JP2017120683A - 記憶装置の駆動方法 - Google Patents
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Abstract
Description
Memory)が広く知られている。
れている。酸化物半導体は、トランジスタに適用することができる(特許文献1及び特許
文献2)。
課題とする。
ソース及びドレインの他方がソース線に電気的に接続された第1のトランジスタと、ソー
ス及びドレインの一方が記憶保持部及び第1のトランジスタのゲートに電気的に接続され
、ソース及びドレインの他方が第1のビット線に接続されたオフ電流が小さい第2のトラ
ンジスタと、一方の端子が、第2のトランジスタのソース及びドレインの一方及び第1の
トランジスタのゲートに電気的に接続された容量素子と、を有するメモリセルがマトリク
ス状に配列された第1の記憶部と、第1の記憶部における第1のビット線に代えて第2の
ビット線が設けられた第2の記憶部と、を有する記憶装置の駆動方法であって、ソース線
の電位を第1の電位とし、第1のビット線の電位を第2の電位とした後に第1のビット線
を電気的に孤立させ、容量素子の他方の端子の電位を第3の電位とし、第3の電位を第4
の電位にすることで、第1のビット線の電位を第1の電位または第2の電位とし、第2の
ビット線の電位を第2の電位よりも低い第5の電位とし、第1のビット線の電位に応じて
第1のビット線の電位を第6の電位または第7の電位とし、第1のビット線と入出力線と
の間に設けられたスイッチを制御することで第1のビット線のデータを選択的に読み出す
ことで記憶保持部のデータを選択的に読み出す記憶装置の駆動方法である。
の電位と等しくまたは第1の電位より低いことが好ましい。
の電位と第6の電位が等しく、第2の電位は第1の電位より高く、第3の電位よりも低い
ことが好ましい。
であることが好ましい。
ソース及びドレインの他方がソース線に電気的に接続された第1のトランジスタと、ソー
ス及びドレインの一方が記憶保持部及び第1のトランジスタのゲートに電気的に接続され
、ソース及びドレインの他方が第1のビット線に接続されたオフ電流が小さい第2のトラ
ンジスタと、一方の端子が、前記第2のトランジスタのソース及びドレインの一方及び第
1のトランジスタのゲートに電気的に接続された容量素子と、を有するメモリセルがマト
リクス状に配列された第1の記憶部と、第1の記憶部における第1のビット線に代えて第
2のビット線が設けられた第2の記憶部と、を有する記憶装置の駆動方法であって、ソー
ス線の電位を第1の電位とし、第1のビット線の電位を第2の電位とした後に第1のビッ
ト線を電気的に孤立させ、容量素子の他方の端子の電位を第3の電位とし、第3の電位を
第4の電位にすることで、第1のビット線の電位を第1の電位または第2の電位とし、第
2のビット線の電位を第2の電位よりも低い第5の電位とし、第1のビット線と入出力線
との間に設けられたスイッチを制御することで第1のビット線を選択して第1のビット線
の電位を第6の電位または第7の電位として記憶保持部にデータを書き込み、第2のトラ
ンジスタをオフすることで記憶保持部にデータを選択的に書き込む記憶装置の駆動方法で
ある。
の電位と等しくまたは第1の電位より低いことが好ましい。
の電位と第6の電位が等しく、第2の電位は第1の電位より高く、第3の電位よりも低い
ことが好ましい。
であることが好ましい。
電流は100zA以下であることが好ましい。
チ並びに第1の駆動回路及び第2の駆動回路を有し、第1の記憶部及び第2の記憶部には
複数の記憶素子がマトリクス状に配置され、第1の記憶部は第1のスイッチに電気的に接
続され、第2の記憶部は第2のスイッチに電気的に接続され、第1の駆動回路は、二のプ
リチャージスイッチと、一のセンスアンプと、を有し、複数の記憶素子は、25℃におけ
るオフ電流は100zA以下であるトランジスタのソースまたはドレインに電気的に接続
されたノードを記憶保持部とする記憶装置である。すなわち、本発明の一態様である記憶
装置においては、ページバッファ回路が設けられておらず、非選択列のビット線BLにデ
ータの書き戻しを行うことで記憶保持部のデータが保持される。
トランジスタとすればよい。
に接続された高速動作が可能なトランジスタを有すればよい。
いたトランジスタであることが好ましい。
は以下の説明に限定されず、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、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
本実施の形態では、本発明の一態様である記憶装置の構成及び動作の一形態について説
明する。
置100は、第1の記憶部101a及び第2の記憶部101bと、第1の記憶部101a
に電気的に接続された第1のスイッチ102aと、第2の記憶部101bに電気的に接続
された第2のスイッチ102bと、第1の記憶部101a及び第2の記憶部101bの双
方に電気的に接続された第1の駆動回路103と、第1のスイッチ102a及び第2のス
イッチ102bに電気的に接続された第2の駆動回路104と、第1の記憶部101a、
第2の記憶部101b、第1のスイッチ102a、第2のスイッチ102b及び第1の駆
動回路103に電気的に接続された第3の駆動回路105と、を有する。
記憶素子を有する。次に、第1の記憶部101a及び第2の記憶部101bにマトリクス
状に配置された複数の記憶素子について図2を参照して説明する。
252と、容量素子254と、を有する。第1のトランジスタ250のソース及びドレイ
ンの一方は、ソース線SLに電気的に接続され、第1のトランジスタ250のソース及び
ドレインの他方は、ビット線BLに電気的に接続されている。第2のトランジスタ252
のソース及びドレインの一方は、ビット線BLに電気的に接続され、第2のトランジスタ
252のゲートは、書き込みワード線OSGに電気的に接続されている。容量素子254
の一方の電極は、書き込み及び読み出しワード線Cに電気的に接続されている。
びドレインの他方と、容量素子254の他方の電極は、電気的に接続されている。これら
が接続された部分には、記憶保持部(以下、ノードFNと表記する。)が形成されている
。
ース及びドレインの他方と、第2のトランジスタ252のソース及びドレインの一方が、
それぞれ異なる配線(ビット線)に接続されていてもよい。
用いる。オフ電流が極めて小さいトランジスタとしては、後に説明するように酸化物半導
体を用いたトランジスタを例示することができるが、これに限定されない。第2のトラン
ジスタ252は、オフ電流が極めて小さいため、第2のトランジスタ252をオフすると
、ノードFNの電位を長時間維持することができる。
体で形成されるトランジスタの10万分の1以下とすることもできる。そのため、第2の
トランジスタ252のソースとドレインの間のリークによってノードFNから消失する電
荷は無視できるほどに小さい。つまり、第2のトランジスタ252に酸化物半導体を用い
ると、電力の供給がなくてもノードFNに電荷を保持することができ、不揮発性の記憶装
置を得ることができる。
り、容量素子254の容量値が10fF程度である場合には、少なくとも104秒以上の
データ保持が可能である。
持されたデータの読み出しが行いやすい。
ましい。第1のトランジスタ250としては、単結晶シリコンを用いたトランジスタを例
示することができる。第1のトランジスタ250として、スイッチング速度の高いトラン
ジスタを用いると、データの読み出しを高速で行うことができる。本実施の形態では、第
1のトランジスタ250としては、pチャネル型のトランジスタを用いる。
について説明する。
せる。これにより、ビット線BLからノードFNに、所定の電荷が与えられる(書き込み
)。ここでは、異なる二つの電位を与える電荷(以下、低電位を与える電荷を電荷QL、
高電位を与える電荷を電荷QHと表記する)のいずれかが与えられるものとする。
せることにより、ノードFNに電荷が保持される(保持)。
三つまたはそれ以上の電位であってもよい。すなわち、図2(A−1)に示す記憶素子に
記憶させるデータは2値に限定されず、多値化されていてもよい。記憶素子に記憶させる
データを多値化すると、単位面積あたりの記憶容量を向上させることができる。
と、ノードFNに保持された電荷量に応じて、ビット線BLは異なる電位となる。すなわ
ち、第1のトランジスタ250のコンダクタンスは、ノードFNに保持された電荷によっ
て決まる。
250のゲートの電荷が電荷QHである場合の見かけのしきい値Vth_Hは、第1のト
ランジスタ250のゲートの電荷が電荷QLである場合の見かけのしきい値Vth_Lよ
り低くなる。例えば、書き込みによってノードFNに電荷QLが与えられた場合には、書
