB、幅Bまたは距離Bである場合、Aのある領域における収束値が大きさB、長さB、厚さB、幅Bまたは距離Bである場合、測定上Aそのものの確からしい値の得られる領域が大きさB、長さB、厚さB、幅Bまたは距離Bである場合などを含む。 In addition, in this specification, when A is described as having a region having a size B, a length B, a thickness B, a width B, or a distance B, for example, the entire region in which A is a size B, a length If the average value in a region of A is size B, length B, thickness B, width B, or distance B when the thickness is B, thickness B, width B, or distance B, in the region of A When the median is size B, length B, thickness B, width B, or distance B, the maximum value in a region of A is size B, length B, thickness B, width B, or distance B. In some cases, when the minimum value in a region of A is size B, length B, thickness B, width B, or distance B, the convergence value in a region of A is size B, length B, thickness In the case of B, width B, or distance B, the region where a probable value of A itself is obtained in measurement is size B, length B, thickness B, incl. Such as when the width B or distance B.

なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース(ソース領域またはソース電極)とドレイン(ドレイン領域またはドレイン電極)との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。 Note that the channel length means, for example, in a top view of a transistor, a region where a semiconductor (or a portion where current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap, or a region where a channel is formed , The distance between the source (source region or source electrode) and the drain (drain region or drain electrode). Note that in one transistor, the channel length is not necessarily the same in all regions. That is, the channel length of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in this specification, the channel length is any one of values, the maximum value, the minimum value, or the average value in a region where a channel is formed.

チャネル幅とは、例えば、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。 The channel width is, for example, that a source and a drain face each other in a region where a semiconductor (or a portion where a current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap, or a region where a channel is formed. The length of the part. Note that in one transistor, the channel width is not necessarily the same in all regions. That is, the channel width of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in this specification, the channel width is any one of values, the maximum value, the minimum value, or the average value in a region where a channel is formed.

なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅(以下、実効的なチャネル幅と呼ぶ。)と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅(以下、見かけ上のチャネル幅と呼ぶ。)と、が異なる場合がある。例えば、立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、半導体の上面に形成されるチャネル領域の割合に対して、半導体の側面に形成されるチャネル領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅の方が大きくなる。 Note that depending on the structure of the transistor, the channel width in a region where a channel is actually formed (hereinafter referred to as an effective channel width) and the channel width shown in a top view of the transistor (hereinafter, apparent channel width). May be different). For example, in a transistor having a three-dimensional structure, the effective channel width is larger than the apparent channel width shown in the top view of the transistor, and the influence may not be negligible. For example, in a transistor having a fine and three-dimensional structure, the ratio of the channel region formed on the side surface of the semiconductor may be larger than the ratio of the channel region formed on the upper surface of the semiconductor. In that case, the effective channel width in which the channel is actually formed is larger than the apparent channel width shown in the top view.

ところで、立体的な構造を有するトランジスタにおいては、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。従って、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。 By the way, in a transistor having a three-dimensional structure, it may be difficult to estimate an effective channel width by actual measurement. For example, in order to estimate the effective channel width from the design value, it is necessary to assume that the shape of the semiconductor is known. Therefore, it is difficult to accurately measure the effective channel width when the shape of the semiconductor is not accurately known.

なお、トランジスタの「ソース」や「ドレイン」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」という用語は、入れ替えて用いることができるものとする。 Note that the functions of the “source” and “drain” of the transistor may be interchanged when a transistor with a different polarity is used or when the direction of current changes during circuit operation. Therefore, in this specification, the terms “source” and “drain” can be used interchangeably.

なお、本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−10°以上10°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、−5°以上5°以下の場合も含まれる。また、「垂直」とは、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、85°以上95°以下の場合も含まれる。 In this specification, “parallel” refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of −10 ° to 10 °. Therefore, the case of −5 ° to 5 ° is also included. “Vertical” refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of 80 ° to 100 °. Therefore, the case of 85 ° to 95 ° is also included.

なお、図面における各回路ブロックの配置は、説明のため位置関係を特定するものであり、異なる回路ブロックで別々の機能を実現するよう図面で示していても、実際の回路や領域では、同じ回路や同じ領域内で別々の機能を実現しうるように設けられている場合もある。また図面における各回路ブロックの機能は、説明のため機能を特定するものであり、一つの回路ブロックとして示していても、実際の回路や領域では、一つの回路ブロックで行う処理を複数の回路ブロックで行うよう設けられている場合もある。 Note that the arrangement of each circuit block in the drawing specifies the positional relationship for the sake of explanation, and even if it is shown in the drawing to realize different functions in different circuit blocks, the same circuit is used in an actual circuit or region. In some cases, different functions can be realized in the same area. In addition, the function of each circuit block in the drawing is to specify the function for explanation. Even if the function is shown as one circuit block, in an actual circuit or region, processing performed by one circuit block is performed by a plurality of circuit blocks. In some cases, it is provided.

(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置について図面を参照して説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, a semiconductor device according to one embodiment of the present invention will be described with reference to drawings.

図1は、本発明の一態様に係る半導体装置の回路構成の一例である。 FIG. 1 illustrates an example of a circuit configuration of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.

以下では、図1に示す半導体装置は、メモリセルとしての機能を有する。以下では、当該半導体装置を、半導体装置(メモリセル)と記載する場合や、単にメモリセルと記載する場合がある。 In the following, the semiconductor device illustrated in FIG. 1 has a function as a memory cell. Hereinafter, the semiconductor device may be described as a semiconductor device (memory cell) or simply as a memory cell.

メモリセル500は、トランジスタ490、トランジスタ491、トランジスタ492、容量素子493、容量素子494と、を有する。 The memory cell 500 includes a transistor 490, a transistor 491, a transistor 492, a capacitor 493, and a capacitor 494.

トランジスタ492は、第1ゲート電極と、第2ゲート電極と、ソース電極と、ドレイン電極と、を有する。第1ゲート電極と第2ゲート電極は、チャネル形成領域を挟んで上下に配置されている。また、第1ゲート電極と第2ゲート電極は、一部重なっても良いが、ずらして配置される。本明細書では、このようなトランジスタ492を、図1に示した記号で表すこととする。トランジスタ492において、チャネル形成領域は、第1ゲート電極と重なるが第2ゲート電極とは重ならない第1領域と、第2ゲート電極と重なるが第1ゲート電極とは重ならない第2領域と、と有することが好ましい。 The transistor 492 includes a first gate electrode, a second gate electrode, a source electrode, and a drain electrode. The first gate electrode and the second gate electrode are arranged above and below across the channel formation region. In addition, the first gate electrode and the second gate electrode may be partially overlapped but are shifted from each other. In this specification, such a transistor 492 is represented by a symbol illustrated in FIG. In the transistor 492, a channel formation region overlaps the first gate electrode but does not overlap the second gate electrode, a second region overlaps the second gate electrode but does not overlap the first gate electrode, and It is preferable to have.

または、トランジスタ492において、チャネル形成領域は、第1ゲート電極と重なる第3領域と、第2ゲート電極と重なる第4領域を有し、第3領域と第4領域とは重ならないことが好ましい。 Alternatively, in the transistor 492, the channel formation region preferably includes a third region overlapping with the first gate electrode and a fourth region overlapping with the second gate electrode, and the third region and the fourth region do not overlap.

第3領域と第4領域とが重ならない場合、第3領域と第4領域の間隔は、小さいことが好ましい。第3領域と第4領域が並ぶ方向に対して、第3領域の幅、間隔、第4領域の幅を定義した場合、当該間隔は、第3領域の幅以下である、および/または、第4領域の幅以下であることが好ましい。さらに好ましくは、当該間隔は、第3領域の幅の1/2以下である、および/または、第4領域の幅の1/2以下である。 When the third region and the fourth region do not overlap, it is preferable that the distance between the third region and the fourth region is small. When the width and interval of the third region and the width of the fourth region are defined with respect to the direction in which the third region and the fourth region are arranged, the interval is equal to or less than the width of the third region and / or It is preferable that the width is not more than 4 regions. More preferably, the interval is ½ or less of the width of the third region and / or ½ or less of the width of the fourth region.

または、第1ゲート電極と、第2ゲート電極と、は上面から見て、間隔を開けて位置してもよい。第1ゲート電極と第2ゲート電極とが並ぶ方向に対して、第1ゲート電極の幅、間隔、第2ゲート電極の幅を定義した場合、当該間隔は、第1ゲート電極の幅以下であり、および/または、第2ゲート電極の幅以下であることが好ましい。さらに好ましくは、当該間隔は、第1ゲート電極の幅の1/2以下である、および/または、第2ゲート電極の幅の1/2以下である。 Alternatively, the first gate electrode and the second gate electrode may be positioned at an interval when viewed from above. When the width and interval of the first gate electrode and the width of the second gate electrode are defined in the direction in which the first gate electrode and the second gate electrode are arranged, the interval is equal to or less than the width of the first gate electrode. And / or less than the width of the second gate electrode. More preferably, the interval is 1/2 or less of the width of the first gate electrode and / or 1/2 or less of the width of the second gate electrode.

または、上面から見て、第1ゲート電極の端部と、第2ゲート電極の端部と、は重ならず、第1ゲート電極の端部と第2ゲート電極の端部との間隔は、第1ゲート電極の幅以下であり、および/または、第2ゲート電極の幅以下であることが好ましい。さらに好ましくは、当該間隔は、第1ゲート電極の幅の1/2以下である、および/または、第2ゲート電極の幅の1/2以下である。 Alternatively, when viewed from above, the end portion of the first gate electrode and the end portion of the second gate electrode do not overlap, and the interval between the end portion of the first gate electrode and the end portion of the second gate electrode is It is preferably less than the width of the first gate electrode and / or less than the width of the second gate electrode. More preferably, the interval is 1/2 or less of the width of the first gate electrode and / or 1/2 or less of the width of the second gate electrode.

または、第3領域と第4領域とは、一部重なってもよい。一部重なった領域(第5領域とも呼ぶ)は、小さいことが好ましい。当該領域は、好ましくは、第1領域の1/2以下の面積を有し、かつ、第2領域の1/2以下の面積を有し、さらに好ましくは、第1領域の1/4以下の面積を有し、かつ、第2領域の1/4以下の面積を有する。 Alternatively, the third region and the fourth region may partially overlap. A partially overlapped region (also referred to as a fifth region) is preferably small. The region preferably has an area of ½ or less of the first region, and has an area of ½ or less of the second region, and more preferably ¼ or less of the first region. It has an area and has an area of 1/4 or less of the second region.

または、第1ゲート電極と、第2ゲート電極と、は互いに重なる領域を有し、重なる領域の面積は、好ましくは、第1ゲート電極の面積の50%以下であり、かつ、第2ゲート電極の面積の50%以下であり、さらに好ましくは、第1ゲート電極の面積の25%以下であり、かつ、第2ゲート電極の面積の25%以下である。 Alternatively, the first gate electrode and the second gate electrode have regions overlapping each other, and the area of the overlapping region is preferably 50% or less of the area of the first gate electrode, and the second gate electrode Is less than 50% of the area of the first gate electrode, more preferably less than 25% of the area of the first gate electrode and less than 25% of the area of the second gate electrode.

または、上面から見て、第1ゲート電極の端部と、第2ゲート電極の端部と、は揃っていても良い。 Alternatively, when viewed from above, the end portion of the first gate electrode and the end portion of the second gate electrode may be aligned.

上述した構成のトランジスタ492は、第1ゲート電極の電位および第2ゲート電極の電位に従って、導通もしくは非導通となる。第1ゲート電極の電位がVth1より大きくなると、第1ゲート電極によって制御されるチャネル形成領域にはチャネルが形成される、または、キャリアが誘起される。または、第1ゲート電極の電位がVth1より大きくなると、チャネル形成領域が有する第3領域にはチャネルが形成される、または、キャリアが誘起される。または、第1ゲート電極の電位がVth1より大きくなると、チャネル形成領域が有する第1領域にはチャネルが形成される、または、キャリアが誘起される。一方、第2ゲート電極の電位がVth2より大きくなると、第2ゲート電極によって制御されるチャネル形成領域にはチャネルが形成される、または、キャリアが誘起される。または、第2ゲート電極の電位がVth2より大きくなると、チャネル形成領域が有する第4領域にはチャネルが形成される、または、キャリアが誘起される。または、第2ゲート電極の電位がVth2より大きくなると、チャネル形成領域が有する第2領域にはチャネルが形成される、または、キャリアが誘起される。このように、トランジスタ492には、Vth1とVth2の2つのしきい値電圧が存在する。Vth1は第1ゲート電極に関わるしきい値電圧、Vth2は第2ゲート電極に関わるしきい値電圧である。第1ゲート電極によって制御されるチャネル形成領域(または第1領域、または第3領域)と、第2ゲート電極によって制御されるチャネル形成領域(または第2領域、または第4領域)と、はソース電極とドレイン電極の間に直列に並んで位置するため、トランジスタ492は、第1ゲート電極とソース電極またはドレイン電極との電位差がVth1より大きく、かつ、第2ゲート電極とソース電極またはドレイン電極との電位差がVth2より大きい場合のみ、導通状態となる。 The transistor 492 having the above structure is turned on or off according to the potential of the first gate electrode and the potential of the second gate electrode. When the potential of the first gate electrode becomes higher than Vth1, a channel is formed in the channel formation region controlled by the first gate electrode, or carriers are induced. Alternatively, when the potential of the first gate electrode is higher than Vth1, a channel is formed in the third region included in the channel formation region, or carriers are induced. Alternatively, when the potential of the first gate electrode is higher than Vth1, a channel is formed in the first region included in the channel formation region, or carriers are induced. On the other hand, when the potential of the second gate electrode becomes higher than Vth2, a channel is formed in the channel formation region controlled by the second gate electrode or carriers are induced. Alternatively, when the potential of the second gate electrode becomes higher than Vth2, a channel is formed in the fourth region included in the channel formation region, or carriers are induced. Alternatively, when the potential of the second gate electrode is higher than Vth2, a channel is formed in the second region included in the channel formation region or carriers are induced. As described above, the transistor 492 has two threshold voltages of Vth1 and Vth2. Vth1 is a threshold voltage related to the first gate electrode, and Vth2 is a threshold voltage related to the second gate electrode. A channel formation region (or first region or third region) controlled by the first gate electrode and a channel formation region (or second region or fourth region) controlled by the second gate electrode are sources. Since the transistor 492 is positioned in series between the electrode and the drain electrode, the transistor 492 has a potential difference between the first gate electrode and the source or drain electrode larger than Vth1, and the second gate electrode and the source or drain electrode. Only when the potential difference is larger than Vth2, the conductive state is established.

トランジスタ492は、Vth1のしきい値電圧をもつトランジスタと、Vth2のしきい値電圧をもつトランジスタの2つのトランジスタが直列に接続された回路と等価な機能を有するとも言える。 It can be said that the transistor 492 has a function equivalent to a circuit in which two transistors, a transistor having a threshold voltage of Vth1 and a transistor having a threshold voltage of Vth2, are connected in series.

メモリセル500は、書き込みワード線WW1、WW2と、読み出しワード線RW1、RW2と、ビット線BLと、ソース線SLと、に接続される。 Memory cell 500 is connected to write word lines WW1, WW2, read word lines RW1, RW2, bit line BL, and source line SL.

トランジスタ491のソース電極とドレイン電極の一方と、容量素子494の電極の一方と、トランジスタ492の第1ゲート電極と、が互いに電気的に接続される。この接続された部位をフローティングノードFN1とも呼ぶ。トランジスタ490のソース電極とドレイン電極の一方と、容量素子493の電極の一方と、トランジスタ492の第2ゲート電極と、は接続される。この接続された部位をフローティングノードFN2とも呼ぶ。 One of a source electrode and a drain electrode of the transistor 491, one of the electrodes of the capacitor 494, and the first gate electrode of the transistor 492 are electrically connected to each other. This connected portion is also called a floating node FN1. One of a source electrode and a drain electrode of the transistor 490, one of the electrodes of the capacitor 493, and the second gate electrode of the transistor 492 are connected. This connected portion is also called a floating node FN2.

トランジスタ491のゲート電極は書き込みワード線WW1に接続される。トランジスタ491のソース電極とドレイン電極の他方はビット線BLに接続される。容量素子494の電極の他方は読み出しワード線RW1に接続される。トランジスタ490のゲート電極は書き込みワード線WW2に接続される。トランジスタ490のソース電極とドレイン電極の他方はビット線BLに接続される。容量素子493の電極の他方は読み出しワード線RW2に接続される。トランジスタ492のソース電極とドレイン電極の一方はソース線SLに接続される。トランジスタ492のソース電極とドレイン電極の他方はビット線BLに接続される。 The gate electrode of the transistor 491 is connected to the write word line WW1. The other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 491 is connected to the bit line BL. The other electrode of the capacitor 494 is connected to the read word line RW1. The gate electrode of the transistor 490 is connected to the write word line WW2. The other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 490 is connected to the bit line BL. The other electrode of the capacitor 493 is connected to the read word line RW2. One of a source electrode and a drain electrode of the transistor 492 is connected to the source line SL. The other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 492 is connected to the bit line BL.

メモリセル500は、フローティングノードFN1およびフローティングノードFN2に与えられた電位を保持することで、情報を記憶する回路である。或いは、メモリセル500は、フローティングノードFN1およびフローティングノードFN2に蓄積された電荷を保持することで、情報を記憶する回路である。フローティングノードFN1およびフローティングノードFN2に様々な電位(或いは電荷、或いは状態)を保持することで、4値(2ビット)以上の情報を記憶することができる。 Memory cell 500 is a circuit that stores information by holding potentials applied to floating node FN1 and floating node FN2. Alternatively, the memory cell 500 is a circuit that stores information by holding charges accumulated in the floating node FN1 and the floating node FN2. By holding various potentials (or charges or states) in the floating node FN1 and the floating node FN2, information of four values (2 bits) or more can be stored.

具体的には、4値(2ビット)の情報、16値(4ビット)の情報、64値(6ビット)の情報、256値(8ビット)、或いは1024値(10ビット)の情報を記憶する(或いは保持する)ことができる。例えば、フローティングノードFN1に2状態、フローティングノードFN2に2状態、をそれぞれ保持することで、4値(=2×2)の情報を記憶することができる。例えば、フローティングノードFN1に4状態、フローティングノードFN2に4状態、をそれぞれ保持することで、16値(=4×4)の情報を記憶することができる。例えば、フローティングノードFN1に8状態、フローティングノードFN2に8状態、をそれぞれ保持することで、64値(=8×8)の情報を記憶することができる。例えば、フローティングノードFN1に16状態、フローティングノードFN2に16状態、をそれぞれ保持することで、256値(=16×16)の情報を記憶することができる。例えば、フローティングノードFN1に32状態、フローティングノードFN2に32状態、をそれぞれ保持することで、1024値(=32×32)の情報を記憶することができる。このように、メモリセル500は、2つのフローティングノードの状態数の積で与えられる値の情報を記憶することができるため、記憶密度を向上することができる。 Specifically, information of 4 values (2 bits), information of 16 values (4 bits), information of 64 values (6 bits), information of 256 values (8 bits) or 1024 values (10 bits) are stored. (Or hold). For example, by holding two states in the floating node FN1 and two states in the floating node FN2, quaternary (= 2 × 2) information can be stored. For example, by holding 4 states in the floating node FN1 and 4 states in the floating node FN2, information of 16 values (= 4 × 4) can be stored. For example, by holding 8 states in the floating node FN1 and 8 states in the floating node FN2, information of 64 values (= 8 × 8) can be stored. For example, by holding 16 states in the floating node FN1 and 16 states in the floating node FN2, information of 256 values (= 16 × 16) can be stored. For example, by holding 32 states in the floating node FN1 and 32 states in the floating node FN2, information of 1024 values (= 32 × 32) can be stored. As described above, the memory cell 500 can store information on a value given by the product of the number of states of two floating nodes, so that the storage density can be improved.

なお、記憶できる状態数は、これらの値に限られず、4値乃至1024値の状態を記憶する(或いは保持する)ことが可能である。フローティングノードFN1にk1個の状態、フローティングノードFN2にk2個の状態、をそれぞれ保持することで、k1×k2値の情報を記憶することができる。さらに、その一部の状態をパリティチェックやエラー訂正に用いることもでき、その場合は、情報としては、k1×k2値より少ない値となる。 Note that the number of states that can be stored is not limited to these values, and states of four values to 1024 values can be stored (or held). By holding k1 states in the floating node FN1 and k2 states in the floating node FN2, information of k1 × k2 values can be stored. Furthermore, a part of the state can also be used for parity check and error correction. In this case, the information has a value smaller than the k1 × k2 value.

トランジスタ491は、フローティングノードFN1への電位の供給を制御するトランジスタである。或いは、トランジスタ491は、フローティングノードFN1に電荷の充放電を行うトランジスタである。トランジスタ491は、書き込みを行う機能を有するトランジスタである。トランジスタ490は、フローティングノードFN2への電位の供給を制御するトランジスタである。或いは、トランジスタ490は、フローティングノードFN2に電荷の充放電を行うトランジスタである。トランジスタ490は、書き込みを行う機能を有するトランジスタである。容量素子494は、フローティングノードFN1の電位を、容量結合によって変動させる機能を有する。容量素子493は、フローティングノードFN2の電位を、容量結合によって変動させる機能を有する。トランジスタ492は、フローティングノードFN1およびフローティングノードFN2の電位に従って、導通もしくは非導通となる。或いは、トランジスタ492のソース電極もしくはドレイン電極は、フローティングノードFN1およびフローティングノードFN2の電位に従って、所定の電位となる場合がある。例えば、ソース電極もしくはドレイン電極の電位は、フローティングノードFN1の電位としきい値電圧Vth1だけ異なる電位となる場合や、フローティングノードFN2の電位としきい値電圧Vth2だけ異なる電位となる場合がある。そのような状態を検知することで、メモリセル500が保持する情報を読み出すことができる。トランジスタ492は、読み出しを行う機能を有するトランジスタである。 The transistor 491 is a transistor that controls supply of a potential to the floating node FN1. Alternatively, the transistor 491 is a transistor that charges and discharges charge to and from the floating node FN1. The transistor 491 is a transistor having a function of writing. The transistor 490 is a transistor that controls supply of a potential to the floating node FN2. Alternatively, the transistor 490 is a transistor that charges and discharges charge to and from the floating node FN2. The transistor 490 is a transistor having a function of performing writing. The capacitor 494 has a function of changing the potential of the floating node FN1 by capacitive coupling. The capacitor 493 has a function of changing the potential of the floating node FN2 by capacitive coupling. The transistor 492 becomes conductive or nonconductive according to the potentials of the floating node FN1 and the floating node FN2. Alternatively, the source electrode or the drain electrode of the transistor 492 may have a predetermined potential in accordance with the potentials of the floating node FN1 and the floating node FN2. For example, the potential of the source electrode or the drain electrode may be different from the potential of the floating node FN1 by the threshold voltage Vth1, or may be different from the potential of the floating node FN2 by the threshold voltage Vth2. By detecting such a state, information held in the memory cell 500 can be read. The transistor 492 is a transistor having a function of reading data.

書き込みワード線WW1は、トランジスタ491の導通状態を制御する信号が与えられる。書き込みワード線WW2は、トランジスタ490の導通状態を制御する信号線が与えられる。書き込みワード線RW1は、容量素子494による容量結合を介して、フローティングノードFN1の電位を制御する信号線が与えられる。書き込みワード線RW2は、容量素子493による容量結合を介して、フローティングノードFN2の電位を制御する信号線が与えられる。ソース線SLとビット線BLは、それぞれ、トランジスタ492のソース電極とドレイン電極の一方及び他方の電位を制御する信号が与えられる。または、ビット線BLは、メモリセル500からの出力信号が与えられる。その場合、ビット線BLは、メモリセル500から読み出されたデータが与えられる。または、ビット線BLは、トランジスタ491の導通状態となった際のフローティングノードFN1に与える電位が与えられる。または、ビット線BLは、トランジスタ490の導通状態となった際のフローティングノードFN2に与える電位が与えられる。その場合、ビット線BLは、メモリセル500に書き込むデータが与えられる。 The write word line WW1 is supplied with a signal for controlling the conduction state of the transistor 491. The write word line WW2 is supplied with a signal line for controlling the conduction state of the transistor 490. The write word line RW1 is supplied with a signal line for controlling the potential of the floating node FN1 through capacitive coupling by the capacitor 494. The write word line RW2 is supplied with a signal line for controlling the potential of the floating node FN2 through capacitive coupling by the capacitive element 493. The source line SL and the bit line BL are supplied with signals for controlling potentials of one and the other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 492, respectively. Alternatively, an output signal from the memory cell 500 is supplied to the bit line BL. In that case, the data read from the memory cell 500 is supplied to the bit line BL. Alternatively, the potential applied to the floating node FN1 when the transistor 491 is turned on is applied to the bit line BL. Alternatively, the potential applied to the floating node FN2 when the transistor 490 is turned on is applied to the bit line BL. In that case, data to be written to the memory cell 500 is supplied to the bit line BL.

半導体装置は、メモリセル500がアレイ状(もしくはマトリクス状)に配置されたメモリセルアレイを有していても良い。 The semiconductor device may have a memory cell array in which the memory cells 500 are arranged in an array (or matrix).

トランジスタ490はnチャネル型であってもpチャネル型であってもよい。トランジスタ491はnチャネル型であってもpチャネル型であってもよい。トランジスタ492はnチャネル型であってもpチャネル型であってもよい。 The transistor 490 may be an n-channel type or a p-channel type. The transistor 491 may be an n-channel type or a p-channel type. The transistor 492 may be an n-channel type or a p-channel type.

トランジスタ490およびトランジスタ491は、オフ状態のときのドレイン電流(リーク電流とも呼ぶ)の小さいトランジスタを用いることができる。例えば、オフ状態のときのドレイン電流は、室温(25℃程度)にて1×10−18A以下、好ましくは1×10−21A以下、さらに好ましくは1×10−24A以下、または85℃にて1×10−15A以下、好ましくは1×10−18A以下、さらに好ましくは1×10−21A以下である。一例として、酸化物半導体(好ましくはIn、Ga、及びZnを含む酸化物)をチャネル形成領域に含むトランジスタ(以下、酸化物半導体を用いたトランジスタとも呼ぶ)を用いることができる。 As the transistor 490 and the transistor 491, a transistor having a small drain current (also referred to as a leakage current) in an off state can be used. For example, the drain current in the off state is 1 × 10 −18 A or less, preferably 1 × 10 −21 A or less, more preferably 1 × 10 −24 A or less, or 85 at room temperature (about 25 ° C.). It is 1 × 10 −15 A or less, preferably 1 × 10 −18 A or less, more preferably 1 × 10 −21 A or less at a temperature. As an example, a transistor including an oxide semiconductor (preferably an oxide containing In, Ga, and Zn) in a channel formation region (hereinafter also referred to as a transistor including an oxide semiconductor) can be used.

トランジスタ490にリーク電流の小さいトランジスタを用いることで、フローティングノードFN2に蓄積された電荷を、長期間に渡って保持することができる。トランジスタ491にリーク電流の小さいトランジスタを用いることで、フローティングノードFN1に蓄積された電荷を、長期間に渡って保持することができる。つまり、メモリセル500は、電力の供給なしに長期間データを保持することができる記憶回路としての機能を有する。或いは、不揮発性の記憶回路としての機能を有する。 By using a transistor with a small leakage current as the transistor 490, the charge accumulated in the floating node FN2 can be held for a long time. By using a transistor with a small leakage current as the transistor 491, the charge accumulated in the floating node FN1 can be held for a long time. In other words, the memory cell 500 functions as a memory circuit that can hold data for a long time without supply of power. Alternatively, it has a function as a nonvolatile memory circuit.

トランジスタ490乃至トランジスタ492は、耐圧の高いトランジスタを用いることができる。つまり、ゲート耐圧やドレイン耐圧の高いトランジスタを用いることができる。例えば、5nm以上、好ましくは7nm以上、より好ましくは10nm以上の厚いゲート絶縁体を用いることができる。また、エネルギーギャップが2.5eV以上4.2eV以下、好ましくは2.8eV以上3.8eV以下、さらに好ましくは3eV以上3.5eV以下の半導体をチャネル形成領域に用いることができる。一例として、酸化物半導体(好ましくはIn、Ga、及びZnを含む酸化物)をチャネル形成領域に含むトランジスタを用いることができる。 As the transistors 490 to 492, transistors with high withstand voltage can be used. That is, a transistor with a high gate breakdown voltage and a high drain breakdown voltage can be used. For example, a thick gate insulator of 5 nm or more, preferably 7 nm or more, more preferably 10 nm or more can be used. A semiconductor with an energy gap of 2.5 eV to 4.2 eV, preferably 2.8 eV to 3.8 eV, more preferably 3 eV to 3.5 eV can be used for the channel formation region. As an example, a transistor including an oxide semiconductor (preferably an oxide containing In, Ga, and Zn) in a channel formation region can be used.

トランジスタ490乃至トランジスタ492に耐圧の高いトランジスタを用いることで、フローティングノードFN1およびフローティングノードFN2に、より高い電位を保持することができる。メモリセル500は、フローティングノードに低い電位から高い電位まで、広い範囲の電位を保持することで、より多くの異なる状態を記憶することができ、より多くの情報を記憶することができる。従って、より高い記憶密度を実現することができる。例えば、フローティングノードFN1およびフローティングノードFN2にそれぞれ16状態を記憶することで、メモリセル500は256値の情報を記憶することができる。 By using transistors with high withstand voltage as the transistors 490 to 492, higher potentials can be held in the floating node FN1 and the floating node FN2. The memory cell 500 can store more different states and more information by holding a wide range of potentials from a low potential to a high potential in the floating node. Therefore, a higher storage density can be realized. For example, by storing 16 states in the floating node FN1 and the floating node FN2, the memory cell 500 can store 256-value information.

トランジスタ492は、第1ゲート電極と第2ゲート電極は、チャネル形成領域を挟んで上下に、かつ、ずらして配置される。第1ゲート電極と第2ゲート電極がチャネル形成領域を挟んで上下に配置することで、同じ層で構成した場合より小さい領域に配置でき、メモリセルを縮小することができる。また、第1ゲート電極と第2ゲート電極は、互いにずれて配置されることで、トランジスタ492の導通状態を独立に制御することができる。その結果、メモリセル500は、2つのフローティングノードの状態数の積で与えられる値の情報を記憶することができ、記憶密度を向上することができる。 In the transistor 492, the first gate electrode and the second gate electrode are arranged above and below and shifted from each other with the channel formation region interposed therebetween. By disposing the first gate electrode and the second gate electrode above and below the channel formation region, the first gate electrode and the second gate electrode can be disposed in a region smaller than that of the same layer, and the memory cell can be reduced. Further, the first gate electrode and the second gate electrode are arranged so as to be shifted from each other, whereby the conduction state of the transistor 492 can be controlled independently. As a result, the memory cell 500 can store information on a value given by the product of the number of states of two floating nodes, and can improve the storage density.

さらに、トランジスタ490乃至トランジスタ492を積層し、トランジスタ490を、トランジスタ492のチャネル形成領域から見て、第2ゲート電極と同じ側に配置し、かつ、トランジスタ491を、トランジスタ492のチャネル形成領域から見て、第1ゲート電極と同じ側に配置してもよい。そうすることで、メモリセル500を縮小することができる。また、トランジスタ490とトランジスタ491とを互いに重ねて配置することで、メモリセル500を縮小することができる。また、トランジスタ490とトランジスタ492とを互いに重ねて配置することで、メモリセル500を縮小することができる。また、トランジスタ491とトランジスタ492とを互いに重ねて配置することで、メモリセル500を縮小することができる。 Further, the transistors 490 to 492 are stacked, the transistor 490 is disposed on the same side as the second gate electrode when viewed from the channel formation region of the transistor 492, and the transistor 491 is viewed from the channel formation region of the transistor 492. Therefore, it may be arranged on the same side as the first gate electrode. By doing so, the memory cell 500 can be reduced. Further, the memory cell 500 can be reduced by arranging the transistor 490 and the transistor 491 so as to overlap each other. Further, the memory cell 500 can be reduced by arranging the transistor 490 and the transistor 492 so as to overlap each other. Further, the memory cell 500 can be reduced by arranging the transistor 491 and the transistor 492 so as to overlap each other.

トランジスタAとトランジスタBとが互いに重なっているとは、少なくとも、トランジスタAが有するゲート電極、ドレイン電極(もしくはドレイン領域)、あるいはソース電極(もしくはソース領域)の一部が、トランジスタBが有するゲート電極、ドレイン電極(もしくはドレイン領域)、あるいはソース電極(もしくはソース領域)の一部と、重なることを言う。或いは、トランジスタAが有するゲート電極、ドレイン電極(もしくはドレイン領域)、及びソース電極(もしくはソース領域)を含む領域と、トランジスタBが有するゲート電極、ドレイン電極(もしくはドレイン領域)、及びソース電極(もしくはソース領域)を含む領域とが、少なくとも一部重なっていることを言う。或いは、トランジスタAの構成要素を含む領域と、トランジスタBの構成要素を含む領域とが、少なくとも一部重なっていることを言う。 The transistor A and the transistor B overlap each other because at least a gate electrode, a drain electrode (or a drain region), or a part of a source electrode (or a source region) included in the transistor A is a gate electrode included in the transistor B. , Overlaps with a part of the drain electrode (or drain region) or the source electrode (or source region). Alternatively, the transistor A includes a gate electrode, a drain electrode (or drain region), and a region including a source electrode (or source region), and the transistor B includes a gate electrode, a drain electrode (or drain region), and a source electrode (or The region including the source region is at least partially overlapped. Alternatively, the region including the component of the transistor A and the region including the component of the transistor B are at least partially overlapped.

以下、トランジスタ490乃至トランジスタ492を積層したメモリセルについて説明する。 Hereinafter, a memory cell in which the transistors 490 to 492 are stacked is described.

図2及び図3を参照して、図1に示した回路構成を有するメモリセル500の構成を説明する。 A configuration of the memory cell 500 having the circuit configuration shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS.

なお、図2及び図3では、理解を容易にするため、絶縁体などの一部を省略して示し、また同じ層に形成される導電体等には、同じハッチングパターンを付している。 2 and 3, in order to facilitate understanding, a part of an insulator or the like is omitted, and conductors and the like formed in the same layer are given the same hatching pattern.

図2は、メモリセル500の構成の一例を示す上面図であり、図2(A)には、メモリセル500のうち、ビット線BLを含む領域の上面図を示し、図2(B)には、メモリセル500のうち、トランジスタ491と容量素子494とを含む領域の上面図を示し、図2(C)には、メモリセル500のうち、トランジスタ492を含む領域の上面図を示し、図2(D)には、メモリセル500のうち、トランジスタ490と容量素子493とを含む領域の上面図を示す。領域501は、メモリセル500が占める領域を示す。 FIG. 2 is a top view illustrating an example of a structure of the memory cell 500. FIG. 2A illustrates a top view of a region including the bit line BL in the memory cell 500, and FIG. FIG. 2C illustrates a top view of a region including the transistor 491 and the capacitor 494 in the memory cell 500, and FIG. 2C illustrates a top view of a region including the transistor 492 in the memory cell 500. 2D is a top view of a region including the transistor 490 and the capacitor 493 in the memory cell 500. FIG. An area 501 indicates an area occupied by the memory cell 500.

図3は、メモリセル500の構成の一例を示す断面図である。図3の左側には、図2(A)乃至図3(D)の一点鎖線A1−A2で切断した断面図を示し、同図中央には、図2(A)乃至図2(D)の一点鎖線B1−B2で切断した断面を示し、同図右側には、図2(A)乃至図2(D)の一点鎖線C1−C2で切断した断面を示す。 FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the memory cell 500. 3 is a cross-sectional view taken along one-dot chain line A1-A2 in FIGS. 2A to 3D, and in the center of FIG. A cross section taken along the alternate long and short dash line B1-B2 is shown, and on the right side of the figure, a cross section taken along the alternate long and short dash line C1-C2 in FIGS. 2A to 2D is shown.

図2及び図3に示すメモリセル500は、トランジスタ490、トランジスタ491、トランジスタ492、容量素子493、及び容量素子494を有し、図1に示した回路構成のメモリセルを構成する。ここでは、トランジスタ490乃至トランジスタ492は、一例として、酸化物半導体(好ましくはIn、Ga、及びZnを含む酸化物)をチャネル形成領域に含むトランジスタを用いるものとして説明する。 A memory cell 500 illustrated in FIGS. 2 and 3 includes a transistor 490, a transistor 491, a transistor 492, a capacitor 493, and a capacitor 494, and configures the memory cell having the circuit configuration illustrated in FIG. Here, the transistors 490 to 492 are described as examples using transistors including an oxide semiconductor (preferably an oxide containing In, Ga, and Zn) in a channel formation region.

