JP2016115385A - Semiconductor device, storage device, and electronic apparatus - Google Patents

Semiconductor device, storage device, and electronic apparatus Download PDF

Info

Publication number
JP2016115385A
JP2016115385A JP2015234430A JP2015234430A JP2016115385A JP 2016115385 A JP2016115385 A JP 2016115385A JP 2015234430 A JP2015234430 A JP 2015234430A JP 2015234430 A JP2015234430 A JP 2015234430A JP 2016115385 A JP2016115385 A JP 2016115385A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
transistor
wiring
potential
layer
semiconductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2015234430A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2016115385A5 (en
JP6709042B2 (en
Inventor
加藤 清
Kiyoshi Kato
清 加藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Original Assignee
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd filed Critical Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Publication of JP2016115385A publication Critical patent/JP2016115385A/en
Publication of JP2016115385A5 publication Critical patent/JP2016115385A5/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6709042B2 publication Critical patent/JP6709042B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Dram (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a novel semiconductor device, provide a semiconductor device capable of storing multivalued information, provide a semiconductor device with high reliability, or provide a semiconductor with low power consumption.SOLUTION: A memory cell has a first holding part and a second holding part. The first holding part is connected with wiring WLa and wiring BLa; and the second holding part is connected with wiring WLb and wiring BLb. When a selection signal is supplied to the wiring WLa, the writing potential of the wiring BLa is supplied to the first holding part and held. In addition, when a selection signal is supplied to the second holding part, the writing potential of the wiring BLb is supplied to the holding part 21b and held. This enables data of 2 bits or more to be stored in the memory cell.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の一態様は、半導体装置、記憶装置及び電子機器に関する。 One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device, a memory device, and an electronic device.

なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、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)に関するものである。または、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、撮像装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法に関する。 Note that one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field. The technical field of one embodiment of the invention disclosed in this specification and the like relates to an object, a method, or a manufacturing method. Alternatively, one embodiment of the present invention relates to a process, a machine, a manufacture, or a composition (composition of matter). One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device, a display device, a light-emitting device, a power storage device, a memory device, an imaging device, a driving method thereof, or a manufacturing method thereof.

特許文献1には、酸化物半導体を用いたトランジスタと、単結晶シリコンを用いたトランジスタによって構成された記憶装置が記載されている。また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が極めて小さいことが記載されている。 Patent Document 1 describes a memory device including a transistor using an oxide semiconductor and a transistor using single crystal silicon. Further, it is described that a transistor including an oxide semiconductor has extremely small off-state current.

特開2012−256400号公報JP 2012-256400 A

本発明の一態様は、新規な半導体装置の提供を課題の一つとする。または、本発明の一態様は、多値の情報の記憶が可能な半導体装置の提供を課題の一つとする。または、本発明の一態様は、信頼性が高い半導体装置の提供を課題の一つとする。または、本発明の一態様は、消費電力が低い半導体装置の提供を課題の一つとする。 An object of one embodiment of the present invention is to provide a novel semiconductor device. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device capable of storing multilevel information. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor device. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with low power consumption.

なお、本発明の一態様は、必ずしも上記の課題の全てを解決する必要はなく、少なくとも一の課題を解決できるものであればよい。また、上記の課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。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 one embodiment of the present invention does not necessarily have to solve all of the problems described above, and may be one that can solve at least one problem. Further, the description of the above problem does not disturb the existence of other problems. Issues other than these will be apparent from the description of the specification, drawings, claims, etc., and it is possible to extract other issues from the description of the specification, drawings, claims, etc. .

本発明の一態様にかかる半導体装置は、メモリセルを有し、メモリセルは、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、第3のトランジスタと、第4のトランジスタと、第5のトランジスタと、第1の容量素子と、第2の容量素子と、を有し、第1のトランジスタのゲートは、第1の配線と電気的に接続され、第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第2のトランジスタのゲートおよび第1の容量素子と電気的に接続され、第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第2の配線と電気的に接続され、第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第4のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第2のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第5のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第3のトランジスタのゲートは、第3の配線と電気的に接続され、第3のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第4のトランジスタのゲートおよび第2の容量素子と電気的に接続され、第3のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第4の配線と電気的に接続され、第4のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第5の配線と電気的に接続され、第5のトランジスタのゲートは、第6の配線と電気的に接続され、第5のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第7の配線と電気的に接続されている半導体装置である。 A semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes a memory cell, and the memory cell includes a first transistor, a second transistor, a third transistor, a fourth transistor, and a fifth transistor. , The first capacitor element, and the second capacitor element. The gate of the first transistor is electrically connected to the first wiring, and one of the source and the drain of the first transistor is The gate of the second transistor and the first capacitor are electrically connected, and the other of the source and the drain of the first transistor is electrically connected to the second wiring and the source or the drain of the second transistor Is electrically connected to one of the source and the drain of the fourth transistor, and the other of the source and the drain of the second transistor is connected to the source of the fifth transistor. One of the gate and the drain of the third transistor is electrically connected to the third wiring, and one of the source and the drain of the third transistor is connected to the gate of the fourth transistor and The other of the source and the drain of the third transistor is electrically connected to the fourth wiring, and the other of the source and the drain of the fourth transistor is electrically connected to the fifth capacitor. The gate of the fifth transistor is electrically connected to the sixth wiring, and the other of the source and the drain of the fifth transistor is electrically connected to the seventh wiring. It is a semiconductor device.

さらに、本発明の一態様にかかる半導体装置は、第2のトランジスタのゲートの電位に対応する第1の電位を、第5の配線に供給する機能と、第4のトランジスタのゲートの電位に対応する第2の電位を、第5の配線に供給する機能と、を有していてもよい。 Further, the semiconductor device according to one embodiment of the present invention has a function of supplying the first potential corresponding to the potential of the gate of the second transistor to the fifth wiring and the potential of the gate of the fourth transistor. And a function of supplying the second potential to the fifth wiring.

さらに、本発明の一態様にかかる半導体装置において、第1の電位の第5の配線への供給は、第4のトランジスタおよび第5のトランジスタがオン状態であるときに行われ、第2の電位の第5の配線への供給は、第2のトランジスタおよび第5のトランジスタがオン状態であるときに行われてもよい。 Furthermore, in the semiconductor device according to one embodiment of the present invention, the first potential is supplied to the fifth wiring when the fourth transistor and the fifth transistor are in the on state. The supply to the fifth wiring may be performed when the second transistor and the fifth transistor are on.

さらに、本発明の一態様にかかる半導体装置において、第1のトランジスタおよび第3のトランジスタは、チャネル形成領域に酸化物半導体を有していてもよい。 Further, in the semiconductor device according to one embodiment of the present invention, the first transistor and the third transistor may include an oxide semiconductor in a channel formation region.

さらに、本発明の一態様にかかる半導体装置において、第1のトランジスタおよび第2のトランジスタは、第5のトランジスタ上に設けられ、第3のトランジスタおよび第4のトランジスタは、第1のトランジスタおよび第2のトランジスタ上に設けられていてもよい。 Further, in the semiconductor device according to one embodiment of the present invention, the first transistor and the second transistor are provided over the fifth transistor, and the third transistor and the fourth transistor are the first transistor and the second transistor. It may be provided on the second transistor.

また、本発明の一態様にかかる記憶装置は、上記半導体装置と、駆動回路と、を有する。 A memory device according to one embodiment of the present invention includes the above semiconductor device and a driver circuit.

また、本発明の一態様にかかる電子機器は、上記半導体装置または上記記憶装置と、表示部、マイクロホン、スピーカ、または操作キーと、を有する。 An electronic device according to one embodiment of the present invention includes the semiconductor device or the memory device, and a display portion, a microphone, a speaker, or an operation key.

本発明の一態様により、新規な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、多値の情報の記憶が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性が高い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低い半導体装置を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, a novel semiconductor device can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device capable of storing multi-value information can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a highly reliable semiconductor device can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with low power consumption 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.

本発明の一態様を説明する図。FIG. 6 illustrates one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明する回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating one embodiment of the present invention. タイミングチャート。Timing chart. 電位の分布を説明する図。FIG. 6 illustrates a potential distribution. 本発明の一態様を説明する回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明する回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明する図。FIG. 6 illustrates one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明する図。FIG. 6 illustrates one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明する図。FIG. 6 illustrates one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明する図。FIG. 6 illustrates one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明する図。FIG. 6 illustrates one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明する図。FIG. 6 illustrates one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明する図。FIG. 6 illustrates one embodiment of the present invention. トランジスタの構成の一例を説明する図。6A and 6B illustrate an example of a structure of a transistor. トランジスタの構成の一例を説明する図。6A and 6B illustrate an example of a structure of a transistor. トランジスタの構成の一例を説明する図。6A and 6B illustrate an example of a structure of a transistor. 電子部品の作製方法の例を説明するフローチャート。10 is a flowchart illustrating an example of a method for manufacturing an electronic component. 電子機器を説明する図。10A and 10B each illustrate an electronic device. トランジスタの特性を説明する図。10A and 10B illustrate characteristics of a transistor. トランジスタの特性を説明する図。10A and 10B illustrate characteristics of a transistor. トランジスタの特性を説明する図。10A and 10B illustrate characteristics of a transistor. 本発明の一態様を説明する回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating one embodiment of the present invention.

以下、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、本発明は以下の実施の形態における説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下の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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the description in the following embodiments, and those skilled in the art can easily understand that the forms and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Is done. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the following embodiments.

また、本発明の一態様には、記憶装置の他、RF(Radio Frequency)タグ、表示装置、撮像装置、集積回路を含むあらゆる装置が、その範疇に含まれる。また、表示装置には、液晶表示装置、有機発光素子に代表される発光素子を各画素に備えた発光装置、電子ペーパー、DMD(Digital Micromirror Device)、PDP(Plasma Display Panel)、FED(Field Emission Display)など、集積回路を有する表示装置が、その範疇に含まれる。 One embodiment of the present invention includes, in addition to a memory device, any device including an RF (Radio Frequency) tag, a display device, an imaging device, and an integrated circuit. In addition, the display device includes a liquid crystal display device, a light-emitting device including a light-emitting element typified by an organic light-emitting element in each pixel, electronic paper, DMD (Digital Micromirror Device), PDP (Plasma Display Panel), FED (Field Emission). Display) including an integrated circuit such as Display) is included in the category.

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ことがある。 Note that in describing the structure of the invention with reference to the drawings, the same reference numerals may be used in common in different drawings.

また、本明細書等において、XとYとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、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が、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図又は文章に示された接続関係に限定されず、図又は文章に示された接続関係以外のものも、図又は文章に記載されているものとする。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。 In addition, in this specification and the like, when it is explicitly described that X and Y are connected, X and Y are electrically connected, and X and Y function. And the case where X and Y are directly connected are disclosed in this specification and the like. Therefore, it is not limited to a predetermined connection relationship, for example, the connection relationship shown in the figure or text, and things other than the connection relation shown in the figure or text are also described in the figure or text. Here, X and Y are assumed to be objects (for example, devices, elements, circuits, wirings, electrodes, terminals, conductive films, layers, etc.).

XとYとが直接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との間に接続されていない場合であり、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)を介さずに、XとYとが、接続されている場合である。 As an example of the case where X and Y are directly connected, an element that enables electrical connection between X and Y (for example, a switch, a transistor, a capacitor, an inductor, a resistor, a diode, a display, etc.) Element, light emitting element, load, etc.) are not connected between X and Y, and elements (for example, switches, transistors, capacitive elements, inductors) that enable electrical connection between X and Y X and Y are not connected via a resistor element, a diode, a display element, a light emitting element, a load, or the like.

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)、又は、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。又は、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。なお、XとYとが電気的に接続されている場合は、XとYとが直接的に接続されている場合を含むものとする。 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 current flow path. Note that the case where X and Y are electrically connected includes the case where X and Y are directly connected.

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(信号振幅又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、Xから出力された信号がY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。なお、XとYとが機能的に接続されている場合は、XとYとが直接的に接続されている場合と、XとYとが電気的に接続されている場合とを含むものとする。 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 X is transmitted to Y, X and Y are functionally connected. To do. Note that the case where X and Y are functionally connected includes the case where X and Y are directly connected and the case where X and Y are electrically connected.

なお、XとYとが電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、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)とが、本明細書等に開示されているものとする。つまり、電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、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様な内容が、本明細書等に開示されているものとする。 In addition, when it is explicitly described that X and Y are electrically connected, a case where X and Y are electrically connected (that is, there is a separate connection between X and Y). And X and Y are functionally connected (that is, they are functionally connected with another circuit between X and Y). And the case where X and Y are directly connected (that is, the case where another element or another circuit is not connected between X and Y). It shall be disclosed in the document. In other words, when it is explicitly described that it is electrically connected, the same contents as when it is explicitly described only that it is connected are disclosed in this specification and the like. It is assumed that

なお、図面上は独立している構成要素同士が電気的に接続しているように図示されている場合であっても、1つの構成要素が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合もある。例えば配線の一部が電極としても機能する場合は、一の導電膜が、配線の機能、及び電極の機能の両方の構成要素の機能を併せ持っている。したがって、本明細書における電気的に接続とは、このような、一の導電膜が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合も、その範疇に含める。 In addition, even in the case where the components shown in the drawing are shown as being electrically connected to each other, one component may have the functions of a plurality of components. is there. For example, in the case where a part of the wiring also functions as an electrode, one conductive film has both the functions of the constituent elements of the wiring function and the electrode function. Therefore, the term “electrically connected” in this specification includes in its category such a case where one conductive film has functions of a plurality of components.

(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の構成例について説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, a structural example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention will be described.

<半導体装置の構成例>
図1(A)に、本発明の一態様にかかる半導体装置10の構成例を示す。半導体装置10は、複数のメモリセル20を有し、記憶装置として用いることができる。ここでは、半導体装置10がn行m列(n、mは自然数)のメモリセル20(メモリセル20[1,1]乃至[n,m])を有する構成について説明する。
<Configuration example of semiconductor device>
FIG. 1A illustrates a configuration example of a semiconductor device 10 according to one embodiment of the present invention. The semiconductor device 10 includes a plurality of memory cells 20 and can be used as a memory device. Here, a configuration in which the semiconductor device 10 includes memory cells 20 (memory cells 20 [1, 1] to [n, m]) in n rows and m columns (n and m are natural numbers) will be described.

メモリセル20は、データを記憶する機能を有する。特に、本発明の一態様においては、メモリセル20に2ビット以上のデータ(多値データ)を記憶することができる。これにより、1ビットあたりの半導体装置10の面積を縮小することができる。 The memory cell 20 has a function of storing data. In particular, in one embodiment of the present invention, data of 2 bits or more (multi-value data) can be stored in the memory cell 20. Thereby, the area of the semiconductor device 10 per bit can be reduced.

メモリセル20は、配線WL、配線BL、配線SLと接続されている。配線WLは、所定の行のメモリセル20を選択するための信号(以下、選択信号ともいう)を伝える機能を有する。配線BLは、選択されたメモリセル20に書き込むデータに対応する電位(以下、書き込み電位ともいう)を伝える機能を有する。配線SLは、メモリセル20に記憶されたデータに対応する電位(以下、読み出し電位ともいう)を伝える機能を有する。 The memory cell 20 is connected to the wiring WL, the wiring BL, and the wiring SL. The wiring WL has a function of transmitting a signal for selecting the memory cells 20 in a predetermined row (hereinafter also referred to as a selection signal). The wiring BL has a function of transmitting a potential corresponding to data to be written to the selected memory cell 20 (hereinafter also referred to as a write potential). The wiring SL has a function of transmitting a potential corresponding to data stored in the memory cell 20 (hereinafter also referred to as a read potential).

ここで、メモリセル20は、複数のWLおよび複数のBLと接続されている。図1(A)においては、メモリセル20は2本の配線WL(配線WLa、WLb)および2本の配線BL(配線BLa、BLb)と接続されている。これにより、各メモリセル20には、2ビット以上のデータを書き込むことができる。 Here, the memory cell 20 is connected to a plurality of WLs and a plurality of BLs. In FIG. 1A, the memory cell 20 is connected to two wirings WL (wirings WLa and WLb) and two wirings BL (wirings BLa and BLb). Thereby, data of 2 bits or more can be written in each memory cell 20.

具体的には、図1(B)に示すように、メモリセル20は、複数の保持部21を有する。保持部21は、所定の電位を保持する機能を有する回路である。ここでは、メモリセル20が2つの保持部21(保持部21a、21b)を有する構成を示す。保持部21aは、配線WLaおよび配線BLaと接続され、保持部21bは、配線WLbおよび配線BLbと接続されている。 Specifically, as illustrated in FIG. 1B, the memory cell 20 includes a plurality of holding portions 21. The holding unit 21 is a circuit having a function of holding a predetermined potential. Here, a configuration in which the memory cell 20 includes two holding units 21 (holding units 21a and 21b) is shown. The holding portion 21a is connected to the wiring WLa and the wiring BLa, and the holding portion 21b is connected to the wiring WLb and the wiring BLb.

配線WLaに選択信号が供給されると、配線BLaの書き込み電位が保持部21aに供給され、保持される。また、配線WLbに選択信号が供給されると、配線BLbの書き込み電位が保持部21bに供給され、保持される。よって、メモリセル20には、2ビット以上のデータを記憶することができる。 When the selection signal is supplied to the wiring WLa, the writing potential of the wiring BLa is supplied to and held in the holding portion 21a. Further, when a selection signal is supplied to the wiring WLb, the writing potential of the wiring BLb is supplied to and held in the holding portion 21b. Therefore, data of 2 bits or more can be stored in the memory cell 20.

保持部21aには、i値(iは自然数)の電位を保持することができ、保持部21bには、j値(jは自然数)の電位を保持することができる。なお、i、jの値は、それぞれ自由に設定することができる。例えば、保持部21a、21bに保持される電位は、それぞれハイレベルとローレベルの2値の電位(i=2、j=2)であってよいし、3値以上の任意の電位(iが3以上、jが3以上)であってもよい。また、i、jの値は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。 The holding unit 21a can hold a potential of i value (i is a natural number), and the holding unit 21b can hold a potential of j value (j is a natural number). Note that the values of i and j can be set freely. For example, the potentials held in the holding units 21a and 21b may be binary potentials of high level and low level (i = 2, j = 2), respectively, or any potential of three or more values (i is 3 or more, j may be 3 or more). Further, the values of i and j may be the same or different.

メモリセル20からデータの読み出しは、保持部21aに保持された電位に対応する電位と、保持部21bに保持された電位に対応する電位と、が配線SLに供給されることによって行われる。ここで、保持部21aに保持された電位がi値、保持部21bにされた電位がj値である場合、メモリセル20からi×j値のデータを読み出すことができる。すなわち、保持部21aにaビット(aは自然数)のデータを記憶し、保持部21bにbビット(bは自然数)のデータを記憶した場合、a+bビットのデータを読み出すことができる。 Data is read from the memory cell 20 by supplying a potential corresponding to the potential held in the holding portion 21a and a potential corresponding to the potential held in the holding portion 21b to the wiring SL. Here, when the potential held in the holding unit 21 a is the i value and the potential held in the holding unit 21 b is the j value, the data of the i × j value can be read from the memory cell 20. That is, when a-bit (a is a natural number) data is stored in the holding unit 21a and b-bit (b is a natural number) data is stored in the holding unit 21b, a + b-bit data can be read.

ここで、保持部21には、チャネル形成領域に酸化物半導体を含むトランジスタ(以下、OSトランジスタともいう)を用いることが好ましい。酸化物半導体は、シリコンなどの他の半導体よりもバンドギャップが広く、キャリア密度が低い。そのため、OSトランジスタのオフ電流は極めて小さい。従って、保持部21にOSトランジスタを用いることにより、保持部21に保持された電位を長期間にわたって保持することができる。 Here, a transistor including an oxide semiconductor in a channel formation region (hereinafter also referred to as an OS transistor) is preferably used for the holding portion 21. An oxide semiconductor has a wider band gap and a lower carrier density than other semiconductors such as silicon. Therefore, the off-state current of the OS transistor is extremely small. Therefore, by using an OS transistor for the holding unit 21, the potential held in the holding unit 21 can be held for a long period of time.

保持部21の構成例を、図1(C)に示す。保持部21は、トランジスタ22、容量素子23を有する。なお、トランジスタ22はOSトランジスタである。トランジスタ22のソースまたはドレインの一方は、容量素子23と接続されている。ここで、トランジスタ22のソースまたはドレインの一方および容量素子23と接続されたノードを、ノードFNとする。 A configuration example of the holding unit 21 is illustrated in FIG. The holding unit 21 includes a transistor 22 and a capacitor 23. Note that the transistor 22 is an OS transistor. One of the source and the drain of the transistor 22 is connected to the capacitor 23. Here, a node connected to one of the source and the drain of the transistor 22 and the capacitor 23 is a node FN.

ノードFNには、保持部21に保持される電位が、トランジスタ22を介して配線BLなどから供給される。そして、トランジスタ22がオフ状態となると、ノードFNが浮遊状態となり、ノードFNの電位が保持される。ここで、OSトランジスタであるトランジスタ22のオフ電流は極めて小さいため、ノードFNの電位を長期間にわたって保持することが可能となる。 The potential held in the holding portion 21 is supplied to the node FN from the wiring BL or the like through the transistor 22. When the transistor 22 is turned off, the node FN is in a floating state, and the potential of the node FN is held. Here, since the off-state current of the transistor 22 which is an OS transistor is extremely small, the potential of the node FN can be held for a long time.

ノードFNに保持する電位は、2値(ハイレベルおよびローレベル)の電位であってよいし、3値以上の電位であってもよい。特に、ノードFNに保持される電位が3値以上の場合、保持される電位の間隔が狭くなるため、微小な電荷のリークがデータの変動の原因になり得る。しかしながら、OSトランジスタはオフ電流が極めて小さいため、ノードFNからの電荷のリークを極めて小さく抑えることができる。従って、ノードFNに3値以上の電位を保持する場合、トランジスタ22をOSトランジスタとすることは特に好ましい。 The potential held in the node FN may be a binary (high level and low level) potential, or may be a potential of three or more values. In particular, when the potential held at the node FN is three or more, the interval between the held potentials is narrowed, so that a minute charge leak can cause data fluctuation. However, since the off-state current of the OS transistor is extremely small, leakage of charge from the node FN can be extremely small. Therefore, in the case where a potential of three values or more is held in the node FN, the transistor 22 is particularly preferably an OS transistor.

また、OSトランジスタは、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタ(以下Siトランジスタともいう)と比べて耐圧性が高い。そのため、トランジスタ22をOSトランジスタとすることにより、ノードFNに保持する電位の範囲を広げることができる。従って、保持部21に保持するデータの数を増加させることができる。 An OS transistor has higher withstand voltage than a transistor having silicon in a channel formation region (hereinafter also referred to as Si transistor). Therefore, when the transistor 22 is an OS transistor, the potential range held at the node FN can be widened. Accordingly, the number of data held in the holding unit 21 can be increased.

例えば、ノードFNには、16値の電位を保持することができる。そして、保持部21a、21bにそれぞれ16値の電位が保持される場合(i=16、j=16)、保持部21a、21bにそれぞれ4ビットのデータを記憶することができる(a=4、b=4)。そして、メモリセル20からはi×j=16×16=256値、すなわち8ビットのデータを読み出すことができる。また、例えば、保持部21aに4ビット、保持部21bに5ビットのデータを記憶した場合、メモリセル20から9ビットのデータを読み出すことができる。 For example, a 16-value potential can be held in the node FN. When 16-value potentials are held in the holding units 21a and 21b (i = 16, j = 16), 4-bit data can be stored in the holding units 21a and 21b, respectively (a = 4, b = 4). The memory cell 20 can read i × j = 16 × 16 = 256 values, that is, 8-bit data. For example, when 4 bits of data are stored in the holding unit 21a and 5 bits of data are stored in the holding unit 21b, 9 bits of data can be read from the memory cell 20.

以上のように、メモリセル20に複数の保持部21を設けることにより、多値データを記憶することが可能な半導体装置を提供することができる。また、保持部21にOSトランジスタを用いることにより、保持部21に蓄積された電荷を長期間保持することができ、信頼性が高い半導体装置を提供することができる。以下、メモリセル20の具体的な構成例について説明する。 As described above, by providing a plurality of holding portions 21 in the memory cell 20, a semiconductor device capable of storing multi-value data can be provided. In addition, by using an OS transistor for the holding portion 21, charges accumulated in the holding portion 21 can be held for a long time, and a highly reliable semiconductor device can be provided. Hereinafter, a specific configuration example of the memory cell 20 will be described.

<メモリセルの構成例>
図2(A)に、メモリセル20の具体的な構成例を示す。メモリセル20は、回路30a、回路30b、回路40を有する。回路30aは、トランジスタ31a、トランジスタ32a、容量素子33aを有する。回路30bは、トランジスタ31b、トランジスタ32b、容量素子33bを有する。回路40は、トランジスタ41を有する。なお、回路30a、30bは、それぞれ図1(B)における保持部21a、21bに対応する。また、回路40は、メモリセル20に記憶されたデータの読み出しを制御する機能を有する。
<Configuration example of memory cell>
FIG. 2A shows a specific configuration example of the memory cell 20. The memory cell 20 includes a circuit 30a, a circuit 30b, and a circuit 40. The circuit 30a includes a transistor 31a, a transistor 32a, and a capacitor 33a. The circuit 30b includes a transistor 31b, a transistor 32b, and a capacitor 33b. The circuit 40 includes a transistor 41. Note that the circuits 30a and 30b correspond to the holding portions 21a and 21b in FIG. The circuit 40 has a function of controlling reading of data stored in the memory cell 20.

トランジスタ31aのゲートは配線WLaと接続され、ソースまたはドレインの一方はトランジスタ32aのゲートおよび容量素子33aの一方の電極と接続され、ソースまたはドレインの他方は配線BLaと接続されている。トランジスタ32aのソースまたはドレインの一方はトランジスタ32bのソースまたはドレインの一方と接続され、ソースまたはドレインの他方はトランジスタ41のソースまたはドレインの一方と接続されている。容量素子33aの他方の電極は、配線CNODEaと接続されている。ここで、トランジスタ31aのソースまたはドレインの一方、トランジスタ32aのゲート、および容量素子33aの一方の電極と接続されたノードを、ノードFNaとする。 The gate of the transistor 31a is connected to the wiring WLa, one of the source and the drain is connected to the gate of the transistor 32a and one electrode of the capacitor 33a, and the other of the source or the drain is connected to the wiring BLa. One of the source and the drain of the transistor 32 a is connected to one of the source and the drain of the transistor 32 b, and the other of the source and the drain is connected to one of the source and the drain of the transistor 41. The other electrode of the capacitive element 33a is connected to the wiring CNODEa. Here, a node connected to one of the source and the drain of the transistor 31a, the gate of the transistor 32a, and one electrode of the capacitor 33a is a node FNa.

トランジスタ31bのゲートは配線WLbと接続され、ソースまたはドレインの一方はトランジスタ32bのゲートおよび容量素子33bの一方の電極と接続され、ソースまたはドレインの他方は配線BLbと接続されている。トランジスタ32bのソースまたはドレインの他方は配線SLと接続されている。容量素子33bの他方の電極は、配線CNODEbと接続されている。ここで、トランジスタ31bのソースまたはドレインの一方、トランジスタ32bのゲート、および容量素子33bの一方の電極と接続されたノードを、ノードFNbとする。 The gate of the transistor 31b is connected to the wiring WLb, one of the source and the drain is connected to the gate of the transistor 32b and one electrode of the capacitor 33b, and the other of the source and the drain is connected to the wiring BLb. The other of the source and the drain of the transistor 32b is connected to the wiring SL. The other electrode of the capacitor 33b is connected to the wiring CNODEb. Here, a node connected to one of the source and the drain of the transistor 31b, the gate of the transistor 32b, and one electrode of the capacitor 33b is a node FNb.

トランジスタ41のゲートは配線SWと接続され、ソースまたはドレインの他方は配線VLと接続されている。 The gate of the transistor 41 is connected to the wiring SW, and the other of the source and the drain is connected to the wiring VL.

配線CNODEは、ノードFNの電位を制御するための信号(以下、読み出し信号ともいう)を伝える機能を有する配線である。配線SWは、トランジスタ41の導通状態を制御するための信号を伝える機能を有する配線である。配線VLは、電源電位を伝える機能を有する配線である。なお、配線VLには、高電源電位VDDが供給されていてもよいし、低電源電位VSS(接地電位など)が供給されていてもよい。 The wiring CNODE is a wiring having a function of transmitting a signal for controlling the potential of the node FN (hereinafter also referred to as a read signal). The wiring SW is a wiring having a function of transmitting a signal for controlling the conduction state of the transistor 41. The wiring VL is a wiring having a function of transmitting a power supply potential. Note that a high power supply potential VDD may be supplied to the wiring VL, or a low power supply potential VSS (such as a ground potential) may be supplied.

ここで、トランジスタ31a、31bはOSトランジスタとする。これにより、トランジスタ31a、31bがオフ状態であるとき、ノードFNa、FNbに蓄積された電荷を長期間にわたって保持することができる。従って、ノードFNa、FNbに3値以上の電位を正確に保持することができる。なお、ノードFNa、FNbは、図1(C)におけるノードFNに対応する。 Here, the transistors 31a and 31b are OS transistors. Thus, when the transistors 31a and 31b are in the off state, the charge accumulated in the nodes FNa and FNb can be held for a long period. Accordingly, it is possible to accurately hold a potential of three or more values at the nodes FNa and FNb. Note that the nodes FNa and FNb correspond to the node FN in FIG.

トランジスタ32a、32bの種類は、特に限定されない。例えば、OSトランジスタを用いてもよいし、チャネル形成領域が単結晶半導体を有する基板の一部に形成されるトランジスタ(以下、単結晶トランジスタともいう)を用いてもよい。単結晶半導体を有する基板としては、単結晶シリコン基板や単結晶ゲルマニウム基板などが挙げられる。 The types of the transistors 32a and 32b are not particularly limited. For example, an OS transistor may be used, or a transistor whose channel formation region is formed over part of a substrate including a single crystal semiconductor (hereinafter also referred to as a single crystal transistor) may be used. Examples of the substrate having a single crystal semiconductor include a single crystal silicon substrate and a single crystal germanium substrate.