き込み及び読み出しワード線Cの電位がV0(Vth_HとVth_Lの間の電位)とな
れば、第1のトランジスタ250はオンする。書き込みによってノードFNに電荷QHが
与えられた場合には、書き込み及び読み出しワード線Cの電位がV0となっても、第1の
トランジスタ250はオフのままである。このため、ビット線BLの電位を記憶されてい
るデータとして読み出すことができる。
スタ252をオンさせる。これにより、ビット線BLから書き換えデータの電荷がノード
FNに与えられる。その後、書き込みワード線OSGの電位を制御して第2のトランジス
タ252をオフさせることにより、ノードFNには書き換えデータの電荷を保持する。
ィングゲートから電荷の引き抜きを行うことで動作するフラッシュメモリとは異なり、消
去動作に起因する動作速度の低下を抑制することができ、高速動作が可能である。
ゲートを用いないため、電子をフローティングゲートに注入する際のトンネル絶縁層の劣
化の問題が生じない。そのため、書き込み回数に制限がない。また、従来のフラッシュメ
モリにおいて書き込みと消去の際に必要であった高電位も不要である。
る。抵抗値R1は容量素子254の抵抗値であり、容量素子254を構成する絶縁層にお
ける抵抗値に相当する。容量値C1は容量素子254の容量値である。また、抵抗値R2
は第1のトランジスタ250の抵抗値であり、第1のトランジスタ250がオンしたとき
のゲート絶縁層における抵抗値に相当する。また、容量値C2は第1のトランジスタ25
0の容量値であり、容量値C2はいわゆるゲート容量(ゲートと、ソースまたはドレイン
の間の容量と、ゲートとチャネル形成領域の間の容量)の容量値に相当する。
抵抗)をROSとする。第2のトランジスタ252のゲートリーク電流(ゲートと、ソー
スまたはドレインの間に流れる電流)が十分に小さい場合には、R1≧ROS、且つ、R
2≧ROSであれば、電荷の保持期間は、主として第2のトランジスタ252のオフ電流
(オフ時にソースとドレインの間に流れる電流)によって決定される。
のオフ電流が十分に小さくとも、電荷の保持期間を十分に長くすることは困難である。第
2のトランジスタ252のオフ電流以外のリーク電流(例えば、ソースとゲートの間に生
じるリーク電流)が大きいためである。従って、電荷の保持期間を十分に長くするために
は、R1≧ROS、且つ、R2≧ROSであることが好ましい。
込み及び読み出しワード線Cに与える電位の電位差(例えば、読み出し時の電位と非読み
出し時の電位の電位差)を低く抑えることができるためである。
50のゲート絶縁層及び容量素子の絶縁層によって決まる。
、隣接するセルの誤動作を防ぐためにセル間にある程度の間隔を確保する必要があり、高
集積化には不利である。図2(A−1)に示す記憶素子では、このような高電位が不要で
あるため、高集積化しやすい。さらには、高電位とするための昇圧回路が不要である。
ある。図3におけるメモリセル110の構成は、図2(A−1)と同様である。ただし、
図3(A)では、2列のメモリセルが一のソース線SLを共有している。図3(B)では
、2行のメモリセルが一のソース線SLを共有している。複数の行または列に配されたメ
モリセルがソース線SLを共有することで、配線の本数を少なくすることができる。
または2行)に限定されるものではなく、3列(または3行)以上の複数列(または複数
行)であってもよい。
る。ここで、ソース線切り替え回路106は、ソース線切り替え信号線SLCに電気的に
接続されている。
は、図2の場合と同様に行うことができる。ここで、ノードFNに電源電位VDDを与え
た場合に保持されるデータをデータ”1”、ノードFNに接地電位GNDを与えた場合に
保持されるデータをデータ”0”とする場合について説明する。
地電位GNDとし、書き込みワード線OSG_1を電源電位VDDとして一行分のメモリ
セル110を選択する。これにより、選択されたメモリセル110のノードFNにビット
線BL1(若しくはビット線BL_2)からの電荷が供給される。
0のゲートにはオンする電位が与えられる。このとき、ビット線BL_1とソース線SL
との間(若しくはビット線BL_2とソース線SLとの間)に電流が生じてノードFNに
書き込む電位が上昇することを抑制するために、ソース線SLの電位は接地電位GNDと
する。
の信号経路を切り換えることで、ソース線SLに接地電位GNDを供給する。このように
ソース線SLの電位を接地電位GNDとすることで、第1のトランジスタ250がオンし
ても、ビット線BL_1とソース線SLとの間(ビット線BL_2とソース線SLとの間
)に電流が流れることを抑制することができる。
、読み出し時に、所定のメモリセル110のデータのみの読み出しが可能な構成であるこ
とを要する。このように、所定のメモリセル110のデータのみを読み出し、それ以外の
メモリセル110のデータを読み出さないようにするためには、読み出さないメモリセル
110を非選択状態とする必要がある。
ードFNに電源電位VDDを与えた場合に保持されるデータをデータ”1”、ノードFN
に接地電位GNDを与えた場合に保持されるデータをデータ”0”とする場合においては
、ソース線SLを接地電位GNDとし、書き込み及び読み出しワード線C_1を電源電位
VDDとし、書き込みワード線OSG_1を接地電位GNDとすることで一行分のメモリ
セル110は非選択状態となる。
位は容量素子254との容量結合によって電源電位VDD分上昇する。データ”1”であ
る電源電位VDDがノードFNに書き込まれている場合には、ノードFNの電位は電源電
位VDD分上昇してVDD+VDD=2VDDになり、第1のトランジスタ250のゲー
ト電圧(ソースの電位に対するゲートの電位の電位差)が、しきい値電圧よりも大きくな
るため、pチャネル型トランジスタである第1のトランジスタ250はオフする。一方、
データ”0”である接地電位GNDがノードFNに書き込まれている場合には、ノードF
Nの電位は電源電位VDD分上昇してGND+VDD=VDDとなり、第1のトランジス
タ250のゲート電圧(ソースの電位に対するゲートの電位の電位差)がしきい値電圧よ
りも大きくなるため、pチャネル型トランジスタである第1のトランジスタ250はオフ
する。すなわち、書き込み及び読み出しワード線C_1を電源電位VDDとすることで、
ノードFNの電位(保持されたデータ)に関わらず、第1のトランジスタ250をオフ状
態、すなわち、メモリセル110を非選択状態とすることができる。
用いると、nチャネル型トランジスタのゲート電圧(ソースの電位に対するゲートの電位
の電位差)がこのトランジスタのしきい値電圧より高くなってしまった場合に、書き込み
及び読み出しワード線を0Vとしても全てのメモリセルをオフ状態にできるとは限らない
。従って、メモリセルを非選択状態とするために非選択行の書き込み及び読み出しワード
線の電位を負にする必要がある。しかしながら、本実施の形態の記憶装置では、読み出し
用である第1のトランジスタ250にpチャネル型トランジスタを用いているため、非選
択行の書き込み及び読み出しワード線を高電位とすることで、ノードFNの電位(保持さ
れたデータ)に関わらず非選択行のメモリセルをオフすることが可能である。従って、メ
モリセルにおいて負の電位を生成する電源を設ける必要がなくなり、消費電力を低減し、
且つ記憶装置を小型化することができる。
は複数行)で共有することで、記憶部(メモリセルアレイ)の面積を縮小することができ
る。そのため、ダイサイズを縮小することができ、記憶装置の作製コストを低減すること
ができる。さらには、歩留まりを向上させることができる。
2のスイッチ102bが電気的に接続されている。第1のスイッチ102a及び第2のス
イッチ102bは、第2の駆動回路104から供給される入出力信号(入出力線sub_
ioまたは反転入出力線sub_iobからの信号)を第1の記憶部101a、第2の記
憶部101b及び第1の駆動回路103に設けられたビット線BL及び反転ビット線BL
Bのそれぞれに入力するか否かを制御する。第1のスイッチ102aは、ビット線BLの
本数と同数のトランジスタを有する。第2のスイッチ102bは、反転ビット線BLBの
本数と同数のトランジスタを有する。
トランジスタ121のソース及びドレインの一方は、入出力信号が供給される入出力線s
ub_ioに電気的に接続され、トランジスタ121のソース及びドレインの他方は、ビ
ット線BLに電気的に接続されている。トランジスタ121のゲートは配線SELに電気
的に接続されている。
トランジスタ122のソース及びドレインの一方は、入出力信号が供給される反転入出力
線sub_iobに電気的に接続され、トランジスタ122のソース及びドレインの他方
は、反転ビット線BLBに電気的に接続されている。トランジスタ122のゲートは配線
SELに電気的に接続されている。
びトランジスタ122がオンし、またはオフするかは第3の駆動回路105により制御さ