まず、図3に示すメモリセル500の断面図を用いて、デバイス構造について説明する。 First, a device structure will be described with reference to a cross-sectional view of the memory cell 500 shown in FIG.

図3に示すメモリセル500は、基板400と、基板400上のトランジスタ490および容量素子493と、トランジスタ490および容量素子493上の絶縁体444と、絶縁体444上のトランジスタ492と、トランジスタ492上の絶縁体446と、絶縁体446上のトランジスタ491および容量素子494と、を有する。なお、絶縁体444、446は、酸素および水素をブロックする機能を有する絶縁体であることが好ましい。 3 includes the substrate 400, the transistor 490 and the capacitor 493 over the substrate 400, the insulator 444 over the transistor 490 and the capacitor 493, the transistor 492 over the insulator 444, and the transistor 492. And the transistor 491 and the capacitor 494 over the insulator 446. Note that the insulators 444 and 446 are preferably insulators having a function of blocking oxygen and hydrogen.

基板400は、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムなどの化合物半導体を用いた半導体基板であってもよい。半導体基板は、非晶質半導体または結晶質半導体を用いればよく、結晶質半導体としては、単結晶半導体、多結晶半導体、微結晶半導体などがある。また、ガラス基板であってもよい。また、半導体基板やガラス基板上に半導体素子が形成された素子基板であってもよい。 The substrate 400 may be a semiconductor substrate using a single semiconductor such as silicon or germanium, or a compound semiconductor such as silicon carbide, silicon germanium, gallium arsenide, gallium nitride, indium phosphide, zinc oxide, or gallium oxide. Good. An amorphous semiconductor or a crystalline semiconductor may be used for the semiconductor substrate, and examples of the crystalline semiconductor include a single crystal semiconductor, a polycrystalline semiconductor, and a microcrystalline semiconductor. Moreover, a glass substrate may be sufficient. Further, an element substrate in which a semiconductor element is formed on a semiconductor substrate or a glass substrate may be used.

トランジスタ490は、半導体406aと、半導体406a上の半導体406bと、半導体406aの側面、ならびに半導体406bの上面および側面と接する、導電体416aおよび導電体416bと、半導体406aの側面、半導体406bの上面および側面、導電体416aの上面および側面、ならびに導電体416bの上面および側面と接する半導体406cと、半導体406c上の絶縁体411と、絶縁体411上の導電体426と、を有する。 The transistor 490 includes the semiconductor 406a, the semiconductor 406b over the semiconductor 406a, the side surface of the semiconductor 406a, the conductor 416a and the conductor 416b in contact with the top surface and the side surface of the semiconductor 406b, the side surface of the semiconductor 406a, the top surface of the semiconductor 406b, The semiconductor device includes a side surface, a top surface and a side surface of the conductor 416a, a semiconductor 406c in contact with the top surface and the side surface of the conductor 416b, an insulator 411 over the semiconductor 406c, and a conductor 426 over the insulator 411.

導電体416aおよび導電体416bは、トランジスタ490のソース電極およびドレイン電極としての機能を有する。また、絶縁体411は、トランジスタ490のゲート絶縁体としての機能を有する。また、導電体426は、トランジスタ490のゲート電極としての機能を有する。 The conductor 416a and the conductor 416b function as a source electrode and a drain electrode of the transistor 490. The insulator 411 functions as a gate insulator of the transistor 490. The conductor 426 functions as a gate electrode of the transistor 490.

図3に示すように、導電体416aおよび導電体416bの側面は、半導体406bの側面と接する。また、導電体426は、半導体406bのチャネル幅方向を電気的に取り囲んだ構造となっており、半導体406bを上面だけでなく側面も取り囲んだ構造となっている。このようなトランジスタの構造を、surrounded channel(s−channel)構造とよぶ。導電体404は、半導体406bの下方まで伸びている構造となっていることが好ましい。 As shown in FIG. 3, the side surfaces of the conductors 416a and 416b are in contact with the side surfaces of the semiconductor 406b. The conductor 426 has a structure in which the channel width direction of the semiconductor 406b is electrically surrounded, and has a structure in which the semiconductor 406b is surrounded not only on the top surface but also on the side surface. Such a transistor structure is called a surround channel (s-channel) structure. The conductor 404 preferably has a structure extending to a position below the semiconductor 406b.

トランジスタの構造をs−channel構造とすることで、半導体406bの側面に対してゲート電界によるチャネル形成領域の制御がしやすくなる。導電体426が半導体406bの下方まで伸びている構造では、さらに制御性が優れる。その結果、トランジスタ490のサブスレッショルドスイング値(S値ともいう。)を小さくすることができ、トランジスタ490のオフ状態の電流を小さくすることができる。 When the transistor has an s-channel structure, the channel formation region can be easily controlled by the gate electric field with respect to the side surface of the semiconductor 406b. In the structure in which the conductor 426 extends below the semiconductor 406b, the controllability is further improved. As a result, the subthreshold swing value (also referred to as an S value) of the transistor 490 can be reduced, and the off-state current of the transistor 490 can be reduced.

容量素子493は、導電体416aと、導電体416a上の半導体409cと、半導体409c上の絶縁体414と、絶縁体414上の導電体429と、を有する。 The capacitor 493 includes a conductor 416a, a semiconductor 409c over the conductor 416a, an insulator 414 over the semiconductor 409c, and a conductor 429 over the insulator 414.

導電体416aは、容量素子493の電極の一方としての機能を有する。また、絶縁体414は、容量素子493の誘電体としての機能を有する。また、導電体429は、容量素子493の電極の他方としての機能を有する。 The conductor 416a functions as one of the electrodes of the capacitor 493. The insulator 414 functions as a dielectric of the capacitor 493. The conductor 429 functions as the other electrode of the capacitor 493.

トランジスタ492は、絶縁体444上の導電体423と、導電体423上の絶縁体434と、絶縁体434上の半導体408a、408b、および408cと、当該半導体に上の絶縁体413と、絶縁体413上の導電体428と、当該半導体に接続された導電体418aおよび導電体418bと、を有する。 The transistor 492 includes a conductor 423 over the insulator 444, an insulator 434 over the conductor 423, semiconductors 408a, 408b, and 408c over the insulator 434, an insulator 413 over the semiconductor, and an insulator A conductor 428 over 413, and a conductor 418a and a conductor 418b connected to the semiconductor are included.

または、トランジスタ492は、導電体423と、導電体423上の絶縁体434と、絶縁体434上の半導体408aと、半導体408a上の半導体408bと、半導体408aの側面、ならびに半導体408bの上面および側面と接する、導電体418aおよび導電体418bと、半導体408aの側面、半導体408bの上面および側面、導電体418aの上面および側面、ならびに導電体418bの上面および側面と接する半導体408cと、半導体408c上の絶縁体413と、絶縁体413上の導電体428と、を有する。 Alternatively, the transistor 492 includes the conductor 423, the insulator 434 over the conductor 423, the semiconductor 408a over the insulator 434, the semiconductor 408b over the semiconductor 408a, the side surface of the semiconductor 408a, and the top and side surfaces of the semiconductor 408b. Conductor 418a and conductor 418b in contact with each other, a side surface of semiconductor 408a, a top surface and a side surface of semiconductor 408b, a top surface and a side surface of conductor 418a, a semiconductor 408c in contact with a top surface and a side surface of conductor 418b, and semiconductor 408c An insulator 413 and a conductor 428 over the insulator 413 are included.

導電体418aおよび導電体418bの側面は、半導体408bの側面と接する。また、導電体428は、半導体408bのチャネル幅方向を電気的に取り囲んだ構造となっており、半導体408bを上面だけでなく側面も取り囲んだ構造となっている。つまり、s−channel構造となっている。 Side surfaces of the conductor 418a and the conductor 418b are in contact with side surfaces of the semiconductor 408b. In addition, the conductor 428 has a structure in which the channel width direction of the semiconductor 408b is electrically surrounded, and has a structure in which the semiconductor 408b is surrounded not only on the top surface but also on the side surface. That is, it has an s-channel structure.

導電体418aおよび導電体418bは、トランジスタ492のソース電極およびドレイン電極としての機能を有する。また、絶縁体413は、トランジスタ492のゲート絶縁体としての機能を有する。また、導電体428は、トランジスタ492のゲート電極(第1ゲート電極と呼ぶ)としての機能を有する。また、絶縁体434は、トランジスタ492のゲート絶縁体としての機能を有する。また、導電体423は、トランジスタ492のゲート電極(第2ゲート電極と呼ぶ)としての機能を有する。 The conductor 418a and the conductor 418b function as a source electrode and a drain electrode of the transistor 492. The insulator 413 functions as a gate insulator of the transistor 492. The conductor 428 functions as a gate electrode (referred to as a first gate electrode) of the transistor 492. The insulator 434 functions as a gate insulator of the transistor 492. The conductor 423 functions as a gate electrode (referred to as a second gate electrode) of the transistor 492.

トランジスタ492において、半導体408bは、導電体423と重なり導電体428と重ならない第1領域と、導電体428と重なり導電体423と重ならない第2領域と、を有する。 In the transistor 492, the semiconductor 408b includes a first region that overlaps with the conductor 423 and does not overlap with the conductor 428, and a second region that overlaps with the conductor 428 and does not overlap with the conductor 423.

図2、および図3に示すトランジスタ492において、導電体423と、導電体428とは、上面からみて、一部重なっている、または、概ね揃っている。本発明において、導電体423と導電体428の位置関係は、これに限定されない。上面から見て導電体423と導電体428が重なっていると、導電体423と導電体428の間の容量結合が生じる場合があり、メモリセル500の動作に影響を及ぼす場合がある。したがって、当該重なりは、小さいことが好ましい。また、上面から見て導電体423と導電体428が重ならずに間隔を開けて離れていると、導電体423と導電体428との間に位置する半導体408bは、トランジスタ492が導通状態であっても、高抵抗となる場合があり、メモリセル500の動作に影響を及ぼす場合がある。したがって、当該間隔は、小さいことが好ましい。したがって、導電体423の端部と導電体428の端部は揃っていることが好ましい。 In the transistor 492 illustrated in FIGS. 2 and 3, the conductor 423 and the conductor 428 are partially overlapped or substantially aligned when viewed from above. In the present invention, the positional relationship between the conductor 423 and the conductor 428 is not limited to this. When the conductor 423 and the conductor 428 overlap with each other when viewed from above, capacitive coupling between the conductor 423 and the conductor 428 may occur, which may affect the operation of the memory cell 500. Therefore, it is preferable that the overlap is small. Further, when the conductor 423 and the conductor 428 are spaced apart from each other when viewed from above, the semiconductor 408b located between the conductor 423 and the conductor 428 has the transistor 492 in a conductive state. Even in such a case, the resistance may be high, and the operation of the memory cell 500 may be affected. Therefore, the interval is preferably small. Therefore, the end portion of the conductor 423 and the end portion of the conductor 428 are preferably aligned.

トランジスタ492において、半導体408bは、導電体423と重なる第3領域と、導電体428と重なる第4領域と、を有し、第3領域と第4領域とは重ならなくても良い。 In the transistor 492, the semiconductor 408b includes a third region overlapping with the conductor 423 and a fourth region overlapping with the conductor 428, and the third region and the fourth region may not overlap.

第3領域と第4領域とが重ならない場合、第3領域と第4領域の間隔は、小さいことが好ましい。第3領域と第4領域が並ぶ方向に対して、第3領域の幅、間隔、第4領域の幅を定義した場合、間隔は、第3領域の幅以下である、および/または、第4領域の幅以下であることが好ましい。さらに好ましくは、当該間隔は、第3領域の幅の1/2以下である、および/または、第4領域の幅の1/2以下である。 When the third region and the fourth region do not overlap, it is preferable that the distance between the third region and the fourth region is small. When the width and interval of the third region and the width of the fourth region are defined in the direction in which the third region and the fourth region are arranged, the interval is equal to or smaller than the width of the third region and / or The width is preferably equal to or smaller than the width of the region. More preferably, the interval is ½ or less of the width of the third region and / or ½ or less of the width of the fourth region.

または、導電体423と、導電体428と、は上面から見て、間隔を開けて位置してもよい。導電体423と導電体428とが並ぶ方向に対して、導電体423の幅、間隔、導電体428の幅を定義した場合、当該間隔は、導電体423の幅以下であり、および/または、導電体428の幅以下であることが好ましい。さらに好ましくは、当該間隔は、導電体423の幅の1/2以下である、および/または、導電体428の幅の1/2以下である。 Alternatively, the conductor 423 and the conductor 428 may be spaced apart from each other when viewed from above. When the width and interval of the conductor 423 and the width of the conductor 428 are defined with respect to the direction in which the conductor 423 and the conductor 428 are arranged, the interval is equal to or less than the width of the conductor 423 and / or The width is preferably equal to or less than the width of the conductor 428. More preferably, the interval is ½ or less of the width of the conductor 423 and / or ½ or less of the width of the conductor 428.

または、上面から見て、導電体423の端部と、導電体428の端部と、は重ならず、導電体423の端部と導電体428の端部との間隔は、導電体423の幅以下であり、および/または、導電体428の幅以下であることが好ましい。さらに好ましくは、当該間隔は、導電体423の幅の1/2以下である、および/または、導電体428の幅の1/2以下である。 Alternatively, when viewed from above, the end portion of the conductor 423 and the end portion of the conductor 428 do not overlap with each other, and the distance between the end portion of the conductor 423 and the end portion of the conductor 428 is different from that of the conductor 423. It is preferably less than the width and / or less than the width of the conductor 428. More preferably, the interval is ½ or less of the width of the conductor 423 and / or ½ or less of the width of the conductor 428.

または、第3領域と第4領域とは、一部重なってもよい。一部重なった領域は、小さいことが好ましい。当該領域は、好ましくは、第1領域の1/2以下の面積を有し、かつ、第2領域の1/2以下の面積を有し、さらに好ましくは、第1領域の1/4以下の面積を有し、かつ、第2領域の1/4以下の面積を有する。 Alternatively, the third region and the fourth region may partially overlap. The partially overlapped region is preferably small. The region preferably has an area of ½ or less of the first region, and has an area of ½ or less of the second region, and more preferably ¼ or less of the first region. It has an area and has an area of 1/4 or less of the second region.

または、導電体423と、導電体428と、は互いに重なる領域を有し、重なる領域の面積は、好ましくは、導電体423の面積の50%以下であり、かつ、導電体428の面積50%以下であり、さらに好ましくは、導電体423の面積の25%以下であり、かつ、導電体428の面積の25%以下である。 Alternatively, the conductor 423 and the conductor 428 have regions that overlap with each other, and the area of the overlapping region is preferably 50% or less of the area of the conductor 423 and 50% of the area of the conductor 428. Or less, more preferably 25% or less of the area of the conductor 423 and 25% or less of the area of the conductor 428.

または、上面から見て、導電体423の端部と、導電体428の端部と、は揃っていても良い。 Alternatively, the end portion of the conductor 423 and the end portion of the conductor 428 may be aligned when viewed from above.

このような構造とすることで、トランジスタ492は、ゲート電極を同じ層で構成したトランジスタより面積を小さくできる。その結果、メモリセルを縮小することができる場合がある。また、このような構造とすることで、トランジスタ492の導通状態を、2つのゲート電極によって独立に制御することができる。その結果、メモリセル500は、2つのフローティングノードの状態数の積で与えられる値の情報を記憶することができ、記憶密度を向上することができる。 With such a structure, the transistor 492 can have a smaller area than a transistor in which the gate electrode is formed of the same layer. As a result, the memory cell may be able to be reduced. Further, with such a structure, the conduction state of the transistor 492 can be independently controlled by the two gate electrodes. As a result, the memory cell 500 can store information on a value given by the product of the number of states of two floating nodes, and can improve the storage density.

トランジスタ491は、半導体407aと、半導体407a上の半導体407bと、半導体407aの側面、ならびに半導体407bの上面および側面と接する、導電体417aおよび導電体417bと、半導体407aの側面、半導体407bの上面および側面、導電体417aの上面および側面、ならびに導電体417bの上面および側面と接する半導体407cと、半導体407c上の絶縁体412と、絶縁体412上の導電体427と、を有する。 The transistor 491 includes a semiconductor 407a, a semiconductor 407b over the semiconductor 407a, a side surface of the semiconductor 407a, a conductor 417a and a conductor 417b in contact with the top surface and the side surface of the semiconductor 407b, a side surface of the semiconductor 407a, a top surface of the semiconductor 407b, The semiconductor device has a side surface, a top surface and a side surface of the conductor 417a, and a semiconductor 407c in contact with the top surface and the side surface of the conductor 417b, an insulator 412 over the semiconductor 407c, and a conductor 427 over the insulator 412.

導電体417aおよび導電体417bは、トランジスタ491のソース電極およびドレイン電極としての機能を有する。また、絶縁体412は、トランジスタ491のゲート絶縁体としての機能を有する。また、導電体427は、トランジスタ491のゲート電極としての機能を有する。 The conductors 417a and 417b function as a source electrode and a drain electrode of the transistor 491. The insulator 412 functions as a gate insulator of the transistor 491. The conductor 427 functions as a gate electrode of the transistor 491.

導電体417aおよび導電体417bの側面は、半導体407bの側面と接する。また、導電体427は、半導体407bのチャネル幅方向を電気的に取り囲んだ構造となっており、半導体407bを上面だけでなく側面も取り囲んだ構造となっている。つまり、s−channel構造となっている。 Side surfaces of the conductor 417a and the conductor 417b are in contact with side surfaces of the semiconductor 407b. In addition, the conductor 427 has a structure in which the channel width direction of the semiconductor 407b is electrically surrounded, and the semiconductor 407b has a structure in which not only the upper surface but also the side surface is surrounded. That is, it has an s-channel structure.

容量素子494は、導電体417aと、導電体417a上の半導体410cと、半導体410c上の絶縁体415と、絶縁体415上の導電体430と、を有する。 The capacitor 494 includes a conductor 417a, a semiconductor 410c over the conductor 417a, an insulator 415 over the semiconductor 410c, and a conductor 430 over the insulator 415.

導電体417aは、容量素子493の電極の一方としての機能を有する。また、絶縁体415は、容量素子494の誘電体としての機能を有する。また、導電体430は、容量素子494の電極の他方としての機能を有する。 The conductor 417a functions as one of the electrodes of the capacitor 493. The insulator 415 functions as a dielectric of the capacitor 494. The conductor 430 functions as the other electrode of the capacitor 494.

このように、トランジスタ490として、半導体406a、406b、406cを用いたトランジスタを適用することにより以下に述べるような優れた特性を得ることができる。具体的には、優れたサブスレッショルド特性や極めて小さいオフ電流が得られる。また、微細なトランジスタとすることで面積を縮小したメモリセルが得られる。なお、以下の説明は、トランジスタ490だけでなく、トランジスタ491および/またはトランジスタ492に対しても適用される。また、半導体407aだけでなく、半導体408aおよび/または半導体409aに対しても適用される。また、半導体407bだけでなく、半導体408bおよび/または半導体409bに対しても適用される。また、半導体407cだけでなく、半導体408cおよび/または半導体409cに対しても適用される。 In this manner, by using a transistor including the semiconductors 406a, 406b, and 406c as the transistor 490, excellent characteristics as described below can be obtained. Specifically, excellent subthreshold characteristics and extremely small off-current can be obtained. In addition, a memory cell with a reduced area can be obtained by using a fine transistor. Note that the following description applies not only to the transistor 490 but also to the transistor 491 and / or the transistor 492. Further, the present invention is applied not only to the semiconductor 407a but also to the semiconductor 408a and / or the semiconductor 409a. Further, the present invention is applied not only to the semiconductor 407b but also to the semiconductor 408b and / or the semiconductor 409b. Further, the present invention is applied not only to the semiconductor 407c but also to the semiconductor 408c and / or the semiconductor 409c.

トランジスタ490が電子を多数キャリアとする蓄積型である場合、半導体406bのソース電極およびドレイン電極と接する領域からチャネル形成領域へ延びる電界が短距離で遮蔽されるため、短チャネルでもゲート電界によるキャリアの制御を行いやすい。 In the case where the transistor 490 is an accumulation type in which electrons are a majority carrier, an electric field extending from a region in contact with the source electrode and the drain electrode of the semiconductor 406b to a channel formation region is shielded at a short distance; Easy to control.

また、絶縁表面上にトランジスタを形成することで、半導体基板をそのままチャネル形成領域として用いる場合と異なり、ゲート電極とボディもしくは半導体基板との間で寄生容量が形成されないため、ゲート電界によるキャリアの制御が容易になる。 In addition, by forming a transistor on an insulating surface, unlike the case where a semiconductor substrate is used as a channel formation region as it is, no parasitic capacitance is formed between the gate electrode and the body or the semiconductor substrate. Becomes easier.

トランジスタの構造をs−channel構造とすることで、半導体406bの側面に対してゲート電界によるチャネル形成領域の制御がしやすくなる。導電体426が半導体406bの下方まで伸びている構造では、さらに制御性が優れる。その結果、トランジスタ490のサブスレッショルドスイング値(S値ともいう。)を小さくすることができ、トランジスタ490のオフ状態の電流を小さくすることができる。 When the transistor has an s-channel structure, the channel formation region can be easily controlled by the gate electric field with respect to the side surface of the semiconductor 406b. In the structure in which the conductor 426 extends below the semiconductor 406b, the controllability is further improved. As a result, the subthreshold swing value (also referred to as an S value) of the transistor 490 can be reduced, and the off-state current of the transistor 490 can be reduced.

トランジスタの構造をs−channel構造とすることで、微細なトランジスタにおいても良好な電気特性が得られる。トランジスタの微細化により、該トランジスタを有する半導体装置は、集積度の高い、高密度化された半導体装置とすることが可能となる。例えば、トランジスタ490は、チャネル長が好ましくは40nm以下、さらに好ましくは30nm以下、より好ましくは20nm以下の領域を有し、かつ、トランジスタ490は、チャネル幅が好ましくは40nm以下、さらに好ましくは30nm以下、より好ましくは20nm以下の領域を有する。 By using a s-channel structure as the transistor structure, good electrical characteristics can be obtained even in a fine transistor. By miniaturization of a transistor, a semiconductor device including the transistor can be a highly integrated semiconductor device with high integration. For example, the transistor 490 has a channel length of preferably 40 nm or less, more preferably 30 nm or less, more preferably 20 nm or less, and the transistor 490 preferably has a channel width of 40 nm or less, more preferably 30 nm or less. More preferably, it has a region of 20 nm or less.

トランジスタの構造をs−channel構造とすることで、半導体406bの全体(バルク)にチャネルが形成される場合がある。従って、半導体406bが厚いほどチャネル形成領域は大きくなる。例えば、20nm以上、好ましくは40nm以上、さらに好ましくは60nm以上、より好ましくは100nm以上の厚さの領域を有する半導体406bとすればよい。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、例えば、300nm以下、好ましくは200nm以下、さらに好ましくは150nm以下の厚さの領域を有する半導体406bとすればよい。このような構造とすることで、s−channel構造では、トランジスタのソース−ドレイン間に大電流を流すことができ、導通時の電流(オン電流)を高くすることができる。 When the transistor has an s-channel structure, a channel may be formed in the entire semiconductor 406b (bulk). Therefore, the thicker the semiconductor 406b, the larger the channel formation region. For example, the semiconductor 406b may have a thickness of 20 nm or more, preferably 40 nm or more, more preferably 60 nm or more, and more preferably 100 nm or more. However, since the productivity of the semiconductor device may be reduced, the semiconductor 406b having a region with a thickness of 300 nm or less, preferably 200 nm or less, and more preferably 150 nm or less may be used. With such a structure, in the s-channel structure, a large current can flow between the source and the drain of the transistor, and a current (on-state current) during conduction can be increased.

上述したトランジスタは、短チャネル効果に対する耐性が高いために、シリコン等を用いた従来のトランジスタよりもゲート絶縁体を厚くすることが可能となる。例えばチャネル長及びチャネル幅が50nm以下の微細なトランジスタにおいても、5nm以上、好ましくは7nm以上、より好ましくは10nm以上の厚いゲート絶縁体を用いてもよい。ゲート絶縁体を厚くすることにより、ゲート絶縁体を介したリーク電流を低減できる場合がある。その結果、メモリセルにおける保持特性が向上する。また、ゲート絶縁体を厚くすることにより、ゲート絶縁体の耐圧を高めることができ、より高いゲート電圧でトランジスタを駆動することができる。よって、フローティングノードにより高い電圧を保持することが可能となり、より多くの状態を保持することが可能となり、記憶密度を高めることができる。 Since the transistor described above has high resistance to the short channel effect, the gate insulator can be made thicker than a conventional transistor using silicon or the like. For example, even in a fine transistor with a channel length and a channel width of 50 nm or less, a thick gate insulator of 5 nm or more, preferably 7 nm or more, more preferably 10 nm or more may be used. Increasing the thickness of the gate insulator may reduce the leakage current through the gate insulator. As a result, the retention characteristics in the memory cell are improved. In addition, by increasing the thickness of the gate insulator, the breakdown voltage of the gate insulator can be increased, and the transistor can be driven with a higher gate voltage. Therefore, a higher voltage can be held in the floating node, more states can be held, and the storage density can be increased.

また、導電体416a(および/または、導電体416b)の、少なくとも一部(または全部)は、半導体406bなどの半導体層の、表面、側面、上面、および/または、下面の少なくとも一部(または全部)と、接触している。当該接触している半導体406bでは、酸素欠損のサイトに水素が入り込むことでドナー準位を形成することがあり、nチャネル型導電領域を有する。なお、酸素欠損のサイトに水素が入り込んだ状態をVHと表記する場合がある。その結果、nチャネル型導電領域を電流が流れることで、良好なオン電流を得ることができる。 In addition, at least a part (or all) of the conductor 416a (and / or the conductor 416b) is at least a part (or a part) of a surface, a side surface, an upper surface, and / or a lower surface of a semiconductor layer such as the semiconductor 406b. All). The semiconductor 406b in contact with the semiconductor 406b may form a donor level when hydrogen enters an oxygen-deficient site and has an n-channel conductive region. Incidentally, there may be referred to a state that has entered the hydrogen site of the oxygen deficiency and V O H. As a result, a good on-current can be obtained by the current flowing through the n-channel conductive region.

また、酸化物半導体として、後述するCAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)を用いることが好ましい。CAAC−OSは、c軸配向した複数の結晶部を有する酸化物半導体の一つである。特に、後述する、CAAC比率を高めることが好ましい。CAAC比率は、一定の範囲におけるCAAC−OSの回折パターンが観測される領域の割合である。CAAC比率を高めることにより、例えば、欠陥をより少なくすることができる。また、例えばキャリアの散乱を小さくすることができる。また、不純物の少ないCAAC−OSを実現することができ、例えば極めて低いオフ電流特性を実現することができる。例えば、良質なCAAC−OSであれば、CAAC比率は、50%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは90%以上、さらに好ましくは95%以上100%以下である。 As the oxide semiconductor, a CAAC-OS (C Axis Crystalline Oxide Semiconductor) described later is preferably used. The CAAC-OS is one of oxide semiconductors having a plurality of c-axis aligned crystal parts. In particular, it is preferable to increase the CAAC ratio described later. The CAAC ratio is a ratio of a region where a CAAC-OS diffraction pattern is observed in a certain range. By increasing the CAAC ratio, for example, defects can be reduced. Further, for example, carrier scattering can be reduced. In addition, a CAAC-OS with few impurities can be realized; for example, extremely low off-state current characteristics can be realized. For example, in the case of a high-quality CAAC-OS, the CAAC ratio is 50% or more, preferably 80% or more, more preferably 90% or more, and further preferably 95% or more and 100% or less.

また、半導体406b中の不純物濃度を低減し、酸化物半導体を真性または実質的に真性にすることが有効である。ここで、実質的に真性とは、酸化物半導体のキャリア密度が、1×1017/cm未満であること、好ましくは1×1015/cm未満であること、さらに好ましくは1×1013/cm未満であることを指す。酸化物半導体において、水素、窒素、炭素、シリコン、および主成分以外の金属元素は不純物となる。例えば、水素および窒素はドナー準位の形成に寄与し、キャリア密度を増大させてしまう。 In addition, it is effective to reduce the impurity concentration in the semiconductor 406b so that the oxide semiconductor is intrinsic or substantially intrinsic. Here, substantially intrinsic means that the carrier density of the oxide semiconductor is less than 1 × 10 17 / cm 3 , preferably less than 1 × 10 15 / cm 3 , and more preferably 1 × 10 10. It indicates less than 13 / cm 3 . In an oxide semiconductor, hydrogen, nitrogen, carbon, silicon, and metal elements other than main components are impurities. For example, hydrogen and nitrogen contribute to the formation of donor levels and increase the carrier density.

実質的に真性な酸化物半導体を用いたトランジスタは、キャリア密度が低いため、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性になることが少ない。また、当該酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体のキャリアトラップが少ないため、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。また、当該酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流を非常に低くすることが可能となる。 A transistor including a substantially intrinsic oxide semiconductor has low carrier density, and thus has less electrical characteristics with a negative threshold voltage. In addition, a transistor including the oxide semiconductor has few carrier traps in the oxide semiconductor, and thus has a small change in electrical characteristics and has high reliability. In addition, a transistor including the oxide semiconductor can have extremely low off-state current.

例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタがオフ状態のときのドレイン電流を、室温(25℃程度)にて1×10−18A以下、好ましくは1×10−21A以下、さらに好ましくは1×10−24A以下、または85℃にて1×10−15A以下、好ましくは1×10−18A以下、さらに好ましくは1×10−21A以下とすることができる。なお、トランジスタがオフ状態とは、nチャネル型のトランジスタの場合、ゲート電圧がしきい値電圧よりも小さい状態をいう。具体的には、ゲート電圧がしきい値電圧よりも1V以上、2V以上または3V以上小さければ、トランジスタはオフ状態となる。 For example, the drain current when the transistor including an oxide semiconductor is off is 1 × 10 −18 A or less, preferably 1 × 10 −21 A or less, more preferably 1 × at room temperature (about 25 ° C.). It can be 10 −24 A or less, or 1 × 10 −15 A or less, preferably 1 × 10 −18 A or less, more preferably 1 × 10 −21 A or less at 85 ° C. Note that an off state of a transistor means a state where a gate voltage is lower than a threshold voltage in the case of an n-channel transistor. Specifically, when the gate voltage is 1 V or higher, 2 V or higher, or 3 V or lower than the threshold voltage, the transistor is turned off.

なお、上述の3層構造は一例である。例えば、半導体406aまたは半導体406cのない2層構造としても構わない。または、半導体406aの上もしくは下、または半導体406c上もしくは下に、半導体406a、半導体406および半導体406cとして例示した半導体のいずれか一を有する4層構造としても構わない。または、半導体406aの上、半導体406aの下、半導体406cの上、半導体406cの下のいずれか二箇所以上に、半導体406a、半導体406および半導体406cとして例示した半導体のいずれか一を有するn層構造(nは5以上の整数)としても構わない。 The above three-layer structure is an example. For example, a two-layer structure without the semiconductor 406a or the semiconductor 406c may be used. Alternatively, a four-layer structure including any one of the semiconductors exemplified as the semiconductor 406a, the semiconductor 406, and the semiconductor 406c above or below the semiconductor 406a or above or below the semiconductor 406c may be employed. Alternatively, an n-layer structure including any one of the semiconductors exemplified as the semiconductor 406a, the semiconductor 406, and the semiconductor 406c in any two or more positions over the semiconductor 406a, under the semiconductor 406a, over the semiconductor 406c, and under the semiconductor 406c. (N is an integer of 5 or more).

さらに、図3に示すメモリセル500の断面図を用いて、デバイス間の積層構造について説明する。 Further, a stacked structure between devices will be described with reference to a cross-sectional view of the memory cell 500 illustrated in FIG.

図3に示すメモリセル500は、基板400と、基板400上の絶縁体442と、絶縁体442上の絶縁体432と、絶縁体432上のトランジスタ490および容量素子493と、トランジスタ490および容量素子493上の絶縁体452と、絶縁体452上の絶縁体462と、絶縁体462上の絶縁体444と、絶縁体444上の絶縁体434と、絶縁体434上のトランジスタ492と、トランジスタ492上の絶縁体454と、絶縁体454上の絶縁体464と、絶縁体464上の絶縁体446と、絶縁体446上の絶縁体436と、絶縁体436上のトランジスタ491および容量素子494と、トランジスタ491および容量素子494上の絶縁体456と、絶縁体456上の絶縁体466と、絶縁体466上の導電体480と、を有する。絶縁体には適宜開口部が設けられ、当該開口部に導電体(ビアとも呼ぶ)設けられている。複数の導電体は、当該導電体を介して、適宜接続されている。導電体480上には、さらに1つもしくは複数層の絶縁体および導電体が設けられていても良い。 A memory cell 500 illustrated in FIG. 3 includes a substrate 400, an insulator 442 over the substrate 400, an insulator 432 over the insulator 442, a transistor 490 and a capacitor 493 over the insulator 432, and a transistor 490 and a capacitor. An insulator 452 over 493, an insulator 462 over the insulator 452, an insulator 444 over the insulator 462, an insulator 434 over the insulator 444, a transistor 492 over the insulator 434, and a transistor 492 over The insulator 454, the insulator 464 on the insulator 454, the insulator 446 on the insulator 464, the insulator 436 on the insulator 446, the transistor 491 and the capacitor 494 on the insulator 436, and the transistor 491 and the capacitor 494, an insulator 456, an insulator 466 on the insulator 456, and a conductor 480 on the insulator 466 It has a. The insulator is appropriately provided with an opening, and a conductor (also referred to as a via) is provided in the opening. The plurality of conductors are appropriately connected through the conductors. One or more layers of insulators and conductors may be further provided over the conductor 480.

導電体480は、ビット線BLとして機能する領域を有する。導電体430は、容量素子494の電極としての機能と、読み出しワード線RW1としての機能とを有する。導電体427は、トランジスタ491のゲート電極としての機能と、書き込みワード線WW1としての機能を有する。導電体429は、容量素子493の電極としての機能と、読み出しワード線RW2としての機能を有する。導電体426は、トランジスタ490のゲート電極としての機能と、書き込みワード線WW2としての機能を有する。なお、導電体418aは、ソース線SL(図示せず)に接続される。 The conductor 480 has a region functioning as the bit line BL. The conductor 430 has a function as an electrode of the capacitor 494 and a function as a read word line RW1. The conductor 427 has a function as a gate electrode of the transistor 491 and a function as a write word line WW1. The conductor 429 has a function as an electrode of the capacitor 493 and a function as a read word line RW2. The conductor 426 has a function as a gate electrode of the transistor 490 and a function as a write word line WW2. Note that the conductor 418a is connected to a source line SL (not shown).

トランジスタ491のソース電極またはドレイン電極の一方と容量素子494の一方の電極とは同じ導電体(導電体417a)が用いられている。そして、トランジスタ492の第1ゲート電極(導電体428)と電気的に接続されている。トランジスタ490のソース電極またはドレイン電極の一方と容量素子493の一方の電極とは同じ導電体(導電体416a)が用いられている。そして、トランジスタ492の第2ゲート電極(導電体423)と電気的に接続されている。 The same conductor (conductor 417a) is used for one of a source electrode or a drain electrode of the transistor 491 and one electrode of the capacitor 494. The transistor 492 is electrically connected to the first gate electrode (conductor 428). The same conductor (conductor 416a) is used for one of a source electrode or a drain electrode of the transistor 490 and one electrode of the capacitor 493. The transistor 492 is electrically connected to the second gate electrode (conductor 423).

ビット線(導電体480)と、トランジスタ491のソース電極またはドレイン電極の他方(導電体417b)と、トランジスタ492のソース電極またはドレイン電極の他方(導電体418b)と、トランジスタ490のソース電極またはドレイン電極の他方(導電体416b)と、は電気的に接続されている。 The bit line (conductor 480), the other of the source and drain electrodes of the transistor 491 (conductor 417b), the other of the source and drain electrodes of the transistor 492 (conductor 418b), and the source or drain of the transistor 490 The other electrode (conductor 416b) is electrically connected.

トランジスタ492は、トランジスタ490上に積層され、トランジスタ491は、トランジスタ492上に積層される。 The transistor 492 is stacked over the transistor 490, and the transistor 491 is stacked over the transistor 492.

トランジスタ491のチャネル形成領域と、トランジスタ490のチャネル形成領域と、は重なる。 The channel formation region of the transistor 491 and the channel formation region of the transistor 490 overlap.