また、トランジスタ32a、32bには、酸化物半導体以外の半導体材料を含む膜にチャネル形成領域が形成されるトランジスタを用いることもできる。例えば、チャネル形成領域に酸化物半導体以外の非単結晶半導体を有するトランジスタを用いることができる。このような非単結晶半導体としては、非晶質シリコン、微結晶シリコン、多結晶シリコンなどの非単結晶シリコンや、非晶質ゲルマニウム、微結晶ゲルマニウム、多結晶ゲルマニウムなどの非単結晶ゲルマニウムなどが挙げられる。 As the transistors 32a and 32b, a transistor in which a channel formation region is formed in a film containing a semiconductor material other than an oxide semiconductor can be used. For example, a transistor including a non-single-crystal semiconductor other than an oxide semiconductor in a channel formation region can be used. Examples of such non-single-crystal semiconductors include non-single-crystal silicon such as amorphous silicon, microcrystalline silicon, and polycrystalline silicon, and non-single-crystal germanium such as amorphous germanium, microcrystalline germanium, and polycrystalline germanium. Can be mentioned.

トランジスタ41には、トランジスタ32a、32bと同様のトランジスタを用いることができる。また、トランジスタ31a、31bに、単結晶トランジスタや、酸化物半導体以外の半導体材料を含む膜にチャネル形成領域が形成されるトランジスタを用いることもできる。 As the transistor 41, a transistor similar to the transistors 32a and 32b can be used. As the transistors 31a and 31b, a single crystal transistor or a transistor in which a channel formation region is formed in a film containing a semiconductor material other than an oxide semiconductor can be used.

次に、メモリセル20の動作について説明する。 Next, the operation of the memory cell 20 will be described.

まず、配線WLaの電位を、トランジスタ31aがオン状態となる電位にして、トランジスタ31aをオン状態とする。これにより、配線BLaの電位がノードFNaに供給される(データの書き込み)。次に、配線WLaの電位をトランジスタ31aがオフ状態となる電位にして、トランジスタ31aをオフ状態とする。これにより、ノードFNaが浮遊状態となり、ノードFNaの電位が保持される(データの保持)。このような動作により、回路30aにおいてデータの書き込みおよび保持が行われる。 First, the potential of the wiring WLa is set to a potential at which the transistor 31a is turned on, so that the transistor 31a is turned on. Accordingly, the potential of the wiring BLa is supplied to the node FNa (data writing). Next, the potential of the wiring WLa is set to a potential at which the transistor 31a is turned off, so that the transistor 31a is turned off. As a result, the node FNa enters a floating state, and the potential of the node FNa is retained (data retention). With such an operation, data is written and held in the circuit 30a.

回路30bにおいても、上記と同様の動作により、データの書き込みおよび保持を行うことができる。なお、回路30bにおけるデータの書き込みおよび保持は、回路30aと同時に行ってもよいし、異なるタイミングで行ってもよい。 In the circuit 30b, data can be written and held by the same operation as described above. Note that data writing and holding in the circuit 30b may be performed simultaneously with the circuit 30a or may be performed at different timings.

なお、ノードFNa、FNbに書き込まれ、保持される電位は、それぞれハイレベルとローレベルの2値の電位(i=2、j=2)であってもよいし、3値以上の電位(iが3以上、jが3以上)であってもよい。また、i、jの値は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。 Note that the potentials written and held in the nodes FNa and FNb may be binary potentials of high level and low level (i = 2, j = 2), or potentials of three or more values (i 3 or more and j is 3 or more). Further, the values of i and j may be the same or different.

ここで、ノードFNa、FNbに1ビットのデータを10年間保持させる場合を考える。電源電圧を2V以上、3.5V以下、ノードFNa、FNbの保持容量を21fF、保持電位の許容変動量を0.5V未満、とした場合、85℃、10年間で保持電位を許容変動量未満とするには、ノードFNa、FNbからのリーク電流は、33×10−24A未満であることが必要となる。他からのリークがさらに小さく、リーク箇所がほぼOSトランジスタである場合、OSトランジスタのチャネル幅が350nmのとき、OSトランジスタの単位面積あたりのリーク電流を93×10−24A/μm未満とすることが好ましい。メモリセル20を上記構成にすることで、メモリセル20は、85℃において、10年間データを保持することが可能になる。 Here, let us consider a case where 1-bit data is held in the nodes FNa and FNb for 10 years. If the power supply voltage is 2 V or more and 3.5 V or less, the holding capacity of the nodes FNa and FNb is 21 fF, and the allowable fluctuation amount of the holding potential is less than 0.5 V, the holding potential is less than the allowable fluctuation amount at 85 ° C. for 10 years. In order to achieve this, the leakage current from the nodes FNa and FNb needs to be less than 33 × 10 −24 A. When leakage from other sources is even smaller and the leak location is almost an OS transistor, the leakage current per unit area of the OS transistor should be less than 93 × 10 −24 A / μm when the channel width of the OS transistor is 350 nm. Is preferred. By configuring the memory cell 20 as described above, the memory cell 20 can hold data for 10 years at 85 ° C.

また、ノードFNa、FNbに4ビットのデータを10年間保持させる場合を考える。電源電圧を2V以上、3.5V以下、保持容量を0.1fF、保持電位の分布幅を30mV未満、保持電位の許容変動量を80mV未満、とした場合、85℃10年間で保持電位を許容変動量未満とするには、ノードFNa、FNbからのリーク電流は0.025×10−24A未満であることが必要となる。他からのリークがさらに小さく、リーク箇所がほぼOSトランジスタである場合、OSトランジスタのチャネル幅が60nmのとき、OSトランジスタの単位面積あたりのリーク電流を0.423×10−24A/μm未満とすることが好ましい。メモリセル20を上記構成にすることで、メモリセル20は、85℃において、10年間データを保持することが可能になる。 Also, consider a case where 4-bit data is held in the nodes FNa and FNb for 10 years. When the power supply voltage is 2 V or more, 3.5 V or less, the holding capacity is 0.1 fF, the holding potential distribution width is less than 30 mV, and the allowable variation in holding potential is less than 80 mV, the holding potential is allowed at 85 ° C. for 10 years. In order to make it less than the fluctuation amount, the leakage current from the nodes FNa and FNb needs to be less than 0.025 × 10 −24 A. In the case where the leak from the other is smaller and the leak portion is almost an OS transistor, the leak current per unit area of the OS transistor is less than 0.423 × 10 −24 A / μm when the channel width of the OS transistor is 60 nm. It is preferable to do. By configuring the memory cell 20 as described above, the memory cell 20 can hold data for 10 years at 85 ° C.

また、ノードFNa、FNbに8ビットのデータを10年間保持させる場合を考える。電源電圧を2V以上、3.5V以下、保持容量を0.1fF、保持電位の分布幅を2mV未満、保持電位の許容変動量を5mV未満、とした場合、85℃、10年間で保持電位を許容変動量未満とするには、ノードFNa、FNbからのリーク電流は0.0016×10−24A未満であることが必要となる。他からのリークがさらに小さく、リーク箇所がほぼOSトランジスタである場合、OSトランジスタのチャネル幅が60nmのとき、OSトランジスタの単位面積あたりのリーク電流を0.026×10−24A/μm未満とすることが好ましい。メモリセル20を上記構成にすることで、メモリセル20は、85℃において、10年間データを保持することが可能になる。 Consider a case in which 8-bit data is held in the nodes FNa and FNb for 10 years. When the power supply voltage is 2 V or more, 3.5 V or less, the holding capacitor is 0.1 fF, the holding potential distribution width is less than 2 mV, and the allowable fluctuation amount of the holding potential is less than 5 mV, the holding potential is 85 ° C. for 10 years. In order to make it less than the allowable fluctuation amount, the leakage current from the nodes FNa and FNb needs to be less than 0.0016 × 10 −24 A. In the case where the leak from the other is further small and the leak location is almost an OS transistor, the leak current per unit area of the OS transistor is less than 0.026 × 10 −24 A / μm when the channel width of the OS transistor is 60 nm. It is preferable to do. By configuring the memory cell 20 as described above, the memory cell 20 can hold data for 10 years at 85 ° C.

次に、回路30aからデータの読み出しを行う。まず、配線CNODEbに所定の電位を供給することにより、ノードFNbに書き込まれた電位に関わらず、トランジスタ32bをオン状態とする。具体的には、トランジスタ32bがnチャネル型である場合、配線CNODEbの電位をハイレベルに上昇させる。このとき、容量素子33bの容量結合により、ノードFNbの電位も上昇する。これにより、ノードFNbに書き込まれた電位に関わらず、トランジスタ32bをオン状態とすることができる。ノードFNbの電位は、トランジスタ32bのゲート−ソース間の電圧が閾値電圧以上となるような電位にすればよい。また、配線SLを所定の電位(ここではローレベル)にプリチャージする。 Next, data is read from the circuit 30a. First, by supplying a predetermined potential to the wiring CNODEb, the transistor 32b is turned on regardless of the potential written to the node FNb. Specifically, when the transistor 32b is an n-channel type, the potential of the wiring CNODEb is raised to a high level. At this time, the potential of the node FNb also rises due to capacitive coupling of the capacitive element 33b. Accordingly, the transistor 32b can be turned on regardless of the potential written to the node FNb. The potential of the node FNb may be set so that the voltage between the gate and the source of the transistor 32b becomes equal to or higher than the threshold voltage. In addition, the wiring SL is precharged to a predetermined potential (here, low level).

その後、配線SWの電位を、トランジスタ41がオン状態となる電位にして、トランジスタ41をオン状態とする。これにより、配線SLには、ノードFNaの電位に応じて、配線VLから所定の電位(ここではハイレベル)が供給される。具体的には、ノードFNaと配線SLの間の電圧がトランジスタ32aの閾値電圧以下となると、トランジスタ32aがオフ状態となり、配線SLの電位が確定する。すなわち、ノードFNaの電位に応じて、配線SLの電位は異なる値となる。従って、配線SLの電位を読み取ることにより、ノードFNaの電位を判別することができる。 After that, the potential of the wiring SW is set to a potential at which the transistor 41 is turned on, so that the transistor 41 is turned on. Thus, a predetermined potential (here, high level) is supplied from the wiring VL to the wiring SL in accordance with the potential of the node FNa. Specifically, when the voltage between the node FNa and the wiring SL is equal to or lower than the threshold voltage of the transistor 32a, the transistor 32a is turned off and the potential of the wiring SL is determined. That is, the potential of the wiring SL varies depending on the potential of the node FNa. Therefore, the potential of the node FNa can be determined by reading the potential of the wiring SL.

次に、上記と同様の動作を行うことにより、回路30bからデータの読み出しを行う。具体的には、トランジスタ32aがnチャネル型である場合、配線CNODEaの電位をハイレベルとし、ノードFNaの電位を上昇させる。これにより、ノードFNaに書き込まれた電位に関わらず、トランジスタ32aをオン状態とする。また、配線SLを所定の電位(ここではローレベル)にプリチャージする。その後、配線SWの電位を、トランジスタ41がオン状態となる電位にして、トランジスタ41をオン状態とする。これにより、配線SLの電位が、ノードFNbの電位に応じた電位となる。 Next, data is read from the circuit 30b by performing the same operation as described above. Specifically, when the transistor 32a is an n-channel type, the potential of the wiring CNODEa is set to a high level, and the potential of the node FNa is increased. Accordingly, the transistor 32a is turned on regardless of the potential written to the node FNa. In addition, the wiring SL is precharged to a predetermined potential (here, low level). After that, the potential of the wiring SW is set to a potential at which the transistor 41 is turned on, so that the transistor 41 is turned on. Accordingly, the potential of the wiring SL becomes a potential corresponding to the potential of the node FNb.

上記のような動作により、メモリセル20から多値データの書き込みおよび読み出しを行うことができる。具体的には、ノードFNaにi値の電位が書き込まれ、ノードFNbにj値の電位が書き込まれている場合、配線SLに出力されたi値の電位およびj値の電位を読み取ることにより、i×j値のデータを読み出すことができる。 By the operation as described above, writing and reading of multi-value data from the memory cell 20 can be performed. Specifically, in the case where an i-value potential is written in the node FNa and a j-value potential is written in the node FNb, the i-value potential and the j-value potential output to the wiring SL are read. Data of i × j value can be read out.

また、回路30a、30bからのデータの読み出しは、ノードFNa、FNbの電位を保持したまま行うことができる。すなわち、回路30a、30bに記憶されたデータを破壊することなく読み出しを行うことができる。そのため、読み出し時において回路30a、30bに記憶されたデータの書き直しが不要となり、消費電力を削減することができる。 Further, data can be read from the circuits 30a and 30b while the potentials of the nodes FNa and FNb are held. That is, reading can be performed without destroying data stored in the circuits 30a and 30b. Therefore, it is not necessary to rewrite data stored in the circuits 30a and 30b at the time of reading, and power consumption can be reduced.

また、回路30a、30bのデータの書き換えは、上記のデータの書き込みおよび保持と同様の動作により行うことができる。 In addition, the data in the circuits 30a and 30b can be rewritten by the same operation as the above data writing and holding.

なお、図2(A)においては、トランジスタ31a、31b、32a、32b、41がnチャネル型である例を示したが、トランジスタ31a、31b、32a、32b、41はそれぞれnチャネル型であってもpチャネル型であってもよい。図2(B)に、トランジスタ32b、32b、41をpチャネル型とした構成例を示す。 Note that FIG. 2A illustrates an example in which the transistors 31a, 31b, 32a, 32b, and 41 are n-channel transistors, but the transistors 31a, 31b, 32a, 32b, and 41 are n-channel transistors, respectively. May also be a p-channel type. FIG. 2B illustrates a configuration example in which the transistors 32b, 32b, and 41 are p-channel transistors.

図2(B)に示すメモリセル20においては、配線CNODEa、CNODEbの電位をローレベルとし、ノードFNa、FNbの電位を下降させることにより、トランジスタ32a、32bをオン状態とすることができる。また、配線VLの電位はローレベルとし、配線SLはハイレベルにプリチャージすることが好ましい。これにより、図2(A)に示すメモリセル20と同様の動作によって、メモリセル20を動作させることができる。 In the memory cell 20 illustrated in FIG. 2B, the transistors 32a and 32b can be turned on by setting the potentials of the wirings CNODEa and CNODEb to a low level and decreasing the potentials of the nodes FNa and FNb. Further, it is preferable that the potential of the wiring VL be a low level and the wiring SL be precharged to a high level. Thus, the memory cell 20 can be operated by the same operation as that of the memory cell 20 illustrated in FIG.

<メモリセルの動作例>
次に、メモリセル20の動作例について説明する。図3は、図2(A)に示すメモリセル20の動作を説明するためのタイミングチャートである。なお、期間T11から期間T12は、メモリセル20へのデータの書き込みを行う期間であり、期間T21から期間T25は、メモリセル20からのデータの読み出しを行う期間である。
<Operation example of memory cell>
Next, an operation example of the memory cell 20 will be described. FIG. 3 is a timing chart for explaining the operation of the memory cell 20 shown in FIG. Note that the period T11 to the period T12 are periods in which data is written to the memory cell 20, and the periods T21 to T25 are periods in which data is read from the memory cells 20.

まず、期間T11において、配線BLa、BLbに書き込み電位を供給する。なお、配線BLa、BLbには、3値以上の電位を選択的に供給することができる。ここでは、配線BLa、BLbにそれぞれ16値の電位を供給する(i=16、j=16)例について、以下に説明する。この場合、回路30a、30bにはそれぞれ4ビットのデータが書き込まれることになる。 First, in a period T11, a writing potential is supplied to the wirings BLa and BLb. Note that three or more potentials can be selectively supplied to the wirings BLa and BLb. Here, an example in which 16-level potentials are supplied to the wirings BLa and BLb (i = 16, j = 16) will be described below. In this case, 4-bit data is written to each of the circuits 30a and 30b.

また、配線WLa、WLbの電位をハイレベルにし、トランジスタ31a、31bをオン状態とする。これにより、配線BLaの電位がノードFNaに供給され、配線BLbの電位がノードFNbに供給される。すなわち、回路30a、30bにおいてデータの書き込みが行われる。 In addition, the potentials of the wirings WLa and WLb are set high, so that the transistors 31a and 31b are turned on. Accordingly, the potential of the wiring BLa is supplied to the node FNa, and the potential of the wiring BLb is supplied to the node FNb. That is, data is written in the circuits 30a and 30b.

次に、期間T12において、配線WLa、WLbをローレベルにし、トランジスタ31a、31bをオフ状態とする。これにより、ノードFNa、FNbは浮遊状態となり、配線BLa、BLbの電位が変動してもノードFNa、FNbの電位は保持される。 Next, in the period T12, the wirings WLa and WLb are set to a low level, and the transistors 31a and 31b are turned off. Accordingly, the nodes FNa and FNb are in a floating state, and the potentials of the nodes FNa and FNb are held even if the potentials of the wirings BLa and BLb are changed.

次に、期間T21において、CNODEbの電位をハイレベルにする。これにより、ノードFNbの電位を上昇させ、期間T11においてノードFNbに供給された電位に関わらず、トランジスタ32bをオン状態とする。また、配線SLの電位をローレベルにプリチャージした後、配線SLの電位を浮遊状態とする。 Next, in a period T21, the potential of CNODEb is set to a high level. Accordingly, the potential of the node FNb is increased, and the transistor 32b is turned on regardless of the potential supplied to the node FNb in the period T11. Further, after the potential of the wiring SL is precharged to a low level, the potential of the wiring SL is set in a floating state.

次に、期間T22において、配線SWの電位をハイレベルにし、トランジスタ41をオン状態とする。これにより、トランジスタ32aと配線VLが導通状態となる。また、配線VLには電源電位としてハイレベルの電位が供給されている。そして、配線SLには、ノードFNaの電位に対応する16値の電位が、読み出し電位として供給される。これにより、回路30aから16値のデータを読み出すことができる。 Next, in the period T22, the potential of the wiring SW is set high and the transistor 41 is turned on. Accordingly, the transistor 32a and the wiring VL are brought into conduction. The wiring VL is supplied with a high-level potential as a power supply potential. A 16-value potential corresponding to the potential of the node FNa is supplied to the wiring SL as a read potential. Thereby, 16-value data can be read from the circuit 30a.

次に、期間T23において、CNODEbの電位をローレベルにする。これにより、ノードFNbの電位を期間T11においてノードFNbに供給された電位にまで下降させる。また、CNODEaの電位をハイレベルにする。これにより、ノードFNaの電位を上昇させ、期間T11においてノードFNaに供給された電位に関わらず、トランジスタ32aをオン状態とする。また、配線SWの電位をローレベルにする。また、配線SLの電位をローレベルにプリチャージした後、配線SLの電位を浮遊状態とする。 Next, in a period T23, the potential of CNODEb is set to a low level. Accordingly, the potential of the node FNb is decreased to the potential supplied to the node FNb in the period T11. Further, the potential of CNODEa is set to a high level. Accordingly, the potential of the node FNa is increased, and the transistor 32a is turned on regardless of the potential supplied to the node FNa in the period T11. Further, the potential of the wiring SW is set to a low level. Further, after the potential of the wiring SL is precharged to a low level, the potential of the wiring SL is set in a floating state.

次に、期間T24において、配線SWの電位をハイレベルにし、トランジスタ41をオン状態とする。これにより、トランジスタ32bと配線VLが導通状態となる。また、配線VLには電源電位としてハイレベルの電位が供給されている。ここで、配線SLには、ノードFNbの電位に対応する16値の電位が、読み出し電位として供給される。これにより、回路30bから16値のデータを読み出すことができる。 Next, in the period T24, the potential of the wiring SW is set high and the transistor 41 is turned on. Accordingly, the transistor 32b and the wiring VL are brought into conduction. The wiring VL is supplied with a high-level potential as a power supply potential. Here, a 16-value potential corresponding to the potential of the node FNb is supplied to the wiring SL as a read potential. Thereby, 16-value data can be read from the circuit 30b.

次に、期間T25において、配線SWおよび配線CNODEaをローレベルとする。これにより、ノードFNaの電位を期間T11においてノードFNaに供給された電位にまで下降させ、メモリセル20を書き込みが行われた直後の期間T12の状態とする。 Next, in the period T25, the wiring SW and the wiring CNODEa are set to a low level. Accordingly, the potential of the node FNa is lowered to the potential supplied to the node FNa in the period T11, and the memory cell 20 is set to a state in the period T12 immediately after writing is performed.

以上の動作により、メモリセル20の記憶された多値データの書き込みおよび読み出しを行うことができる。 Through the above operation, the multi-value data stored in the memory cell 20 can be written and read.

なお、ノードFNa、FNbに16値の電位を書き込む場合、配線SLに読み出される電位V_SLは、図4に示すような16値のデータに対応する分布を形成する。16個の分布はそれぞれ、データ0000から1111に対応させることができる。従って、回路30a、30bから、それぞれ4ビットのデータを読み出すことができる。 Note that when a 16-value potential is written to the nodes FNa and FNb, the potential V_SL read out to the wiring SL forms a distribution corresponding to 16-value data as illustrated in FIG. Each of the 16 distributions can correspond to data 0000 to 1111. Accordingly, 4-bit data can be read from the circuits 30a and 30b, respectively.

また、トランジスタ31a、31bにOSトランジスタを用いた場合、ノードFNa、FNbの電荷のリークを抑えることができる。そのため、分布を幅が狭く、鋭いピークをもつV_SLの値を得ることができる。従って、回路30a、30bに記憶する多値データの間隔を狭めることができ、記憶するデータの数を増加させることができる。 In addition, when OS transistors are used as the transistors 31a and 31b, leakage of charges at the nodes FNa and FNb can be suppressed. Therefore, the value of V_SL having a narrow distribution and a sharp peak can be obtained. Therefore, the interval between the multi-value data stored in the circuits 30a and 30b can be narrowed, and the number of stored data can be increased.

また、OSトランジスタは、Siトランジスタと比べて耐圧性が高い。そのため、ノードFNa、FNbに保持する電位の範囲を広げることができる。従って、回路30a、30bに記憶するデータの数を増加させることができる。 In addition, the OS transistor has higher withstand voltage than the Si transistor. Therefore, the range of potentials held at the nodes FNa and FNb can be expanded. Therefore, the number of data stored in the circuits 30a and 30b can be increased.

なお、図2において、トランジスタ31a、31b、32a、32bにOSトランジスタを用いる場合、トランジスタ32a、32bのチャネル幅W/チャネル長Lを、トランジスタ31a、31bのW/Lよりも大きくすることが好ましい。これにより、トランジスタ31a、31bのオフ電流を小さく抑えつつ、トランジスタ32a、32bの電流供給能力を向上させて高速な読み出しを行うことができる。 In FIG. 2, when OS transistors are used as the transistors 31a, 31b, 32a, and 32b, the channel width W / channel length L of the transistors 32a and 32b is preferably larger than the W / L of the transistors 31a and 31b. . Thus, high-speed reading can be performed by improving the current supply capability of the transistors 32a and 32b while suppressing the off-state current of the transistors 31a and 31b to be small.

また、ノードFNaに対応する電位の配線SLへの読み出しは、トランジスタ32bを介して行われることになる。そのため、トランジスタ32bのW/Lは、トランジスタ32aのW/Lよりも大きくすることが好ましい。これにより、ノードFNaに対応する電位の配線SLへの読み出しを高速に行うことが可能となる。 In addition, the potential corresponding to the node FNa is read to the wiring SL through the transistor 32b. Therefore, the W / L of the transistor 32b is preferably larger than the W / L of the transistor 32a. As a result, the potential corresponding to the node FNa can be read to the wiring SL at high speed.

また、トランジスタ32a、32bのゲート絶縁層は、トランジスタ31a、31bのゲート絶縁層よりも厚くすることが好ましい。これにより、トランジスタ32a、32bの耐圧性を向上させ、ノードFNa、FNbに保持する電位の範囲を広くすることができる。 The gate insulating layers of the transistors 32a and 32b are preferably thicker than the gate insulating layers of the transistors 31a and 31b. Accordingly, the withstand voltage of the transistors 32a and 32b can be improved, and the range of potentials held at the nodes FNa and FNb can be widened.

以上のように、メモリセル20に複数の保持部21を設けることにより、多値データを記憶することが可能な半導体装置を提供することができる。また、保持部21にOSトランジスタを用いることにより、保持部21に蓄積された電荷を長期間保持することができ、信頼性が高く、消費電力が低い半導体装置を提供することができる。 As described above, by providing a plurality of holding portions 21 in the memory cell 20, a semiconductor device capable of storing multi-value data can be provided. In addition, by using an OS transistor for the holding portion 21, a charge stored in the holding portion 21 can be held for a long time, and a semiconductor device with high reliability and low power consumption can be provided.

なお、本発明の一態様は、上記の構成に限定されない。つまり、本実施の形態には様々な発明の態様が記載されているため、本発明の一態様は、特定の態様に限定されない。例えば、本発明の一態様として、メモリセル20に複数の保持部21が設けられた半導体装置の例を示したが、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様は、メモリセル20に1つの保持部21が設けられた構成であってもよい。また、本発明の一態様として、メモリセル20に多値のデータが記憶される例を示したが、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様は、メモリセル20に2値のデータが記憶される構成であってもよい。また、本発明の一態様として、メモリセルに適用した場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。例えば、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様は、別の機能を有する回路に適用してもよい。または例えば、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様は、メモリセルに適用しなくてもよい。また、本発明の一態様として、保持部21でのトランジスタなどでは、トランジスタのチャネル形成領域、ソースドレイン領域などが、酸化物半導体を有する場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレイン領域などは、様々な半導体を有していてもよい。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレイン領域などは、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、または、有機半導体などの少なくとも一つを有していてもよい。または、例えば、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレイン領域などは、酸化物半導体を有していなくてもよい。 Note that one embodiment of the present invention is not limited to the above structure. That is, since various aspects of the present invention are described in this embodiment, one aspect of the present invention is not limited to a specific aspect. For example, as an embodiment of the present invention, an example of a semiconductor device in which the memory cell 20 is provided with a plurality of holding portions 21 has been described. However, according to circumstances or circumstances, an embodiment of the present invention The cell 20 may have a configuration in which one holding unit 21 is provided. Although an example in which multivalued data is stored in the memory cell 20 is described as one embodiment of the present invention, depending on circumstances or circumstances, one embodiment of the present invention may include two memory cells 20. The configuration may be such that value data is stored. Although an example in which the present invention is applied to a memory cell is shown as one embodiment of the present invention, one embodiment of the present invention is not limited thereto. For example, depending on circumstances or circumstances, one embodiment of the present invention may be applied to a circuit having another function. Alternatively, for example, depending on circumstances or circumstances, one embodiment of the present invention may not be applied to a memory cell. Further, as one embodiment of the present invention, in the transistor and the like in the holding portion 21, an example in which the channel formation region, the source / drain region, and the like of the transistor include an oxide semiconductor has been described. It is not limited to this. In some cases or depending on circumstances, various transistors in one embodiment of the present invention, a channel formation region of the transistor, a source / drain region of the transistor, or the like may include various semiconductors. Depending on circumstances or circumstances, various transistors in one embodiment of the present invention, a channel formation region of the transistor, a source / drain region of the transistor, and the like can be formed using, for example, silicon, germanium, silicon germanium, silicon carbide, or gallium. At least one of arsenic, aluminum gallium arsenide, indium phosphide, gallium nitride, or an organic semiconductor may be included. Alternatively, for example, depending on circumstances or conditions, various transistors in one embodiment of the present invention, the channel formation region of the transistor, the source / drain region of the transistor, and the like do not include an oxide semiconductor. Also good.

本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。よって、本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できる。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。また、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できる。これは、以下の実施の形態においても同様である。 This embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate. Therefore, the content (may be a part of content) described in this embodiment is different from the content (may be a part of content) described in the embodiment and / or one or more other Application, combination, replacement, or the like can be performed on the contents described in the embodiment (may be part of the contents). 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. In addition, a drawing (or a part) described in one embodiment may include 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. The same applies to the following embodiments.

(実施の形態2)
本実施の形態では、本発明の一態様に係るメモリセル20の変形例について説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, a modification of the memory cell 20 according to one embodiment of the present invention will be described.

<メモリセルの変形例1>
図5に、メモリセル20の変形例を示す。図5(A)に示すメモリセル20は、トランジスタ31aのソースまたはドレインの一方、およびトランジスタ31bのソースまたはドレインの一方が、同一の配線BLと接続されている点で、図2(A)と異なる。すわなち、回路30aと回路30bで配線BLが共有されている。これにより、配線数を削減し、メモリセル20の面積を縮小することができる。
<Modification Example 1 of Memory Cell>
FIG. 5 shows a modification of the memory cell 20. The memory cell 20 illustrated in FIG. 5A is different from FIG. 2A in that one of the source and the drain of the transistor 31a and one of the source and the drain of the transistor 31b are connected to the same wiring BL. Different. That is, the wiring BL is shared by the circuit 30a and the circuit 30b. Thereby, the number of wirings can be reduced and the area of the memory cell 20 can be reduced.

なお、図5(A)に示すメモリセル20においては、ノードFNaへの書き込みとノードFNbへの書き込みは異なる期間に行われる。すなわち、配線BLの電位は、トランジスタ31aがオン状態であり、トランジスタ31bがオフ状態である期間においては、ノードFNaに供給する電位となり、トランジスタ31aがオフ状態であり、トランジスタ31bがオン状態である期間においては、ノードFNbに供給する電位となる。 Note that in the memory cell 20 illustrated in FIG. 5A, writing to the node FNa and writing to the node FNb are performed in different periods. That is, the potential of the wiring BL is a potential supplied to the node FNa in a period in which the transistor 31a is on and the transistor 31b is off, the transistor 31a is off, and the transistor 31b is on. In the period, the potential is supplied to the node FNb.