れている。
4の構成とその動作について説明する。
び第2のプリチャージスイッチ170を有する(図5)。第2の駆動回路104は、第1
の駆動回路103を用いてもよいし、他の構成の回路を用いてもよく、特に限定はない。
3、トランジスタ154、トランジスタ155及びトランジスタ156を有する。トラン
ジスタ151のソース及びドレインの一方の電位は電源電位VDDであり、トランジスタ
151のソース及びドレインの他方は、トランジスタ152のソース及びドレインの一方
と、トランジスタ153のソース及びドレインの一方に電気的に接続されている。トラン
ジスタ152のソース及びドレインの他方は、トランジスタ154のソース及びドレイン
の一方と、トランジスタ153及びトランジスタ155のゲートと、反転ビット線BLB
に電気的に接続されている。トランジスタ153のソース及びドレインの他方は、トラン
ジスタ155のソース及びドレインの一方と、トランジスタ152及びトランジスタ15
4のゲートと、ビット線BLに電気的に接続されている。トランジスタ154のソース及
びドレインの他方とトランジスタ155のソース及びドレインの他方は、トランジスタ1
56のソース及びドレインの一方に電気的に接続されている。トランジスタ156のソー
ス及びドレインの他方の電位は接地電位GNDである。なお、トランジスタ156のゲー
トにはラッチ信号線LATが接続され、トランジスタ151のゲートには反転ラッチ信号
線LATBが接続されている。
有する。トランジスタ161のソース及びドレインの一方の電位は第1のプリチャージ電
位VPRE1であり、トランジスタ162のソース及びドレインの一方の電位は第2のプ
リチャージ電位VPRE2である。トランジスタ161のソース及びドレインの他方は、
トランジスタ162のソース及びドレインの他方と、ビット線BLに電気的に接続されて
いる。なお、トランジスタ161のゲートには第1のプリチャージスイッチ信号線PRE
1から信号が入力され、トランジスタ162のゲートには第2のプリチャージスイッチ信
号線PRE2Aから信号が入力される。
有する。トランジスタ171のソース及びドレインの一方の電位は第1のプリチャージ電
位VPRE1であり、トランジスタ172のソース及びドレインの一方の電位は第2のプ
リチャージ電位VPRE2である。トランジスタ171のソース及びドレインの他方は、
トランジスタ172のソース及びドレインの他方と、反転ビット線BLBに電気的に接続
されている。なお、トランジスタ171のゲートは第1のプリチャージスイッチ信号線P
RE1に電気的に接続され、トランジスタ172のゲートは第2のプリチャージスイッチ
信号線PRE2Bに電気的に接続されている。
回路104に電気的に接続されており、第2の駆動回路104は、第1の記憶部101a
及び第2の記憶部101bに入出力線sub_io及び反転入出力線sub_iobから
の信号を入力する。
ッチ102a、第2のスイッチ102b及び第1の駆動回路103に電気的に接続されて
おり、これらの回路に様々な信号を供給する。
る。図6は、ノードFNに記憶されたデータ”1”を読み出す際に記憶装置に供給される
信号のタイミングチャートである。図7は、ノードFNに記憶されたデータ”0”を読み
出す際に記憶装置に供給される信号のタイミングチャートである。図8は、ノードFNに
データ”1”を書き込む際に記憶装置に供給される信号のタイミングチャートである。図
9は、ノードFNにデータ”0”を書き込む際に記憶装置に供給される信号のタイミング
チャートである。なお、図8及び図9は、入出力線の電位とビット線BL及び反転ビット
線BLBの電位が異なる場合に記憶装置に供給される信号のタイミングチャートである。
図10は、ノードFNにおいて、入出力線の電位とビット線BLの電位が同じでデータ”
0”を書き込む際に記憶装置に供給される信号のタイミングチャートである。図11は、
ノードFNにおいて、入出力線の電位とビット線BLの電位が同じでデータ”1”を書き
込む際に記憶装置に供給される信号のタイミングチャートである。
OSGに入力されるトランジスタをオンする信号の電位は電源電位VDDとし、オフする
信号の電位は接地電位GNDとしているが、トランジスタをオンし、またはオフする電位
であれば書き込み及び読み出しワード線Cと書き込みワード線OSGに入力される信号の
電位は電源電位VDDと接地電位GNDに限定されない。
線sub_iobの電位はビット線BLのスタンバイ時の電位と等しくしているが、これ
に限定されず、異なる電位であってもよい。
明する。まず、第1のプリチャージスイッチ信号線PRE1から信号を入力して(例えば
電源電位VDDとして)第1のプリチャージスイッチ160が有するトランジスタ161
をオンすることで、ビット線BLをプリチャージして第1のプリチャージ電位VPRE1
(第1の電位)とする。第1のプリチャージ電位VPRE1は、反転ビット線BLBに後
にチャージする第2のプリチャージ電位VPRE2(第5の電位)よりも高くする(VP
RE1>VPRE2)。ただし、トランジスタ161をオンする際にはトランジスタ17
1もオンするので、この時点での反転ビット線BLBの電位は第1のプリチャージ電位V
PRE1である。
号の入力を停止して(例えば接地電位GNDとして)トランジスタ161及びトランジス
タ171をオフする。そして、所定の書き込み及び読み出しワード線Cの電位(第4の電
位)を制御して、所定のメモリセルを選択する。ここでは、所定の書き込み及び読み出し
ワード線Cの電位を電源電位VDDから接地電位GNDにする。このようにスタンバイ状
態から読み出し期間へ移行する。
、すなわち所定の書き込み及び読み出しワード線Cの電位を接地電位GNDとした後のノ
ードFNの電位(第3の電位)が接地電位GND(第1のトランジスタ250をオフしな
い電位)である場合には、pチャネル型トランジスタである第1のトランジスタ250は
オンする。第1のトランジスタ250がオンすると、ビット線BLからソース線SLに電
流が流れ、ビット線BLの電位が下がる。ここでは、ビット線BLの電位は第1のプリチ
ャージ電位VPRE1から接地電位GNDまで下がるものとする。
、すなわち所定の書き込み及び読み出しワード線Cの電位を接地電位GNDとした後のノ
ードFNの電位が電源電位VDD(第1のトランジスタ250をオフする電位)である場
合には、第1のトランジスタ250がオンしないためビット線BLからソース線SLに電
流が流れず、ビット線BLの電位は第1のプリチャージ電位VPRE1に保持される。
合には、ビット線BLの電位は接地電位GNDとなり、選択したメモリセルのノードFN
に記憶されているデータが”1”である場合には、ビット線BLの電位は第1のプリチャ
ージ電位VPRE1となる。
源電位VDDとして)第2のプリチャージスイッチ170が有するトランジスタ172を
オンすることで、反転ビット線BLBをチャージして第2のプリチャージ電位VPRE2
とする。
信号線LATBからの信号の入力(例えば接地電位GND)を停止することで、トランジ
スタ151及びトランジスタ156をオンする。すると、ビット線BLと反転ビット線B
LBの電位の大小関係によって、ビット線BLの電位は電源電位VDDまたは接地電位G
NDになる。反転ビット線BLBの電位は第2のプリチャージ電位VPRE2であるため
、ビット線BLの電位が第1のプリチャージ電位VPRE1である場合にはビット線BL
の電位のほうが反転ビット線BLBの電位よりも高いため、この場合には、ビット線BL
の電位は電源電位VDDまで上昇する(第6の電位)。一方、ビット線BLの電位が接地
電位GNDである場合には、ビット線BLの電位のほうが反転ビット線BLBの電位より
も低いため、ビット線BLの電位は接地電位GNDまで低下する。
には、第2のプリチャージスイッチ信号線PRE2Aから信号を入力して(例えば電源電
位VDDとして)第1のプリチャージスイッチ160が有するトランジスタ162をオン
することで、ビット線BLをチャージして第2のプリチャージ電位VPRE2とする。
SELからの信号を入力してトランジスタ122をオンすると、ビット線BLBの電位が
入出力線に伝わり、データを読み出すことができる。
01aが有するメモリセルのデータを読み出す際と同様な動作をさせればよい。すなわち
、上記動作において、第2のプリチャージスイッチ信号線PRE2Bからの信号を入力し
てトランジスタ172をオンさせる代わりに第2のプリチャージスイッチ信号線PRE2
Aからの信号を入力してトランジスタ162をオンさせ、反転ビット線BLBの電位を入
出力線から読み出せばよい。
チ信号線LATBからの信号の入力(例えば接地電位GND)を停止することで、トラン
ジスタ151及びトランジスタ156をオンする。すると、ビット線BLと反転ビット線
BLBの電位の大小関係によって、反転ビット線BLBの電位は電源電位VDDまたは接