つまり、トランジスタ490乃至トランジスタ492を積層し、トランジスタ490を、トランジスタ492のチャネル形成領域から見て、第2ゲート電極(導電体423)と同じ側に配置し、かつ、トランジスタ491を、トランジスタ492のチャネル形成領域から見て、第1ゲート電極(導電体428)と同じ側に配置することで、メモリセル500を縮小することができる。また、トランジスタ490とトランジスタ491とを互いに重ねて配置することで、メモリセル500を縮小することができる。また、トランジスタ490のチャネル形成領域とトランジスタ491のチャネル形成領域とを互いに重ねて配置することで、メモリセル500を縮小することができる。また、トランジスタ490とトランジスタ492とを互いに重ねて配置することで、メモリセル500を縮小することができる。また、トランジスタ491とトランジスタ492とを互いに重ねて配置することで、メモリセル500を縮小することができる。 That is, the transistors 490 to 492 are stacked, the transistor 490 is disposed on the same side as the second gate electrode (conductor 423) when viewed from the channel formation region of the transistor 492, and the transistor 491 is connected to the transistor 492. By disposing on the same side as the first gate electrode (conductor 428) as viewed from the channel formation region, the memory cell 500 can be reduced. Further, the memory cell 500 can be reduced by arranging the transistor 490 and the transistor 491 so as to overlap each other. Further, the memory cell 500 can be reduced by arranging the channel formation region of the transistor 490 and the channel formation region of the transistor 491 so as to overlap each other. Further, the memory cell 500 can be reduced by arranging the transistor 490 and the transistor 492 so as to overlap each other. Further, the memory cell 500 can be reduced by arranging the transistor 491 and the transistor 492 so as to overlap each other.

絶縁体432は過剰酸素を含む絶縁体であると好ましい。 The insulator 432 is preferably an insulator containing excess oxygen.

例えば、過剰酸素を含む絶縁体は、加熱処理によって酸素を放出する機能を有する絶縁体である。例えば、過剰酸素を含む酸化シリコンは、加熱処理などによって酸素を放出することができる酸化シリコンである。従って、絶縁体432は膜中を酸素が移動可能な絶縁体である。即ち、絶縁体432は酸素透過性を有する絶縁体とすればよい。例えば、絶縁体432は、当該絶縁体上の半導体よりも酸素透過性の高い絶縁体とすればよい。 For example, an insulator containing excess oxygen is an insulator having a function of releasing oxygen by heat treatment. For example, silicon oxide containing excess oxygen is silicon oxide that can release oxygen by heat treatment or the like. Therefore, the insulator 432 is an insulator capable of moving oxygen through the film. That is, the insulator 432 may be an insulator having oxygen permeability. For example, the insulator 432 may be an insulator having higher oxygen permeability than a semiconductor over the insulator.

過剰酸素を含む絶縁体は、当該絶縁体上の半導体中の酸素欠損を低減させる機能を有する場合がある。半導体中で酸素欠損は、DOSを形成し、正孔トラップなどとなる。また、酸素欠損のサイトに水素が入ることによって、キャリアである電子を生成することがある。従って、半導体中の酸素欠損を低減することで、トランジスタに安定した電気特性を付与することができる。 An insulator containing excess oxygen may have a function of reducing oxygen vacancies in a semiconductor over the insulator. Oxygen deficiency in a semiconductor forms DOS and becomes a hole trap or the like. Further, when hydrogen enters an oxygen deficient site, electrons as carriers may be generated. Therefore, stable electrical characteristics can be imparted to the transistor by reducing oxygen vacancies in the semiconductor.

絶縁体442は、基板400とトランジスタ490の間に設けられる。絶縁体442としては、例えば、アルミニウムを含む酸化物、例えば酸化アルミニウムを用いる。絶縁体442は、酸素および水素をブロックする絶縁体であるが、密度が3.2g/cm未満の酸化アルミニウムは、特に水素をブロックする機能が高いため好ましい。または、結晶性の低い酸化アルミニウムは、特に水素をブロックする機能が高いため好ましい。 The insulator 442 is provided between the substrate 400 and the transistor 490. As the insulator 442, for example, an oxide containing aluminum, for example, aluminum oxide is used. The insulator 442 is an insulator that blocks oxygen and hydrogen. Aluminum oxide having a density of less than 3.2 g / cm 3 is particularly preferable because it has a high function of blocking hydrogen. Alternatively, aluminum oxide with low crystallinity is preferable because it has a particularly high function of blocking hydrogen.

例えば、基板400が、Siトランジスタを有する素子基板である場合、水素を外部から供給することでシリコンのダングリングボンドを低減させることができるため、トランジスタの電気特性が向上する場合がある。水素の供給は、例えば、水素を含む絶縁体をSiトランジスタの近傍に配置し、加熱処理を行うことで、該水素を拡散させて、Siトランジスタに供給しても構わない。 For example, in the case where the substrate 400 is an element substrate including a Si transistor, dangling bonds of silicon can be reduced by supplying hydrogen from the outside, so that the electrical characteristics of the transistor may be improved. The hydrogen may be supplied, for example, by disposing an insulator containing hydrogen in the vicinity of the Si transistor and performing heat treatment so that the hydrogen is diffused and supplied to the Si transistor.

水素を含む絶縁体は、例えば、TDS分析にて、100℃以上700℃以下または100℃以上500℃以下の表面温度の範囲で1×1018atoms/cm以上、1×1019atoms/cm以上または1×1020atoms/cm以上の水素(水素原子数換算)を放出することもある。 The insulator containing hydrogen is, for example, 1 × 10 18 atoms / cm 3 or more and 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more in a surface temperature range of 100 ° C. to 700 ° C. 3 ( or more) or 1 × 10 20 atoms / cm 3 or more of hydrogen (in terms of the number of hydrogen atoms) may be released.

ところで、水素を含む絶縁体から拡散した水素は、絶縁体442が水素をブロックする機能を有するため、トランジスタ490まで到達する水素は僅かとなる。水素は、酸化物半導体中でキャリアトラップやキャリア発生源となりトランジスタ490の電気特性を劣化させることがある。そのため、絶縁体442によって水素をブロックすることは半導体装置の性能および信頼性を高めるために重要な意味を持つ。 By the way, the hydrogen diffused from the insulator containing hydrogen has a function of blocking the hydrogen by the insulator 442, so that the amount of hydrogen reaching the transistor 490 is small. Hydrogen can serve as a carrier trap or a carrier generation source in the oxide semiconductor and can degrade the electrical characteristics of the transistor 490. Therefore, blocking hydrogen with the insulator 442 is important for improving the performance and reliability of the semiconductor device.

一方、例えば、トランジスタ490に外部から酸素を供給することで、酸化物半導体の酸素欠損を低減させることができるため、トランジスタの電気特性が向上する場合がある。酸素の供給は、例えば、酸素を含む雰囲気下における加熱処理によって行えばよい。または、例えば、過剰酸素(酸素)を含む絶縁体をトランジスタ490の近傍に配置し、加熱処理を行うことで、該酸素を拡散させて、トランジスタ490に供給しても構わない。ここでは、絶縁体432に過剰酸素を含む絶縁体を用いる。 On the other hand, for example, when oxygen is supplied to the transistor 490 from the outside, oxygen vacancies in the oxide semiconductor can be reduced, so that electrical characteristics of the transistor may be improved. For example, the supply of oxygen may be performed by heat treatment in an atmosphere containing oxygen. Alternatively, for example, an insulator containing excess oxygen (oxygen) may be provided in the vicinity of the transistor 490 and subjected to heat treatment so that the oxygen is diffused and supplied to the transistor 490. Here, an insulator containing excess oxygen is used for the insulator 432.

拡散した酸素は、各層を介してSiトランジスタまで到達する場合があるが、絶縁体442が酸素をブロックする機能を有するため、Siトランジスタまで到達する酸素は僅かとなる。シリコン中に酸素が混入することでシリコンの結晶性を低下させることや、キャリアの移動を阻害させる要因となることがある。そのため、絶縁体442によって酸素をブロックすることは半導体装置の性能および信頼性を高めるために重要な意味を持つ。 The diffused oxygen may reach the Si transistor through each layer. However, since the insulator 442 has a function of blocking oxygen, only a small amount of oxygen reaches the Si transistor. When oxygen is mixed into silicon, the crystallinity of silicon may be lowered, or carrier movement may be hindered. Therefore, blocking oxygen with the insulator 442 is important for improving the performance and reliability of the semiconductor device.

トランジスタ490上に絶縁体452を有すると好ましい。絶縁体452は、酸素および水素をブロックする機能を有する。絶縁体452は、例えば、絶縁体442についての記載を参照する。または、絶縁体452は、例えば、半導体406aおよび/または半導体406cよりも、酸素および水素をブロックする機能が高い。 An insulator 452 is preferably provided over the transistor 490. The insulator 452 has a function of blocking oxygen and hydrogen. For the insulator 452, the description of the insulator 442 is referred to, for example. Alternatively, the insulator 452 has a higher function of blocking oxygen and hydrogen than the semiconductor 406a and / or the semiconductor 406c, for example.

半導体装置が絶縁体452を有することで、酸素がトランジスタ490から外方拡散することを抑制できる。従って、絶縁体432などに含まれる過剰酸素(酸素)の量に対して、トランジスタ490へ効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体452は、絶縁体452よりも上に設けられた層や半導体装置の外部から混入する水素を含む不純物をブロックするため、不純物の混入によってトランジスタ490の電気特性が劣化することを抑制できる。 When the semiconductor device includes the insulator 452, outward diffusion of oxygen from the transistor 490 can be suppressed. Accordingly, oxygen can be effectively supplied to the transistor 490 with respect to the amount of excess oxygen (oxygen) contained in the insulator 432 or the like. The insulator 452 blocks impurities including hydrogen mixed from the outside of the semiconductor device or a layer provided above the insulator 452, so that deterioration of the electrical characteristics of the transistor 490 due to the entry of impurities is suppressed. it can.

なお、便宜上、絶縁体442および/または絶縁体452をトランジスタ490と区別して説明したが、トランジスタ490の一部であっても構わない。 Note that for convenience, the insulator 442 and / or the insulator 452 are described separately from the transistor 490; however, they may be part of the transistor 490.

絶縁体434、436は、過剰酸素を含む絶縁体であると好ましい。例えば、絶縁体432についての記載を参照することができる。 The insulators 434 and 436 are preferably insulators containing excess oxygen. For example, the description of the insulator 432 can be referred to.

また、絶縁体444、446は、酸素および水素をブロックする絶縁体であると好ましい。例えば、絶縁体442についての記載を参照することができる。 The insulators 444 and 446 are preferably insulators that block oxygen and hydrogen. For example, the description of the insulator 442 can be referred to.

また、絶縁体454、456は、酸素および水素をブロックする絶縁体であると好ましい。例えば、絶縁体452についての記載を参照することができる。 The insulators 454 and 456 are preferably insulators that block oxygen and hydrogen. For example, the description of the insulator 452 can be referred to.

なお、本実施の形態において、トランジスタ490、491または492は、一例として、チャネル形成領域などにおいて、酸化物半導体を用いることができるが、本発明の実施形態の一態様は、これに限定されない。例えば、トランジスタ490は、チャネル形成領域やその近傍、ソース領域、ドレイン領域などにおいて、場合によっては、または、状況に応じて、Si(シリコン)、Ge(ゲルマニウム)、SiGe(シリコンゲルマニウム)、GaAs(ガリウムヒ素)、などを有する材料で形成してもよい。 Note that in this embodiment, the transistor 490, 491, or 492 can be formed using an oxide semiconductor in a channel formation region or the like as an example; however, one embodiment of the present invention is not limited thereto. For example, the transistor 490 includes Si (silicon), Ge (germanium), SiGe (silicon germanium), and GaAs (in the channel formation region, the vicinity thereof, the source region, the drain region, and the like depending on circumstances or circumstances. (Gallium arsenide) or the like.

例えば、本明細書等において、様々な基板を用いて、トランジスタ490、491または492などのトランジスタを形成することが出来る。基板の種類は、特定のものに限定されることはない。その基板の一例としては、半導体基板(例えば単結晶基板又はシリコン基板)、SOI基板、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板、金属基板、ステンレス・スチル基板、ステンレス・スチル・ホイルを有する基板、タングステン基板、タングステン・ホイルを有する基板、可撓性基板、貼り合わせフィルム、繊維状の材料を含む紙、又は基材フィルムなどがある。ガラス基板の一例としては、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、又はソーダライムガラスなどがある。可撓性基板、貼り合わせフィルム、基材フィルムなどの一例としては、以下のものがあげられる。例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエーテルサルフォン(PES)に代表されるプラスチックがある。または、一例としては、アクリル等の合成樹脂などがある。または、一例としては、ポリプロピレン、ポリエステル、ビニル、ポリフッ化ビニル、又は塩化ビニルなどがある。または、一例としては、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、アラミド、エポキシ、無機蒸着フィルム、又は紙類などがある。特に、半導体基板、単結晶基板、又はSOI基板などを用いてトランジスタを製造することによって、特性、サイズ、又は形状などのばらつきが少なく、電流能力が高く、サイズの小さいトランジスタを製造することができる。このようなトランジスタによって回路を構成すると、回路の低消費電力化、又は回路の高集積化を図ることができる。 For example, in this specification and the like, a transistor such as the transistor 490, 491, or 492 can be formed using various substrates. The kind of board | substrate is not limited to a specific thing. Examples of the substrate include a semiconductor substrate (for example, a single crystal substrate or a silicon substrate), an SOI substrate, a glass substrate, a quartz substrate, a plastic substrate, a metal substrate, a stainless steel substrate, a substrate having stainless steel foil, and a tungsten substrate. , A substrate having a tungsten foil, a flexible substrate, a laminated film, a paper containing a fibrous material, or a base film. Examples of the glass substrate include barium borosilicate glass, aluminoborosilicate glass, and soda lime glass. Examples of the flexible substrate, the laminated film, and the base film include the following. For example, there are plastics represented by polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), and polyethersulfone (PES). Another example is a synthetic resin such as acrylic. Alternatively, examples include polypropylene, polyester, vinyl, polyvinyl fluoride, or vinyl chloride. Alternatively, examples include polyester, polyamide, polyimide, aramid, epoxy, inorganic vapor deposition film, and paper. In particular, by manufacturing a transistor using a semiconductor substrate, a single crystal substrate, an SOI substrate, or the like, a transistor with small variation in characteristics, size, or shape, high current capability, and small size can be manufactured. . When a circuit is formed using such transistors, the power consumption of the circuit can be reduced or the circuit can be highly integrated.

また、基板として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、トランジスタを形成してもよい。または、基板とトランジスタの間に剥離層を設けてもよい。剥離層は、その上に半導体装置を一部あるいは全部完成させた後、基板より分離し、他の基板に転載するために用いることができる。その際、トランジスタは耐熱性の劣る基板や可撓性の基板にも転載できる。なお、上述の剥離層には、例えば、タングステン膜と酸化シリコン膜との無機膜の積層構造の構成や、基板上にポリイミド等の有機樹脂膜が形成された構成等を用いることができる。 Alternatively, a flexible substrate may be used as the substrate, and the transistor may be formed directly over the flexible substrate. Alternatively, a separation layer may be provided between the substrate and the transistor. The separation layer can be used to separate a semiconductor device from another substrate and transfer it to another substrate after a semiconductor device is partially or entirely completed thereon. At that time, the transistor can be transferred to a substrate having poor heat resistance or a flexible substrate. Note that, for example, a structure of a laminated structure of an inorganic film of a tungsten film and a silicon oxide film or a structure in which an organic resin film such as polyimide is formed over a substrate can be used for the above-described release layer.

つまり、ある基板を用いてトランジスタを形成し、その後、別の基板にトランジスタを転置し、別の基板上にトランジスタを配置してもよい。トランジスタが転置される基板の一例としては、上述したトランジスタを形成することが可能な基板に加え、紙基板、セロファン基板、アラミドフィルム基板、ポリイミドフィルム基板、石材基板、木材基板、布基板(天然繊維(絹、綿、麻)、合成繊維(ナイロン、ポリウレタン、ポリエステル)若しくは再生繊維(アセテート、キュプラ、レーヨン、再生ポリエステル)などを含む)、皮革基板、又はゴム基板などがある。これらの基板を用いることにより、特性のよいトランジスタの形成、消費電力の小さいトランジスタの形成、壊れにくい装置の製造、耐熱性の付与、軽量化、又は薄型化を図ることができる。 That is, a transistor may be formed using a certain substrate, and then the transistor may be transferred to another substrate, and the transistor may be disposed on another substrate. Examples of a substrate to which a transistor is transferred include a paper substrate, a cellophane substrate, an aramid film substrate, a polyimide film substrate, a stone substrate, a wood substrate, a cloth substrate (natural fiber) in addition to the above-described substrate capable of forming a transistor. (Silk, cotton, hemp), synthetic fibers (including nylon, polyurethane, polyester) or recycled fibers (including acetate, cupra, rayon, recycled polyester), leather substrates, rubber substrates, and the like. By using these substrates, it is possible to form a transistor with good characteristics, a transistor with low power consumption, manufacture a device that is not easily broken, impart heat resistance, reduce weight, or reduce thickness.

次いで、図1に示すメモリセル500の動作を、図4乃至図8を用いて説明する。 Next, the operation of the memory cell 500 illustrated in FIG. 1 will be described with reference to FIGS.

以下では、トランジスタ490、トランジスタ491、及びトランジスタ492はnチャネル型トランジスタである場合について説明する。トランジスタ490はpチャネル型トランジスタであっても構わない。また、トランジスタ491はpチャネル型トランジスタであっても構わない。また、トランジスタ492はpチャネル型トランジスタであっても構わない。 Hereinafter, the case where the transistor 490, the transistor 491, and the transistor 492 are n-channel transistors is described. The transistor 490 may be a p-channel transistor. The transistor 491 may be a p-channel transistor. The transistor 492 may be a p-channel transistor.

図4および図5は、メモリセル500の動作において用いられる各種電圧を説明する図である。ここでは、FN1にk1種類の状態(k1は2以上の整数)、FN2にk2種類の状態(k2は2以上の整数)を記憶させる場合を想定し、説明する。図4は、フローティングノードFN1に着目した図であり、図4(A)、(B)、(C)はそれぞれ、フローティングノードFN1、書き込みワード線WW1、読み出しワード線RW1の電位を示す。同様に、図5は、フローティングノードFN2に着目した図であり、図5(A)、(B)、(C)はそれぞれ、フローティングノードFN2、書き込みワード線WW2、読み出しワード線RW2の電位を示す。 4 and 5 are diagrams illustrating various voltages used in the operation of the memory cell 500. FIG. Here, it is assumed that k1 types of states (k1 is an integer of 2 or more) are stored in FN1, and k2 types of states (k2 is an integer of 2 or more) are stored in FN2. FIG. 4 is a diagram focusing on the floating node FN1, and FIGS. 4A, 4B, and 4C show the potentials of the floating node FN1, the write word line WW1, and the read word line RW1, respectively. Similarly, FIG. 5 is a diagram focusing on the floating node FN2, and FIGS. 5A, 5B, and 5C show the potentials of the floating node FN2, the write word line WW2, and the read word line RW2, respectively. .

ここで、トランジスタ492の機能を改めて確認しておく。トランジスタ492において、第1ゲート電極と第2ゲート電極は、チャネル形成領域を挟んで上下に、かつ、ずらして配置される。第1ゲート電極の電位は、フローティングノードFN1の電位であり、第2ゲート電極の電位は、フローティングノードFN2の電位である。よって、トランジスタ492は、フローティングノードFN1の電位およびフローティングノードFN2の電位に従って、導通もしくは非導通となる。トランジスタ492には、第1ゲート電極に関わるしきい値電圧Vth1と、第2ゲート電極に関わるしきい値電圧Vth2が存在する。第1ゲート電極、もしくはフローティングノードFN1の電位がVth1より大きくなると、第1ゲート電極によって制御されるチャネル形成領域にはチャネルが形成される(または、キャリアが誘起される)。第2ゲート電極、もしくはフローティングノードFN2の電位がVth2より大きくなると、第2ゲート電極によって制御されるチャネル形成領域にはチャネルが形成される(または、キャリアが誘起される)。トランジスタ492は、第1ゲート電極の電位がVth1より大きく、第2ゲート電極の電位がVth2より大きい場合のみ、導通状態となる。 Here, the function of the transistor 492 is confirmed again. In the transistor 492, the first gate electrode and the second gate electrode are arranged above and below and shifted from each other with the channel formation region interposed therebetween. The potential of the first gate electrode is the potential of the floating node FN1, and the potential of the second gate electrode is the potential of the floating node FN2. Thus, the transistor 492 is turned on or off according to the potential of the floating node FN1 and the potential of the floating node FN2. The transistor 492 has a threshold voltage Vth1 related to the first gate electrode and a threshold voltage Vth2 related to the second gate electrode. When the potential of the first gate electrode or the floating node FN1 becomes higher than Vth1, a channel is formed (or carriers are induced) in the channel formation region controlled by the first gate electrode. When the potential of the second gate electrode or the floating node FN2 becomes higher than Vth2, a channel is formed (or carriers are induced) in the channel formation region controlled by the second gate electrode. The transistor 492 becomes conductive only when the potential of the first gate electrode is higher than Vth1 and the potential of the second gate electrode is higher than Vth2.

トランジスタ492は、Vth1のしきい値電圧をもつトランジスタ(トランジスタ492_1と呼ぶ)と、Vth2のしきい値電圧をもつトランジスタ(トランジスタ492_2と呼ぶ)の2つのトランジスタが直列に接続された回路と等価な機能を有するということができる。トランジスタ492_1は、第1ゲート電極の電位がVth1より大きいと導通し、第1ゲート電極の電位がVth1より小さいと非導通となる。トランジスタ492_2は、第2ゲート電極の電位がVth2より大きいと導通し、第2ゲート電極の電位がVth2より小さいと非導通となる。トランジスタ492は、トランジスタ492_1とトランジスタ492_2が導通したときのみ、導通状態となる。 The transistor 492 is equivalent to a circuit in which two transistors, a transistor having a threshold voltage of Vth1 (referred to as a transistor 492_1) and a transistor having a threshold voltage of Vth2 (referred to as a transistor 492_2) are connected in series. It can be said that it has a function. The transistor 492_1 is turned on when the potential of the first gate electrode is higher than Vth1, and is turned off when the potential of the first gate electrode is lower than Vth1. The transistor 492_2 is turned on when the potential of the second gate electrode is higher than Vth2, and is turned off when the potential of the second gate electrode is lower than Vth2. The transistor 492 is turned on only when the transistors 492_1 and 492_2 are turned on.

図4において、状態Write1は、トランジスタ491が導通状態であり、ビット線BLの電位がフローティングノードFN1に与えられている状態を示す。電位V1(i)(iは1以上、k1以下の整数)は、FN1に与えるk1種類の電位である。ここでは、V1(i)<V1(i+1)((iは1以上、(k1−1)以下の整数)とする。図4(A)では、V1(1)以上、V1(k1)以下の電位の領域をハッチングパターンで示している。WW1にVG1_Hを与え、k1種類の状態に依らず、トランジスタ491を導通状態にする。VG1_Hは、V1(k1)よりも、Vth(491)以上大きいことが好ましい。つまり、VG1_H>V1(k1)+Vth(491)である。ここで、Vth(491)は、トランジスタ491のしきい値電圧である。これにより、最大電位であるV1(k1)をFN1に与える時にも、トランジスタ491を導通状態に保つことができる。電位VC1_0は、書き込み時にRW1に与える電位である。 In FIG. 4, a state Write1 indicates a state in which the transistor 491 is in a conductive state and the potential of the bit line BL is applied to the floating node FN1. The potential V1 (i) (i is an integer greater than or equal to 1 and less than or equal to k1) is k1 types of potentials applied to FN1. Here, it is assumed that V1 (i) <V1 (i + 1) (where i is an integer not less than 1 and not more than (k1-1). In FIG. 4A, not less than V1 (1) and not more than V1 (k1). The potential region is indicated by a hatching pattern, VG1_H is given to WW1, and the transistor 491 is turned on regardless of the type of k1.VG1_H is larger than V1 (k1) by Vth (491) or more. That is, VG1_H> V1 (k1) + Vth (491), where Vth (491) is a threshold voltage of the transistor 491. Thus, the maximum potential V1 (k1) is changed to FN1. The transistor 491 can be kept in a conductive state also when applied to the transistor 491. The potential VC1_0 is a potential applied to the RW1 during writing.

図4において、状態Standby1は、フローティングノードFN1の電位を保持している状態である。RW1には、VC1_0を与える。WW1にVG1_0を与え、k1種類の状態に依らず、トランジスタ491を非導通状態にする。VG1_0は、FN1にV1(1)を書き込んだ状態においても、トランジスタ491を非導通状態とする電位、或いは、トランジスタ491のドレイン電流が十分に低くなる電位である。なお、書き込み直後のFN1の電位は、トランジスタ491のゲートドレイン間容量(或はゲートソース間容量)によって、書き込み中のFN1の電位から多少変動してもよい。 In FIG. 4, the state Standby1 is a state in which the potential of the floating node FN1 is held. VC1_0 is given to RW1. VG1_0 is given to WW1, and the transistor 491 is turned off regardless of k1 types of states. VG1_0 is a potential at which the transistor 491 is turned off even when V1 (1) is written to FN1, or a potential at which the drain current of the transistor 491 becomes sufficiently low. Note that the potential of FN1 immediately after writing may slightly vary from the potential of FN1 during writing depending on the gate-drain capacitance (or gate-source capacitance) of the transistor 491.

図4において、状態Off1は、k1種類の状態に依らず、トランジスタ492_1が非導通となる状態である。書き込み時や読み出し時の非選択のメモリセルにおいて用いる場合がある。RW1にVC1_Lを与え、k1種類の状態に依らず、トランジスタ492_1を非導通状態にする。VC1_Lは、FN1の電位がV1L(k1)であっても、トランジスタ492_1が非導通状態となる電位である。つまり、V1L(k1)<Vth1である。ここで、V1(k1)を書き込んだ状態において、RW1にVC1_Lを与えた時のFN1の電位をV1L(k1)とする。V1L(k1)は、V1L(k1)=V1(k1)+Cs1/CFN1×(VC1_L−VC1_0)と表される。ここで、CFN1はFN1が有する容量値の合計、Cs1は容量素子494の容量値である。よって、VC1_Lは、VC1_L<VC1_0+CFN1/Cs1×(Vth1−V1(k1))を満たす電位である。なお、V1(k1)の代わりに、状態Stanby1におけるFN1の電位を用いてもよい。 In FIG. 4, the state Off1 is a state where the transistor 492_1 is non-conductive regardless of the k1 types of states. It may be used in non-selected memory cells at the time of writing or reading. VC1_L is supplied to RW1, and the transistor 492_1 is turned off regardless of the k1 types of states. VC1_L is a potential at which the transistor 492_1 is turned off even when the potential of FN1 is V1L (k1). That is, V1L (k1) <Vth1. Here, in the state where V1 (k1) is written, the potential of FN1 when VC1_L is given to RW1 is V1L (k1). V1L (k1) is expressed as V1L (k1) = V1 (k1) + Cs1 / CFN1 × (VC1_L−VC1_0). Here, CFN1 is the total capacitance value of FN1, and Cs1 is the capacitance value of the capacitor 494. Therefore, VC1_L is a potential satisfying VC1_L <VC1_0 + CFN1 / Cs1 × (Vth1−V1 (k1)). Note that the potential of FN1 in the state Standby1 may be used instead of V1 (k1).

図4において、状態Read1(1)は、V1(k1)を書き込んだ状態において、トランジスタ492_1が導通し、V1(k1−1)を書き込んだ状態において、トランジスタ492_1が非導通となる状態である。言い換えると、V1(k1)を書き込んだ状態以外の、(k1−1)種類の電位を書き込んだ状態において、トランジスタ492_1が非導通となる状態である。RW1に電位VC1(1)を与えることで、そのような状態となる。上述した計算と同様に、VC1(1)は、VC1_0+CFN1/Cs1×(Vth1−V1(k1))<VC1(1)<VC1_0+CFN1/Cs1×(Vth1−V1(k1−1))を満たす電位であると求まる。 In FIG. 4, a state Read1 (1) is a state in which the transistor 492_1 is turned on when V1 (k1) is written and the transistor 492_1 is turned off when V1 (k1-1) is written. In other words, the transistor 492_1 is non-conductive in a state where (k1-1) types of potentials are written, other than a state where V1 (k1) is written. Such a state is obtained by applying the potential VC1 (1) to RW1. Similarly to the calculation described above, VC1 (1) is a potential that satisfies VC1_0 + CFN1 / Cs1 × (Vth1−V1 (k1)) <VC1 (1) <VC1_0 + CFN1 / Cs1 × (Vth1−V1 (k1-1)). It is obtained.

図4において、状態Read1(k1−1)は、V1(2)を書き込んだ状態において、トランジスタ492_1が導通し、V1(1)を書き込んだ状態において、トランジスタ492_1が非導通となる状態である。言い換えると、V1(1)を書き込んだ状態以外の、(k1−1)種類の電位を書き込んだ状態において、トランジスタ492_1が導通となる状態である。RW1に電位VC1(k1−1)を与えることで、そのような状態となる。上述した計算と同様に、VC1(1)は、VC1_0+CFN1/Cs1×(Vth1−V1(2))<VC1(k1−1)<VC1_0+CFN1/Cs1×(Vth1−V1(1))を満たす電位であると求まる。 In FIG. 4, a state Read1 (k1-1) is a state in which the transistor 492_1 is turned on when V1 (2) is written and the transistor 492_1 is turned off when V1 (1) is written. In other words, the transistor 492_1 is in a conductive state in a state where (k1-1) types of potentials are written, other than a state where V1 (1) is written. Such a state is obtained by applying the potential VC1 (k1-1) to RW1. Similarly to the calculation described above, VC1 (1) is a potential that satisfies VC1_0 + CFN1 / Cs1 × (Vth1−V1 (2)) <VC1 (k1-1) <VC1_0 + CFN1 / Cs1 × (Vth1−V1 (1)). It is obtained.

図4において、状態On1は、k1種類の状態に依らず、トランジスタ492_1が導通する状態である。書き込み時や読み出し時の選択されたメモリセルにおいて用いる場合がある。RW1にVC1_Hを与え、k1種類の状態に依らず、トランジスタ492_1を導通状態にする。VC1_Hは、FN1の電位がV1H(1)であっても、トランジスタ492_1が導通状態となる電位である。つまり、V1H(1)>Vth1である。ここで、V1(1)を書き込んだ状態において、RW1にVC1_Hを与えた時のFN1の電位をV1H(1)とする。V1H(1)は、V1H(1)=V1(1)+Cs1/CFN1×(VC1_H−VC1_0)と表される。よって、VC1_Hは、VC1_H>VC1_0+CFN1/Cs1×(Vth1−V1(1))を満たす電位である。なお、V1(1)の代わりに、状態Stanby1におけるFN1の電位を用いてもよい。 In FIG. 4, the state On1 is a state in which the transistor 492_1 is turned on regardless of the k1 types of states. It may be used in a selected memory cell at the time of writing or reading. VC1_H is supplied to RW1, and the transistor 492_1 is turned on regardless of k1 types of states. VC1_H is a potential at which the transistor 492_1 is turned on even when the potential of FN1 is V1H (1). That is, V1H (1)> Vth1. Here, in a state where V1 (1) is written, the potential of FN1 when VC1_H is given to RW1 is V1H (1). V1H (1) is expressed as V1H (1) = V1 (1) + Cs1 / CFN1 × (VC1_H−VC1_0). Therefore, VC1_H is a potential that satisfies VC1_H> VC1_0 + CFN1 / Cs1 × (Vth1−V1 (1)). Note that the potential of FN1 in the state Standby1 may be used instead of V1 (1).

なお、上述した説明において、フローティングノードFN2、書き込みワード線WW2、読み出しワード線RW2の電位を指定しなかったが、これらの電位に特に制限はない。フローティングノードFN2、書き込みワード線WW2、及び読み出しワード線RW2の電位が、フローティングノードFN1に与える影響は小さいためである。 In the above description, the potentials of the floating node FN2, the write word line WW2, and the read word line RW2 are not specified, but these potentials are not particularly limited. This is because the potential of the floating node FN2, the write word line WW2, and the read word line RW2 has little influence on the floating node FN1.

図4において説明したのと同様に、図5を用いて、Write2、Standby2、Off2、Read2(1)、Read2(k2−1)、On2の状態が定義される。また、電位V2(i)(iは1以上、k2以下の整数)、VG2_H、VC2_0、VG2_0、VC2_L、VC2(1)、VC2(k2−1)、VC2_Hが定義される。なお、V2(i)<V2(i+1)(iは1以上、(k2−1)以下の整数)とする。また、トランジスタ492のしきい値電圧をVth(492)、FN2が有する容量値の合計をCFN2、容量素子493の容量値をCs2とする。 As described in FIG. 4, the states of Write2, Standby2, Off2, Read2 (1), Read2 (k2-1), and On2 are defined using FIG. Further, potential V2 (i) (i is an integer of 1 to k2), VG2_H, VC2_0, VG2_0, VC2_L, VC2 (1), VC2 (k2-1), and VC2_H are defined. Note that V2 (i) <V2 (i + 1) (i is an integer of 1 to (k2-1)). The threshold voltage of the transistor 492 is Vth (492), the total capacitance value of FN2 is CFN2, and the capacitance value of the capacitor 493 is Cs2.

図6は、メモリセルの動作を説明するために、メモリセルアレイの一部を抜粋した図である。図6には、メモリセルアレイの(n−1)番目のビット線BL[n−1]またはn番目のビット線BL[n]に接続され、かつ、(m−1)番目のワード線WL[m−1]またはm番目のワード線WL[m]に接続される、4個のメモリセルを示す。なお、ソース線SLはすべてのメモリセルで共通としても良い。 FIG. 6 is a diagram illustrating a part of the memory cell array in order to explain the operation of the memory cell. In FIG. 6, the (n−1) th bit line BL [n−1] or the nth bit line BL [n] of the memory cell array is connected to the (m−1) th word line WL [ m-1] or four memory cells connected to the mth word line WL [m] are shown. Note that the source line SL may be common to all memory cells.

図7は、図6に示したメモリセルアレイへの書き込み動作の一例を説明するタイミングチャートである。FN1、FN2には、それぞれ4種類の電位V1、V2、V3、V4(V1<V2<V3<V4とする)を書き込む場合を示す。メモリセルは16値の多値を実現している。 FIG. 7 is a timing chart for explaining an example of the write operation to the memory cell array shown in FIG. In this example, four types of potentials V1, V2, V3, and V4 (V1 <V2 <V3 <V4) are written in FN1 and FN2, respectively. The memory cell realizes 16-value multivalue.

図7に示すタイミングチャート図は、(m−1)番目のワード線WL[m−1]に接続されるメモリセルへデータの書き込みを行う期間p11乃至p18におけるタイミングチャートと、m番目のワード線WL[m]に接続されるメモリセルへデータの書き込みを行う期間p21乃至p28におけるタイミングチャートと、からなる。ソース線SLには一定の電位VS0が与えられる。 The timing chart shown in FIG. 7 is a timing chart in the periods p11 to p18 in which data is written to the memory cell connected to the (m−1) th word line WL [m−1], and the mth word line. And timing charts in periods p21 to p28 in which data is written to the memory cells connected to WL [m]. A constant potential VS0 is applied to the source line SL.

図7に示す期間p11では、書き込みワード線WW1[m−1]にVG1_Hを与え、読み出しワード線RW1[m−1]にVC1_0を与えることで、選択されたメモリセルのFN1に書き込みを行う状態とする(状態Write1)。書き込みワード線WW2[m−1]にVG2_Lを与え、読み出しワード線RW2[m−1]にVC2_Lを与えることで、選択されたメモリセルのトランジスタ492_2を非導通状態とする(状態Off2)。このとき選択されたメモリセルのトランジスタ492は非導通状態となる。書き込みワード線WW1[m]にVG1_Lを与え、読み出しワード線RW1[m]にVC1_Lを与えることで、非選択メモリセルのトランジスタ492_1を非導通状態とする(状態Off1)。書き込みワード線WW2[m]にVG2_Lを与え、読み出しワード線RW2[m]にVC2_Lを与えることで、非選択メモリセルのトランジスタ492_2を非導通状態とする(状態Off2)。このとき非選択メモリセルのトランジスタ492は非導通状態となる。ビット線BL[n−1]及びBL[n]に電位VB0を与える。電位VB0は待機時のビット線電位としても良い。 In a period p11 shown in FIG. 7, VG1_H is supplied to the write word line WW1 [m−1] and VC1_0 is supplied to the read word line RW1 [m−1], thereby writing to the FN1 of the selected memory cell. (State Write1). By applying VG2_L to the write word line WW2 [m−1] and VC2_L to the read word line RW2 [m−1], the transistor 492_2 of the selected memory cell is turned off (state Off2). At this time, the transistor 492 of the selected memory cell is turned off. By applying VG1_L to the write word line WW1 [m] and VC1_L to the read word line RW1 [m], the transistor 492_1 of the non-selected memory cell is turned off (state Off1). By applying VG2_L to the write word line WW2 [m] and VC2_L to the read word line RW2 [m], the transistor 492_2 of the non-selected memory cell is turned off (state Off2). At this time, the transistor 492 of the non-selected memory cell is turned off. A potential VB0 is applied to the bit lines BL [n-1] and BL [n]. The potential VB0 may be a bit line potential during standby.

