JP2016115387A - 半導体装置、記憶装置及び電子機器 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の一態様は、第1回路を有し、第1回路は、第1入力端子と、第1出力端子と、第1トランジスタと、第2回路と、を有し、第2回路は、第2乃至第2n+1トランジスタと、第1乃至第n容量素子と、第1配線と、第1乃至第n保持ノードと、を有し(nは2以上の整数)、第2iトランジスタのゲートは、第1配線と電気的に接続され(iは1以上n以下の整数)、第2iトランジスタの第1端子は、第i保持ノードを介して、第2i+1トランジスタのゲートと、第i容量素子の第1端子と、に電気的に接続され、第1入力端子は、第1トランジスタの第1端子と電気的に接続され、第1トランジスタの第2端子は、第3トランジスタの第1端子と電気的に接続され、第2i−1トランジスタの第2端子は、第2i+1トランジスタの第1端子と電気的に接続され、第2n+1トランジスタの第2端子は、第1出力端子と電気的に接続されることを特徴とする半導体装置である。
又は、本発明の一態様は、第1回路を有し、第1回路は、第1入力端子と、第1出力端子と、第1トランジスタと、第2回路と、を有し、第2回路は、第2乃至第2n+1トランジスタと、第1乃至第n容量素子と、第1配線と、第1乃至第n保持ノードと、を有し(nは2以上の整数)、第2iトランジスタのゲートは、第1配線と電気的に接続され(iは1以上n以下の整数)、第2iトランジスタの第1端子は、第i保持ノードを介して、第2i+1トランジスタのゲートと、第i容量素子の第1端子と、に電気的に接続され、第1入力端子は、第3トランジスタの第1端子と電気的に接続され、第2i−1トランジスタの第2端子は、第2i+1トランジスタの第1端子と電気的に接続され、第2n+1トランジスタの第2端子は、第1トランジスタの第1端子と電気的に接続され、第1トランジスタの第2端子は、第1出力端子と電気的に接続されることを特徴とする半導体装置である。
又は、本発明の一態様は、前記(1)、又は前記(2)において、メモリセルアレイを有する半導体装置であって、第1回路を複数有し、メモリセルアレイは、複数の第2回路を有することを特徴とする半導体装置である。
又は、本発明の一態様は、前記(3)において、メモリセルアレイを複数有し、複数のメモリセルアレイは、互いに重畳された構成であることを特徴とする半導体装置である。
又は、本発明の一態様は、前記(1)乃至前記(4)のいずれか一において、第3回路を有し、第3回路は、第1回路に電位を印加する機能と、第1回路から出力された電位を読み出す機能と、を有し、第1入力端子は、第3回路と電気的に接続され、第1出力端子は、第3回路と電気的に接続されることを特徴とする半導体装置である。
又は、本発明の一態様は、前記(5)において、第2回路は、第3回路の上方に位置することを特徴とする半導体装置である。
又は、本発明の一態様は、前記(1)乃至(6)において、第1乃至第2n+1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ことを特徴とする半導体装置である。
又は、本発明の一態様は、前記(1)乃至(6)において、第1トランジスタは、チャネル形成領域にシリコンを有し、第2乃至第2n+1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ことを特徴とする半導体装置である。
又は、本発明の一態様は、前記(1)乃至(8)において、第1乃至第2n+1トランジスタの少なくとも一は、バックゲートを有することを特徴とする半導体装置である。
又は、本発明の一態様は、前記(1)乃至(9)において、第1乃至第n保持ノードは、それぞれMビット(Mは1以上の整数)のデータを電位として保持する機能と、第1乃至第n保持ノードに保持されている電位に対応する電位を第1出力端子から出力する機能を有することを特徴とする半導体装置である。
ここでは、本発明の一態様の半導体装置の一例について説明する。
初めに、本発明の一態様に係る半導体装置の基本構成となるメモリセルの一例について説明する。
図2に、メモリセルMC[i]を示す(iは1以上の整数である)。メモリセルMC[i]は、トランジスタTRA[i]と、トランジスタTRB[i]と、容量素子C[i]と、を有し、配線CNODE[i]と、配線WLと、配線D[i]と、配線S[i]と、配線WBL[i]と、に電気的に接続されている。トランジスタTRA[i]はバックゲートBGA[i]を有し、トランジスタTRB[i]はバックゲートBGB[i]を有している。
続いて、メモリセルMC[i]の書き込み動作及び読み出し動作について説明する。各メモリセルに1ビットのデータを書き込む、また、各メモリセルから1ビットのデータを読み込む場合について説明する。1ビットとは、2進数表記で”0”から”1”までの2種類の情報を扱うことできることをいう。以下、”0”及び”1”の情報を表す電位をそれぞれV0及びV1と表し、また”0”及び”1”の情報を包括して2値という場合がある。
下記に、本発明の一態様に係る半導体装置について説明する。
図1に、一例として、<メモリセルの構成例>で説明したメモリセルMC[i]を2つ同一層に設けた半導体装置を示す。半導体装置110は、回路部MCS、及び回路部Si−Cを有する。回路部MCSは、トランジスタSWと、回路部MCCを有する。回路部MCCは、メモリセルMC[1]と、メモリセルMC[2]と、を有しており、メモリセルMC[1]及びメモリセルMC[2]は、図2のメモリセルMC[i]と同じ構成である。メモリセルMC[1]は、配線CNODE[1]と、配線WLと、配線WBL[1]と電気的に接続され、トランジスタSWを介してノードNAと電気的に接続されている。メモリセルMC[2]は、配線CNODE[2]と、配線WLと、配線WBL[2]と、ノードNBと電気的に接続されている。回路部Si−Cは、出力端子と、入力端子と、を有し、出力端子は、ノードNAと電気的に接続され、入力端子はノードNBと電気的に接続されている。