地電位GNDになる。ビット線BLの電位は第2のプリチャージ電位VPRE2であるた
め、反転ビット線BLBの電位が第1のプリチャージ電位VPRE1である場合には反転
ビット線BLBの電位のほうがビット線BLの電位よりも高くなり、この場合には、反転
ビット線BLBの電位は電源電位VDDまで上昇する。反転ビット線BLBの電位が接地
電位GNDまで低下する場合には反転ビット線BLBの電位のほうがビット線BLの電位
よりも低くなり、反転ビット線BLBの電位は接地電位GNDまで低下する(第7の電位
)。
き込み及び読み出しワード線Cの電位を電源電位VDDまで戻すことでスタンバイ及びデ
ータ保持期間へと移行する。
チ信号線LATBから信号を入力してトランジスタ151及びトランジスタ156をオン
するところまでは、読み出し時と同様である。
じた信号を入力する。入出力線から入力する信号の電位は、書き込みを行うデータに応じ
て電源電位VDDまたは接地電位GNDとする。例えば、データが”1”のときには電源
電位VDDとし、データが”0”のときには接地電位GNDとする。
BLの電位と入出力線の電位が異なる場合には、ビット線BLからの信号と入出力線から
の信号が衝突する。そこで、ビット線BLの容量を入出力線の容量より小さくすると、入
出力線の電位をビット線BLの電位とすることができる。
のトランジスタ252をオンし、所定のメモリセルのビット線BLの電位をノードFNに
入力する。その後、書き込みワード線OSGに信号を入力することにより、第2のトラン
ジスタ252をオフする。第2のトランジスタ252はオフ電流が小さいため、データを
記憶保持部に保持することができる。その後、書き込み及び読み出しワード線Cの電位を
電源電位VDDに戻すことでスタンバイ及びデータ保持期間へと移行する。
スタ121がオンしているため、選択された列のビット線BLと入出力線sub_ioが
接続される。
22がオフしているため、選択された列の反転ビット線BLBと反転入出力線sub_i
obが接続されない。
入出力線sub_ioまたは反転入出力線sub_iobを複数本設ければよい。
とで、ページバッファを設けることなく、非選択列においては記憶保持部のデータの書き
戻しを行うことで記憶保持部にデータを保持する記憶装置を得ることができる。
て説明したが、第1のトランジスタ250はnチャネル型であってもよい。
本実施の形態では、本発明の一態様である記憶装置の構成とその作製方法について説明
する。
発明の一態様である記憶装置の断面図を示す。図12(B)は、図12(A)のA1−A
2、B1−B2における断面図である。
1のトランジスタ250を有し、上部に第2の半導体材料を用いた第2のトランジスタ2
52を有する。このような構成とすることで、第1のトランジスタ250と第2のトラン
ジスタ252に要求される電気的特性に応じて、第1の半導体材料と第2の半導体材料を
異なるものとすることができる。
導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料とし、第2の半導体材料を酸化物半導体とする
。酸化物半導体以外の半導体材料としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコン
ゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素または有機半導体材料などを例示することが
できる。
る。図12(A)及び図12(B)に示す記憶装置をメモリセルとして用いる場合には、
第1のトランジスタ250は高速動作可能であることが好ましく、第2のトランジスタ2
52におけるソースとドレインの間のリーク電流(第2のトランジスタ252がオフして
いるときのソースとドレインの間に流れる電流)は小さいことが好ましい。そのため、第
1の半導体材料は単結晶半導体(例えば、単結晶シリコン)であることが好ましく、第2
の半導体材料は酸化物半導体であることが好ましい。第2のトランジスタ252における
ソースとドレインの間のリーク電流が小さいと、ノードFNにおける長時間の電荷保持が
可能となり、メモリセルに長時間の記憶保持ができるからである。
設けられた半導体層のチャネル形成領域214と、チャネル形成領域214を挟む第3の
不純物領域212と、チャネル形成領域214上に設けられたゲート絶縁層202aと、
ゲート絶縁層202a上にチャネル形成領域214と重畳して設けられたゲート電極20
8aと、を有する。ここで、第3の不純物領域212は、ソース領域及びドレイン領域を
形成している。
方が含まれ、ソース電極及びソース領域の双方をまとめてソースと呼ぶこともある。また
、本明細書において、「ドレイン」には、ドレイン電極及びドレイン領域の少なくとも一
方が含まれ、ドレイン電極及びドレイン領域の双方をまとめてドレインと呼ぶこともある
。
の導電層208bが接続されている。第1の導電層208bは、第1のトランジスタ25
0のソース電極またはドレイン電極として機能する。第2の不純物領域210は、第1の
不純物領域206と第3の不純物領域212の間に設けられている。
ランジスタ250の一部を覆って設けられている。図12(A)及び図12(B)に示す
ように、第1のトランジスタ250がサイドウォール絶縁層を有しない構成とすると、高
集積化することができる。ただし、これに限定されず、第1のトランジスタ250がサイ
ドウォール絶縁層を有する構成としてもよい。第1のトランジスタ250がサイドウォー
ル絶縁層を有する場合には、第3の不純物領域212とチャネル形成領域214の間に不
純物元素の濃度が異なる領域を形成しやすく、所謂LDD(Lightly Doped
Drain)領域を形成しやすい。
どの上に設けられた酸化物半導体層224と、酸化物半導体層224にそれぞれ電気的に
接続されたソース電極222a及びドレイン電極222bと、ソース電極222a、ドレ
イン電極222b及び酸化物半導体層224上に設けられたゲート絶縁層226と、ゲー
ト絶縁層226上に酸化物半導体層224と重畳して設けられたゲート電極228aと、
を有する。なお、ソース電極222aがドレイン電極であってもよいし、ドレイン電極2
22bがソース電極であってもよい。
しい。具体的には、酸化物半導体層224の水素濃度(SIMS測定値)は5×1019
atoms/cm3以下、好ましくは5×1018atoms/cm3以下、より好まし
くは5×1017atoms/cm3以下とするとよい。このように、水素を十分に除去
し、酸素を十分に供給した酸化物半導体を「高純度化された酸化物半導体」と呼ぶ。
て酸素欠損に起因するエネルギーギャップ中の欠陥準位が低減されている。高純度化され
た酸化物半導体層224では、キャリア濃度が1×1012/cm3未満、好ましくは1
×1011/cm3未満、より好ましくは1.45×1010/cm3未満とする。これ
は、一般的なシリコンウェハにおけるキャリア密度(1×1014/cm3程度)と比較
して、十分に小さい値であり、オフ電流を小さくすることができる。例えば、室温(25
℃)、チャネル長3μmにおける単位チャネル幅(1μm)あたりのオフ電流は100z
A(ゼプトアンペア)以下、好ましくは10zA以下となる。このような酸化物半導体を
用いることで、第2のトランジスタ252のオフ電流を極めて小さいものとすることがで
きる。
の欠陥準位が低減されて、キャリア濃度が前記範囲となる程度の濃度とすればよい。
れた酸化物半導体層224を用いているが、これに限定されない。第2のトランジスタ2
52の酸化物半導体層は島状でなくてもよい。酸化物半導体層が島状である場合には、隣
り合う素子との間に生じるリーク電流を抑制することができる。酸化物半導体層が島状で
ない場合には、酸化物半導体層を加工する工程(例えば、エッチング工程)を経ないため
、加工による酸化物半導体層の汚染を防止することができる。
第2の導電層228bと、ドレイン電極222bと第2の導電層228bで挟持されたゲ
ート絶縁層226と、により構成されている。このような構成とすることにより第2のト
ランジスタ252と同一の工程で形成することができ、さらには平面レイアウトを調節す
ることで十分な容量を確保することができる。なお、本発明の一態様である記憶装置に容
量が不要である場合には、容量素子254を設けなくてもよい。
スタ250と少なくとも一部が重畳しているため、メモリセルの面積を小さくして高集積
化することができる。例えば、最小加工寸法をFとして、一のメモリセルの占有面積を1
5F2〜25F2とすることができる。
れている。そして、ゲート絶縁層226及び第4の絶縁層230に形成された開口部には
、配線232が設けられている。配線232は、複数のメモリセルを互いに接続する配線
であり、図2(A−1)及び図2(B)の回路図におけるビット線BLに相当する。配線