図7に示す期間p12では、ビット線BL[n−1]に電位V4を与え、BL[n]に電位V1を与える。なお、他の配線は、前の期間の電位を保持する。その結果、ビット線BL[n−1]に接続される選択されたメモリセルのFN1には、V4が与えられ、ビット線BL[n]に接続される選択されたメモリセルのFN1には、V1が与えられる。 In the period p12 illustrated in FIG. 7, the potential V4 is applied to the bit line BL [n-1] and the potential V1 is applied to BL [n]. Note that other wirings hold the potential of the previous period. As a result, V4 is applied to FN1 of the selected memory cell connected to the bit line BL [n-1], and FN1 of the selected memory cell connected to the bit line BL [n] V1 is given.

図7に示す期間p13では、書き込みワード線WW1[m−1]にVG1_Lを与える。なお、他の配線は、前の期間の電位を保持する。その結果、書き込みワード線WW1[m−1]に接続される選択されたメモリセルのトランジスタ491は非導通状態となり、フローティングノードFN1に蓄積された電荷は保持される。つまり、書き込み状態が終了する。書き込み終了時に、読み出しワード線RW1[m−1]、ビット線BL[n−1]、BL[n]の電位を保持することで、確実に書き込みを行うことができる。書き込みワード線WW1[m−1]の電位変動と同時に、これらの電位が変動すると、書き込んだ状態に影響を及ぼす可能性がある。 In the period p13 shown in FIG. 7, VG1_L is supplied to the write word line WW1 [m−1]. Note that other wirings hold the potential of the previous period. As a result, the transistor 491 of the selected memory cell connected to the write word line WW1 [m−1] is turned off, and the charge accumulated in the floating node FN1 is held. That is, the writing state ends. When the writing is completed, the potential of the read word line RW1 [m−1] and the bit lines BL [n−1] and BL [n] is held, so that the writing can be surely performed. If these potentials fluctuate simultaneously with the potential fluctuation of the write word line WW1 [m−1], the written state may be affected.

図7に示す期間p14では、読み出しワード線RW1[m−1]にVC1_Lを与える。ビット線BL[n−1]及びBL[n]に電位VB0を与える。なお、他の配線は、前の期間の電位を保持する。その結果、全てのメモリセルにおいて、トランジスタ492_1は状態Off1に、492_2は状態Off2となり、非選択状態となる。 In the period p14 shown in FIG. 7, VC1_L is supplied to the read word line RW1 [m−1]. A potential VB0 is applied to the bit lines BL [n-1] and BL [n]. Note that other wirings hold the potential of the previous period. As a result, in all the memory cells, the transistor 492_1 is in the state Off1, and 492_2 is in the state Off2, which are in a non-selected state.

図7に示す期間p15では、書き込みワード線WW1[m−1]にVG1_Lを与え、読み出しワード線RW1[m−1]にVC1_Lを与えることで、選択されたメモリセルのトランジスタ492_1を非導通状態とする(状態Off1)。書き込みワード線WW2[m−1]にVG2_Hを与え、読み出しワード線RW2[m−1]にVC2_0を与えることで、選択されたメモリセルのFN2に書き込みを行う状態とする(状態Write2)。このとき選択されたメモリセルのトランジスタ492は非導通状態となる。書き込みワード線WW1[m]にVG1_Lを与え、読み出しワード線RW1[m]にVC1_Lを与えることで、非選択メモリセルのトランジスタ492_1を非導通状態とする(状態Off1)。書き込みワード線WW2[m]にVG2_Lを与え、読み出しワード線RW2[m]にVC2_Lを与えることで、非選択メモリセルのトランジスタ492_2を非導通状態とする(状態Off2)。このとき非選択メモリセルのトランジスタ492は非導通状態となる。ビット線BL[n−1]及びBL[n]に電位VB0を与える。 In a period p15 illustrated in FIG. 7, VG1_L is supplied to the write word line WW1 [m−1] and VC1_L is supplied to the read word line RW1 [m−1], so that the transistor 492_1 of the selected memory cell is turned off. (State Off1). By applying VG2_H to the write word line WW2 [m−1] and VC2_0 to the read word line RW2 [m−1], the FN2 of the selected memory cell is written (state Write2). At this time, the transistor 492 of the selected memory cell is turned off. By applying VG1_L to the write word line WW1 [m] and VC1_L to the read word line RW1 [m], the transistor 492_1 of the non-selected memory cell is turned off (state Off1). By applying VG2_L to the write word line WW2 [m] and VC2_L to the read word line RW2 [m], the transistor 492_2 of the non-selected memory cell is turned off (state Off2). At this time, the transistor 492 of the non-selected memory cell is turned off. A potential VB0 is applied to the bit lines BL [n-1] and BL [n].

図7に示す期間p16では、ビット線BL[n−1]に電位V3を与え、BL[n]に電位V2を与える。なお、他の配線は、前の期間の電位を保持する。その結果、ビット線BL[n−1]に接続される選択されたメモリセルのFN2には、V3が与えられ、ビット線BL[n]に接続される選択されたメモリセルのFN1には、V2が与えられる。 In a period p16 illustrated in FIG. 7, the potential V3 is applied to the bit line BL [n-1] and the potential V2 is applied to BL [n]. Note that other wirings hold the potential of the previous period. As a result, FN2 of the selected memory cell connected to the bit line BL [n-1] is given V3, and FN1 of the selected memory cell connected to the bit line BL [n] V2 is given.

図7に示す期間p17では、書き込みワード線WW2[m−1]にVG2_Lを与える。なお、他の配線は、前の期間の電位を保持する。その結果、書き込みワード線WW2[m−1]に接続される選択されたメモリセルのトランジスタ490は非導通状態となり、フローティングノードFN2に蓄積された電荷は保持される。つまり、書き込み状態が終了する。書き込み終了時に、読み出しワード線RW2[m−1]、ビット線BL[n−1]、BL[n]の電位を保持することで、確実に書き込みを行うことができる。書き込みワード線WW2[m−1]の電位変動と同時に、これらの電位が変動すると、書き込んだ状態に影響を及ぼす可能性がある。 In a period p17 shown in FIG. 7, VG2_L is supplied to the write word line WW2 [m−1]. Note that other wirings hold the potential of the previous period. As a result, the transistor 490 of the selected memory cell connected to the write word line WW2 [m−1] is turned off, and the charge accumulated in the floating node FN2 is held. That is, the writing state ends. When writing is completed, the potential of the read word line RW2 [m−1] and the bit lines BL [n−1] and BL [n] can be held, so that writing can be performed reliably. If these potentials fluctuate simultaneously with the potential fluctuation of the write word line WW2 [m−1], the written state may be affected.

図7に示す期間p18では、読み出しワード線RW2[m−1]にVC2_Lを与える。ビット線BL[n−1]及びBL[n]に電位VB0を与える。なお、他の配線は、前の期間の電位を保持する。その結果、全てのメモリセルにおいて、トランジスタ492_1は状態Off1に、492_2は状態Off2となり、非選択状態となる。 In the period p18 illustrated in FIG. 7, VC2_L is supplied to the read word line RW2 [m−1]. A potential VB0 is applied to the bit lines BL [n-1] and BL [n]. Note that other wirings hold the potential of the previous period. As a result, in all the memory cells, the transistor 492_1 is in the state Off1, and 492_2 is in the state Off2, which are in a non-selected state.

図7に示す期間p21では、書き込みワード線WW1[m]にVG1_Hを与え、読み出しワード線RW1[m]にVC1_0を与えることで、選択されたメモリセルのFN1に書き込みを行う状態とする(状態Write1)。書き込みワード線WW2[m]にVG2_Lを与え、読み出しワード線RW2[m]にVC2_Lを与えることで、選択されたメモリセルのトランジスタ492_2を非導通状態とする(状態Off2)。このとき選択されたメモリセルのトランジスタ492は非導通状態となる。書き込みワード線WW1[m−1]にVG1_Lを与え、読み出しワード線RW1[m−1]にVC1_Lを与えることで、非選択メモリセルのトランジスタ492を非導通状態とする(状態Off1)。書き込みワード線WW2[m−1]にVG2_Lを与え、読み出しワード線RW2[m−1]にVC2_Lを与えることで、非選択メモリセルのトランジスタ492を非導通状態とする(状態Off2)。このとき非選択メモリセルのトランジスタ492は非導通状態となる。ビット線BL[n−1]及びBL[n]に電位VB0を与える。 In a period p21 shown in FIG. 7, VG1_H is supplied to the write word line WW1 [m] and VC1_0 is supplied to the read word line RW1 [m], thereby writing data to the FN1 of the selected memory cell (state) Write 1). By applying VG2_L to the write word line WW2 [m] and VC2_L to the read word line RW2 [m], the transistor 492_2 of the selected memory cell is turned off (state Off2). At this time, the transistor 492 of the selected memory cell is turned off. By applying VG1_L to the write word line WW1 [m−1] and VC1_L to the read word line RW1 [m−1], the transistor 492 of the non-selected memory cell is turned off (state Off1). By applying VG2_L to the write word line WW2 [m−1] and VC2_L to the read word line RW2 [m−1], the transistor 492 of the non-selected memory cell is turned off (state Off2). At this time, the transistor 492 of the non-selected memory cell is turned off. A potential VB0 is applied to the bit lines BL [n-1] and BL [n].

図7に示す期間p22では、ビット線BL[n−1]に電位V2を与え、BL[n]に電位V3を与える。なお、他の配線は、前の期間の電位を保持する。その結果、ビット線BL[n−1]に接続される選択されたメモリセルのFN1には、V2が与えられ、ビット線BL[n]に接続される選択されたメモリセルのFN1には、V3が与えられる。 In the period p22 illustrated in FIG. 7, the potential V2 is applied to the bit line BL [n-1] and the potential V3 is applied to BL [n]. Note that other wirings hold the potential of the previous period. As a result, V2 is applied to FN1 of the selected memory cell connected to the bit line BL [n−1], and FN1 of the selected memory cell connected to the bit line BL [n] V3 is given.

図7に示す期間p23では、書き込みワード線WW1[m]にVG1_Lを与える。なお、他の配線は、前の期間の電位を保持する。その結果、書き込みワード線WW1[m]に接続される選択されたメモリセルのトランジスタ491は非導通状態となり、フローティングノードFN1に蓄積された電荷は保持される。つまり、書き込み状態が終了する。書き込み終了時に、読み出しワード線RW1[m]、ビット線BL[n−1]、BL[n]の電位を保持することで、確実に書き込みを行うことができる。書き込みワード線WW1[m]の電位変動と同時に、これらの電位が変動すると、書き込んだ状態に影響を及ぼす可能性がある。 In the period p23 shown in FIG. 7, VG1_L is supplied to the write word line WW1 [m]. Note that other wirings hold the potential of the previous period. As a result, the transistor 491 of the selected memory cell connected to the write word line WW1 [m] is turned off, and the charge accumulated in the floating node FN1 is held. That is, the writing state ends. When writing is completed, the potential of the read word line RW1 [m] and the bit lines BL [n−1] and BL [n] can be held, so that writing can be performed reliably. If these potentials fluctuate simultaneously with the potential fluctuation of the write word line WW1 [m], the written state may be affected.

図7に示す期間p24では、読み出しワード線RW1[m]にVC1_Lを与える。ビット線BL[n−1]及びBL[n]に電位VB0を与える。なお、他の配線は、前の期間の電位を保持する。その結果、全てのメモリセルにおいて、トランジスタ492_1は状態Off1に、492_2は状態Off2となり、非選択状態となる。 In a period p24 illustrated in FIG. 7, VC1_L is supplied to the read word line RW1 [m]. A potential VB0 is applied to the bit lines BL [n-1] and BL [n]. Note that other wirings hold the potential of the previous period. As a result, in all the memory cells, the transistor 492_1 is in the state Off1, and 492_2 is in the state Off2, which are in a non-selected state.

図7に示す期間p25では、書き込みワード線WW1[m]にVG1_Lを与え、読み出しワード線RW1[m]にVC1_Lを与えることで、選択されたメモリセルのトランジスタ492_1を非導通状態とする(状態Off1)。書き込みワード線WW2[m]にVG2_Hを与え、読み出しワード線RW2[m]にVC2_0を与えることで、選択されたメモリセルのFN2に書き込みを行う状態とする(状態Write2)。このとき選択されたメモリセルのトランジスタ492は非導通状態となる。書き込みワード線WW1[m−1]にVG1_Lを与え、読み出しワード線RW1[m−1]にVC1_Lを与えることで、非選択メモリセルのトランジスタ492_1を非導通状態とする(状態Off1)。書き込みワード線WW2[m−1]にVG2_Lを与え、読み出しワード線RW2[m−1]にVC2_Lを与えることで、非選択メモリセルのトランジスタ492_2を非導通状態とする(状態Off2)。このとき非選択メモリセルのトランジスタ492は非導通状態となる。ビット線BL[n−1]及びBL[n]に電位VB0を与える。 In a period p25 illustrated in FIG. 7, VG1_L is supplied to the write word line WW1 [m] and VC1_L is supplied to the read word line RW1 [m], so that the transistor 492_1 of the selected memory cell is turned off (state) Off1). By applying VG2_H to the write word line WW2 [m] and VC2_0 to the read word line RW2 [m], the FN2 of the selected memory cell is written (state Write2). At this time, the transistor 492 of the selected memory cell is turned off. By applying VG1_L to the write word line WW1 [m−1] and VC1_L to the read word line RW1 [m−1], the transistor 492_1 of the non-selected memory cell is turned off (state Off1). By applying VG2_L to the write word line WW2 [m−1] and VC2_L to the read word line RW2 [m−1], the transistor 492_2 of the non-selected memory cell is turned off (state Off2). At this time, the transistor 492 of the non-selected memory cell is turned off. A potential VB0 is applied to the bit lines BL [n-1] and BL [n].

図7に示す期間p26では、ビット線BL[n−1]に電位V1を与え、BL[n]に電位V4を与える。なお、他の配線は、前の期間の電位を保持する。その結果、ビット線BL[n−1]に接続される選択されたメモリセルのFN2には、V1が与えられ、ビット線BL[n]に接続される選択されたメモリセルのFN1には、V4が与えられる。 In the period p26 illustrated in FIG. 7, the potential V1 is applied to the bit line BL [n-1] and the potential V4 is applied to BL [n]. Note that other wirings hold the potential of the previous period. As a result, V1 is given to FN2 of the selected memory cell connected to the bit line BL [n-1], and FN1 of the selected memory cell connected to the bit line BL [n] V4 is given.

図7に示す期間p27では、書き込みワード線WW2[m]にVG2_Lを与える。なお、他の配線は、前の期間の電位を保持する。その結果、書き込みワード線WW2[m]に接続される選択されたメモリセルのトランジスタ490は非導通状態となり、フローティングノードFN2に蓄積された電荷は保持される。つまり、書き込み状態が終了する。書き込み終了時に、読み出しワード線RW2[m]、ビット線BL[n−1]、BL[n]の電位を保持することで、確実に書き込みを行うことができる。書き込みワード線WW2[m]の電位変動と同時に、これらの電位が変動すると、書き込んだ状態に影響を及ぼす可能性がある。 In a period p27 shown in FIG. 7, VG2_L is supplied to the write word line WW2 [m]. Note that other wirings hold the potential of the previous period. As a result, the transistor 490 of the selected memory cell connected to the write word line WW2 [m] is turned off, and the charge accumulated in the floating node FN2 is held. That is, the writing state ends. When writing is completed, the potential of the read word line RW2 [m] and the bit lines BL [n−1] and BL [n] can be held, so that writing can be performed reliably. If these potentials fluctuate simultaneously with the potential fluctuation of the write word line WW2 [m], the written state may be affected.

図7に示す期間p28では、読み出しワード線RW2[m]にVC2_Lを与える。ビット線BL[n−1]及びBL[n]に電位VB0を与える。なお、他の配線は、前の期間の電位を保持する。その結果、全てのメモリセルにおいて、トランジスタ492_1は状態Off1に、492_2は状態Off2となり、非選択状態となる。 In the period p28 shown in FIG. 7, VC2_L is supplied to the read word line RW2 [m]. A potential VB0 is applied to the bit lines BL [n-1] and BL [n]. Note that other wirings hold the potential of the previous period. As a result, in all the memory cells, the transistor 492_1 is in the state Off1, and 492_2 is in the state Off2, which are in a non-selected state.

以上、期間p11乃至p18、およびp21乃至p28で説明したデータの書き込みにより、図6に示すメモリセルアレイに所定の状態が書き込まれる。なお、書き込み動作期間では、選択されたメモリセルのトランジスタ492は非導通状態であり、非選択メモリセルのトランジスタ492も非導通状態である。したがって、ソース線SLに与えられた電位と、ビット線BLに与えられた電位が異なっていても、導通状態のトランジスタ492によって電流が流れるということはない。 Through the data writing described in the periods p11 to p18 and p21 to p28, a predetermined state is written into the memory cell array illustrated in FIG. Note that in the write operation period, the transistor 492 of the selected memory cell is non-conductive, and the transistor 492 of the non-selected memory cell is non-conductive. Therefore, even when the potential applied to the source line SL is different from the potential applied to the bit line BL, current does not flow through the transistor 492 in the conductive state.

図8は、図6に示したメモリセルアレイへの読み出し動作の一例を説明するタイミングチャートである。FN1、FN2から、それぞれ4種類の電位を読み出す場合を示す。メモリセルは16値の多値を実現している。 FIG. 8 is a timing chart for explaining an example of a read operation to the memory cell array shown in FIG. A case where four types of potentials are read from FN1 and FN2 is shown. The memory cell realizes 16-value multivalue.

図8に示すタイミングチャート図は、(m−1)番目のワード線WL[m−1]に接続されるメモリセルのFN1に保持されたデータを読み出す期間p31乃至p39と、FN2に保持されたデータを読み出す期間p41乃至p49におけるタイミングチャートと、からなる。ソース線SLには一定の電位VS0が与えられる。また、m番目のワード線WL[m]に接続されるメモリセルからの読み出しは行わないので、読み出し期間を通して、WW1[m]にはVG1_Lが、WW2[m]にはVG2_Lが与えられる。また、RW1[m]にはVC1_Lが、RW2[m]にはVC2_Lが与えられる。また、読み出しでは、トランジスタ490および491を常に非導通状態とするため、読み出し期間を通して、WW1[m−1]にはVG1_Lが、WW2[m−1]にはVG2_Lが与えられる。従って、以下では、RW1[m−1]、RW2[m−1]、BL[n−1]、BL[n]に与えられる電位について、主に説明する。 The timing chart shown in FIG. 8 shows periods p31 to p39 for reading data held in FN1 of the memory cell connected to the (m−1) th word line WL [m−1] and held in FN2. And a timing chart in the data reading periods p41 to p49. A constant potential VS0 is applied to the source line SL. In addition, since reading from the memory cell connected to the mth word line WL [m] is not performed, VG1_L is given to WW1 [m] and VG2_L is given to WW2 [m] throughout the reading period. Further, VC1_L is given to RW1 [m], and VC2_L is given to RW2 [m]. In reading, the transistors 490 and 491 are always turned off, so that VG1_L is supplied to WW1 [m−1] and VG2_L is supplied to WW2 [m−1] throughout the reading period. Therefore, in the following, potentials applied to RW1 [m−1], RW2 [m−1], BL [n−1], and BL [n] will be mainly described.

図8に示す期間p31では、読み出しワード線RW1[m−1]にVC1_Lを与えることで、選択されたメモリセルのトランジスタ492_1を非導通状態とする(状態Off1)。読み出しワード線RW2[m−1]にVC2_Hを与えることで、選択されたメモリセルのトランジスタ492_2を導通状態とする(状態On2)。この時点では、選択されたメモリセルのトランジスタ492は非導通状態である。ビット線BL[n−1]及びBL[n]に、電位Vprechargeを与える。期間p31は、プリチャージ期間である。電位Vprechargeは、プリチャージ電位である。期間p31の終了時に、ビット線BL[n−1]及びBL[n]はフローティング状態となる。 In a period p31 illustrated in FIG. 8, VC1_L is supplied to the read word line RW1 [m−1], so that the transistor 492_1 of the selected memory cell is turned off (state Off1). By applying VC2_H to the read word line RW2 [m−1], the transistor 492_2 of the selected memory cell is turned on (state On2). At this time, the transistor 492 of the selected memory cell is non-conductive. A potential V precharge is applied to the bit lines BL [n−1] and BL [n]. The period p31 is a precharge period. The potential V precharge is a precharge potential. At the end of the period p31, the bit lines BL [n−1] and BL [n] are in a floating state.

図8に示す期間p32では、読み出しワード線RW1[m−1]にVC1(1)を与えることで、選択されたメモリセルのFN1にV4を書き込んだ状態において、トランジスタ492_1が導通し、それ以外の状態において、トランジスタ492_1が非導通となる状態とする(状態Read1(1))。なお、読み出しワード線RW2[m−1]には、VC2_Hが与えられているため、選択されたメモリセルのトランジスタ492_2は導通状態のままである。従って、選択されたメモリセルのトランジスタ492を導通状態は、FN1が保持する状態によって決まる。ビット線BL[n−1]に接続される選択メモリセルのFN1には、電位V4が書き込まれているので、トランジスタ492は導通状態となる。その結果、フローティング状態となっているビット線BL[n−1]は、導通状態のトランジスタ492を介してソース線SLと電気的に接続される。そして、ビット線BL[n−1]に蓄積された電荷が充電もしくは放電され、ビット線BL[n−1]の電位はVprechargeからVS0に変化する。一方、ビット線BL[n]に接続される選択メモリセルのFN1には、電位V1が書き込まれているので、トランジスタ492は非導通状態となる。その結果、フローティング状態となっているビット線BL[n]の電位は保持される。 In the period p32 shown in FIG. 8, by applying VC1 (1) to the read word line RW1 [m−1], the transistor 492_1 becomes conductive in a state where V4 is written to FN1 of the selected memory cell. In this state, the transistor 492_1 is turned off (state Read1 (1)). Note that since VC2_H is supplied to the read word line RW2 [m−1], the transistor 492_2 of the selected memory cell remains in a conductive state. Accordingly, the conduction state of the transistor 492 of the selected memory cell is determined by the state held by FN1. Since the potential V4 is written to FN1 of the selected memory cell connected to the bit line BL [n-1], the transistor 492 is turned on. As a result, the bit line BL [n−1] in a floating state is electrically connected to the source line SL through the transistor 492 in a conductive state. Then, the charge accumulated in the bit line BL [n−1] is charged or discharged, and the potential of the bit line BL [n−1] changes from V precharge to VS0. On the other hand, since the potential V1 is written to FN1 of the selected memory cell connected to the bit line BL [n], the transistor 492 is turned off. As a result, the potential of the bit line BL [n] in a floating state is held.

図8に示す期間p33では、読み出しワード線RW1[m−1]にVC1_Lを与えることで、選択されたメモリセルのトランジスタ492_1を非導通状態とする(状態Off1)。従って、選択されたメモリセルのトランジスタ492は非導通状態となる。その結果、ビット線BL[n−1]とビット線BL[n]では、直前の期間の電位が保持される。期間p32もしくは期間p33において、ビット線BL[n−1]とビット線BL[n]の電位を読み出し回路で検知することで、読み出しを行うことができる。 In a period p33 shown in FIG. 8, VC1_L is supplied to the read word line RW1 [m−1], so that the transistor 492_1 of the selected memory cell is turned off (state Off1). Accordingly, the transistor 492 of the selected memory cell is turned off. As a result, the potential of the immediately preceding period is held in the bit line BL [n−1] and the bit line BL [n]. In the period p32 or the period p33, reading can be performed by detecting the potentials of the bit line BL [n−1] and the bit line BL [n] with a reading circuit.

図8に示す期間p34乃至p36は、期間p31乃至期間p33と同様な動作を行う。ただし、読み出しワード線RW1[m−1]にVC1(1)の代わりにVC1(2)を与える。読み出しワード線RW1[m−1]にVC1(2)を与えると、選択されたメモリセルのFN1にV3もしくはV4を書き込んだ状態において、トランジスタ492_1が導通し、それ以外の状態において、トランジスタ492_1が非導通となる。ビット線BL[n−1]に接続される選択メモリセルのFN1には、電位V4が書き込まれているので、トランジスタ492は導通状態となる。ビット線BL[n]に接続される選択メモリセルのFN1には、電位V1が書き込まれているので、トランジスタ492は非導通状態となる。その結果、期間p35において、ビット線BL[n−1]の電位はVprechargeからVS0に変化する。ビット線BL[n]の電位は保持される。 In periods p34 to p36 shown in FIG. 8, operations similar to those in the periods p31 to p33 are performed. However, VC1 (2) is applied to the read word line RW1 [m−1] instead of VC1 (1). When VC1 (2) is supplied to the read word line RW1 [m−1], the transistor 492_1 is turned on when V3 or V4 is written to the FN1 of the selected memory cell, and the transistor 492_1 is turned on in other states. Non-conducting. Since the potential V4 is written to FN1 of the selected memory cell connected to the bit line BL [n-1], the transistor 492 is turned on. Since the potential V1 is written in FN1 of the selected memory cell connected to the bit line BL [n], the transistor 492 is turned off. As a result, in the period p35, the potential of the bit line BL [n−1] changes from V precharge to VS0. The potential of the bit line BL [n] is maintained.

図8に示す期間p37乃至p39は、期間p31乃至期間p33と同様な動作を行う。ただし、読み出しワード線RW1[m−1]にVC1(1)の代わりにVC1(3)を与える。読み出しワード線RW1[m−1]にVC1(3)を与えると、選択されたメモリセルのFN1にV2、V3もしくはV4を書き込んだ状態において、トランジスタ492_1が導通し、それ以外の状態において、トランジスタ492_1が非導通となる。ビット線BL[n−1]に接続される選択メモリセルのFN1には、電位V4が書き込まれているので、トランジスタ492は導通状態となる。ビット線BL[n]に接続される選択メモリセルのFN1には、電位V1が書き込まれているので、トランジスタ492は非導通状態となる。その結果、期間p38において、ビット線BL[n−1]の電位はVprechargeからVS0に変化する。ビット線BL[n]の電位は保持される。 In periods p37 to p39 shown in FIG. 8, operations similar to those in the periods p31 to p33 are performed. However, VC1 (3) is applied to the read word line RW1 [m−1] instead of VC1 (1). When VC1 (3) is applied to the read word line RW1 [m−1], the transistor 492_1 becomes conductive when V2, V3, or V4 is written to the FN1 of the selected memory cell, and the transistor 492_1 is otherwise turned on. 492_1 becomes non-conductive. Since the potential V4 is written to FN1 of the selected memory cell connected to the bit line BL [n-1], the transistor 492 is turned on. Since the potential V1 is written in FN1 of the selected memory cell connected to the bit line BL [n], the transistor 492 is turned off. As a result, in the period p38, the potential of the bit line BL [n−1] changes from V precharge to VS0. The potential of the bit line BL [n] is maintained.

図8に示す期間p41では、読み出しワード線RW1[m−1]にVC1_Hを与えることで、選択されたメモリセルのトランジスタ492_1を導通状態とする(状態On1)。読み出しワード線RW2[m−1]にVC2_Lを与えることで、選択されたメモリセルのトランジスタ492_2を非導通状態とする(状態Off2)。この時点では、選択されたメモリセルのトランジスタ492は非導通状態である。ビット線BL[n−1]及びBL[n]に、電位Vprechargeを与える。期間p31は、プリチャージ期間である。電位Vprechargeは、プリチャージ電位である。期間p41の終了時に、ビット線BL[n−1]及びBL[n]はフローティング状態となる。 In a period p41 illustrated in FIG. 8, VC1_H is supplied to the read word line RW1 [m−1], so that the transistor 492_1 of the selected memory cell is turned on (state On1). By applying VC2_L to the read word line RW2 [m−1], the transistor 492_2 of the selected memory cell is turned off (state Off2). At this time, the transistor 492 of the selected memory cell is non-conductive. A potential V precharge is applied to the bit lines BL [n−1] and BL [n]. The period p31 is a precharge period. The potential V precharge is a precharge potential. At the end of the period p41, the bit lines BL [n−1] and BL [n] are in a floating state.

図8に示す期間p42では、読み出しワード線RW2[m−1]にVC2(1)を与えることで、選択されたメモリセルのFN2にV4を書き込んだ状態において、トランジスタ492_2が導通し、それ以外の状態において、トランジスタ492_2が非導通となる状態とする(状態Read2(1))。なお、読み出しワード線RW1[m−1]には、VC1_Hが与えられているため、選択されたメモリセルのトランジスタ492_1は導通状態のままである。従って、選択されたメモリセルのトランジスタ492を導通状態は、FN2が保持する状態によって決まる。ビット線BL[n−1]に接続される選択メモリセルのFN2には、電位V3が書き込まれているので、トランジスタ492は非導通状態となる。その結果、フローティング状態となっているビット線BL[n−1]の電位は保持される。一方、ビット線BL[n]に接続される選択メモリセルのFN2には、電位V2が書き込まれているので、トランジスタ492は非導通状態となる。その結果、フローティング状態となっているビット線BL[n]の電位は保持される。 In the period p42 shown in FIG. 8, by applying VC2 (1) to the read word line RW2 [m−1], the transistor 492_2 becomes conductive in a state where V4 is written to FN2 of the selected memory cell, and otherwise In this state, the transistor 492_2 is turned off (state Read2 (1)). Note that VC1_H is supplied to the read word line RW1 [m−1]; thus, the transistor 492_1 of the selected memory cell remains in a conductive state. Accordingly, the conduction state of the transistor 492 of the selected memory cell is determined by the state held by FN2. Since the potential V3 is written to FN2 of the selected memory cell connected to the bit line BL [n-1], the transistor 492 is turned off. As a result, the potential of the bit line BL [n−1] in the floating state is held. On the other hand, since the potential V2 is written to FN2 of the selected memory cell connected to the bit line BL [n], the transistor 492 is turned off. As a result, the potential of the bit line BL [n] in a floating state is held.

図8に示す期間p43では、読み出しワード線RW2[m−1]にVC2_Lを与えることで、選択されたメモリセルのトランジスタ492_2を非導通状態とする(状態Off2)。従って、選択されたメモリセルのトランジスタ492は非導通状態となる。その結果、ビット線BL[n−1]とビット線BL[n]では、直前の期間の電位が保持される。期間p42もしくは期間p43において、ビット線BL[n−1]とビット線BL[n]の電位を読み出し回路で検知することで、読み出しを行うことができる。 In a period p43 illustrated in FIG. 8, VC2_L is supplied to the read word line RW2 [m−1], so that the transistor 492_2 of the selected memory cell is turned off (state Off2). Accordingly, the transistor 492 of the selected memory cell is turned off. As a result, the potential of the immediately preceding period is held in the bit line BL [n−1] and the bit line BL [n]. In the period p42 or the period p43, reading can be performed by detecting the potentials of the bit line BL [n−1] and the bit line BL [n] with a reading circuit.

図8に示す期間p44乃至p46は、期間p41乃至期間p43と同様な動作を行う。ただし、読み出しワード線RW2[m−1]にVC2(1)の代わりにVC2(2)を与える。読み出しワード線RW2[m−1]にVC2(2)を与えると、選択されたメモリセルのFN2にV3もしくはV4を書き込んだ状態において、トランジスタ492_2が導通し、それ以外の状態において、トランジスタ492_2が非導通となる。ビット線BL[n−1]に接続される選択メモリセルのFN2には、電位V3が書き込まれているので、トランジスタ492は導通状態となる。ビット線BL[n]に接続される選択メモリセルのFN2には、電位V2が書き込まれているので、トランジスタ492は非導通状態となる。その結果、期間p45において、ビット線BL[n−1]の電位はVprechargeからVS0に変化する。ビット線BL[n]の電位は保持される。 In the periods p44 to p46 illustrated in FIG. 8, operations similar to those in the periods p41 to p43 are performed. However, VC2 (2) is applied to the read word line RW2 [m−1] instead of VC2 (1). When VC2 (2) is applied to the read word line RW2 [m−1], the transistor 492_2 is turned on when V3 or V4 is written to the FN2 of the selected memory cell, and the transistor 492_2 is turned on in other states. Non-conducting. Since the potential V3 is written to FN2 of the selected memory cell connected to the bit line BL [n-1], the transistor 492 is turned on. Since the potential V2 is written to FN2 of the selected memory cell connected to the bit line BL [n], the transistor 492 is turned off. As a result, in the period p45, the potential of the bit line BL [n−1] changes from V precharge to VS0. The potential of the bit line BL [n] is maintained.

図8に示す期間p47乃至p49は、期間p41乃至期間p43と同様な動作を行う。ただし、読み出しワード線RW2[m−1]にVC2(1)の代わりにVC2(3)を与える。読み出しワード線RW2[m−1]にVC2(3)を与えると、選択されたメモリセルのFN2にV2、V3もしくはV4を書き込んだ状態において、トランジスタ492_2が導通し、それ以外の状態において、トランジスタ492_2が非導通となる。ビット線BL[n−1]に接続される選択メモリセルのFN2には、電位V3が書き込まれているので、トランジスタ492は導通状態となる。ビット線BL[n]に接続される選択メモリセルのFN2には、電位V2が書き込まれているので、トランジスタ492は導通状態となる。その結果、期間p48において、ビット線BL[n−1]の電位はVprechargeからVS0に変化する。ビット線BL[n]の電位はVprechargeからVS0に変化する。 In the periods p47 to p49 shown in FIG. 8, operations similar to those in the periods p41 to p43 are performed. However, VC2 (3) is applied to the read word line RW2 [m−1] instead of VC2 (1). When VC2 (3) is applied to the read word line RW2 [m−1], the transistor 492_2 becomes conductive when V2, V3, or V4 is written to the FN2 of the selected memory cell, and in other states, the transistor 492_2 492_2 becomes non-conductive. Since the potential V3 is written to FN2 of the selected memory cell connected to the bit line BL [n-1], the transistor 492 is turned on. Since the potential V2 is written to FN2 of the selected memory cell connected to the bit line BL [n], the transistor 492 is turned on. As a result, in the period p48, the potential of the bit line BL [n−1] changes from V precharge to VS0. The potential of the bit line BL [n] changes from V precharge to VS0.

以上、期間p31乃至p39、およびp41乃至p49で説明したデータの読み出しにより、図6に示すメモリセルアレイに格納されたデータが読み出される。読み出し回路において、ビット線電位がVrefより高い場合を”1”、低い場合を”0”とすると、図8に示したタイミングチャートの結果、ビット線BL[n−1]に接続される読み出し回路は、”0” 、”0” 、”0” 、”1” 、”0” 、”0”を読み出す。前半の3つの値は、選択されたメモリセルのFN1にV4が書き込まれていることを表し、後半の3つの値は、選択されたメモリセルのFN2にV3が書き込まれていることを表す。ビット線BL[n]に接続される読み出し回路は、”1” 、”1” 、”1” 、”1” 、”1” 、”0”を読み出す。前半の3つの値は、選択されたメモリセルのFN1にV1が書き込まれていることを表し、後半の3つの値は、選択されたメモリセルのFN2にV2が書き込まれていることを表す。 As described above, the data stored in the memory cell array illustrated in FIG. 6 is read by reading the data described in the periods p31 to p39 and p41 to p49. In the read circuit, when the bit line potential is higher than Vref and “1”, and when the bit line potential is lower than “0”, the read circuit connected to the bit line BL [n−1] as a result of the timing chart shown in FIG. Reads “0”, “0”, “0”, “1”, “0”, “0”. The first three values indicate that V4 is written in FN1 of the selected memory cell, and the latter three values indicate that V3 is written in FN2 of the selected memory cell. The read circuit connected to the bit line BL [n] reads “1”, “1”, “1”, “1”, “1”, “0”. The first three values indicate that V1 is written in FN1 of the selected memory cell, and the latter three values indicate that V2 is written in FN2 of the selected memory cell.

このように、図6に示したメモリセルアレイにおいて、FN1、FN2に、それぞれ4種類の電位V1、V2、V3、V4(V1<V2<V3<V4とする)を書き込み、読み出すことが可能である。FN1とFN2に書き込む状態は独立であるから、メモリセルは16値の多値を実現している。なお、FN1、FN2に、それぞれ4種類の電位を書き込む例を示したが、本発明はこれに限らず、さまざまな多値を実現することができる。 As described above, in the memory cell array shown in FIG. 6, four kinds of potentials V1, V2, V3, and V4 (V1 <V2 <V3 <V4) can be written to and read from FN1 and FN2, respectively. . Since the states of writing to FN1 and FN2 are independent, the memory cell realizes 16-value multivalue. Note that although four types of potentials are written in FN1 and FN2, respectively, the present invention is not limited to this, and various multivalues can be realized.