図5(B)に示すメモリセル20は、トランジスタ31aのゲート、およびトランジスタ31bのゲートは、同一の配線WLと接続されている点で、図2(A)と異なる。すわなち、回路30aと回路30bで配線WLが共有されている。これにより、配線数を削減し、メモリセル20の面積を縮小することができる。 A memory cell 20 illustrated in FIG. 5B is different from FIG. 2A in that the gate of the transistor 31a and the gate of the transistor 31b are connected to the same wiring WL. That is, the wiring WL is shared by the circuit 30a and the circuit 30b. Thereby, the number of wirings can be reduced and the area of the memory cell 20 can be reduced.

なお、図5(B)に示すメモリセル20においては、図3の期間T11に示すように、ノードFNaの書き込みとノードFNbの書き込みは同時に行われる。 Note that in the memory cell 20 illustrated in FIG. 5B, writing to the node FNa and writing to the node FNb are performed at the same time as illustrated in a period T11 in FIG.

また、図2(A)においては、2つの回路30(回路30a、30b)が設けられた構成例を示したが、回路30の数は3以上の任意の数とすることもできる。例えば、図5(C)に示すように、メモリセル20に3つの回路30(回路30a、30b、30c)を設けてもよい。これにより、メモリセル20に記憶することができるデータ量をさらに増加させることができる。図5(C)において、回路30a、30b、30cに記憶される電位をそれぞれi値、j値、k値(kは自然数)とすると、メモリセル20にはi×j×k値のデータを記憶することができる。すなわち、回路30a、30b、30cにそれぞれaビット、bビット、cビット(cは自然数)のデータを記憶した場合、a+b+cビットのデータを読み出すことができる。 2A illustrates the configuration example in which the two circuits 30 (circuits 30a and 30b) are provided, the number of the circuits 30 may be an arbitrary number of 3 or more. For example, as shown in FIG. 5C, the memory cell 20 may be provided with three circuits 30 (circuits 30a, 30b, and 30c). Thereby, the amount of data that can be stored in the memory cell 20 can be further increased. In FIG. 5C, if the potentials stored in the circuits 30a, 30b, and 30c are respectively i value, j value, and k value (k is a natural number), the memory cell 20 has data of i × j × k value. Can be remembered. That is, when data of a bits, b bits, and c bits (c is a natural number) are stored in the circuits 30a, 30b, and 30c, respectively, data of a + b + c bits can be read.

<メモリセルの変形例2>
図6に、メモリセル20の他の変形例を示す。図6に示すメモリセル20は、OSトランジスタであるトランジスタ31a、31b、32a、32bが一対のゲートを有している点で、図2(A)と異なる。すなわち、トランジスタ31a、31b、32a、32bは、バックゲートを有する。
<Modification Example 2 of Memory Cell>
FIG. 6 shows another modification of the memory cell 20. The memory cell 20 illustrated in FIG. 6 is different from FIG. 2A in that the transistors 31a, 31b, 32a, and 32b which are OS transistors have a pair of gates. That is, the transistors 31a, 31b, 32a, and 32b have back gates.

図6(A)に示すメモリセル20においては、トランジスタ31aのバックゲートはトランジスタ31aのゲートと接続され、トランジスタ31bのバックゲートはトランジスタ31bのゲートと接続され、トランジスタ32aのバックゲートはトランジスタ32aのゲートと接続され、トランジスタ32bのバックゲートはトランジスタ32bのゲートと接続されている。また、図6(B)に示すメモリセル20においては、トランジスタ31a、31b、32a、32bが有するバックゲートは、配線BGと接続されている。なお、配線BGには、固定電位が供給されている。 6A, the back gate of the transistor 31a is connected to the gate of the transistor 31a, the back gate of the transistor 31b is connected to the gate of the transistor 31b, and the back gate of the transistor 32a is connected to the gate of the transistor 32a. The back gate of the transistor 32b is connected to the gate of the transistor 32b. In the memory cell 20 illustrated in FIG. 6B, the back gates of the transistors 31a, 31b, 32a, and 32b are connected to the wiring BG. Note that a fixed potential is supplied to the wiring BG.

ここで、トランジスタ31a、31b、32a、32bのように、あるトランジスタTが、半導体膜を間に挟んで存在する一対のゲートを有している場合、一方のゲートには信号Aが、他方のゲートには固定電位Vbが与えられてもよい。 Here, as in the transistors 31a, 31b, 32a, and 32b, when a certain transistor T has a pair of gates with a semiconductor film interposed therebetween, a signal A is transmitted to one gate and the other is A fixed potential Vb may be applied to the gate.

信号Aは、例えば、導通状態または非導通状態を制御するための信号である。信号Aは、電位V1、または電位V2(V1>V2とする)の2種類の電位をとるデジタル信号であってもよい。例えば、電位V1を高電源電位とし、電位V2を低電源電位(接地電位など)とすることができる。信号Aは、アナログ信号であってもよい。 The signal A is a signal for controlling a conduction state or a non-conduction state, for example. The signal A may be a digital signal that takes two kinds of potentials, that is, the potential V1 or the potential V2 (V1> V2). For example, the potential V1 can be a high power supply potential and the potential V2 can be a low power supply potential (such as a ground potential). The signal A may be an analog signal.

固定電位Vbは、例えば、トランジスタTのしきい値電圧VthAを制御するための電位である。固定電位Vbは、電位V1、または電位V2であってもよい。この場合、固定電位Vbを生成するための電位発生回路を新たに別途設ける必要がなく好ましい。固定電位Vbは、電位V1、または電位V2と異なる電位であってもよい。固定電位Vbを低くすることで、しきい値電圧VthAを高くできる場合がある。その結果、ゲートーソース間電圧Vgsが0Vのときのドレイン電流を低減し、トランジスタTを有する回路のリーク電流を低減できる場合がある。例えば、固定電位Vbを低電源電位よりも低くしてもよい。固定電位Vbを高くすることで、しきい値電圧VthAを低くできる場合がある。その結果、ゲートーソース間電圧VgsがVDDのときのドレイン電流を向上させ、トランジスタTを有する回路の動作速度を向上できる場合がある。例えば、固定電位Vbを低電源電位よりも高くしてもよい。 The fixed potential Vb is a potential for controlling the threshold voltage VthA of the transistor T, for example. The fixed potential Vb may be the potential V1 or the potential V2. In this case, it is preferable that a potential generating circuit for generating the fixed potential Vb need not be provided separately. The fixed potential Vb may be a potential different from the potential V1 or the potential V2. In some cases, the threshold voltage VthA can be increased by lowering the fixed potential Vb. As a result, the drain current when the gate-source voltage Vgs is 0 V can be reduced, and the leakage current of the circuit including the transistor T can be reduced in some cases. For example, the fixed potential Vb may be set lower than the low power supply potential. In some cases, the threshold voltage VthA can be lowered by increasing the fixed potential Vb. As a result, the drain current when the gate-source voltage Vgs is VDD may be improved, and the operation speed of the circuit including the transistor T may be improved. For example, the fixed potential Vb may be higher than the low power supply potential.

また、トランジスタTの一方のゲートには信号Aが、他方のゲートには信号Bが与えられてもよい。信号Bは、例えば、トランジスタTの導通状態または非導通状態を制御するための信号である。信号Bは、電位V3、または電位V4(V3>V4とする)の2種類の電位をとるデジタル信号であってもよい。例えば、電位V3を高電源電位とし、電位V4を低電源電位とすることができる。信号Bは、アナログ信号であってもよい。 Further, the signal A may be supplied to one gate of the transistor T, and the signal B may be supplied to the other gate. The signal B is a signal for controlling the conduction state or non-conduction state of the transistor T, for example. The signal B may be a digital signal that takes two kinds of potentials, that is, the potential V3 or the potential V4 (V3> V4). For example, the potential V3 can be a high power supply potential and the potential V4 can be a low power supply potential. The signal B may be an analog signal.

信号Aと信号Bが共にデジタル信号である場合、信号Bは、信号Aと同じデジタル値を持つ信号であってもよい。この場合、トランジスタTのオン電流を向上し、トランジスタTを有する回路の動作速度を向上できる場合がある。このとき、信号Aの電位V1は信号Bの電位V3と異なっていても良い。また、信号Aの電位V2は信号Bの電位V4と異なっていても良い。例えば、信号Bが入力されるゲートに対応するゲート絶縁層が、信号Aが入力されるゲートに対応するゲート絶縁層よりも厚い場合、信号Bの電位振幅(V3−V4)を、信号Aの電位振幅(V1−V2)より大きくしても良い。そうすることで、トランジスタTの導通状態または非導通状態に対して、信号Aが与える影響と、信号Bが与える影響と、を同程度とすることができる場合がある。 When both the signal A and the signal B are digital signals, the signal B may be a signal having the same digital value as the signal A. In this case, the on-state current of the transistor T may be improved and the operation speed of the circuit including the transistor T may be improved. At this time, the potential V1 of the signal A may be different from the potential V3 of the signal B. Further, the potential V2 of the signal A may be different from the potential V4 of the signal B. For example, when the gate insulating layer corresponding to the gate to which the signal B is input is thicker than the gate insulating layer corresponding to the gate to which the signal A is input, the potential amplitude (V3 to V4) of the signal B is It may be larger than the potential amplitude (V1-V2). By doing so, the influence of the signal A and the influence of the signal B on the conduction state or non-conduction state of the transistor T may be almost the same.

信号Aと信号Bが共にデジタル信号である場合、信号Bは、信号Aと異なるデジタル値を持つ信号であってもよい。この場合、トランジスタTの制御を信号Aと信号Bによって別々に行うことができ、より高い機能を実現できる場合がある。例えば、トランジスタTがnチャネル型である場合、信号Aが電位V1であり、かつ、信号Bが電位V3である場合のみ導通状態となる場合や、信号Aが電位V2であり、かつ、信号Bが電位V4である場合のみ非導通状態となる場合には、一つのトランジスタでNAND回路やNOR回路等の機能を実現できる場合がある。また、信号Bは、しきい値電圧VthAを制御するための信号であってもよい。例えば、信号Bは、トランジスタTを有する回路が動作している期間と、当該回路が動作していない期間と、で電位が異なる信号であっても良い。信号Bは、回路の動作モードに合わせて電位が異なる信号であってもよい。この場合、信号Bは信号Aほど頻繁には電位が切り替わらない場合がある。 When both the signal A and the signal B are digital signals, the signal B may be a signal having a digital value different from that of the signal A. In this case, the transistor T can be controlled separately by the signal A and the signal B, and a higher function may be realized. For example, when the transistor T is an n-channel transistor, the transistor A is in a conductive state only when the signal A is the potential V1 and the signal B is the potential V3, or the signal A is the potential V2 and the signal B In the case where the transistor is non-conductive only when the potential is V4, the function of a NAND circuit, a NOR circuit, or the like may be realized with one transistor. The signal B may be a signal for controlling the threshold voltage VthA. For example, the signal B may be a signal having a different potential between a period in which a circuit including the transistor T is operating and a period in which the circuit is not operating. The signal B may be a signal having a different potential according to the operation mode of the circuit. In this case, the potential of the signal B may not be switched as frequently as the signal A.

信号Aと信号Bが共にアナログ信号である場合、信号Bは、信号Aと同じ電位のアナログ信号、信号Aの電位を定数倍したアナログ信号、または、信号Aの電位を定数だけ加算もしくは減算したアナログ信号等であってもよい。この場合、トランジスタTのオン電流を向上し、トランジスタTを有する回路の動作速度を向上できる場合がある。信号Bは、信号Aと異なるアナログ信号であってもよい。この場合、トランジスタTの制御を信号Aと信号Bによって別々に行うことができ、より高い機能を実現できる場合がある。 When both the signal A and the signal B are analog signals, the signal B is an analog signal having the same potential as the signal A, an analog signal obtained by multiplying the potential of the signal A by a constant, or the potential of the signal A is added or subtracted by a constant. An analog signal or the like may be used. In this case, the on-state current of the transistor T may be improved and the operation speed of the circuit including the transistor T may be improved. The signal B may be an analog signal different from the signal A. In this case, the transistor T can be controlled separately by the signal A and the signal B, and a higher function may be realized.

信号Aがデジタル信号、信号Bがアナログ信号であってもよい。信号Aがアナログ信号、信号Bがデジタル信号であってもよい。 The signal A may be a digital signal and the signal B may be an analog signal. The signal A may be an analog signal and the signal B may be a digital signal.

また、トランジスタTの一方のゲートには固定電位Vaが、他方のゲートには固定電位Vbが与えられてもよい。トランジスタTの両方のゲートに固定電位を与える場合、トランジスタTを、抵抗素子と同等の素子として機能させることができる場合がある。例えば、トランジスタTがnチャネル型である場合、固定電位Vaまたは固定電位Vbを高く(低く)することで、トランジスタの実効抵抗を低く(高く)することができる場合がある。固定電位Va及び固定電位Vbを共に高く(低く)することで、一つのゲートしか有さないトランジスタによって得られる実効抵抗よりも低い(高い)実効抵抗が得られる場合がある。 Further, the fixed potential Va may be applied to one gate of the transistor T, and the fixed potential Vb may be applied to the other gate. When a fixed potential is applied to both gates of the transistor T, the transistor T may function as an element equivalent to a resistance element. For example, in the case where the transistor T is an n-channel transistor, the effective resistance of the transistor may be decreased (increased) by increasing (decreasing) the fixed potential Va or the fixed potential Vb. By making both the fixed potential Va and the fixed potential Vb higher (lower), an effective resistance lower (higher) than that obtained by a transistor having only one gate may be obtained.

なお、トランジスタ41が一対のゲートを有していてもよい。 Note that the transistor 41 may include a pair of gates.

<メモリセルの変形例3>
図2(A)においては、トランジスタ41が、トランジスタ32aと配線VLとの間に設けられた構成例を示したが、トランジスタ41が設けられる位置はこれに限られない。トランジスタ41が、トランジスタ32a、32bと直列に接続されていればよい。
<Modification Example 3 of Memory Cell>
In FIG. 2A, the example in which the transistor 41 is provided between the transistor 32a and the wiring VL is shown; however, the position where the transistor 41 is provided is not limited thereto. It is only necessary that the transistor 41 is connected in series with the transistors 32a and 32b.

例えば、図22(A)に示すように、トランジスタ41が、トランジスタ32bと配線SLとの間に設けられていてもよい。図22(A)において、トランジスタ41のゲートは配線SWと接続され、ソースまたはドレインの一方はトランジスタ32bのソースまたはドレインの一方と接続され、ソースまたはドレインの他方は配線SLと接続されている。 For example, as illustrated in FIG. 22A, the transistor 41 may be provided between the transistor 32b and the wiring SL. 22A, the gate of the transistor 41 is connected to the wiring SW, one of the source and the drain is connected to one of the source and the drain of the transistor 32b, and the other of the source and the drain is connected to the wiring SL.

また、例えば、図22(B)に示すように、トランジスタ41が、トランジスタ32aとトランジスタ32bとの間に設けられていてもよい。図22(B)において、トランジスタ41のゲートは配線SWと接続され、ソースまたはドレインの一方はトランジスタ32aのソースまたはドレインの一方と接続され、ソースまたはドレインの他方はトランジスタ32bのソースまたはドレインの一方と接続されている。 For example, as illustrated in FIG. 22B, the transistor 41 may be provided between the transistor 32a and the transistor 32b. 22B, the gate of the transistor 41 is connected to the wiring SW, one of the source and the drain is connected to one of the source and the drain of the transistor 32a, and the other of the source and the drain is one of the source and the drain of the transistor 32b. Connected with.

また、図2(A)においては、メモリセル20に回路40が1つ設けられた構成例を示したが、複数の回路40が設けられていてもよい。 2A illustrates a configuration example in which one circuit 40 is provided in the memory cell 20, a plurality of circuits 40 may be provided.

例えば、図22(C)に示すように、回路40が、回路30aと配線VLとの間、および回路30bと配線SLとの間に設けられていてもよい。回路40aが有するトランジスタ41aのゲートは配線SWaと接続され、ソースまたはドレインの一方はトランジスタ32aのソースまたはドレインの一方と接続され、ソースまたはドレインの他方は配線VLと接続されている。回路40bが有するトランジスタ41bのゲートは配線SWbと接続され、ソースまたはドレインの一方はトランジスタ32bのソースまたはドレインの一方と接続され、ソースまたはドレインの他方は配線SLと接続されている。 For example, as illustrated in FIG. 22C, the circuit 40 may be provided between the circuit 30a and the wiring VL and between the circuit 30b and the wiring SL. The gate of the transistor 41a included in the circuit 40a is connected to the wiring SWa, one of the source and the drain is connected to one of the source and the drain of the transistor 32a, and the other of the source and the drain is connected to the wiring VL. The gate of the transistor 41b included in the circuit 40b is connected to the wiring SWb, one of the source and the drain is connected to one of the source and the drain of the transistor 32b, and the other of the source and the drain is connected to the wiring SL.

なお、図22(C)においては、トランジスタ41aのゲートが配線SWaと接続され、トランジスタ41bのゲートが配線SWbと接続されているが、トランジスタ41aのゲートとトランジスタ41bのゲートは同一の配線と接続されていてもよい。また、配線SWbには、配線SWaに供給される信号に対応する信号(配線SWaに供給される信号と同一の信号、配線SWaに供給される信号の反転信号など)が供給されてもよいし、配線SWaに供給される信号とは独立した信号が供給されてもよい。 Note that in FIG. 22C, the gate of the transistor 41a is connected to the wiring SWa, and the gate of the transistor 41b is connected to the wiring SWb. However, the gate of the transistor 41a and the gate of the transistor 41b are connected to the same wiring. May be. The wiring SWb may be supplied with a signal corresponding to a signal supplied to the wiring SWa (the same signal as that supplied to the wiring SWa, an inverted signal of the signal supplied to the wiring SWa, or the like). A signal independent of the signal supplied to the wiring SWa may be supplied.

また、図22(C)において、トランジスタ32aとトランジスタ32bとの間に設けられたトランジスタ41(図22(B)参照)をさらに追加することもできる。 In FIG. 22C, a transistor 41 (see FIG. 22B) provided between the transistor 32a and the transistor 32b can be further added.

本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。 This embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate.

(実施の形態3)
本実施の形態では、本発明の一態様にかかる半導体装置の積層構造の一例を説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, an example of a stacked structure of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention will be described.

上記実施の形態において、OSトランジスタを有する層と、OSトランジスタ以外のトランジスタを有する層を積層することができる。また、OSトランジスタを有する複数の層を積層することができる。具体的には、図2、5、6、22のメモリセル20において、回路30a、回路30b、回路40を積層することができる。例えば、回路40上に回路30aを積層し、回路30a上に回路30bを積層することができる。これにより、メモリセルの面積を縮小することができる。 In the above embodiment, a layer including an OS transistor and a layer including a transistor other than the OS transistor can be stacked. In addition, a plurality of layers including OS transistors can be stacked. Specifically, the circuit 30a, the circuit 30b, and the circuit 40 can be stacked in the memory cell 20 of FIGS. For example, the circuit 30a can be stacked on the circuit 40, and the circuit 30b can be stacked on the circuit 30a. Thereby, the area of the memory cell can be reduced.

回路30a、回路30b、回路40を積層した構造について、図7、8を用いて説明する。 A structure in which the circuit 30a, the circuit 30b, and the circuit 40 are stacked will be described with reference to FIGS.

<平面図>
図7に、回路40、回路30a、回路30bを順に積層したときのメモリセル20の平面図を示す。
<Plan view>
FIG. 7 is a plan view of the memory cell 20 when the circuit 40, the circuit 30a, and the circuit 30b are sequentially stacked.

回路40の層は、トランジスタ41を有する。具体的には、回路40の層は、不純物領域101a、101b、導電層103、導電層111を有する。不純物領域101a、101bは、トランジスタ41のソース領域またはドレイン領域としての機能を有する。導電層103は、トランジスタ41のゲート電極としての機能を有する。導電層111は、配線BLaとしての機能を有する。また、不純物領域101aは、配線VLとしての機能を有する。 The layer of the circuit 40 includes a transistor 41. Specifically, the layer of the circuit 40 includes impurity regions 101a and 101b, a conductive layer 103, and a conductive layer 111. The impurity regions 101a and 101b function as a source region or a drain region of the transistor 41. The conductive layer 103 functions as a gate electrode of the transistor 41. The conductive layer 111 functions as the wiring BLa. In addition, the impurity region 101a functions as the wiring VL.

導電層111は、接続部251を介して、回路30aの層の導電層133aと接続されている。不純物領域101bは、接続部252を介して、回路30aの層の導電層134bと接続されている。 The conductive layer 111 is connected to the conductive layer 133a of the circuit 30a through the connection portion 251. The impurity region 101b is connected to the conductive layer 134b of the circuit 30a through the connection portion 252.

回路30aの層は、トランジスタ31a、32aを有する。具体的には、回路30aの層は、半導体層131、132、導電層133a、133b、導電層134a、134b、導電層137、138を有する。 The layer of the circuit 30a includes transistors 31a and 32a. Specifically, the layers of the circuit 30a include semiconductor layers 131 and 132, conductive layers 133a and 133b, conductive layers 134a and 134b, and conductive layers 137 and 138.

半導体層131は、トランジスタ31aの活性層としての機能を有し、半導体層132は、トランジスタ32aの活性層としての機能を有する。導電層133a、133bは、トランジスタ31aのソース電極またはドレイン電極としての機能を有し、導電層134a、134bは、トランジスタ32aのソース電極またはドレイン電極としての機能を有する。導電層137は、トランジスタ31aのゲート電極としての機能を有し、導電層138は、トランジスタ32aのゲート電極としての機能を有する。 The semiconductor layer 131 has a function as an active layer of the transistor 31a, and the semiconductor layer 132 has a function as an active layer of the transistor 32a. The conductive layers 133a and 133b function as a source electrode or a drain electrode of the transistor 31a, and the conductive layers 134a and 134b function as a source electrode or a drain electrode of the transistor 32a. The conductive layer 137 functions as the gate electrode of the transistor 31a, and the conductive layer 138 functions as the gate electrode of the transistor 32a.

導電層133a、133bは、半導体層131と接続され、導電層134a、134bは、半導体層132と接続されている。導電層133aは、接続部261を介して、回路40の層の導電層111と接続されている。導電層133bは、接続部262を介して、容量素子33a(図示せず)と接続されている。また、導電層133bは、接続部263を介して、導電層138と接続されている。すなわち、トランジスタ31aのソースまたはドレインの一方は、トランジスタ32aのゲートと接続されている。導電層134aは、接続部265を介して、回路30bの層の導電層184aと接続されている。すなわち、トランジスタ32aのソースまたはドレインの一方は、トランジスタ32bのソースまたはドレインの一方と接続されている。導電層134bは、接続部264を介して、不純物領域101bと接続されている。すなわち、トランジスタ32aのソースまたはドレインの一方は、トランジスタ41のソースまたはドレインの一方と接続されている。 The conductive layers 133 a and 133 b are connected to the semiconductor layer 131, and the conductive layers 134 a and 134 b are connected to the semiconductor layer 132. The conductive layer 133 a is connected to the conductive layer 111 of the layer of the circuit 40 through the connection portion 261. The conductive layer 133b is connected to the capacitor 33a (not shown) through the connection portion 262. In addition, the conductive layer 133 b is connected to the conductive layer 138 through the connection portion 263. That is, one of the source and the drain of the transistor 31a is connected to the gate of the transistor 32a. The conductive layer 134a is connected to the conductive layer 184a of the layer of the circuit 30b through the connection portion 265. In other words, one of the source and the drain of the transistor 32a is connected to one of the source and the drain of the transistor 32b. The conductive layer 134b is connected to the impurity region 101b through the connection portion 264. In other words, one of the source and the drain of the transistor 32a is connected to one of the source and the drain of the transistor 41.

回路30bの層は、トランジスタ31b、32bを有する。具体的には、回路30bの層は、半導体層181、182、導電層183a、183b、導電層184a、184b、導電層187、188を有する。 The layer of the circuit 30b includes transistors 31b and 32b. Specifically, the layer of the circuit 30b includes semiconductor layers 181 and 182, conductive layers 183a and 183b, conductive layers 184a and 184b, and conductive layers 187 and 188.

半導体層181は、トランジスタ31bの活性層としての機能を有し、半導体層182は、トランジスタ32bの活性層としての機能を有する。導電層183a、183bは、トランジスタ31bのソース電極またはドレイン電極としての機能を有し、導電層184a、184bは、トランジスタ32bのソース電極またはドレイン電極としての機能を有する。導電層187は、トランジスタ31bのゲート電極としての機能を有し、導電層188は、トランジスタ32bのゲート電極としての機能を有する。 The semiconductor layer 181 functions as an active layer of the transistor 31b, and the semiconductor layer 182 functions as an active layer of the transistor 32b. The conductive layers 183a and 183b function as a source electrode or a drain electrode of the transistor 31b, and the conductive layers 184a and 184b function as a source electrode or a drain electrode of the transistor 32b. The conductive layer 187 functions as a gate electrode of the transistor 31b, and the conductive layer 188 functions as a gate electrode of the transistor 32b.

導電層183a、183bは、半導体層181と接続され、導電層184a、184bは、半導体層182と接続されている。導電層183aは、接続部271を介して、配線BLbとしての機能を有する導電層(図示せず)と接続されている。導電層183bは、接続部272を介して、容量素子33b(図示せず)と接続されている。また、導電層183bは、接続部273を介して、導電層188と接続されている。すなわち、トランジスタ31bのソースまたはドレインの一方は、トランジスタ32bのゲートと接続されている。導電層184aは、接続部275を介して、回路30aの層の導電層134aと接続されている。すなわち、トランジスタ32bのソースまたはドレインの一方は、トランジスタ32aのソースまたはドレインの一方と接続されている。導電層184bは、接続部274を介して、配線SLとしての機能を有する導電層(図示せず)と接続されている。 The conductive layers 183 a and 183 b are connected to the semiconductor layer 181, and the conductive layers 184 a and 184 b are connected to the semiconductor layer 182. The conductive layer 183a is connected to a conductive layer (not shown) having a function as the wiring BLb through the connection portion 271. The conductive layer 183b is connected to the capacitor 33b (not shown) through the connection portion 272. Further, the conductive layer 183b is connected to the conductive layer 188 through the connection portion 273. That is, one of the source and the drain of the transistor 31b is connected to the gate of the transistor 32b. The conductive layer 184 a is connected to the conductive layer 134 a of the circuit 30 a through the connection portion 275. That is, one of the source and the drain of the transistor 32b is connected to one of the source and the drain of the transistor 32a. The conductive layer 184b is connected to a conductive layer (not shown) having a function as the wiring SL through the connection portion 274.

以上のように、メモリセル20は、トランジスタ41、トランジスタ31a、32a、トランジスタ31b、32bが順に積層された構成とすることができる。これにより、メモリセル20の面積を縮小することができる。 As described above, the memory cell 20 can have a structure in which the transistor 41, the transistors 31a and 32a, and the transistors 31b and 32b are sequentially stacked. Thereby, the area of the memory cell 20 can be reduced.

なお、半導体層131、132、半導体層181、182には、酸化物半導体層を用いることができる。この場合、トランジスタ31a、32a、トランジスタ31b、32bは、OSトランジスタとなる。 Note that oxide semiconductor layers can be used for the semiconductor layers 131 and 132 and the semiconductor layers 181 and 182. In this case, the transistors 31a and 32a and the transistors 31b and 32b are OS transistors.

<断面図>
図8に、回路40、回路30a、回路30bを順に積層したときのメモリセル20の断面図を示す。ここでは、図7のX1−X2線における断面図、およびX3−X4線における断面図を示す。
<Cross section>
FIG. 8 is a cross-sectional view of the memory cell 20 when the circuit 40, the circuit 30a, and the circuit 30b are sequentially stacked. Here, a cross-sectional view taken along line X1-X2 in FIG. 7 and a cross-sectional view taken along line X3-X4 are shown.

図8において、回路40、回路30a、回路30bが順に積層されている。また、回路40はトランジスタ41を有し、回路30aはトランジスタ31a、32a、容量素子33aを有し、回路30bはトランジスタ31b、32b、容量素子33bを有する。 In FIG. 8, a circuit 40, a circuit 30a, and a circuit 30b are sequentially stacked. The circuit 40 includes a transistor 41, the circuit 30a includes transistors 31a and 32a and a capacitor 33a, and the circuit 30b includes transistors 31b and 32b and a capacitor 33b.

トランジスタ41は、非晶質、微結晶、多結晶または単結晶である、シリコン又はゲルマニウムなどの半導体膜または半導体基板に、チャネル形成領域を有するトランジスタとすることができる。図8には、トランジスタ41が単結晶の半導体基板100にチャネル形成領域を有する構造を示す。なお、シリコンの薄膜を用いてトランジスタ41を形成する場合、当該薄膜には、プラズマCVD法などの気相成長法若しくはスパッタリング法で作製された非晶質シリコン、非晶質シリコンをレーザーの照射などの処理により結晶化させた多結晶シリコン、単結晶シリコンウェハに水素イオン等を注入して表層部を剥離した単結晶シリコンなどを用いることができる。 The transistor 41 can be a transistor having a channel formation region in a semiconductor film or a semiconductor substrate of silicon, germanium, or the like that is amorphous, microcrystalline, polycrystalline, or single crystal. FIG. 8 illustrates a structure in which the transistor 41 includes a channel formation region in a single crystal semiconductor substrate 100. Note that in the case where the transistor 41 is formed using a silicon thin film, amorphous silicon formed by a vapor deposition method such as a plasma CVD method or a sputtering method, laser irradiation of amorphous silicon, or the like is used for the thin film. Polycrystalline silicon crystallized by the above process, single crystal silicon in which hydrogen ions or the like are implanted into a single crystal silicon wafer and the surface layer portion is peeled off can be used.

トランジスタ41が形成される半導体基板100は、例えば、シリコン基板、ゲルマニウム基板、シリコンゲルマニウム基板等を用いることができる。ここでは一例として、単結晶シリコン基板を半導体基板100として用いた場合について述べる。 As the semiconductor substrate 100 on which the transistor 41 is formed, for example, a silicon substrate, a germanium substrate, a silicon germanium substrate, or the like can be used. Here, as an example, a case where a single crystal silicon substrate is used as the semiconductor substrate 100 will be described.