続いて、半導体装置110の書き込み動作及び読み出し動作について説明する。なお、本動作については、各メモリセルに2ビットのデータを書き込む、また、各メモリセルから2ビットのデータを読み込む場合について説明する。2ビットとは、2進数表記で”00”から”11”までの4種類の情報を扱うことができることをいう。以下、”00”、”01”、”10”及び”11”の情報を表す電位をそれぞれV00、V01、V10、及びV11と表し、また”00”乃至”11”の情報を包括して4値という場合がある。
本発明の一態様に係る記憶装置の構成の一例について、図17を用いながら説明する。
OSトランジスタ(酸化物半導体を有するトランジスタ)の説明をする。
図18にOSトランジスタの構成の一例を示す。図18(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18(B)は、一点鎖線y1−y2の断面図であり、図18(C)は一点鎖線x1−x2の断面図であり、図18(D)は一点鎖線x3−x4の断面図である。ここでは、一点鎖線y1−y2の方向をチャネル長方向と、一点鎖線x1−x2方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。よって、図18(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18(C)及び図18(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18(A)では、一部の構成要素が省略されている。
絶縁体511乃至絶縁体516は、単層構造又は積層構造の絶縁膜で形成される。絶縁膜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。
導電体530、導電体531、導電体532、導電体533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、又はこれらを主成分とする化合物を含む導電膜の単層又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。
半導体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)又はスズ(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。又は、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。
図19を参照して、半導体521、半導体522、及び半導体523の積層により構成される半導体領域520の機能及びその効果について、説明する。図19(A)は、図18(B)の部分拡大図であり、OS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19(B)はOSトランジスタ581の活性層のエネルギーバンド構造であり、図19(A)の一点鎖線z1−z2で示す部位のエネルギーバンド構造を示している。
基板510としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板又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、又は炭化シリコン、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、バルク型でもよいし、半導体基板に絶縁領域を介して半導体が設けられている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。又は、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又は半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体又は絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体又は絶縁体が設けられた基板などである。又は、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。
図18(A)に示すOSトランジスタ581は、導電体530をマスクにして、半導体523及び絶縁体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20(A)に示す。図20(A)に示すOSトランジスタ582では、半導体523及び絶縁体515の端部は導電体530の端部とほぼ一致することになる。導電体530の下部のみに半導体523及び絶縁体515が存在する。
図20(B)に示すOSトランジスタ583は、OSトランジスタ582に導電体535、導電体536を追加したデバイス構造を有する。OSトランジスタ583のソース電極及びドレイン電極として一対の電極は、導電体535と導電体531の積層、及び導電体536と導電体532の積層で構成される。