上述した半導体装置(メモリセル)によって、面積を縮小したメモリセルを実現できる。その結果、記憶密度を向上した半導体装置や、記憶容量を向上した半導体装置を提供することができる。 With the semiconductor device (memory cell) described above, a memory cell with a reduced area can be realized. As a result, a semiconductor device with improved storage density and a semiconductor device with improved storage capacity can be provided.

(実施の形態2)
本発明の一態様に係る半導体装置の構成の一例について、図9を用いながら説明する。
(Embodiment 2)
An example of a structure of the semiconductor device according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図9に半導体装置の構成の一例を示す。図9に示す半導体装置600は、記憶装置として機能することが可能な半導体装置の一例である。半導体装置600は、メモリセルアレイ610、ローデコーダ621、ワード線ドライバ回路622、ビット線ドライバ回路630、出力回路640、コントロールロジック回路660、電源回路670を有する。 FIG. 9 illustrates an example of a structure of a semiconductor device. A semiconductor device 600 illustrated in FIG. 9 is an example of a semiconductor device that can function as a memory device. The semiconductor device 600 includes a memory cell array 610, a row decoder 621, a word line driver circuit 622, a bit line driver circuit 630, an output circuit 640, a control logic circuit 660, and a power supply circuit 670.

メモリセルアレイ610は、上述したメモリセルを有する。ビット線ドライバ回路630は、カラムデコーダ631、プリチャージ回路632、読み出し回路633、および書き込み回路634を有する。プリチャージ回路632は、ビット線をプリチャージする機能を有する。読み出し回路633は、ビット線の電位を検知し、メモリセルからデータを読み出す機能を有する。読み出された信号は、出力回路640を介して、デジタルのデータ信号RDATAとして半導体装置600の外部に出力される。 The memory cell array 610 includes the memory cells described above. The bit line driver circuit 630 includes a column decoder 631, a precharge circuit 632, a read circuit 633, and a write circuit 634. The precharge circuit 632 has a function of precharging the bit line. The reading circuit 633 has a function of detecting the potential of the bit line and reading data from the memory cell. The read signal is output to the outside of the semiconductor device 600 through the output circuit 640 as a digital data signal RDATA.

また、半導体装置600には、外部から電源電圧として低電源電圧(VSS)、高電源電圧(VDD)等が供給される。 The semiconductor device 600 is supplied with a low power supply voltage (VSS), a high power supply voltage (VDD), or the like as a power supply voltage from outside.

また、半導体装置600には、制御信号(CE、WE、RE)、アドレス信号ADDR、データ信号WDATA等が外部から入力される。ADDRは、ローデコーダ621およびカラムデコーダ631に入力され、WDATAは書き込み回路634に入力される。 Further, control signals (CE, WE, RE), an address signal ADDR, a data signal WDATA, and the like are input to the semiconductor device 600 from the outside. ADDR is input to the row decoder 621 and the column decoder 631, and WDATA is input to the write circuit 634.

コントロールロジック回路660は、外部からの入力信号(CE、WE、RE)を処理して、ローデコーダ621、カラムデコーダ631、電源回路670の制御信号等を生成する。CEは、チップイネーブル信号であり、WEは、書き込みイネーブル信号であり、REは、読み出しイネーブル信号である。コントロールロジック回路660が処理する信号は、これに限定されるものではなく、必要に応じて、他の制御信号を入力すればよい。 The control logic circuit 660 processes input signals (CE, WE, RE) from the outside to generate control signals for the row decoder 621, the column decoder 631, the power supply circuit 670, and the like. CE is a chip enable signal, WE is a write enable signal, and RE is a read enable signal. The signal processed by the control logic circuit 660 is not limited to this, and other control signals may be input as necessary.

読み出し回路633は、センスアンプを有し、電位Vrefとビット線電位とを比較してもよい。また、データ変換を行う論理回路を有し、読み出したデータを、出力するフォーマットに変換しても良い。書き込み回路634は、データ変換を行う論理回路を有し、入力されたデータWDATAを、書き込みを行うフォーマットに変換しても良い。 The read circuit 633 may include a sense amplifier and compare the potential Vref with the bit line potential. Further, a logic circuit that performs data conversion may be provided, and the read data may be converted into an output format. The writing circuit 634 may include a logic circuit that performs data conversion, and may convert the input data WDATA into a format for writing.

電源回路670は、VDD、VSSあるいは他の高電源電圧を入力して、読み出し動作、書き込み動作に必要な電位を生成し、出力する。
例えば、上述した16値のメモリセルへの書き込みおよび読み出しを行う場合、V1、V2、V3、V4、VG1_H、VG1_L、VG2_H、VG2_L、VC1_H、VC1_L、VC2_H、VC2_L、VC1(1)、VC1(2)、VC1(3)、VC2(1)、VC2(2)、VC2(3)等を生成しても良い。
The power supply circuit 670 receives VDD, VSS, or another high power supply voltage, generates a potential necessary for a read operation and a write operation, and outputs the potential.
For example, when writing to and reading from the 16-value memory cells described above, V1, V2, V3, V4, VG1_H, VG1_L, VG2_H, VG2_L, VC1_H, VC1_L, VC2_H, VC2_L, VC1 (1), VC1 (2) ), VC1 (3), VC2 (1), VC2 (2), VC2 (3), and the like.

なお、上述の各回路あるいは各信号は、必要に応じて、適宜、取捨することができる。 Note that the above-described circuits or signals can be appropriately discarded as necessary.

半導体装置600は、上述したメモリセルを有することで、面積を縮小したメモリセルを有する半導体装置、記憶密度を向上した半導体装置、記憶容量を向上した半導体装置、或いは小型の半導体装置を提供することができる。 The semiconductor device 600 provides the above-described memory cell to provide a semiconductor device having a memory cell with a reduced area, a semiconductor device with improved storage density, a semiconductor device with improved storage capacity, or a small semiconductor device. Can do.

なお、メモリセルアレイ610以外の回路は、nチャネル型Siトランジスタとpチャネル型Siトランジスタを有していても良い。酸化物半導体を用いたトランジスタを用いない領域は、メモリセルアレイ610の下側に積層して配置することができる。その結果、より小さい記憶装置を作製できる。 Note that circuits other than the memory cell array 610 may include an n-channel Si transistor and a p-channel Si transistor. The region where the transistor including an oxide semiconductor is not used can be stacked under the memory cell array 610. As a result, a smaller memory device can be manufactured.

また、メモリセルアレイ610以外の回路は、酸化物半導体を用いたトランジスタとpチャネル型Siトランジスタを有していても良い。上述した酸化物半導体を用いたトランジスタは低いオフ電流と高いオン電流を有するため、pチャネル型Siトランジスタと組み合わせてCMOS回路を構成しても、低いリーク電流と高速動作を両立することができる。特に、全てのnチャネル型トランジスタを酸化物半導体を用いたトランジスタとすることで、nチャネル型Siトランジスタを作製する必要がなく、工程が簡略化され、歩留まりの向上とプロセスコストの低減が可能となる。 A circuit other than the memory cell array 610 may include a transistor including an oxide semiconductor and a p-channel Si transistor. Since the above-described transistor using an oxide semiconductor has a low off-state current and a high on-state current, a low leakage current and a high-speed operation can be compatible even when a CMOS circuit is configured in combination with a p-channel Si transistor. In particular, since all n-channel transistors are formed using oxide semiconductors, it is not necessary to fabricate n-channel Si transistors, the process is simplified, and the yield can be improved and the process cost can be reduced. Become.

なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments described in this specification as appropriate.

(実施の形態3)
トランジスタ490、491、或いは492は、様々な構造をとりうる。本実施の形態では、理解を容易にするため、トランジスタ490と、その近傍の領域についてのみ抜き出し、図10乃至図11に示す。
(Embodiment 3)
The transistors 490, 491, and 492 can have various structures. In this embodiment, in order to facilitate understanding, only the transistor 490 and a region in the vicinity thereof are extracted and illustrated in FIGS.

図10(A)は、トランジスタ490の上面図の一例である。図10(A)の一点鎖線E1−E2および一点鎖線E3−E4で切断した断面図の一例を図10(B)に示す。なお、図10(A)では、理解を容易にするため、絶縁体などの一部を省略して示す。 FIG. 10A is an example of a top view of the transistor 490. FIG. FIG. 10B illustrates an example of a cross-sectional view taken along one-dot chain line E1-E2 and one-dot chain line E3-E4 in FIG. Note that in FIG. 10A, part of the insulator and the like is omitted for easy understanding.

図3などではソース電極およびドレイン電極として機能する導電体416aおよび導電体416bが半導体406bの上面および側面、絶縁体432の上面などと接する例を示したが、本発明の一態様に係るトランジスタの構造はこれに限定されない。例えば、図10に示すように、導電体416aおよび導電体416bが半導体406bの上面のみと接する構造であっても構わない。 Although FIGS. 3A and 3B and the like illustrate the example in which the conductors 416a and 416b functioning as the source electrode and the drain electrode are in contact with the top and side surfaces of the semiconductor 406b, the top surface of the insulator 432, and the like, The structure is not limited to this. For example, as illustrated in FIG. 10, the conductor 416a and the conductor 416b may be in contact with only the top surface of the semiconductor 406b.

図10に示すトランジスタは、導電体416aおよび導電体416bは、半導体406bの側面と接しない。従って、ゲート電極としての機能を有する導電体404から半導体406bの側面に向けて印加される電界が、導電体416aおよび導電体416bによって遮蔽されにくい構造である。また、導電体416aおよび導電体416bは、絶縁体432の上面と接しない。そのため、絶縁体432から放出される過剰酸素(酸素)が416aおよび導電体416bを酸化させるために消費されない。従って、絶縁体432から放出される過剰酸素(酸素)を、半導体406bの酸素欠損を低減するために効率的に利用することのできる構造である。即ち、図10に示す構造のトランジスタは、高いオン電流、高い電界効果移動度、低いサブスレッショルドスイング値、高い信頼性などを有する優れた電気特性のトランジスタである。 In the transistor illustrated in FIGS. 10A and 10B, the conductor 416a and the conductor 416b are not in contact with the side surface of the semiconductor 406b. Therefore, an electric field applied from the conductor 404 functioning as a gate electrode toward the side surface of the semiconductor 406b is difficult to be shielded by the conductor 416a and the conductor 416b. Further, the conductor 416 a and the conductor 416 b are not in contact with the upper surface of the insulator 432. Therefore, excess oxygen (oxygen) released from the insulator 432 is not consumed because the 416a and the conductor 416b are oxidized. Therefore, excess oxygen (oxygen) released from the insulator 432 can be efficiently used to reduce oxygen vacancies in the semiconductor 406b. In other words, the transistor having the structure illustrated in FIGS. 10A and 10B is a transistor with excellent electric characteristics such as a high on-state current, a high field effect mobility, a low subthreshold swing value, and a high reliability.

図11(A)は、トランジスタ490の上面図の一例である。図11(A)の一点鎖線G1−G2および一点鎖線G3−G4で切断した断面図の一例を図11(B)に示す。なお、図11(A)では、理解を容易にするため、絶縁体などの一部を省略して示す。 FIG. 11A is an example of a top view of the transistor 490. FIG. FIG. 11B illustrates an example of a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line G1-G2 and the dashed-dotted line G3-G4 in FIG. Note that in FIG. 11A, part of an insulator or the like is omitted for easy understanding.

図11(A)および図11(B)に示すトランジスタ490は、絶縁体442上の導電体421と、絶縁体442上および導電体421上の凸部を有する絶縁体432と、絶縁体432の凸部上の半導体406aと、半導体406a上の半導体406bと、半導体406b上の半導体406cと、半導体406a、半導体406bおよび半導体406cと接し、間隔を開けて配置された導電体416aおよび導電体416bと、半導体406c上、導電体416a上および導電体416b上の絶縁体411と、絶縁体411上の導電体426と、導電体416a上、導電体416b上、絶縁体411上および導電体426上の絶縁体452と、絶縁体452上の絶縁体462と、を有する。 A transistor 490 illustrated in FIGS. 11A and 11B includes a conductor 421 over the insulator 442, an insulator 432 having a protrusion over the insulator 442 and the conductor 421, and the insulator 432. A semiconductor 406a on the protrusion, a semiconductor 406b on the semiconductor 406a, a semiconductor 406c on the semiconductor 406b, and a conductor 416a and a conductor 416b which are in contact with the semiconductor 406a, the semiconductor 406b, and the semiconductor 406c and are spaced apart from each other. , On the semiconductor 406c, on the conductor 416a and on the conductor 416b, on the conductor 426 on the insulator 411, on the conductor 416a, on the conductor 416b, on the insulator 411, and on the conductor 426 An insulator 452 and an insulator 462 over the insulator 452 are provided.

なお、絶縁体411は、G3−G4断面において、少なくとも半導体406bの側面と接する。また、導電体426は、G3−G4断面において、少なくとも絶縁体411を介して半導体406bの上面および側面と面する。また、導電体421は、絶縁体432を介して半導体406bの下面と面する。また、絶縁体432が凸部を有さなくても構わない。また、半導体406cを有さなくても構わない。また、絶縁体452を有さなくても構わない。また、絶縁体462を有さなくても構わない。 Note that the insulator 411 is in contact with at least the side surface of the semiconductor 406b in the G3-G4 cross section. In addition, the conductor 426 faces the upper surface and the side surface of the semiconductor 406b through at least the insulator 411 in the G3-G4 cross section. The conductor 421 faces the lower surface of the semiconductor 406b with the insulator 432 interposed therebetween. Further, the insulator 432 may not have a convex portion. Further, the semiconductor 406c may not be provided. Further, the insulator 452 is not necessarily provided. Further, the insulator 462 is not necessarily provided.

図11に示すトランジスタ490は、図3に示したトランジスタ490と一部の構造が異なるのみである。具体的には、図3に示したトランジスタ490の半導体406a、半導体406bおよび半導体406cの構造と、図11に示すトランジスタ490の半導体406a、半導体406bおよび半導体406cの構造が異なる。また、導電体421の有無が異なる。従って、図11に示すトランジスタは、図4に示したトランジスタについての説明を適宜参照することができる。 A transistor 490 illustrated in FIG. 11 is different from the transistor 490 illustrated in FIG. Specifically, the structures of the semiconductor 406a, the semiconductor 406b, and the semiconductor 406c of the transistor 490 illustrated in FIG. 3 are different from the structures of the semiconductor 406a, the semiconductor 406b, and the semiconductor 406c of the transistor 490 illustrated in FIG. Further, the presence or absence of the conductor 421 is different. Therefore, the description of the transistor illustrated in FIG. 4 can be referred to for the transistor illustrated in FIG. 11 as appropriate.

(実施の形態4)
以下では、半導体406a、半導体406b、半導体406c、半導体407a、半導体407b、半導体407c、半導体408a、半導体408b、半導体408c、などに適用可能な酸化物半導体の構造について説明する。なお、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。
(Embodiment 4)
The structures of oxide semiconductors that can be used for the semiconductor 406a, the semiconductor 406b, the semiconductor 406c, the semiconductor 407a, the semiconductor 407b, the semiconductor 407c, the semiconductor 408a, the semiconductor 408b, the semiconductor 408c, and the like are described below. Note that in this specification, when a crystal is trigonal or rhombohedral, it is represented as a hexagonal system.

酸化物半導体は、非単結晶酸化物半導体と単結晶酸化物半導体とに大別される。非単結晶酸化物半導体とは、CAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)、多結晶酸化物半導体、微結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体などをいう。 An oxide semiconductor is classified roughly into a non-single-crystal oxide semiconductor and a single-crystal oxide semiconductor. The non-single-crystal oxide semiconductor refers to a CAAC-OS (C Axis Crystalline Oxide Semiconductor), a polycrystalline oxide semiconductor, a microcrystalline oxide semiconductor, an amorphous oxide semiconductor, or the like.

まずは、CAAC−OSについて説明する。 First, the CAAC-OS will be described.

CAAC−OSは、c軸配向した複数の結晶部を有する酸化物半導体の一つである。 The CAAC-OS is one of oxide semiconductors having a plurality of c-axis aligned crystal parts.

CAAC−OSを透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)によって観察すると、明確な結晶部同士の境界、即ち結晶粒界(グレインバウンダリーともいう。)を確認することができない。そのため、CAAC−OSは、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。 When the CAAC-OS is observed with a transmission electron microscope (TEM), a clear boundary between crystal parts, that is, a grain boundary (also referred to as a grain boundary) cannot be confirmed. Therefore, it can be said that the CAAC-OS does not easily lower the electron mobility due to the crystal grain boundary.

CAAC−OSを、試料面と概略平行な方向からTEMによって観察(断面TEM観察)すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は、CAAC−OSを形成する面(被形成面ともいう。)または上面の凹凸を反映した形状であり、CAAC−OSの被形成面または上面と平行に配列する。 When CAAC-OS is observed by TEM (cross-sectional TEM observation) from a direction substantially parallel to the sample surface, it can be confirmed that metal atoms are arranged in a layered manner in the crystal part. Each layer of metal atoms has a shape reflecting unevenness of a surface (also referred to as a formation surface) or an upper surface where a CAAC-OS is formed, and is arranged in parallel with the formation surface or the upper surface of the CAAC-OS.

一方、CAAC−OSを、試料面と概略垂直な方向からTEMによって観察(平面TEM観察)すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列は必ずしも規則的に配列しているとは限らない。 On the other hand, when CAAC-OS is observed by TEM (planar TEM observation) from a direction substantially perpendicular to the sample surface, it can be confirmed that metal atoms are arranged in a triangular shape or a hexagonal shape in a crystal part. However, the arrangement of metal atoms is not necessarily arranged regularly between different crystal parts.

図12(a)は、CAAC−OSの断面TEM像である。また、図12(b)は、図12(a)をさらに拡大した断面TEM像であり、理解を容易にするために原子配列を強調表示している。 FIG. 12A is a cross-sectional TEM image of the CAAC-OS. FIG. 12B is a cross-sectional TEM image obtained by further enlarging FIG. 12A, and the atomic arrangement is highlighted for easy understanding.

図12(c)は、図12(a)のA−O−A’間において、丸で囲んだ領域(直径約4nm)の局所的なフーリエ変換像である。図12(c)より、各領域においてc軸配向性が確認できる。また、A−O間とO−A’間とでは、c軸の向きが異なるため、異なるグレインであることが示唆される。また、A−O間では、c軸の角度が14.3°、16.6°、26.4°のように少しずつ連続的に変化していることがわかる。同様に、O−A’間では、c軸の角度が−18.3°、−17.6°、−15.9°と少しずつ連続的に変化していることがわかる。 FIG. 12C is a local Fourier transform image of a circled region (diameter approximately 4 nm) between A-O-A ′ in FIG. From FIG. 12C, the c-axis orientation can be confirmed in each region. Further, since the direction of the c-axis is different between A-O and O-A ′, it is suggested that the grains are different. Further, it can be seen that the angle of the c-axis continuously changes little by little, such as 14.3 °, 16.6 °, and 26.4 ° between A and O. Similarly, it can be seen that the angle of the c-axis continuously changes little by little between −18.3 °, −17.6 °, and −15.9 ° between O and A ′.

なお、CAAC−OSに対し、電子回折を行うと、配向性を示すスポット(輝点)が観測される。例えば、CAAC−OSの上面に対し、例えば1nm以上30nm以下の電子線を用いる電子回折(ナノビーム電子回折ともいう。)を行うと、スポットが観測される(図13(A)参照。)。 Note that when electron diffraction is performed on the CAAC-OS, spots (bright spots) indicating orientation are observed. For example, when electron diffraction (also referred to as nanobeam electron diffraction) using an electron beam of 1 nm to 30 nm is performed on the top surface of the CAAC-OS, spots are observed (see FIG. 13A).

断面TEM観察および平面TEM観察より、CAAC−OSの結晶部は配向性を有していることがわかる。 From the cross-sectional TEM observation and the planar TEM observation, it is found that the crystal part of the CAAC-OS has orientation.

なお、CAAC−OSに含まれるほとんどの結晶部は、一辺が100nm未満の立方体内に収まる大きさである。従って、CAAC−OSに含まれる結晶部は、一辺が10nm未満、5nm未満または3nm未満の立方体内に収まる大きさの場合も含まれる。ただし、CAAC−OSに含まれる複数の結晶部が連結することで、一つの大きな結晶領域を形成する場合がある。例えば、平面TEM像において、2500nm以上、5μm以上または1000μm以上となる結晶領域が観察される場合がある。 Note that most crystal parts included in the CAAC-OS are large enough to fit in a cube whose one side is less than 100 nm. Therefore, a case where a crystal part included in the CAAC-OS fits in a cube whose one side is less than 10 nm, less than 5 nm, or less than 3 nm is included. Note that a large crystal region may be formed when a plurality of crystal parts included in the CAAC-OS are connected to each other. For example, in a planar TEM image, a crystal region that is 2500 nm 2 or more, 5 μm 2 or more, or 1000 μm 2 or more may be observed.

CAAC−OSに対し、X線回折(XRD:X−Ray Diffraction)装置を用いて構造解析を行うと、例えばInGaZnOの結晶を有するCAAC−OSのout−of−plane法による解析では、回折角(2θ)が31°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、InGaZnOの結晶の(009)面に帰属されることから、CAAC−OSの結晶がc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に概略垂直な方向を向いていることが確認できる。 When structural analysis is performed on the CAAC-OS using an X-ray diffraction (XRD) apparatus, for example, in the analysis of the CAAC-OS having an InGaZnO 4 crystal by an out-of-plane method, the diffraction angle A peak may appear in the vicinity of (2θ) of 31 °. Since this peak is attributed to the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal, the CAAC-OS crystal has c-axis orientation, and the c-axis is oriented substantially perpendicular to the formation surface or the top surface. It can be confirmed.

一方、CAAC−OSに対し、c軸に概略垂直な方向からX線を入射させるin−plane法による解析では、2θが56°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、InGaZnOの結晶の(110)面に帰属される。InGaZnOの単結晶酸化物半導体であれば、2θを56°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)として試料を回転させながら分析(φスキャン)を行うと、(110)面と等価な結晶面に帰属されるピークが6本観察される。これに対し、CAAC−OSの場合は、2θを56°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。 On the other hand, when the CAAC-OS is analyzed by an in-plane method in which X-rays are incident from a direction substantially perpendicular to the c-axis, a peak may appear when 2θ is around 56 °. This peak is attributed to the (110) plane of the InGaZnO 4 crystal. In the case of an InGaZnO 4 single crystal oxide semiconductor, analysis (φ scan) is performed when 2θ is fixed in the vicinity of 56 ° and the sample is rotated with the normal vector of the sample surface as the axis (φ axis). Six peaks attributed to the crystal plane equivalent to the () plane are observed. On the other hand, in the case of a CAAC-OS, a clear peak does not appear even when φ scan is performed with 2θ fixed at around 56 °.

以上のことから、CAAC−OSでは、異なる結晶部間ではa軸およびb軸の配向は不規則であるが、c軸配向性を有し、かつc軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていることがわかる。従って、前述の断面TEM観察で確認された層状に配列した金属原子の各層は、結晶のab面に平行な面である。 From the above, in the CAAC-OS, the orientations of the a-axis and the b-axis are irregular between different crystal parts, but have c-axis orientation, and the c-axis is a normal vector of a formation surface or an upper surface. It can be seen that it faces in a direction parallel to. Therefore, each layer of metal atoms arranged in a layer shape confirmed by the above-mentioned cross-sectional TEM observation is a plane parallel to the ab plane of the crystal.

なお、結晶部は、CAAC−OSを成膜した際、または加熱処理などの結晶化処理を行った際に形成される。上述したように、結晶のc軸は、CAAC−OSの被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。従って、例えば、CAAC−OSの形状をエッチングなどによって変化させた場合、結晶のc軸がCAAC−OSの被形成面または上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。 Note that the crystal part is formed when a CAAC-OS film is formed or when a crystallization treatment such as a heat treatment is performed. As described above, the c-axis of the crystal is oriented in a direction parallel to the normal vector of the formation surface or the top surface of the CAAC-OS. Therefore, for example, when the shape of the CAAC-OS is changed by etching or the like, the c-axis of the crystal may not be parallel to the normal vector of the formation surface or the top surface of the CAAC-OS.

また、CAAC−OS中において、c軸配向した結晶部の分布が均一でなくてもよい。例えば、CAAC−OSの結晶部が、CAAC−OSの上面近傍からの結晶成長によって形成される場合、上面近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりもc軸配向した結晶部の割合が高くなることがある。また、不純物の添加されたCAAC−OSは、不純物が添加された領域が変質し、部分的にc軸配向した結晶部の割合の異なる領域が形成されることもある。 In the CAAC-OS, the distribution of c-axis aligned crystal parts is not necessarily uniform. For example, in the case where the crystal part of the CAAC-OS is formed by crystal growth from the vicinity of the upper surface of the CAAC-OS, the area near the upper surface has a higher ratio of c-axis aligned crystal parts than the area near the formation surface. May be. In addition, in the CAAC-OS to which an impurity is added, a region to which the impurity is added may be changed, and a region having a different ratio of partially c-axis aligned crystal parts may be formed.

なお、InGaZnOの結晶を有するCAAC−OSのout−of−plane法による解析では、2θが31°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現れる場合がある。2θが36°近傍のピークは、CAAC−OS中の一部に、c軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。CAAC−OSは、2θが31°近傍にピークを示し、2θが36°近傍にピークを示さないことが好ましい。 Note that in the analysis of the CAAC-OS including an InGaZnO 4 crystal by an out-of-plane method, a peak may also appear when 2θ is around 36 ° in addition to the peak where 2θ is around 31 °. A peak at 2θ of around 36 ° indicates that a crystal having no c-axis alignment is included in part of the CAAC-OS. The CAAC-OS preferably has a peak at 2θ of around 31 ° and a peak at 2θ of around 36 °.

CAAC−OSは、不純物濃度の低い酸化物半導体である。不純物は、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体の主成分以外の元素である。特に、シリコンなどの、酸化物半導体を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径(または分子半径)が大きいため、酸化物半導体内部に含まれると、酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。 The CAAC-OS is an oxide semiconductor with a low impurity concentration. The impurity is an element other than the main component of the oxide semiconductor, such as hydrogen, carbon, silicon, or a transition metal element. In particular, an element such as silicon, which has a stronger bonding force with oxygen than a metal element included in an oxide semiconductor, disturbs the atomic arrangement of the oxide semiconductor by depriving the oxide semiconductor of oxygen, thereby reducing crystallinity. It becomes a factor. In addition, heavy metals such as iron and nickel, argon, carbon dioxide, etc. have large atomic radii (or molecular radii). If they are contained inside an oxide semiconductor, the atomic arrangement of the oxide semiconductor is disturbed and the crystallinity is lowered. It becomes a factor to make. Note that the impurity contained in the oxide semiconductor might serve as a carrier trap or a carrier generation source.

また、CAAC−OSは、欠陥準位密度の低い酸化物半導体である。例えば、酸化物半導体中の酸素欠損は、キャリアトラップとなることや、水素を捕獲することによってキャリア発生源となることがある。 A CAAC-OS is an oxide semiconductor with a low density of defect states. For example, oxygen vacancies in an oxide semiconductor can serve as a carrier trap or a carrier generation source by capturing hydrogen.

不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い(酸素欠損の少ない)ことを、高純度真性または実質的に高純度真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。従って、当該酸化物半導体を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性(ノーマリーオンともいう。)になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体は、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半導体を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。なお、酸化物半導体のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。 A low impurity concentration and a low density of defect states (small number of oxygen vacancies) is called high purity intrinsic or substantially high purity intrinsic. A highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor has few carrier generation sources, and thus can have a low carrier density. Therefore, a transistor including the oxide semiconductor rarely has electrical characteristics (also referred to as normally-on) in which the threshold voltage is negative. An oxide semiconductor that is highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic has few carrier traps. Therefore, a transistor including the oxide semiconductor is a highly reliable transistor with little variation in electrical characteristics. Note that the charge trapped in the carrier trap of the oxide semiconductor takes a long time to be released, and may behave as if it were a fixed charge. Therefore, a transistor including an oxide semiconductor with a high impurity concentration and a high density of defect states may have unstable electrical characteristics.

また、CAAC−OSを用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。 In addition, a transistor using a CAAC-OS has little change in electrical characteristics due to irradiation with visible light or ultraviolet light.

次に、微結晶酸化物半導体について説明する。 Next, a microcrystalline oxide semiconductor will be described.

微結晶酸化物半導体は、TEMによる観察像では、明確に結晶部を確認することができない場合がある。微結晶酸化物半導体に含まれる結晶部は、1nm以上100nm以下、または1nm以上10nm以下の大きさであることが多い。特に、1nm以上10nm以下、または1nm以上3nm以下の微結晶であるナノ結晶(nc:nanocrystal)を有する酸化物半導体を、nc−OS(nanocrystalline Oxide Semiconductor)と呼ぶ。また、nc−OSは、例えば、TEMによる観察像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。 In a microcrystalline oxide semiconductor, a crystal part may not be clearly observed in an observation image using a TEM. In most cases, a crystal part included in the microcrystalline oxide semiconductor has a size of 1 nm to 100 nm, or 1 nm to 10 nm. In particular, an oxide semiconductor including a nanocrystal (nc) that is a microcrystal of 1 nm to 10 nm or 1 nm to 3 nm is referred to as an nc-OS (nanocrystalline Oxide Semiconductor). In addition, for example, the nc-OS may not clearly confirm the crystal grain boundary in an observation image obtained by a TEM.

nc−OSは、微小な領域(例えば、1nm以上10nm以下の領域、特に1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc−OSは、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、層全体で配向性が見られない。従って、nc−OSは、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。例えば、nc−OSに対し、結晶部よりも大きい径のX線を用いるXRD装置を用いて構造解析を行うと、out−of−plane法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、nc−OSに対し、結晶部よりも大きいプローブ径(例えば50nm以上)の電子線を用いる電子回折(制限視野電子回折ともいう。)を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、nc−OSに対し、結晶部の大きさと近いか結晶部より小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、nc−OSに対しナノビーム電子回折を行うと、円を描くように(リング状に)輝度の高い領域が観測される場合がある。また、nc−OSに対しナノビーム電子回折を行うと、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある(図13(B)参照。)。 The nc-OS has periodicity in atomic arrangement in a minute region (for example, a region of 1 nm to 10 nm, particularly a region of 1 nm to 3 nm). In the nc-OS, regularity is not observed in crystal orientation between different crystal parts. Therefore, orientation is not seen in the whole layer. Therefore, the nc-OS may not be distinguished from an amorphous oxide semiconductor depending on an analysis method. For example, when structural analysis is performed on the nc-OS using an XRD apparatus using X-rays having a diameter larger than that of the crystal part, a peak indicating a crystal plane is not detected in the analysis by the out-of-plane method. When nc-OS is subjected to electron diffraction (also referred to as limited-field electron diffraction) using an electron beam with a larger probe diameter (eg, 50 nm or more) than the crystal part, a diffraction pattern such as a halo pattern is observed. The On the other hand, when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS using an electron beam having a probe diameter that is close to or smaller than that of the crystal part, spots are observed. Further, when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS, a region with high luminance may be observed like a circle (in a ring shape). Further, when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS, a plurality of spots may be observed in the ring-shaped region (see FIG. 13B).

nc−OSは、非晶質酸化物半導体よりも規則性の高い酸化物半導体である。そのため、nc−OSは、非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、nc−OSは、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、nc−OSは、CAAC−OSと比べて欠陥準位密度が高くなる。 The nc-OS is an oxide semiconductor that has higher regularity than an amorphous oxide semiconductor. Therefore, the nc-OS has a lower density of defect states than an amorphous oxide semiconductor. Note that the nc-OS does not have regularity in crystal orientation between different crystal parts. Therefore, the nc-OS has a higher density of defect states than the CAAC-OS.

従って、nc−OSは、CAAC−OSと比べて、キャリア密度が高くなる場合がある。キャリア密度が高い酸化物半導体は、電子移動度が高くなる場合がある。従って、nc−OSを用いたトランジスタは、高い電界効果移動度を有する場合がある。また、nc−OSは、CAAC−OSと比べて、欠陥準位密度が高いため、キャリアトラップが多くなる場合がある。従って、nc−OSを用いたトランジスタは、CAAC−OSを用いたトランジスタと比べて、電気特性の変動が大きく、信頼性の低いトランジスタとなる。ただし、nc−OSは、比較的不純物が多く含まれていても形成することができるため、CAAC−OSよりも形成が容易となり、用途によっては好適に用いることができる場合がある。そのため、nc−OSを用いたトランジスタを有する半導体装置は、生産性高く作製することができる場合がある。 Therefore, the nc-OS may have a higher carrier density than the CAAC-OS. An oxide semiconductor with a high carrier density may have a high electron mobility. Therefore, a transistor using the nc-OS may have high field effect mobility. Further, the nc-OS has a higher density of defect states than the CAAC-OS, and thus may have a large number of carrier traps. Therefore, a transistor using the nc-OS has a large variation in electric characteristics and has low reliability as compared with a transistor using the CAAC-OS. Note that the nc-OS can be formed even if it contains a relatively large amount of impurities; therefore, the nc-OS can be formed more easily than the CAAC-OS and can be preferably used depending on the application. Therefore, a semiconductor device including a transistor using an nc-OS can be manufactured with high productivity.

なお、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、微結晶酸化物半導体、CAAC−OSのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。 Note that the oxide semiconductor may be a stacked film including two or more of an amorphous oxide semiconductor, a microcrystalline oxide semiconductor, and a CAAC-OS, for example.

以上のように、CAAC−OSは、多結晶及び微結晶と比較して結晶粒界に起因するキャリアの散乱が小さいためにキャリア移動度の低下が起こりにくい利点がある。また、CAAC−OSは、欠陥準位密度が低い酸化物半導体でありキャリアトラップが少ないため、CAAC−OSを用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高い優れたトランジスタとなる。 As described above, the CAAC-OS has an advantage that carrier mobility is less likely to be lowered because carrier scattering due to crystal grain boundaries is smaller than that of polycrystal and microcrystal. In addition, a CAAC-OS is an oxide semiconductor with a low density of defect states and has few carrier traps; thus, a transistor using the CAAC-OS is an excellent transistor with high electrical characteristics and small reliability.

酸化物半導体が複数の構造を有する場合、ナノビーム電子回折を用いることで構造解析が可能となる場合がある。 In the case where an oxide semiconductor has a plurality of structures, structural analysis may be possible by using nanobeam electron diffraction.

図13(C)に、電子銃室10と、電子銃室10の下の光学系12と、光学系12の下の試料室14と、試料室14の下の光学系16と、光学系16の下の観察室20と、観察室20に設置されたカメラ18と、観察室20の下のフィルム室22と、を有する透過電子回折測定装置を示す。カメラ18は、観察室20内部に向けて設置される。なお、フィルム室22を有さなくても構わない。 13C shows an electron gun chamber 10, an optical system 12 below the electron gun chamber 10, a sample chamber 14 below the optical system 12, an optical system 16 below the sample chamber 14, and an optical system 16 1 shows a transmission electron diffraction measurement apparatus having an observation room 20 below, a camera 18 installed in the observation room 20, and a film chamber 22 below the observation room 20. The camera 18 is installed toward the inside of the observation room 20. Note that the film chamber 22 may not be provided.

また、図13(D)に、図13(C)に示した透過電子回折測定装置内部の構造を示す。透過電子回折測定装置内部では、電子銃室10に設置された電子銃から放出された電子が、光学系12を介して試料室14に配置された物質28に照射される。物質28を通過した電子は、光学系16を介して観察室20内部に設置された蛍光板32に入射する。蛍光板32では、入射した電子の強度に応じたパターンが現れることで透過電子回折パターンを測定することができる。 FIG. 13D shows an internal structure of the transmission electron diffraction measurement apparatus shown in FIG. Inside the transmission electron diffraction measurement apparatus, electrons emitted from the electron gun installed in the electron gun chamber 10 are irradiated to the substance 28 arranged in the sample chamber 14 through the optical system 12. The electrons that have passed through the substance 28 are incident on the fluorescent plate 32 installed inside the observation room 20 via the optical system 16. On the fluorescent plate 32, a transmission electron diffraction pattern can be measured by the appearance of a pattern corresponding to the intensity of incident electrons.