232は、ソース電極222aと第1の導電層208bを介して、第1の不純物領域20
6に接続されている。そのため、第1のトランジスタ250のソース領域またはドレイン
領域と、第2のトランジスタ252のソース電極222aをそれぞれ異なる配線によって
接続するよりも、配線の数を少なくすることができる。
に起因する素子面積の増大を抑制し、記憶装置の集積度を向上させることができる。
のであり、これに限定されない。
明する。
基板270としては、シリコン基板及びゲルマニウム基板を例示することができる。好ま
しくは、半導体基板270として、単結晶シリコン基板または単結晶ゲルマニウム基板な
どの単結晶半導体基板を用いる。なお、これに限定されず、半導体基板270としては、
多結晶半導体基板または太陽電池級シリコン(SOG−Si:Solar Grade
Silicon)基板などを用いてもよい。多結晶半導体基板または太陽電池級シリコン
基板を用いる場合には、単結晶シリコン基板を用いるよりも、製造コストを抑制すること
ができる。
ァイア基板を用いてもよい。ガラス基板としては、アルミノシリケートガラス、アルミノ
ホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスを例示することができる。セラミック基板
としては、例えば、窒化シリコンと酸化アルミニウムを主成分とする熱膨張係数がシリコ
ンに近いものを用いるとよい。
化水素水混合溶液(HPM)、硫酸過酸化水素水混合溶液(SPM)、アンモニア過酸化
水素水混合溶液(APM)、希フッ酸(DHF)及びFPM(フッ酸、過酸化水素水、純
水の混合液)を例示することができる。
用いる(図13(B)参照)。なお、ボンド基板の結晶性は単結晶に限られるものではな
い。
は単結晶シリコンゲルマニウム基板などの第14族元素でなる単結晶半導体基板を例示す
ることができる。なお、ガリウムヒ素またはインジウムリンなどの化合物半導体基板を用
いてもよい。単結晶半導体基板280は、円形であってもよいし、矩形状に加工されたも
のであってもよい。
照)。酸化物層282の形成前には、前記薬液を用いて単結晶半導体基板280の表面を
洗浄することが好ましい。ここで、希フッ酸とオゾン水を交互に吐出して洗浄する方法を
採用すると、洗浄に用いる前記薬液の使用量を抑制することができ、好ましい。
または複数の層を積層して形成することができる。酸化物層282は、熱酸化法、CVD
法またはスパッタリング法などにより形成すればよい。CVD法を用いる場合には、テト
ラエトキシシラン(略称;TEOS:化学式Si(OC2H5)4)などの有機シランに
より酸化シリコン層を形成することが好ましい。
化物層282を形成する方法を採用する。
82にハロゲンを含ませることができる。例えば、酸化物層282に塩素を含ませると、
重金属(例えば、Fe、Cr、Ni、Moなど)を捕集して塩化物としてこれらを除去す
ることが容易になる。そのため、単結晶半導体基板280の汚染を抑制することができる
。
を含ませるには、例えば、単結晶半導体基板280をフッ酸に浸漬させた後に酸化性ガス
雰囲気中で熱酸化処理を行えばよい。または、NF3を酸化性ガス雰囲気に含ませて熱酸
化処理を行ってもよい。
体基板280の所定の深さの結晶構造を破壊して脆化領域284を形成する(図13(D
)参照)。
入射角などによって調節することができる。脆化領域284は、イオンの平均侵入深さと
ほぼ同じ深さに形成される。脆化領域284の深さを調節することで、単結晶半導体基板
280から分離して形成される単結晶半導体層の厚さを調節することができる。この単結
晶半導体層の厚さは、10nm以上500nm以下、好ましくは50nm以上200nm
以下とするとよい。
こでは、イオンドーピング装置を用いて、水素イオンを単結晶半導体基板280に照射す
る例について説明する。ソースガスとしては水素を含むガスを用いる。照射するイオンは
、H3 +の比率を高くするとよく、具体的には、H+、H2 +、H3 +の総量に対してH
3 +の割合が50%以上(より好ましくは80%以上)となるようにするとよい。H3 +
の割合を高めることで、イオンの照射効率を向上させることができる。
するイオンは一種類でなく、複数種類であってもよい。例えば、イオンドーピング装置を
用いて水素とヘリウムを同時に照射する場合には、異なる工程で照射する場合よりも工程
数を少なくすることができ、さらには単結晶半導体層の表面荒れを抑制することができる
。
壁の重金属も同時に添加されるおそれがある。そこで、前記したハロゲンを含む酸化物層
282を形成し、これを介してイオンを照射することで、単結晶半導体基板280の汚染
を抑制することができる。
て密着させて貼り合わせる(図13(E)参照)。半導体基板270の表面にも酸化物層
または窒化物層が設けられていてもよい。
.001N/cm2以上100N/cm2以下、好ましくは1N/cm2以上20N/c
m2以下の圧力を加えるとよい。圧力を加えつつ貼り合わせ面を密着させると、密着した
部分を始点として自発的な接合がほぼ全面におよぶ。この接合は、ファンデルワールス力
及び水素結合によるものであり、加熱せずして常温(概ね5℃〜35℃)で行うことがで
きる。
面にウェット処理、ドライ処理またはこれらを組み合わせて表面処理を行ってもよい。
もよい。この熱処理の温度は、脆化領域284における分離が生じない温度(例えば、常
温(概ね5℃〜35℃)以上400℃未満)とする。また、この温度範囲で加熱しつつ、
半導体基板270と酸化物層282を接合してもよい。熱処理に用いる装置は特に限定さ
れない。
E)参照)において分離し、半導体基板270上に酸化物層282を介して設けられた単
結晶半導体層286を形成する(図13(F)参照)。なお、ここで、前記熱処理の温度
は、例えば、300℃以上600℃以下とすればよく、好ましくは400℃以上500℃
以下とする。表面荒れを抑制することができるためである。
単結晶半導体層286中に残存する水素の濃度を低減することができる。
向上させつつ欠陥を低減して単結晶半導体層288を形成する(図13(G)参照)。な
お、レーザー光の照射処理に代えて、熱処理を行ってもよい。または、レーザー光を照射
する前にエッチング処理を行うことで単結晶半導体層286表面の欠陥が多い領域を除去
してもよい。または、レーザー光を照射した後に単結晶半導体層286を薄くするように
加工(例えば、エッチング処理)を行ってもよい。
できる(図13(G)参照)。
250の作製方法について説明する。なお、図14及び図15は、前記SOI基板の一部
を示す断面図であって、図12(B)に相当する。
)参照)。なお、この工程の前後に、トランジスタのしきい値電圧を制御するために、半
導体層200に導電性を付与する不純物元素を添加してもよい。半導体層200の材料が
シリコンの場合には、n型の導電性を付与する不純物元素としては、例えばリン及びヒ素
を例示することができ、p型の導電性を付与する不純物元素としては、例えば、ホウ素、
アルミニウム及びガリウムなどを例示することができる。
第1の絶縁層202は、後にゲート絶縁層となる。第1の絶縁層202は、例えば、半導
体層200表面の熱処理(熱酸化処理や熱窒化処理など)によって形成することができる
。または、熱処理に代えて、高密度プラズマ処理を行ってもよい。高密度プラズマ処理は
、例えば、He、Ar、Kr、Xeなどの希ガス、酸素、酸化窒素、アンモニア、窒素ま
たは水素などのうちいずれかの混合ガスを用いて行うことができる。または、CVD法ま
たはスパッタリング法などを用いて絶縁層を形成してもよい。第1の絶縁層202は、酸
化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸
化タンタル、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート(HfSixOy(x>0、y>
0))、窒素を含むハフニウムシリケート(HfSixOy(x>0、y>0))または
窒素を含むハフニウムアルミネート(HfAlxOy(x>0、y>0))などにより、
単層または複数の層を積層して形成することが好ましい。第1の絶縁層202の厚さは、
例えば、1nm以上100nm以下、好ましくは10nm以上50nm以下とすればよい
。ここでは、プラズマCVD法を用いて、酸化シリコンを含む絶縁層を単層で形成する。
半導体層200に添加して第1の不純物領域206を形成する(図14(C)参照)。そ
の後、マスク204を除去する。
域206と重畳する部分の一部を除去することで、ゲート絶縁層202aを形成する(図
14(D)参照)。第1の絶縁層202の除去はエッチング処理により行えばよい。
ゲート電極208a及び第1の導電層208bを形成する(図14(E)参照)。ここで
、この導電層の材料及び形成方法は限定されない。この導電層の材料としては、アルミニ