また、トランジスタ41は、素子分離法により、他のトランジスタと電気的に分離されていてもよい。素子分離法として、選択酸化法(LOCOS法:Local Oxidation of Silicon法)、トレンチ分離法(STI法:Shallow Trench Isolation)等を用いることができる。具体的には、半導体基板100にエッチング等によりトレンチを形成した後、酸化珪素などを含む絶縁物を当該トレンチに埋め込むことにより、素子分離領域を設けることができる。 The transistor 41 may be electrically isolated from other transistors by an element isolation method. As an element isolation method, a selective oxidation method (LOCOS method: Local Oxidation of Silicon method), a trench isolation method (STI method: Shallow Trench Isolation), or the like can be used. Specifically, after forming a trench in the semiconductor substrate 100 by etching or the like, an element isolation region can be provided by embedding an insulator containing silicon oxide or the like in the trench.

トランジスタ41は、不純物領域101a、101bと、ゲート絶縁層としての機能を有する絶縁層102と、導電層103を有する。なお、導電層103の側面には、サイドウォール絶縁層が設けられていてもよい。 The transistor 41 includes impurity regions 101a and 101b, an insulating layer 102 functioning as a gate insulating layer, and a conductive layer 103. Note that a sidewall insulating layer may be provided on a side surface of the conductive layer 103.

トランジスタ41上には絶縁層104が設けられ、絶縁層104には開口部が設けられている。そして、絶縁層104の開口部には、導電層103と接続された導電層105、不純物領域101bと接続された導電層106が設けられている。また、導電層105は絶縁層104上に設けられた導電層112と接続されており、導電層106は、絶縁層104上に設けられた導電層113と接続されている。また、絶縁層104上には導電層111が設けられている。なお、導電層112は、配線SWとしての機能を有する。または、導電層112は、配線SWと接続されている。 An insulating layer 104 is provided over the transistor 41, and an opening is provided in the insulating layer 104. In the opening portion of the insulating layer 104, a conductive layer 105 connected to the conductive layer 103 and a conductive layer 106 connected to the impurity region 101b are provided. The conductive layer 105 is connected to a conductive layer 112 provided over the insulating layer 104, and the conductive layer 106 is connected to a conductive layer 113 provided over the insulating layer 104. In addition, a conductive layer 111 is provided over the insulating layer 104. Note that the conductive layer 112 functions as the wiring SW. Alternatively, the conductive layer 112 is connected to the wiring SW.

導電層111、112、113上には、絶縁層114、絶縁層123が設けられ、絶縁層114、絶縁層123には開口部が設けられている。そして、絶縁層114、絶縁層123の開口部には、導電層111と接続された導電層115、導電層113と接続された導電層116が形成されている。 An insulating layer 114 and an insulating layer 123 are provided over the conductive layers 111, 112, and 113, and an opening is provided in the insulating layer 114 and the insulating layer 123. A conductive layer 115 connected to the conductive layer 111 and a conductive layer 116 connected to the conductive layer 113 are formed in the openings of the insulating layer 114 and the insulating layer 123.

なお、絶縁層114上には、導電層121、122が設けられていてもよい。導電層121は、半導体層131と重なる領域を有し、トランジスタ31aのゲート電極としての機能を有する。導電層122は、半導体層132と重なる領域を有し、トランジスタ32aのゲート電極としての機能を有する。このように、トランジスタ31a、32aは、半導体層を間に挟んで存在する一対のゲート電極を有していてもよい。この場合、絶縁層123は、トランジスタ31a、32aのゲート絶縁層としての機能を有する。 Note that conductive layers 121 and 122 may be provided over the insulating layer 114. The conductive layer 121 has a region overlapping with the semiconductor layer 131 and functions as a gate electrode of the transistor 31a. The conductive layer 122 has a region overlapping with the semiconductor layer 132 and functions as a gate electrode of the transistor 32a. As described above, the transistors 31a and 32a may include a pair of gate electrodes present with the semiconductor layer interposed therebetween. In this case, the insulating layer 123 functions as a gate insulating layer of the transistors 31a and 32a.

絶縁層123上には、半導体層131、132と、半導体層131と接する領域を有する導電層133a、133bと、半導体層132と接する領域を有する導電層134a、134bを有する。導電層133aは、導電層115を介して導電層111と接続されている、導電層134bは、導電層116を介して導電層113と接続されている。なお、半導体層131、132は、酸化物半導体層が積層された構成とすることができる。ここでは、半導体層131、132が、積層された3層の酸化物半導体層を有する構成を示す。 Over the insulating layer 123, semiconductor layers 131 and 132, conductive layers 133 a and 133 b having regions in contact with the semiconductor layer 131, and conductive layers 134 a and 134 b having regions in contact with the semiconductor layer 132 are provided. The conductive layer 133 a is connected to the conductive layer 111 through the conductive layer 115, and the conductive layer 134 b is connected to the conductive layer 113 through the conductive layer 116. Note that the semiconductor layers 131 and 132 can have a structure in which oxide semiconductor layers are stacked. Here, a structure in which the semiconductor layers 131 and 132 include three stacked oxide semiconductor layers is shown.

半導体層131、132、導電層133a、133b、導電層134a、134b上には、絶縁層135が設けられている。絶縁層135は、トランジスタ31a、32aのゲート絶縁層としての機能を有する。また、絶縁層135上には、導電層137、138が設けられている。導電層137は、半導体層131と重なる領域を有し、導電層138は、半導体層132と重なる領域を有する。なお、導電層137は、配線WLaとしての機能を有する。または、導電層137は、配線WLaと接続されている。 An insulating layer 135 is provided over the semiconductor layers 131 and 132, the conductive layers 133a and 133b, and the conductive layers 134a and 134b. The insulating layer 135 functions as a gate insulating layer of the transistors 31a and 32a. In addition, conductive layers 137 and 138 are provided over the insulating layer 135. The conductive layer 137 has a region overlapping with the semiconductor layer 131, and the conductive layer 138 has a region overlapping with the semiconductor layer 132. Note that the conductive layer 137 functions as the wiring WLa. Alternatively, the conductive layer 137 is connected to the wiring WLa.

ここで、導電層133bは、導電層136を介して導電層138と接続されている。すなわち、トランジスタ31aのソースまたはドレインの一方は、トランジスタ32aのゲートと接続されている。なお、導電層133bは、導電層136を介さず、導電層138と直接接していてもよい。導電層133bと導電層138が接続されたノードが、ノードFNa(図2等参照)に対応する。 Here, the conductive layer 133 b is connected to the conductive layer 138 through the conductive layer 136. That is, one of the source and the drain of the transistor 31a is connected to the gate of the transistor 32a. Note that the conductive layer 133b may be in direct contact with the conductive layer 138 without the conductive layer 136 interposed therebetween. A node where the conductive layer 133b and the conductive layer 138 are connected corresponds to a node FNa (see FIG. 2 and the like).

導電層137、138上には、絶縁層139が設けられ、絶縁層139には開口部が設けられている。そして、絶縁層139の開口部には、導電層133bと接続された導電層140、導電層134aと接続された導電層141が設けられている。また、導電層140は絶縁層139上に設けられた導電層151と接続されており、導電層141は、絶縁層139上に設けられた導電層152と接続されている。 An insulating layer 139 is provided over the conductive layers 137 and 138, and an opening is provided in the insulating layer 139. In the opening portion of the insulating layer 139, a conductive layer 140 connected to the conductive layer 133b and a conductive layer 141 connected to the conductive layer 134a are provided. The conductive layer 140 is connected to a conductive layer 151 provided over the insulating layer 139, and the conductive layer 141 is connected to a conductive layer 152 provided over the insulating layer 139.

導電層151、152上には、絶縁層153が設けられている。また、絶縁層153上には、導電層161が設けられている。 An insulating layer 153 is provided over the conductive layers 151 and 152. In addition, a conductive layer 161 is provided over the insulating layer 153.

導電層151、絶縁層153、導電層161によって、容量素子33aが構成されている。導電層151は容量素子33aの一方の電極としての機能を有し、絶縁層153は容量素子33aの誘電体としての機能を有し、導電層161は容量素子33aの他方の電極としての機能を有する。従って、トランジスタ31aのソースまたはドレインの一方は、導電層140を介して、容量素子33aの一方の電極と接続されている。なお、導電層161は、配線CNODEaとしての機能を有する。または、導電層161は、配線CNODEaと接続されている。 The conductive element 151, the insulating layer 153, and the conductive layer 161 constitute a capacitor element 33 a. The conductive layer 151 functions as one electrode of the capacitor 33a, the insulating layer 153 functions as a dielectric of the capacitor 33a, and the conductive layer 161 functions as the other electrode of the capacitor 33a. Have. Accordingly, one of the source and the drain of the transistor 31a is connected to one electrode of the capacitor 33a through the conductive layer 140. Note that the conductive layer 161 has a function as the wiring CNODEa. Alternatively, the conductive layer 161 is connected to the wiring CNODEa.

導電層161上には、絶縁層162、絶縁層173が設けられ、絶縁層162、絶縁層173には開口部が設けられている。また、絶縁層153にも開口部が設けられている。そして、絶縁層153、絶縁層162、絶縁層173の開口部には、導電層152と接続された導電層163が設けられている。 An insulating layer 162 and an insulating layer 173 are provided over the conductive layer 161, and openings are provided in the insulating layer 162 and the insulating layer 173. The insulating layer 153 is also provided with an opening. A conductive layer 163 connected to the conductive layer 152 is provided in openings of the insulating layer 153, the insulating layer 162, and the insulating layer 173.

なお、絶縁層162上には、導電層171、172が設けられていてもよい。導電層171は、半導体層181と重なる領域を有し、トランジスタ31bのゲート電極としての機能を有する。導電層172は、半導体層182と重なる領域を有し、トランジスタ32bのゲート電極としての機能を有する。このように、トランジスタ31b、32bは、半導体層を間に挟んで存在する一対のゲート電極を有していてもよい。この場合、絶縁層173は、トランジスタ31b、32bのゲート絶縁層としての機能を有する。 Note that conductive layers 171 and 172 may be provided over the insulating layer 162. The conductive layer 171 has a region overlapping with the semiconductor layer 181 and functions as a gate electrode of the transistor 31b. The conductive layer 172 has a region overlapping with the semiconductor layer 182 and functions as a gate electrode of the transistor 32b. As described above, the transistors 31b and 32b may include a pair of gate electrodes that are provided with a semiconductor layer interposed therebetween. In this case, the insulating layer 173 functions as a gate insulating layer of the transistors 31b and 32b.

絶縁層173上には、半導体層181、182と、半導体層181と接する領域を有する導電層183a、183bと、半導体層182と接する領域を有する導電層184a、184bを有する。導電層184aは、導電層163を介して導電層152と接続されている。すなわち、トランジスタ32bのソースまたはドレインの一方は、トランジスタ32aのソースまたはドレインの一方と接続されている。 Over the insulating layer 173, semiconductor layers 181 and 182, conductive layers 183 a and 183 b having regions in contact with the semiconductor layer 181, and conductive layers 184 a and 184 b having regions in contact with the semiconductor layer 182 are provided. The conductive layer 184 a is connected to the conductive layer 152 through the conductive layer 163. That is, one of the source and the drain of the transistor 32b is connected to one of the source and the drain of the transistor 32a.

半導体層181、182、導電層183a、183b、導電層184a、184b上には、絶縁層185が設けられている。絶縁層185は、トランジスタ31b、32bのゲート絶縁層としての機能を有する。また、絶縁層185上には、導電層187、188が設けられている。導電層187は、半導体層181と重なる領域を有し、導電層188は、半導体層182と重なる領域を有する。なお、半導体層181、182は、酸化物半導体層が積層された構成とすることができる。ここでは、半導体層181、182が、積層された3層の酸化物半導体層を有する構成を示す。 An insulating layer 185 is provided over the semiconductor layers 181 and 182, the conductive layers 183a and 183b, and the conductive layers 184a and 184b. The insulating layer 185 functions as a gate insulating layer of the transistors 31b and 32b. In addition, conductive layers 187 and 188 are provided over the insulating layer 185. The conductive layer 187 has a region overlapping with the semiconductor layer 181, and the conductive layer 188 has a region overlapping with the semiconductor layer 182. Note that the semiconductor layers 181 and 182 can have a structure in which oxide semiconductor layers are stacked. Here, a structure in which the semiconductor layers 181 and 182 each include three stacked oxide semiconductor layers is shown.

ここで、導電層183bは、導電層186を介して導電層188と接続されている。すなわち、トランジスタ31bのソースまたはドレインの一方は、トランジスタ32bのゲートと接続されている。なお、導電層183bは、導電層186を介さず、導電層188と直接接していてもよい。導電層183bと導電層188が接続されたノードが、ノードFNb(図2等参照)に対応する。なお、導電層187は、配線WLbとしての機能を有する。または、導電層187は、配線WLbと接続されている。 Here, the conductive layer 183 b is connected to the conductive layer 188 through the conductive layer 186. That is, one of the source and the drain of the transistor 31b is connected to the gate of the transistor 32b. Note that the conductive layer 183b may be in direct contact with the conductive layer 188 without the conductive layer 186 interposed therebetween. A node to which the conductive layer 183b and the conductive layer 188 are connected corresponds to the node FNb (see FIG. 2 and the like). Note that the conductive layer 187 functions as the wiring WLb. Alternatively, the conductive layer 187 is connected to the wiring WLb.

導電層187、188上には、絶縁層189が設けられ、絶縁層189には開口部が設けられている。そして、絶縁層189の開口部には、導電層183aと接続された導電層190、導電層183bと接続された導電層191、導電層184bと接続された導電層192が設けられている。また、導電層190は絶縁層189上に設けられた導電層201と接続されており、導電層191は絶縁層189上に設けられた導電層202と接続されており、導電層192は、絶縁層189上に設けられた導電層203と接続されている。 An insulating layer 189 is provided over the conductive layers 187 and 188, and an opening is provided in the insulating layer 189. In the opening portion of the insulating layer 189, a conductive layer 190 connected to the conductive layer 183a, a conductive layer 191 connected to the conductive layer 183b, and a conductive layer 192 connected to the conductive layer 184b are provided. In addition, the conductive layer 190 is connected to the conductive layer 201 provided over the insulating layer 189, the conductive layer 191 is connected to the conductive layer 202 provided over the insulating layer 189, and the conductive layer 192 is insulated. The conductive layer 203 provided over the layer 189 is connected.

導電層201、202、203上には、絶縁層204が設けられている。また、絶縁層204上には、導電層211が設けられている。 An insulating layer 204 is provided over the conductive layers 201, 202, and 203. In addition, a conductive layer 211 is provided over the insulating layer 204.

導電層202、絶縁層204、導電層211によって、容量素子33bが構成されている。導電層202は容量素子33bの一方の電極としての機能を有し、絶縁層204は容量素子33bの誘電体としての機能を有し、導電層211は容量素子33bの他方の電極としての機能を有する。従って、トランジスタ31bのソースまたはドレインの一方は、導電層191を介して、容量素子33bの一方の電極と接続されている。なお、導電層211は、配線CNODEbとしての機能を有する。または、導電層211は、配線CNODEbと接続されている。 The conductive layer 202, the insulating layer 204, and the conductive layer 211 constitute a capacitor element 33b. The conductive layer 202 functions as one electrode of the capacitor 33b, the insulating layer 204 functions as a dielectric of the capacitor 33b, and the conductive layer 211 functions as the other electrode of the capacitor 33b. Have. Accordingly, one of the source and the drain of the transistor 31b is connected to one electrode of the capacitor 33b through the conductive layer 191. Note that the conductive layer 211 has a function as the wiring CNODEb. Alternatively, the conductive layer 211 is connected to the wiring CNODEb.

導電層211上には、絶縁層212が設けられ、絶縁層212には開口部が設けられている。また、絶縁層204にも開口部が設けられている。そして、絶縁層204、絶縁層212の開口部には、導電層201と接続された導電層205と、導電層203と接続された導電層206が設けられている。 An insulating layer 212 is provided over the conductive layer 211, and an opening is provided in the insulating layer 212. The insulating layer 204 is also provided with an opening. A conductive layer 205 connected to the conductive layer 201 and a conductive layer 206 connected to the conductive layer 203 are provided in openings of the insulating layer 204 and the insulating layer 212.

絶縁層212上には、導電層221、222が設けられている。導電層221は、配線BLbとしての機能を有し、導電層222は、配線SLとしての機能を有する。 Conductive layers 221 and 222 are provided over the insulating layer 212. The conductive layer 221 has a function as the wiring BLb, and the conductive layer 222 has a function as the wiring SL.

導電層221は導電層205と接続され、導電層222は導電層206と接続されている。これにより、導電層221は導電層183aと接続され、導電層222は導電層184bと接続されている。 The conductive layer 221 is connected to the conductive layer 205, and the conductive layer 222 is connected to the conductive layer 206. Thus, the conductive layer 221 is connected to the conductive layer 183a, and the conductive layer 222 is connected to the conductive layer 184b.

以上のように、回路40、回路30a、回路30bを積層することにより、メモリセル20の面積を縮小することができる。 As described above, the area of the memory cell 20 can be reduced by stacking the circuit 40, the circuit 30a, and the circuit 30b.

なお、図8においては、回路40上に2層の回路30(回路30a、30b)を積層した構成を示したが、3層以上の回路30を積層してもよい。これにより、メモリセル20の面積の増加を抑えつつ、図5(C)に示すように3つ以上の回路30をメモリセル20に搭載することができる。従って、メモリセル20に記憶することが可能なデータ量を増加させることができる。 8 shows a configuration in which two layers of circuits 30 (circuits 30a and 30b) are stacked on the circuit 40, three or more layers of circuits 30 may be stacked. Thus, three or more circuits 30 can be mounted on the memory cell 20 as shown in FIG. 5C while suppressing an increase in the area of the memory cell 20. Therefore, the amount of data that can be stored in the memory cell 20 can be increased.

なお、図7、8においては、回路30aと回路30bを異なる層に形成した構成を示したが、回路30aと回路30bが回路40上の同一の層に形成されていてもよい。すなわち、トランジスタ31b、32bがトランジスタ31a、32aと同一の層に形成され、容量素子33bが容量素子33aと同一の層に形成されていてもよい。 7 and 8 show the configuration in which the circuit 30a and the circuit 30b are formed in different layers, the circuit 30a and the circuit 30b may be formed in the same layer on the circuit 40. That is, the transistors 31b and 32b may be formed in the same layer as the transistors 31a and 32a, and the capacitor 33b may be formed in the same layer as the capacitor 33a.

以上のように、メモリセル20に含まれるトランジスタを積層することにより、メモリセル20の面積を縮小することができる。 As described above, the area of the memory cell 20 can be reduced by stacking the transistors included in the memory cell 20.

本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせることができる。 The structures and methods described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures and methods described in the other embodiments.

(実施の形態4)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた記憶装置およびコンピュータについて説明する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, a memory device and a computer including the semiconductor device according to one embodiment of the present invention will be described.

<記憶装置の構成例>
図9は、上記実施の形態で説明した半導体装置10を有する記憶装置の構成例を示すブロック図である。
<Configuration example of storage device>
FIG. 9 is a block diagram illustrating a configuration example of a memory device including the semiconductor device 10 described in the above embodiment.

図9に示す記憶装置300は、上記実施の形態で説明したメモリセル20が複数設けられたメモリセルアレイ310、行選択ドライバ320、列選択ドライバ330、及びA/Dコンバータ340を有する。なお記憶装置300は、n行m列のマトリクス状に設けられたメモリセル20を有する。また、図9では、配線WLa、WLb、配線CNODEa、CNODEb、配線BL、配線SLとして、1行目の配線WLa[1]、WLb[1]、配線CNODEa[1]、CNODEb[1]、2行目の配線WLa[2]、WLb[2]、配線CNODEa[2]、CNODEb[2]、1列目の配線BLa[1]、BLb[1]、2列目の配線BLa[2]、BLb[2]、1列目の配線SL[1]、2列目の配線SL[2]を示している。 A memory device 300 illustrated in FIG. 9 includes a memory cell array 310 provided with a plurality of memory cells 20 described in the above embodiment, a row selection driver 320, a column selection driver 330, and an A / D converter 340. Note that the memory device 300 includes memory cells 20 provided in a matrix of n rows and m columns. In FIG. 9, as the wirings WLa and WLb, the wirings CNODEa and CNODEb, the wiring BL, and the wiring SL, the wirings WLa [1] and WLb [1] in the first row, the wirings CNODEa [1], CNODEb [1], and 2 Lines WLa [2], WLb [2], lines CNODEa [2], CNODEb [2], lines BLa [1], BLb [1] in the first column, lines BLa [2] in the second column, BLb [2], the first row wiring SL [1], and the second row wiring SL [2] are shown.

図9に示すメモリセルアレイ310は、上記実施の形態で説明したメモリセル20が、マトリクス状に設けられている。なお、メモリセル20が有する各構成の説明は、図2と同様であり、図2での説明を援用するものとして説明を省略する。 A memory cell array 310 illustrated in FIG. 9 includes the memory cells 20 described in the above embodiment in a matrix. In addition, description of each structure which the memory cell 20 has is the same as that of FIG. 2, and description is abbreviate | omitted as what uses description in FIG.

行選択ドライバ320は、各行におけるメモリセル20のトランジスタ31を選択的に導通状態とする機能、及び各行におけるメモリセル20のノードFNの電位を選択的に変化させる機能、を備えた駆動回路である。具体的には、配線WLa、WLbに選択信号を与え、配線CNODEa、CNODEbに読み出し信号を与える回路である。行選択ドライバ320を備えることで、記憶装置300は、メモリセル20へのデータの書き込み及び読み出しを行毎に選択して行うことができる。 The row selection driver 320 is a drive circuit having a function of selectively turning on the transistors 31 of the memory cells 20 in each row and a function of selectively changing the potential of the node FN of the memory cells 20 in each row. . Specifically, it is a circuit that applies selection signals to the wirings WLa and WLb and applies read signals to the wirings CNODEa and CNODEb. With the row selection driver 320, the storage device 300 can select and write data to and from the memory cell 20 for each row.

列選択ドライバ330は、各列におけるメモリセル20のノードFNに選択的にデータを書き込む機能、配線BLの電位をプリチャージする機能、配線BLの電位を初期化する機能、配線BLを電気的に浮遊状態とする機能などを備えた駆動回路である。具体的には、配線BLに多値のデータに対応する書き込み電位、プリチャージ電圧Vprecharge、初期化電圧Vinitialなどを、スイッチを介して与える機能を備えた回路である。列選択ドライバ330を備えることで、記憶装置300は、メモリセル20へのデータの書き込み及び読み出しを列毎に選択して行うことができる。なお、列選択ドライバ330は上記の機能を全て備えている必要はなく、メモリセル20の動作に合わせて適宜省略することができる。 The column selection driver 330 has a function of selectively writing data to the node FN of the memory cell 20 in each column, a function of precharging the potential of the wiring BL, a function of initializing the potential of the wiring BL, and electrically connecting the wiring BL. This is a drive circuit having a function of bringing it into a floating state. Specifically, this is a circuit having a function of supplying a write potential corresponding to multi-value data, a precharge voltage V precharge , an initialization voltage V initial, and the like to the wiring BL through a switch. By including the column selection driver 330, the storage device 300 can select and write data to and from the memory cell 20 for each column. Note that the column selection driver 330 does not have to have all the above functions, and can be omitted as appropriate in accordance with the operation of the memory cell 20.

A/Dコンバータ340は、アナログ値である配線BLの電位を、デジタル値に変換して外部に出力する機能を備えた回路である。具体的には、フラッシュ型のA/Dコンバータを有する回路である。A/Dコンバータ340を備えることで、記憶装置300は、メモリセル20より読み出されたデータに対応する配線SLの電位を外部に出力することができる。 The A / D converter 340 is a circuit having a function of converting the potential of the wiring BL, which is an analog value, into a digital value and outputting the digital value to the outside. Specifically, it is a circuit having a flash A / D converter. By including the A / D converter 340, the memory device 300 can output the potential of the wiring SL corresponding to the data read from the memory cell 20 to the outside.

なおA/Dコンバータ340は、フラッシュ型のA/Dコンバータとして説明を行うが、逐次比較型、マルチスロープ型、デルタシグマ型のA/Dコンバータを用いてもよい。 Although the A / D converter 340 is described as a flash A / D converter, a successive approximation type, a multi-slope type, or a delta sigma type A / D converter may be used.

[行選択ドライバの構成例]
図10は、図9で説明した行選択ドライバ320の構成例を示すブロック図である。
[Configuration example of row selection driver]
FIG. 10 is a block diagram illustrating a configuration example of the row selection driver 320 described in FIG.

図10に示す行選択ドライバ320は、デコーダ321、及び制御回路322を有する。制御回路322は、配線WLa、WLb、配線CNODEa、CNODEbの行毎に設けられる。また各行の制御回路322は、配線WLa及び配線CNODEa、又は、配線WLb及び配線CNODEbに接続される。 A row selection driver 320 illustrated in FIG. 10 includes a decoder 321 and a control circuit 322. The control circuit 322 is provided for each row of the wirings WLa and WLb and the wirings CNODEa and CNODEb. The control circuit 322 in each row is connected to the wiring WLa and the wiring CNODEa, or the wiring WLb and the wiring CNODEb.

デコーダ321は、配線WLa、WLb、配線CNODEa、CNODEbが設けられる行を選択するための信号を出力する機能を備えた回路である。具体的には、アドレス信号Addressが入力され、該アドレス信号Addressに従って所定の行の制御回路322を選択する回路である。デコーダ321を備えることで、行選択ドライバ320は、任意の行を選択して、データの書き込み又は読み出しを行うことができる。なお、デコーダ321は、複数の制御回路322のうちいずれか1つを選択する機能を有していてもよいし、2つ以上を選択する機能を有していてもよい。 The decoder 321 is a circuit having a function of outputting a signal for selecting a row in which the wirings WLa and WLb and the wirings CNODEa and CNODEb are provided. Specifically, this is a circuit that receives an address signal Address and selects a control circuit 322 in a predetermined row in accordance with the address signal Address. By including the decoder 321, the row selection driver 320 can select an arbitrary row and write or read data. Note that the decoder 321 may have a function of selecting any one of the plurality of control circuits 322, or may have a function of selecting two or more.

制御回路322は、デコーダ321で選択された配線WLa、WLb、配線CNODEa、CNODEbを有する行の、選択信号を出力する機能及び読み出し信号を選択的に出力する機能、を備えた回路である。具体的に、制御回路322は、書き込み制御信号Write_CONT及び読み出し制御信号Read_CONTが入力され、該信号に従って選択信号又は読み出し信号を選択的に出力する回路である。制御回路322を備えることで、行選択ドライバ320は、デコーダ321で選択された行での、選択信号又は読み出し信号を選択して出力することができる。 The control circuit 322 is a circuit having a function of outputting a selection signal and a function of selectively outputting a read signal of a row having the wirings WLa and WLb and the wirings CNODEa and CNODEb selected by the decoder 321. Specifically, the control circuit 322 is a circuit that receives a write control signal Write_CONT and a read control signal Read_CONT and selectively outputs a selection signal or a read signal in accordance with the signals. By providing the control circuit 322, the row selection driver 320 can select and output a selection signal or a read signal in the row selected by the decoder 321.

[列選択ドライバの構成例]
図11は、図9で説明した列選択ドライバ330の構成例を示すブロック図である。
[Example of column selection driver configuration]
FIG. 11 is a block diagram illustrating a configuration example of the column selection driver 330 described in FIG.

図11に示す列選択ドライバ330は、デコーダ331、ラッチ回路332、D/Aコンバータ333、スイッチ回路334、トランジスタ335、及びトランジスタ336を有する。ラッチ回路332、D/Aコンバータ333、スイッチ回路334、トランジスタ335、及びトランジスタ336は、列毎に設けられる。また、各列のスイッチ回路334、トランジスタ335は、配線BLに接続される。また、トランジスタ336は、配線SLに接続される。 The column selection driver 330 illustrated in FIG. 11 includes a decoder 331, a latch circuit 332, a D / A converter 333, a switch circuit 334, a transistor 335, and a transistor 336. The latch circuit 332, the D / A converter 333, the switch circuit 334, the transistor 335, and the transistor 336 are provided for each column. In addition, the switch circuit 334 and the transistor 335 in each column are connected to the wiring BL. In addition, the transistor 336 is connected to the wiring SL.

デコーダ331は、配線BLが設けられる列を選択し、入力されるデータを振り分けて出力する機能を備えた回路である。具体的には、アドレス信号Address及びデータDataが入力され、該アドレス信号Addressに従っていずれかの行のラッチ回路332にデータDataを出力する回路である。デコーダ331を備えることで、列選択ドライバ330は、任意の列を選択して、データの書き込みを行うことができる。 The decoder 331 is a circuit having a function of selecting a column in which the wiring BL is provided, and sorting and outputting input data. Specifically, the address signal Address and the data Data are input, and the data Data is output to the latch circuit 332 in any row in accordance with the address signal Address. By providing the decoder 331, the column selection driver 330 can select an arbitrary column and write data.

なおデコーダ331に入力されるデータDataは、aビットのデジタルデータである。aビットのデジタルデータは、ビット毎に1又は0の2値のデータで表される信号である。例えば、2ビットのデジタルデータであれば、00、01、10、11で表されるデータである。 The data Data input to the decoder 331 is a-bit digital data. The a-bit digital data is a signal represented by binary data of 1 or 0 for each bit. For example, in the case of 2-bit digital data, the data is represented by 00, 01, 10, and 11.

ラッチ回路332は、入力されるデータDataを一時的に記憶する機能を備えた回路である。具体的には、ラッチ信号W_LATが入力され、該ラッチ信号W_LATに従って記憶したデータDataをD/Aコンバータ333に出力するフリップフロップ回路である。ラッチ回路332を備えることで、列選択ドライバ330は、任意のタイミングでデータの書き込みを行うことができる。 The latch circuit 332 is a circuit having a function of temporarily storing input data Data. Specifically, it is a flip-flop circuit that receives a latch signal W_LAT and outputs data Data stored in accordance with the latch signal W_LAT to the D / A converter 333. With the latch circuit 332, the column selection driver 330 can write data at an arbitrary timing.