図18に示すOSトランジスタ581は、導電体531及び導電体532が、半導体521及び半導体522の側面と接していてもよい。そのような構成例を図20(C)に示す。図20(C)に示すOSトランジスタ584は、導電体531及び導電体532が半導体521の側面及び半導体522の側面と接している。
インジウム、亜鉛、ガリウムを含む酸化物半導体は熱伝導率が悪いので、該酸化物半導体を有するトランジスタを駆動し続けると、自己発熱によって該トランジスタの信頼性が悪化する場合がある。そのため、駆動によって生じた熱を放熱するようなトランジスタの構造を形成するのが好ましい。
本実施の形態では、上記実施の形態で説明したOSトランジスタに適用可能な酸化物半導体膜の構造について説明する。
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、CAAC−OS(c−axis−aligned and a−b−plane anchored crystal oxide semiconductor)、多結晶酸化物半導体、nc−OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a−like OS:amorphous−like oxide semiconductor)及び非晶質酸化物半導体などがある。
まずは、CAAC−OSについて説明する。
次に、nc−OSについて説明する。
a−like OSは、nc−OSと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明した半導体装置を電子部品に適用する例、及び該電子部品を具備する電子機器に適用する例について、図26、図27を用いて説明する。
図26(A)では上述の実施の形態で説明した半導体装置を電子部品に適用する例について説明する。なお電子部品は、半導体パッケージ、又はIC用パッケージともいう。この電子部品は、端子取り出し方向や、端子の形状に応じて、複数の規格や名称が存在する。そこで、本実施の形態では、その一例について説明することにする。
次に上述した電子部品を適用した電子機器について説明する。
MC[1] メモリセル
MC[2] メモリセル
MC[n] メモリセル
MC メモリセル
pMC[i] メモリセル
MC[1,1] メモリセル
MC[m,1] メモリセル
MC[1,n] メモリセル
MC[m,n] メモリセル
MCC 回路部
MCC[1] 回路部
MCC[m] 回路部
MCC[1,1] 回路部
MCC[m,1] 回路部
MCC[1,n] 回路部
MCC[m,n] 回路部
MCA メモリセルアレイ
MCS 回路部
MCS[1] 回路部
MCS[m] 回路部
MCS[1,1] 回路部
MCS[m,1] 回路部
MCS[1,n] 回路部
MCS[m,n] 回路部
MCSS 回路部
Si−C 回路部
TRA[i] トランジスタ
TRA[1] トランジスタ
TRA[2] トランジスタ
TRA[n] トランジスタ
TRB[i] トランジスタ
TRB[1] トランジスタ
TRB[2] トランジスタ
TRB[n] トランジスタ
BGA[i] バックゲート
BGA[1] バックゲート
BGA[2] バックゲート
BGA[n] バックゲート
BGB[i] バックゲート
BGB[1] バックゲート
BGB[2] バックゲート
BGB[n] バックゲート
pTRA[i] トランジスタ
pTRB[i] トランジスタ
SW トランジスタ
SW[1] トランジスタ
SW[m] トランジスタ
SW[1,1] トランジスタ
SW[m,1] トランジスタ
SW[1,n] トランジスタ
SW[m,n] トランジスタ
C[i] 容量素子
C[1] 容量素子
C[2] 容量素子
C[n] 容量素子
FN[i] ノード
FN[1] ノード
FN[2] ノード
FN[n] ノード
CNODE[i] 配線
CNODE[1] 配線
CNODE[2] 配線
CNODE[n] 配線
CNODE[1,1] 配線
CNODE[1,n] 配線
CNODE[m,1] 配線
CNODE[m,n] 配線
CNODE(1)[1] 配線
CNODE(k)[1] 配線
CNODE(1)[n] 配線
CNODE(k)[n] 配線
D[i] 配線
S[i] 配線
WBL[i] 配線
WBL[1] 配線
WBL[2] 配線
WBL[n] 配線
WBL(1)[1] 配線
WBL(k)[1] 配線
WBL(1)[n] 配線
WBL(k)[n] 配線
WL 配線
WL[1] 配線
WL[m] 配線
SWG 配線
SWG[1] 配線
SWG[m] 配線
SWG[1,1] 配線
SWG[m,1] 配線
SWG[1,n] 配線
SWG[m,n] 配線
NA ノード
NA[1] ノード
NA[m] ノード
NA[1,1] ノード
NA[m,1] ノード
NA[1,n] ノード
NA[m,n] ノード
NB ノード
NB[1] ノード
NB[m] ノード
NB[1,1] ノード
NB[m,1] ノード
NB[1,n] ノード
NB[m,n] ノード
101a 半導体
101b 半導体
102 導電体
103a 導電体
103b 導電体
104a 導電体
104b 導電体
105a 導電体
105b 導電体
106 導電体
107 導電体
108 導電体
110 半導体装置
120 半導体装置
160 半導体装置
170 半導体装置
180 半導体装置
190 半導体装置
510 基板
511 絶縁体
512 絶縁体
513 絶縁体
514 絶縁体
515 絶縁体
516 絶縁体
520 半導体領域
521 半導体
522 半導体
523 半導体
530 導電体
531 導電体
532 導電体
533 導電体
535 導電体
536 導電体
700 電子部品
701 リード
702 プリント基板