ウム、銅、チタン、タンタル及びタングステンなどの金属材料、並びに導電性を付与する
不純物元素が添加された多結晶シリコンなどを例示することができる。この導電層の形成
方法としては、蒸着法、CVD法、スパッタリング法またはスピンコート法などを例示す
ることができる。また、この導電層は、単層であってもよいし、複数の層の積層であって
もよい。
する不純物元素を半導体層に添加して、チャネル形成領域214、第2の不純物領域21
0及び第3の不純物領域212を形成する(図15(A)参照)。ここでは、p型トラン
ジスタを形成するために、ホウ素またはアルミニウムなどを添加するとよい。不純物元素
を半導体層に添加した後、活性化のための熱処理を行う。不純物領域のうち、添加された
不純物元素の濃度は第2の不純物領域210が最も高く、第1の不純物領域206が最も
低い。
1の絶縁層216、第2の絶縁層218及び第3の絶縁層220を形成する(図15(B
)参照)。
酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコンまたは酸化アルミニウムなどの無機
絶縁材料により形成することができる。または、第1の絶縁層216、第2の絶縁層21
8及び第3の絶縁層220は、ポリイミドまたはアクリルなどの有機絶縁材料により形成
してもよい。なお、第1の絶縁層216、第2の絶縁層218及び第3の絶縁層220に
誘電率の低い(low−k)材料を用いると、複数の電極や配線の間に生じる寄生容量を
低減することができるため好ましい。なお、第1の絶縁層216、第2の絶縁層218及
び第3の絶縁層220は、列挙した前記材料により多孔性の絶縁層としてもよい。多孔性
の絶縁層は誘電率が低く、複数の電極や配線の間に生じる寄生容量をさらに低減すること
ができるため好ましい。ここでは、第1の絶縁層216を酸化窒化シリコンにより形成し
、第2の絶縁層218を窒化酸化シリコンにより形成し、第3の絶縁層220を酸化シリ
コンにより形成する場合について説明する。なお、第1の絶縁層216、第2の絶縁層2
18及び第3の絶縁層220は、単層で形成してもよいし、複数の層を積層して形成して
もよい。なお、第1の絶縁層216、第2の絶縁層218及び第3の絶縁層220として
単層の絶縁層を形成してもよい。
を行う(図15(C)参照)。ここでは、少なくとも第2の絶縁層218の一部が露出さ
れるまでCMP処理を行う。第2の絶縁層218に窒化酸化シリコンを用い、第3の絶縁
層220に酸化シリコンを用いた場合には、第2の絶縁層218はエッチングストッパと
して機能する。
またはエッチング処理を行うことで、ゲート電極208a及び第1の導電層208bの上
面を露出させる(図15(D)参照)。ここでは、ゲート電極208a及び第1の導電層
208bの一部が露出されるまでエッチング処理を行う。このエッチング処理は、ドライ
エッチングを用いることが好ましいが、ウェットエッチングを用いてもよい。ゲート電極
208a及び第1の導電層208bの上面を露出させるに際して、第1の絶縁層216、
第2の絶縁層218及び第3の絶縁層220の表面は可能な限り平坦にしておくことが好
ましい。第2のトランジスタ252の被形成面となるからである。
)参照)。なお、図示していないが、多層配線構造を採用してもよい。
成されるトランジスタの少なくともいずれか一方を複数積層した多層構造としてもよい。
層218及び第3の絶縁層220などの上に酸化物半導体層を形成し、この酸化物半導体
層を加工して、酸化物半導体層224を形成する(図16(A)参照)。なお、酸化物半
導体層を形成する前に、第1の絶縁層216、第2の絶縁層218及び第3の絶縁層22
0の上に、下地として機能する絶縁層を形成してもよい。この絶縁層の材料及び形成方法
は特に限定されないが、一例として、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンなどにより、
スパッタリング法またはCVD法などを用いて形成すればよい。なお、後に説明するよう
に、下地として機能する絶縁層では、酸素が化学量論的組成より多い状態とすることが好
ましい。
二元系金属の酸化物であるIn−Zn系酸化物、Sn−Zn系酸化物、Al−Zn系酸化
物、Zn−Mg系酸化物、Sn−Mg系酸化物、In−Mg系酸化物、In−Ga系酸化
物、三元系金属の酸化物であるIn−Ga−Zn系酸化物(IGZOとも表記する)、I
n−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Zn系酸化物、Sn−Ga−Zn系酸化物、Al
−Ga−Zn系酸化物、Sn−Al−Zn系酸化物、In−Hf−Zn系酸化物、In−
La−Zn系酸化物、In−Ce−Zn系酸化物、In−Pr−Zn系酸化物、In−N
d−Zn系酸化物、In−Sm−Zn系酸化物、In−Eu−Zn系酸化物、In−Gd
−Zn系酸化物、In−Tb−Zn系酸化物、In−Dy−Zn系酸化物、In−Ho−
Zn系酸化物、In−Er−Zn系酸化物、In−Tm−Zn系酸化物、In−Yb−Z
n系酸化物、In−Lu−Zn系酸化物、四元系金属の酸化物であるIn−Sn−Ga−
Zn系酸化物、In−Hf−Ga−Zn系酸化物、In−Al−Ga−Zn系酸化物、I
n−Sn−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Hf−Zn系酸化物、In−Hf−Al−
Zn系酸化物などを用いることができる。
酸化物という意味であり、InとGaとZnの比率は問わない。また、In、Ga及びZ
n以外の金属元素が含まれていてもよい。
ることが好ましい。例えば、スパッタリング法などを用いて形成すればよい。
Ga:Zn=2:2:1(=2/5:2/5:1/5)の原子比のIn−Ga−Zn系酸
化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。または、In:Sn:Zn=1:
1:1(=1/3:1/3:1/3)、In:Sn:Zn=2:1:3(=1/3:1/
6:1/2)若しくはIn:Sn:Zn=2:1:5(=1/4:1/8:5/8)の原
子比のIn−Sn−Zn系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。ただし、こ
れに限定されるものではない。
ス雰囲気中などで行えばよい。また、酸化物半導体層への水素、水、水酸基または水素化
物などの混入を防ぐために、これらが十分に除去された高純度ガスを用いることが好まし
い。
。酸化物半導体層224を厚くしすぎると(例えば、厚さ50nm以上とすると)、トラ
ンジスタがノーマリーオンとなってしまうおそれがあるからである。
500℃以下、好ましくは300℃より高く500℃以下、より好ましくは350℃以上
450℃以下とする。
内に導入してプラズマを発生させる逆スパッタを行って、酸化物半導体層の被形成面に付
着している粉状物質などを除去することが好ましい。なお、アルゴンガスに代えて、窒素
ガス、ヘリウムガス、酸素ガスなどを用いてもよい。
ゲート絶縁層226の形成後に熱処理を行うことが好ましい。この熱処理は不活性ガス雰
囲気中で行い、不活性ガスの温度は250℃以上700℃以下、好ましくは450℃以上
600℃以下とする。また、基板の温度は基板の歪み点未満となるようにする。これらの
熱処理は、一度のみ行ってもよいし、複数回行ってもよい。これらの熱処理は、酸化物半
導体層に脱水化及び脱水素化を行うものであるが、これらの熱処理により、酸化物半導体
層224中の結晶構造を整え、エネルギーギャップ中の欠陥準位を低減することができる
。
晶性は、単結晶、多結晶(ポリクリスタルとも呼ばれる)または非晶質であってもよい。
好ましくは、酸化物半導体層224は、CAAC−OS(C Axis Aligned
Crystalline Oxide Semiconductor)層とする。
層は、非晶質相に結晶部および非結晶部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体層
である。なお、当該結晶部は、一辺が100nm未満の立方体内に収まる大きさであるこ
とが多い。また、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electr
on Microscope)による観察像では、CAAC−OS層に含まれる非晶質部
と結晶部との境界は明確ではない。また、TEMによってCAAC−OS層には粒界(グ
レインバウンダリーともいう。)は確認できない。そのため、CAAC−OS層は、粒界
に起因する電子移動度の低下が抑制されるため、好ましい。
トルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向(−5°以上5°以下の方向)に揃い、且つ