D/Aコンバータ333は、入力されるデジタル値のデータDataを、アナログ値のデータVdataに変換する機能を備えた回路である。具体的に、D/Aコンバータ333は、データDataのビット数が4ビットであれば、複数の電位V0乃至V15の16段階の電位のいずれかに変換してスイッチ回路334に出力する回路である。D/Aコンバータ333を備えることで、列選択ドライバ330は、メモリセル20に書き込むデータを、多値のデータに対応する電位とすることができる。 The D / A converter 333 is a circuit having a function of converting input digital value data Data into analog value data V data . Specifically, if the number of bits of data Data is 4, the D / A converter 333 is a circuit that converts the data into any one of a plurality of potentials V0 to V15 and outputs it to the switch circuit 334. . By providing the D / A converter 333, the column selection driver 330 can set the data written to the memory cell 20 to a potential corresponding to multi-value data.

なおD/Aコンバータ333から出力されるVdataは、異なる電圧値で表されるデータである。例えば、2ビットのデータの場合、0.5V、1.0V、1.5V、2.0Vの4値のデータとなり、いずれかの電圧値で表されるデータということができる。 Note that V data output from the D / A converter 333 is data represented by different voltage values. For example, in the case of 2-bit data, it becomes four-value data of 0.5 V, 1.0 V, 1.5 V, and 2.0 V, and can be said to be data represented by any voltage value.

スイッチ回路334は、入力されるデータVdataを配線BLに与える機能、及び配線BLを電気的に浮遊状態とする機能を備えた回路である。具体的には、アナログスイッチとインバータを備え、スイッチ制御信号Write_SWによる制御により、データVdataを配線BLに与え、その後アナログスイッチをオフにすることで配線BLを電気的に浮遊状態とする回路である。スイッチ回路334を備えることで、列選択ドライバ330は、データVdataを配線BLに与えた後、配線BLを電気的に浮遊状態に保持することができる。 The switch circuit 334 is a circuit having a function of supplying input data V data to the wiring BL and a function of electrically floating the wiring BL. Specifically, this is a circuit that includes an analog switch and an inverter and applies the data V data to the wiring BL under control by the switch control signal Write_SW, and then turns off the analog switch so that the wiring BL is in an electrically floating state. is there. With the switch circuit 334, the column selection driver 330 can hold the wiring BL in an electrically floating state after supplying the data V data to the wiring BL.

トランジスタ335は、初期化電圧Vinitialを配線BLに与える機能、及び配線BLを電気的に浮遊状態とする機能を備えた回路である。具体的には、初期化制御信号Init_ENによる制御で初期化電圧Vinitialを配線BLに与え、その後配線BLを電気的に浮遊状態とするスイッチである。トランジスタ335を備えることで、列選択ドライバ330は、初期化電圧Vinitialを配線BLに与えた後、配線BLを電気的に浮遊状態に保持することができる。 The transistor 335 is a circuit having a function of applying the initialization voltage V initial to the wiring BL and a function of electrically floating the wiring BL. Specifically, the switch is a switch that applies the initialization voltage V initial to the wiring BL under the control of the initialization control signal Init_EN, and then causes the wiring BL to be in an electrically floating state. With the transistor 335, the column selection driver 330 can hold the wiring BL in an electrically floating state after applying the initialization voltage V initial to the wiring BL.

トランジスタ336は、プリチャージ電圧Vprechargeを配線SLに与える機能、及び配線SLを電気的に浮遊状態とする機能を備えた回路である。具体的には、プリチャージ制御信号Pre_ENによる制御でプリチャージ電圧Vprechargeを配線SLに与え、その後配線SLを電気的に浮遊状態とするスイッチである。トランジスタ336を備えることで、列選択ドライバ330は、プリチャージ電圧Vprechargeを配線SLに与えた後、配線SLを電気的に浮遊状態に保持することができる。 The transistor 336 is a circuit having a function of applying the precharge voltage V precharge to the wiring SL and a function of electrically floating the wiring SL. Specifically, the switch is a switch that applies the precharge voltage V precharge to the wiring SL under the control of the precharge control signal Pre_EN, and then causes the wiring SL to be in an electrically floating state. By including the transistor 336, the column selection driver 330 can hold the wiring SL in an electrically floating state after applying the precharge voltage V precharge to the wiring SL.

[A/Dコンバータの構成例]
図12は、図9で説明したA/Dコンバータ340の構成例を示すブロック図である。
[Configuration example of A / D converter]
FIG. 12 is a block diagram illustrating a configuration example of the A / D converter 340 described with reference to FIG.

図12に示すA/Dコンバータ340は、コンパレータ341、エンコーダ342、ラッチ回路343、及びバッファ344を有する。コンパレータ341、エンコーダ342、ラッチ回路343、及びバッファ344は、列毎に設けられる。また各列のバッファ344は、データDoutを出力する。 An A / D converter 340 illustrated in FIG. 12 includes a comparator 341, an encoder 342, a latch circuit 343, and a buffer 344. The comparator 341, the encoder 342, the latch circuit 343, and the buffer 344 are provided for each column. The buffer 344 in each column outputs data Dout.

コンパレータ341は、配線SLの電位と、参照電圧Vref0乃至Vref14との電位の高低を比較し、配線SLの電位が多値のデータのいずれかに応じた電位であるかを判定する機能を備えた回路である。具体的には、複数のコンパレータ341を備え、それぞれのコンパレータ341に配線SLの電位と、異なる参照電圧Vref0乃至Vref14とが与えられ、配線SLの電位がいずれかの電位の間にあるかを判定する回路である。コンパレータ341を備えることで、A/Dコンバータ340は、配線SLの電位が、多値のデータのいずれかに対応する電位かを判定することができる。 The comparator 341 has a function of comparing the potential of the wiring SL and the potentials of the reference voltages Vref0 to Vref14 and determining whether the potential of the wiring SL is a potential corresponding to any of multi-value data. Circuit. Specifically, a plurality of comparators 341 are provided, and each of the comparators 341 is supplied with a potential of the wiring SL and different reference voltages Vref0 to Vref14 to determine whether the potential of the wiring SL is between any potentials. Circuit. By including the comparator 341, the A / D converter 340 can determine whether the potential of the wiring SL corresponds to any of multi-value data.

なお、一例として図12で示す参照電圧Vref0乃至Vref14は、多値のデータが4ビット、すなわち16値のデータである場合に与えられる電位である。 As an example, the reference voltages Vref0 to Vref14 shown in FIG. 12 are potentials applied when multi-value data is 4-bit, that is, 16-value data.

エンコーダ342は、コンパレータ341から出力される配線SLの電位を判定する信号をもとに、多ビットのデジタル信号を生成する機能を備えた回路である。具体的には、複数のコンパレータ341より出力されるハイレベル又はローレベルの信号をもとに符号化を行い、デジタル信号を生成する回路である。エンコーダ342を備えることで、A/Dコンバータ340は、メモリセル20から読み出されたデータをデジタル値のデータとすることができる。 The encoder 342 is a circuit having a function of generating a multi-bit digital signal based on a signal for determining the potential of the wiring SL output from the comparator 341. Specifically, it is a circuit that performs encoding based on high-level or low-level signals output from a plurality of comparators 341 to generate a digital signal. By providing the encoder 342, the A / D converter 340 can convert the data read from the memory cell 20 into digital value data.

ラッチ回路343は、入力されるデジタル値のデータを一時的に記憶する機能を備えた回路である。具体的には、ラッチ信号LATが入力され、該ラッチ信号LATに従って記憶したデータをバッファ344に出力するフリップフロップ回路である。ラッチ回路343を備えることで、A/Dコンバータ340は、任意のタイミングでデータの出力を行うことができる。なおラッチ回路343は、省略することができる。 The latch circuit 343 is a circuit having a function of temporarily storing input digital value data. Specifically, it is a flip-flop circuit that receives a latch signal LAT and outputs data stored in accordance with the latch signal LAT to a buffer 344. By including the latch circuit 343, the A / D converter 340 can output data at an arbitrary timing. Note that the latch circuit 343 can be omitted.

バッファ344は、ラッチ回路343より出力されたデータを増幅して出力信号Doutとして出力する機能を備えた回路である。具体的には、インバータ回路を偶数段備えた回路である。バッファ344を備えることで、A/Dコンバータ340は、デジタル信号に対するノイズを低減することができる。なおバッファ344は、省略することができる。
<コンピュータの構成例>
図13は、上記の記憶装置を有するコンピュータの構成例を示すブロック図である。
The buffer 344 is a circuit having a function of amplifying the data output from the latch circuit 343 and outputting it as an output signal Dout. Specifically, the circuit includes an even number of inverter circuits. By including the buffer 344, the A / D converter 340 can reduce noise with respect to the digital signal. Note that the buffer 344 can be omitted.
<Computer configuration example>
FIG. 13 is a block diagram illustrating a configuration example of a computer having the above storage device.

コンピュータ400は、入力装置410、出力装置420、中央演算処理装置430、記憶装置(メインメモリ)440を有する。 The computer 400 includes an input device 410, an output device 420, a central processing unit 430, and a storage device (main memory) 440.

中央演算処理装置430は、制御回路431、演算回路432、記憶回路(レジスタ)433及び記憶回路(キャッシュメモリ)434を有する。 The central processing unit 430 includes a control circuit 431, an arithmetic circuit 432, a storage circuit (register) 433, and a storage circuit (cache memory) 434.

入力装置410はコンピュータ400に外部からデータを入力する機能を有する。 The input device 410 has a function of inputting data to the computer 400 from the outside.

出力装置420はコンピュータ400から外部にデータを出力する機能を有する。 The output device 420 has a function of outputting data from the computer 400 to the outside.

制御回路431は、入力装置410、出力装置420、記憶装置(メインメモリ)440に、それらの装置を制御するための制御信号を出力する機能を有する。 The control circuit 431 has a function of outputting a control signal for controlling these devices to the input device 410, the output device 420, and the storage device (main memory) 440.

演算回路432は、入力されたデータに対する演算を行う機能を有する。 The arithmetic circuit 432 has a function of performing arithmetic on input data.

記憶装置(レジスタ)433は、演算回路432が計算等に用いるデータを保持するために用いられる。 The storage device (register) 433 is used to hold data used by the arithmetic circuit 432 for calculation or the like.

記憶装置(キャッシュメモリ)434は記憶装置(メインメモリ)440内の頻繁に使う情報をコピーするために用いられる。 The storage device (cache memory) 434 is used for copying frequently used information in the storage device (main memory) 440.

記憶装置(キャッシュメモリ)434は、記憶装置(メインメモリ)440よりも高速アクセスが可能であるため、中央演算処理装置430の処理速度が向上する。なお、メインメモリの容量はキャッシュメモリの容量よりも大きく、キャッシュメモリの容量はレジスタの容量よりも大きい。また、キャッシュメモリ及びレジスタの動作は、メインメモリの動作より高速である。図9における記憶装置300は、記憶回路(レジスタ)433、記憶回路(キャッシュメモリ)434、又は記憶装置(メインメモリ)440のいずれかに用いることができる。 Since the storage device (cache memory) 434 can be accessed faster than the storage device (main memory) 440, the processing speed of the central processing unit 430 is improved. Note that the capacity of the main memory is larger than the capacity of the cache memory, and the capacity of the cache memory is larger than the capacity of the register. In addition, the cache memory and the register operate faster than the main memory. The storage device 300 in FIG. 9 can be used for any of the storage circuit (register) 433, the storage circuit (cache memory) 434, and the storage device (main memory) 440.

本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせることができる。 The structures and methods described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures and methods described in the other embodiments.

(実施の形態5)
本実施の形態では、本発明の一態様に用いることができるOSトランジスタの構成例について説明する。
(Embodiment 5)
In this embodiment, structural examples of OS transistors that can be used for one embodiment of the present invention will be described.

<構成例1>
図14にOSトランジスタの構成の一例を示す。図14(A)はOSトランジスタの構成の一例を示す上面図である。図14(B)は、y1−y2線断面図であり、図14(C)はx1−x2線断面図であり、図14(D)はx3−x4線断面図である。ここでは、y1−y2線の方向をチャネル長方向と、x1−x2線方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。よって、図14(B)は、OSトランジスタのチャネル長方向の断面構造を示す図であり、図14(C)および図14(D)は、OSトランジスタのチャネル幅方向の断面構造を示す図である。なお、デバイス構造を明確にするため、図14(A)では、一部の構成要素が省略されている。
<Configuration example 1>
FIG. 14 shows an example of the structure of the OS transistor. FIG. 14A is a top view illustrating an example of a structure of the OS transistor. 14B is a cross-sectional view taken along the line y1-y2, FIG. 14C is a cross-sectional view taken along the line x1-x2, and FIG. 14D is a cross-sectional view taken along the line x3-x4. Here, the y1-y2 line direction may be referred to as a channel length direction, and the x1-x2 line direction may be referred to as a channel width direction. 14B is a diagram illustrating a cross-sectional structure of the OS transistor in the channel length direction, and FIGS. 14C and 14D are diagrams illustrating a cross-sectional structure of the OS transistor in the channel width direction. is there. Note that some components are omitted in FIG. 14A in order to clarify the device structure.

OSトランジスタであるトランジスタ581は絶縁表面に形成される。ここでは、絶縁層511上に形成されている。絶縁層511は基板510表面に形成されている。トランジスタ581は絶縁層516に覆われている。なお、絶縁層516をトランジスタ581の構成要素とみなすこともできる。トランジスタ581は、絶縁層512、絶縁層513、絶縁層514、絶縁層515、半導体層521乃至523、導電層530、導電層531、導電層532および導電層533を有する。ここでは、半導体層521乃至523をまとめて、半導体領域520と呼称する。 A transistor 581 which is an OS transistor is formed over an insulating surface. Here, the insulating layer 511 is formed. The insulating layer 511 is formed on the surface of the substrate 510. The transistor 581 is covered with an insulating layer 516. Note that the insulating layer 516 can also be regarded as a component of the transistor 581. The transistor 581 includes an insulating layer 512, an insulating layer 513, an insulating layer 514, an insulating layer 515, semiconductor layers 521 to 523, a conductive layer 530, a conductive layer 531, a conductive layer 532, and a conductive layer 533. Here, the semiconductor layers 521 to 523 are collectively referred to as a semiconductor region 520.

導電層530はゲート電極として機能し、導電層533はバックゲート電極として機能する。導電層531、532は、それぞれ、ソース電極またはドレイン電極として機能する。絶縁層511は、基板510と導電層533を電気的に分離させる機能を有する。絶縁層515はゲート絶縁層を構成し、絶縁層513、514はバックチャネル側のゲート絶縁層を構成する。 The conductive layer 530 functions as a gate electrode, and the conductive layer 533 functions as a back gate electrode. The conductive layers 531 and 532 function as a source electrode or a drain electrode, respectively. The insulating layer 511 has a function of electrically separating the substrate 510 and the conductive layer 533. The insulating layer 515 constitutes a gate insulating layer, and the insulating layers 513 and 514 constitute a gate insulating layer on the back channel side.

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、本明細書等では、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 and the like, 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 large. 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。したがって、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.

そこで、本明細書では、トランジスタの上面図において、半導体とゲート電極とが重なる領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さである見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅(SCW:Surrounded Channel Width)」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面TEM像などを取得して、その画像を解析することなどによって、値を決定することができる。 Therefore, in this specification, in the top view of a transistor, an apparent channel width which is a length of a portion where a source and a drain face each other in a region where a semiconductor and a gate electrode overlap with each other is referred to as an “enclosed channel width (SCW : Surrounded Channel Width) ”. In this specification, in the case where the term “channel width” is simply used, it may denote an enclosed channel width or an apparent channel width. Alternatively, in this specification, in the case where the term “channel width” is simply used, it may denote an effective channel width. Note that the channel length, channel width, effective channel width, apparent channel width, enclosed channel width, and the like can be determined by obtaining a cross-sectional TEM image and analyzing the image. it can.

なお、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求める場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。 Note that in the case where the field-effect mobility of a transistor, the current value per channel width, and the like are calculated and calculated, the calculation may be performed using the enclosed channel width. In that case, the value may be different from that calculated using the effective channel width.

図14(B)、図14(C)に示すように、半導体領域520は、半導体層521、半導体層522、半導体層523の順に積層している部分を有する。絶縁層515はこの積層部分を覆っている。導電層530は絶縁層513を介して積層部分と重なる。導電層531および導電層532は、半導体層521および半導体層523とでなる積層上に設けられており、それぞれ、この積層の上面と、同チャネル長方向の側面とに接している。半導体層521、522および導電層531、532の積層は、同じマスクを用いたエッチング工程を経ることで形成されている。 As shown in FIGS. 14B and 14C, the semiconductor region 520 includes a portion in which a semiconductor layer 521, a semiconductor layer 522, and a semiconductor layer 523 are stacked in this order. An insulating layer 515 covers this stacked portion. The conductive layer 530 overlaps with the stacked portion with the insulating layer 513 provided therebetween. The conductive layer 531 and the conductive layer 532 are provided over a stack including the semiconductor layer 521 and the semiconductor layer 523, and are in contact with the upper surface of the stack and the side surface in the channel length direction. The stacked layers of the semiconductor layers 521 and 522 and the conductive layers 531 and 532 are formed through an etching process using the same mask.

半導体層523は、半導体層521、522、および導電層531、532を覆うように形成されている。絶縁層515は半導体層523を覆っている。ここでは、半導体層523と絶縁層515は同じマスクを用いてエッチングされている。 The semiconductor layer 523 is formed so as to cover the semiconductor layers 521 and 522 and the conductive layers 531 and 532. The insulating layer 515 covers the semiconductor layer 523. Here, the semiconductor layer 523 and the insulating layer 515 are etched using the same mask.

絶縁層515を介して、半導体層521乃至523の積層部分のチャネル幅方向を取り囲むように、導電層530が形成されている(図14(C)参照)。このため、この積層部分には、垂直方向からのゲート電界と、側面方向からのゲート電界も印加される。トランジスタ581において、ゲート電界とは、導電層530(ゲート電極層)に印加される電圧により形成される電界のことをいう。ゲート電界によって、半導体層521乃至523の積層部分全体を電気的に取り囲むことができるので、半導体層522の全体に(バルク)にチャネルが形成される場合がある。そのため、トランジスタ581は高いオン電流を有することができる。また、s−channel構造をとることで、トランジスタ581の高周波特性を向上することができる。具体的には、遮断周波数を向上ることができる。 A conductive layer 530 is formed so as to surround the channel width direction of the stacked portion of the semiconductor layers 521 to 523 with the insulating layer 515 provided therebetween (see FIG. 14C). For this reason, a gate electric field from the vertical direction and a gate electric field from the side surface direction are also applied to the stacked portion. In the transistor 581, a gate electric field refers to an electric field formed by voltage applied to the conductive layer 530 (gate electrode layer). Since the entire stacked portion of the semiconductor layers 521 to 523 can be electrically surrounded by the gate electric field, a channel may be formed (bulk) in the entire semiconductor layer 522. Therefore, the transistor 581 can have a high on-state current. In addition, with the s-channel structure, the high-frequency characteristics of the transistor 581 can be improved. Specifically, the cutoff frequency can be improved.

s−channel構造は、高いオン電流が得られるため、LSI(Large Scale Integration)など微細化されたトランジスタが要求される半導体装置に適した構造といえる。s−channel構造は、高いオン電流が得られるため、高周波での動作が要求されるトランジスタに適した構造といえる。該トランジスタを有する半導体装置は、高周波で動作可能な半導体装置とすることが可能となる。 The s-channel structure can be said to be a structure suitable for a semiconductor device that requires a miniaturized transistor such as an LSI (Large Scale Integration) because a high on-state current can be obtained. The s-channel structure can be said to be a structure suitable for a transistor that requires high-frequency operation because a high on-state current can be obtained. The semiconductor device including the transistor can be a semiconductor device that can operate at high frequency.

OSトランジスタの微細化によって、集積度が高い、または小型な半導体装置を提供することが可能となる。例えば、OSトランジスタは、チャネル長が好ましくは10nm以上、1μm未満、さらに好ましくは10nm以上、100nm未満、さらに好ましくは10nm以上、70nm未満、さらに好ましくは10nm以上、60nm未満、さらに好ましくは10nm以上、30nm未満の領域を有する。例えば、トランジスタは、チャネル幅が好ましくは10nm以上、1μm未満、さらに好ましくは10nm以上、100nm未満、さらに好ましくは10nm以上、70nm未満、さらに好ましくは10nm以上、60nm未満、さらに好ましくは10nm以上、30nm未満の領域を有する。 By miniaturization of the OS transistor, a highly integrated or small semiconductor device can be provided. For example, the OS transistor preferably has a channel length of 10 nm or more and less than 1 μm, more preferably 10 nm or more and less than 100 nm, more preferably 10 nm or more and less than 70 nm, more preferably 10 nm or more, less than 60 nm, more preferably 10 nm or more, It has a region less than 30 nm. For example, the transistor preferably has a channel width of 10 nm or more and less than 1 μm, more preferably 10 nm or more and less than 100 nm, more preferably 10 nm or more and less than 70 nm, more preferably 10 nm or more and less than 60 nm, more preferably 10 nm or more and 30 nm. With less than.

なお、In−Ga−Zn酸化物などの酸化物半導体は、シリコンと比較して熱伝導が低い。そのため、半導体層522に酸化物半導体を用いると、特に半導体層522のチャネル形成領域のドレイン側の端部などにおいて、発熱が生じやすい。しかしながら、図14(B)に示すトランジスタ581は、導電層531、532が導電層530と重なる領域を有するため、導電層531、532が半導体層522のチャネル形成領域の近傍に配置される。従って、半導体層522のチャネル形成領域で発生した熱が導電層531、532に伝導する。すなわち、導電層531、532を用いてチャネル形成領域の放熱を行うことができる。 Note that an oxide semiconductor such as an In—Ga—Zn oxide has lower thermal conductivity than silicon. Therefore, when an oxide semiconductor is used for the semiconductor layer 522, heat is likely to be generated particularly in an end portion on the drain side of the channel formation region of the semiconductor layer 522 or the like. However, since the transistor 581 illustrated in FIG. 14B includes a region where the conductive layers 531 and 532 overlap with the conductive layer 530, the conductive layers 531 and 532 are provided in the vicinity of the channel formation region of the semiconductor layer 522. Accordingly, heat generated in the channel formation region of the semiconductor layer 522 is conducted to the conductive layers 531 and 532. In other words, the channel formation region can be radiated using the conductive layers 531 and 532.

次に、図14に示す各層の詳細を説明する。 Next, details of each layer shown in FIG. 14 will be described.

[基板]
基板510としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板は、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板(イットリア安定化ジルコニア基板など)、樹脂基板などである。また、半導体基板は、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、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、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などである。半導体基板は、バルク型でよいし、半導体基板に絶縁領域を介して半導体層が設けられているSOI(Silicon On Insulator)型でもよい。導電体基板は、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などである。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などである。または、上掲された基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子は、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などである。
[substrate]
As the substrate 510, for example, an insulator substrate, a semiconductor substrate, or a conductor substrate may be used. Examples of the insulator substrate include a glass substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, a stabilized zirconia substrate (such as a yttria stabilized zirconia substrate), and a resin substrate. The semiconductor substrate is, for example, a single semiconductor substrate such as silicon or germanium, or a compound semiconductor substrate made of silicon carbide, silicon germanium, gallium arsenide, indium phosphide, zinc oxide, or gallium oxide. The semiconductor substrate may be a bulk type, or an SOI (Silicon On Insulator) type in which a semiconductor layer is provided on the semiconductor substrate through an insulating region. The conductor substrate is a graphite substrate, a metal substrate, an alloy substrate, a conductive resin substrate, or the like. Alternatively, there are a substrate having a metal nitride, a substrate having a metal oxide, and the like. Further, a substrate in which an insulator or a semiconductor is provided on an insulator substrate, a substrate in which a conductor or an insulator is provided on a semiconductor substrate, a substrate in which a semiconductor or an insulator is provided on a conductor substrate, or the like. Alternatively, a substrate provided with an element may be used. Elements provided on the substrate are a capacitor element, a resistor element, a switch element, a light emitting element, a memory element, and the like.

基板510は可撓性基板でもよい。可撓性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可撓性の基板(例えば、半導体基板)上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可撓性基板である基板510に転置する方法もある。その場合には、非可撓性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。なお、基板510として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。また、基板510が伸縮性を有してもよい。また、基板510は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板510の厚さは、例えば、5μm以上700μm以下、好ましくは10μm以上500μm以下、さらに好ましくは15μm以上300μm以下とする。基板510を薄くすると、半導体装置を軽量化することができる。また、基板510を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板510上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。 The substrate 510 may be a flexible substrate. As a method for providing a transistor over a flexible substrate, a transistor is manufactured over a non-flexible substrate (for example, a semiconductor substrate), and then the transistor is peeled and transferred to the substrate 510 which is a flexible substrate. There is also. In that case, a separation layer is preferably provided between the non-flexible substrate and the transistor. Note that a sheet woven with fibers, a film, a foil, or the like may be used as the substrate 510. Further, the substrate 510 may have elasticity. Further, the substrate 510 may have a property of returning to its original shape when bending or pulling is stopped. Or you may have a property which does not return to an original shape. The thickness of the substrate 510 is, for example, 5 μm to 700 μm, preferably 10 μm to 500 μm, and more preferably 15 μm to 300 μm. When the substrate 510 is thinned, the weight of the semiconductor device can be reduced. Further, by reducing the thickness of the substrate 510, it may be stretchable even when glass or the like is used, or may have a property of returning to its original shape when bending or pulling is stopped. Therefore, an impact applied to the semiconductor device on the substrate 510 due to a drop or the like can be reduced. That is, a durable semiconductor device can be provided.

可撓性基板である基板510は、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などである。可撓性基板は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可撓性基板には、例えば、線膨張率が1×10−3/K以下、5×10−5/K以下、または1×10−5/K以下である材質を用いるとよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド(ナイロン、アラミドなど)、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリル、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため可撓性基板の材料として好適である。 The substrate 510 which is a flexible substrate is, for example, a metal, an alloy, a resin or glass, or a fiber thereof. The flexible substrate is preferably as the linear expansion coefficient is lower because deformation due to the environment is suppressed. For example, a material having a linear expansion coefficient of 1 × 10 −3 / K or less, 5 × 10 −5 / K or less, or 1 × 10 −5 / K or less may be used for the flexible substrate. Examples of the resin include polyester, polyolefin, polyamide (such as nylon and aramid), polyimide, polycarbonate, acrylic, and polytetrafluoroethylene (PTFE). In particular, aramid is suitable as a flexible substrate material because of its low linear expansion coefficient.

[絶縁層]
絶縁層511乃至516は、単層構造または積層構造の絶縁層で形成される。絶縁層を構成する材料には、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、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、酸化タンタルなどがある。
[Insulation layer]
The insulating layers 511 to 516 are formed of an insulating layer having a single layer structure or a stacked structure. Examples of the material constituting the insulating layer include aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, and oxide. There are hafnium and tantalum oxide.

なお、本明細書において、酸化窒化物とは、窒素よりも酸素の含有量が多い化合物をいい、窒化酸化物とは、酸素よりも窒素の含有量が多い化合物をいう。本明細書等において、絶縁材料に用いられる酸化物には、窒素濃度が1atomic%未満のものも含まれる。 Note that in this specification, an oxynitride refers to a compound having a higher oxygen content than nitrogen, and a nitride oxide refers to a compound having a higher nitrogen content than oxygen. In this specification and the like, oxides used for insulating materials include those having a nitrogen concentration of less than 1 atomic%.

絶縁層514および絶縁層515は半導体領域520と接しているため、酸化物を含むことが好ましく、特に、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を含むことが好ましい。好適には、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物を用いることが好ましい。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物膜は、加熱により一部の酸素が脱離する。絶縁層514、絶縁層515から脱離した酸素は酸化物半導体である半導体領域520に供給され、酸化物半導体中の酸素欠損を低減することが可能となる。その結果、トランジスタの電気特性の変動を抑制し、信頼性を高めることができる。 Since the insulating layers 514 and 515 are in contact with the semiconductor region 520, the insulating layers 514 and 515 preferably include an oxide, and particularly preferably include an oxide material from which part of oxygen is released by heating. It is preferable to use an oxide containing oxygen in excess of that in the stoichiometric composition. Part of oxygen is released by heating from the oxide film containing oxygen in excess of the stoichiometric composition. Oxygen released from the insulating layers 514 and 515 is supplied to the semiconductor region 520 that is an oxide semiconductor, so that oxygen vacancies in the oxide semiconductor can be reduced. As a result, variation in electrical characteristics of the transistor can be suppressed and reliability can be improved.

化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物膜は、例えば、TDS(Thermal Desorption Spectroscopy)分析にて、膜の表面温度が100℃以上700℃以下、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm以上、好ましくは3.0×1020atoms/cm以上である酸化物膜である。なお、上記TDS分析時における膜の表面は100℃以上700℃以下、または100℃以上500℃以下の範囲が好ましい。 An oxide film containing more oxygen than that in the stoichiometric composition is converted into oxygen atoms at a surface temperature of 100 ° C. or more and 700 ° C. or less by, for example, TDS (Thermal Desorption Spectroscopy) analysis. The oxide film has an oxygen desorption amount of 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more, preferably 3.0 × 10 20 atoms / cm 3 or more. Note that the surface of the film during the TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. to 700 ° C., or 100 ° C. to 500 ° C.

絶縁層513は、絶縁層514に含まれる酸素が、導電層533に含まれる金属と結びつき、絶縁層514に含まれる酸素が減少することを防ぐパッシベーション機能を有する。絶縁層516は、絶縁層514に含まれる酸素が減少することを防ぐパッシベーション機能を有する。 The insulating layer 513 has a passivation function of preventing oxygen contained in the insulating layer 514 from being combined with a metal contained in the conductive layer 533 and reducing oxygen contained in the insulating layer 514. The insulating layer 516 has a passivation function for preventing oxygen contained in the insulating layer 514 from decreasing.