703 回路部
704 回路基板
581 OSトランジスタ
582 OSトランジスタ
583 OSトランジスタ
584 OSトランジスタ
2600 記憶装置
2601 周辺回路
2610 メモリセルアレイ
2621 ローデコーダ
2622 ワード線ドライバ回路
2630 ビット線ドライバ回路
2631 カラムデコーダ
2632 プリチャージ回路
2633 センスアンプ
2634 書き込み回路
2640 出力回路
2660 コントロールロジック回路
5001 筐体
5002 筐体
5003 表示部
5004 表示部
5005 マイクロホン
5006 スピーカー
5007 操作キー
5008 スタイラス
5101 車体
5102 車輪
5103 ダッシュボード
5104 ライト
5301 筐体
5302 冷蔵室用扉
5303 冷凍室用扉
5401 筐体
5402 表示部
5403 キーボード
5404 ポインティングデバイス
5601 第1筐体
5602 第2筐体
5603 第1表示部
5604 第2表示部
5605 接続部
5606 操作キー
5801 第1筐体
5802 第2筐体
5803 表示部
5804 操作キー
5805 レンズ
5806 接続部
Claims (10)
- 第1回路を有し、
前記第1回路は、第1入力端子と、第1出力端子と、第1トランジスタと、第2回路と、を有し、
前記第2回路は、第2乃至第2n+1トランジスタと、第1乃至第n容量素子と、第1配線と、第1乃至第n保持ノードと、を有し(nは2以上の整数)、
前記第2iトランジスタのゲートは、前記第1配線と電気的に接続され(iは1以上n以下の整数)、
前記第2iトランジスタの第1端子は、前記第i保持ノードを介して、前記第2i+1トランジスタのゲートと、前記第i容量素子の第1端子と、に電気的に接続され、
前記第1入力端子は、前記第1トランジスタの第1端子と電気的に接続され、
前記第1トランジスタの第2端子は、前記第3トランジスタの第1端子と電気的に接続され、
前記第2i−1トランジスタの第2端子は、前記第2i+1トランジスタの第1端子と電気的に接続され、
前記第2n+1トランジスタの第2端子は、前記第1出力端子と電気的に接続されることを特徴とする半導体装置。 - 第1回路を有し、
前記第1回路は、第1入力端子と、第1出力端子と、第1トランジスタと、第2回路と、を有し、
前記第2回路は、第2乃至第2n+1トランジスタと、第1乃至第n容量素子と、第1配線と、第1乃至第n保持ノードと、を有し(nは2以上の整数)、
前記第2iトランジスタのゲートは、前記第1配線と電気的に接続され(iは1以上n以下の整数)、
前記第2iトランジスタの第1端子は、前記第i保持ノードを介して、前記第2i+1トランジスタのゲートと、前記第i容量素子の第1端子と、に電気的に接続され、
前記第1入力端子は、前記第3トランジスタの第1端子と電気的に接続され、
前記第2i−1トランジスタの第2端子は、前記第2i+1トランジスタの第1端子と電気的に接続され、
前記第2n+1トランジスタの第2端子は、前記第1トランジスタの第1端子と電気的に接続され、
前記第1トランジスタの第2端子は、前記第1出力端子と電気的に接続されることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1、又は請求項2において、メモリセルアレイを有する半導体装置であって、
前記第1回路を複数有し、
前記メモリセルアレイは、複数の前記第2回路を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項3において、
前記メモリセルアレイを複数有し、
前記複数のメモリセルアレイは、互いに重畳された構成であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか一において、
第3回路を有し、
前記第3回路は、前記第1回路に電位を印加する機能と、前記第1回路から出力された電位を読み出す機能と、を有し、
前記第1入力端子は、前記第3回路と電気的に接続され、
前記第1出力端子は、前記第3回路と電気的に接続されることを特徴とする半導体装置。 - 請求項5において、
前記第2回路は、前記第3回路の上方に位置することを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至請求項6において、
前記第1乃至第2n+1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ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至請求項6において、
前記第1トランジスタは、チャネル形成領域にシリコンを有し、
前記第2乃至第2n+1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ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至請求項8において、
前記第1乃至第2n+1トランジスタの少なくとも一は、バックゲートを有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至請求項9において、
前記第1乃至第n保持ノードは、それぞれMビット(Mは1以上の整数)のデータを電位として保持する機能と、前記第1乃至第n保持ノードに保持されている電位に対応する電位を前記第1出力端子から出力する機能を有することを特徴とする半導体装置。
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