ab面に垂直な方向(85°以上95°以下の方向)から見て三角形状または六角形状の
原子配列を有し、c軸に垂直な方向(85°以上95°以下の方向)から見て金属原子が
層状に、または金属原子と酸素原子が層状に配列している。なお、異なる結晶部間で、そ
れぞれa軸とb軸の向きが異なっていてもよい。
AC−OS層の形成過程において、酸化物半導体層の表面側から結晶成長させた場合、被
形成面の近傍に対し、表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また、
CAAC−OS層へ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部が
非晶質化することもある。
トルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向(−5°以上5°以下の方向)に揃うため、
CAAC−OS層の形状(被形成面の断面形状または表面の断面形状)によっては互いに
異なる方向を向くことがある。なお、結晶部のc軸の方向は、CAAC−OS層が形成さ
れたときの被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向(−5°以上
5°以下の方向)となる。結晶部は、CAAC−OS層の形成時に、または形成後の加熱
処理などの結晶化処理により形成される。
変動を低減することが可能である。そのため、CAAC−OS層を用いることで、トラン
ジスタの信頼性を向上させることができる。
を用い、スパッタリング法によって成膜する。当該スパッタリング用ターゲットにイオン
が衝突すると、スパッタリング用ターゲットに含まれる結晶領域がab面から劈開し、a
b面に平行な面を有する平板状またはペレット状のスパッタリング粒子として剥離するこ
とがある。この場合、当該平板状のスパッタリング粒子が、結晶状態を維持したまま基板
に到達することで、CAAC−OS層を成膜することができる。
きる。例えば、成膜室内に存在する不純物濃度(水素、水、二酸化炭素および窒素など)
を低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物濃度を低減すればよい。具体的には、露点
が−80℃以下、好ましくは−100℃以下である成膜ガスを用いる。
グレーションが起こる。具体的には、基板加熱温度を100℃以上740℃以下、好まし
くは200℃以上500℃以下として成膜する。成膜時の基板加熱温度を高めることで、
平板状のスパッタリング粒子が基板に到達した場合、基板上でマイグレーションが起こり
、スパッタリング粒子の平らな面が基板に付着する。
ジを軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、30体積%以上、好ましくは100
体積%とする。
いて以下に示す。
後、1000℃以上1500℃以下の温度で加熱処理をすることで多結晶であるIn−G
a−Zn系酸化物ターゲットとする。なお、X、YおよびZは任意の正数である。ここで
、所定のmol比は、例えば、InOX粉末、GaOY粉末およびZnOZ粉末が、2:
2:1、8:4:3、3:1:1、1:1:1、4:2:3または3:1:2である。な
お、粉末の種類、およびその混合するmol比は、作製するスパッタリング用ターゲット
によって適宜変更すればよい。
態とすることが好ましい。例えば、スパッタリング法を用いて酸化物半導体層を成膜する
場合、成膜ガスの酸素の占める割合が多い条件で成膜することが好ましく、特に酸素雰囲
気(酸素ガス100%)で成膜を行うことが好ましい。成膜ガスの酸素の占める割合が多
い条件、特に酸素ガス100%の雰囲気で成膜すると、例えば、成膜温度を300℃以上
としても、膜中からのZnの放出が抑えられる。
ース電極222a及びドレイン電極222bを形成する(図16(B)参照)。ここで、
この導電層の材料及び形成方法は限定されない。この導電層の材料としては、アルミニウ
ム、銅、チタン、タンタル及びタングステンなどの金属材料、並びに導電性を付与する不
純物元素が添加された多結晶シリコンなどを例示することができる。この導電層の形成方
法としては、蒸着法、CVD法、スパッタリング法またはスピンコート法などを例示する
ことができる。また、この導電層は、単層であってもよいし、複数の層の積層であっても
よい。なお、この導電層の加工は、形成されるソース電極222a及びドレイン電極22
2bの端部が、テーパー形状となるように行うことが好ましい。
電極222bの下端部の間隔によって決まる。チャネル長が短く、例えば25nm未満で
ある場合には、加工に用いるマスクは、波長の短い超紫外光(Extreme Ultr
aviolet)によって露光を行うことが好ましい。チャネル長を短くすることで素子
の微細化がしやすく、素子の占有面積を小さくすることができる。
電極222bの間に、酸化物導電層が設けられていてもよい。この酸化物導電層は、ソー
ス領域またはドレイン領域として機能する。この酸化物導電層の材料は、酸化亜鉛を主成
分として含み、酸化インジウムを主成分として含まないことが好ましい。この酸化物導電
層の材料としては、酸化亜鉛、酸化亜鉛アルミニウム、酸窒化亜鉛アルミニウム及び酸化
亜鉛ガリウムなどを例示することができる。
より形成してもよいし、ソース電極及びドレイン電極となる導電層と積層して設けられた
導電層を加工することにより形成してもよい。
ース電極とドレイン電極の間を低抵抗化し、第2のトランジスタ252を高速動作させる
ことができる。また、第2のトランジスタ252の耐圧を向上させることもできる。駆動
回路などの周辺回路の周波数特性を向上させることもできる。
の一部と接するように、ゲート絶縁層226を形成する(図16(C)参照)。
ウム、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート(H
fSixOy(x>0、y>0))、窒素を含むハフニウムシリケート(HfSixOy
(x>0、y>0))または窒素を含むハフニウムアルミネート(HfAlxOy(x>
0、y>0))などにより、単層または複数の層を積層して形成することが好ましい。ま
たは、酸化ガリウムにより形成してもよい。ゲート絶縁層226が酸化シリコンにより形
成されている場合には、ゲート絶縁層226の厚さは、1nm以上100nm以下、好ま
しくは10nm以上50nm以下とすることが好ましい。ゲート絶縁層226は、CVD
法またはスパッタリング法などを用いて形成すればよい。ただし、これらに限定されるも
のではない。
26を薄くすると、トンネル効果などに起因するゲートリークが問題となる。そのため、
ゲート絶縁層226の材料には、高誘電率(high−k)材料を用いることが好ましい
。高誘電率材料としては、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化イットリウム、ハフニウ
ムシリケート(HfSixOy(x>0、y>0))、窒素が添加されたハフニウムシリ
ケート(HfSixOy(x>0、y>0))及び窒素が添加されたハフニウムアルミネ
ート(HfAlxOy(x>0、y>0))などが挙げられる。なお、ゲート絶縁層22
6は、high−k材料を含む層と、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、
窒化酸化シリコンまたは酸化アルミニウムなどの層との積層であってもよい。
絶縁層226が第13族元素を含む絶縁性材料により形成されると、酸化物半導体層22
4とゲート絶縁層226の界面準位の発生などを抑え、界面特性を良好なものとすること
ができる。
り酸素が多い状態とすることが好ましい。酸素の導入は、酸素ガス雰囲気で行う熱処理ま
たは酸素ドープにより行えばよい。酸素ドープは、イオン注入法またはイオンドーピング
法を用いて行えばよい。
て形成する絶縁層にも適用するとよい。
絶縁層226の形成後に熱処理を行うことが特に好ましい。第2の熱処理の温度は、20
0℃以上450℃以下、好ましくは250℃以上350℃以下である。このような温度で
熱処理を行うことでゲート絶縁層226に含まれる酸素が酸化物半導体層に十分に供給さ
れ、酸素欠損に起因するエネルギーギャップ中の欠陥準位を低減することができる。
極228a及び第2の導電層228bを形成する(図16(D)参照)。ここで、この導
電層の材料及び形成方法は限定されない。この導電層の材料としては、アルミニウム、銅
、チタン、タンタル及びタングステンなどの金属材料、並びに導電性を付与する不純物元
素が添加された多結晶シリコンなどを例示することができる。この導電層の形成方法とし
ては、蒸着法、CVD法、スパッタリング法またはスピンコート法などを例示することが
できる。また、この導電層は、単層であってもよいし、複数の層の積層であってもよい。