絶縁層511、513、516は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等をブロッキングできる機能を有していることが好ましい。絶縁層511、513、516を設けることで、半導体領域520から外部への酸素の拡散と、外部から半導体領域520への水素、水等が入り込みを防ぐことができる。このような機能を持たせるため、絶縁層511、513、516には、例えば、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等でなる絶縁層を少なくとも1層設ければよい。 The insulating layers 511, 513, and 516 preferably have a function of blocking oxygen, hydrogen, water, alkali metal, alkaline earth metal, and the like. By providing the insulating layers 511, 513, and 516, diffusion of oxygen from the semiconductor region 520 to the outside and entry of hydrogen, water, and the like from the outside to the semiconductor region 520 can be prevented. In order to provide such a function, the insulating layers 511, 513, and 516 include, for example, silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum nitride, aluminum nitride oxide, aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, and oxide. At least one insulating layer formed of yttrium, yttrium oxynitride, hafnium oxide, hafnium oxynitride, or the like may be provided.

なお、絶縁層511は、図8における絶縁層114、絶縁層162などに対応する。 Note that the insulating layer 511 corresponds to the insulating layer 114, the insulating layer 162, or the like in FIG.

[導電層]
導電層531および導電層532は、銅(Cu)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、金(Au)、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、鉛(Pb)、錫(Sn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、ストロンチウム(Sr)の低抵抗材料からなる単体、もしくは合金、またはこれらを主成分とする化合物を含む導電膜の単層または積層とすることが好ましい。特に、耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましい。また、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。さらに、Cu−Mn合金を用いると、酸素を含む絶縁体との界面に酸化マンガンを形成し、酸化マンガンがCuの拡散を抑制する機能を持つので好ましい。
[Conductive layer]
The conductive layers 531 and 532 are formed of copper (Cu), tungsten (W), molybdenum (Mo), gold (Au), aluminum (Al), manganese (Mn), titanium (Ti), tantalum (Ta), nickel Low (Ni), chromium (Cr), lead (Pb), tin (Sn), iron (Fe), cobalt (Co), ruthenium (Ru), platinum (Pt), iridium (Ir), strontium (Sr) It is preferable to form a single layer or a stacked layer of a conductive film containing a simple substance made of a resistive material, an alloy, or a compound containing these as a main component. In particular, it is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity. Moreover, it is preferable to form with low resistance conductive materials, such as aluminum and copper. Further, it is preferable to use a Cu—Mn alloy because manganese oxide is formed at the interface with the oxygen-containing insulator, and the manganese oxide has a function of suppressing Cu diffusion.

導電層531および導電層532は、半導体層521と半導体層522との積層を形成するために使用されるハードマスクから作製されている。そのため、導電層531および導電層532は、半導体層521および半導体層522の側面に接する領域を有していない。例えば、次のような工程を経て、半導体層521、522、導電層531、532を作製することができる。半導体層521、522を構成する2層の酸化物半導体膜を形成する。酸化物半導体膜上に、単層または積層の導電膜を形成する。この導電膜をエッチングしてハードマスクを形成する。このハードマスクを用いて、2層の酸化物半導体膜をエッチングして、半導体層521と半導体層522の積層を形成する。次に、ハードマスクをエッチングして、導電層531および導電層532を形成する。 The conductive layer 531 and the conductive layer 532 are manufactured using a hard mask used for forming a stack of the semiconductor layer 521 and the semiconductor layer 522. Therefore, the conductive layer 531 and the conductive layer 532 do not have a region in contact with the side surfaces of the semiconductor layer 521 and the semiconductor layer 522. For example, the semiconductor layers 521 and 522 and the conductive layers 531 and 532 can be manufactured through the following steps. A two-layer oxide semiconductor film which forms the semiconductor layers 521 and 522 is formed. A single-layer or stacked-layer conductive film is formed over the oxide semiconductor film. This conductive film is etched to form a hard mask. With the use of this hard mask, the two-layer oxide semiconductor film is etched to form a stack of the semiconductor layer 521 and the semiconductor layer 522. Next, the hard mask is etched to form the conductive layer 531 and the conductive layer 532.

導電層530および導電層530には、導電層531および導電層532と同様の材料を用いることができる。 For the conductive layer 530 and the conductive layer 530, a material similar to that of the conductive layer 531 and the conductive layer 532 can be used.

[半導体層]
半導体層522は、例えば、インジウム(In)を含む酸化物半導体である。半導体層522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、半導体層522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(Al)、ガリウム(Ga)、イットリウム(Y)またはスズ(Sn)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(B)、シリコン(Si)、チタン(Ti)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、ゲルマニウム(Ge)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、ネオジム(Nd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)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、半導体層522は、亜鉛(Zn)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。
[Semiconductor layer]
The semiconductor layer 522 is an oxide semiconductor containing indium (In), for example. For example, when the semiconductor layer 522 contains indium, the carrier mobility (electron mobility) increases. The semiconductor layer 522 preferably contains the element M. The element M is preferably aluminum (Al), gallium (Ga), yttrium (Y), tin (Sn), or the like. Other elements applicable to the element M include boron (B), silicon (Si), titanium (Ti), iron (Fe), nickel (Ni), germanium (Ge), zirconium (Zr), molybdenum (Mo ), Lanthanum (La), cerium (Ce), neodymium (Nd), hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), and the like. 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 layer 522 preferably contains zinc (Zn). An oxide semiconductor may be easily crystallized when it contains zinc.

ただし、半導体層522は、インジウムを含む酸化物半導体に限定されない。半導体層522は、例えば、亜鉛スズ酸化物、ガリウムスズ酸化物などの、インジウムを含まず、亜鉛を含む酸化物半導体、ガリウムを含む酸化物半導体、スズを含む酸化物半導体などであっても構わない。半導体層522は、例えば、エネルギーギャップが大きい酸化物を用いる。半導体層522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。半導体領域520は、後述するCAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)で形成されていることが好ましい。または、少なくとも、半導体層522はCAAC−OSで形成されていることが好ましい。 Note that the semiconductor layer 522 is not limited to the oxide semiconductor containing indium. The semiconductor layer 522 may be an oxide semiconductor containing zinc, an oxide semiconductor containing gallium, an oxide semiconductor containing tin, or the like that does not contain indium, such as zinc tin oxide and gallium tin oxide. . For the semiconductor layer 522, an oxide with a wide energy gap is used, for example. The energy gap of the semiconductor layer 522 is, for example, not less than 2.5 eV and not more than 4.2 eV, preferably not less than 2.8 eV and not more than 3.8 eV, more preferably not less than 3 eV and not more than 3.5 eV. The semiconductor region 520 is preferably formed using a CAAC-OS (C Axis Crystalline Oxide Semiconductor), which will be described later. Alternatively, at least the semiconductor layer 522 is preferably formed using a CAAC-OS.

例えば、半導体層521および半導体層523は、半導体層522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。半導体層522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層521および半導体層523が構成されるため、半導体層521と半導体層522との界面、および半導体層522と半導体層523との界面において、界面準位が形成されにくい。 For example, the semiconductor layer 521 and the semiconductor layer 523 are oxide semiconductors including one or more elements other than oxygen included in the semiconductor layer 522 or two or more elements. Since the semiconductor layer 521 and the semiconductor layer 523 are formed using one or more elements other than oxygen constituting the semiconductor layer 522 or two or more elements, the interface between the semiconductor layer 521 and the semiconductor layer 522, and the semiconductor layer 522 and the semiconductor layer 523. Interface states are difficult to form at the interface.

なお、半導体層521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%より高く、さらに好ましくはInが25atomic%未満、Mが75atomic%より高いとする。半導体層521をスパッタリング法で成膜する場合、上記の組成を満たすスパッタリングターゲットを用いることが好ましい。例えば、In:M:Zn=1:3:2が好ましい。 Note that when the semiconductor layer 521 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 higher than 50 atomic%, and more preferably, In is 25 atomic%. And M is higher than 75 atomic%. In the case where the semiconductor layer 521 is formed by a sputtering method, a sputtering target that satisfies the above composition is preferably used. For example, In: M: Zn = 1: 3: 2 is preferable.

また、半導体層522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%より高く、Mが75atomic%未満、さらに好ましくはInが34atomic%より高く、Mが66atomic%未満とする。半導体層522をスパッタリング法で成膜する場合、上記の組成を満たすスパッタリングターゲットを用いることが好ましい。例えば、In:M:Zn=1:1:1、In:M:Zn=1:1:1.2、In:M:Zn=2:1:3、In:M:Zn=3:1:2、In:M:Zn=4:2:4.1が好ましい。特に、スパッタリングターゲットとして、原子数比がIn:Ga:Zn=4:2:4.1を用いる場合、成膜される半導体層522の原子数比は、In:Ga:Zn=4:2:3近傍となる場合がある。 In the case where the semiconductor layer 522 is an In—M—Zn oxide, when the sum of In and M is 100 atomic%, In is preferably higher than 25 atomic%, M is less than 75 atomic%, and more preferably In is 34 atomic%. Higher, and M is less than 66 atomic%. In the case where the semiconductor layer 522 is formed by a sputtering method, a sputtering target that satisfies the above composition is preferably used. For example, In: M: Zn = 1: 1: 1, In: M: Zn = 1: 1: 1.2, In: M: Zn = 2: 1: 3, In: M: Zn = 3: 1: 2, In: M: Zn = 4: 2: 4.1 is preferable. In particular, when an atomic ratio of In: Ga: Zn = 4: 2: 4.1 is used as a sputtering target, the atomic ratio of the semiconductor layer 522 formed is In: Ga: Zn = 4: 2: There are cases where there are 3 neighborhoods.

また、半導体層523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%より高く、さらに好ましくはInが25atomic%未満、Mが75atomic%より高くする。なお、半導体層523は、半導体層521と同種の酸化物を用いても構わない。ただし、半導体層521または/および半導体層523がインジウムを含まなくても構わない場合がある。例えば、半導体層521または/および半導体層523が酸化ガリウムであっても構わない。 In the case where the semiconductor layer 523 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 higher than 50 atomic%, and more preferably In is 25 atomic%. Less than, M is higher than 75 atomic%. Note that the semiconductor layer 523 may be formed using the same kind of oxide as the semiconductor layer 521. Note that the semiconductor layer 521 and / or the semiconductor layer 523 may not contain indium in some cases. For example, the semiconductor layer 521 and / or the semiconductor layer 523 may be gallium oxide.

図15を参照して、半導体層521、半導体層522、および半導体層523の積層により構成される半導体領域520の機能およびその効果について、説明する。図15(A)は、図14(B)の部分拡大図であり、トランジスタ581の活性層(チャネル部分)を拡大した図である。図15(B)はトランジスタ581の活性層成領域のエネルギーバンド構造であり、図15(A)の点線Z1−Z2で示す部位のエネルギーバンド構造を示している。 With reference to FIG. 15, functions and effects of the semiconductor region 520 formed by stacking the semiconductor layer 521, the semiconductor layer 522, and the semiconductor layer 523 will be described. FIG. 15A is a partially enlarged view of FIG. 14B and is an enlarged view of an active layer (channel portion) of the transistor 581. FIG. FIG. 15B illustrates an energy band structure of an active layer formation region of the transistor 581 and illustrates an energy band structure of a portion indicated by a dotted line Z1-Z2 in FIG.

図15(B)の、Ec514、Ec521、Ec522、Ec523、Ec515は、それぞれ、絶縁層514、半導体層521、半導体層522、半導体層523、絶縁層515の伝導帯下端のエネルギーを示している。 In FIG. 15B, Ec514, Ec521, Ec522, Ec523, and Ec515 indicate the energy at the lower end of the conduction band of the insulating layer 514, the semiconductor layer 521, the semiconductor layer 522, the semiconductor layer 523, and the insulating layer 515, respectively.

ここで、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差(「電子親和力」ともいう。)は、真空準位と価電子帯上端のエネルギーとの差(イオン化ポテンシャルともいう。)からエネルギーギャップを引いた値となる。なお、エネルギーギャップは、分光エリプソメータを用いて測定できる。また、真空準位と価電子帯上端のエネルギー差は、紫外線光電子分光分析(UPS:Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy)装置を用いて測定できる。 Here, the difference between the vacuum level and the energy at the bottom of the conduction band (also referred to as “electron affinity”) is defined as the energy gap based on the difference between the vacuum level and the energy at the top of the valence band (also referred to as ionization potential). Subtracted value. The energy gap can be measured using a spectroscopic ellipsometer. The energy difference between the vacuum level and the upper end of the valence band can be measured using an ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) apparatus.

絶縁層515と絶縁層516は絶縁体であるため、Ec513とEc512は、Ec521、Ec522、およびEc523よりも真空準位に近い(電子親和力が小さい)。 Since the insulating layers 515 and 516 are insulators, Ec513 and Ec512 are closer to the vacuum level (smaller electron affinity) than Ec521, Ec522, and Ec523.

半導体層522には、半導体層521および半導体層523よりも電子親和力の大きい酸化物が用いられる。例えば、半導体層522として、半導体層521および半導体層523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以下大きい酸化物が用いられる。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。 For the semiconductor layer 522, an oxide having an electron affinity higher than those of the semiconductor layers 521 and 523 is used. For example, as the semiconductor layer 522, the electron affinity of the semiconductor layer 521 and the semiconductor layer 523 is 0.07 eV or more and 1.3 eV or less, preferably 0.1 eV or more and 0.7 eV or less, more preferably 0.15 eV or more and 0.4 eV or less. Large oxides are 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、半導体層523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[Ga/(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。このとき、ゲート電圧を印加すると、半導体層521、半導体層522、半導体層523のうち、電子親和力の大きい半導体層522にチャネルが形成される。 Note that indium gallium oxide has a small electron affinity and a high oxygen blocking property. Therefore, the semiconductor layer 523 preferably contains indium gallium oxide. The gallium atom ratio [Ga / (In + Ga)] is, for example, 70% or more, preferably 80% or more, and more preferably 90% or more. At this time, when a gate voltage is applied, a channel is formed in the semiconductor layer 522 having high electron affinity among the semiconductor layer 521, the semiconductor layer 522, and the semiconductor layer 523.

ここで、半導体層521と半導体層522との間には、半導体層521と半導体層522との混合領域を有する場合がある。また、半導体層522と半導体層523との間には、半導体層522と半導体層523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、半導体層521、半導体層522および半導体層523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。 Here, in some cases, there is a mixed region of the semiconductor layer 521 and the semiconductor layer 522 between the semiconductor layer 521 and the semiconductor layer 522. Further, in some cases, there is a mixed region of the semiconductor layer 522 and the semiconductor layer 523 between the semiconductor layer 522 and the semiconductor layer 523. In the mixed region, the interface state density is low. Therefore, the stack of the semiconductor layer 521, the semiconductor layer 522, and the semiconductor layer 523 has a band structure in which energy continuously changes (also referred to as a continuous junction) in the vicinity of each interface.

このとき、電子は、半導体層521中および半導体層523中ではなく、半導体層522中を主として移動する。上述したように、半導体層521および半導体層522の界面における界面準位密度、半導体層522と半導体層523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、半導体層522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 layer 522 instead of in the semiconductor layer 521 and the semiconductor layer 523. As described above, when the interface state density at the interface between the semiconductor layer 521 and the semiconductor layer 522 and the interface state density at the interface between the semiconductor layer 522 and the semiconductor layer 523 are reduced, electrons move in the semiconductor layer 522. The on-state current of the transistor can be increased without being disturbed.

トランジスタのオン電流は、電子の移動を阻害する要因を低減するほど、高くすることができる。例えば、電子の移動を阻害する要因のない場合、効率よく電子が移動すると推定される。電子の移動は、例えば、チャネル形成領域の物理的な凹凸が大きい場合にも阻害される。または、例えば、チャネルの形成される領域中の欠陥準位密度が高い場合にも、電子の移動は阻害される。 The on-state current of the transistor can be increased as the factor that hinders the movement of electrons is reduced. For example, when there is no factor that hinders the movement of electrons, it is estimated that electrons move efficiently. Electron movement is inhibited, for example, even when the physical unevenness of the channel formation region is large. Alternatively, for example, even when the density of defect states in a region where a channel is formed is high, the movement of electrons is inhibited.

トランジスタ581のオン電流を高くするためには、例えば、半導体層522の上面または下面(被形成面、ここでは半導体層521)の、1μm×1μmの範囲における二乗平均平方根(RMS:Root Mean Square)粗さが1nm未満、好ましくは0.6nm未満、さらに好ましくは0.5nm未満、より好ましくは0.4nm未満とすればよい。また、1μm×1μmの範囲における平均面粗さ(Raともいう。)が1nm未満、好ましくは0.6nm未満、さらに好ましくは0.5nm未満、より好ましくは0.4nm未満とすればよい。また、1μm×1μmの範囲における最大高低差(P−Vともいう。)が10nm未満、好ましくは9nm未満、さらに好ましくは8nm未満、より好ましくは7nm未満とすればよい。RMS粗さ、RaおよびP−Vは、走査型プローブ顕微鏡システムを用いて測定することができる。 In order to increase the on-state current of the transistor 581, for example, a root mean square (RMS) value in the range of 1 μm × 1 μm of the upper surface or the lower surface of the semiconductor layer 522 (formation surface, here, the semiconductor layer 521). The roughness may be less than 1 nm, preferably less than 0.6 nm, more preferably less than 0.5 nm, more preferably less than 0.4 nm. The average surface roughness (also referred to as Ra) in the range of 1 μm × 1 μm is less than 1 nm, preferably less than 0.6 nm, more preferably less than 0.5 nm, and more preferably less than 0.4 nm. The maximum height difference (also referred to as PV) in the range of 1 μm × 1 μm is less than 10 nm, preferably less than 9 nm, more preferably less than 8 nm, and more preferably less than 7 nm. RMS roughness, Ra, and PV can be measured using a scanning probe microscope system.

例えば、半導体層522が酸素欠損(Vとも表記する。)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。したがって、半導体層522中の酸素欠損を低減することで、トランジスタ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 layer 522 has oxygen vacancies (also referred to as V 2 O ), donor levels may be formed by entry of hydrogen into sites of oxygen vacancies. 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 causes a reduction in the on-state current of the transistor. Note that oxygen deficient sites are more stable when oxygen enters than when hydrogen enters. Therefore, the on-state current of the transistor can be increased by reducing oxygen vacancies in the semiconductor layer 522 in some cases.

例えば、半導体層522のある深さにおいて、または、半導体層522のある領域において、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)で測定される水素濃度は、1×1016atoms/cm以上、2×1020atoms/cm以下、好ましくは1×1016atoms/cm以上、5×1019atoms/cm以下、より好ましくは1×1016atoms/cm以上、1×1019atoms/cm以下、さらに好ましくは1×1016atoms/cm以上、5×1018atoms/cm以下とする。 For example, in certain depths of the semiconductor layer 522, or in a region of the semiconductor layer 522, secondary ion mass spectrometry: the hydrogen concentration measured in (SIMS Secondary Ion Mass Spectrometry) is, 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more, 2 × 10 20 atoms / cm 3 or less, preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more, 5 × 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more, 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less.

半導体層522の酸素欠損を低減するために、例えば、絶縁層515に含まれる過剰酸素を、半導体層521を介して半導体層522まで移動させる方法などがある。この場合、半導体層521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 layer 522, for example, there is a method in which excess oxygen contained in the insulating layer 515 is moved to the semiconductor layer 522 through the semiconductor layer 521. In this case, the semiconductor layer 521 is preferably a layer having oxygen permeability (a layer through which oxygen passes or permeates).

トランジスタ581がs−channel構造である場合、半導体層522の全体にチャネルが形成される。したがって、半導体層522が厚いほどチャネル領域は大きくなる。即ち、半導体層522が厚いほど、トランジスタ581のオン電流を高くすることができる。 In the case where the transistor 581 has an s-channel structure, a channel is formed in the entire semiconductor layer 522. Accordingly, the thicker the semiconductor layer 522, the larger the channel region. That is, as the semiconductor layer 522 is thicker, the on-state current of the transistor 581 can be increased.

また、トランジスタ581のオン電流を高くするためには、半導体層523の厚さは小さいほど好ましい。半導体層523は、例えば、10nm未満、好ましくは5nm以下、さらに好ましくは3nm以下の領域を有していればよい。一方、半導体層523は、チャネルの形成される半導体層522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、半導体層523は、ある程度の厚さを有することが好ましい。半導体層523は、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していればよい。また、半導体層523は、絶縁層515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 581, the thickness of the semiconductor layer 523 is preferably as small as possible. The semiconductor layer 523 may have a region of less than 10 nm, preferably 5 nm or less, more preferably 3 nm or less, for example. On the other hand, the semiconductor layer 523 has a function of blocking entry of elements other than oxygen (such as hydrogen and silicon) included in the adjacent insulator into the semiconductor layer 522 where a channel is formed. Therefore, the semiconductor layer 523 preferably has a certain thickness. The semiconductor layer 523 may have a region with a thickness of 0.3 nm or more, preferably 1 nm or more, more preferably 2 nm or more, for example. The semiconductor layer 523 preferably has a property of blocking oxygen in order to suppress outward diffusion of oxygen released from the insulating layer 515 or the like.

また、トランジスタ581の信頼性を高くするためには、半導体層521は厚く、半導体層523は薄いことが好ましい。半導体層521は、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していればよい。半導体層521の厚さを、厚くすることで、隣接する絶縁体と半導体層521との界面からチャネルの形成される半導体層522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、半導体層521は、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していればよい。 In order to increase the reliability of the transistor 581, the semiconductor layer 521 is preferably thick and the semiconductor layer 523 is preferably thin. The semiconductor layer 521 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, for example. By increasing the thickness of the semiconductor layer 521, the distance from the interface between the adjacent insulator and the semiconductor layer 521 to the semiconductor layer 522 where a channel is formed can be increased. However, since the productivity of the semiconductor device may be reduced, the semiconductor layer 521 may have a region with a thickness of 200 nm or less, preferably 120 nm or less, more preferably 80 nm or less, for example.

トランジスタ581に安定した電気特性を付与するには、半導体領域520中の不純物濃度を低減し、半導体層522を真性または実質的に真性にすることが有効である。なお、本明細書等において、酸化物半導体が実質的に真性であるという場合、酸化物半導体のキャリア密度が、8×1011個/cm未満、好ましくは1×1011個/cm未満、さらに好ましくは1×1010個/cm未満であり、且つ、1×10−9個/cm以上であることを指す。 In order to impart stable electric characteristics to the transistor 581, it is effective to reduce the impurity concentration in the semiconductor region 520 so that the semiconductor layer 522 is intrinsic or substantially intrinsic. Note that in this specification and the like, in the case where an oxide semiconductor is substantially intrinsic, the carrier density of the oxide semiconductor is less than 8 × 10 11 pieces / cm 3 , preferably less than 1 × 10 11 pieces / cm 3. More preferably, it is less than 1 × 10 10 pieces / cm 3 and 1 × 10 −9 pieces / cm 3 or more.

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。また、シリコンは酸化物半導体中で不純物準位の形成に寄与する。当該不純物準位はトラップとなり、トランジスタの電気特性を劣化させることがある。したがって、半導体層521、半導体層522および半導体層523の層中や、それぞれの界面において不純物濃度を低減させることが好ましい。 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. Silicon contributes to the formation of impurity levels in an oxide semiconductor. The impurity level becomes a trap and may deteriorate the electrical characteristics of the transistor. Therefore, it is preferable to reduce the impurity concentration in the semiconductor layer 521, the semiconductor layer 522, and the semiconductor layer 523, or at each interface.

例えば、半導体層522と半導体層521との間に、シリコン濃度が1×1016atoms/cm以上かつ1×1019atoms/cm未満である領域を有する。シリコン濃度は、1×1016atoms/cm以上かつ5×1018atoms/cm未満が好ましく、1×1016atoms/cm以上かつ2×1018atoms/cm未満であることがより好ましい。また、半導体層522と半導体層523との間に、シリコン濃度が1×1016atoms/cm以上かつ1×1019atoms/cm未満である領域を有する。シリコン濃度は1×1016atoms/cm以上かつ5×1018atoms/cm未満が好ましく、1×1016atoms/cm以上、2×1018atoms/cm未満がより好ましい。シリコン濃度は例えばSIMSで測定することができる。 For example, a region having a silicon concentration of 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 is provided between the semiconductor layer 522 and the semiconductor layer 521. Silicon concentration more be less than 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 5 × 10 18 atoms / cm 3 is preferably less than 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 2 × 10 18 atoms / cm 3 preferable. Further, a region having a silicon concentration of 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 is provided between the semiconductor layer 522 and the semiconductor layer 523. The silicon concentration is preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and less than 5 × 10 18 atoms / cm 3, more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and less than 2 × 10 18 atoms / cm 3 . The silicon concentration can be measured by SIMS, for example.

また、半導体層522の水素濃度を低減するために、半導体層521および半導体層523の水素濃度を低減すると好ましい。半導体層521および半導体層523は、水素濃度が1×1016atoms/cm以上かつ2×1020atoms/cm以下の領域を有する。水素濃度は、1×1016atoms/cm以上かつ5×1019atoms/cm以下が好ましく、1×1016atoms/cm以上かつ1×1019atoms/cm以下がより好ましく、1×1016atoms/cm以上かつ5×1018atoms/cm以下がさらに好ましい。水素濃度は例えばSIMSで測定することができる。 In order to reduce the hydrogen concentration in the semiconductor layer 522, it is preferable to reduce the hydrogen concentrations in the semiconductor layer 521 and the semiconductor layer 523. The semiconductor layer 521 and the semiconductor layer 523 have a region where the hydrogen concentration is 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 2 × 10 20 atoms / cm 3 or less. The hydrogen concentration is preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 5 × 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less. More preferably, it is at least 10 16 atoms / cm 3 and at most 5 × 10 18 atoms / cm 3 . The hydrogen concentration can be measured by SIMS, for example.

半導体層522の窒素濃度を低減するために、半導体層521および半導体層523の窒素濃度を低減すると好ましい。半導体層521および半導体層523は、窒素濃度が1×1016atoms/cm以上かつ5×1019atoms/cm未満の領域を有する。窒素濃度は1×1016atoms/cm以上かつ5×1018atoms/cm以下が好ましく、1×1016atoms/cm以上かつ1×1018atoms/cm以下がより好ましく、1×1016atoms/cm以上かつ5×1017atoms/cm以下がさらに好ましい。窒素濃度はSIMSで測定することができる。 In order to reduce the nitrogen concentration of the semiconductor layer 522, it is preferable to reduce the nitrogen concentrations of the semiconductor layer 521 and the semiconductor layer 523. The semiconductor layer 521 and the semiconductor layer 523 have a region where the nitrogen concentration is 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and less than 5 × 10 19 atoms / cm 3 . The nitrogen concentration is preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × More preferably, it is 10 16 atoms / cm 3 or more and 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less. The nitrogen concentration can be measured by SIMS.

また、上述のように高純度化された酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタのオフ電流は極めて小さい。例えば、ソースとドレインとの間の電圧を0.1(V)、5(V)、または、10(V)程度とした場合に、トランジスタのチャネル幅で規格化したオフ電流を数yA/μmから数zA/μmにまで低減することが可能となる。 Further, the off-state current of the transistor in which the oxide semiconductor purified as described above is used for a channel formation region is extremely small. For example, when the voltage between the source and the drain is about 0.1 (V), 5 (V), or 10 (V), the off-current normalized by the channel width of the transistor is several yA / μm. To a few zA / μm.

図14は、半導体領域520が3層の例であるが、これに限定されない。例えば、半導体層521または半導体層523が無い2層構造としてもよい。または、半導体層521の上もしくは下、または半導体層523上もしくは下に、半導体層521乃至523と同様の半導体層を設けて、4層構造とすることも可能である。または、半導体層521の上、半導体層521の下、半導体層523の上、半導体層523の下のいずれか二箇所以上に、半導体層521乃至523と同様の半導体層を設けて、n層構造(nは5以上の整数)とすることもできる。 FIG. 14 shows an example in which the semiconductor region 520 has three layers, but the invention is not limited to this. For example, a two-layer structure without the semiconductor layer 521 or the semiconductor layer 523 may be employed. Alternatively, a semiconductor layer similar to the semiconductor layers 521 to 523 may be provided over or under the semiconductor layer 521, or over or under the semiconductor layer 523, so that a four-layer structure can be obtained. Alternatively, a semiconductor layer similar to the semiconductor layers 521 to 523 is provided at any two or more positions on the semiconductor layer 521, below the semiconductor layer 521, above the semiconductor layer 523, and below the semiconductor layer 523, and has an n-layer structure. (N is an integer of 5 or more).

トランジスタ581をバックゲート電極の無いトランジスタにする場合、導電層533を設けなければよい。この場合、絶縁層512、513も設けず、絶縁層511上に絶縁層513を形成すればよい。 In the case where the transistor 581 is a transistor without a back gate electrode, the conductive layer 533 is not necessarily provided. In this case, the insulating layers 512 and 513 are not provided, and the insulating layer 513 may be formed over the insulating layer 511.

<構成例2>
図14に示すトランジスタ581は、導電層530をマスクにして、半導体層523及び絶縁層515をエッチングすることができる。そのような工程を経たOSトランジスタの構成例を図16(A)に示す。図16(A)に示すトランジスタ582では、半導体層523および絶縁層515の端部は導電層530の端部とほぼ一致することになる。導電層530の下部のみに半導体層523および絶縁層513が存在する。
<Configuration example 2>
In the transistor 581 illustrated in FIG. 14, the semiconductor layer 523 and the insulating layer 515 can be etched using the conductive layer 530 as a mask. A structural example of an OS transistor which has undergone such a process is illustrated in FIG. In the transistor 582 illustrated in FIG. 16A, end portions of the semiconductor layer 523 and the insulating layer 515 are substantially aligned with end portions of the conductive layer 530. The semiconductor layer 523 and the insulating layer 513 exist only below the conductive layer 530.

<構成例3>
図16(B)に示すトランジスタ583は、トランジスタ582に導電層535、導電層536を追加したデバイス構造を有する。トランジスタ582のソース電極およびドレイン電極として一対の電極は、導電層535と導電層531の積層、および導電層536と導電層532の積層で構成される。
<Configuration example 3>
A transistor 583 illustrated in FIG. 16B has a device structure in which a conductive layer 535 and a conductive layer 536 are added to the transistor 582. A pair of electrodes as a source electrode and a drain electrode of the transistor 582 includes a stacked layer of a conductive layer 535 and a conductive layer 531 and a stacked layer of a conductive layer 536 and a conductive layer 532.