カメラ18は、蛍光板32を向いて設置されており、蛍光板32に現れたパターンを撮影することが可能である。カメラ18のレンズの中央、および蛍光板32の中央を通る直線と、蛍光板32の上面と、の為す角度は、例えば、15°以上80°以下、30°以上75°以下、または45°以上70°以下とする。該角度が小さいほど、カメラ18で撮影される透過電子回折パターンは歪みが大きくなる。ただし、あらかじめ該角度がわかっていれば、得られた透過電子回折パターンの歪みを補正することも可能である。なお、カメラ18をフィルム室22に設置しても構わない場合がある。例えば、カメラ18をフィルム室22に、電子24の入射方向と対向するように設置してもよい。この場合、蛍光板32の裏面から歪みの少ない透過電子回折パターンを撮影することができる。 The camera 18 is installed facing the fluorescent screen 32, and can capture a pattern that appears on the fluorescent screen 32. The angle formed between the center of the lens of the camera 18 and the straight line passing through the center of the fluorescent plate 32 and the upper surface of the fluorescent plate 32 is, for example, 15 ° to 80 °, 30 ° to 75 °, or 45 ° to 70 °. The following. The smaller the angle, the greater the distortion of the transmission electron diffraction pattern photographed by the camera 18. However, if the angle is known in advance, the distortion of the obtained transmission electron diffraction pattern can be corrected. The camera 18 may be installed in the film chamber 22 in some cases. For example, the camera 18 may be installed in the film chamber 22 so as to face the incident direction of the electrons 24. In this case, a transmission electron diffraction pattern with less distortion can be taken from the back surface of the fluorescent plate 32.

試料室14には、試料である物質28を固定するためのホルダが設置されている。ホルダは、物質28を通過する電子を透過するような構造をしている。ホルダは、例えば、物質28をX軸、Y軸、Z軸などに移動させる機能を有していてもよい。ホルダの移動機能は、例えば、1nm以上10nm以下、5nm以上50nm以下、10nm以上100nm以下、50nm以上500nm以下、100nm以上1μm以下などの範囲で移動させる精度を有すればよい。これらの範囲は、物質28の構造によって最適な範囲を設定すればよい。 The sample chamber 14 is provided with a holder for fixing the substance 28 as a sample. The holder has a structure that transmits electrons passing through the substance 28. The holder may have a function of moving the substance 28 to the X axis, the Y axis, the Z axis, and the like, for example. The movement function of the holder may have an accuracy of moving in the range of 1 nm to 10 nm, 5 nm to 50 nm, 10 nm to 100 nm, 50 nm to 500 nm, 100 nm to 1 μm, and the like. These ranges may be set to optimum ranges depending on the structure of the substance 28.

次に、上述した透過電子回折測定装置を用いて、物質の透過電子回折パターンを測定する方法について説明する。 Next, a method for measuring a transmission electron diffraction pattern of a substance using the above-described transmission electron diffraction measurement apparatus will be described.

例えば、図13(D)に示すように物質におけるナノビームである電子24の照射位置を変化させる(スキャンする)ことで、物質の構造が変化していく様子を確認することができる。このとき、物質28がCAAC−OSであれば、図13(A)に示したような回折パターンが観測される。または、物質28がnc−OSであれば、図13(B)に示したような輝点を伴ったリング状の回折パターンが観測される。 For example, as shown in FIG. 13D, it is possible to confirm how the structure of the substance changes by changing (scanning) the irradiation position of the electron 24 that is a nanobeam in the substance. At this time, if the substance 28 is a CAAC-OS, a diffraction pattern as shown in FIG. 13A is observed. Alternatively, when the substance 28 is an nc-OS, a ring-shaped diffraction pattern with a bright spot as shown in FIG. 13B is observed.

図13(A)に示す、CAAC−OSに代表的にみられる回折パターン、すなわちc軸配向を示す回折パターンを、CAAC構造の回折パターンと呼ぶ。図13(A)に示すように、CAAC−OSの回折パターンでは、例えば六角形の頂点に位置するスポットが確認される。CAAC−OSでは、照射位置をスキャンすることにより、この六角形の向きが一様ではなく、少しずつ回転している様子がみられる。また、回転の角度はある幅を有する。 A diffraction pattern typically shown in the CAAC-OS shown in FIG. 13A, that is, a diffraction pattern showing c-axis orientation is referred to as a CAAC structure diffraction pattern. As shown in FIG. 13A, in the CAAC-OS diffraction pattern, for example, a spot located at the vertex of a hexagon is confirmed. In the CAAC-OS, by scanning the irradiation position, the direction of the hexagon is not uniform, and it can be seen that the hexagon is rotating little by little. The angle of rotation has a certain width.

または、CAAC−OSの回折パターンでは、照射位置をスキャンすることにより、c軸を中心として少しずつ回転する様子が見られる。これは、例えばa軸とb軸が形成する面が回転しているともいえる。 Alternatively, in the CAAC-OS diffraction pattern, a state where the irradiation position is scanned and the c-axis is rotated little by little is seen. This can be said that the surface formed by the a-axis and the b-axis is rotating, for example.

ところで、物質28がCAAC−OSであったとしても、部分的にnc−OSなどと同様の回折パターンが観測される場合がある。従って、CAAC−OSの良否は、一定の範囲におけるCAAC−OSの回折パターンが観測される領域の割合(CAAC比率、またはCAAC化率ともいう。)で表すことができる場合がある。例えば、良質なCAAC−OSであれば、CAAC比率は、50%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは90%以上、さらに好ましくは95%以上100%以下である。なお、一定の範囲におけるCAAC−OSと異なる回折パターンが観測される領域の割合を非CAAC比率、または非CAAC化率と表記する。 By the way, even if the substance 28 is CAAC-OS, a diffraction pattern similar to that of the nc-OS or the like may be partially observed. Therefore, the quality of the CAAC-OS can be represented by a ratio of a region where a CAAC-OS diffraction pattern is observed in a certain range (also referred to as a CAAC ratio or a CAAC conversion ratio) in some cases. For example, in the case of a high-quality CAAC-OS, the CAAC ratio is 50% or more, preferably 80% or more, more preferably 90% or more, and further preferably 95% or more and 100% or less. Note that a ratio of a region where a diffraction pattern different from that of the CAAC-OS in a certain range is observed is referred to as a non-CAAC ratio or a non-CAAC conversion rate.

以下に、CAAC−OSのCAAC比率の評価方法について説明する。無作為に測定点を選び、透過電子回折パターンを取得し、全測定点の数に対し、CAAC構造の回折パターンが観測される測定点の数の割合を算出する。ここで、測定点数は、50点以上が好ましく、100点以上がより好ましい。 Hereinafter, a method for evaluating the CAAC ratio of the CAAC-OS will be described. A measurement point is selected at random, a transmission electron diffraction pattern is obtained, and the ratio of the number of measurement points at which a CAAC structure diffraction pattern is observed is calculated with respect to the number of all measurement points. Here, the number of measurement points is preferably 50 points or more, and more preferably 100 points or more.

無作為に測定点を選ぶ方法として、例えば直線状に照射位置をスキャンし、ある等間隔の時間毎に回折パターンを取得すればよい。照射位置をスキャンすることによりCAAC構造を有する領域と、その他の領域の境界などが確認できるため、好ましい。 As a method of randomly selecting measurement points, for example, the irradiation position may be scanned in a straight line, and a diffraction pattern may be acquired at regular intervals. Scanning the irradiation position is preferable because the boundary between the area having the CAAC structure and the other area can be confirmed.

一例として、成膜直後(as−sputterdと表記。)のCAAC−OSを有する試料、および酸素を含む雰囲気における450℃加熱処理後のCAAC−OSを有する試料を作製し、各試料の上面に対し、スキャンしながら透過電子回折パターンを取得した。ここでは、5nm/秒の速度で60秒間スキャンしながら回折パターンを観測し、観測された回折パターンを0.5秒ごとに静止画に変換することで、CAAC比率を導出した。なお、電子線としては、プローブ径が1nmのナノビームを用いた。なお、同様の測定は6試料に対して行った。そしてCAAC比率の算出には、6試料における平均値を用いた。 As an example, a sample having a CAAC-OS immediately after film formation (denoted as as-sputtered) and a sample having a CAAC-OS after 450 ° C. heat treatment in an atmosphere containing oxygen were manufactured. A transmission electron diffraction pattern was obtained while scanning. Here, the diffraction pattern was observed while scanning at a rate of 5 nm / second for 60 seconds, and the observed diffraction pattern was converted into a still image every 0.5 seconds, thereby deriving the CAAC ratio. As the electron beam, a nano beam having a probe diameter of 1 nm was used. The same measurement was performed on 6 samples. And the average value in 6 samples was used for calculation of CAAC ratio.

各試料におけるCAAC比率を図14(A)に示す。成膜直後のCAAC−OSのCAAC比率は75.7%(非CAAC比率は24.3%)であった。また、450℃加熱処理後のCAAC−OSのCAAC比率は85.3%(非CAAC比率は14.7%)であった。成膜直後と比べて、450℃加熱処理後のCAAC比率が高いことがわかる。即ち、高い温度(例えば400℃以上)における加熱処理によって、非CAAC比率が低くなる(CAAC比率が高くなる)ことがわかる。また、500℃未満の加熱処理においても高いCAAC比率を有するCAAC−OSが得られることがわかる。 The CAAC ratio in each sample is shown in FIG. The CAAC ratio of the CAAC-OS immediately after the film formation was 75.7% (the non-CAAC ratio was 24.3%). The CAAC ratio of the CAAC-OS after the 450 ° C. heat treatment was 85.3% (the non-CAAC ratio was 14.7%). It can be seen that the CAAC ratio after the 450 ° C. heat treatment is higher than that immediately after the film formation. That is, it can be seen that the non-CAAC ratio is decreased (the CAAC ratio is increased) by heat treatment at a high temperature (for example, 400 ° C. or higher). Further, it can be seen that a CAAC-OS having a high CAAC ratio can be obtained by heat treatment at less than 500 ° C.

ここで、CAAC−OSと異なる回折パターンのほとんどはnc−OSと同様の回折パターンであった。また、測定領域において非晶質酸化物半導体は、確認することができなかった。従って、加熱処理によって、nc−OSと同様の構造を有する領域が、隣接する領域の構造の影響を受けて再配列し、CAAC化していることが示唆される。 Here, most of the diffraction patterns different from those of the CAAC-OS were the same as those of the nc-OS. Further, an amorphous oxide semiconductor could not be confirmed in the measurement region. Accordingly, it is suggested that the region having a structure similar to that of the nc-OS is rearranged and affected by the structure of the adjacent region by the heat treatment.

図14(B)および図14(C)は、成膜直後および450℃加熱処理後のCAAC−OSの平面TEM像である。図14(B)と図14(C)とを比較することにより、450℃加熱処理後のCAAC−OSは、膜質がより均質であることがわかる。即ち、高い温度における加熱処理によって、CAAC−OSの膜質が向上することがわかる。 14B and 14C are planar TEM images of the CAAC-OS immediately after film formation and after heat treatment at 450 ° C. By comparing FIG. 14B and FIG. 14C, it is found that the CAAC-OS after the heat treatment at 450 ° C. has a more uniform film quality. That is, it can be seen that heat treatment at a high temperature improves the quality of the CAAC-OS film.

このような測定方法を用いれば、複数の構造を有する酸化物半導体の構造解析が可能となる場合がある。 When such a measurement method is used, the structure analysis of an oxide semiconductor having a plurality of structures may be possible.

ここでナノビーム電子回折を行った場合に、CAAC−OSが部分的にCAAC構造以外の構造を有する領域、例えばnc構造の回折パターンが観測される領域や、スピネル型の結晶構造の回折パターンが観測される領域を有する場合を考える。このような場合には、CAAC構造の回折パターンが観測される領域と、CAAC構造以外の構造の回折パターンが観測される領域との境界では、例えばキャリアの散乱が増大し、キャリア移動度が低下することがある。また、境界部は不純物の移動経路になりやすく、また不純物を捕獲しやすいと考えられるため、CAAC−OSの不純物濃度が高まる懸念がある。 Here, when nanobeam electron diffraction is performed, a region where the CAAC-OS partially has a structure other than the CAAC structure, for example, a region where a diffraction pattern of an nc structure is observed, or a diffraction pattern of a spinel crystal structure is observed. Consider the case of having a region to be processed. In such a case, at the boundary between the region where the diffraction pattern of the CAAC structure is observed and the region where the diffraction pattern of a structure other than the CAAC structure is observed, for example, carrier scattering increases and the carrier mobility decreases. There are things to do. Further, since the boundary portion is likely to be an impurity migration path and is likely to trap the impurity, there is a concern that the impurity concentration of the CAAC-OS increases.

特に、CAAC構造以外の構造を有する領域がスピネル型の結晶構造を有する領域であった場合には、CAAC構造を有する領域との間に明確な境界が観測されることがあるため、その境界部ではキャリアの散乱などにより電子移動度が低下する場合がある。また、CAAC−OS上に導電膜を形成する場合に、導電膜の有する元素、例えば金属元素等がスピネルと他の領域の境界に拡散してしまうことがある。また、スピネル型の結晶構造を有する膜では膜中の不純物濃度、例えば水素濃度が上昇することがあり、例えば粒界部分に水素等の不純物が捕獲されている可能性などが考えられる。よって、CAAC−OSには、特にスピネル型の結晶構造が含まれない、または少ないことがより好ましい。 In particular, when the region having a structure other than the CAAC structure is a region having a spinel crystal structure, a clear boundary may be observed between the region having the CAAC structure and the boundary portion. Then, the electron mobility may decrease due to carrier scattering. In the case where a conductive film is formed over the CAAC-OS, an element included in the conductive film, for example, a metal element or the like may diffuse to the boundary between the spinel and another region. Further, in a film having a spinel crystal structure, the impurity concentration in the film, for example, the hydrogen concentration may increase, and for example, there is a possibility that impurities such as hydrogen are trapped in the grain boundary portion. Therefore, it is more preferable that the CAAC-OS does not contain or contain a spinel crystal structure.

酸化物半導体が、インジウ酸化物半導体ム、元素M及び亜鉛を有する場合を考える。ここで、元素Mは、好ましくは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Mに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステンなどがある。ただし、元素Mとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。酸化物半導体が有するインジウム、元素M及び亜鉛の原子数の比、x:y:zの好ましい範囲について説明する。 Consider a case where the oxide semiconductor includes an indium oxide semiconductor, element M, and zinc. Here, the element M is preferably aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like. Other elements applicable to the element M include boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, yttrium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, and tungsten. However, the element M may be a combination of a plurality of the aforementioned elements. A preferable range of the ratio of the number of atoms of indium, the element M, and zinc of the oxide semiconductor, and x: y: z will be described.

インジウム、元素M及び亜鉛を有する酸化物では、InMO(ZnO)(mは自然数)で表されるホモロガス相(ホモロガスシリーズ)が存在することが知られている。ここで、例として元素MがGaである場合を考える。 It is known that an oxide containing indium, element M and zinc has a homologous phase (homologus series) represented by InMO 3 (ZnO) m (m is a natural number). Here, a case where the element M is Ga is considered as an example.

例えば、スピネル型の結晶構造を有する化合物として、ZnGaなどのZnMで表される化合物が知られている。また、ZnGaの近傍の組成、つまりx,y及びzが(x,y,z)=(0,1,2)に近い値を有する場合には、スピネル型の結晶構造が形成、あるいは混在しやすい。 For example, a compound represented by ZnM 2 O 4 such as ZnGa 2 O 4 is known as a compound having a spinel crystal structure. When the composition in the vicinity of ZnGa 2 O 4 , that is, when x, y and z have values close to (x, y, z) = (0, 1, 2), a spinel crystal structure is formed. Or it is easy to mix.

また、キャリア移動度を高めるためにはInの含有率を高めることが好ましい。インジウム、元素M及び亜鉛を有する酸化物半導体では主として重金属のs軌道がキャリア伝導に寄与しており、インジウムの含有率を多くすることにより、より多くのs軌道が重なるため、インジウムの含有率が多い酸化物はインジウムの含有率が少ない酸化物と比較して移動度が高くなる。そのため、酸化物半導体にインジウムの含有量が多い酸化物を用いることで、キャリア移動度を高めることができる。 In order to increase carrier mobility, it is preferable to increase the In content. In an oxide semiconductor containing indium, element M, and zinc, the s orbitals of heavy metals mainly contribute to carrier conduction. By increasing the indium content, more s orbitals overlap, so the indium content is low. A large amount of oxide has higher mobility than an oxide with a small content of indium. Therefore, carrier mobility can be increased by using an oxide containing a large amount of indium for the oxide semiconductor.

例えば、インジウムの原子数比を高めることにより、キャリア移動度を高めることができるため好ましい。例えば、酸化物半導体の有するインジウム、元素M及び亜鉛の原子数の比をx:y:zで表した場合、xはyの1.75倍以上であると好ましい。 For example, the carrier mobility can be increased by increasing the atomic ratio of indium, which is preferable. For example, when the ratio of the number of atoms of indium, element M, and zinc included in the oxide semiconductor is represented by x: y: z, x is preferably 1.75 times or more of y.

また、酸化物半導体のCAAC比率をより高めるためには、亜鉛の原子数比を高めることが好ましい。例えば、In−Ga−Zn酸化物の原子数比を、固溶域をとり得る範囲とすることにより、CAAC比率をより高めることができる場合がある。インジウムとガリウムの原子数の和に対して亜鉛の原子数の比を高めると、固溶域をとり得る範囲は広くなる傾向がある。よって、インジウムとガリウムの原子数の和に対して亜鉛の原子数比を高めることにより、酸化物半導体のCAAC比率をより高めることができる場合がある。例えば、酸化物半導体の有するインジウム、元素M及び亜鉛の原子数の比をx:y:zで表した場合、zはx+yの0.5倍以上であると好ましい。一方で、インジウムの原子数比を高め、キャリア移動度を高めるために、zはx+yの2倍以下であると好ましい。 In order to further increase the CAAC ratio of the oxide semiconductor, it is preferable to increase the atomic ratio of zinc. For example, in some cases, the CAAC ratio can be further increased by setting the atomic ratio of the In—Ga—Zn oxide to a range in which a solid solution region can be obtained. When the ratio of the number of zinc atoms to the sum of the number of atoms of indium and gallium is increased, the range in which a solid solution region can be taken tends to be widened. Therefore, in some cases, the CAAC ratio of the oxide semiconductor can be further increased by increasing the atomic ratio of zinc to the sum of the numbers of atoms of indium and gallium. For example, when the ratio of the number of atoms of indium, element M, and zinc included in the oxide semiconductor is represented by x: y: z, z is preferably 0.5 times or more of x + y. On the other hand, in order to increase the atomic ratio of indium and increase carrier mobility, z is preferably not more than twice x + y.

その結果、ナノビーム電子回折においてスピネル型の結晶構造が観測される割合をなくすことができる、または極めて低くすることができる。よって、優れたCAAC−OSを得ることができる。また、CAAC構造とスピネル型の結晶構造の境界におけるキャリア散乱等を減少させることができるため、酸化物半導体をトランジスタに用いた場合に、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。 As a result, the rate at which a spinel crystal structure is observed in nanobeam electron diffraction can be eliminated or made extremely low. Thus, an excellent CAAC-OS can be obtained. In addition, since carrier scattering and the like at the boundary between the CAAC structure and the spinel crystal structure can be reduced, a transistor with high field-effect mobility can be realized when an oxide semiconductor is used for the transistor. In addition, a highly reliable transistor can be realized.

その結果、CAAC比率の高い酸化物半導体を実現することができる。すなわち、良質なCAAC−OSを実現することができる。また、スピネル型の結晶構造が観測される領域のない、または極めて少ないCAAC−OSを実現することができる。例えば、良質なCAAC−OSであれば、CAAC比率は、50%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは90%以上、さらに好ましくは95%以上100%以下である。 As a result, an oxide semiconductor with a high CAAC ratio can be realized. That is, a high-quality CAAC-OS can be realized. In addition, a CAAC-OS having no or very little region in which a spinel crystal structure is observed can be realized. For example, in the case of a high-quality CAAC-OS, the CAAC ratio is 50% or more, preferably 80% or more, more preferably 90% or more, and further preferably 95% or more and 100% or less.

また、酸化物半導体をスパッタリング法で成膜する場合、ターゲットの原子数比からずれた原子数比の膜が形成される場合がある。特に、亜鉛は、ターゲットの原子数比よりも膜の原子数比が小さくなる場合がある。具体的には、ターゲットに含まれる亜鉛の原子数比の40atomic%以上90atomic%程度以下となる場合がある。 In the case where an oxide semiconductor is formed by a sputtering method, a film with an atomic ratio that deviates from the atomic ratio of the target may be formed. In particular, zinc may have a film atomic ratio smaller than the target atomic ratio. Specifically, the atomic ratio of zinc contained in the target may be 40 atomic% or more and 90 atomic% or less.

従って、ターゲットの原子数比は、スパッタリング法により得られる酸化物半導体よりも亜鉛の原子数比が多くなることが好ましい。 Therefore, the atomic ratio of the target is preferably higher than that of an oxide semiconductor obtained by a sputtering method.

なお、酸化物半導体は、複数の膜を積層してもよい。また複数の膜のそれぞれのCAAC比率が異なってもよい。また、積層された複数の膜のうち、少なくとも一層の膜は例えばCAAC比率が90%高いことが好ましく、95%以上であることがより好ましく、97%以上100%以下であることがさらに好ましい。 Note that the oxide semiconductor may be formed by stacking a plurality of films. Further, the CAAC ratio of each of the plurality of films may be different. In addition, among the plurality of stacked films, at least one film preferably has, for example, a CAAC ratio that is 90% higher, more preferably 95% or more, and still more preferably 97% or more and 100% or less.

以上が、半導体406a、半導体406b、半導体406c、半導体407a、半導体407b、半導体407c、半導体408a、半導体408b、半導体408cなどに適用可能な酸化物半導体の構造である。 The above is the structure of the oxide semiconductor that can be used for the semiconductor 406a, the semiconductor 406b, the semiconductor 406c, the semiconductor 407a, the semiconductor 407b, the semiconductor 407c, the semiconductor 408a, the semiconductor 408b, the semiconductor 408c, and the like.

次に、半導体406a、半導体406b、半導体406c、半導体407a、半導体407b、半導体407c、半導体408a、半導体408b、半導体408cなどに適用可能な半導体の、その他の要素について説明する。
以下では、代表的に、半導体406a、半導体406b、半導体406cについて説明を行うが、半導体406aに適用される半導体は、半導体407a、408aにも同様に適用することができる。また、半導体406bに適用される半導体は、半導体407b、408bにも同様に適用することができる。また、半導体406cに適用される半導体は、半導体407c、408cにも同様に適用することができる。また、トランジスタ490の特性は、トランジスタ491、492においても同様に得られる。
Next, other elements of the semiconductor that can be used for the semiconductor 406a, the semiconductor 406b, the semiconductor 406c, the semiconductor 407a, the semiconductor 407b, the semiconductor 407c, the semiconductor 408a, the semiconductor 408b, the semiconductor 408c, and the like are described.
In the following, the semiconductor 406a, the semiconductor 406b, and the semiconductor 406c are described as representative examples; however, a semiconductor that is applied to the semiconductor 406a can be similarly applied to the semiconductors 407a and 408a. The semiconductor applied to the semiconductor 406b can be similarly applied to the semiconductors 407b and 408b. The semiconductor applied to the semiconductor 406c can be similarly applied to the semiconductors 407c and 408c. Further, the characteristics of the transistor 490 can be similarly obtained in the transistors 491 and 492.

半導体406bに適用可能な酸化物半導体は、例えば、インジウムを含む酸化物半導体である。半導体406bは、例えば、インジウムを含むと、キャリア移動度(電子移動度)が高くなる。また、半導体406bは、元素Mを含むと好ましい。元素Mは、好ましくは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Mに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステンなどがある。ただし、元素Mとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。元素Mは、例えば、酸素との結合エネルギーが高い元素である。例えば、酸素との結合エネルギーがインジウムよりも高い元素である。または、元素Mは、例えば、酸化物半導体のエネルギーギャップを大きくする機能を有する元素である。また、半導体406bは、亜鉛を含むと好ましい。酸化物半導体は、亜鉛を含むと結晶化しやすくなる場合がある。 An oxide semiconductor that can be used for the semiconductor 406b is an oxide semiconductor containing indium, for example. For example, when the semiconductor 406b contains indium, the carrier mobility (electron mobility) increases. The semiconductor 406b preferably contains an element M. The element M is preferably aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like. Other elements applicable to the element M include boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, yttrium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, and tungsten. However, the element M may be a combination of a plurality of the aforementioned elements. The element M is an element having a high binding energy with oxygen, for example. For example, it is an element whose binding energy with oxygen is higher than that of indium. Alternatively, the element M is an element having a function of increasing the energy gap of the oxide semiconductor, for example. The semiconductor 406b preferably contains zinc. An oxide semiconductor may be easily crystallized when it contains zinc.

半導体406bは、例えば、エネルギーギャップが大きい酸化物を用いる。半導体406bのエネルギーギャップは、例えば、2.5eV以上4.2eV以下、好ましくは2.8eV以上3.8eV以下、さらに好ましくは3eV以上3.5eV以下とする。 For the semiconductor 406b, an oxide with a wide energy gap is used, for example. The energy gap of the semiconductor 406b is, for example, 2.5 eV to 4.2 eV, preferably 2.8 eV to 3.8 eV, and more preferably 3 eV to 3.5 eV.

酸化物半導体では、エネルギーギャップが大きく、電子が励起されにくいことや、ホールの有効質量が大きいことなどから、酸化物半導体を用いたトランジスタは、従来のシリコン等を用いたトランジスタと比較して、アバランシェ崩壊等が生じにくい場合がある。よって、例えばアバランシェ崩壊に起因するホットキャリア劣化等を抑制できる場合がある。よって、ドレイン耐圧を高めることができ、より高いドレイン電圧でトランジスタを駆動することができる。よって、フローティングノードにより高い電圧、つまり、より多くの状態を保持することができ、記憶密度を高めることができる場合がある。 In oxide semiconductors, the energy gap is large, electrons are hard to be excited, and the effective mass of holes is large. Avalanche collapse may not occur easily. Therefore, for example, hot carrier deterioration due to avalanche collapse may be suppressed. Therefore, the drain withstand voltage can be increased and the transistor can be driven with a higher drain voltage. Thus, a higher voltage, that is, more states can be held in the floating node, and the storage density can be increased in some cases.

半導体406a、半導体406bおよび半導体406cは、少なくともインジウムを含むと好ましい。なお、半導体406aがIn−M−Zn酸化物のとき、InおよびMの和を100atomic%としたとき、好ましくはInが50atomic%未満、Mが50atomic%以上、さらに好ましくはInが25atomic%未満、Mが75atomic%以上とする。また、半導体406bがIn−M−Zn酸化物のとき、InおよびMの和を100atomic%としたとき、好ましくはInが25atomic%以上、Mが75atomic%未満、さらに好ましくはInが34atomic%以上、Mが66atomic%未満とする。また、半導体406cがIn−M−Zn酸化物のとき、InおよびMの和を100atomic%としたとき、好ましくはInが50atomic%未満、Mが50atomic%以上、さらに好ましくはInが25atomic%未満、Mが75atomic%以上とする。なお、半導体406cは、半導体406aと同種の酸化物を用いても構わない。 The semiconductor 406a, the semiconductor 406b, and the semiconductor 406c preferably contain at least indium. Note that when the semiconductor 406a is an In—M—Zn oxide, when the sum of In and M is 100 atomic%, In is preferably less than 50 atomic%, M is more than 50 atomic%, more preferably In is less than 25 atomic%, M is 75 atomic% or more. Further, when the semiconductor 406b is an In-M-Zn oxide, when the sum of In and M is 100 atomic%, In is preferably 25 atomic% or more, M is less than 75 atomic%, more preferably In is 34 atomic% or more, M is less than 66 atomic%. In addition, when the semiconductor 406c is an In—M—Zn oxide, when the sum of In and M is 100 atomic%, In is preferably less than 50 atomic%, M is more than 50 atomic%, more preferably In is less than 25 atomic%, M is 75 atomic% or more. Note that the semiconductor 406c may be formed using the same kind of oxide as the semiconductor 406a.

半導体406bは、半導体406aおよび半導体406cよりも電子親和力の大きい酸化物を用いる。例えば、半導体406bとして、半導体406aおよび半導体406cよりも電子親和力の0.07eV以上1.3eV以下、好ましくは0.1eV以上0.7eV以下、さらに好ましくは0.15eV以上0.4eV以下大きい酸化物を用いる。なお、電子親和力は、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差である。 As the semiconductor 406b, an oxide having an electron affinity higher than those of the semiconductor 406a and the semiconductor 406c is used. For example, as the semiconductor 406b, an oxide having an electron affinity higher than that of the semiconductor 406a and the semiconductor 406c by 0.07 eV to 1.3 eV, preferably 0.1 eV to 0.7 eV, more preferably 0.15 eV to 0.4 eV. Is used. Note that the electron affinity is the difference between the vacuum level and the energy at the bottom of the conduction band.

なお、インジウムガリウム酸化物は、小さい電子親和力と、高い酸素ブロック性を有する。そのため、半導体406cがインジウムガリウム酸化物を含むと好ましい。ガリウム原子割合[In/(In+Ga)]は、例えば、70%以上、好ましくは80%以上、さらに好ましくは90%以上とする。 Note that indium gallium oxide has a small electron affinity and a high oxygen blocking property. Therefore, the semiconductor 406c preferably contains indium gallium oxide. The gallium atom ratio [In / (In + Ga)] is, for example, 70% or more, preferably 80% or more, and more preferably 90% or more.

このとき、ゲート電極に電界を印加すると、半導体406a、半導体406b、半導体406cのうち、電子親和力の大きい半導体406bにチャネルが形成される。よって、トランジスタの電界効果移動度を高くすることができる。ここで、半導体406bと半導体406cは構成する元素が共通しているため、界面散乱がほとんど生じない。 At this time, when an electric field is applied to the gate electrode, a channel is formed in the semiconductor 406b having high electron affinity among the semiconductors 406a, 406b, and 406c. Thus, the field-effect mobility of the transistor can be increased. Here, since the constituent elements of the semiconductor 406b and the semiconductor 406c are the same, interface scattering hardly occurs.

ここで、半導体406aと半導体406bとの間には、半導体406aと半導体406bとの混合領域を有する場合がある。また、半導体406bと半導体406cとの間には、半導体406bと半導体406cとの混合領域を有する場合がある。混合領域は、界面準位密度が低くなる。そのため、半導体406a、半導体406bおよび半導体406cの積層体は、それぞれの界面近傍において、エネルギーが連続的に変化する(連続接合ともいう。)バンド構造となる。なお、図15(A)は、半導体406a、半導体406bおよび半導体406cが、この順番に積層した断面図である。図15(B)は、図15(A)の一点鎖線P1−P2に対応する伝導帯下端のエネルギー(Ec)であり、半導体406aより半導体406cの電子親和力が大きい場合を示す。また、図15(C)は、半導体406aより半導体406cの電子親和力が小さい場合を示す。 Here, a mixed region of the semiconductor 406a and the semiconductor 406b may be provided between the semiconductor 406a and the semiconductor 406b. Further, in some cases, there is a mixed region of the semiconductor 406b and the semiconductor 406c between the semiconductor 406b and the semiconductor 406c. In the mixed region, the interface state density is low. Therefore, the stacked body of the semiconductors 406a, 406b, and 406c has a band structure in which energy continuously changes (also referred to as a continuous junction) in the vicinity of each interface. Note that FIG. 15A is a cross-sectional view in which a semiconductor 406a, a semiconductor 406b, and a semiconductor 406c are stacked in this order. FIG. 15B illustrates energy (Ec) at the lower end of the conduction band corresponding to the dashed-dotted line P1-P2 in FIG. 15A, and illustrates the case where the electron affinity of the semiconductor 406c is greater than that of the semiconductor 406a. FIG. 15C illustrates the case where the electron affinity of the semiconductor 406c is smaller than that of the semiconductor 406a.

このとき、電子は、半導体406a中および半導体406c中ではなく、半導体406b中を主として移動する。上述したように、半導体406aおよび半導体406bの界面における界面準位密度、半導体406bと半導体406cとの界面における界面準位密度を低くすることによって、半導体406b中で電子の移動が阻害されることが少なく、トランジスタ490のオン電流を高くすることができる。 At this time, electrons move mainly in the semiconductor 406b, not in the semiconductor 406a and the semiconductor 406c. As described above, when the interface state density at the interface between the semiconductor 406a and the semiconductor 406b and the interface state density at the interface between the semiconductor 406b and the semiconductor 406c are lowered, movement of electrons in the semiconductor 406b is inhibited. Therefore, the on-state current of the transistor 490 can be increased.

例えば、半導体406aおよび半導体406cは、半導体406bを構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から構成される酸化物半導体である。半導体406bを構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から半導体406aおよび半導体406cが構成されるため、半導体406aと半導体406bとの界面、および半導体406bと半導体406cとの界面において、界面準位が形成されにくい。 For example, the semiconductor 406a and the semiconductor 406c are oxide semiconductors including one or more elements other than oxygen included in the semiconductor 406b or two or more elements. Since the semiconductor 406a and the semiconductor 406c are composed of one or more elements other than oxygen constituting the semiconductor 406b, or two or more elements, an interface state at the interface between the semiconductor 406a and the semiconductor 406b and the interface between the semiconductor 406b and the semiconductor 406c. The position is difficult to form.

半導体406a、半導体406b及び半導体406cは、スピネル型の結晶構造が含まれない、または少ないことが好ましい。また、半導体406a、半導体406b及び半導体406cは、CAAC−OSであることが好ましい。 It is preferable that the semiconductor 406a, the semiconductor 406b, and the semiconductor 406c have no or few spinel crystal structures. The semiconductor 406a, the semiconductor 406b, and the semiconductor 406c are preferably CAAC-OS.

例えば、c軸配向した複数の結晶部を有するCAAC−OSを半導体406aとして用いることにより、その上に積層される半導体406bは、半導体406aとの界面近傍においても、良好なc軸配向を有する領域を形成することができる。 For example, when a CAAC-OS including a plurality of c-axis aligned crystal parts is used as the semiconductor 406a, the semiconductor 406b stacked thereover has a favorable c-axis alignment even in the vicinity of the interface with the semiconductor 406a. Can be formed.

また、CAAC−OSのCAAC比率を高めることにより、例えば、欠陥をより少なくすることができる。また、例えばスピネル型の構造を有する領域を少なくすることができる。また、例えばキャリアの散乱を小さくすることができる。また、例えば不純物に対するブロック能の高い膜とすることができる。よって、半導体406a及び半導体406cのCAAC比率を高めることにより、チャネルが形成される半導体406bと良好な界面を形成し、キャリア散乱を小さく抑えることができる。例えば、半導体406aおよび/または半導体406cのCAAC比率を、10%以上、好ましくは20%以上、さらに好ましくは50%、より好ましくは70%以上とすればよい。また、半導体406bへの不純物の混入を抑制することができ、半導体406bの不純物濃度を低減することができる。 Further, by increasing the CAAC ratio of the CAAC-OS, for example, defects can be reduced. Further, for example, a region having a spinel structure can be reduced. Further, for example, carrier scattering can be reduced. Further, for example, a film having a high blocking ability against impurities can be obtained. Therefore, by increasing the CAAC ratio of the semiconductors 406a and 406c, a favorable interface can be formed with the semiconductor 406b in which a channel is formed, and carrier scattering can be reduced. For example, the CAAC ratio of the semiconductor 406a and / or the semiconductor 406c may be 10% or more, preferably 20% or more, more preferably 50%, more preferably 70% or more. Further, entry of impurities into the semiconductor 406b can be suppressed, and the impurity concentration of the semiconductor 406b can be reduced.

また、半導体406bは、酸素欠損が低減された半導体であることが好ましい。 The semiconductor 406b is preferably a semiconductor with reduced oxygen vacancies.

例えば、半導体406bが酸素欠損(Vとも表記。)を有する場合、酸素欠損のサイトに水素が入り込むことでドナー準位を形成することがある。以下では酸素欠損のサイトに水素が入り込んだ状態をVHと表記する場合がある。VHは電子を散乱するため、トランジスタ490のオン電流を低下させる要因となる。なお、酸素欠損のサイトは、水素が入るよりも酸素が入る方が安定する。従って、半導体406b中の酸素欠損を低減することで、トランジスタ490のオン電流を高くすることができる場合がある。 For example, in the case where the semiconductor 406b has oxygen vacancies (also referred to as V 2 O ), donor levels may be formed when hydrogen enters oxygen vacancy sites. The following may be referred to a state that has entered the hydrogen to oxygen vacancies in the site as V O H. Since V O H scatters electrons, it becomes a factor for reducing the on-state current of the transistor 490. Note that oxygen deficient sites are more stable when oxygen enters than when hydrogen enters. Therefore, the on-state current of the transistor 490 can be increased by reducing oxygen vacancies in the semiconductor 406b in some cases.