の絶縁層230を形成する(図17(A)参照)。第4の絶縁層230の材料としては、
酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化ガリウム及び酸
化アルミニウムなどを例示することができる。
を用いるとよい。第4の絶縁層230の誘電率を低くすると、複数の電極や配線の間に生
じる寄生容量を抑制し、動作の高速化を図ることができるからである。なお、本実施の形
態では、第4の絶縁層230は単層構造としているがこれに限定されず、第4の絶縁層2
30は複数の層が積層されていてもよい。また、第4の絶縁層230は、PVD法または
CVD法などを用いて形成すればよい。
口部をエッチングなどにより形成し、第4の絶縁層230上にソース電極222aと接続
される配線232を形成する(図17(B)参照)。
どの金属材料、並びに導電性を付与する不純物元素が添加された多結晶シリコンなどを例
示することができる。配線232の形成方法としては、蒸着法、CVD法、スパッタリン
グ法及びスピンコート法などを例示することができる。また、この導電層は、単層であっ
てもよいし、複数の層の積層であってもよい。
PVD法を用いて約5nmのチタン層を形成し、開口部を埋め込むアルミニウム層を形成
する。チタン層により被形成面の自然酸化膜などを還元し、ソース電極222aと配線2
32の接触抵抗を低減させ、アルミニウム層のヒロックを防止することができる。
られることが好ましい。コンタクト領域に起因する素子面積の増大を抑制し、記憶装置の
集積度を向上させることができるからである。
及び容量素子254を得ることができる(図17(C)参照)。
次に、本発明の一態様である電子機器について説明する。本発明の一態様である電子機
器には、実施の形態1又は実施の形態2で説明した記憶装置を搭載させる。本発明の一態
様である電子機器として、例えば、コンピュータ、携帯電話機(携帯電話、携帯電話装置
ともいう)、携帯情報端末(携帯型ゲーム機、音響再生装置なども含む)、デジタルカメ
ラ、デジタルビデオカメラ、電子ペーパー、テレビジョン装置(テレビ、またはテレビジ
ョン受信機ともいう)などが挙げられる。例えば、このような電子機器の記憶部に実施の
形態1又は実施の形態2で説明した記憶装置を設ければよい。
、表示部303、キーボード304などによって構成されている。筐体301と筐体30
2内には、実施の形態1又は実施の形態2で説明した記憶装置が設けられている。
部インターフェイス315、操作ボタン314などが設けられている。さらには、携帯情
報端末を操作するスタイラス312などを備えている。本体311内には、実施の形態1
又は実施の形態2で説明した記憶装置が設けられている。
23の2つの筐体で構成されている。筐体321及び筐体323には、それぞれ表示部3
25及び表示部327が設けられている。筐体321と筐体323は、軸部337により
接続されており、軸部337を軸として開閉動作を行うことができる。そして、筐体32
1は、電源331、操作キー333、スピーカー335などを備えている。筐体321及
び筐体323の少なくともいずれかには、実施の形態1又は実施の形態2で説明した記憶
装置が設けられている。
ている。さらに、筐体340と筐体341は、スライドし、図18(D)のように展開し
ている状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に適した小型化が可能である。
そして、筐体341は、表示パネル342、スピーカー343、マイクロフォン344、
ポインティングデバイス346、カメラ用レンズ347、外部接続端子348などを備え
ている。そして、筐体340は、携帯電話機の充電を行う太陽電池セル349、外部メモ
リスロット350などを備えている。なお、アンテナは、筐体341に内蔵されている。
筐体340と筐体341の少なくともいずれかには、実施の形態1又は実施の形態2で説
明した記憶装置が設けられている。
操作スイッチ364、表示部365、バッテリー366などによって構成されている。本
体361内には、実施の形態1又は実施の形態2で説明した記憶装置が設けられている。
ド375などで構成されている。テレビジョン装置370の操作は、筐体371が備える
スイッチや、リモコン操作機380により行うことができる。筐体371及びリモコン操
作機380には、実施の形態1又は実施の形態2で説明した記憶装置が設けられている。
FN ノード
BL ビット線
OSG 書き込みワード線
SL ソース線
SLC ソース線切り替え信号線
sub_io 入出力線
sub_iob 反転入出力線
SEL 配線
BLB 反転ビット線
LAT ラッチ信号線
LATB 反転ラッチ信号線
PRE1 第1のプリチャージスイッチ信号線
PRE2A 第2のプリチャージスイッチ信号線
PRE2B 第2のプリチャージスイッチ信号線
GND 接地電位
VDD 電源電位
VPRE1 第1のプリチャージ電位
VPRE2 第2のプリチャージ電位
100 記憶装置
101a 第1の記憶部
101b 第2の記憶部
102a 第1のスイッチ
102b 第2のスイッチ
103 第1の駆動回路
104 第2の駆動回路
105 第3の駆動回路
106 ソース線切り替え回路
110 メモリセル
121 トランジスタ
122 トランジスタ
150 センスアンプ
151 トランジスタ
152 トランジスタ
153 トランジスタ
154 トランジスタ
155 トランジスタ
156 トランジスタ
160 第1のプリチャージスイッチ
161 トランジスタ
162 トランジスタ
170 第2のプリチャージスイッチ
171 トランジスタ
172 トランジスタ
200 半導体層
202 第1の絶縁層
202a ゲート絶縁層
204 マスク
206 第1の不純物領域
208a ゲート電極
208b 第1の導電層
210 第2の不純物領域
212 第3の不純物領域
214 チャネル形成領域
216 第1の絶縁層
218 第2の絶縁層
220 第3の絶縁層
222a ソース電極
222b ドレイン電極
224 酸化物半導体層
226 ゲート絶縁層
228a ゲート電極
228b 第2の導電層
230 第4の絶縁層
232 配線
234 第5の絶縁層
250 第1のトランジスタ
252 第2のトランジスタ
254 容量素子
270 半導体基板
280 単結晶半導体基板
282 酸化物層
284 脆化領域
286 単結晶半導体層
288 単結晶半導体層
301 筐体
302 筐体
303 表示部
304 キーボード
311 本体
312 スタイラス
313 表示部
314 操作ボタン
315 外部インターフェイス
320 電子書籍
321 筐体
323 筐体
325 表示部
327 表示部
331 電源
333 操作キー
335 スピーカー
337 軸部
340 筐体
341 筐体
342 表示パネル
343 スピーカー
344 マイクロフォン
346 ポインティングデバイス
347 カメラ用レンズ
348 外部接続端子
349 太陽電池セル
350 外部メモリスロット
361 本体
363 接眼部
364 操作スイッチ
365 表示部
366 バッテリー
367 表示部
370 テレビジョン装置
371 筐体
373 表示部
375 スタンド
380 リモコン操作機
Claims (1)
- ソース及びドレインの一方が第1のビット線に電気的に接続され、ソース及びドレインの他方がソース線に電気的に接続された第1のトランジスタと、
ソース及びドレインの一方が記憶保持部及び前記第1のトランジスタのゲートに電気的に接続され、ソース及びドレインの他方が前記第1のビット線に接続された第2のトランジスタと、
一方の端子が、前記第2のトランジスタのソース及びドレインの一方及び前記第1のトランジスタのゲートに電気的に接続された容量素子と、
を有するメモリセルがマトリクス状に配列された第1の記憶部と、
前記第1の記憶部における前記第1のビット線に代えて第2のビット線が設けられた第2の記憶部と、を有する記憶装置の駆動方法であって、
前記ソース線の電位を第1の電位とし、
前記第1のビット線の電位を第2の電位とした後に前記第1のビット線を電気的に孤立させ、
前記容量素子の他方の端子の電位を第3の電位から第4の電位にすることで、前記第1のビット線の電位を前記第1の電位または前記第2の電位とし、
前記第2のビット線の電位を前記第2の電位よりも低い第5の電位とし、
前記第1のビット線の電位に応じて前記第1のビット線の電位を第6の電位または第7の電位とし、
前記第1のビット線と入出力線との間に設けられたスイッチを制御することで前記第1のビット線のデータを選択的に読み出すことで前記記憶保持部のデータを選択的に読み出す記憶装置の駆動方法。
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