導電層535、536は、単層または積層の導電体で形成される。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、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を用いることができる。導電体は合金膜や化合物であってもよく、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。 The conductive layers 535 and 536 are formed of a single layer or stacked layers of conductors. For example, boron, nitrogen, oxygen, fluorine, silicon, phosphorus, aluminum, titanium, chromium, manganese, cobalt, nickel, copper, zinc, gallium, yttrium, zirconium, molybdenum, ruthenium, silver, indium, tin, tantalum and tungsten One or more kinds of conductors can be used. The conductor may be an alloy film or a compound, including a conductor including aluminum, a conductor including copper and titanium, a conductor including copper and manganese, a conductor including indium, tin and oxygen, and titanium and nitrogen. A conductor or the like may be used.

導電層535、536は可視光線を透過する性質を有してよい。または、導電層535、536は可視光線、紫外線、赤外線もしくはX線を、反射もしくは吸収することで透過させない性質を有してもよい。このような性質を有することで、トランジスタ582の電気特性の迷光による変動を抑制できる場合がある。 The conductive layers 535 and 536 may have a property of transmitting visible light. Alternatively, the conductive layers 535 and 536 may have a property of not transmitting visible light, ultraviolet light, infrared light, or X-rays by reflection or absorption. With such a property, variation in electrical characteristics of the transistor 582 due to stray light may be suppressed in some cases.

導電層535、536は、半導体層522などとの間にショットキー障壁を形成しない層を用いると好ましい場合がある。こうすることで、トランジスタ583のオン特性を向上させることができる。 As the conductive layers 535 and 536, a layer that does not form a Schottky barrier with the semiconductor layer 522 or the like may be preferably used. Thus, the on-state characteristics of the transistor 583 can be improved.

導電層535、536は、導電層531、532よりも高抵抗の膜を用いると好ましい場合がある。また、導電層535、536は、トランジスタ583のチャネル(具体的には、半導体層522)よりも抵抗を低いことが好ましい場合がある。例えば、導電層535、536の抵抗率を、0.1Ωcm以上100Ωcm以下、または0.5Ωcm以上50Ωcm以下、または1Ωcm以上10Ωcm以下とすればよい。導電層535、536の抵抗率を上述の範囲とすることにより、チャネルとドレインとの境界部における電界集中を緩和することができる。そのため、トランジスタ583の電気特性の変動を低減することができる。また、ドレインから生じる電界に起因したパンチスルー電流を低減することができる。そのため、チャネル長の短いトランジスタにおいても、飽和特性を良好にすることができる。なお、ソースとドレインとが入れ替わらない回路構成であれば、導電層535および導電層536のいずれか一方のみ(例えば、ドレイン側)を配置するほうが好ましい場合がある。 As the conductive layers 535 and 536, a film having higher resistance than the conductive layers 531 and 532 may be preferably used. The conductive layers 535 and 536 may preferably have lower resistance than the channel of the transistor 583 (specifically, the semiconductor layer 522). For example, the resistivity of the conductive layers 535 and 536 may be 0.1 Ωcm to 100 Ωcm, 0.5 Ωcm to 50 Ωcm, or 1 Ωcm to 10 Ωcm. By setting the resistivity of the conductive layers 535 and 536 within the above range, electric field concentration at the boundary between the channel and the drain can be reduced. Therefore, variation in electrical characteristics of the transistor 583 can be reduced. In addition, the punch-through current due to the electric field generated from the drain can be reduced. Therefore, saturation characteristics can be improved even in a transistor with a short channel length. Note that in a circuit configuration in which the source and the drain are not interchanged, it may be preferable to dispose only one of the conductive layers 535 and 536 (for example, the drain side).

<構成例4>
図14に示すトランジスタ581は、導電層531及び導電層532が、半導体層521、522の側面と接していてもよい。そのような構成例を図16(C)に示す。図16(C)に示すトランジスタ584は、導電層531及び導電層532が半導体層521の側面及び半導体層522の側面と接している。
<Configuration example 4>
In the transistor 581 illustrated in FIG. 14, the conductive layer 531 and the conductive layer 532 may be in contact with the side surfaces of the semiconductor layers 521 and 522. An example of such a structure is shown in FIG. In the transistor 584 illustrated in FIG. 16C, the conductive layer 531 and the conductive layer 532 are in contact with the side surface of the semiconductor layer 521 and the side surface of the semiconductor layer 522.

<酸化物半導体膜の結晶構造>
以下に、半導体領域520を構成する酸化物半導体膜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。
<Crystal structure of oxide semiconductor film>
The structure of the oxide semiconductor film included in the semiconductor region 520 is described below. Note that in this specification, when a crystal is trigonal or rhombohedral, it is represented as a hexagonal system.

酸化物半導体膜は、非単結晶酸化物半導体膜と単結晶酸化物半導体膜とに大別される。非単結晶酸化物半導体膜とは、CAAC−OS膜、多結晶酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、非晶質酸化物半導体膜などをいう。 An oxide semiconductor film is roughly classified into a non-single-crystal oxide semiconductor film and a single-crystal oxide semiconductor film. The non-single-crystal oxide semiconductor film refers to a CAAC-OS film, a polycrystalline oxide semiconductor film, a microcrystalline oxide semiconductor film, an amorphous oxide semiconductor film, or the like.

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。したがって、−5°以上5°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−30°以上30°以下の角度で配置されている状態をいう。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。したがって、85°以上95°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が60°以上120°以下の角度で配置されている状態をいう。 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. Further, “substantially parallel” means a state in which two straight lines are arranged at an angle of −30 ° to 30 °. “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. Further, “substantially vertical” means a state in which two straight lines are arranged at an angle of 60 ° to 120 °.

[CAAC−OS膜]
CAAC−OS膜は、c軸配向した複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つである。
[CAAC-OS film]
The CAAC-OS film is one of oxide semiconductor films having a plurality of c-axis aligned crystal parts.

透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)によって、CAAC−OS膜の明視野像および回折パターンの複合解析像(高分解能TEM像ともいう。)を観察することで複数の結晶部を確認することができる。一方、高分解能TEM像によっても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膜は、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。 Confirming a plurality of crystal parts by observing a bright field image of a CAAC-OS film and a combined analysis image (also referred to as a high-resolution TEM image) of a CAAC-OS film with a transmission electron microscope (TEM: Transmission Electron Microscope). Can do. On the other hand, a clear boundary between crystal parts, that is, a crystal grain boundary (also referred to as a grain boundary) cannot be confirmed even by a high-resolution TEM image. Therefore, it can be said that the CAAC-OS film is unlikely to decrease in electron mobility due to crystal grain boundaries.

試料面と略平行な方向から、CAAC−OS膜の断面の高分解能TEM像を観察すると、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膜の膜を形成する面(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膜の被形成面または上面と平行に配列する。 When a high-resolution TEM image of a cross section of the CAAC-OS film is observed from a direction substantially parallel to the sample surface, it can be confirmed that metal atoms are arranged in layers 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 on which the CAAC-OS film is formed, and is arranged in parallel with the formation surface or the upper surface of the CAAC-OS film. .

一方、試料面と略垂直な方向から、CAAC−OS膜の平面の高分解能TEM像を観察すると、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、金属原子の配列に規則性は見られない。 On the other hand, when a high-resolution TEM image of a plane of the CAAC-OS film is observed 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, there is no regularity in the arrangement of metal atoms between different crystal parts.

CAAC−OS膜に対し、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膜の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膜の結晶が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 a CAAC-OS film using an X-ray diffraction (XRD) apparatus, for example, in the analysis of a CAAC-OS film having an InGaZnO 4 crystal by an out-of-plane method, A peak may appear when the diffraction angle (2θ) is around 31 °. Since this peak is attributed to the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal, the crystal of the CAAC-OS film has c-axis orientation, and the c-axis is oriented in a direction substantially perpendicular to the formation surface or the top surface. Can be confirmed.

InGaZnOの結晶を有するCAAC−OS膜の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膜中の一部に、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膜は、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。 In the analysis of a CAAC-OS film having an InGaZnO 4 crystal by an out-of-plane method, a peak may also appear when 2θ is around 36 ° in addition to a 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 film. The CAAC-OS film preferably has a peak at 2θ of around 31 ° and no peak at 2θ of around 36 °.

CAAC−OS膜は、不純物濃度の低い酸化物半導体膜である。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膜の主成分以外の元素である。特に、シリコンなどの、酸化物半導体膜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、酸化物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、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、酸化物半導体膜内部に含まれると、酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体膜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 film is an oxide semiconductor film with a low impurity concentration. The impurity is an element other than the main component of the oxide semiconductor film, 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 the metal element included in the oxide semiconductor film, disturbs the atomic arrangement of the oxide semiconductor film by depriving the oxide semiconductor film of oxygen, and has crystallinity. It becomes a factor to reduce. In addition, heavy metals such as iron and nickel, argon, carbon dioxide, and the like have large atomic radii (or molecular radii). Therefore, if they are contained inside an oxide semiconductor film, the atomic arrangement of the oxide semiconductor film is disturbed, resulting in crystallinity. It becomes a factor to reduce. Note that the impurity contained in the oxide semiconductor film might serve as a carrier trap or a carrier generation source.

CAAC−OS膜は、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜である。例えば、酸化物半導体膜中の酸素欠損は、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。 The CAAC-OS film is an oxide semiconductor film with a low density of defect states. For example, oxygen vacancies in the oxide semiconductor film can serve as carrier traps or can generate carriers 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膜は、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。したがって、当該酸化物半導体膜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膜は、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半導体膜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、酸化物半導体膜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膜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 film has few carrier generation sources, and thus can have a low carrier density. Therefore, a transistor including the oxide semiconductor film is unlikely to have electrical characteristics (also referred to as normally-on) in which the threshold voltage is negative. A highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film has few carrier traps. Therefore, a transistor including the oxide semiconductor film has a small change in electrical characteristics and has high reliability. Note that the charge trapped in the carrier trap of the oxide semiconductor film takes a long time to be released, and may behave as if it were a fixed charge. Therefore, a transistor including an oxide semiconductor film with a high impurity concentration and a high density of defect states may have unstable electrical characteristics.

CAAC−OS膜を用いたOS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。 An OS transistor using a CAAC-OS film has little variation in electrical characteristics due to irradiation with visible light or ultraviolet light.

[微結晶酸化物半導体膜]
微結晶酸化物半導体膜は、高分解能TEM像において、結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。微結晶酸化物半導体膜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膜を、nc−OS(nanocrystalline Oxide Semiconductor)膜と呼ぶ。また、nc−OS膜は、例えば、高分解能TEM像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。
[Microcrystalline oxide semiconductor film]
The microcrystalline oxide semiconductor film includes a region where a crystal part can be confirmed and a region where a clear crystal part cannot be confirmed in a high-resolution TEM image. In most cases, a crystal part included in the microcrystalline oxide semiconductor film has a size of 1 nm to 100 nm, or 1 nm to 10 nm. In particular, an oxide semiconductor film 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) film. In the nc-OS film, for example, a crystal grain boundary may not be clearly confirmed in a high-resolution TEM image.

nc−OS膜は、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膜は、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、膜全体で配向性が見られない。したがって、nc−OS膜は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体膜と区別が付かない場合がある。例えば、nc−OS膜に対し、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膜に対し、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膜に対し、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膜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膜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。 The nc-OS film has periodicity in atomic arrangement in a very small region (eg, a region of 1 nm to 10 nm, particularly a region of 1 nm to 3 nm). In addition, the nc-OS film does not have regularity in crystal orientation between different crystal parts. Therefore, orientation is not seen in the whole film. Therefore, the nc-OS film may not be distinguished from an amorphous oxide semiconductor film depending on an analysis method. For example, when structural analysis is performed on the nc-OS film 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. Further, when electron diffraction (also referred to as limited-field electron diffraction) using an electron beam with a probe diameter larger than that of the crystal part (eg, 50 nm or more) is performed on the nc-OS film, a diffraction pattern such as a halo pattern is observed. Is done. On the other hand, when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS film using an electron beam having a probe diameter that is close to or smaller than the size of the crystal part, spots are observed. In addition, when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS film, a region with high luminance may be observed so as to draw a circle (in a ring shape). Further, when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS film, a plurality of spots may be observed in the ring-shaped region.

nc−OS膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも規則性の高い酸化物半導体膜である。そのため、nc−OS膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、nc−OS膜は、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膜は、CAAC−OS膜と比べて欠陥準位密度が高くなる。 The nc-OS film is an oxide semiconductor film that has higher regularity than an amorphous oxide semiconductor film. Therefore, the nc-OS film has a lower density of defect states than the amorphous oxide semiconductor film. Note that the nc-OS film does not have regularity in crystal orientation between different crystal parts. Therefore, the nc-OS film has a higher density of defect states than the CAAC-OS film.

[非晶質酸化物半導体膜]
非晶質酸化物半導体膜は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶部を有さない酸化物半導体膜である。石英のような無定形状態を有する酸化物半導体膜が一例である。
[Amorphous oxide semiconductor film]
An amorphous oxide semiconductor film is an oxide semiconductor film having an irregular atomic arrangement in the film and having no crystal part. An oxide semiconductor film having an amorphous state such as quartz is an example.

非晶質酸化物半導体膜は、高分解能TEM像において結晶部を確認することができない。非晶質酸化物半導体膜に対し、XRD装置を用いた構造解析を行うと、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、非晶質酸化物半導体膜に対し、電子回折を行うと、ハローパターンが観測される。また、非晶質酸化物半導体膜に対し、ナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測されず、ハローパターンが観測される。 In the amorphous oxide semiconductor film, a crystal part cannot be confirmed in a high-resolution TEM image. When structural analysis using an XRD apparatus is performed on an amorphous oxide semiconductor film, a peak indicating a crystal plane is not detected by analysis using an out-of-plane method. Further, when electron diffraction is performed on the amorphous oxide semiconductor film, a halo pattern is observed. Further, when nanobeam electron diffraction is performed on an amorphous oxide semiconductor film, no spot is observed and a halo pattern is observed.

酸化物半導体膜は、nc−OS膜と非晶質酸化物半導体膜との間の物性を示す構造を有する場合がある。そのような構造を有する酸化物半導体膜を、特に非晶質ライク酸化物半導体(a−like OS:amorphous−like Oxide Semiconductor)膜と呼ぶ。 An oxide semiconductor film may have a structure exhibiting physical properties between the nc-OS film and the amorphous oxide semiconductor film. An oxide semiconductor film having such a structure is particularly referred to as an amorphous-like oxide semiconductor (a-like OS) film.

a−like OS膜は、高分解能TEM像において鬆(ボイドともいう。)が観察される場合がある。また、高分解能TEM像において、明確に結晶部を確認することのできる領域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。a−like OS膜は、TEMによる観察程度の微量な電子照射によって、結晶化が起こり、結晶部の成長が見られる場合がある。一方、良質なnc−OS膜であれば、TEMによる観察程度の微量な電子照射による結晶化はほとんど見られない。 In the a-like OS film, a void (also referred to as a void) may be observed in a high-resolution TEM image. Moreover, in a high-resolution TEM image, it has the area | region which can confirm a crystal part clearly, and the area | region which cannot confirm a crystal part. In some cases, the a-like OS film is crystallized by a small amount of electron irradiation as observed by a TEM, and a crystal part is grown. On the other hand, in the case of a good-quality nc-OS film, crystallization due to a small amount of electron irradiation comparable to that observed by TEM is hardly observed.

a−like OS膜およびnc−OS膜の結晶部の大きさの計測は、高分解能TEM像を用いて行うことができる。例えば、InGaZnOの結晶は層状構造を有し、In−O層の間に、Ga−Zn−O層を2層有する。InGaZnOの結晶の単位格子は、In−O層を3層有し、またGa−Zn−O層を6層有する、計9層がc軸方向に層状に重なった構造を有する。よって、これらの近接する層同士の間隔は、(009)面の格子面間隔(d値ともいう。)と同程度であり、結晶構造解析からその値は0.29nmと求められている。そのため、高分解能TEM像における格子縞に着目し、格子縞の間隔が0.28nm以上0.30nm以下である箇所においては、それぞれの格子縞がInGaZnOの結晶のa−b面に対応する。 The size of the crystal part of the a-like OS film and the nc-OS film can be measured using a high-resolution TEM image. For example, a crystal of InGaZnO 4 has a layered structure, and two Ga—Zn—O layers are provided between In—O layers. The unit cell of InGaZnO 4 crystal has a structure in which a total of nine layers including three In—O layers and six Ga—Zn—O layers are stacked in the c-axis direction. Therefore, the distance between these adjacent layers is approximately the same as the lattice spacing (also referred to as d value) of the (009) plane, and the value is determined to be 0.29 nm from crystal structure analysis. Therefore, paying attention to the lattice fringes in the high-resolution TEM image, each lattice fringe corresponds to the ab plane of the InGaZnO 4 crystal in a portion where the interval between the lattice fringes is 0.28 nm or more and 0.30 nm or less.

酸化物半導体膜は、構造ごとに膜密度が異なる場合がある。例えば、ある酸化物半導体膜の組成がわかれば、該組成と同じ組成における単結晶酸化物半導体膜の膜密度と比較することにより、その酸化物半導体膜の構造を推定することができる。例えば、単結晶酸化物半導体膜の膜密度に対し、a−like OS膜の膜密度は78.6%以上92.3%未満となる。また、例えば、単結晶酸化物半導体膜の膜密度に対し、nc−OS膜の膜密度およびCAAC−OS膜の膜密度は92.3%以上100%未満となる。なお、単結晶酸化物半導体膜の膜密度に対し膜密度が78%未満となる酸化物半導体膜は、成膜すること自体が困難である。 An oxide semiconductor film may have a different film density for each structure. For example, when the composition of a certain oxide semiconductor film is known, the structure of the oxide semiconductor film can be estimated by comparing with the film density of a single crystal oxide semiconductor film having the same composition as the composition. For example, the film density of the a-like OS film is 78.6% or more and less than 92.3% with respect to the film density of the single crystal oxide semiconductor film. For example, the film density of the nc-OS film and the film density of the CAAC-OS film are 92.3% or more and less than 100% with respect to the film density of the single crystal oxide semiconductor film. Note that it is difficult to form an oxide semiconductor film with a film density of less than 78% with respect to the single crystal oxide semiconductor film.

上記について、具体例を用いて説明する。例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体膜において、菱面体晶構造を有する単結晶InGaZnOの膜密度は6.357g/cmとなる。よって、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体膜において、a−like OS膜の膜密度は5.0g/cm以上5.9g/cm未満となる。また、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体膜において、nc−OS膜の膜密度およびCAAC−OS膜の膜密度は5.9g/cm以上6.3g/cm未満となる。 The above will be described using a specific example. For example, in an oxide semiconductor film that satisfies In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio], the film density of single crystal InGaZnO 4 having a rhombohedral structure is 6.357 g / cm 3 . Therefore, for example, in an oxide semiconductor film satisfying In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio], the film density of the a-like OS film is 5.0 g / cm 3 or more and 5.9 g / cm 3. Less than. For example, in the oxide semiconductor film satisfying In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio], the film density of the nc-OS film and the film density of the CAAC-OS film are 5.9 g / cm 3. The above is less than 6.3 g / cm 3 .

なお、同じ組成の単結晶酸化物半導体膜が存在しない場合がある。その場合、任意の割合で組成の異なる単結晶酸化物半導体膜を組み合わせることにより、所望の組成の単結晶酸化物半導体膜に相当する膜密度を算出することができる。所望の組成の単結晶酸化物半導体膜の膜密度は、組成の異なる単結晶酸化物半導体膜を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて算出すればよい。ただし、膜密度は、可能な限り少ない種類の単結晶酸化物半導体膜を組み合わせて算出することが好ましい。 Note that a single crystal oxide semiconductor film having the same composition may not exist. In that case, by combining single crystal oxide semiconductor films having different compositions at an arbitrary ratio, the film density corresponding to the single crystal oxide semiconductor film having a desired composition can be calculated. The film density of the single crystal oxide semiconductor film having a desired composition may be calculated using a weighted average with respect to the ratio of combining single crystal oxide semiconductor films having different compositions. Note that the film density is preferably calculated by combining as few kinds of single crystal oxide semiconductor films as possible.

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

<成膜方法>
半導体装置を構成する絶縁層、導電層、半導体層等の成膜方法としては、スパッタ法や、プラズマCVD法が代表的である。その他の方法、例えば、熱CVD法により形成すること可能である。熱CVD法として、例えば、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法やALD(Atomic Layer Deposition)法を使用することができる。
<Film formation method>
As a method for forming an insulating layer, a conductive layer, a semiconductor layer, or the like included in a semiconductor device, a sputtering method or a plasma CVD method is typical. It can be formed by other methods, for example, a thermal CVD method. As the thermal CVD method, for example, an MOCVD (Metal Organic Chemical Deposition) method or an ALD (Atomic Layer Deposition) method can be used.

熱CVD法は、プラズマを使わない成膜方法のため、プラズマダメージにより欠陥が生成されることが無いという利点を有する。熱CVD法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を行ってもよい。 The thermal CVD method has an advantage that no defect is generated due to plasma damage because it is a film forming method that does not use plasma. In the thermal CVD method, the inside of the chamber may be under atmospheric pressure or reduced pressure, and the source gas and the oxidant may be simultaneously sent into the chamber, reacted in the vicinity of the substrate or on the substrate, and deposited on the substrate. .

また、ALD法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、反応のための原料ガスが順次にチャンバーに導入され、そのガス導入の順序を繰り返すことで成膜を行ってもよい。例えば、それぞれのスイッチングバルブ(高速バルブとも呼ぶ)を切り換えて2種類以上の原料ガスを順番にチャンバーに供給し、複数種の原料ガスが混ざらないように第1の原料ガスと同時またはその後に不活性ガス(アルゴン、或いは窒素など)などを導入し、第2の原料ガスを導入する。なお、同時に不活性ガスを導入する場合には、不活性ガスはキャリアガスとなり、また、第2の原料ガスの導入時にも同時に不活性ガスを導入してもよい。また、不活性ガスを導入する代わりに真空排気によって第1の原料ガスを排出した後、第2の原料ガスを導入してもよい。第1の原料ガスが基板の表面に吸着して第1の単原子層を成膜し、後から導入される第2の原料ガスと反応して、第2の単原子層が第1の単原子層上に積層されて薄膜が形成される。このガス導入順序を制御しつつ所望の厚さになるまで複数回繰り返すことで、段差被覆性に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の厚さは、ガス導入順序を繰り返す回数によって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能であり、微細なFETを作製する場合に適している。 Further, in the ALD method, film formation may be performed by setting the inside of the chamber to atmospheric pressure or reduced pressure, sequentially introducing source gases for reaction into the chamber, and repeating the order of introducing the gases. For example, by switching each switching valve (also referred to as a high-speed valve), two or more kinds of source gases are sequentially supplied to the chamber, so that a plurality of kinds of source gases are not mixed with the first source gas at the same time or thereafter. An active gas (such as argon or nitrogen) is introduced, and a second source gas is introduced. When the inert gas is introduced at the same time, the inert gas becomes a carrier gas, and the inert gas may be introduced at the same time when the second raw material gas is introduced. Further, instead of introducing the inert gas, the second raw material gas may be introduced after the first raw material gas is exhausted by evacuation. The first source gas is adsorbed on the surface of the substrate to form a first monoatomic layer, and reacts with a second source gas introduced later, so that the second monoatomic layer becomes the first monoatomic layer. A thin film is formed by being stacked on the atomic layer. By repeating this gas introduction sequence a plurality of times until the desired thickness is achieved, a thin film having excellent step coverage can be formed. Since the thickness of the thin film can be adjusted by the number of times the gas introduction sequence is repeated, precise film thickness adjustment is possible, which is suitable for manufacturing a fine FET.

MOCVD法やALD法などの熱CVD法は、これまでに記載した実施形態に開示された導電膜や半導体膜を形成することができ、例えば、InGaZnO(X>0)膜を成膜する場合には、トリメチルインジウム、トリメチルガリウム、及びジメチル亜鉛を用いる。なお、トリメチルインジウムの化学式は、(CHInである。また、トリメチルガリウムの化学式は、(CHGaである。また、ジメチル亜鉛の化学式は、(CHZnである。また、これらの組み合わせに限定されず、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウム(化学式(CGa)を用いることもでき、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛(化学式(CZn)を用いることもできる。 Thermal CVD methods such as the MOCVD method and the ALD method can form the conductive film and the semiconductor film disclosed in the embodiments described so far, for example, when an InGaZnO x (X> 0) film is formed. For this, trimethylindium, trimethylgallium, and dimethylzinc are used. Note that the chemical formula of trimethylindium is (CH 3 ) 3 In. The chemical formula of trimethylgallium is (CH 3 ) 3 Ga. The chemical formula of dimethylzinc is (CH 3 ) 2 Zn. The invention is not limited to these combinations, triethyl gallium (chemical formula (C 2 H 5) 3 Ga ) in place of trimethyl gallium can also be used, diethylzinc (Formula instead of dimethylzinc (C 2 H 5) 2 Zn) can also be used.

例えば、ALDを利用する成膜装置によりタングステン膜を成膜する場合には、WFガスとBガスを順次繰り返し導入して初期タングステン膜を形成し、その後、WFガスとHガスを用いてタングステン膜を形成する。なお、Bガスに代えてSiHガスを用いてもよい。 For example, in the case where a tungsten film is formed by a film forming apparatus using ALD, an initial tungsten film is formed by repeatedly introducing WF 6 gas and B 2 H 6 gas successively, and then WF 6 gas and H 2. A tungsten film is formed using a gas. Note that SiH 4 gas may be used instead of B 2 H 6 gas.

例えば、ALDを利用する成膜装置により酸化物半導体膜、例えばInGaZnO(X>0)膜を成膜する場合には、In(CHガスとOガスを順次繰り返し導入してInO層を形成し、その後、Ga(CHガスとOガスを用いてGaO層を形成し、更にその後Zn(CHガスとOガスを用いてZnO層を形成する。なお、これらの層の順番はこの例に限らない。また、これらのガスを混ぜてInGaO層やInZnO層、GaInO層、ZnInO層、GaZnO層などの混合化合物層を形成してもよい。なお、Oガスに変えてAr等の不活性ガスでバブリングして得られたHOガスを用いてもよいが、Hを含まないOガスを用いる方が好ましい。また、In(CHガスにかえて、In(Cガスを用いてもよい。また、Ga(CHガスにかえて、Ga(Cガスを用いてもよい。また、Zn(CHガスを用いてもよい。 For example, in the case where an oxide semiconductor film, for example, an InGaZnO x (X> 0) film is formed by a film formation apparatus using ALD, In (CH 3 ) 3 gas and O 3 gas are sequentially introduced and InO is sequentially introduced. Two layers are formed, then a GaO layer is formed using Ga (CH 3 ) 3 gas and O 3 gas, and then a ZnO layer is formed using Zn (CH 3 ) 2 gas and O 3 gas. Note that the order of these layers is not limited to this example. Alternatively, a mixed compound layer such as an InGaO 2 layer, an InZnO 2 layer, a GaInO layer, a ZnInO layer, or a GaZnO layer may be formed by mixing these gases. Incidentally, instead of the O 3 gas may be used the H 2 O gas obtained by bubbling an inert gas, such as Ar, but better to use an O 3 gas containing no H are preferred. In addition, In (C 2 H 5 ) 3 gas may be used instead of In (CH 3 ) 3 gas. Further, Ga (C 2 H 5 ) 3 gas may be used instead of Ga (CH 3 ) 3 gas. Alternatively, Zn (CH 3 ) 2 gas may be used.

本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせることができる。 The structures and methods described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures and methods described in the other embodiments.

(実施の形態6)
本実施の形態では、半導体装置の一例として、電子部品、及び電子部品を具備する電子機器等について説明する。
(Embodiment 6)
In this embodiment, an electronic component, an electronic device including the electronic component, and the like will be described as an example of a semiconductor device.

図17(A)は、電子部品の作製方法例を示すフローチャートである。電子部品は、半導体パッケージ、IC用パッケージ、または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. 17A is a flowchart illustrating an example of a method for manufacturing an electronic component. The electronic component is also referred to as a semiconductor package, an IC package, or a 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.

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。後工程については、図17(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、基板を複数のチップに分離するダイシング工程を行う(ステップS2)。基板を複数に分割する前に、基板を薄膜化して、前工程での基板の反り等を低減し、部品の小型化を図る。 A semiconductor device including a transistor is completed by combining a plurality of parts that can be attached to and detached from a printed circuit board through an assembly process (post-process). The post-process can be completed through each process shown in FIG. Specifically, after the element substrate obtained in the previous process is completed (step S1), a dicing process for separating the substrate into a plurality of chips is performed (step S2). Before the substrate is divided into a plurality of substrates, the substrate is thinned to reduce the warpage of the substrate in the previous process and to reduce the size of the component.

チップを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)。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やテープによって行えばよい。接着方法は製品に適した方法を選択すればよい。ダイボンディング工程は、インターポーザ上にチップを搭載し接合してもよい。ワイヤーボンディング工程で、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(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。ワイヤーボンディングは、ボールボンディングとウェッジボンディングの何れでもよい。 A die bonding process is performed in which the chip is picked up, mounted on the lead frame, and bonded (step S3). Bonding between the chip and the lead frame in the die bonding process may be performed with resin or tape. As the bonding method, a method suitable for the product may be selected. In the die bonding step, a chip may be mounted on the interposer and bonded. In the wire bonding process, the leads of the lead frame and the electrodes on the chip are electrically connected by metal thin wires (wires) (step S4). A silver wire or a gold wire can be used as the metal thin wire. Wire bonding may be either ball bonding or wedge bonding.