半導体406bの酸素欠損を低減するために、例えば、絶縁体432に含まれる過剰酸素を、半導体406aを介して半導体406bまで移動させる方法などがある。この場合、半導体406aは、酸素透過性を有する層(酸素を通過または透過させる層)であることが好ましい。 In order to reduce oxygen vacancies in the semiconductor 406b, for example, there is a method in which excess oxygen contained in the insulator 432 is moved to the semiconductor 406b through the semiconductor 406a. In this case, the semiconductor 406a is preferably a layer having oxygen permeability (a layer through which oxygen passes or permeates).

酸素は、加熱処理などによって絶縁体432から放出され、半導体406a中に取り込まれる。なお、酸素は、半導体406a中の原子間に遊離して存在する場合や、酸素などと結合して存在する場合がある。半導体406aは、密度が低いほど、即ち原子間に間隙が多いほど酸素透過性が高くなる。例えば、また、半導体406aが層状の結晶構造を有し、層を横切るような酸素の移動は起こりにくい場合、半導体406aは適度に結晶性の低い層であると好ましい。 Oxygen is released from the insulator 432 by heat treatment or the like and is taken into the semiconductor 406a. Note that oxygen may exist by being separated between atoms in the semiconductor 406a or may be present by being combined with oxygen or the like. The semiconductor 406a has higher oxygen permeability as the density is lower, that is, as the number of gaps between atoms is larger. For example, in the case where the semiconductor 406a has a layered crystal structure and oxygen movement hardly occurs across the layer, the semiconductor 406a is preferably a layer having moderately low crystallinity.

絶縁体432から放出された過剰酸素(酸素)を半導体406bまで到達させるためには、半導体406aは過剰酸素(酸素)を透過する程度の結晶性を有するとよい。例えば、半導体406aがCAAC−OSである場合、層全体がCAAC化してしまうと、過剰酸素(酸素)を透過することができないため、一部に隙間を有する構造とすると好ましい。例えば、半導体406aのCAAC比率を、100%未満、好ましくは98%未満、さらに好ましくは95%未満、より好ましくは90%未満とすればよい。 In order to allow excess oxygen (oxygen) released from the insulator 432 to reach the semiconductor 406b, the semiconductor 406a preferably has crystallinity enough to transmit excess oxygen (oxygen). For example, in the case where the semiconductor 406a is a CAAC-OS, excess oxygen (oxygen) cannot be transmitted if the entire layer is changed to CAAC; thus, a structure having a gap in part is preferable. For example, the CAAC ratio of the semiconductor 406a may be less than 100%, preferably less than 98%, more preferably less than 95%, more preferably less than 90%.

また、トランジスタ490のオン電流を高くするためには、半導体406cの厚さは小さいほど好ましい。例えば、10nm未満、好ましくは5nm以下、さらに好ましくは3nm以下の領域を有する半導体406cとすればよい。一方、半導体406cは、チャネルの形成される半導体406bへ、隣接する絶縁体を構成する酸素以外の元素(水素、シリコンなど)が入り込まないようブロックする機能を有する。そのため、半導体406cは、ある程度の厚さを有することが好ましい。例えば、0.3nm以上、好ましくは1nm以上、さらに好ましくは2nm以上の厚さの領域を有する半導体406cとすればよい。また、半導体406cは、絶縁体402などから放出される酸素の外方拡散を抑制するために、酸素をブロックする性質を有すると好ましい。 In order to increase the on-state current of the transistor 490, the thickness of the semiconductor 406c is preferably as small as possible. For example, the semiconductor 406c may have a region of less than 10 nm, preferably 5 nm or less, and more preferably 3 nm or less. On the other hand, the semiconductor 406c has a function of blocking entry of elements other than oxygen (such as hydrogen and silicon) included in the adjacent insulator into the semiconductor 406b where a channel is formed. Therefore, the semiconductor 406c preferably has a certain thickness. For example, the semiconductor 406c may have a region with a thickness of 0.3 nm or more, preferably 1 nm or more, and more preferably 2 nm or more. The semiconductor 406c preferably has a property of blocking oxygen in order to suppress outward diffusion of oxygen released from the insulator 402 and the like.

また、信頼性を高くするためには、半導体406aは厚く、半導体406cは薄いことが好ましい。例えば、10nm以上、好ましくは20nm以上、さらに好ましくは40nm以上、より好ましくは60nm以上の厚さの領域を有する半導体406aとすればよい。半導体406aの厚さを、厚くすることで、隣接する絶縁体と半導体406aとの界面からチャネルの形成される半導体406bまでの距離を離すことができる。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、例えば、200nm以下、好ましくは120nm以下、さらに好ましくは80nm以下の厚さの領域を有する半導体406aとすればよい。 In order to increase reliability, the semiconductor 406a is preferably thick and the semiconductor 406c is thin. For example, the semiconductor 406a may have a region with a thickness of 10 nm or more, preferably 20 nm or more, more preferably 40 nm or more, more preferably 60 nm or more. By increasing the thickness of the semiconductor 406a, the distance from the interface between the adjacent insulator and the semiconductor 406a to the semiconductor 406b where a channel is formed can be increased. However, since the productivity of the semiconductor device may be reduced, the semiconductor 406a having a region with a thickness of 200 nm or less, preferably 120 nm or less, and more preferably 80 nm or less may be used.

例えば、半導体406bと半導体406aとの間に、例えば、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)において、1×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm未満、さらに好ましくは2×1018atoms/cm未満のシリコン濃度となる領域を有する。また、半導体406bと半導体406cとの間に、SIMSにおいて、1×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm未満、さらに好ましくは2×1018atoms/cm未満のシリコン濃度となる領域を有する。 For example, between the semiconductor 406b and the semiconductor 406a, for example, in secondary ion mass spectrometry (SIMS), less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3 And a region having a silicon concentration of less than 2 × 10 18 atoms / cm 3 . Further, between SIMS 406b and 406C, in SIMS, it is less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably less than 5 × 10 18 atoms / cm 3 , and more preferably less than 2 × 10 18 atoms / cm 3 . It has a region having a silicon concentration.

また、半導体406bの水素濃度を低減するために、半導体406aおよび半導体406cの水素濃度を低減すると好ましい。半導体406aおよび半導体406cは、SIMSにおいて、2×1020atoms/cm以下、好ましくは5×1019atoms/cm以下、より好ましくは1×1019atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1018atoms/cm以下の水素濃度となる領域を有する。また、半導体406bの窒素濃度を低減するために、半導体406aおよび半導体406cの窒素濃度を低減すると好ましい。半導体406aおよび半導体406cは、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm以下、より好ましくは1×1018atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm以下の窒素濃度となる領域を有する。 In order to reduce the hydrogen concentration of the semiconductor 406b, it is preferable to reduce the hydrogen concentration of the semiconductor 406a and the semiconductor 406c. The semiconductors 406a and 406c have a SIMS of 2 × 10 20 atoms / cm 3 or less, preferably 5 × 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less, and even more preferably 5 ×. The region has a hydrogen concentration of 10 18 atoms / cm 3 or less. In order to reduce the nitrogen concentration of the semiconductor 406b, it is preferable to reduce the nitrogen concentrations of the semiconductor 406a and the semiconductor 406c. The semiconductor 406a and the semiconductor 406c are less than 5 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, and further preferably 5 × in SIMS. The region has a nitrogen concentration of 10 17 atoms / cm 3 or less.

以上が、半導体406a、半導体406b、半導体406cなどに適用可能な酸化物半導体の構造およびその他の要素である。以上のような酸化物半導体を半導体406a、半導体406b、半導体406cなどに適用することで、トランジスタ490は、良好な電気特性が得られる。例えば、優れたサブスレッショルド特性や極めて小さいオフ電流が得られる。また、高いオン電流や良好なスイッチングスピードが得られる。また、高い耐圧が得られる。 The above is the structure and other elements of the oxide semiconductor that can be applied to the semiconductor 406a, the semiconductor 406b, the semiconductor 406c, and the like. By using the above oxide semiconductor for the semiconductor 406a, the semiconductor 406b, the semiconductor 406c, and the like, the transistor 490 can have favorable electrical characteristics. For example, excellent subthreshold characteristics and extremely small off-current can be obtained. Moreover, a high on-current and a good switching speed can be obtained. Also, a high breakdown voltage can be obtained.

(実施の形態5)
本発明の一態様に係る半導体装置を適用した半導体装置の構成の一例について、図16を用いながら説明する。
(Embodiment 5)
An example of a structure of a semiconductor device to which the semiconductor device according to one embodiment of the present invention is applied is described with reference to FIGS.

図16に示す半導体装置300は、CPUコア301、パワーマネージメントユニット321および周辺回路322を有する。パワーマネージメントユニット321は、パワーコントローラ302、およびパワースイッチ303を有する。周辺回路322は、キャッシュメモリを有するキャッシュ304、バスインターフェース(BUS I/F)305、及びデバッグインターフェース(Debug I/F)306を有する。CPUコア301は、データバス323、制御装置307、PC(プログラムカウンタ)308、パイプラインレジスタ309、パイプラインレジスタ310、ALU(Arithmetic logic unit)311、及びレジスタファイル312を有する。CPUコア301と、キャッシュ304等の周辺回路322とのデータのやり取りは、データバス323を介して行われる。 A semiconductor device 300 illustrated in FIG. 16 includes a CPU core 301, a power management unit 321, and a peripheral circuit 322. The power management unit 321 includes a power controller 302 and a power switch 303. The peripheral circuit 322 includes a cache 304 having a cache memory, a bus interface (BUS I / F) 305, and a debug interface (Debug I / F) 306. The CPU core 301 includes a data bus 323, a control device 307, a PC (program counter) 308, a pipeline register 309, a pipeline register 310, an ALU (Arithmetic logic unit) 311, and a register file 312. Data exchange between the CPU core 301 and the peripheral circuit 322 such as the cache 304 is performed via the data bus 323.

本発明の一態様に係る半導体装置は、キャッシュ304に適用することができる。その結果、キャッシュの小型化、高密度化、または大容量化が可能となり、小型化した半導体装置、記憶容量のより大きな半導体装置、より高速で動作する半導体装置、或いはより低消費電力の半導体装置を提供できる。 The semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be applied to the cache 304. As a result, the cache can be reduced in size, increased in density, or increased in capacity, and the semiconductor device can be downsized, the semiconductor device having a larger storage capacity, the semiconductor device operating at higher speed, or the semiconductor device having lower power consumption. Can provide.

制御装置307は、PC308、パイプラインレジスタ309、パイプラインレジスタ310、ALU311、レジスタファイル312、キャッシュ304、バスインターフェース305、デバッグインターフェース306、及びパワーコントローラ302の動作を統括的に制御することで、入力されたアプリケーションなどのプログラムに含まれる命令をデコードし、実行する機能を有する。 The control device 307 controls the operations of the PC 308, the pipeline register 309, the pipeline register 310, the ALU 311, the register file 312, the cache 304, the bus interface 305, the debug interface 306, and the power controller 302, thereby providing an input. A function of decoding and executing an instruction included in a program such as an executed application.

ALU311は、四則演算、論理演算などの各種演算処理を行う機能を有する。 The ALU 311 has a function of performing various arithmetic processes such as four arithmetic operations and logical operations.

キャッシュ304は、使用頻度の高いデータを一時的に記憶しておく機能を有する。PC308は、次に実行する命令のアドレスを記憶する機能を有するレジスタである。なお、図16では図示していないが、キャッシュ304には、キャッシュメモリの動作を制御するキャッシュコントローラが設けられている。 The cache 304 has a function of temporarily storing frequently used data. The PC 308 is a register having a function of storing an address of an instruction to be executed next. Although not shown in FIG. 16, the cache 304 is provided with a cache controller that controls the operation of the cache memory.

パイプラインレジスタ309は、命令データを一時的に記憶する機能を有するレジスタである。 The pipeline register 309 is a register having a function of temporarily storing instruction data.

レジスタファイル312は、汎用レジスタを含む複数のレジスタを有しており、メインメモリから読み出されたデータ、またはALU311の演算処理の結果得られたデータ、などを記憶することができる。 The register file 312 has a plurality of registers including general-purpose registers, and can store data read from the main memory, data obtained as a result of arithmetic processing of the ALU 311, and the like.

パイプラインレジスタ310は、ALU311の演算処理に利用するデータ、またはALU311の演算処理の結果得られたデータなどを一時的に記憶する機能を有するレジスタである。 The pipeline register 310 is a register having a function of temporarily storing data used for the arithmetic processing of the ALU 311 or data obtained as a result of the arithmetic processing of the ALU 311.

バスインターフェース305は、半導体装置300と半導体装置300の外部にある各種装置との間におけるデータの経路としての機能を有する。デバッグインターフェース306は、デバッグの制御を行うための命令を半導体装置300に入力するための信号の経路としての機能を有する。 The bus interface 305 functions as a data path between the semiconductor device 300 and various devices outside the semiconductor device 300. The debug interface 306 has a function as a signal path for inputting a command for controlling debugging to the semiconductor device 300.

パワースイッチ303は、半導体装置300が有する、パワーコントローラ302以外の各種回路への、電源電圧の供給を制御する機能を有する。上記各種回路は、幾つかのパワードメインにそれぞれ属しており、同一のパワードメインに属する各種回路は、パワースイッチ303によって電源電圧の供給の有無が制御される。また、パワーコントローラ302はパワースイッチ303の動作を制御する機能を有する。 The power switch 303 has a function of controlling supply of power supply voltage to various circuits other than the power controller 302 included in the semiconductor device 300. The various circuits belong to several power domains, and the power switches 303 control whether or not the various circuits belonging to the same power domain are supplied with the power switch 303. The power controller 302 has a function of controlling the operation of the power switch 303.

上記構成を有する半導体装置300は、パワーゲーティングを行うことが可能である。パワーゲーティングの動作の流れについて、一例を挙げて説明する。 The semiconductor device 300 having the above structure can perform power gating. The flow of power gating operation will be described with an example.

まず、CPUコア301が、電源電圧の供給を停止するタイミングを、パワーコントローラ302のレジスタに設定する。次いで、CPUコア301からパワーコントローラ302へ、パワーゲーティングを開始する旨の命令を送る。次いで、半導体装置300内に含まれる各種レジスタとキャッシュ304が、データの退避を開始する。次いで、半導体装置300が有するパワーコントローラ302以外の各種回路への電源電圧の供給が、パワースイッチ303により停止される。次いで、割込み信号がパワーコントローラ302に入力されることで、半導体装置300が有する各種回路への電源電圧の供給が開始される。なお、パワーコントローラ302にカウンタを設けておき、電源電圧の供給が開始されるタイミングを、割込み信号の入力に依らずに、当該カウンタを用いて決めるようにしてもよい。次いで、各種レジスタとキャッシュ304が、データの復帰を開始する。次いで、制御装置307における命令の実行が再開される。 First, the CPU core 301 sets the timing for stopping the supply of the power supply voltage in the register of the power controller 302. Next, a command to start power gating is sent from the CPU core 301 to the power controller 302. Next, various registers and the cache 304 included in the semiconductor device 300 start data saving. Next, supply of power supply voltage to various circuits other than the power controller 302 included in the semiconductor device 300 is stopped by the power switch 303. Next, when an interrupt signal is input to the power controller 302, supply of power supply voltage to various circuits included in the semiconductor device 300 is started. Note that a counter may be provided in the power controller 302 and the timing at which the supply of the power supply voltage is started may be determined using the counter without depending on the input of the interrupt signal. Next, the various registers and the cache 304 start data restoration. Next, the execution of the instruction in the control device 307 is resumed.

このようなパワーゲーティングは、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ、または複数の論理回路において行うことができる。また、短い時間でも電源の供給を停止することができる。このため、空間的に、あるいは時間的に細かい粒度で消費電力の削減を行うことができる。 Such power gating can be performed in the entire processor or in one or a plurality of logic circuits constituting the processor. Further, power supply can be stopped even in a short time. For this reason, power consumption can be reduced with fine granularity spatially or temporally.

本発明の一態様に係る半導体装置をキャッシュ304に適用することで、キャッシュ304は、電源電圧の供給が停止されても、長期間データを保持することができる。したがって、パワーゲーティングを行う際に、キャッシュ304のデータを保持し続けることができ、退避する必要がない。その結果、電力と時間を削減することができる。つまり、キャッシュ304に本発明の一態様に係る半導体装置を適用せず、揮発性のSRAMを用いる場合には、パワーゲーティングの際に、キャッシュのデータを破棄するか半導体装置300の外部に退避する必要がある。データを破棄する場合には、復帰時に半導体装置300の外部からデータを取ってくるエネルギーと時間(つまり、キャッシュのウォームアップに必要なエネルギーと時間)を要するが、本発明の一態様に係る半導体装置を適用することで、これを削減することができる。データを退避する場合には、データの退避および復帰に必要な電力と時間を要するが、本発明の一態様に係る半導体装置を適用することで、これを削減することができる。 By applying the semiconductor device according to one embodiment of the present invention to the cache 304, the cache 304 can hold data for a long time even when supply of power supply voltage is stopped. Therefore, when power gating is performed, the data in the cache 304 can be kept, and there is no need to save. As a result, power and time can be reduced. In other words, when a volatile SRAM is used without applying the semiconductor device according to one embodiment of the present invention to the cache 304, the cache data is discarded or saved outside the semiconductor device 300 during power gating. There is a need. In the case of discarding data, energy and time for retrieving data from the outside of the semiconductor device 300 at the time of recovery (that is, energy and time necessary for warming up the cache) are required; however, the semiconductor according to one embodiment of the present invention This can be reduced by applying the device. When data is saved, power and time required for saving and restoring data are required; however, this can be reduced by applying the semiconductor device of one embodiment of the present invention.

なお、本発明の一態様に係る半導体装置は、CPUだけでなく、GPU(Graphics Processing Unit)、PLD(Programmable Logic Device)、DSP(Digital Signal Processor)、MCU(Microcontroller Unit)、RF−ID(Radio Frequency Identification)、カスタムLSIなどにも適用可能である。 Note that a semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes not only a CPU but also a GPU (Graphics Processing Unit), a PLD (Programmable Logic Device), a DSP (Digital Signal Processor), an MCU (Microcontroller ID), and an RF (Microcontroller ID). (Frequency Identification), custom LSI, and the like.

(実施の形態6)
本発明の一態様に係る半導体装置を適用した半導体装置の構成の一例について、図17を用いながら説明する。
(Embodiment 6)
An example of a structure of a semiconductor device to which the semiconductor device according to one embodiment of the present invention is applied is described with reference to FIGS.

図17に示す半導体装置800は、RFIDタグの構成の一例である。本実施の形態におけるRFIDタグは、内部に記憶回路を有し、記憶回路に必要な情報を記憶し、非接触手段、例えば無線通信を用いて外部と情報の授受を行うものである。このような特徴から、RFIDタグは、物品などの個体情報を読み取ることにより物品の識別を行う個体認証システムなどに用いることが可能である。 A semiconductor device 800 illustrated in FIG. 17 is an example of a structure of an RFID tag. The RFID tag in this embodiment has a storage circuit inside, stores necessary information in the storage circuit, and exchanges information with the outside using non-contact means, for example, wireless communication. Because of these characteristics, the RFID tag can be used in an individual authentication system that identifies an article by reading individual information such as the article.

図17に示す半導体装置800は、アンテナ804、整流回路805、定電圧回路806、復調回路807、変調回路808、論理回路809、記憶回路810、ROM811を有している。 A semiconductor device 800 illustrated in FIG. 17 includes an antenna 804, a rectifier circuit 805, a constant voltage circuit 806, a demodulation circuit 807, a modulation circuit 808, a logic circuit 809, a memory circuit 810, and a ROM 811.

本発明の一態様に係る半導体装置は、記憶回路810に適用することができる。その結果、記憶回路810の小型化、高密度化、または大容量化が可能となり、小型化した半導体装置、あるいは記憶容量のより大きな半導体装置を提供できる。 The semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be applied to the memory circuit 810. As a result, the memory circuit 810 can be reduced in size, increased in density, or increased in capacity, and a downsized semiconductor device or a semiconductor device having a larger storage capacity can be provided.

アンテナ804は、通信器801に接続されたアンテナ802との間で無線信号803の送受信を行うためのものである。また、整流回路805は、アンテナ804で無線信号を受信することにより生成される入力交流信号を整流、例えば、半波2倍圧整流し、後段に設けられた容量素子により、整流された信号を平滑化することで入力電位を生成するための回路である。なお、整流回路805の入力側または出力側には、リミッタ回路を設けてもよい。リミッタ回路とは、入力交流信号の振幅が大きく、内部生成電圧が大きい場合に、ある電力以上の電力を後段の回路に入力しないように制御するための回路である。 The antenna 804 is for transmitting and receiving a radio signal 803 to and from the antenna 802 connected to the communication device 801. Further, the rectifier circuit 805 rectifies an input AC signal generated by receiving a radio signal by the antenna 804, for example, half-wave double voltage rectification, and the signal rectified by a capacitive element provided in the subsequent stage. It is a circuit for generating an input potential by smoothing. Note that a limiter circuit may be provided on the input side or the output side of the rectifier circuit 805. The limiter circuit is a circuit for controlling not to input more than a certain amount of power to a subsequent circuit when the amplitude of the input AC signal is large and the internally generated voltage is large.

定電圧回路806は、入力電位から安定した電源電圧を生成し、各回路に供給するための回路である。なお、定電圧回路806は、内部にリセット信号生成回路を有していてもよい。リセット信号生成回路は、安定した電源電圧の立ち上がりを利用して、論理回路809のリセット信号を生成するための回路である。 The constant voltage circuit 806 is a circuit for generating a stable power supply voltage from the input potential and supplying it to each circuit. Note that the constant voltage circuit 806 may include a reset signal generation circuit. The reset signal generation circuit is a circuit for generating a reset signal of the logic circuit 809 using a stable rise of the power supply voltage.

復調回路807は、入力交流信号を包絡線検出することにより復調し、復調信号を生成するための回路である。また、変調回路808は、アンテナ804より出力するデータに応じて変調を行うための回路である。 The demodulation circuit 807 is a circuit for demodulating an input AC signal by detecting an envelope and generating a demodulated signal. The modulation circuit 808 is a circuit for performing modulation in accordance with data output from the antenna 804.

論理回路809は復調信号を解読し、処理を行うための回路である。記憶回路810は、入力された情報を保持する回路であり、ローデコーダ、カラムデコーダ、記憶領域などを有する。また、ROM811は、固有番号(ID)などを格納し、処理に応じて出力を行うための回路である。 A logic circuit 809 is a circuit for decoding and processing the demodulated signal. The memory circuit 810 is a circuit that holds input information and includes a row decoder, a column decoder, a storage area, and the like. The ROM 811 is a circuit for storing a unique number (ID) or the like and outputting it according to processing.

なお、データの伝送形式は、一対のコイルを対向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などがある。本実施の形態に示す半導体装置800は、いずれの方式に用いることも可能である。 Note that the data transmission format includes an electromagnetic coupling method in which a pair of coils are arranged facing each other to perform communication by mutual induction, an electromagnetic induction method in which communication is performed by an induction electromagnetic field, and a radio wave method in which communication is performed using radio waves. The semiconductor device 800 described in this embodiment can be used for any method.

なお、上述の各回路は、必要に応じて、適宜、取捨することができる。 Note that the above-described circuits can be appropriately disposed as necessary.

なお、記憶回路810以外の回路において、nチャネル型トランジスタには、先の実施の形態で説明した酸化物半導体を用いたトランジスタを用いることができる。当該トランジスタが低いオフ電流と高いオン電流を有するため低いリーク電流と高速動作を両立することができる。また、復調回路807に含まれる整流作用を示す素子に、先の実施の形態で説明した酸化物半導体を用いたトランジスタを用いてもよい。当該トランジスタが低いオフ電流を有するため、整流作用を示す素子の逆方向電流を小さく抑えることが可能となる。その結果、優れた整流効率を実現できる。また、これらの酸化物半導体を用いたトランジスタは同じプロセスで作製することができるため、プロセスコストを抑えたまま半導体装置800を高性能化できる。 Note that in any circuit other than the memory circuit 810, the transistor including the oxide semiconductor described in the above embodiment can be used as the n-channel transistor. Since the transistor has a low off-state current and a high on-state current, both a low leakage current and a high-speed operation can be achieved. Alternatively, the element including the rectifying action included in the demodulation circuit 807 may be a transistor including the oxide semiconductor described in the above embodiment. Since the transistor has a low off-state current, the reverse current of the element that exhibits a rectifying function can be reduced. As a result, excellent rectification efficiency can be realized. In addition, since transistors using these oxide semiconductors can be manufactured by the same process, the semiconductor device 800 can have high performance while suppressing process cost.

なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments described in this specification as appropriate.

(実施の形態7)
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部品に適用する例、及び該電子部品を具備する電子機器に適用する例について、図18、図19を用いて説明する。
(Embodiment 7)
In this embodiment, an example in which the semiconductor device described in any of the above embodiments is applied to an electronic component and an example in which the semiconductor device is applied to an electronic device including the electronic component will be described with reference to FIGS.

図18(a)では上述の実施の形態で説明した半導体装置を電子部品に適用する例について説明する。なお電子部品は、半導体パッケージ、又はIC用パッケージともいう。この電子部品は、端子取り出し方向や、端子の形状に応じて、複数の規格や名称が存在する。そこで、本実施の形態では、その一例について説明することにする。 FIG. 18A illustrates an example in which the semiconductor device described in the above embodiment is applied to an electronic component. Note that the electronic component is also referred to as a semiconductor package or an IC package. This electronic component has a plurality of standards and names depending on the terminal take-out direction and the shape of the terminal. Therefore, in this embodiment, an example will be described.

図3に示すようなトランジスタで構成される半導体装置は、組み立て工程(後工程)を経て、プリント基板に脱着可能な部品が複数合わさることで完成する。 A semiconductor device including a transistor as shown in FIG. 3 is completed by assembling a plurality of detachable components on a printed circuit board through an assembly process (post-process).

後工程については、図18(a)に示す各工程を経ることで完成させることができる。具体的には、前工程で得られる素子基板が完成(ステップS1)した後、基板の裏面を研削する(ステップS2)。この段階で基板を薄膜化することで、前工程での基板の反り等を低減し、部品としての小型化を図る。 About a post process, it can be completed by passing through each process shown to Fig.18 (a). Specifically, after the element substrate obtained in the previous process is completed (step S1), the back surface of the substrate is ground (step S2). By reducing the thickness of the substrate at this stage, it is possible to reduce the warpage of the substrate in the previous process and reduce the size of the component.

基板の裏面を研削して、基板を複数のチップに分離するダイシング工程を行う。そして、分離したチップを個々にピックアップしてリードフレーム上に搭載し接合する、ダイボンディング工程を行う(ステップS3)。このダイボンディング工程におけるチップとリードフレームとの接着は、樹脂による接着や、テープによる接着等、適宜製品に応じて適した方法を選択する。なお、ダイボンディング工程は、インターポーザ上に搭載し接合してもよい。 A dicing process is performed in which the back surface of the substrate is ground to separate the substrate into a plurality of chips. Then, a die bonding process is performed in which the separated chips are individually picked up and mounted on the lead frame and bonded (step S3). For the bonding between the chip and the lead frame in this die bonding process, a suitable method is appropriately selected according to the product, such as bonding with a resin or bonding with a tape. The die bonding step may be mounted on the interposer and bonded.

次いでリードフレームのリードとチップ上の電極とを、金属の細線(ワイヤー)で電気的に接続する、ワイヤーボンディングを行う(ステップS4)。金属の細線には、銀線や金線を用いることができる。また、ワイヤーボンディングは、ボールボンディングや、ウェッジボンディングを用いることができる。 Next, wire bonding is performed in which the lead of the lead frame and the electrode on the chip are electrically connected by a thin metal wire (wire) (step S4). A silver wire or a gold wire can be used as the metal thin wire. For wire bonding, ball bonding or wedge bonding can be used.

ワイヤーボンディングされたチップは、エポキシ樹脂等で封止される、モールド工程が施される(ステップS5)。モールド工程を行うことで電子部品の内部が樹脂で充填され、機械的な外力から、内蔵される回路部やワイヤーを保護することができ、また水分や埃による特性の劣化を低減することができる。 The wire-bonded chip is subjected to a molding process that is sealed with an epoxy resin or the like (step S5). By performing the molding process, the inside of the electronic component is filled with resin, the built-in circuit part and wire can be protected from mechanical external force, and deterioration of characteristics due to moisture and dust can be reduced. .

次いでリードフレームのリードをめっき処理する。そしてリードを切断及び成形加工する(ステップS6)。このめっき処理によりリードの錆を防止し、後にプリント基板に実装する際のはんだ付けをより確実に行うことができる。 Next, the lead frame lead is plated. Then, the lead is cut and molded (step S6). By this plating treatment, rusting of the lead can be prevented, and soldering when mounting on a printed circuit board can be performed more reliably.

次いでパッケージの表面に印字処理(マーキング)を施す(ステップS7)。そして最終的な検査工程(ステップS8)を経て電子部品が完成する(ステップS9)。 Next, a printing process (marking) is performed on the surface of the package (step S7). An electronic component is completed through a final inspection process (step S8) (step S9).

以上説明した電子部品は、先の実施の形態で説明した半導体装置を含む構成とすることができる。そのため、小型化、高密度化、または大容量化された記憶装置を有する電子部品を実現することができる。該電子部品は、小型化あるいは記憶容量の大容量化が図られた電子部品である。 The electronic component described above can include the semiconductor device described in the above embodiment. Therefore, an electronic component having a memory device that is reduced in size, increased in density, or increased in capacity can be realized. The electronic component is an electronic component that has been reduced in size or increased in storage capacity.

また、完成した電子部品の斜視模式図を図18(b)に示す。図18(b)では、電子部品の一例として、QFP(Quad Flat Package)の斜視模式図を示している。図18(b)に示す電子部品700は、リード701及び半導体装置703を示している。図18(b)に示す電子部品700は、例えばプリント基板702に実装される。このような電子部品700が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板702上で電気的に接続されることで電子部品が実装された基板(実装基板704)が完成する。完成した実装基板704は、電子機器等の内部に設けられる。 FIG. 18B is a schematic perspective view of the completed electronic component. FIG. 18B shows a schematic perspective view of a QFP (Quad Flat Package) as an example of an electronic component. An electronic component 700 shown in FIG. 18B shows a lead 701 and a semiconductor device 703. An electronic component 700 shown in FIG. 18B is mounted on a printed circuit board 702, for example. A plurality of such electronic components 700 are combined and each is electrically connected on the printed circuit board 702 to complete a substrate (mounting substrate 704) on which the electronic components are mounted. The completed mounting board 704 is provided inside an electronic device or the like.

上述の電子部品は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置(代表的にはDVD:Digital Versatile Discなどの記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置)に適用することができる。その他に、上述の電子部品を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ)、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤーなど)、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機(ATM)、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図19に示す。 The above-described electronic component is used in an image reproduction apparatus (typically an apparatus having a display that can reproduce a recording medium such as a DVD: Digital Versatile Disc and display the image) including a display device, a personal computer, and a recording medium. Can be applied. Other electronic devices that can use the above-described electronic components include mobile phones, portable game machines, portable data terminals, electronic books, video cameras, digital still cameras and other cameras, goggle-type displays (head-mounted displays). ), Navigation systems, sound reproducing devices (car audio, digital audio player, etc.), copiers, facsimiles, printers, printer multifunction devices, automatic teller machines (ATMs), vending machines, and the like. Specific examples of these electronic devices are shown in FIGS.

図19(A)は携帯型ゲーム機であり、筐体901、筐体902、表示部903、表示部904、マイクロフォン905、スピーカー906、操作キー907、スタイラス908などを有する。なお、図19(A)に示した携帯型ゲーム機は、2つの表示部903と表示部904とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。 FIG. 19A illustrates a portable game machine including a housing 901, a housing 902, a display portion 903, a display portion 904, a microphone 905, a speaker 906, operation keys 907, a stylus 908, and the like. Note that although the portable game machine illustrated in FIG. 19A includes the two display portions 903 and 904, the number of display portions included in the portable game device is not limited thereto.

図19(B)は携帯データ端末であり、第1筐体911、第2筐体912、第1表示部913、第2表示部914、接続部915、操作キー916などを有する。第1表示部913は第1筐体911に設けられており、第2表示部914は第2筐体912に設けられている。そして、第1筐体911と第2筐体912とは、接続部915により接続されており、第1筐体911と第2筐体912の間の角度は、接続部915により変更が可能である。第1表示部913における映像を、接続部915における第1筐体911と第2筐体912との間の角度にしたがって、切り替える構成としてもよい。また、第1表示部913および第2表示部914の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしてもよい。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。または、位置入力装置としての機能は、フォトセンサーとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。 FIG. 19B illustrates a portable data terminal, which includes a first housing 911, a second housing 912, a first display portion 913, a second display portion 914, a connection portion 915, operation keys 916, and the like. The first display unit 913 is provided in the first housing 911, and the second display unit 914 is provided in the second housing 912. The first housing 911 and the second housing 912 are connected by the connection portion 915, and the angle between the first housing 911 and the second housing 912 can be changed by the connection portion 915. is there. It is good also as a structure which switches the image | video in the 1st display part 913 according to the angle between the 1st housing | casing 911 and the 2nd housing | casing 912 in the connection part 915. FIG. In addition, a display device in which a function as a position input device is added to at least one of the first display portion 913 and the second display portion 914 may be used. Note that the function as a position input device can be added by providing a touch panel on the display device. Alternatively, the function as a position input device can be added by providing a photoelectric conversion element called a photosensor in a pixel portion of a display device.

図19(C)はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体921、表示部922、キーボード923、ポインティングデバイス924などを有する。 FIG. 19C illustrates a laptop personal computer, which includes a housing 921, a display portion 922, a keyboard 923, a pointing device 924, and the like.

図19(D)は電気冷凍冷蔵庫であり、筐体931、冷蔵室用扉932、冷凍室用扉933などを有する。 FIG. 19D illustrates an electric refrigerator-freezer, which includes a housing 931, a refrigerator door 932, a refrigerator door 933, and the like.

図19(E)はビデオカメラであり、第1筐体941、第2筐体942、表示部943、操作キー944、レンズ945、接続部946などを有する。操作キー944およびレンズ945は第1筐体941に設けられており、表示部943は第2筐体942に設けられている。そして、第1筐体941と第2筐体942とは、接続部946により接続されており、第1筐体941と第2筐体942の間の角度は、接続部946により変更が可能である。表示部943における映像を、接続部946における第1筐体941と第2筐体942との間の角度にしたがって切り替える構成としてもよい。 FIG. 19E illustrates a video camera, which includes a first housing 941, a second housing 942, a display portion 943, operation keys 944, a lens 945, a connection portion 946, and the like. The operation key 944 and the lens 945 are provided in the first housing 941, and the display portion 943 is provided in the second housing 942. The first housing 941 and the second housing 942 are connected by a connection portion 946, and the angle between the first housing 941 and the second housing 942 can be changed by the connection portion 946. is there. It is good also as a structure which switches the image | video in the display part 943 according to the angle between the 1st housing | casing 941 and the 2nd housing | casing 942 in the connection part 946. FIG.

図19(F)は普通自動車であり、車体951、車輪952、ダッシュボード953、ライト954などを有する。 FIG. 19F illustrates an ordinary automobile, which includes a vehicle body 951, wheels 952, a dashboard 953, lights 954, and the like.

これらの電子機器に、本発明の一態様に係る半導体装置(メモリセル)を含む、小型化、高密度化、または大容量化された記憶装置を有する電子部品を適用することで、小型の電子機器、または、高性能の電子機器を提供できる。 By applying electronic components including a semiconductor device (memory cell) according to one embodiment of the present invention to each of these electronic devices and having a memory device with a reduced size, a higher density, or an increased capacity, a small electronic device A device or a high-performance electronic device can be provided.

なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments described in this specification as appropriate.

例えば、本明細書等において、XとYとが接続されている、と明示的に記載する場合は、XとYとが電気的に接続されている場合と、XとYとが機能的に接続されている場合と、XとYとが直接接続されている場合とを含むものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも含むものとする。 For example, in this specification and the like, when X and Y are explicitly described as being connected, when X and Y are electrically connected, X and Y are functionally connected. The case where they are connected and the case where X and Y are directly connected are included. Therefore, it is not limited to a predetermined connection relationship, for example, the connection relationship shown in the figure or text, and includes things other than the connection relation shown in the figure or text.

ここで、X、Yは、対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など)であるとする。 Here, X and Y are assumed to be objects (for example, devices, elements, circuits, wirings, electrodes, terminals, conductive films, layers, etc.).

XとYとが電気的に接続されている場合の一例としては、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)が、XとYとの間に1個以上接続されることが可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、スイッチは、導通状態(オン状態)、または、非導通状態(オフ状態)になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有している。または、スイッチは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有している。 As an example of the case where X and Y are electrically connected, an element (for example, a switch, a transistor, a capacitive element, an inductor, a resistance element, a diode, a display, etc.) that enables electrical connection between X and Y is shown. More than one element, light emitting element, load, etc.) can be connected between X and Y. Note that the switch has a function of controlling on / off. That is, the switch is in a conductive state (on state) or a non-conductive state (off state), and has a function of controlling whether or not to pass a current. Alternatively, the switch has a function of selecting and switching a path through which a current flows.

XとYとが機能的に接続されている場合の一例としては、XとYとの機能的な接続を可能とする回路(例えば、論理回路(インバータ、NAND回路、NOR回路など)、信号変換回路(DA変換回路、AD変換回路、ガンマ補正回路など)、電位レベル変換回路(電源回路(昇圧回路、降圧回路など)、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など)、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路(信号振幅または電流量などを大きく出来る回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など)、信号生成回路、記憶回路、制御回路など)が、XとYとの間に1個以上接続されることが可能である。なお、一例として、XとYとの間に別の回路を挟んでいても、Aから出力された信号がBへ伝達される場合は、XとYとは機能的に接続されているものとする。 As an example of the case where X and Y are functionally connected, a circuit (for example, a logic circuit (an inverter, a NAND circuit, a NOR circuit, etc.) that enables a functional connection between X and Y, signal conversion, etc. Circuit (DA conversion circuit, AD conversion circuit, gamma correction circuit, etc.), potential level conversion circuit (power supply circuit (boost circuit, step-down circuit, etc.), level shifter circuit that changes signal potential level, etc.), voltage source, current source, switching Circuit, amplifier circuit (circuit that can increase signal amplitude or current amount, operational amplifier, differential amplifier circuit, source follower circuit, buffer circuit, etc.), signal generation circuit, memory circuit, control circuit, etc.) One or more can be connected between them. As an example, even if another circuit is interposed between X and Y, if the signal output from A is transmitted to B, X and Y are functionally connected. To do.

なお、XとYとが電気的に接続されている、と明示的に記載する場合は、XとYとが電気的に接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の素子又は別の回路を挟んで接続されている場合)と、XとYとが機能的に接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の回路を挟んで機能的に接続されている場合)と、XとYとが直接接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の素子又は別の回路を挟まずに接続されている場合)とを含むものとする。つまり、電気的に接続されている、と明示的に記載する場合は、単に、接続されている、とのみ明示的に記載されている場合と同じであるとする。 Note that when X and Y are explicitly described as being electrically connected, when X and Y are electrically connected (that is, another element between X and Y). Or when X and Y are functionally connected (that is, they are functionally connected with another circuit between X and Y). And a case where X and Y are directly connected (that is, a case where another element or another circuit is not connected between X and Y). That is, when it is explicitly described that it is electrically connected, it is the same as when it is explicitly only described that it is connected.

なお、例えば、トランジスタのソース(又は第1の端子など)が、Z1を介して(又は介さず)、Xと電気的に接続され、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)が、Z2を介して(又は介さず)、Yと電気的に接続されている場合や、トランジスタのソース(又は第1の端子など)が、Z1の一部と直接的に接続され、Z1の別の一部がXと直接的に接続され、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)が、Z2の一部と直接的に接続され、Z2の別の一部がYと直接的に接続されている場合では、以下のように表現することが出来る。 Note that for example, the source (or the first terminal) of the transistor is electrically connected to X through (or not through) Z1, and the drain (or the second terminal or the like) of the transistor is connected to Z2. Through (or without), Y is electrically connected, or the source (or the first terminal, etc.) of the transistor is directly connected to a part of Z1, and another part of Z1 Is directly connected to X, and the drain (or second terminal, etc.) of the transistor is directly connected to a part of Z2, and another part of Z2 is directly connected to Y. Then, it can be expressed as follows.

例えば、「XとYとトランジスタのソース(又は第1の端子など)とドレイン(又は第2の端子など)とは、互いに電気的に接続されており、X、トランジスタのソース(又は第1の端子など)、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)、Yの順序で電気的に接続されている。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース(又は第1の端子など)は、Xと電気的に接続され、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)はYと電気的に接続され、X、トランジスタのソース(又は第1の端子など)、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)、Yは、この順序で電気的に接続されている」と表現することができる。または、「Xは、トランジスタのソース(又は第1の端子など)とドレイン(又は第2の端子など)とを介して、Yと電気的に接続され、X、トランジスタのソース(又は第1の端子など)、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)、Yは、この接続順序で設けられている」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続の順序について規定することにより、トランジスタのソース(又は第1の端子など)と、ドレイン(又は第2の端子など)とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。なお、これらの表現方法は、一例であり、これらの表現方法に限定されない。ここで、X、Y、Z1、Z2は、対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など)であるとする。 For example, “X and Y, and the source (or the first terminal or the like) and the drain (or the second terminal or the like) of the transistor are electrically connected to each other. The drain of the transistor (or the second terminal, etc.) and the Y are electrically connected in this order. ” Or “the source (or the first terminal or the like) of the transistor is electrically connected to X, the drain (or the second terminal or the like) of the transistor is electrically connected to Y, and X or the source ( Or the first terminal or the like, the drain of the transistor (or the second terminal, or the like) and Y are electrically connected in this order. Or “X is electrically connected to Y through the source (or the first terminal) and the drain (or the second terminal) of the transistor, and X is the source of the transistor (or the first terminal). Terminal, etc.), the drain of the transistor (or the second terminal, etc.), and Y are provided in this connection order. By using the same expression method as in these examples and defining the order of connection in the circuit configuration, the source (or the first terminal, etc.) and the drain (or the second terminal, etc.) of the transistor are separated. Apart from that, the technical scope can be determined. In addition, these expression methods are examples, and are not limited to these expression methods. Here, it is assumed that X, Y, Z1, and Z2 are objects (for example, devices, elements, circuits, wirings, electrodes, terminals, conductive films, layers, and the like).

なお、ある一つの実施の形態の中で述べる内容(一部の内容でもよい)は、その実施の形態で述べる別の内容(一部の内容でもよい)、及び/又は、一つ若しくは複数の別の実施の形態で述べる内容(一部の内容でもよい)に対して、適用、組み合わせ、又は置き換えなどを行うことが出来る。 Note that the content (may be a part of content) described in one embodiment is different from the content (may be a part of content) described in the embodiment and / or one or more Application, combination, replacement, or the like can be performed on the content described in another embodiment (or part of the content).

なお、実施の形態の中で述べる内容とは、各々の実施の形態において、様々な図を用いて述べる内容、又は明細書に記載される文章を用いて述べる内容のことである。 Note that the contents described in the embodiments are the contents described using various drawings or the contents described in the specification in each embodiment.

なお、ある一つの実施の形態において述べる図(一部でもよい)は、その図の別の部分、その実施の形態において述べる別の図(一部でもよい)、及び/又は、一つ若しくは複数の別の実施の形態において述べる図(一部でもよい)に対して、組み合わせることにより、さらに多くの図を構成させることが出来る。 Note that a drawing (or a part thereof) described in one embodiment may be another part of the drawing, another drawing (may be a part) described in the embodiment, and / or one or more. More diagrams can be formed by combining the diagrams (may be a part) described in another embodiment.

なお、明細書の中の図面や文章において規定されていない内容について、その内容を除くことを規定した発明の一態様を構成することが出来る。または、ある値について、上限値と下限値などで示される数値範囲が記載されている場合、その範囲を任意に狭めることで、または、その範囲の中の一点を除くことで、その範囲を一部除いた発明の一態様を規定することができる。これらにより、例えば、従来技術が本発明の一態様の技術的範囲内に入らないことを規定することができる。 In addition, about the content which is not prescribed | regulated in the drawing and text in a specification, the one aspect | mode of the invention which prescribed | regulated removing the content can be comprised. Or, when a numerical value range indicated by an upper limit value and a lower limit value is described for a certain value, the range is unified by arbitrarily narrowing the range or by removing one point in the range. One aspect of the invention excluding a part can be defined. Thus, for example, it can be defined that the prior art does not fall within the technical scope of one embodiment of the present invention.

具体例としては、ある回路において、第1乃至第5のトランジスタを用いている回路図が記載されているとする。その場合、その回路が、第6のトランジスタを有していないことを発明として規定することが可能である。または、その回路が、容量素子を有していないことを規定することが可能である。さらに、その回路が、ある特定の接続構造をとっているような第6のトランジスタを有していない、と規定して発明を構成することができる。または、その回路が、ある特定の接続構造をとっている容量素子を有していない、と規定して発明を構成することができる。例えば、ゲートが第3のトランジスタのゲートと接続されている第6のトランジスタを有していない、と発明を規定することが可能である。または、例えば、第1の電極が第3のトランジスタのゲートと接続されている容量素子を有していない、と発明を規定することが可能である。 As a specific example, a circuit diagram using the first to fifth transistors in a certain circuit is described. In that case, it can be specified as an invention that the circuit does not include the sixth transistor. Alternatively, it can be specified that the circuit does not include a capacitor. Furthermore, the invention can be configured by specifying that the circuit does not have the sixth transistor having a specific connection structure. Alternatively, the invention can be configured by specifying that the circuit does not include a capacitor having a specific connection structure. For example, the invention can be defined as having no sixth transistor whose gate is connected to the gate of the third transistor. Alternatively, for example, it can be specified that the first electrode does not include a capacitor connected to the gate of the third transistor.

別の具体例としては、ある値について、例えば、「ある電圧が、3V以上10V以下であることが好適である」と記載されているとする。その場合、例えば、ある電圧が、−2V以上1V以下である場合を除く、と発明の一態様を規定することが可能である。または、例えば、ある電圧が、13V以上である場合を除く、と発明の一態様を規定することが可能である。なお、例えば、その電圧が、5V以上8V以下であると発明を規定することも可能である。なお、例えば、その電圧が、概略9Vであると発明を規定することも可能である。なお、例えば、その電圧が、3V以上10V以下であるが、9Vである場合を除くと発明を規定することも可能である。なお、ある値について、「このような範囲であることが好ましい」、「これらを満たすことが好適である」となどと記載されていたとしても、ある値は、それらの記載に限定されない。つまり、「好ましい」、「好適である」などと記載されていたとしても、必ずしも、それらの記載には、限定されない。 As another specific example, a certain value is described as, for example, “It is preferable that a certain voltage is 3 V or more and 10 V or less”. In that case, for example, one embodiment of the invention can be defined as excluding the case where a certain voltage is −2 V or higher and 1 V or lower. Alternatively, for example, one embodiment of the invention can be defined as excluding the case where a certain voltage is 13 V or higher. Note that, for example, the invention can be specified such that the voltage is 5 V or more and 8 V or less. In addition, for example, it is also possible to prescribe | regulate invention that the voltage is about 9V. Note that, for example, the voltage is 3 V or more and 10 V or less, but the invention can be specified except for the case where the voltage is 9 V. Note that even if a value is described as “preferably in such a range”, “preferably satisfying these”, or the like, the value is not limited to the description. That is, even if it is described as “preferred” or “preferred”, the description is not necessarily limited thereto.

別の具体例としては、ある値について、例えば、「ある電圧が、10Vであることが好適である」と記載されているとする。その場合、例えば、ある電圧が、−2V以上1V以下である場合を除く、と発明の一態様を規定することが可能である。または、例えば、ある電圧が、13V以上である場合を除く、と発明の一態様を規定することが可能である。 As another specific example, it is assumed that a certain value is described as, for example, “a certain voltage is preferably 10 V”. In that case, for example, one embodiment of the invention can be defined as excluding the case where a certain voltage is −2 V or higher and 1 V or lower. Alternatively, for example, one embodiment of the invention can be defined as excluding the case where a certain voltage is 13 V or higher.

別の具体例としては、ある物質の性質について、例えば、「ある膜は、絶縁膜である」と記載されているとする。その場合、例えば、その絶縁膜が、有機絶縁膜である場合を除く、と発明の一態様を規定することが可能である。または、例えば、その絶縁膜が、無機絶縁膜である場合を除く、と発明の一態様を規定することが可能である。または、例えば、その膜が、導電膜である場合を除く、と発明の一態様を規定することが可能である。または、例えば、その膜が、半導体膜である場合を除く、と発明の一態様を規定することが可能である。 As another specific example, it is assumed that the property of a certain substance is described as, for example, “a certain film is an insulating film”. In that case, for example, one embodiment of the invention can be defined as excluding the case where the insulating film is an organic insulating film. Alternatively, for example, one embodiment of the invention can be defined as excluding the case where the insulating film is an inorganic insulating film. Alternatively, for example, one embodiment of the invention can be defined as excluding the case where the film is a conductive film. Alternatively, for example, one embodiment of the invention can be defined as excluding the case where the film is a semiconductor film.

別の具体例としては、ある積層構造について、例えば、「A膜とB膜との間に、ある膜が設けられている」と記載されているとする。その場合、例えば、その膜が、4層以上の積層膜である場合を除く、と発明を規定することが可能である。または、例えば、A膜とその膜との間に、導電膜が設けられている場合を除く、と発明を規定することが可能である。 As another specific example, it is assumed that a certain laminated structure is described as “a film is provided between the A film and the B film”, for example. In that case, for example, the invention can be defined as excluding the case where the film is a laminated film of four or more layers. Alternatively, for example, the invention can be defined as excluding the case where a conductive film is provided between the A film and the film.

なお、本明細書等において記載されている発明の一態様は、さまざまな人が実施することが出来る。しかしながら、その実施は、複数の人にまたがって実施される場合がある。例えば、送受信システムの場合において、A社が送信機を製造および販売し、B社が受信機を製造および販売する場合がある。別の例としては、トランジスタおよび発光素子を有する発光装置の場合において、トランジスタが形成された半導体装置は、A社が製造および販売する。そして、B社がその半導体装置を購入して、その半導体装置に発光素子を成膜して、発光装置として完成させる、という場合がある。 Note that one embodiment of the invention described in this specification and the like can be implemented by various people. However, the implementation may be performed across multiple people. For example, in the case of a transmission / reception system, company A may manufacture and sell a transmitter, and company B may manufacture and sell a receiver. As another example, in the case of a light emitting device having a transistor and a light emitting element, the semiconductor device in which the transistor is formed is manufactured and sold by Company A. In some cases, company B purchases the semiconductor device, forms a light-emitting element on the semiconductor device, and completes the light-emitting device.

このような場合、A社またはB社のいずれに対しても、特許侵害を主張できるような発明の一態様を、構成することが出来る。つまり、A社のみが実施するような発明の一態様を構成することが可能であり、別の発明の一態様として、B社のみが実施するような発明の一態様を構成することが可能である。また、A社またはB社に対して、特許侵害を主張できるような発明の一態様は、明確であり、本明細書等に記載されていると判断する事が出来る。例えば、送受信システムの場合において、送信機のみの場合の記載や、受信機のみの場合の記載が本明細書等になかったとしても、送信機のみで発明の一態様を構成することができ、受信機のみで別の発明の一態様を構成することができ、それらの発明の一態様は、明確であり、本明細書等に記載されていると判断することが出来る。別の例としては、トランジスタおよび発光素子を有する発光装置の場合において、トランジスタが形成された半導体装置のみの場合の記載や、発光素子を有する発光装置のみの場合の記載が本明細書等になかったとしても、トランジスタが形成された半導体装置のみで発明の一態様を構成することができ、発光素子を有する発光装置のみで発明の一態様を構成することができ、それらの発明の一態様は、明確であり、本明細書等に記載されていると判断することが出来る。 In such a case, an aspect of the invention that can claim patent infringement can be configured for either Company A or Company B. In other words, it is possible to constitute an aspect of the invention that only Company A implements, and as an aspect of another invention, it is possible to constitute an aspect of the invention that is implemented only by Company B. is there. In addition, it is possible to determine that one embodiment of the invention that can claim patent infringement against Company A or Company B is clear and described in this specification and the like. For example, in the case of a transmission / reception system, even if there is no description in the case of only a transmitter, or in the case of only a receiver in this specification, etc., one aspect of the invention can be configured with only the transmitter, One embodiment of another invention can be formed using only a receiver, and it can be determined that one embodiment of the invention is clear and described in this specification and the like. As another example, in the case of a light-emitting device including a transistor and a light-emitting element, the description in the case of only a semiconductor device in which a transistor is formed or the description in the case of only a light-emitting device having a light-emitting element is not included in this specification and the like. Even in this case, one embodiment of the invention can be formed using only a semiconductor device in which a transistor is formed, and one embodiment of the invention can be formed using only a light-emitting device including a light-emitting element. It is clear and can be determined to be described in this specification and the like.

なお、本明細書等においては、能動素子(トランジスタ、ダイオードなど)、受動素子(容量素子、抵抗素子など)などが有するすべての端子について、その接続先を特定しなくても、当業者であれば、発明の一態様を構成することは可能な場合がある。つまり、接続先を特定しなくても、発明の一態様が明確であると言える。そして、接続先が特定された内容が、本明細書等に記載されている場合、接続先を特定しない発明の一態様が、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。特に、端子の接続先が複数のケース考えられる場合には、その端子の接続先を特定の箇所に限定する必要はない。したがって、能動素子(トランジスタ、ダイオードなど)、受動素子(容量素子、抵抗素子など)などが有する一部の端子についてのみ、その接続先を特定することによって、発明の一態様を構成することが可能な場合がある。 Note that in this specification and the like, a person skilled in the art can connect all terminals of an active element (a transistor, a diode, etc.), a passive element (a capacitor element, a resistance element, etc.) without specifying connection destinations. Thus, it may be possible to constitute an aspect of the invention. That is, it can be said that one aspect of the invention is clear without specifying the connection destination. And, when the content specifying the connection destination is described in this specification etc., it is possible to determine that one aspect of the invention that does not specify the connection destination is described in this specification etc. There is. In particular, when there are a plurality of cases where the terminal is connected, it is not necessary to limit the terminal connection to a specific location. Therefore, it is possible to constitute one embodiment of the present invention by specifying connection destinations of only some terminals of active elements (transistors, diodes, etc.) and passive elements (capacitance elements, resistance elements, etc.). There are cases.

なお、本明細書等においては、ある回路について、少なくとも接続先を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。または、ある回路について、少なくとも機能を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。つまり、機能を特定すれば、発明の一態様が明確であると言える。そして、機能が特定された発明の一態様が、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。したがって、ある回路について、機能を特定しなくても、接続先を特定すれば、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。または、ある回路について、接続先を特定しなくても、機能を特定すれば、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。 Note that in this specification and the like, it may be possible for those skilled in the art to specify the invention when at least the connection portion of a circuit is specified. Alternatively, it may be possible for those skilled in the art to specify the invention when at least the function of a circuit is specified. That is, if the function is specified, it can be said that one aspect of the invention is clear. Then, it may be possible to determine that one embodiment of the invention whose function is specified is described in this specification and the like. Therefore, if a connection destination is specified for a certain circuit without specifying a function, the circuit is disclosed as one embodiment of the invention, and can constitute one embodiment of the invention. Alternatively, if a function is specified for a certain circuit without specifying a connection destination, the circuit is disclosed as one embodiment of the invention, and can constitute one embodiment of the invention.

なお、本明細書等においては、ある一つの実施の形態において述べる図または文章において、その一部分を取り出して、発明の一態様を構成することは可能である。したがって、ある部分を述べる図または文章が記載されている場合、その一部分の図または文章を取り出した内容も、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能であるものとする。そして、その発明の一態様は明確であると言える。そのため、例えば、能動素子(トランジスタ、ダイオードなど)、配線、受動素子(容量素子、抵抗素子など)、導電層、絶縁層、半導体層、有機材料、無機材料、部品、装置、動作方法、製造方法などが単数もしくは複数記載された図面または文章において、その一部分を取り出して、発明の一態様を構成することが可能であるものとする。例えば、N個(Nは整数)の回路素子(トランジスタ、容量素子等)を有して構成される回路図から、M個(Mは整数で、M<N)の回路素子(トランジスタ、容量素子等)を抜き出して、発明の一態様を構成することは可能である。別の例としては、N個(Nは整数)の層を有して構成される断面図から、M個(Mは整数で、M<N)の層を抜き出して、発明の一態様を構成することは可能である。さらに別の例としては、N個(Nは整数)の要素を有して構成されるフローチャートから、M個(Mは整数で、M<N)の要素を抜き出して、発明の一態様を構成することは可能である。さらに別の例としては、「Aは、B、C、D、E、または、Fを有する」と記載されている文章から、一部の要素を任意に抜き出して、「Aは、BとEとを有する」、「Aは、EとFとを有する」、「Aは、CとEとFとを有する」、または、「Aは、BとCとDとEとを有する」などの発明の一態様を構成することは可能である。 Note that in this specification and the like, a part of the drawings or texts described in one embodiment can be extracted to constitute one embodiment of the present invention. Therefore, when a figure or a sentence describing a certain part is described, the content of the extracted part of the figure or the sentence is also disclosed as one aspect of the invention and may constitute one aspect of the invention. It shall be possible. And it can be said that one aspect of the invention is clear. Therefore, for example, active elements (transistors, diodes, etc.), wiring, passive elements (capacitance elements, resistance elements, etc.), conductive layers, insulating layers, semiconductor layers, organic materials, inorganic materials, components, devices, operating methods, manufacturing methods It is possible to extract one part of a drawing or a sentence on which one or more of the above are described and constitute one embodiment of the invention. For example, from a circuit diagram having N (N is an integer) circuit elements (transistors, capacitors, etc.), M (M is an integer, M <N) circuit elements (transistors, capacitors) Etc.) can be extracted to constitute one embodiment of the invention. As another example, M (M is an integer and M <N) layers are extracted from a cross-sectional view including N layers (N is an integer) to form one embodiment of the invention. It is possible to do. As another example, M elements (M is an integer and M <N) are extracted from a flowchart including N elements (N is an integer) to form one aspect of the invention. It is possible to do. As another example, a part of the elements is arbitrarily extracted from the sentence “A has B, C, D, E, or F”. "A has E and F", "A has C, E and F", or "A has B, C, D and E" It is possible to constitute one aspect of the invention.

なお、本明細書等においては、ある一つの実施の形態において述べる図または文章において、少なくとも一つの具体例が記載される場合、その具体例の上位概念を導き出すことは、当業者であれば容易に理解される。したがって、ある一つの実施の形態において述べる図または文章において、少なくとも一つの具体例が記載される場合、その具体例の上位概念も、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。そして、その発明の一態様は、明確であると言える。 Note that in this specification and the like, when at least one specific example is described in a drawing or text described in one embodiment, it is easy for those skilled in the art to derive a superordinate concept of the specific example. To be understood. Therefore, in the case where at least one specific example is described in a drawing or text described in one embodiment, the superordinate concept of the specific example is also disclosed as one aspect of the invention. Aspects can be configured. One embodiment of the invention is clear.

なお、本明細書等においては、少なくとも図に記載した内容(図の中の一部でもよい)は、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。したがって、ある内容について、図に記載されていれば、文章を用いて述べていなくても、その内容は、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。同様に、図の一部を取り出した図についても、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。そして、その発明の一態様は明確であると言える。 Note that in this specification and the like, at least the contents shown in the drawings (may be part of the drawings) are disclosed as one embodiment of the invention, and can constitute one embodiment of the invention It is. Therefore, if a certain content is described in the figure, even if it is not described using sentences, the content is disclosed as one aspect of the invention and may constitute one aspect of the invention. Is possible. Similarly, a drawing obtained by extracting a part of the drawing is also disclosed as one embodiment of the invention, and can constitute one embodiment of the invention. And it can be said that one aspect of the invention is clear.

400 基板
406a、406b、406c 半導体
407a、407b、407c 半導体
408a、408b、408c 半導体
409c、410c 半導体
411、412、413 絶縁体
414、415 絶縁体
416a、416b 導電体
417a、417b 導電体
418a、418b 導電体
423 導電体
426、427、428 導電体
429、430 導電体
432、434、436 導電体
442、444、446 導電体
462、464、466 絶縁体
490、491、492 トランジスタ
493、494 容量素子
500 メモリセル
501 領域
400 Substrate 406a, 406b, 406c Semiconductor 407a, 407b, 407c Semiconductor 408a, 408b, 408c Semiconductor 409c, 410c Semiconductor 411, 412, 413 Insulator 414, 415 Insulator 416a, 416b Conductor 417a, 417b Conductor 418a, 418b Conductive Body 423 Conductor 426, 427, 428 Conductor 429, 430 Conductor 432, 434, 436 Conductor 442, 444, 446 Conductor 462, 464, 466 Insulator 490, 491, 492 Transistor 493, 494 Capacitance element 500 Memory Cell 501 area

Claims (14)

第1トランジスタと、
第2トランジスタと、
第3トランジスタと、
第1容量素子と、
第2容量素子と、
を有し、
前記第3トランジスタは、
第1導電体と、
前記第1導電体上の第1絶縁体と、
前記第1絶縁体上の半導体と、
前記半導体上の第2絶縁体と、
前記第2絶縁体上の第2導電体と、
前記半導体に接続された第3導電体及び第4導電体と、
を有し、
前記半導体は、
前記第1導電体と重なり前記第2導電体と重ならない第1領域と、
前記第2導電体と重なり前記第1導電体と重ならない第2領域と、を有し、
前記第1トランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方は、前記第3トランジスタの第2導電体および前記第1容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
前記第2トランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方は、前記第3トランジスタの第1導電体および前記第2容量素子の一方の電極と電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
A first transistor;
A second transistor;
A third transistor;
A first capacitive element;
A second capacitive element;
Have
The third transistor is
A first conductor;
A first insulator on the first conductor;
A semiconductor on the first insulator;
A second insulator on the semiconductor;
A second conductor on the second insulator;
A third conductor and a fourth conductor connected to the semiconductor;
Have
The semiconductor is
A first region that overlaps the first conductor and does not overlap the second conductor;
A second region that overlaps the second conductor and does not overlap the first conductor;
One of the source electrode and the drain electrode of the first transistor is electrically connected to the second conductor of the third transistor and the one electrode of the first capacitor,
One of the source electrode and the drain electrode of the second transistor is electrically connected to the first conductor of the third transistor and the one electrode of the second capacitor element.
請求項1において、
前記半導体が有する前記第1領域と前記第2領域に挟まれた領域の面積は、前記第1領域の面積以下であり、かつ、前記第2領域の面積以下であることを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
The area of the region sandwiched between the first region and the second region of the semiconductor is less than or equal to the area of the first region and less than or equal to the area of the second region. .
第1トランジスタと、
第2トランジスタと、
第3トランジスタと、
第1容量素子と、
第2容量素子と、
を有し、
前記第3トランジスタは、
第1導電体と、
前記第1導電体上の第1絶縁体と、
前記第1絶縁体上の半導体と、
前記半導体上の第2絶縁体と、
前記第2絶縁体上の第2導電体と、
前記半導体に接続された第3導電体及び第4導電体と、
を有し、
前記半導体は、
前記第1導電体と重なる第3領域と、
前記第2導電体と重なる第4領域と、を有し、
前記第3領域と前記第4領域とは重ならず、
前記第1トランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方は、前記第3トランジスタの第2導電体および前記第1容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
前記第2トランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方は、前記第3トランジスタの第1導電体および前記第2容量素子の一方の電極と電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
A first transistor;
A second transistor;
A third transistor;
A first capacitive element;
A second capacitive element;
Have
The third transistor is
A first conductor;
A first insulator on the first conductor;
A semiconductor on the first insulator;
A second insulator on the semiconductor;
A second conductor on the second insulator;
A third conductor and a fourth conductor connected to the semiconductor;
Have
The semiconductor is
A third region overlapping the first conductor;
A fourth region overlapping the second conductor,
The third region and the fourth region do not overlap,
One of the source electrode and the drain electrode of the first transistor is electrically connected to the second conductor of the third transistor and the one electrode of the first capacitor,
One of the source electrode and the drain electrode of the second transistor is electrically connected to the first conductor of the third transistor and the one electrode of the second capacitor element.
請求項3において、
前記半導体が有する前記第3領域と前記第4領域に挟まれた領域の面積は、前記第1領域の面積以下であり、かつ、前記第2領域の面積以下であることを特徴とする半導体装置。
In claim 3,
An area of a region sandwiched between the third region and the fourth region of the semiconductor is not more than the area of the first region and not more than the area of the second region. .
第1トランジスタと、
第2トランジスタと、
第3トランジスタと、
第1容量素子と、
第2容量素子と、
を有し、
前記第3トランジスタは、
第1導電体と、
前記第1導電体上の第1絶縁体と、
前記第1絶縁体上の半導体と、
前記半導体上の第2絶縁体と、
前記第2絶縁体上の第2導電体と、
前記半導体に接続された第3導電体及び第4導電体と、
を有し、
前記半導体は、
前記第1導電体と重なる第3領域と、
前記第2導電体と重なる第4領域と、
前記第3領域と前記第4領域とが重なる第5領域と、を有し、
前記第5領域の面積は、前記第3領域の面積の25%以下であり、かつ、前記第4領域の面積の25%以下であり、
前記第1トランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方は、前記第3トランジスタの第2導電体および前記第1容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
前記第2トランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方は、前記第3トランジスタの第1導電体および前記第2容量素子の一方の電極と電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
A first transistor;
A second transistor;
A third transistor;
A first capacitive element;
A second capacitive element;
Have
The third transistor is
A first conductor;
A first insulator on the first conductor;
A semiconductor on the first insulator;
A second insulator on the semiconductor;
A second conductor on the second insulator;
A third conductor and a fourth conductor connected to the semiconductor;
Have
The semiconductor is
A third region overlapping the first conductor;
A fourth region overlapping the second conductor;
A fifth region where the third region and the fourth region overlap,
The area of the fifth region is 25% or less of the area of the third region and 25% or less of the area of the fourth region;
One of the source electrode and the drain electrode of the first transistor is electrically connected to the second conductor of the third transistor and the one electrode of the first capacitor,
One of the source electrode and the drain electrode of the second transistor is electrically connected to the first conductor of the third transistor and the one electrode of the second capacitor element.
第1トランジスタと、
第2トランジスタと、
第3トランジスタと、
第1容量素子と、
第2容量素子と、
を有し、
前記第3トランジスタは、
第1導電体と、
前記第1導電体上の第1絶縁体と、
前記第1絶縁体上において前記第1導電体と重なる位置にある半導体と、
前記半導体上の第2絶縁体と、
前記第2絶縁体上において前記半導体と重なる位置にある第2導電体と、
前記半導体に接続された第3導電体及び第4導電体と、
を有し、
上面から見て、前記第1導電体の端部と前記第2導電体の端部は重ならず、
前記第1導電体の端部と前記第2導電体の端部との間隔は、前記第1導電体の幅以下であり、かつ、前記第2導電体の幅以下であり、
前記第1トランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方は、前記第3トランジスタの第2導電体および前記第1容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
前記第2トランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方は、前記第3トランジスタの第1導電体および前記第2容量素子の一方の電極と電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
A first transistor;
A second transistor;
A third transistor;
A first capacitive element;
A second capacitive element;
Have
The third transistor is
A first conductor;
A first insulator on the first conductor;
A semiconductor in a position overlapping the first conductor on the first insulator;
A second insulator on the semiconductor;
A second conductor in a position overlapping the semiconductor on the second insulator;
A third conductor and a fourth conductor connected to the semiconductor;
Have
When viewed from above, the end of the first conductor and the end of the second conductor do not overlap,
The distance between the end portion of the first conductor and the end portion of the second conductor is not more than the width of the first conductor and not more than the width of the second conductor.
One of the source electrode and the drain electrode of the first transistor is electrically connected to the second conductor of the third transistor and the one electrode of the first capacitor,
One of the source electrode and the drain electrode of the second transistor is electrically connected to the first conductor of the third transistor and the one electrode of the second capacitor element.
第1トランジスタと、
第2トランジスタと、
第3トランジスタと、
第1容量素子と、
第2容量素子と、
を有し、
前記第3トランジスタは、
第1導電体と、
前記第1導電体上の第1絶縁体と、
前記第1絶縁体上において前記第1導電体と重なる位置にある半導体と、
前記半導体上の第2絶縁体と、
前記第2絶縁体上において前記半導体と重なる位置にある第2導電体と、
前記半導体に接続された第3導電体及び第4導電体と、
を有し、
前記第1導電体と、前記第2導電体と、は互いに重なる領域を有し、
前記重なる領域の面積は、前記第1導電体の面積の25%以下であり、かつ、前記第2導電体の面積の25%以下であり、
前記第1トランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方は、前記第3トランジスタの第2導電体および前記第1容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
前記第2トランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方は、前記第3トランジスタの第1導電体および前記第2容量素子の一方の電極と電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
A first transistor;
A second transistor;
A third transistor;
A first capacitive element;
A second capacitive element;
Have
The third transistor is
A first conductor;
A first insulator on the first conductor;
A semiconductor in a position overlapping the first conductor on the first insulator;
A second insulator on the semiconductor;
A second conductor in a position overlapping the semiconductor on the second insulator;
A third conductor and a fourth conductor connected to the semiconductor;
Have
The first conductor and the second conductor have regions overlapping each other,
The area of the overlapping region is 25% or less of the area of the first conductor and 25% or less of the area of the second conductor;
One of the source electrode and the drain electrode of the first transistor is electrically connected to the second conductor of the third transistor and the one electrode of the first capacitor,
One of the source electrode and the drain electrode of the second transistor is electrically connected to the first conductor of the third transistor and the one electrode of the second capacitor element.
第1トランジスタと、
第2トランジスタと、
第3トランジスタと、
第1容量素子と、
第2容量素子と、
を有し、
前記第3トランジスタは、
第1導電体と、
前記第1導電体上の第1絶縁体と、
前記第1絶縁体上において前記第1導電体と重なる位置にある半導体と、
前記半導体上の第2絶縁体と、
前記第2絶縁体上において前記酸化物半導体と重なる位置にある第2導電体と、
前記半導体に接続された第3導電体及び第4導電体と、
を有し、
上面から見て、前記第1導電体の端部と前記第2導電体の端部は揃っていて、
前記第1トランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方は、前記第3トランジスタの第2導電体および前記第1容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
前記第2トランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方は、前記第3トランジスタの第1導電体および前記第2容量素子の一方の電極と電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
A first transistor;
A second transistor;
A third transistor;
A first capacitive element;
A second capacitive element;
Have
The third transistor is
A first conductor;
A first insulator on the first conductor;
A semiconductor in a position overlapping the first conductor on the first insulator;
A second insulator on the semiconductor;
A second conductor in a position overlapping with the oxide semiconductor on the second insulator;
A third conductor and a fourth conductor connected to the semiconductor;
Have
When viewed from above, the end of the first conductor and the end of the second conductor are aligned,
One of the source electrode and the drain electrode of the first transistor is electrically connected to the second conductor of the third transistor and the one electrode of the first capacitor,
One of the source electrode and the drain electrode of the second transistor is electrically connected to the first conductor of the third transistor and the one electrode of the second capacitor element.
請求項1乃至請求項8の何れか1項において、
前記第1トランジスタのチャネル形成領域は、酸化物半導体で形成され、
前記第2トランジスタのチャネル形成領域は、酸化物半導体で形成され、
前記第2トランジスタが有する前記半導体は、酸化物半導体であることを特徴とする半導体装置。
In any one of Claims 1 to 8,
The channel formation region of the first transistor is formed of an oxide semiconductor,
The channel formation region of the second transistor is formed of an oxide semiconductor,
The semiconductor device of the second transistor is an oxide semiconductor.
請求項1乃至請求項9の何れか1項において、
前記第3トランジスタは、前記第2トランジスタ上に積層され、
前記第1トランジスタは、前記第3トランジスタ上に積層されることを特徴とする半導体装置。
In any one of Claims 1 thru | or 9,
The third transistor is stacked on the second transistor,
The semiconductor device, wherein the first transistor is stacked on the third transistor.
請求項1乃至請求項9の何れか1項において、
前記第1トランジスタは、前記第2トランジスタ上に積層され、
前記第1トランジスタのチャネル形成領域と、前記第2トランジスタのチャネル形成領域と、は重なることを特徴とする半導体装置。
In any one of Claims 1 thru | or 9,
The first transistor is stacked on the second transistor,
The channel formation region of the first transistor and the channel formation region of the second transistor overlap each other.
請求項1乃至請求項11の何れか1項において、
前記第1トランジスタと、前記第2トランジスタと、前記第3トランジスタと、前記第1容量素子と、前記第2容量素子と、によって16値乃至1024値のいずれかの状態を保持することを特徴とする半導体装置。
In any one of Claims 1 thru | or 11,
The first transistor, the second transistor, the third transistor, the first capacitor element, and the second capacitor element maintain any one of 16 values to 1024 values. Semiconductor device.
請求項1乃至請求項12の何れか1項に記載の半導体装置と、
アンテナと、
を有するRFIDタグ。
A semiconductor device according to any one of claims 1 to 12,
An antenna,
RFID tag having
請求項1乃至請求項12の何れか1項に記載の半導体装置と、
プリント配線基板と、
を有する電子機器。
A semiconductor device according to any one of claims 1 to 12,
A printed wiring board;
Electronic equipment having
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