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)。リードフレームのリードをメッキ処理する。そしてリードを切断及び成形加工する(ステップS6)。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。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)。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)。上掲した実施の形態の半導体装置を組み込むことで、低消費電力で、小型な電子部品を提供することができる。 The wire-bonded chip is subjected to a molding process that is sealed with an epoxy resin or the like (step S5). The lead frame lead is plated. Then, the lead is cut and molded (step S6). The plating process prevents rusting of the lead, and soldering when mounted on a printed circuit board later can be performed more reliably. A printing process (marking) is performed on the surface of the package (step S7). An electronic component is completed through an inspection process (step S8) (step S9). By incorporating the semiconductor device of the above embodiment, a small electronic component with low power consumption can be provided.

図17(B)は完成した電子部品の斜視模式図である。一例として、図17(B)はQFP(Quad Flat Package)を示している。図17(B)に示す電子部品800は、リード801及び回路部803を示している。回路部803には、例えば、上記実施の形態に示す半導体装置や記憶装置、その他の論理回路が含まれている。電子部品800は、例えばプリント基板802に実装される。このような電子部品800が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板802上で電気的に接続されることで電子機器に搭載することができる。完成した回路基板804は、電子機器等の内部に設けられる。例えば、電子部品800は、データを記憶するランダムアクセスメモリ、CPU、MCU、FPGA、無線IC等の各種の処理を実行するプロセッシングユニットに用いることができる。電子部品800を搭載することで、電子機器の消費電力を削減することができる。または、電子機器を小型化することが容易になる。 FIG. 17B is a schematic perspective view of the completed electronic component. As an example, FIG. 17B shows QFP (Quad Flat Package). An electronic component 800 illustrated in FIG. 17B illustrates a lead 801 and a circuit portion 803. The circuit portion 803 includes, for example, the semiconductor device, the memory device, and other logic circuits described in the above embodiments. The electronic component 800 is mounted on a printed circuit board 802, for example. A plurality of such electronic components 800 are combined and each is electrically connected on the printed circuit board 802 so that the electronic component 800 can be mounted on an electronic device. The completed circuit board 804 is provided inside an electronic device or the like. For example, the electronic component 800 can be used in a processing unit that executes various processes such as a random access memory that stores data, a CPU, an MCU, an FPGA, and a wireless IC. By mounting the electronic component 800, the power consumption of the electronic device can be reduced. Alternatively, the electronic device can be easily downsized.

よって、電子部品800は、デジタル信号処理、ソフトウェア無線、アビオニクス(通信機器、航法システム、自動操縦装置、飛行管理システム等の航空に関する電子機器)、ASICのプロトタイピング、医療用画像処理、音声認識、暗号、バイオインフォマティクス(生物情報科学)、機械装置のエミュレータ、および電波天文学における電波望遠鏡等、幅広い分野の電子機器の電子部品(ICチップ)に適用することが可能である。このような電子機器としては、表示機器、パーソナルコンピュータ(PC)、記録媒体を備えた画像再生装置(DVD、ブルーレイディスク、フラッシュメモリ、HDD等の記録媒体を再生する装置、および画像を表示するための表示部を有する装置)に用いることができる。その他に、本発明の一形態に係る半導体装置を用いることができる電子機器には、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、カメラ(ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等)、ウエアラブル型表示装置(ヘッドマウント型、ゴーグル型、眼鏡型、腕章型、ブレスレッド型、ネックレス型等)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等)、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18に示す。 Therefore, the electronic component 800 includes digital signal processing, software radio, avionics (electronic equipment related to aviation such as communication equipment, navigation system, autopilot, and flight management system), ASIC prototyping, medical image processing, voice recognition, It can be applied to electronic parts (IC chips) of electronic devices in a wide range of fields such as cryptography, bioinformatics (biological information science), emulators of mechanical devices, and radio telescopes in radio astronomy. Examples of such an electronic device include a display device, a personal computer (PC), an image reproducing device including a recording medium (a device for reproducing a recording medium such as a DVD, a Blu-ray disc, a flash memory, and an HDD, and an image display device). Apparatus having a display portion of the above. In addition, an electronic device that can use the semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes a mobile phone, a portable game machine, a portable data terminal, an electronic book terminal, a camera (a video camera, a digital still camera, or the like). Wearable display devices (head mounted, goggles, glasses, armbands, bracelets, necklaces, etc.) navigation systems, sound playback devices (car audio, digital audio players, etc.), copiers, facsimiles, printers, printers Examples include multifunction peripherals, automatic teller machines (ATMs), and vending machines. Specific examples of these electronic devices are shown in FIGS.

図18(A)に示す携帯型ゲーム機900は、筐体901、筐体902、表示部903、表示部904、マイクロホン905、スピーカ906、操作キー907、およびスタイラス908等を有する。 A portable game machine 900 illustrated in FIG. 18A includes 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.

図18(B)に示す携帯情報端末910は、筐体911、筐体912、表示部913表示部914、接続部915、および操作キー916等を有する。表示部913は筐体911に設けられ、表示部914は筐体912に設けられている。接続部915により筐体911と筐体912とが接続され、筐体911と筐体912との間の角度は接続部915により変更可能となっている。そのため、接続部915における筐体911と筐体912との間の角度によって、表示部913に表示される画像を切り換える構成としてもよい。また、表示部913および/または表示部914にタッチパネル付の表示装置を使用してもよい。 A portable information terminal 910 illustrated in FIG. 18B includes a housing 911, a housing 912, a display portion 913, a display portion 914, a connection portion 915, operation keys 916, and the like. The display portion 913 is provided in the housing 911 and the display portion 914 is provided in the housing 912. The housing 911 and the housing 912 are connected by the connection unit 915, and the angle between the housing 911 and the housing 912 can be changed by the connection unit 915. Therefore, the image displayed on the display portion 913 may be switched depending on the angle between the housing 911 and the housing 912 in the connection portion 915. Further, a display device with a touch panel may be used for the display portion 913 and / or the display portion 914.

図18(C)に示すノート型PC920は、筐体921、表示部922、キーボード923、およびポインティングデバイス924等を有する。 A laptop PC 920 illustrated in FIG. 18C includes a housing 921, a display portion 922, a keyboard 923, a pointing device 924, and the like.

図18(D)に示す電気冷凍冷蔵庫930は、筐体931、冷蔵室用扉932、および冷凍室用扉933等を有する。 An electric refrigerator-freezer 930 illustrated in FIG. 18D includes a housing 931, a refrigerator door 932, a refrigerator door 933, and the like.

図18(E)に示すビデオカメラ940は、筐体941、筐体942、表示部943、操作キー944、レンズ945、および接続部946等を有する。操作キー944およびレンズ945は筐体941に設けられており、表示部943は筐体942に設けられている。そして、筐体941と筐体942は接続部946によって接続されており、かつ接続部946により筐体941と筐体942の間の角度を変えることが可能な構造となっている。筐体941に対する筐体942の角度によって、表示部943に表示される画像の向きの変更、画像の表示/非表示の切り換え等を行えるようにしてもよい。 A video camera 940 illustrated in FIG. 18E includes a housing 941, a 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 on the housing 941, and the display portion 943 is provided on the housing 942. The housing 941 and the housing 942 are connected to each other by a connection portion 946, and an angle between the housing 941 and the housing 942 can be changed by the connection portion 946. Depending on the angle of the housing 942 with respect to the housing 941, the orientation of the image displayed on the display portion 943 may be changed, and the display / non-display of the image may be switched.

図18(F)に示す自動車950は、車体951、車輪952、ダッシュボード953、およびライト954等を有する。 An automobile 950 illustrated in FIG. 18F includes a vehicle body 951, wheels 952, a dashboard 953, lights 954, and the like.

本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせることができる。 The structures and methods described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures and methods described in the other embodiments.

(実施例)
本実施の形態では、上記実施の形態で用いることができるOSトランジスタの特性の測定結果について説明する。
(Example)
In this embodiment, measurement results of characteristics of an OS transistor that can be used in the above embodiments will be described.

<温度特性>
まず、OSトランジスタとSiトランジスタの温度特性を測定した。図19(A)に、OSトランジスタのゲート電圧V−ドレイン電流I特性、及びゲート電圧V−電界効果移動度μFE特性の温度依存性の測定結果を示す。また、図19(B)に、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタ(以下、Siトランジスタともいう)のゲート電圧V−ドレイン電流I特性、及びゲート電圧V−電界効果移動度μFE特性の温度依存性を示す。なお、図19(A)、(B)においては、−25℃、50℃、150℃の温度での各電気特性の測定結果を示している。また、ドレイン電圧Vは1Vとしている。
<Temperature characteristics>
First, the temperature characteristics of the OS transistor and the Si transistor were measured. FIG. 19A shows the measurement results of the temperature dependence of the gate voltage V G -drain current ID characteristic and the gate voltage V G -field effect mobility μ FE characteristic of the OS transistor. FIG. 19B shows a gate voltage V G -drain current ID characteristic and a gate voltage V G -field effect mobility μ FE characteristic of a transistor including silicon in a channel formation region (hereinafter also referred to as Si transistor). The temperature dependence of is shown. 19A and 19B show the measurement results of the electrical characteristics at temperatures of -25 ° C, 50 ° C, and 150 ° C. Further, the drain voltage V D is set to 1V.

なお、図19(A)に示すOSトランジスタの電気特性は、チャネル長L=0.45μm、チャネル幅W=10μm、ゲート絶縁層の酸化膜の膜厚Tox=20nmとしたときのグラフである。また、図19(B)に示すSiトランジスタの電気特性は、L=0.35μm、W=10μm、Tox=20nmとしたときのグラフである。 Note that the electrical characteristics of the OS transistor illustrated in FIG. 19A are graphs where the channel length L = 0.45 μm, the channel width W = 10 μm, and the thickness of the oxide film of the gate insulating layer is Tox = 20 nm. In addition, the electrical characteristics of the Si transistor illustrated in FIG. 19B are graphs when L = 0.35 μm, W = 10 μm, and Tox = 20 nm.

OSトランジスタの酸化物半導体層は、In−Ga−Zn系酸化物で作製し、Siトランジスタは、シリコンウェハから作製した。 The oxide semiconductor layer of the OS transistor was formed using an In—Ga—Zn-based oxide, and the Si transistor was formed using a silicon wafer.

図19(A)、(B)より、OSトランジスタにおいて、立ち上がりゲート電圧の温度依存性は小さいことがわかる。また、OSトランジスタのオフ電流が温度によらず測定下限(I)以下であるが、Siトランジスタのオフ電流は、温度依存性が大きい。図19(B)の測定結果は、150℃では、Siトランジスタはオフ電流が上昇し、電流オン/オフ比が十分に大きくならないことを示している。 19A and 19B that the temperature dependence of the rising gate voltage is small in the OS transistor. Further, the off-state current of the OS transistor is equal to or lower than the measurement lower limit (I 0 ) regardless of the temperature, but the off-state current of the Si transistor has a large temperature dependency. The measurement result in FIG. 19B shows that at 150 ° C., the off-current of the Si transistor increases and the current on / off ratio does not increase sufficiently.

図19(A)、(B)のグラフから、OSトランジスタで本発明の一態様に係る半導体装置を構成することで、150℃以上の温度下においても、動作させることができる。そのため、耐熱性に優れた半導体装置を実現することができる。 19A and 19B, the semiconductor device according to one embodiment of the present invention is formed using an OS transistor, so that the semiconductor device can be operated even at a temperature of 150 ° C. or higher. Therefore, a semiconductor device with excellent heat resistance can be realized.

<耐圧性>
次に、OSトランジスタと、Siトランジスタの耐圧性に関する測定を行った。図20に、SiトランジスタとOSトランジスタのVD−ID特性の測定結果を示す。図20では、SiトランジスタとOSトランジスタとについて同じ条件での耐圧を比較するために、共にチャネル長を0.9μmとし、チャネル幅を10μmとし、酸化シリコンを用いたゲート絶縁膜の膜厚を20nmとしている。なお、ゲート電圧は、2Vとしている。
<Pressure resistance>
Next, measurement was performed on the pressure resistance of the OS transistor and the Si transistor. FIG. 20 shows the measurement results of the VD-ID characteristics of the Si transistor and the OS transistor. In FIG. 20, in order to compare the breakdown voltage of the Si transistor and the OS transistor under the same conditions, the channel length is 0.9 μm, the channel width is 10 μm, and the thickness of the gate insulating film using silicon oxide is 20 nm. It is said. The gate voltage is 2V.

図20に示すようにSiトランジスタでは、ドレイン電圧の増加に対して4V程度でアバランシェブレークダウンが起こるのに対して、OSトランジスタでは、ドレイン電圧の増加に対して26V程度までアバランシェブレークダウンが起きずに定電流を流すことができるのがわかる。 As shown in FIG. 20, in the Si transistor, the avalanche breakdown occurs at about 4V with respect to the increase in the drain voltage, whereas in the OS transistor, the avalanche breakdown does not occur up to about 26V with respect to the increase in the drain voltage. It can be seen that a constant current can be passed through.

図21(A)に、ゲート電圧を変化させた際の、OSトランジスタのVD−ID特性の測定結果を示す。また、図21(B)では、ゲート電圧を変化させた際の、SiトランジスタのVD−ID特性の測定結果を示す。なお、SiトランジスタとOSトランジスタとについて同じ条件での耐圧を比較するために、共にチャネル長を0.9μmとし、チャネル幅を10μmとし、酸化シリコンを用いたゲート絶縁膜の膜厚を20nmとしている。また、図21(A)のOSトランジスタでは、ゲート電圧を0.1V、2.06V、4.02V、5.98V、7.94Vと変化させて測定を行った。また、図21(B)のSiトランジスタでは、ゲート電圧を0.1V、1.28V、2.46V、3.64V、4.82Vと変化させて測定を行った。 FIG. 21A shows the measurement result of the VD-ID characteristics of the OS transistor when the gate voltage is changed. FIG. 21B shows the measurement result of the VD-ID characteristics of the Si transistor when the gate voltage is changed. In order to compare the breakdown voltage under the same conditions for the Si transistor and the OS transistor, the channel length is 0.9 μm, the channel width is 10 μm, and the thickness of the gate insulating film using silicon oxide is 20 nm. . For the OS transistor in FIG. 21A, measurement was performed by changing the gate voltage to 0.1 V, 2.06 V, 4.02 V, 5.98 V, and 7.94 V. In the Si transistor of FIG. 21B, measurement was performed by changing the gate voltage to 0.1 V, 1.28 V, 2.46 V, 3.64 V, and 4.82 V.

図21(A)、(B)に示すように、Siトランジスタでは、ドレイン電圧の増加に対して4V乃至5V程度でアバランシェブレークダウンが起こるのに対して、OSトランジスタでは、ドレイン電圧の増加に対して9V程度ではアバランシェブレークダウンが起きずに定電流を流すことができていることが分かる。 As shown in FIGS. 21A and 21B, in the Si transistor, the avalanche breakdown occurs at about 4V to 5V with respect to the increase in the drain voltage, whereas in the OS transistor, the increase in the drain voltage. It can be seen that a constant current can flow without avalanche breakdown at about 9V.

図20、図21から、OSトランジスタはSiトランジスタと比べて耐圧が高いことが分かる。そのため、本発明の一態様に係るメモリセルにおいては、ノードFNが取りうる電圧の範囲を広げて、保持できる電位の分布を増やすことができる。 20 and 21 that the OS transistor has a higher breakdown voltage than the Si transistor. Therefore, in the memory cell according to one embodiment of the present invention, the range of voltages that can be taken by the node FN can be widened to increase the distribution of potentials that can be held.

10 半導体装置
20 メモリセル
21 保持部
21a 保持部
21b 保持部
22 トランジスタ
23 容量素子
30 回路
30a 回路
30b 回路
30c 回路
31 トランジスタ
31a トランジスタ
31b トランジスタ
32a トランジスタ
32b トランジスタ
33a 容量素子
33b 容量素子
40 回路
40a 回路
40b 回路
41 トランジスタ
41a トランジスタ
41b トランジスタ
100 半導体基板
101a 不純物領域
101b 不純物領域
102 絶縁層
103 導電層
104 絶縁層
105 導電層
106 導電層
111 導電層
112 導電層
113 導電層
114 絶縁層
115 導電層
116 導電層
121 導電層
122 導電層
123 絶縁層
131 半導体層
132 半導体層
133a 導電層
133b 導電層
134a 導電層
134b 導電層
135 絶縁層
136 導電層
137 導電層
138 導電層
139 絶縁層
140 導電層
141 導電層
151 導電層
152 導電層
153 絶縁層
161 導電層
162 絶縁層
163 導電層
171 導電層
172 導電層
173 絶縁層
181 半導体層
182 半導体層
183a 導電層
183b 導電層
184a 導電層
184b 導電層
185 絶縁層
186 導電層
187 導電層
188 導電層
189 絶縁層
190 導電層
191 導電層
192 導電層
201 導電層
202 導電層
203 導電層
204 絶縁層
205 導電層
206 導電層
211 導電層
212 絶縁層
221 導電層
222 導電層
251 接続部
252 接続部
261 接続部
262 接続部
263 接続部
264 接続部
265 接続部
271 接続部
272 接続部
273 接続部
274 接続部
275 接続部
300 記憶装置
310 メモリセルアレイ
320 行選択ドライバ
321 デコーダ
322 制御回路
330 列選択ドライバ
331 デコーダ
332 ラッチ回路
333 D/Aコンバータ
334 スイッチ回路
335 トランジスタ
336 トランジスタ
340 A/Dコンバータ
341 コンパレータ
342 エンコーダ
343 ラッチ回路
344 バッファ
400 コンピュータ
410 入力装置
420 出力装置
430 中央演算処理装置
431 制御回路
432 演算回路
510 基板
511 絶縁層
512 絶縁層
513 絶縁層
514 絶縁層
515 絶縁層
516 絶縁層
520 半導体領域
521 半導体層
522 半導体層
523 半導体層
530 導電層
531 導電層
532 導電層
533 導電層
535 導電層
536 導電層
581 トランジスタ
582 トランジスタ
583 トランジスタ
584 トランジスタ
800 電子部品
801 リード
802 プリント基板
803 回路部
804 回路基板
900 携帯型ゲーム機
901 筐体
902 筐体
903 表示部
904 表示部
905 マイクロホン
906 スピーカ
907 操作キー
908 スタイラス
910 携帯情報端末
911 筐体
912 筐体
913 表示部
914 表示部
915 接続部
916 操作キー
920 ノート型PC
921 筐体
922 表示部
923 キーボード
924 ポインティングデバイス
930 電気冷凍冷蔵庫
931 筐体
932 冷蔵室用扉
933 冷凍室用扉
940 ビデオカメラ
941 筐体
942 筐体
943 表示部
944 操作キー
945 レンズ
946 接続部
950 自動車
951 車体
952 車輪
953 ダッシュボード
954 ライト
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Semiconductor device 20 Memory cell 21 Holding part 21a Holding part 21b Holding part 22 Transistor 23 Capacitor 30 Circuit 30a Circuit 30b Circuit 30c Circuit 31 Transistor 31a Transistor 31b Transistor 32a Transistor 32b Transistor 33a Capacitor 33b Capacitor 40 Circuit 40a Circuit 40b Circuit 41 transistor 41a transistor 41b transistor 100 semiconductor substrate 101a impurity region 101b impurity region 102 insulating layer 103 conductive layer 104 insulating layer 105 conductive layer 106 conductive layer 111 conductive layer 112 conductive layer 113 conductive layer 114 insulating layer 115 conductive layer 116 conductive layer 121 conductive Layer 122 Conductive layer 123 Insulating layer 131 Semiconductor layer 132 Semiconductor layer 133a Conductive layer 133b Conductive layer 134a Conductive layer 134b Conductive layer 135 Edge layer 136 conductive layer 137 conductive layer 138 conductive layer 139 insulating layer 140 conductive layer 141 conductive layer 151 conductive layer 152 conductive layer 153 insulating layer 161 conductive layer 162 insulating layer 163 conductive layer 171 conductive layer 172 conductive layer 173 insulating layer 181 semiconductor layer 182 Semiconductor layer 183a Conductive layer 183b Conductive layer 184a Conductive layer 184b Conductive layer 185 Insulating layer 186 Conductive layer 187 Conductive layer 188 Conductive layer 189 Insulating layer 190 Conductive layer 191 Conductive layer 192 Conductive layer 201 Conductive layer 202 Conductive layer 203 Conductive layer 204 Insulating Layer 205 conductive layer 206 conductive layer 211 conductive layer 212 insulating layer 221 conductive layer 222 conductive layer 251 connecting portion 252 connecting portion 261 connecting portion 262 connecting portion 263 connecting portion 264 connecting portion 265 connecting portion 271 connecting portion 272 connecting portion 273 connecting portion 274 Connection part 275 Connection part 3 0 storage device 310 memory cell array 320 row selection driver 321 decoder 322 control circuit 330 column selection driver 331 decoder 332 latch circuit 333 D / A converter 334 switch circuit 335 transistor 336 transistor 340 A / D converter 341 comparator 342 encoder 343 latch circuit 344 buffer 400 Computer 410 Input device 420 Output device 430 Central processing unit 431 Control circuit 432 Arithmetic circuit 510 Substrate 511 Insulating layer 512 Insulating layer 513 Insulating layer 514 Insulating layer 515 Insulating layer 516 Insulating layer 520 Semiconductor region 521 Semiconductor layer 522 Semiconductor layer 523 Semiconductor Layer 530 conductive layer 531 conductive layer 532 conductive layer 533 conductive layer 535 conductive layer 536 conductive layer 581 transistor 582 transistor 5 83 Transistor 584 Transistor 800 Electronic component 801 Lead 802 Printed circuit board 803 Circuit unit 804 Circuit board 900 Portable game machine 901 Case 902 Case 903 Display unit 904 Display unit 905 Microphone 906 Speaker 907 Operation key 908 Stylus 910 Portable information terminal 911 Case Body 912 Case 913 Display unit 914 Display unit 915 Connection unit 916 Operation key 920 Notebook PC
921 Housing 922 Display unit 923 Keyboard 924 Pointing device 930 Electric refrigerator-freezer 931 Housing 932 Refrigerating room door 933 Freezing room door 940 Video camera 941 Housing 942 Housing 943 Display unit 944 Operation key 945 Lens 946 Connection unit 950 Automobile 951 Car body 952 Wheel 953 Dashboard 954 Light

Claims (7)

メモリセルを有し、
前記メモリセルは、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、第3のトランジスタと、第4のトランジスタと、第5のトランジスタと、第1の容量素子と、第2の容量素子と、を有し、
前記第1のトランジスタのゲートは、第1の配線と電気的に接続され、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第2のトランジスタのゲートおよび前記第1の容量素子と電気的に接続され、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第2の配線と電気的に接続され、
前記第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第4のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記第2のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第5のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記第3のトランジスタのゲートは、第3の配線と電気的に接続され、
前記第3のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第4のトランジスタのゲートおよび前記第2の容量素子と電気的に接続され、
前記第3のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第4の配線と電気的に接続され、
前記第4のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第5の配線と電気的に接続され、
前記第5のトランジスタのゲートは、第6の配線と電気的に接続され、
前記第5のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第7の配線と電気的に接続されている半導体装置。
Having a memory cell;
The memory cell includes a first transistor, a second transistor, a third transistor, a fourth transistor, a fifth transistor, a first capacitor, and a second capacitor. Have
A gate of the first transistor is electrically connected to a first wiring;
One of a source and a drain of the first transistor is electrically connected to a gate of the second transistor and the first capacitor;
The other of the source and the drain of the first transistor is electrically connected to a second wiring;
One of a source and a drain of the second transistor is electrically connected to one of a source and a drain of the fourth transistor;
The other of the source and the drain of the second transistor is electrically connected to one of the source and the drain of the fifth transistor;
A gate of the third transistor is electrically connected to a third wiring;
One of a source and a drain of the third transistor is electrically connected to a gate of the fourth transistor and the second capacitor;
The other of the source and the drain of the third transistor is electrically connected to a fourth wiring;
The other of the source and the drain of the fourth transistor is electrically connected to a fifth wiring;
A gate of the fifth transistor is electrically connected to a sixth wiring;
A semiconductor device in which the other of the source and the drain of the fifth transistor is electrically connected to a seventh wiring.
請求項1において、
前記第2のトランジスタのゲートの電位に対応する第1の電位を、前記第5の配線に供給する機能と、
前記第4のトランジスタのゲートの電位に対応する第2の電位を、前記第5の配線に供給する機能と、を有する半導体装置。
In claim 1,
A function of supplying a first potential corresponding to a potential of a gate of the second transistor to the fifth wiring;
A semiconductor device having a function of supplying a second potential corresponding to a gate potential of the fourth transistor to the fifth wiring;
請求項2において、
前記第1の電位の前記第5の配線への供給は、前記第4のトランジスタおよび前記第5のトランジスタがオン状態であるときに行われ、
前記第2の電位の前記第5の配線への供給は、前記第2のトランジスタおよび前記第5のトランジスタがオン状態であるときに行われる半導体装置。
In claim 2,
The supply of the first potential to the fifth wiring is performed when the fourth transistor and the fifth transistor are on.
A semiconductor device in which the second potential is supplied to the fifth wiring when the second transistor and the fifth transistor are on.
請求項1乃至3のいずれか一項において、
前記第1のトランジスタおよび前記第3のトランジスタは、チャネル形成領域に酸化物半導体を有する半導体装置。
In any one of Claims 1 thru | or 3,
The first transistor and the third transistor are semiconductor devices each including an oxide semiconductor in a channel formation region.
請求項1乃至4のいずれか一項において、
前記第1のトランジスタおよび前記第2のトランジスタは、前記第5のトランジスタ上に設けられ、
前記第3のトランジスタおよび前記第4のトランジスタは、前記第1のトランジスタおよび前記第2のトランジスタ上に設けられている半導体装置。
In any one of Claims 1 thru | or 4,
The first transistor and the second transistor are provided on the fifth transistor;
The third transistor and the fourth transistor are semiconductor devices provided on the first transistor and the second transistor.
請求項1乃至5のいずれか一項に記載の半導体装置と、駆動回路と、を有する記憶装置。 A memory device comprising the semiconductor device according to claim 1 and a drive circuit. 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の半導体装置、または請求項6に記載の記憶装置と、
表示部、マイクロホン、スピーカ、または操作キーと、を有する電子機器。
A semiconductor device according to any one of claims 1 to 5, or a storage device according to claim 6,
An electronic device having a display portion, a microphone, a speaker, or operation keys.
JP2015234430A 2014-12-10 2015-12-01 Semiconductor device Expired - Fee Related JP6709042B2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014250302 2014-12-10
JP2014250302 2014-12-10

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2016115385A true JP2016115385A (en) 2016-06-23
JP2016115385A5 JP2016115385A5 (en) 2019-01-17
JP6709042B2 JP6709042B2 (en) 2020-06-10

Family

ID=56142150

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015234430A Expired - Fee Related JP6709042B2 (en) 2014-12-10 2015-12-01 Semiconductor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6709042B2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111095413A (en) * 2017-10-17 2020-05-01 研究与开发3有限责任公司 Memory with variable impedance cells and transition time data sensing
WO2021048672A1 (en) * 2019-09-09 2021-03-18 株式会社半導体エネルギー研究所 Semiconductor device
US11900990B2 (en) 2017-10-17 2024-02-13 R&D3 Llc Memory device having variable impedance memory cells and time-to-transition sensing of data stored therein
US12014770B2 (en) 2017-10-17 2024-06-18 R&D3 Llc Memory device having variable impedance memory cells and time-to-transition sensing of data stored therein

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02142000A (en) * 1988-11-22 1990-05-31 Hitachi Ltd Semiconductor memory
JP2011129893A (en) * 2009-11-20 2011-06-30 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Semiconductor device
JP2011129888A (en) * 2009-11-06 2011-06-30 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Semiconductor device

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02142000A (en) * 1988-11-22 1990-05-31 Hitachi Ltd Semiconductor memory
JP2011129888A (en) * 2009-11-06 2011-06-30 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Semiconductor device
JP2011129893A (en) * 2009-11-20 2011-06-30 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Semiconductor device

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111095413A (en) * 2017-10-17 2020-05-01 研究与开发3有限责任公司 Memory with variable impedance cells and transition time data sensing
JP2020537803A (en) * 2017-10-17 2020-12-24 アールアンドディー 3 エルエルシー Memory with variable impedance cell and time data sensing until transition
US11783891B2 (en) 2017-10-17 2023-10-10 R&D 3 Llc Memory device having variable impedance memory cells and time-to-transition sensing of data stored therein
US11900990B2 (en) 2017-10-17 2024-02-13 R&D3 Llc Memory device having variable impedance memory cells and time-to-transition sensing of data stored therein
US12014770B2 (en) 2017-10-17 2024-06-18 R&D3 Llc Memory device having variable impedance memory cells and time-to-transition sensing of data stored therein
WO2021048672A1 (en) * 2019-09-09 2021-03-18 株式会社半導体エネルギー研究所 Semiconductor device

Also Published As

Publication number Publication date
JP6709042B2 (en) 2020-06-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7064520B2 (en) Electronic devices, electronic components, and semiconductor packages
US10490258B2 (en) Semiconductor device with stacked structure of memory cells over sensing amplifiers, circuit board and electronic device
TWI691972B (en) Semiconductor device, central processing unit, and electronic device
JP6863709B2 (en) Semiconductor devices, storage devices and electronic devices
JP6778483B2 (en) Semiconductor device
US9601429B2 (en) Semiconductor device, electronic component, and electronic device including memory cell comprising first transistor, second transistor and capacitor
KR102410547B1 (en) Semiconductor device and electronic device
US9998104B2 (en) Semiconductor device and electronic device
JP2020123734A (en) Semiconductor device
JP6935171B2 (en) Semiconductor device
JP6709042B2 (en) Semiconductor device
JP2017091599A (en) Semiconductor device, memory device, electronic device, or method for driving semiconductor device
JP6690935B2 (en) Semiconductor device
US9779782B2 (en) Semiconductor device and electronic device
JP2016127117A (en) Memory device and method for driving the same
US9785566B2 (en) Semiconductor device, computer, and electronic device
WO2016079639A1 (en) Semiconductor device, circuit board, and electronic device
JP2016146418A (en) Semiconductor device, electronic component, and electronic device

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20181126

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20181126

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20190704

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20190820

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20191018

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20191217

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20200428

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20200522

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6709042

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees