JP2019047046A - Integrated circuit, computer, and electronic equipment - Google Patents

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伸太郎 原田
Shintaro Harada
伸太郎 原田
広樹 井上
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広樹 井上
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Takeshi Aoki
健 青木
黒川 義元
Yoshimoto Kurokawa
義元 黒川
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
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Abstract

To provide a novel integrated circuit.SOLUTION: An integrated circuit comprises a plurality of arithmetic circuits equivalent to a hidden layer and an output layer of a neural network. The arithmetic circuit comprises a product-sum arithmetic circuit and a hierarchy output circuit. The arithmetic circuit has a function to output third data corresponding to product-sum arithmetic results of first data and second data. The hierarchy output circuit has a function to convert the third data on the basis of an activation function and output analog data or multivalued digital data. The analog data or the multivalued digital data is input to a product-sum arithmetic circuit of the next arithmetic circuit without being converted into binary digital data. Variations in transistor characteristics constituting a memory cell can be reduced by unifying channel length directions of transistors of the memory cell between a plurality of product-sum arithmetic circuits.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明の一態様は、集積回路、コンピュータ及び電子機器に関する。 One embodiment of the present invention relates to an integrated circuit, a computer, 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本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、撮像装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、表示システム、電子機器、照明装置、入力装置、入出力装置、それらの駆動方法、又はそれらの製造方法、を一例として挙げることができる。 Note that one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field. The technical field of one embodiment of the present invention disclosed in this specification and the like includes a semiconductor device, an imaging device, a display device, a light emitting device, a power storage device, a memory device, a display system, an electronic device, a lighting device, an input device, and an input / output. An apparatus, a method of driving them, or a method of manufacturing them can be mentioned as an example.

また、本明細書等において、半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。トランジスタ、半導体回路、演算装置、記憶装置等は半導体装置の一態様である。また、表示装置、撮像装置、電気光学装置、発電装置(薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む)、及び電子機器は半導体装置を有している場合がある。 Further, in this specification and the like, a semiconductor device refers to any device that can function by utilizing semiconductor characteristics. A transistor, a semiconductor circuit, an arithmetic device, a memory device, and the like are one embodiment of a semiconductor device. In addition, a display device, an imaging device, an electro-optical device, a power generation device (including a thin film solar cell, an organic thin film solar cell, and the like), and an electronic device may include a semiconductor device.

IoT(Internet of Things)、人工知能(AI:Artificial Intelligence)などの情報技術の発展により、扱われるデータ量が増大の傾向を示している。電子機器がIoT、AIなどの情報技術を利用するためには、データを大量に記憶することのできる半導体装置が求められている。さらに、電子機器を快適に使用するためには、高速に処置ができる半導体装置が求められている。 With the development of information technology such as Internet of Things (IoT) and Artificial Intelligence (AI), the amount of data handled tends to increase. In order for electronic devices to use information technologies such as IoT and AI, semiconductor devices capable of storing a large amount of data are required. Furthermore, in order to use the electronic device comfortably, there is a demand for a semiconductor device that can be treated at high speed.

特許文献1では、積和演算を行うデジタル回路において、メモリの使用方法により回路規模が削減された積和演算回路の構成について開示している。 Patent Document 1 discloses a configuration of a product-sum operation circuit whose circuit scale is reduced by a method of using a memory in a digital circuit that performs product-sum operation.

特開1997−319730号公報JP, 1997-319730, A

本発明の一態様は、新規な集積回路又は半導体装置の提供を課題とする。又は、本発明の一態様は、消費電力の小さい集積回路又は半導体装置の提供を課題とする。又は、本発明の一態様は、高速動作が可能な集積回路又は半導体装置の提供を課題とする。又は、本発明の一態様は、面積の小さい集積回路又は半導体装置の提供を課題とする。又は、本発明の一態様は、信頼性の高い集積回路又は半導体装置の提供を課題とする。 An object of one embodiment of the present invention is to provide a novel integrated circuit or semiconductor device. Alternatively, an object of one embodiment of the present invention is to provide an integrated circuit or a semiconductor device with low power consumption. Alternatively, an object of one embodiment of the present invention is to provide an integrated circuit or a semiconductor device which can operate at high speed. Alternatively, it is an object of one embodiment of the present invention to provide an integrated circuit or a semiconductor device with a small area. Alternatively, it is an object of one embodiment of the present invention to provide a highly reliable integrated circuit or semiconductor device.

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、特許請求の範囲、図面などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。 Note that one aspect of the present invention does not necessarily have to solve all the problems described above, as long as at least one problem can be solved. In addition, the above description of the problems does not disturb the existence of other problems. Problems other than these are naturally apparent from the description of the specification, claims, drawings, and the like, and the extraction of problems other than these is apparent from the descriptions of the specification, claims, drawings, and the like. Is possible.

本発明の一態様は、第1の演算回路と、第2の演算回路と、を有し、第1の演算回路は、第1のトランジスタを有する第1の積和演算回路と、第1の階層出力回路と、を有し、第2の演算回路は、第2のトランジスタを有する第2の積和演算回路と、第2の階層出力回路と、を有し、第1のトランジスタのチャネル長方向と、第2のトランジスタのチャネル長方向は平行であり、第1の積和演算回路及び第2の積和演算回路は、第1のデータと第2のデータの積和演算の結果に対応する、第3のデータを出力する機能を有し、第1の階層出力回路及び第2の階層出力回路は、第3のデータを活性化関数に基づいて変換し、アナログデータまたは多値のデジタルデータを出力する機能を有し、第2の積和演算回路には、第1の階層出力回路から出力されたアナログデータまたは多値のデジタルデータが入力される集積回路である。 One embodiment of the present invention includes a first arithmetic circuit and a second arithmetic circuit, and the first arithmetic circuit includes a first product-sum arithmetic circuit having a first transistor; And a second arithmetic circuit includes a second product-sum operation circuit having a second transistor, and a second hierarchical output circuit, and the channel length of the first transistor The direction and the channel length direction of the second transistor are parallel, and the first product-sum operation circuit and the second product-sum operation circuit correspond to the result of the product-sum operation of the first data and the second data. The first hierarchical output circuit and the second hierarchical output circuit convert the third data based on the activation function, and outputs analog data or multilevel digital data. The second product-sum operation circuit has a function of outputting data, and the first product output circuit An integrated circuit that forces the analog data or multilevel digital data is input.

上記において、第1のトランジスタのチャネル幅方向と、第2のトランジスタのチャネル幅方向は平行であることが好ましい。 In the above, the channel width direction of the first transistor and the channel width direction of the second transistor are preferably parallel.

上記において、第1のトランジスタおよび第2のトランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を含むことが好ましい。 In the above, it is preferable that the first transistor and the second transistor include a metal oxide in the channel formation region.

また、本発明の別の一態様は、上記の集積回路を有する演算部と、処理部と、記憶部と、を有するコンピュータである。 Another embodiment of the present invention is a computer including an operation unit including the above integrated circuit, a processing unit, and a storage unit.

また、本発明の別の一態様は、上記の集積回路、またはコンピュータを有する電子機器である。 Another embodiment of the present invention is an electronic device including the above integrated circuit or computer.

本発明の一態様により、新規な集積回路又は半導体装置を提供することができる。又は、本発明の一態様により、消費電力の小さい集積回路又は半導体装置を提供することができる。又は、本発明の一態様により、高速動作が可能な集積回路又は半導体装置を提供することができる。又は、本発明の一態様により、面積の小さい集積回路又は半導体装置を提供することができる。又は、本発明の一態様により、信頼性の高い集積回路又は半導体装置を提供することができる。 According to one aspect of the present invention, a novel integrated circuit or semiconductor device can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, an integrated circuit or semiconductor device with low power consumption can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, an integrated circuit or a semiconductor device which can operate at high speed can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, an integrated circuit or a semiconductor device with a small area can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a highly reliable integrated circuit or semiconductor device can be provided.

なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。また、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。これら以外の効果は、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から、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. In addition, one aspect of the present invention does not necessarily have to have all of these effects. The effects other than these are naturally apparent from the description of the specification, claims, drawings, and the like, and the effects other than these are extracted from the descriptions of the specification, claims, drawings, and the like. Is possible.

集積回路の構成例を示す図。FIG. 2 shows an example of the configuration of an integrated circuit. ニューラルネットワークの構成例を示す図。The figure which shows the structural example of a neural network. 集積回路の構成例を示す図。FIG. 2 shows an example of the configuration of an integrated circuit. 集積回路の構成例を示す図。FIG. 2 shows an example of the configuration of an integrated circuit. 集積回路の構成例を示す図。FIG. 2 shows an example of the configuration of an integrated circuit. 回路の構成例を示す図。FIG. 2 shows an example of the configuration of a circuit. メモリセルの構成例を示す図。FIG. 2 shows an example of the configuration of a memory cell. タイミングチャート。Timing chart. 駆動回路の構成例を示す図。FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of a drive circuit. 集積回路の構成例を示す図。FIG. 2 shows an example of the configuration of an integrated circuit. コンピュータの構成例を示す図。The figure which shows the structural example of a computer. 半導体装置の構成例を示す図。FIG. 7 shows a structural example of a semiconductor device. トランジスタの構成例を示す図。FIG. 7 shows a structural example of a transistor. 電子機器及びシステムの構成例を示す図。FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of an electronic device and a system. 並列計算機、計算機、及びPCカードの構成例を示す図。The figure which shows the structural example of a parallel computer, a computer, and a PC card. システムの構成例を示す図。A figure showing an example of composition of a system.

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 it is easily understood by those skilled in the art that various changes can be made in the form and details without departing from the spirit and scope of the present invention. Be done. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the following description of the embodiments.

また、本明細書等において、金属酸化物(metal oxide)とは、広い表現での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体(透明酸化物導電体を含む)、酸化物半導体(Oxide Semiconductorまたは単にOSともいう)などに分類される。例えば、トランジスタのチャネル形成領域に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、金属酸化物が増幅作用、整流作用、及びスイッチング作用の少なくとも1つを有する場合、当該金属酸化物を、金属酸化物半導体(metal oxide semiconductor)、略してOSと呼ぶことができる。以下、チャネル形成領域に金属酸化物を含むトランジスタを、OSトランジスタとも表記する。 In the present specification and the like, metal oxide is a metal oxide in a broad expression. Metal oxides are classified into oxide insulators, oxide conductors (including transparent oxide conductors), oxide semiconductors (also referred to as oxide semiconductor or simply OS), and the like. For example, in the case where a metal oxide is used for a channel formation region of a transistor, the metal oxide may be referred to as an oxide semiconductor. That is, in the case where the metal oxide has at least one of an amplification action, a rectification action, and a switching action, the metal oxide can be called a metal oxide semiconductor, which is abbreviated as OS. Hereinafter, a transistor including a metal oxide in a channel formation region is also referred to as an OS transistor.

また、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物(metal oxide)と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物(metal oxynitride)と呼称してもよい。金属酸化物の詳細については後述する。 In the present specification and the like, metal oxides having nitrogen may also be collectively referred to as metal oxides. In addition, a metal oxide having nitrogen may be referred to as metal oxynitride. Details of the metal oxide will be described later.

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。 Further, in the present specification and the like, when it is explicitly stated that X and Y are connected, the case where X and Y are electrically connected, and X and Y function. It is assumed that the case where they are connected as well as the case where X and Y are directly connected are disclosed in this specification and the like. Therefore, the present invention is not limited to a predetermined connection relationship, for example, a connection relationship shown in a figure or a sentence, and anything other than the connection relationship shown in a figure or a sentence is also described in the figure or the sentence. Here, X and Y each denote an object (eg, a device, an element, a circuit, a wiring, an electrode, a terminal, a conductive film, a layer, or the like).

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 in the case where X and Y are directly connected, an element (for example, a switch, a transistor, a capacitor, an inductor, a resistor, a diode, a display, or the like) capable of electrically connecting X and Y An element (e.g., a switch, a transistor, a capacitive element, an inductor) that enables an electrical connection between X and Y when the element, the light emitting element, the load, etc. is not connected between X and Y , X, and Y are connected without interposing a resistance element, a diode, a display element, a light emitting element, a load, and 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、オン状態、又は、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 when X and Y are electrically connected, an element (for example, a switch, a transistor, a capacitor, an inductor, a resistor, a diode, a display, or the like) which enables electrical connection of X and Y One or more elements, light emitting elements, loads, etc.) can be connected between X and Y. The switch has a function of controlling on and off. That is, the switch is turned on or off and has a function of controlling whether current flows or not. Alternatively, the switch has a function of selecting and switching a path through which current flows. In addition, when X and Y are electrically connected, the case where X and Y are directly connected shall be included.

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 when X and Y are functionally connected, a circuit (for example, a logic circuit (for example, an inverter, a NAND circuit, a NOR circuit, etc.) that enables functional connection of X and Y, signal conversion Circuits (DA converter circuit, AD converter circuit, gamma correction circuit, etc.), potential level converter circuits (power supply circuits (boost circuit, step-down circuit etc.), level shifter circuits for changing the potential level of signals, etc.) voltage source, current source, switching A circuit, an amplifier circuit (a circuit capable of increasing the signal amplitude or current amount, etc., an operational amplifier, a differential amplifier circuit, a source follower circuit, a buffer circuit, etc.), a signal generation circuit, a memory circuit, a control circuit, etc. It is possible to connect one or more in between. As an example, even if another circuit is interposed between X and Y, X and Y are functionally connected if the signal output from X is transmitted to Y. Do. Note that when X and Y are functionally connected, the case where X and Y are directly connected and the case where X and Y are electrically connected are included.

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 stated that X and Y are electrically connected, X and Y are electrically connected (ie, between X and Y). When X and Y are functionally connected (that is, functionally connected with another circuit between X and Y). And X and Y are directly connected (that is, when X and Y are connected without sandwiching another element or another circuit), the present specification. Shall be disclosed in the That is, in the case where it is explicitly stated that it is electrically connected, the same contents as in the case where it is only explicitly stated that it is connected are disclosed in the present specification etc. It shall be done.

また、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。 Further, even in the case in which independent components are illustrated as being electrically connected in the drawings, one component may have the functions of a plurality of components in combination. is there. For example, in the case where part of the wiring also functions as an electrode, one conductive film combines the function of the wiring and the function of both components of the function of the electrode. Therefore, the term "electrically connected" in this specification also falls under the category of one such conductive film, even when it has the function of a plurality of components.

また、本明細書等において、多値のデジタルデータとは、3値以上のデジタルデータをいうこととする。 Further, in the present specification and the like, multivalued digital data refers to digital data of three or more values.

また、本明細書等において、トランジスタのチャネル長とは、トランジスタが有するソース電極とドレイン電極の間の最短距離をいうこととする。また異なるトランジスタのチャネル長方向が平行であるとは、異なるトランジスタのチャネル長方向の差が2.5°以内であることをいい、必ずしも厳密な平行でなくてもよい。同様に、トランジスタのチャネル幅とは、半導体と接する領域において、ソース電極とドレイン電極が対向している部分の長さをいうこととする。また異なるトランジスタのチャネル幅方向が平行であるとは、異なるトランジスタのチャネル幅方向の差が2.5°以内であることをいい、必ずしも厳密な平行でなくてもよい。 Further, in this specification and the like, the channel length of a transistor refers to the shortest distance between the source electrode and the drain electrode of the transistor. Further, that the channel length directions of different transistors are parallel means that the difference between the channel length directions of different transistors is within 2.5 °, and they do not necessarily have to be strictly parallel. Similarly, the channel width of the transistor refers to the length of the portion where the source electrode and the drain electrode are opposed to each other in the region in contact with the semiconductor. Further, that the channel width directions of the different transistors are parallel means that the difference in the channel width directions of the different transistors is within 2.5 °, and they do not necessarily have to be strictly parallel.

(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る集積回路について説明する。本発明の一態様に係る集積回路は、人工知能の演算を行う機能を有する。
Embodiment 1
In this embodiment, an integrated circuit according to one embodiment of the present invention will be described. An integrated circuit according to an aspect of the present invention has a function of performing artificial intelligence calculations.

なお、人工知能とは、人間の知能を模した計算機の総称である。本明細書等において、人工知能には人工ニューラルネットワーク(ANN:Artificial Neural Network)が含まれる。人工ニューラルネットワークは、ニューロンとシナプスで構成される神経網を模した回路である。本明細書等において「ニューラルネットワーク」と記載する場合、特に人工ニューラルネットワークを指す。 In addition, artificial intelligence is a generic term of the computer which imitated human intelligence. As used herein, artificial intelligence includes artificial neural networks (ANN). An artificial neural network is a circuit that simulates a neural network composed of neurons and synapses. The term "neural network" as used herein refers particularly to artificial neural networks.

<集積回路の構成例1>
図1に、集積回路10の構成例を示す。集積回路10はニューラルネットワークの演算を行う機能を有し、隠れ層および出力層に相当する複数の演算回路ACを有する。図1には、集積回路10が、N個(Nは2以上の整数)の演算回路AC[1]乃至[N]を有する構成の例を示している。
<Configuration Example 1 of Integrated Circuit>
FIG. 1 shows a configuration example of the integrated circuit 10. The integrated circuit 10 has a function of performing operations of a neural network, and has a plurality of operation circuits AC corresponding to a hidden layer and an output layer. FIG. 1 shows an example of a configuration in which the integrated circuit 10 includes N (N is an integer of 2 or more) arithmetic circuits AC [1] to [N].

なお、集積回路10は、半導体装置によって構成することができる。そのため、集積回路10は、半導体装置と呼ぶこともできる。 The integrated circuit 10 can be configured by a semiconductor device. Therefore, the integrated circuit 10 can also be called a semiconductor device.

演算回路ACは、電流源回路CM、オフセット吸収回路OFS、セルアレイCA、階層出力回路OUを有する。電流源回路CMは、参照用電流源回路CMREFを有する。またセルアレイCAは、メモリセルMUおよび参照用メモリセルMUREFを有する。 The arithmetic circuit AC has a current source circuit CM, an offset absorption circuit OFS, a cell array CA, and a hierarchy output circuit OU. The current source circuit CM has a reference current source circuit CMREF. The cell array CA also has a memory cell MU and a reference memory cell MUREF.

電流源回路CM、オフセット吸収回路OFS、およびセルアレイCAは、積和演算回路MACとして機能することができる。また階層出力回路OUは、活性化関数回路として機能することができる。また階層出力回路OUは、増幅回路としての機能を有していてもよい。 The current source circuit CM, the offset absorption circuit OFS, and the cell array CA can function as a product-sum operation circuit MAC. The hierarchical output circuit OU can function as an activation function circuit. The hierarchical output circuit OU may have a function as an amplifier circuit.

演算回路ACは、積和演算回路MACと、階層出力回路OUと、を用いてニューラルネットワークの演算を行うことができる。図2に、ニューラルネットワークの演算の例を示す。 The arithmetic circuit AC can perform neural network arithmetic using the product-sum operation circuit MAC and the hierarchical output circuit OU. FIG. 2 shows an example of neural network operation.

図2(A)に示すように、ニューラルネットワークNNは入力層IL、出力層OL、中間層(隠れ層)HLによって構成することができる。入力層IL、出力層OL、中間層HLはそれぞれ、1又は複数のニューロン(ユニット)を有する。なお、中間層HLは1層であってもよいし2層以上であってもよい。2層以上の中間層HLを有するニューラルネットワークはDNN(ディープニューラルネットワーク)と呼ぶこともでき、ディープニューラルネットワークを用いた学習は深層学習と呼ぶこともできる。 As shown in FIG. 2A, the neural network NN can be configured by an input layer IL, an output layer OL, and an intermediate layer (hidden layer) HL. Each of the input layer IL, the output layer OL, and the intermediate layer HL has one or more neurons (units). The intermediate layer HL may be a single layer or two or more layers. A neural network having two or more intermediate layers HL can be called DNN (deep neural network), and learning using a deep neural network can also be called deep learning.

入力層ILの各ニューロンには入力データが入力され、中間層HLの各ニューロンには前層又は後層のニューロンの出力信号が入力され、出力層OLの各ニューロンには前層のニューロンの出力信号が入力される。なお、各ニューロンは、前後の層の全てのニューロンと結合されていてもよいし(全結合)、一部のニューロンと結合されていてもよい。 Input data is input to each neuron in the input layer IL, an output signal of a neuron in the anterior or posterior layer is input to each neuron in the intermediate layer HL, and an output from a neuron in the anterior layer is input to each neuron in the output layer OL A signal is input. Each neuron may be connected to all neurons in the previous and subsequent layers (total connection) or may be connected to some neurons.

図2(B)に、ニューロンによる演算の例を示す。ここでは、ニューロンNと、ニューロンNに信号を出力する前層の2つのニューロンを示している。ニューロンNには、前層のニューロンの出力xと、前層のニューロンの出力xが入力される。そして、ニューロンNにおいて、出力xと重みwの乗算結果(x)と、出力xと重みwの乗算結果(x)と、の和(x+x)が計算された後、必要に応じてバイアスbが加算され、値a=x+x+bが得られる。そして、値aは活性化関数hによって変換され、ニューロンNから出力信号y=h(a)が出力される。 FIG. 2 (B) shows an example of operation by a neuron. Here, a neuron N and two neurons in the front layer outputting signals to the neuron N are shown. The output x 1 of the anterior layer neuron and the output x 2 of the anterior layer neuron are input to the neuron N. Then, in the neuron N, the sum (x 1 w 1 + x) of the multiplication result (x 1 w 1 ) of the output x 1 and the weight w 1 and the multiplication result (x 2 w 2 ) of the output x 2 and the weight w 2 After 2 w 2 ) is calculated, the bias b is added as necessary to obtain the value a = x 1 w 1 + x 2 w 2 + b. Then, the value a is converted by the activation function h, and the neuron N outputs an output signal y = h (a).

このように、ニューロンによる演算には、入力データと重みの積を足し合わせる演算、すなわち積和演算が含まれる。この積和演算は、図1に示す電流源回路CM、オフセット吸収回路OFS、およびセルアレイCAを有する積和演算回路MACによって行うことができる。また、活性化関数hによる信号の変換は、図1に示す階層出力回路OUによって行うことができる。すなわち、演算回路ACによって、中間層HL又は出力層OLの演算を行うことができる。 Thus, the operation by the neuron includes an operation of adding the product of the input data and the weight, that is, a product-sum operation. This product-sum operation can be performed by a product-sum operation circuit MAC having the current source circuit CM, the offset absorption circuit OFS, and the cell array CA shown in FIG. The signal conversion by the activation function h can be performed by the hierarchical output circuit OU shown in FIG. That is, the arithmetic circuit AC can perform the operation of the intermediate layer HL or the output layer OL.

積和演算回路が有するセルアレイCAは、マトリクス状に配置された複数のメモリセルMUによって構成されている。 The cell array CA of the product-sum operation circuit is constituted by a plurality of memory cells MU arranged in a matrix.

メモリセルMUは、第1のデータを格納する機能を有する。第1のデータは、ニューラルネットワークのニューロン間の重みに対応するデータである。また、メモリセルMUは、第1のデータと、セルアレイCAの外部から入力される第2のデータとの乗算を行う機能を有する。すなわち、メモリセルMUは、記憶回路としての機能と乗算回路としての機能を有する。 The memory cell MU has a function of storing first data. The first data is data corresponding to weights between neurons in the neural network. In addition, the memory cell MU has a function of performing multiplication of the first data and the second data input from the outside of the cell array CA. That is, the memory cell MU has a function as a memory circuit and a function as a multiplier circuit.

なお、第1のデータがアナログデータである場合、メモリセルMUはアナログメモリとしての機能を有する。また、第1のデータが多値データである場合、メモリセルMUは多値メモリとしての機能を有する。 When the first data is analog data, the memory cell MU has a function as an analog memory. When the first data is multilevel data, the memory cell MU has a function as a multilevel memory.

そして、同じ列に属するメモリセルMUによる乗算の結果が足し合わされる。これにより、第1のデータと第2のデータの積和演算が行われる。そして、セルアレイCAによる演算の結果は、第3のデータとして階層出力回路OUに出力される。なお、セルアレイCAによる積和演算の詳細については後述する。 Then, the results of multiplication by memory cells MU belonging to the same column are added. Thereby, a product-sum operation of the first data and the second data is performed. Then, the result of the operation by the cell array CA is output to the hierarchy output circuit OU as third data. The details of the product-sum operation by the cell array CA will be described later.

階層出力回路OUは、セルアレイCAから出力された第3のデータを、所定の活性化関数に従って変換する機能を有する。階層出力回路OUから出力されるアナログ信号または多値のデジタル信号が、ニューラルネットワークNNにおける中間層又は出力層の出力データに相当する。 The hierarchical output circuit OU has a function of converting the third data output from the cell array CA according to a predetermined activation function. The analog signal or multi-value digital signal output from the hierarchical output circuit OU corresponds to the output data of the intermediate layer or output layer in the neural network NN.

活性化関数としては、例えば、シグモイド関数、tanh関数、softmax関数、ReLU関数、しきい値関数などを用いることができる。階層出力回路OUによって変換された信号は、アナログデータまたは多値のデジタルデータ(データDanalog)として出力される。 As the activation function, for example, a sigmoid function, a tanh function, a softmax function, a ReLU function, a threshold function or the like can be used. The signal converted by the hierarchical output circuit OU is output as analog data or multilevel digital data (data D analog ).

このように、一の演算回路ACにより、ニューラルネットワークNNの中間層HL又は出力層OLのいずれか一の演算を実現することができる。なお、演算回路AC[k](kは1以上N以下の整数)が有する積和演算回路MAC及び階層出力回路OUを、それぞれ積和演算回路MAC[k]及び階層出力回路OU[k]と表記する。また、演算回路AC[k]から出力されるアナログデータまたは多値のデジタルデータを、データDanalog[k]と表記する。 Thus, one arithmetic circuit AC can realize any one operation of the intermediate layer HL or the output layer OL of the neural network NN. The product-sum operation circuit MAC and the hierarchy output circuit OU possessed by the arithmetic circuit AC [k] (k is an integer of 1 or more and N or less) are the product-sum operation circuit MAC [k] and the hierarchy output circuit OU [k], respectively. write. Also, analog data or multi-value digital data output from the arithmetic circuit AC [k] will be denoted as data D analog [k].

ここで、本発明の一態様に係る集積回路10は、複数の演算回路ACを有する。そして、第1の演算回路ACから出力されるアナログデータまたは多値のデジタルデータが、第2の演算回路ACに第2のデータとして供給される。そして、第2の演算回路ACは、メモリセルMUに格納された第1のデータと、第1の演算回路ACから入力された第2のデータを用いて演算を行う。これにより、集積回路10は、複数の層によって構成されるニューラルネットワークの演算を行うことができる。 Here, the integrated circuit 10 according to an aspect of the present invention includes a plurality of arithmetic circuits AC. Then, analog data or multi-value digital data output from the first arithmetic circuit AC is supplied to the second arithmetic circuit AC as second data. Then, the second arithmetic circuit AC performs an operation using the first data stored in the memory cell MU and the second data input from the first arithmetic circuit AC. Thereby, the integrated circuit 10 can perform the operation of the neural network constituted by a plurality of layers.

また、一の演算回路ACから出力されるアナログデータまたは多値のデジタルデータは、2値のデジタルデータに変換されることなく他の演算回路ACに入力される。そのため、アナログ−デジタル(AD)変換及びデジタル−アナログ(DA)変換を省略することができ、消費電力の削減、又は演算速度の向上を図ることができる。 Further, analog data or multilevel digital data output from one arithmetic circuit AC is input to another arithmetic circuit AC without being converted into binary digital data. Therefore, analog-digital (AD) conversion and digital-analog (DA) conversion can be omitted, and power consumption can be reduced or calculation speed can be improved.

さらに、一の演算回路ACから出力されるアナログデータまたは多値のデジタルデータは、メモリを介さずに他の演算回路ACに入力される。そのため、演算回路AC間でデータを転送する際のメモリへのアクセスを省略することができ、消費電力の削減、又は演算速度の向上を図ることができる。 Furthermore, analog data or multi-value digital data output from one arithmetic circuit AC is input to another arithmetic circuit AC without passing through a memory. Therefore, access to the memory when transferring data between the arithmetic circuits AC can be omitted, and power consumption can be reduced or arithmetic speed can be improved.

図1に示すように集積回路10にN個の演算回路AC[1]乃至[N]が搭載される場合、演算回路AC[1]乃至[N]のセルアレイCAには、それぞれ重みWが格納される。また、演算回路[1]にはデータXが入力される。 When the N arithmetic circuits AC [1] to [N] are mounted on the integrated circuit 10 as shown in FIG. 1, the weight W is stored in the cell array CA of the arithmetic circuits AC [1] to [N]. Be done. Also, data X is input to the arithmetic circuit [1].

積和演算回路MAC[1]は、セルアレイCAに格納された重みW(第1のデータ)とデータX(第2のデータ)の積和演算を行い、その結果を第3のデータとして階層出力回路OU[1]に出力する。そして、階層出力回路OU[1]は、活性化関数に基づいて第3のデータを変換する。この変換によって得られたアナログデータまたは多値のデジタルデータは、データDanalog[1]として演算回路AC[2]に出力される。 The product-sum operation circuit MAC [1] performs product-sum operation of the weight W (first data) stored in the cell array CA and the data X (second data), and the result is output as the third data hierarchically Output to the circuit OU [1]. Then, the hierarchy output circuit OU [1] converts the third data based on the activation function. Analog data or multi-value digital data obtained by this conversion is output to the arithmetic circuit AC [2] as data D analog [1].

積和演算回路MAC[2]は、セルアレイCAに格納された重みW(第1のデータ)とデータDanalog[1](第2のデータ)の積和演算を行い、その結果を第3のデータとして階層出力回路OU[2]に出力する。そして、階層出力回路OU[2]は、活性化関数に基づいて第3のデータを変換する。この変換によって得られたアナログデータまたは多値のデジタルデータは、データDanalog[2]として演算回路AC[3]に出力される。 The product-sum operation circuit MAC [2] performs product-sum operation on the weight W (first data) stored in the cell array CA and the data D analog [1] (second data), and the result is calculated as the third The data is output as data to the hierarchy output circuit OU [2]. Then, the hierarchy output circuit OU [2] converts the third data based on the activation function. The analog data or multilevel digital data obtained by this conversion is output to the arithmetic circuit AC [3] as data D analog [2].

同様の演算が、演算回路AC[3]乃至[N]においても行われる。そして、演算回路AC[N]から出力されるデータDanalog[N]が集積回路10の出力データとなり、データYとして外部に出力される。 Similar operations are performed in the arithmetic circuits AC [3] to [N]. Then, the data D analog [N] output from the arithmetic circuit AC [N] becomes output data of the integrated circuit 10 and is output as data Y to the outside.

演算回路AC[1]乃至[N−1]による演算は、それぞれ第1乃至第N−1層目の中間層HLの演算に相当し、演算回路AC[N]の演算は出力層OLの演算に相当する。なお、入力層ILにおいては、入力データと重みの積和演算は行われない。そのため、入力層ILは、集積回路10の外部から入力されたデータに、適宜データ処理(DA変換など)を施し、演算回路AC[1]に出力する回路によって実現することができる。このような回路を集積回路10に設けることにより、集積回路10に入力層ILの機能を付加することができる。 The calculations by the calculation circuits AC [1] to [N−1] correspond to the calculations of the first to (N−1) th intermediate layers HL, and the calculation of the calculation circuit AC [N] is calculation of the output layer OL. It corresponds to In the input layer IL, product-sum operation of input data and weights is not performed. Therefore, the input layer IL can be realized by a circuit that appropriately performs data processing (such as DA conversion) on data input from the outside of the integrated circuit 10 and outputs the data to the arithmetic circuit AC [1]. By providing such a circuit in the integrated circuit 10, the function of the input layer IL can be added to the integrated circuit 10.

このように、集積回路10にN個の演算回路ACを搭載することにより、入力層IL、N−1層の中間層HL、及び出力層OLによって構成される、N+1層のニューラルネットワークを構築することができる。 Thus, by mounting the N arithmetic circuits AC in the integrated circuit 10, a neural network of N + 1 layers is constructed, which is configured of the input layer IL, the intermediate layer HL of the N-1 layers, and the output layer OL. be able to.

<集積回路の構成例2>
次に、図3乃至図6を用いて集積回路10のより具体的な構成例について説明する。図3は、複数の演算回路ACを有する集積回路10の、演算回路AC[1]及び演算回路AC[2]の部分である。また、図3に示す演算回路AC[1]を拡大し電気的な接続をより詳細に説明したものが図4である。図3に示す演算回路AC[2]を拡大し電気的な接続をより詳細に説明したものが図5である。また、図3乃至図5に示す各回路の具体的な構成の例を、図6に示す。
<Configuration Example 2 of Integrated Circuit>
Next, a more specific configuration example of the integrated circuit 10 will be described using FIGS. 3 to 6. FIG. 3 shows portions of the arithmetic circuit AC [1] and the arithmetic circuit AC [2] of the integrated circuit 10 having a plurality of arithmetic circuits AC. Further, FIG. 4 is an enlarged view of the arithmetic circuit AC [1] shown in FIG. 3 to explain the electrical connection in more detail. It is FIG. 5 which expanded the arithmetic circuit AC [2] shown in FIG. 3, and explained electric connection in more detail. An example of a specific configuration of each circuit shown in FIGS. 3 to 5 is shown in FIG.

演算回路AC[1]および演算回路AC[2]はそれぞれ、電流源CM、オフセット吸収回路OFS、セルアレイCAおよび階層出力回路OUを有する。 The arithmetic circuit AC [1] and the arithmetic circuit AC [2] each include a current source CM, an offset absorption circuit OFS, a cell array CA, and a hierarchy output circuit OU.

また集積回路10は、演算回路ACに加えて、ソースドライバ11、ゲートドライバ12およびインプットバッファ13を有する。 The integrated circuit 10 further includes a source driver 11, a gate driver 12, and an input buffer 13 in addition to the arithmetic circuit AC.

ゲートドライバ12は、メモリセルMUを選択するための信号(以下、選択信号)を供給する機能を有する。ゲートドライバ12は、配線WWを介してセルアレイCAと接続されている。セルアレイCAに第1のデータを格納する際は、ゲートドライバ12から配線WWを介してメモリセルMUに選択信号が供給される。なおゲートドライバ12は、演算回路AC[1]のメモリセルMUと演算回路AC[2]のメモリセルMUの両方に、選択信号を供給する機能を有する。 The gate driver 12 has a function of supplying a signal (hereinafter, selection signal) for selecting a memory cell MU. The gate driver 12 is connected to the cell array CA via the wiring WW. When storing the first data in the cell array CA, a selection signal is supplied from the gate driver 12 to the memory cell MU via the wiring WW. The gate driver 12 has a function of supplying a selection signal to both the memory cell MU of the arithmetic circuit AC [1] and the memory cell MU of the arithmetic circuit AC [2].

ソースドライバ11は、セルアレイCAに第1のデータを供給する機能を有する。ソースドライバ11は、配線WDを介してセルアレイCAと接続されている。セルアレイCAに第1のデータを格納する際は、ソースドライバ11配線WDを介してメモリセルMUに、第1のデータに対応する電位(以下、書き込み電位ともいう)が供給される。なおソースドライバ11は、演算回路AC[1]のメモリセルMCと演算回路AC[2]のメモリセルMUの両方に、書き込み電位を供給する機能を有する。ゲートドライバ12によって選択されたメモリセルMUに、ソースドライバ11から書き込み電位が供給されることにより、メモリセルMUに重みWが格納される。 The source driver 11 has a function of supplying the first data to the cell array CA. The source driver 11 is connected to the cell array CA via the wiring WD. When storing the first data in the cell array CA, a potential (hereinafter, also referred to as a write potential) corresponding to the first data is supplied to the memory cell MU through the source driver 11 wiring WD. The source driver 11 has a function of supplying a write potential to both the memory cell MC of the arithmetic circuit AC [1] and the memory cell MU of the arithmetic circuit AC [2]. The write potential is supplied from the source driver 11 to the memory cell MU selected by the gate driver 12, whereby the weight W is stored in the memory cell MU.

ソースドライバ11には、外部から重みWが入力される。そしてソースドライバ11に入力された重みWは、ソースドライバによって適宜信号処理が施され、第1のデータとしてセルアレイCAに供給される。なお、重みWとしてデジタルデータが入力される場合、ソースドライバはDA変換を行う機能を有する。 The weight W is input to the source driver 11 from the outside. Then, the weight W input to the source driver 11 is appropriately subjected to signal processing by the source driver, and is supplied to the cell array CA as first data. Note that when digital data is input as the weight W, the source driver has a function of performing DA conversion.

インプットバッファ13は、外部から入力されたデータXに、適宜信号処理を施し、演算回路AC[1]のセルアレイCAに出力する機能を有する。データXは、演算回路AC[1]による積和演算に用いられる第2のデータに相当する。なお、データXとしてデジタルデータが入力される場合、インプットバッファ13はDA変換を行う機能を有する。 The input buffer 13 has a function of appropriately performing signal processing on the data X input from the outside and outputting the data X to the cell array CA of the arithmetic circuit AC [1]. The data X corresponds to the second data used for the product-sum operation by the arithmetic circuit AC [1]. When digital data is input as data X, the input buffer 13 has a function of performing DA conversion.

図6(A)に、電流源回路CMの構成の例を示す。電流源回路CMは、第3のトランジスタTr3を有する。第3のトランジスタは、チャネル形成領域にシリコンを有することが好ましい。第3のトランジスタのゲート電極は配線CMGと電気的に接続され、ソース電極またはドレイン電極の一方は高電源電位と電気的に接続され、ソース電極またはドレイン電極の他方は配線CMDと電気的に接続される。 FIG. 6A shows an example of the configuration of the current source circuit CM. The current source circuit CM has a third transistor Tr3. The third transistor preferably includes silicon in a channel formation region. The gate electrode of the third transistor is electrically connected to the wiring CMG, one of the source electrode or the drain electrode is electrically connected to the high power supply potential, and the other of the source electrode or the drain electrode is electrically connected to the wiring CMD Be done.

図6(B)に、オフセット吸収回路OFSの構成の例を示す。オフセット吸収回路OFSは、第4のトランジスタTr4、第5のトランジスタTr5、第6のトランジスタTr6、第7のトランジスタTr7、第8のトランジスタTr8、第9のトランジスタTr9、第2の容量素子C2、第3の容量素子C3を有する。 FIG. 6B shows an example of the configuration of the offset absorption circuit OFS. The offset absorbing circuit OFS includes a fourth transistor Tr4, a fifth transistor Tr5, a sixth transistor Tr6, a seventh transistor Tr7, an eighth transistor Tr8, a ninth transistor Tr9, a second capacitive element C2, a fifth There are three capacitive elements C3.

第4のトランジスタTr4および第7のトランジスタTr7はチャネル形成領域にシリコンを有することが好ましい。第5のトランジスタTr5、第6のトランジスタTr6、第8のトランジスタTr8および第9のトランジスタTr9はチャネル形成領域に金属酸化物を有することが好ましい。 The fourth transistor Tr4 and the seventh transistor Tr7 preferably include silicon in a channel formation region. The fifth transistor Tr5, the sixth transistor Tr6, the eighth transistor Tr8, and the ninth transistor Tr9 preferably include a metal oxide in a channel formation region.

第4のトランジスタTr4のゲート電極は第2の容量素子C2の一方、第5のトランジスタTr5のソース電極またはドレイン電極の一方、第6のトランジスタのソース電極およびドレイン電極の一方と電気的に接続される。第4のトランジスタTr4のソース電極またはドレイン電極の一方は、第2の容量素子C2の他方および高電源電位と電気的に接続される。第4のトランジスタTr4のソース電極またはドレイン電極の他方は、第5のトランジスタTr5のソース電極またはドレイン電極の他方、配線WX、第7のトランジスタTrのソース電極またはドレイン電極の一方、および第8のトランジスタTr8のソース電極またはドレイン電極の一方と電気的に接続される。 The gate electrode of the fourth transistor Tr4 is electrically connected to one of the second capacitive element C2, one of the source electrode or drain electrode of the fifth transistor Tr5, and one of the source electrode and drain electrode of the sixth transistor. Ru. One of the source electrode and the drain electrode of the fourth transistor Tr4 is electrically connected to the other of the second capacitive element C2 and the high power supply potential. The other of the source electrode and the drain electrode of the fourth transistor Tr4 is the other of the source electrode or the drain electrode of the fifth transistor Tr5, the wiring WX, one of the source electrode or the drain electrode of the seventh transistor Tr, and the eighth It is electrically connected to one of the source electrode and the drain electrode of the transistor Tr8.

第5のトランジスタTr5のゲート電極は、配線OSMと電気的に接続される。第6のトランジスタTr6のゲート電極は、配線ORMと電気的に接続される。 The gate electrode of the fifth transistor Tr5 is electrically connected to the wiring OSM. The gate electrode of the sixth transistor Tr6 is electrically connected to the wiring ORM.

第7のトランジスタTr7のゲート電極は第3の容量素子C3の一方、第8のトランジスタTr8のソース電極またはドレイン電極の他方および第9のトランジスタTr9のソース電極またはドレイン電極の一方と電気的に接続される。第7のトランジスタTr7のソース電極またはドレイン電極の他方は第3の容量素子C3の他方、第9のトランジスタTr9の他方と電気的に接続され、接地される。 The gate electrode of the seventh transistor Tr7 is electrically connected to one of the third capacitive element C3, the other of the source electrode or drain electrode of the eighth transistor Tr8, and one of the source electrode or drain electrode of the ninth transistor Tr9. Be done. The other of the source electrode and the drain electrode of the seventh transistor Tr7 is electrically connected to the other of the third capacitive element C3 and the other of the ninth transistor Tr9, and is grounded.

第8のトランジスタTr8のゲート電極は配線OSPと電気的に接続される。第9のトランジスタTr9のゲート電極は配線ORPと電気的に接続される。 The gate electrode of the eighth transistor Tr8 is electrically connected to the wiring OSP. The gate electrode of the ninth transistor Tr9 is electrically connected to the wiring ORP.

図6(B)にメモリセルMUの構成の例を示す。メモリセルMUは、第1のトランジスタTr1、第2のトランジスタTr2および第1の容量素子C1を有する。第1のトランジスタTr1は、チャネル形成領域に金属酸化物を有することが好ましい。第2のトランジスタTr2は、チャネル形成領域にシリコンを有することが好ましい。 FIG. 6B shows an example of the configuration of the memory cell MU. The memory cell MU includes a first transistor Tr1, a second transistor Tr2, and a first capacitive element C1. The first transistor Tr1 preferably includes a metal oxide in a channel formation region. The second transistor Tr2 preferably includes silicon in a channel formation region.

第1のトランジスタTr1のゲート電極は配線WWと電気的に接続され、ソース電極またはドレイン電極の一方は配線WDと電気的に接続され、ソース電極またはドレイン電極の他方は容量素子C1の一方および第2のトランジスタTr2のゲート電極と電気的に接続される。 The gate electrode of the first transistor Tr1 is electrically connected to the wiring WW, one of the source electrode or the drain electrode is electrically connected to the wiring WD, and the other of the source electrode or the drain electrode is one of the capacitive elements C1 and the first It is electrically connected to the gate electrode of the second transistor Tr2.

第2のトランジスタTr2のソース電極またはドレイン電極の一方は配線WXと電気的に接続され、ソース電極またはドレイン電極の他方は接地される。 One of the source electrode or the drain electrode of the second transistor Tr2 is electrically connected to the wiring WX, and the other of the source electrode or the drain electrode is grounded.

第1の容量素子C1の他方は配線RWと電気的に接続される。 The other of the first capacitive element C1 is electrically connected to the wiring RW.

アナログデータまたは多値のデジタルデータで演算する本発明の一態様の演算回路ACでは、メモリセルMUの信頼性が演算の精度に大きく影響する。そのため、同じ演算回路AC内でメモリセルMUの特性のばらつきを低減するのはもちろんのこと、異なる演算回路ACが有するメモリセルMUにおいても特性のばらつきを低減する必要がある。メモリセルMUの特性のばらつきを低減するためには、メモリセルMUが有するトランジスタの特性のばらつきを低減する必要がある。これは、メモリセルMUが有する、チャネル形成領域にシリコンを有することが好ましいトランジスタ、およびチャネル形成領域に金属酸化物を有することが好ましいトランジスタの両方についていえる。 In the arithmetic circuit AC according to one embodiment of the present invention which performs arithmetic operation using analog data or multilevel digital data, the reliability of the memory cell MU largely affects the accuracy of the arithmetic operation. Therefore, it is necessary to reduce the variation in characteristics of memory cells MU included in different arithmetic circuits AC as well as reducing the variation in characteristics of memory cells MU in the same arithmetic circuit AC. In order to reduce the variation in the characteristics of the memory cell MU, it is necessary to reduce the variation in the characteristics of the transistor of the memory cell MU. This is true for both the transistor preferably having silicon in the channel formation region and the transistor preferably having metal oxide in the channel formation region of the memory cell MU.

トランジスタの特性のばらつきを低減するためには、トランジスタを形成するプロセスにおいて、場所により条件が異ならないようにすることが有効である。そのためには、基板上にメモリセルを配置するとき、トランジスタの方向をそろえることが有効である。トランジスタの方向をそろえるとは、たとえばトランジスタのチャネル長方向を平行にすることをいう。または、トランジスタのチャネル幅方向を平行にすることをいう。 In order to reduce variations in transistor characteristics, it is effective to make the conditions not different depending on the place in the process of forming the transistor. For that purpose, it is effective to align the direction of the transistors when arranging the memory cells on the substrate. To align the direction of the transistor means, for example, to make the channel length direction of the transistor parallel. Alternatively, it refers to making the channel width directions of the transistors parallel.

このように異なる演算回路ACが有するメモリセル中のトランジスタのチャネル長方向を平行にすることで、より精度の高い演算を行うことができる。 By parallelizing the channel length directions of the transistors in the memory cells of different arithmetic circuits AC as described above, more accurate arithmetic operations can be performed.

上記を換言すれば、たとえば、演算回路AC[1]が有するメモリセルMUが有する第1のトランジスタTr1のチャネル長方向と、演算回路AC[2]が有するメモリセルMUが有する第1のトランジスタTr1のチャネル長方向を平行にすることが好ましい。または、演算回路AC[1]が有するメモリセルMUが有する第1のトランジスタTr1のチャネル幅方向と、演算回路AC[2]が有するメモリセルMUが有する第1のトランジスタTr1のチャネル幅方向を平行にすることが好ましい。 In other words, for example, the channel length direction of the first transistor Tr1 of the memory cell MU of the arithmetic circuit AC [1] and the first transistor Tr1 of the memory cell MU of the arithmetic circuit AC [2]. It is preferable to make the channel length directions of Alternatively, the channel width direction of the first transistor Tr1 of the memory cell MU of the arithmetic circuit AC [1] is parallel to the channel width direction of the first transistor Tr1 of the memory cell MU of the arithmetic circuit AC [2]. It is preferable to

図6(C)に階層出力回路OUの構成の例を示す。図6(C)に示す階層出力回路OUでは、活性化関数としてReLU関数が実装されている。 FIG. 6C shows an example of the configuration of the hierarchy output circuit OU. In the hierarchical output circuit OU shown in FIG. 6C, the ReLU function is implemented as the activation function.

階層出力回路OUは、第10のトランジスタTr10、第11のトランジスタTr11、第12のトランジスタTr12、第13のトランジスタTr13、第2の容量素子C2、第1の抵抗素子R1、および第1のスイッチS1を有する。 The hierarchical output circuit OU includes a tenth transistor Tr10, an eleventh transistor Tr11, a twelfth transistor Tr12, a thirteenth transistor Tr13, a second capacitive element C2, a first resistive element R1, and a first switch S1. Have.

第10のトランジスタTr10のゲート電極は配線RSTと電気的に接続される。第10のトランジスタTr10のソース電極またはドレイン電極の一方は配線OPRと電気的に接続される。第10のトランジスタTr10のソース電極またはドレイン電極の他方は第2の容量素子C2の一方および第12トランジスタTr12のゲート電極と電気的に接続される。 The gate electrode of the tenth transistor Tr10 is electrically connected to the wiring RST. One of the source electrode and the drain electrode of the tenth transistor Tr10 is electrically connected to the wiring OPR. The other of the source electrode and the drain electrode of the tenth transistor Tr10 is electrically connected to one of the second capacitive elements C2 and the gate electrode of the twelfth transistor Tr12.

第11のトランジスタTr11のゲート電極は配線OBSと電気的に接続される。第11のトランジスタTr11のソース電極またはドレイン電極の一方は高電源電位と電気的に接続される。第11のトランジスタTr11のソース電極またはドレイン電極の他方は第12のトランジスタTr12のソース電極またはドレイン電極の他方、第13トランジスタTr13のソース電極またはドレイン電極の一方および配線OUTと電気的に接続される。 The gate electrode of the eleventh transistor Tr11 is electrically connected to the wiring OBS. One of the source electrode and the drain electrode of the eleventh transistor Tr11 is electrically connected to the high power supply potential. The other of the source electrode or drain electrode of the eleventh transistor Tr11 is electrically connected to the other of the source electrode or drain electrode of the twelfth transistor Tr12, to one of the source electrode or drain electrode of the thirteenth transistor Tr13, and to the wiring OUT. .

第12のトランジスタTr12のゲート電極は高電源電位と電気的に接続される。第13のトランジスタTr13のゲート電極は配線NBと電気的に接続され、ソース電極またはドレイン電極の他方は接地される。 The gate electrode of the twelfth transistor Tr12 is electrically connected to the high power supply potential. The gate electrode of the thirteenth transistor Tr13 is electrically connected to the wiring NB, and the other of the source electrode and the drain electrode is grounded.

第2の容量素子C2の他方は配線INおよび第1のスイッチS1の他方と電気的に接続される。 The other of the second capacitive element C2 is electrically connected to the wiring IN and the other of the first switch S1.

第1の抵抗素子R1の一方は配線OREFと電気的に接続され、他方は第1のスイッチS1の一方と電気的に接続される。 One of the first resistance elements R1 is electrically connected to the wiring OREF, and the other is electrically connected to one of the first switches S1.

配線ERから供給される信号によって、第1のスイッチS1のオンとオフが制御される。 The signal supplied from the wiring ER controls the on / off of the first switch S1.

図7(A)に、ソースドライバ11の構成例を示す。ソースドライバ11は、シフトレジスタSL1、ラッチ回路LAT1、DA変換回路DAC1を有する。シフトレジスタSL1にはスタートパルスSP1とクロック信号CLK1が入力され、ラッチ回路LAT1には重みW(デジタルデータ)が入力される。 FIG. 7A shows an example of the configuration of the source driver 11. The source driver 11 includes a shift register SL1, a latch circuit LAT1, and a DA conversion circuit DAC1. The start pulse SP1 and the clock signal CLK1 are input to the shift register SL1, and the weight W (digital data) is input to the latch circuit LAT1.

シフトレジスタSL1は、スタートパルスSP1とクロック信号CLK1を用いて、サンプリングパルスを生成する機能を有する。シフトレジスタSL1によって生成されたサンプリングパルスは、ラッチ回路LAT1に出力される。 The shift register SL1 has a function of generating a sampling pulse using the start pulse SP1 and the clock signal CLK1. The sampling pulse generated by the shift register SL1 is output to the latch circuit LAT1.

ラッチ回路LAT1は、シフトレジスタSL1から入力されたサンプリングパルスに従って、重みWを所定のタイミングで格納する機能を有する。ラッチ回路LAT1に格納された重みWは、DA変換回路DAC1に出力される。 The latch circuit LAT1 has a function of storing the weight W at a predetermined timing according to the sampling pulse input from the shift register SL1. The weight W stored in the latch circuit LAT1 is output to the DA conversion circuit DAC1.

DA変換回路DAC1は、ラッチ回路LAT1から入力された重みWをアナログ信号に変換し、配線WDに出力する機能を有する。DA変換回路DAC1から配線WDに出力される電位が、書き込み電位に相当する。 The DA conversion circuit DAC1 has a function of converting the weight W input from the latch circuit LAT1 into an analog signal and outputting the analog signal to the wiring WD. The potential output from the DA conversion circuit DAC1 to the wiring WD corresponds to the write potential.

図7(B)に、インプットバッファ13の構成例を示す。インプットバッファ13は、シフトレジスタSL2、ラッチ回路LAT2、DA変換回路DAC2を有する。シフトレジスタSL2にはスタートパルスSP2とクロック信号CLK2が入力され、ラッチ回路LAT2にはデータX(デジタルデータ)が入力される。 FIG. 7B shows an example of the configuration of the input buffer 13. The input buffer 13 has a shift register SL2, a latch circuit LAT2, and a DA conversion circuit DAC2. The start pulse SP2 and the clock signal CLK2 are input to the shift register SL2, and the data X (digital data) is input to the latch circuit LAT2.

シフトレジスタSL2、ラッチ回路LAT2、DA変換回路DAC2は、それぞれシフトレジスタSL1、ラッチ回路LAT1、DA変換回路DAC1と同様の機能を有する。そして、DA変換回路DAC2から配線RWに供給される電位が、演算回路AC[1]に入力される第2のデータに相当する。 The shift register SL2, the latch circuit LAT2, and the DA conversion circuit DAC2 have the same functions as the shift register SL1, the latch circuit LAT1, and the DA conversion circuit DAC1, respectively. Then, the potential supplied from the DA conversion circuit DAC2 to the wiring RW corresponds to the second data input to the arithmetic circuit AC [1].

<演算回路の動作例>
上記の演算回路ACを用いて、第1のデータと第2のデータの積和演算を行うことができる。以下、図8に示すセルアレイの例を用いて、積和演算を行う際の演算回路ACの動作例を説明する。
<Operation Example of Arithmetic Circuit>
The product-sum operation of the first data and the second data can be performed using the above-described arithmetic circuit AC. Hereinafter, an operation example of the arithmetic circuit AC when performing the product-sum operation will be described using the example of the cell array shown in FIG.

図9に演算回路ACの動作例のタイミングチャートを示す。図9には、図8における配線WW[1]、配線WW[2]、配線WD[1]、配線WDref、ノードNM[1,1]、ノードNM[2,1]、ノードNMref[1]、ノードNMref[2]、配線RW[1]、及び配線RW[2]の電位の推移と、電流IWX[1]−Iα[1]、及び電流IWXrefの値の推移を示している。電流IWX[1]−Iα[1]は、配線WX[1]からメモリセルMU[1,1]、[2,1]に流れる電流の総和に相当する。 FIG. 9 shows a timing chart of an operation example of the arithmetic circuit AC. In FIG. 9, the wiring WW [1], the wiring WW [2], the wiring WD [1], the wiring WDref, the node NM [1,1], the node NM [2,1], and the node NMref [1] in FIG. , node Nmref [2], wiring RW [1], and changes in potentials of the wiring RW [2], the current I WX [1] -I α [ 1], and shows a transition of the value of the current I WXref . The current I WX [1] -I α [1] corresponds to the sum of the currents flowing from the wiring WX [1] to the memory cells MU [1, 1] and [2, 1].

なお、ここでは代表例として図8に示すメモリセルMU[1,1]、[2,1]及びメモリセルMUref[1]、[2]に着目して動作を説明するが、他のメモリセルMU及びメモリセルMUrefも同様に動作させることができる。 Here, the operation will be described focusing on the memory cells MU [1, 1], [2, 1] and the memory cells MUref [1], [2] shown in FIG. 8 as a representative example, but other memory cells MU and memory cell MUref can be similarly operated.

[第1のデータの格納]
まず、時刻T01−T02において、配線WW[1]の電位がハイレベルとなり、配線WD[1]の電位が接地電位(GND)よりもVPR−VW[1,1]大きい電位となり、配線WDrefの電位が接地電位よりもVPR大きい電位となる。また、配線RW[1]、及び配線RW[2]の電位が基準電位(REFP)となる。なお、電位VW[1,1]はメモリセルMU[1,1]に格納される第1のデータに対応する電位である。また、電位VPRは参照データに対応する電位である。これにより、メモリセルMU[1,1]及びメモリセルMUref[1]が有するトランジスタTr11がオン状態となり、ノードNM[1,1]の電位がVPR−VW[1,1]、ノードNMref[1]の電位がVPRとなる。
[First data storage]
First, the time at T01-T02, the potential of the wiring WW [1] becomes high level, the V PR -V W [1,1] greater potential the potential of the wiring WD [1] is higher than the ground potential (GND), wiring potential of WDref becomes the V PR greater potential than the ground potential. Further, the potentials of the wiring RW [1] and the wiring RW [2] become a reference potential (REFP). The potential V W [1, 1] is a potential corresponding to the first data stored in the memory cell MU [1, 1]. Further, the potential VPR is a potential corresponding to reference data. Thus, the memory cell MU [1,1] and the transistor Tr11 having a memory cell MUref [1] is turned on, the node NM potential of [1,1] is V PR -V W [1,1], the node NMref The potential of [1] becomes VPR .

このとき、配線WX[1]からメモリセルMU[1,1]のトランジスタTr12に流れる電流IMU[1,1],0は、次の式で表すことができる。ここで、kはトランジスタTr12のチャネル長、チャネル幅、移動度、及びゲート絶縁膜の容量などで決まる定数である。また、VthはトランジスタTr12のしきい値電圧である。 At this time, the current I MU [1, 1], 0 flowing from the wiring WX [1] to the transistor Tr12 of the memory cell MU [1, 1] can be expressed by the following equation. Here, k is a constant determined by the channel length, channel width, mobility, and the capacity of the gate insulating film of the transistor Tr12. Further, V th is a threshold voltage of the transistor Tr12.

MU[1,1],0=k(VPR−VW[1,1]−Vth (E1) I MU [1,1], 0 = k (V PR -V W [1,1] -V th) 2 (E1)

また、配線WXrefからメモリセルMUref[1]のトランジスタTr12に流れる電流IMUref[1],0は、次の式で表すことができる。 Further, the current I MUref [1], 0 flowing from the wiring WXref to the transistor Tr12 of the memory cell MUref [1] can be expressed by the following equation.

MUref[1],0=k(VPR−Vth (E2) I MUref [1], 0 = k (V PR -V th) 2 (E2)

次に、時刻T02−T03において、配線WW[1]の電位がローレベルとなる。これにより、メモリセルMU[1,1]及びメモリセルMUref[1]が有するトランジスタTr11がオフ状態となり、ノードNM[1,1]及びノードNMref[1]の電位が保持される。 Next, at time T02 to T03, the potential of the wiring WW [1] becomes low. Accordingly, the transistor Tr11 included in the memory cell MU [1,1] and the memory cell MUref [1] is turned off, and the potentials of the node NM [1,1] and the node NMref [1] are held.

なお、前述の通り、トランジスタTr11としてOSトランジスタを用いることが好ましい。これにより、トランジスタTr11のリーク電流を抑えることができ、ノードNM[1,1]及びノードNMref[1]の電位を正確に保持することができる。 As described above, it is preferable to use an OS transistor as the transistor Tr11. Thus, the leak current of the transistor Tr11 can be suppressed, and the potentials of the node NM [1,1] and the node NMref [1] can be accurately held.

次に、時刻T03−T04において、配線WW[2]の電位がハイレベルとなり、配線WD[1]の電位が接地電位よりもVPR−VW[2,1]大きい電位となり、配線WDrefの電位が接地電位よりもVPR大きい電位となる。なお、電位VW[2,1]はメモリセルMU[2,1]に格納される第1のデータに対応する電位である。これにより、メモリセルMU[2,1]及びメモリセルMUref[2]が有するトランジスタTr11がオン状態となり、ノードNM[1,1]の電位がVPR−VW[2,1]、ノードNMref[1]の電位がVPRとなる。 Then, at time T03-T04, the potential of the wiring WW [2] becomes the high level, the potential of the wiring WD [1] becomes V PR -V W [2,1] greater potential than the ground potential, of the wiring WDref potential becomes the V PR greater potential than the ground potential. The potential V W [2, 1] is a potential corresponding to the first data stored in the memory cell MU [2, 1]. Thus, the memory cell MU [2,1] and the transistor Tr11 having a memory cell MUref [2] are turned on, the node NM potential of [1,1] is V PR -V W [2,1], the node NMref The potential of [1] becomes VPR .

このとき、配線WX[1]からメモリセルMU[2,1]のトランジスタTr12に流れる電流IMU[2,1],0は、次の式で表すことができる。 At this time, the current I MU [2, 1], 0 flowing from the wiring WX [1] to the transistor Tr12 of the memory cell MU [2, 1] can be expressed by the following equation.

MU[2,1],0=k(VPR−VW[2,1]−Vth (E3) I MU [2,1], 0 = k (V PR -V W [2,1] -V th) 2 (E3)

また、配線WXrefからメモリセルMUref[2]のトランジスタTr12に流れる電流IMUref[2],0は、次の式で表すことができる。 Further, the current I MUref [2], 0 flowing from the wiring WXref to the transistor Tr12 of the memory cell MUref [2] can be expressed by the following equation.

MUref[2],0=k(VPR−Vth (E4) I MUref [2], 0 = k (V PR -V th) 2 (E4)

次に、時刻T04−T05において、配線WW[2]の電位がローレベルとなる。これにより、メモリセルMU[2,1]及びメモリセルMUref[2]が有するトランジスタTr11がオフ状態となり、ノードNM[2,1]及びノードNMref[2]の電位が保持される。 Next, at time T04 to T05, the potential of the wiring WW [2] becomes low. Accordingly, the transistor Tr11 included in the memory cell MU [2,1] and the memory cell MUref [2] is turned off, and the potentials of the node NM [2,1] and the node NMref [2] are held.

以上の動作により、メモリセルMU[1,1]、[2,1]に第1のデータが格納され、メモリセルMUref[1]、[2]に参照データが格納される。 By the above operation, the first data is stored in the memory cells MU [1, 1], [2, 1], and the reference data is stored in the memory cells MUref [1], [2].

ここで、時刻T04−T05において、配線WX[1]及び配線WXrefに流れる電流を考える。配線WXrefには、電流源回路CSから電流が供給される。また、配線WXrefを流れる電流は、カレントミラー回路CM、メモリセルMUref[1]、[2]へ排出される。電流源回路CSから配線WXrefに供給される電流をICref、配線WXrefからカレントミラー回路CMへ排出される電流をICM,0とすると、次の式が成り立つ。 Here, consider the current flowing through the wiring WX [1] and the wiring WXref at time T04 to T05. The current from the current source circuit CS is supplied to the wiring WXref. Further, the current flowing through the wiring WXref is discharged to the current mirror circuit CM and the memory cells MUref [1] and [2]. Assuming that the current supplied from the current source circuit CS to the wiring WXref is I Cref , and the current discharged from the wiring WXref to the current mirror circuit CM is I CM, 0 , the following equation is established.

Cref−ICM,0=IMUref[1],0+IMUref[2],0 (E5) I Cref −I CM, 0 = I MUref [1], 0 + I MUref [2], 0 (E5)

配線WX[1]には、電流源回路CSからの電流が供給される。また、配線WX[1]を流れる電流は、カレントミラー回路CM、メモリセルMU[1,1]、[2,1]へ排出される。また、配線WX[1]からオフセット回路OFSTに電流が流れる。電流源回路CSから配線WX[1]に供給される電流をIC,0、配線WX[1]からオフセット回路OFSTに流れる電流をIα,0とすると、次の式が成り立つ。 The current from the current source circuit CS is supplied to the wiring WX [1]. Further, the current flowing through the wiring WX [1] is discharged to the current mirror circuit CM and the memory cells MU [1,1] and [2,1]. In addition, a current flows from the wiring WX [1] to the offset circuit OFST. Assuming that the current supplied from the current source circuit CS to the wiring WX [1] is I C, 0 and the current flowing from the wiring WX [1] to the offset circuit OFST is I α, 0 , the following equation is established.

−ICM,0=IMU[1,1],0+IMU[2,1],0+Iα,0 (E6) I C − I CM, 0 = I MU [1, 1], 0 + I MU [2, 1], 0 + I α, 0 (E6)

[第1のデータと第2のデータの積和演算]
次に、時刻T05−T06において、配線RW[1]の電位が基準電位よりもVX[1]大きい電位となる。このとき、メモリセルMU[1,1]、及びメモリセルMUref[1]のそれぞれの容量素子C11には電位VX[1]が供給され、容量結合によりトランジスタTr12のゲートの電位が上昇する。なお、電位Vx[1]はメモリセルMU[1,1]及びメモリセルMUref[1]に供給される第2のデータに対応する電位である。
[Product-Sum operation of first data and second data]
Next, at time T05 to T06, the potential of the wiring RW [1] is higher than the reference potential by V X [1] . At this time, the potential V X [1] is supplied to the capacitive element C11 of each of the memory cell MU [1,1] and the memory cell MUref [1], and the potential of the gate of the transistor Tr12 rises due to capacitive coupling. The potential V x [1] is a potential corresponding to the second data supplied to the memory cell MU [1, 1] and the memory cell MU ref [1].

トランジスタTr12のゲートの電位の変化量は、配線RWの電位の変化量に、メモリセルの構成によって決まる容量結合係数を乗じた値となる。容量結合係数は、容量素子C11の容量、トランジスタTr12のゲート容量、及び寄生容量などによって算出される。以下では便宜上、配線RWの電位の変化量とトランジスタTr12のゲートの電位の変化量が同じ、すなわち容量結合係数が1であるとして説明する。実際には、容量結合係数を考慮して電位Vを決定すればよい。 The amount of change in the potential of the gate of the transistor Tr12 is a value obtained by multiplying the amount of change in the potential of the wiring RW by the capacitive coupling coefficient determined by the configuration of the memory cell. The capacitive coupling coefficient is calculated by the capacitance of the capacitive element C11, the gate capacitance of the transistor Tr12, the parasitic capacitance, and the like. Hereinafter, for convenience, it is assumed that the amount of change in the potential of the wiring RW and the amount of change in the potential of the gate of the transistor Tr12 are the same, that is, the capacitive coupling coefficient is 1. In practice, the potential V x may be determined in consideration of the capacitive coupling coefficient.

メモリセルMU[1]及びメモリセルMUref[1]の容量素子C11に電位VX[1]が供給されると、ノードNN[1]及びノードNMref[1]の電位がそれぞれVX[1]上昇する。 When potential V X [1] is supplied to capacitive element C11 of memory cell MU [1] and memory cell MUref [1], the potentials of node NN [1] and node NMref [1] are V X [1], respectively . To rise.

ここで、時刻T05−T06において、配線WX[1]からメモリセルMU[1,1]のトランジスタTr12に流れる電流IMU[1,1],1は、次の式で表すことができる。 Here, the current I MU [1, 1], 1 flowing from the wiring WX [1] to the transistor Tr12 of the memory cell MU [1, 1] at time T05 to T06 can be expressed by the following equation.

MU[1,1],1=k(VPR−VW[1,1]+VX[1]−Vth (E7) I MU [1,1], 1 = k (V PR -V W [1,1] + V X [1] -V th) 2 (E7)

すなわち、配線RW[1]に電位VX[1]を供給することにより、配線WX[1]からメモリセルMU[1,1]のトランジスタTr12に流れる電流は、ΔIMU[1,1]=IMU[1,1],1−IMU[1,1],0増加する。 That is, by supplying the potential V X [1] to the wiring RW [1], the current flowing from the wiring WX [1] to the transistor Tr12 of the memory cell MU [1,1] is ΔI MU [1,1] = I MU [1,1], 1- I MU [1,1], 0 increase.

また、時刻T05−T06において、配線WXrefからメモリセルMUref[1]のトランジスタTr12に流れる電流IMUref[1],1は、次の式で表すことができる。 Further, at time T05-T06, the current I MUref [1], 1 flowing from the wiring WXref to the transistor Tr12 of the memory cell MUref [1] can be expressed by the following equation.

MUref[1],1=k(VPR+VX[1]−Vth (E8) I MUref [1], 1 = k (V PR + V X [1] -V th) 2 (E8)

すなわち、配線RW[1]に電位VX[1]を供給することにより、配線WXrefからメモリセルMUref[1]のトランジスタTr12に流れる電流は、ΔIMUref[1]=IMUref[1],1−IMUref[1],0増加する。 That is, by supplying the potential V X [1] to the wiring RW [1], the current flowing from the wiring WXref to the transistor Tr12 of the memory cell MUref [1] is ΔI MUref [1] = I MUref [1], 1 -I MUref [1], increases by 0 .

また、配線WX[1]及び配線WXrefに流れる電流について考える。配線WXrefには、電流源回路CSから電流ICrefが供給される。また、配線WXrefを流れる電流は、カレントミラー回路CM、メモリセルMUref[1]、[2]へ排出される。配線WXrefからカレントミラー回路CMへ排出される電流をICM,1とすると、次の式が成り立つ。 Further, the current flowing to the wiring WX [1] and the wiring WXref will be considered. The current I Cref is supplied from the current source circuit CS to the wiring WXref. Further, the current flowing through the wiring WXref is discharged to the current mirror circuit CM and the memory cells MUref [1] and [2]. Assuming that the current discharged from the wiring WXref to the current mirror circuit CM is I CM, 1 , the following equation holds.

Cref−ICM,1=IMUref[1],1+IMUref[2],0 (E9) I Cref −I CM, 1 = I MUref [1], 1 + I MUref [2], 0 (E9)

配線WX[1]には、電流源回路CSから電流Iが供給される。また、配線WX[1]を流れる電流は、カレントミラー回路CM、メモリセルMU[1,1]、[2,1]へ排出される。さらに、配線WX[1]からオフセット回路OFSTにも電流が流れる。配線WX[1]からオフセット回路OFSTに流れる電流をIα,1とすると、次の式が成り立つ。 The current I C is supplied from the current source circuit CS to the wiring WX [1]. Further, the current flowing through the wiring WX [1] is discharged to the current mirror circuit CM and the memory cells MU [1,1] and [2,1]. Furthermore, current flows from the wiring WX [1] to the offset circuit OFST. Assuming that the current flowing from the wiring WX [1] to the offset circuit OFST is I α, 1 , the following equation is established.

−ICM,1=IMU[1,1],1+IMU[2,1],1+Iα,1 (E10) I C −I CM, 1 = I MU [1,1], 1 + I MU [2,1], 1 + I α, 1 (E10)

そして、式(E1)乃至式(E10)から、電流Iα,0と電流Iα,1の差(差分電流ΔIα)は次の式で表すことができる。 Then, the difference between the current I α, 0 and the current I α, 1 (difference current ΔI α ) can be expressed by the following equation from the equations (E1) to (E10).

ΔIα=Iα,0−Iα,1=2kVW[1,1]X[1] (E11) ΔI α = I α, 0 −I α, 1 = 2 kV W [1,1] V X [1] (E11)

このように、差分電流ΔIαは、電位VW[1,1]とVX[1]の積に応じた値となる。 Thus, the differential current ΔI α takes a value corresponding to the product of the potentials V W [1, 1] and V X [1] .

その後、時刻T06−T07において、配線RW[1]の電位は接地電位となり、ノードNM[1,1]及びノードNMref[1]の電位は時刻T04−T05と同様になる。 After that, at time T06-T07, the potential of the wiring RW [1] becomes the ground potential, and the potentials of the node NM [1,1] and the node NMref [1] become similar to those at time T04-T05.

次に、時刻T07−T08において、配線RW[1]の電位が基準電位よりもVX[1]大きい電位となり、配線RW[2]の電位が基準電位よりもVX[2]大きい電位が供給される。これにより、メモリセルMU[1,1]、及びメモリセルMUref[1]のそれぞれの容量素子C11に電位VX[1]が供給され、容量結合によりノードNM[1,1]及びノードNMref[1]の電位がそれぞれVX[1]上昇する。また、メモリセルMU[2,1]、及びメモリセルMUref[2]のそれぞれの容量素子C11に電位VX[2]が供給され、容量結合によりノードNM[2,1]及びノードNMref[2]の電位がそれぞれVX[2]上昇する。 Next, at time T07 to T08, the potential of the wiring RW [1] becomes V X [1] larger than the reference potential, and the potential of the wiring RW [2] is V X [2] larger than the reference potential Supplied. Thereby, potential V X [1] is supplied to each capacitive element C11 of memory cell MU [1, 1] and memory cell MUref [1], and node NM [1, 1] and node NMref [ The potential of 1] rises by V X [1] . In addition, potential V X [2] is supplied to capacitive element C11 of each of memory cell MU [2, 1] and memory cell MUref [2], and node NM [2, 1] and node NMref [2 Each of the potentials of V ] [2] rises.

ここで、時刻T07−T08において、配線WX[1]からメモリセルMU[2,1]のトランジスタTr12に流れる電流IMU[2,1],1は、次の式で表すことができる。 Here, the current I MU [2, 1], 1 flowing from the wiring WX [1] to the transistor Tr12 of the memory cell MU [2, 1] at time T07-T08 can be expressed by the following equation.

MU[2,1],1=k(VPR−VW[2,1]+VX[2]−Vth (E12) I MU [2,1], 1 = k (V PR -V W [2,1] + V X [2] -V th) 2 (E12)

すなわち、配線RW[2]に電位VX[2]を供給することにより、配線WX[1]からメモリセルMU[2,1]のトランジスタTr12に流れる電流は、ΔIMU[2,1]=IMU[2,1],1−IMU[2,1],0増加する。 That is, by supplying the potential V X [2] to the wiring RW [2], the current flowing from the wiring WX [1] to the transistor Tr12 of the memory cell MU [2, 1] is ΔI MU [2, 1] = I MU [2, 1], 1- I MU [2, 1], 0 increases.

また、時刻T05−T06において、配線WXrefからメモリセルMUref[2]のトランジスタTr12に流れる電流IMUref[2],1は、次の式で表すことができる。 Further, at time T05-T06, the current I MUref [2], 1 flowing from the wiring WXref to the transistor Tr12 of the memory cell MUref [2] can be expressed by the following equation.

MUref[2],1=k(VPR+VX[2]−Vth (E13) I MUref [2], 1 = k (V PR + V X [2] -V th) 2 (E13)

すなわち、配線RW[2]に電位VX[2]を供給することにより、配線WXrefからメモリセルMUref[2]のトランジスタTr12に流れる電流は、ΔIMUref[2]=IMUref[2],1−IMUref[2],0増加する。 That is, by supplying the potential V X [2] to the wiring RW [2], the current flowing from the wiring WXref to the transistor Tr12 of the memory cell MUref [2] is ΔI MUref [2] = I MUref [2], 1 -I MUref [2], increases by 0 .

また、配線WX[1]及び配線WXrefに流れる電流について考える。配線WXrefには、電流源回路CSから電流ICrefが供給される。また、配線WXrefを流れる電流は、カレントミラー回路CM、メモリセルMUref[1]、[2]へ排出される。配線WXrefからカレントミラー回路CMへ排出される電流をICM,2とすると、次の式が成り立つ。 Further, the current flowing to the wiring WX [1] and the wiring WXref will be considered. The current I Cref is supplied from the current source circuit CS to the wiring WXref. Further, the current flowing through the wiring WXref is discharged to the current mirror circuit CM and the memory cells MUref [1] and [2]. Assuming that the current discharged from the wiring WXref to the current mirror circuit CM is I CM, 2 , the following equation holds.

Cref−ICM,2=IMUref[1],1+IMUref[2],1 (E14) I Cref −I CM, 2 = I MUref [1], 1 + I MUref [2], 1 (E14)

配線WX[1]には、電流源回路CSから電流Iが供給される。また、配線WX[1]を流れる電流は、カレントミラー回路CM、メモリセルMU[1,1]、[2,1]へ排出される。さらに、配線WX[1]からオフセット回路OFSTにも電流が流れる。配線WX[1]からオフセット回路OFSTに流れる電流をIα,2とすると、次の式が成り立つ。 The current I C is supplied from the current source circuit CS to the wiring WX [1]. Further, the current flowing through the wiring WX [1] is discharged to the current mirror circuit CM and the memory cells MU [1,1] and [2,1]. Furthermore, current flows from the wiring WX [1] to the offset circuit OFST. Assuming that the current flowing from the wiring WX [1] to the offset circuit OFST is I α, 2 , the following equation is established.

−ICM,2=IMU[1,1],1+IMU[2,1],1+Iα,2 (E15) I C − I CM, 2 = I MU [1, 1], 1 + I MU [2, 1], 1 + I α, 2 (E15)

そして、式(E1)乃至式(E8)、及び、式(E12)乃至式(E15)から、電流Iα,0と電流Iα,2の差(差分電流ΔIα)は次の式で表すことができる。 Then, the difference between the current I α, 0 and the current I α, 2 (difference current ΔI α ) is expressed by the following equation from the equations (E1) to (E8) and the equations (E12) to (E15) be able to.

ΔIα=Iα,0−Iα,2=2k(VW[1,1]X[1]+VW[2,1]X[2]) (E16) ΔI α = I α, 0 −I α, 2 = 2 k (V W [1, 1] V X [1] + V W [2, 1] V X [2] ) (E16)

このように、差分電流ΔIαは、電位VW[1,1]と電位VX[1]の積と、電位VW[2,1]と電位VX[2]の積と、を足し合わせた結果に応じた値となる。 Thus, the difference current ΔI α is obtained by adding the product of the potential V W [1, 1] and the potential V X [1] and the product of the potential V W [2, 1] and the potential V X [2]. It becomes a value according to the combined result.

その後、時刻T08−T09において、配線RW[1]、[2]の電位は接地電位となり、ノードNM[1,1]、[2,1]及びノードNMref[1]、[2]の電位は時刻T04−T05と同様になる。 After that, at time T08-T09, the potentials of the wirings RW [1] and [2] become the ground potential, and the potentials of the nodes NM [1,1] and [2,1] and the nodes NMref [1] and [2] become It becomes the same as time T04-T05.

式(E9)及び式(E16)に示されるように、オフセット回路OFSTに入力される差分電流ΔIαは、第1のデータ(重み)に対応する電位Vと、第2のデータ(入力データ)に対応する電位Vの積を足し合わせた結果に応じた値となる。すなわち、差分電流ΔIαをオフセット回路OFSTで計測することにより、第1のデータと第2のデータの積和演算の結果を得ることができる。 As shown in the equation (E9) and the equation (E16), the differential current ΔI α input to the offset circuit OFST is the potential V X corresponding to the first data (weight) and the second data (input data And the value corresponding to the result of adding the product of the potential V W corresponding to. That is, by measuring the difference current ΔI α with the offset circuit OFST, it is possible to obtain the result of the product-sum operation of the first data and the second data.

なお、上記では特にメモリセルMU[1,1]、[2,1]及びメモリセルMUref[1]、[2]に着目したが、メモリセルMU及びメモリセルMUrefの数は任意に設定することができる。メモリセルMU及びメモリセルMUrefの行数mを任意の数とした場合の差分電流ΔIαは、次の式で表すことができる。 Although the above description focuses on the memory cells MU [1, 1], [2, 1] and the memory cells MUref [1], [2], the number of memory cells MU and memory cells MUref may be set arbitrarily. Can. The differential current ΔIα when the number m of rows of the memory cell MU and the memory cell MUref is an arbitrary number can be expressed by the following equation.

ΔIα=2kΣW[i,1]X[i] (E17) ΔI α = 2 k i i V W [i, 1] V X [i] (E17)

また、メモリセルMU及びメモリセルMUrefの列数nを増やすことにより、並列して実行される積和演算の数を増やすことができる。 Further, by increasing the number n of columns of the memory cell MU and the memory cell MUref, the number of product-sum operations to be executed in parallel can be increased.

以上のように、演算回路ACを用いることにより、第1のデータと第2のデータの積和演算を行うことができる。 As described above, by using the arithmetic circuit AC, the product-sum operation of the first data and the second data can be performed.

演算回路ACをニューラルネットワークにおける演算に用いる場合、メモリセルMUの行数mは一のニューロンに供給される入力データの数に対応させ、メモリセルMUの列数nはニューロンの数に対応させることができる。例えば、図2(A)に示す中間層HLにおいて演算回路ACを用いた積和演算を行う場合を考える。このとき、メモリセルMUの行数mは、入力層ILから供給される入力データの数(入力層ILのニューロンの数)に設定し、メモリセルMUの列数nは、中間層HLのニューロンの数に設定することができる。 When the arithmetic circuit AC is used for arithmetic in a neural network, the number m of rows of memory cells MU corresponds to the number of input data supplied to one neuron, and the number n of columns of memory cells MU corresponds to the number of neurons Can. For example, it is assumed that the product-sum operation is performed using the arithmetic circuit AC in the intermediate layer HL shown in FIG. At this time, the number m of rows of the memory cell MU is set to the number of input data supplied from the input layer IL (the number of neurons in the input layer IL), and the number n of columns of the memory cell MU is a neuron of the intermediate layer HL It can be set to the number of

なお、演算回路ACを適用するニューラルネットワークの構造は特に限定されない。例えば演算回路ACは、畳み込みニューラルネットワーク(CNN)、再帰型ニューラルネットワーク(RNN)、オートエンコーダ、ボルツマンマシン(制限ボルツマンマシンを含む)などに用いることもできる。 The structure of the neural network to which the arithmetic circuit AC is applied is not particularly limited. For example, the arithmetic circuit AC can be used for a convolutional neural network (CNN), a recursive neural network (RNN), an auto encoder, a Boltzmann machine (including a restricted Boltzmann machine), and the like.

<集積回路の構成例3>
図3では集積回路10が演算回路AC[1]、[2]を有する構成例について説明したが、演算回路ACの数はこれに限定されず、自由に設定することができる。図10に、6個の演算回路ACを有する集積回路10の構成例を示す。
<Configuration Example 3 of Integrated Circuit>
Although FIG. 3 illustrates the configuration example in which the integrated circuit 10 includes the arithmetic circuits AC [1] and [2], the number of the arithmetic circuits AC is not limited to this and can be freely set. FIG. 10 shows a configuration example of an integrated circuit 10 having six arithmetic circuits AC.

集積回路10は、演算回路AC[1]乃至[6]を用いて、入力層IL、5層の中間層HL、及び出力層OLによって構成される、7層のニューラルネットワークの演算を行うことができる。演算回路AC[1]乃至[5]は中間層HLの演算を行う機能を有し、演算回路[6]は出力層OLの演算を行う機能を有する。 The integrated circuit 10 performs operation of a seven-layer neural network composed of the input layer IL, the five intermediate layers HL, and the output layer OL using the arithmetic circuits AC [1] to [6]. it can. The arithmetic circuits AC [1] to AC [5] have a function of calculating the intermediate layer HL, and the arithmetic circuit [6] has a function of calculating the output layer OL.

また、図10に示すように、増幅回路[1]乃至[5]を、階層出力回路OU及びセルアレイCAと隣接する位置に設けることにより、データの送受信が行われる演算回路ACを近接させ、配線の配置を簡略化することができる。 Further, as shown in FIG. 10, by providing the amplifier circuits [1] to [5] at positions adjacent to the hierarchical output circuit OU and the cell array CA, the arithmetic circuit AC for performing data transmission / reception is brought close and wiring Arrangement can be simplified.

なお、集積回路10において、ソースドライバ及びゲートドライバは共有化されている。具体的には、ソースドライバは配線WDを介して、演算回路AC[1]乃至[6]のセルアレイCAに選択信号を供給する機能を有する。また、ゲートドライバは配線WWを介して、演算回路AC[1]乃至[6]のセルアレイCAに書き込み電位を供給する機能を有する。 In the integrated circuit 10, the source driver and the gate driver are shared. Specifically, the source driver has a function of supplying a selection signal to the cell array CA of the arithmetic circuits AC [1] to [6] through the wiring WD. Further, the gate driver has a function of supplying a write potential to the cell array CA of the arithmetic circuits AC [1] to [6] through the wiring WW.

以上の通り、本発明の一態様に係る集積回路10は、一の演算回路ACから出力されたアナログデータまたは多値のデジタルデータが他の演算回路ACに入力される構成を有することにより、ニューラルネットワークの演算を低消費電力又は高速に行うことができる。 As described above, the integrated circuit 10 according to one aspect of the present invention has a configuration in which analog data or multi-value digital data output from one arithmetic circuit AC is input to another arithmetic circuit AC. Network operations can be performed with low power consumption or high speed.

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 the description of the other embodiments as appropriate.

(実施の形態2)
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した集積回路の応用例について説明する。
Second Embodiment
In this embodiment mode, application examples of the integrated circuit described in the above embodiment modes will be described.

上記実施の形態で説明した集積回路10は、コンピュータに用いることができる。図11に、コンピュータ50の構成例を示す。コンピュータ50は、処理部51、記憶部52、演算部53、入力部54、及び出力部55を有する。処理部51、記憶部52、演算部53、入力部54、及び出力部55は、伝送路56と接続されており、これらの間の情報の送受信は、伝送路56を介して行うことができる。 The integrated circuit 10 described in the above embodiment can be used in a computer. A configuration example of the computer 50 is shown in FIG. The computer 50 includes a processing unit 51, a storage unit 52, an arithmetic unit 53, an input unit 54, and an output unit 55. The processing unit 51, the storage unit 52, the operation unit 53, the input unit 54, and the output unit 55 are connected to the transmission path 56, and transmission and reception of information between them can be performed via the transmission path 56. .

処理部51は、記憶部52、演算部53、又は入力部54などから供給された情報を用いて演算を行う機能を有する。処理部51による演算の結果は、記憶部52、演算部53、又は出力部55などに供給される。処理部51は、記憶部52に格納されたプログラムを実行することで、各種のデータ処理及びプログラム制御を行うことができる。 The processing unit 51 has a function of performing an operation using the information supplied from the storage unit 52, the operation unit 53, the input unit 54 or the like. The result of the calculation by the processing unit 51 is supplied to the storage unit 52, the calculation unit 53, the output unit 55, or the like. The processing unit 51 can perform various data processing and program control by executing the program stored in the storage unit 52.

処理部51は、例えば、中央演算装置(CPU:Central Processing Unit)によって構成することができる。また、処理部103は、DSP(Digital Signal Processor)、GPU(Graphics Processing Unit)等のマイクロプロセッサによって構成することもできる。マイクロプロセッサは、FPGA(Field Programmable Gate Array)、FPAA(Field Programmable Analog Array)等のPLD(Programmable Logic Device)によって構成されていてもよい。 The processing unit 51 can be configured by, for example, a central processing unit (CPU). The processing unit 103 can also be configured by a microprocessor such as a digital signal processor (DSP) or a graphics processing unit (GPU). The microprocessor may be configured by a PLD (Programmable Logic Device) such as a Field Programmable Gate Array (FPGA) or a Field Programmable Analog Array (FPAA).

記憶部52は、処理部51による演算に用いられるデータや、処理部51によって実行されるプログラムなどを記憶する機能を有する。記憶部52は、DRAM(Dynamic Random Access Memory)、SRAM(Static Random Access Memory)などの記憶装置によって構成することができる。 The storage unit 52 has a function of storing data used for calculation by the processing unit 51, a program executed by the processing unit 51, and the like. The storage unit 52 can be configured by a storage device such as a dynamic random access memory (DRAM) or a static random access memory (SRAM).

演算部53は、所定の演算を行う機能を有する。処理部51は、所定の処理を演算部53に実行させることができる。つまり、演算部53は、処理部51によって行われる処理の一部を、処理部51に代わって実行することができる。演算部53による演算の結果は、処理部51、記憶部52、又は出力部55などに供給される。 Arithmetic unit 53 has a function of performing a predetermined operation. The processing unit 51 can cause the computing unit 53 to execute predetermined processing. That is, the computing unit 53 can execute part of the processing performed by the processing unit 51 instead of the processing unit 51. The result of the calculation by the calculation unit 53 is supplied to the processing unit 51, the storage unit 52, the output unit 55, or the like.

演算部53には、上記実施の形態で説明した集積回路10を設けることができる。これにより、演算部53にニューラルネットワークを用いた演算を行う機能を搭載することができる。 The arithmetic unit 53 can be provided with the integrated circuit 10 described in the above embodiment. As a result, the operation unit 53 can be equipped with the function of performing an operation using a neural network.

入力部54は、コンピュータ50の外部から入力された情報を、処理部51、記憶部52、又は演算部53などに供給する機能を有する。出力部55は、処理部51による処理の結果、記憶部52に格納された情報、又は演算部53による演算の結果などを、コンピュータ50の外部に出力する機能を有する。 The input unit 54 has a function of supplying information input from the outside of the computer 50 to the processing unit 51, the storage unit 52, the computing unit 53, and the like. The output unit 55 has a function of outputting the information stored in the storage unit 52 as a result of processing by the processing unit 51, the result of the calculation by the calculation unit 53, and the like to the outside of the computer 50.

このように、コンピュータ50に集積回路10を搭載することにより、ニューラルネットワークの演算が可能なコンピュータを構成することができる。 As described above, by mounting the integrated circuit 10 on the computer 50, it is possible to configure a computer capable of neural network operation.

なお、ここでは集積回路10をコンピュータに内蔵する例について説明したが、集積回路10の応用例はこれに限られない。例えば、集積回路10を表示装置の画像処理回路に用いることにより、ニューラルネットワークを用いた画像処理を行うことができる。 Although an example in which the integrated circuit 10 is built in a computer has been described here, an application example of the integrated circuit 10 is not limited to this. For example, by using the integrated circuit 10 in an image processing circuit of a display device, image processing using a neural network can be performed.

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 the description of the other embodiments as appropriate.

(実施の形態3) Third Embodiment

本実施の形態では、上記実施の形態で説明した集積回路に用いることが可能な半導体装置、及び当該半導体装置に用いることが可能なoxトランジスタの構成例について説明する。 In this embodiment, a semiconductor device which can be used for the integrated circuit described in the above embodiment and a structural example of an ox transistor which can be used for the semiconductor device will be described.

<半導体装置の構成例>
図12に示す半導体装置は、トランジスタ300と、トランジスタ200、および容量素子100を有している。図13(A)はトランジスタ200のチャネル長方向の断面図であり、図13(B)はトランジスタ200のチャネル幅方向の断面図であり、図13(C)はトランジスタ300のチャネル幅方向の断面図である。
<Configuration Example of Semiconductor Device>
The semiconductor device illustrated in FIG. 12 includes a transistor 300, a transistor 200, and a capacitor 100. 13A is a cross-sectional view of the transistor 200 in the channel length direction, FIG. 13B is a cross-sectional view of the transistor 200 in the channel width direction, and FIG. 13C is a cross section of the transistor 300 in the channel width direction. FIG.

トランジスタ200は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ200は、オフ電流が小さいため、これを半導体装置に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、半導体装置の消費電力を十分に低減することができる。 The transistor 200 is a transistor in which a channel is formed in a semiconductor layer including an oxide semiconductor. Since the transistor 200 has low off-state current, stored data can be held for a long time by using the transistor 200 for a semiconductor device. That is, since the refresh operation is not required or the frequency of the refresh operation is extremely low, power consumption of the semiconductor device can be sufficiently reduced.

図12に示す半導体装置において、配線1001はトランジスタ300のソースおよびドレインの一方と接続され、配線1002はトランジスタ300のソースおよびドレインの他方と接続されている。また、配線1003はトランジスタ200のソースおよびドレインの一方と接続され、配線1004はトランジスタ200のトップゲートと接続され、配線1006はトランジスタ200のボトムゲートと接続されている。そして、トランジスタ300のゲート、およびトランジスタ200のソースおよびドレインの他方は、容量素子100の電極の一方と接続され、配線1005は容量素子100の電極の他方と接続されている。 In the semiconductor device illustrated in FIG. 12, the wiring 1001 is connected to one of the source and the drain of the transistor 300, and the wiring 1002 is connected to the other of the source and the drain of the transistor 300. The wiring 1003 is connected to one of the source and the drain of the transistor 200, the wiring 1004 is connected to the top gate of the transistor 200, and the wiring 1006 is connected to the bottom gate of the transistor 200. The gate of the transistor 300 and the other of the source and the drain of the transistor 200 are connected to one of the electrodes of the capacitor 100, and the wiring 1005 is connected to the other of the electrodes of the capacitor 100.

ここで、実施の形態2に示すoxメモリに、本実施の形態に示す半導体装置を用いる場合、トランジスタM3はトランジスタ300に、トランジスタM2はトランジスタ200に、容量素子CBは容量素子100に対応する。また、配線SLは、配線1001に、配線RWXは、配線1002に、配線WBLは、配線1003に、配線WOLは、配線1004に、配線CALは、配線1005に、配線BGLは、配線1006に対応する。 Here, in the case where the semiconductor device described in this embodiment is used for the ox memory described in Embodiment 2, the transistor M3 corresponds to the transistor 300, the transistor M2 corresponds to the transistor 200, and the capacitor CB corresponds to the capacitor 100. The wiring SL corresponds to the wiring 1001, the wiring RWX to the wiring 1002, the wiring WBL to the wiring 1003, the wiring WOL to the wiring 1004, the wiring CAL to the wiring 1005, and the wiring BGL to the wiring 1006 Do.

また、実施の形態3に示す演算回路に、本実施の形態に示す半導体装置を用いる場合、トランジスタTr12はトランジスタ300に、トランジスタTr11はトランジスタ200に、容量素子CPは容量素子100に対応する。また、配線VR0は、配線1001に、配線WXは、配線1002に、配線WDは、配線1003に、配線WWは、配線1004に、配線CLは、配線1005に対応する。 In the case where the semiconductor device described in this embodiment is used for the arithmetic circuit described in Embodiment 3, the transistor Tr12 corresponds to the transistor 300, the transistor Tr11 corresponds to the transistor 200, and the capacitive element CP corresponds to the capacitive element 100. The wiring VR 0 corresponds to the wiring 1001, the wiring WX to the wiring 1002, the wiring WD to the wiring 1003, the wiring WW to the wiring 1004, and the wiring CL to the wiring 1005.

また、oxメモリと演算回路の両方に、本実施の形態に示す半導体装置を用いる場合、トランジスタM3とトランジスタTr12、トランジスタM2とトランジスタTr11、容量素子CBと容量素子CPは、それぞれ同一工程で形成することができる。これにより、製造工程を簡略化し、コストを削減することができる。 When the semiconductor device described in this embodiment is used for both the ox memory and the arithmetic circuit, the transistors M3 and Tr12, the transistors M2 and Tr11, and the capacitors CB and CP are formed in the same step. be able to. Thereby, the manufacturing process can be simplified and the cost can be reduced.

本発明の一態様の半導体装置は、図12に示すようにトランジスタ300、トランジスタ200、容量素子100を有する。トランジスタ200はトランジスタ300の上方に設けられ、容量素子100はトランジスタ300、およびトランジスタ200の上方に設けられている。 The semiconductor device of one embodiment of the present invention includes a transistor 300, a transistor 200, and a capacitor 100 as illustrated in FIG. The transistor 200 is provided above the transistor 300, and the capacitor 100 is provided above the transistor 300 and the transistor 200.

トランジスタ300は、基板311上に設けられ、導電体316、絶縁体315、基板311の一部からなる半導体領域313、およびソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域314a、および低抵抗領域314bを有する。 The transistor 300 is provided over a substrate 311 and includes a conductor 316, an insulator 315, a semiconductor region 313 formed of part of the substrate 311, a low resistance region 314a functioning as a source region or a drain region, and a low resistance region 314b. Have.

トランジスタ300は、図13(C)に示すように、半導体領域313の上面およびチャネル幅方向の側面が絶縁体315を介して導電体316に覆われている。このように、トランジスタ300をFin型とすることにより、実効上のチャネル幅が増大することによりトランジスタ300のオン特性を向上させることができる。また、ゲート電極の電界の寄与を高くすることができるため、トランジスタ300のオフ特性を向上させることができる。 As illustrated in FIG. 13C, in the transistor 300, the top surface of the semiconductor region 313 and the side surface in the channel width direction are covered with the conductor 316 with the insulator 315 interposed therebetween. As described above, by setting the transistor 300 to a Fin type, the on-characteristic of the transistor 300 can be improved by increasing the effective channel width. In addition, since the contribution of the electric field of the gate electrode can be increased, the off characteristics of the transistor 300 can be improved.

なお、トランジスタ300は、pチャネル型、あるいはnチャネル型のいずれでもよい。 Note that the transistor 300 may be either a p-channel transistor or an n-channel transistor.

半導体領域313のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、またはドレイン領域となる低抵抗領域314a、および低抵抗領域314bなどにおいて、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。または、Ge(ゲルマニウム)、SiGe(シリコンゲルマニウム)、GaAs(ガリウムヒ素)、GaAlAs(ガリウムアルミニウムヒ素)などを有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。またはGaAsとGaAlAs等を用いることで、トランジスタ300をHEMT(High Electron Mobility Transistor)としてもよい。 A semiconductor such as a silicon-based semiconductor is preferably included in a region where the channel of the semiconductor region 313 is to be formed, a region in the vicinity thereof, a low resistance region 314a to be a source or drain region, a low resistance region 314b, and the like. Preferably, crystalline silicon is included. Alternatively, it may be formed using a material having Ge (germanium), SiGe (silicon germanium), GaAs (gallium arsenide), GaAlAs (gallium aluminum arsenide) or the like. It is also possible to use silicon whose effective mass is controlled by applying stress to the crystal lattice and changing the lattice spacing. Alternatively, the transistor 300 may be a HEMT (High Electron Mobility Transistor) by using GaAs and GaAlAs or the like.

低抵抗領域314a、および低抵抗領域314bは、半導体領域313に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リンなどのn型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのp型の導電性を付与する元素を含む。 The low-resistance region 314a and the low-resistance region 314b impart p-type conductivity such as an element imparting n-type conductivity such as arsenic or phosphorus or p-type conductivity such as boron in addition to the semiconductor material applied to the semiconductor region 313 Containing elements.

ゲート電極として機能する導電体316は、ヒ素、リンなどのn型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素などのp型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。 The conductor 316 functioning as a gate electrode is a semiconductor material such as silicon containing an element imparting n-type conductivity such as arsenic or phosphorus or an element imparting p-type conductivity such as boron, a metal material, an alloy Materials or conductive materials such as metal oxide materials can be used.

なお、導電体の材料により、仕事関数を定めることで、トランジスタのVthを調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタルなどの材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステンやアルミニウムなどの金属材料を積層として用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。 Note that the Vth of the transistor can be adjusted by defining the work function depending on the material of the conductor. Specifically, it is preferable to use a material such as titanium nitride or tantalum nitride for the conductor. Furthermore, in order to achieve both conductivity and embeddability, it is preferable to use a metal material such as tungsten or aluminum as a laminate for the conductor, and it is particularly preferable to use tungsten from the viewpoint of heat resistance.

なお、図12に示すトランジスタ300は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。例えば、トランジスタ200と同様に、トランジスタ300に酸化物半導体を用いる構成にしてもよい。 Note that the transistor 300 illustrated in FIG. 12 is an example and is not limited to the structure, and an appropriate transistor may be used in accordance with the circuit configuration and the driving method. For example, as in the transistor 200, the transistor 300 may be formed using an oxide semiconductor.

トランジスタ300を覆って、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体326が順に積層して設けられている。 An insulator 320, an insulator 322, an insulator 324, and an insulator 326 are sequentially stacked over the transistor 300.

絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体326として、例えば、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、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。 For example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide, aluminum oxide, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, aluminum nitride, or the like is used as the insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326. Just do it.

絶縁体322は、その下方に設けられるトランジスタ300などによって生じる段差を平坦化する平坦化膜として機能を有していてもよい。例えば、絶縁体322の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨(CMP)法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。 The insulator 322 may have a function as a planarization film which planarizes a step difference generated by the transistor 300 and the like provided below the insulator. For example, the top surface of the insulator 322 may be planarized by a planarization process using a chemical mechanical polishing (CMP) method or the like to enhance the planarity.

また、絶縁体324には、基板311、またはトランジスタ300などから、トランジスタ200が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。 For the insulator 324, a film having a barrier property to prevent diffusion of hydrogen or an impurity from the substrate 311, the transistor 300, or the like to the region where the transistor 200 is provided is preferably used.

水素に対するバリア性を有する膜の一例として、例えば、CVD法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ200等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ200と、トランジスタ300との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。 As an example of a film having a barrier property to hydrogen, for example, silicon nitride formed by a CVD method can be used. Here, when hydrogen diffuses into a semiconductor element having an oxide semiconductor such as the transistor 200 or the like, the characteristics of the semiconductor element may be deteriorated. Therefore, it is preferable to use a film which suppresses diffusion of hydrogen between the transistor 200 and the transistor 300. Specifically, the film that suppresses the diffusion of hydrogen is a film with a small amount of desorption of hydrogen.

水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析法(TDS)などを用いて分析することができる。例えば、絶縁体324の水素の脱離量は、TDS分析において、50℃から500℃の範囲において、水素原子に換算した脱離量が、絶縁体324の面積当たりに換算して、10×1015atom/cm以下、好ましくは5×1015atom/cm以下であればよい。 The desorption amount of hydrogen can be analyzed, for example, using a thermal desorption gas analysis method (TDS) or the like. For example, in the TDS analysis, the desorption amount of hydrogen in the insulator 324 is 10 × 10 5 in the range of 50 ° C. to 500 ° C. when the desorption amount in terms of hydrogen atoms is converted per area of the insulator 324. 15 atom / cm 2 or less, and may be preferably 5 × 10 15 atom / cm 2 or less.

なお、絶縁体326は、絶縁体324よりも誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体326の比誘電率は4未満が好ましく、3未満がより好ましい。また例えば、絶縁体324の比誘電率は、絶縁体326の比誘電率の0.7倍以下が好ましく、0.6倍以下がより好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。 Note that the insulator 326 preferably has a dielectric constant lower than that of the insulator 324. For example, the dielectric constant of the insulator 326 is preferably less than 4, and more preferably less than 3. For example, the dielectric constant of the insulator 324 is preferably 0.7 times or less of the dielectric constant of the insulator 326, and more preferably 0.6 times or less. By using a material having a low dielectric constant as an interlayer film, parasitic capacitance generated between wirings can be reduced.

また、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体326には容量素子100、またはトランジスタ200と接続する導電体328、および導電体330等が埋め込まれている。なお、導電体328、および導電体330はプラグ、または配線として機能を有する。また、プラグまたは配線として機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。 In the insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326, the conductor 328 connected to the capacitor 100 or the transistor 200, the conductor 330, and the like are embedded. Note that the conductor 328 and the conductor 330 have a function as a plug or a wiring. Moreover, the conductor which has a function as a plug or wiring may put several structure together, and may provide the same code | symbol. In the present specification and the like, the wiring and the plug connected to the wiring may be an integral body. That is, a part of the conductor may function as a wiring, and a part of the conductor may function as a plug.

各プラグ、および配線(導電体328、および導電体330等)の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。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く、タングステンを用いることが好ましい。または、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。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。 As a material of each plug and a wiring (conductor 328 and conductor 330 and the like), a single layer or a stack of a conductive material such as a metal material, an alloy material, a metal nitride material, or a metal oxide material It can be used. It is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum which achieves both heat resistance and conductivity, and it is preferable to use tungsten. Alternatively, it is preferably formed of a low resistance conductive material such as aluminum or copper. Wiring resistance can be lowered by using a low resistance conductive material.

絶縁体326、および導電体330上に、配線層を設けてもよい。例えば、図12において、絶縁体350、絶縁体352、および絶縁体354が順に積層して設けられている。また、絶縁体350、絶縁体352、および絶縁体354には、導電体356が形成されている。導電体356は、トランジスタ300と接続するプラグ、または配線として機能を有する。なお導電体356は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided over the insulator 326 and the conductor 330. For example, in FIG. 12, an insulator 350, an insulator 352, and an insulator 354 are sequentially stacked and provided. A conductor 356 is formed on the insulator 350, the insulator 352, and the insulator 354. The conductor 356 functions as a plug connected to the transistor 300 or a wiring. Note that the conductor 356 can be provided using a material similar to the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体350は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体356は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体350が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。 Note that, for example, for the insulator 350, similarly to the insulator 324, an insulator having a barrier property to hydrogen is preferably used. The conductor 356 preferably includes a conductor having a barrier property to hydrogen. In particular, a conductor having a barrier to hydrogen is formed in an opening of the insulator 350 having a barrier to hydrogen. With this structure, the transistor 300 and the transistor 200 can be separated by a barrier layer, and diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 200 can be suppressed.

なお、水素に対するバリア性を有する導電体としては、例えば、窒化タンタル等を用いるとよい。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線としての導電性を保持したまま、トランジスタ300からの水素の拡散を抑制することができる。この場合、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル層が、水素に対するバリア性を有する絶縁体350と接する構造であることが好ましい。 As a conductor having a barrier property to hydrogen, for example, tantalum nitride or the like may be used. Further, by stacking tantalum nitride and tungsten with high conductivity, diffusion of hydrogen from the transistor 300 can be suppressed while maintaining conductivity as a wiring. In this case, the tantalum nitride layer having a barrier property to hydrogen preferably has a structure in contact with the insulator 350 having a barrier property to hydrogen.

絶縁体354、および導電体356上に、配線層を設けてもよい。例えば、図12において、絶縁体360、絶縁体362、および絶縁体364が順に積層して設けられている。また、絶縁体360、絶縁体362、および絶縁体364には、導電体366が形成されている。導電体366は、プラグ、または配線として機能を有する。なお導電体366は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided over the insulator 354 and the conductor 356. For example, in FIG. 12, an insulator 360, an insulator 362, and an insulator 364 are sequentially stacked and provided. A conductor 366 is formed in the insulator 360, the insulator 362, and the insulator 364. The conductor 366 functions as a plug or a wiring. Note that the conductor 366 can be provided using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体360は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体366は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体360が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。 Note that, for example, for the insulator 360, similarly to the insulator 324, an insulator having a barrier property to hydrogen is preferably used. The conductor 366 preferably includes a conductor having a barrier property to hydrogen. In particular, a conductor having a barrier to hydrogen is formed in an opening of the insulator 360 having a barrier to hydrogen. With this structure, the transistor 300 and the transistor 200 can be separated by a barrier layer, and diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 200 can be suppressed.

絶縁体364、および導電体366上に、配線層を設けてもよい。例えば、図12において、絶縁体370、絶縁体372、および絶縁体374が順に積層して設けられている。また、絶縁体370、絶縁体372、および絶縁体374には、導電体376が形成されている。導電体376は、プラグ、または配線として機能を有する。なお導電体376は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided over the insulator 364 and the conductor 366. For example, in FIG. 12, an insulator 370, an insulator 372, and an insulator 374 are sequentially stacked. A conductor 376 is formed over the insulator 370, the insulator 372, and the insulator 374. The conductor 376 functions as a plug or a wiring. Note that the conductor 376 can be provided using a material similar to the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体370は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体376は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体370が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。 Note that, for example, for the insulator 370, similarly to the insulator 324, an insulator having a barrier property to hydrogen is preferably used. The conductor 376 preferably includes a conductor having a barrier property to hydrogen. In particular, a conductor having a barrier to hydrogen is formed in an opening portion of the insulator 370 having a barrier to hydrogen. With this structure, the transistor 300 and the transistor 200 can be separated by a barrier layer, and diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 200 can be suppressed.

絶縁体374、および導電体376上に、配線層を設けてもよい。例えば、図12において、絶縁体380、絶縁体382、および絶縁体384が順に積層して設けられている。また、絶縁体380、絶縁体382、および絶縁体384には、導電体386が形成されている。導電体386は、プラグ、または配線として機能を有する。なお導電体386は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided over the insulator 374 and the conductor 376. For example, in FIG. 12, an insulator 380, an insulator 382, and an insulator 384 are sequentially stacked. A conductor 386 is formed on the insulator 380, the insulator 382, and the insulator 384. The conductor 386 functions as a plug or a wiring. Note that the conductor 386 can be provided using a material similar to the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体380は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体386は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体380が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。 Note that for example, for the insulator 380, as in the case of the insulator 324, it is preferable to use an insulator having a barrier property to hydrogen. The conductor 386 preferably includes a conductor having a barrier property to hydrogen. In particular, a conductor having a barrier to hydrogen is formed in an opening of the insulator 380 having a barrier to hydrogen. With this structure, the transistor 300 and the transistor 200 can be separated by a barrier layer, and diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 200 can be suppressed.

上記において、導電体356を含む配線層、導電体366を含む配線層、導電体376を含む配線層、および導電体386を含む配線層、について説明したが、本実施の形態に係る半導体装置はこれに限られるものではない。導電体356を含む配線層と同様の配線層を3層以下にしてもよいし、導電体356を含む配線層と同様の配線層を5層以上にしてもよい。 Although the wiring layer including the conductor 356, the wiring layer including the conductor 366, the wiring layer including the conductor 376, and the wiring layer including the conductor 386 have been described above, the semiconductor device according to this embodiment It is not limited to this. The number of wiring layers similar to the wiring layer including the conductor 356 may be three or less, and the number of wiring layers similar to the wiring layer including the conductor 356 may be five or more.

絶縁体384上には絶縁体210、絶縁体212、絶縁体214、および絶縁体216が、順に積層して設けられている。絶縁体210、絶縁体212、絶縁体214、および絶縁体216のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。 An insulator 210, an insulator 212, an insulator 214, and an insulator 216 are sequentially stacked over the insulator 384. For any of the insulator 210, the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 216, a material having a barrier property to oxygen or hydrogen is preferably used.

例えば、絶縁体210、および絶縁体214には、例えば、基板311、またはトランジスタ300を設ける領域などから、トランジスタ200を設ける領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。したがって、絶縁体324と同様の材料を用いることができる。 For example, for the insulator 210 and the insulator 214, for example, a film having a barrier property to prevent diffusion of hydrogen and impurities from the region where the substrate 311 or the transistor 300 is provided to the region where the transistor 200 is provided Is preferred. Therefore, the same material as the insulator 324 can be used.

水素に対するバリア性を有する膜の一例として、CVD法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ200等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ200と、トランジスタ300との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。 As an example of a film having a barrier property to hydrogen, silicon nitride formed by a CVD method can be used. Here, when hydrogen diffuses into a semiconductor element having an oxide semiconductor such as the transistor 200 or the like, the characteristics of the semiconductor element may be deteriorated. Therefore, it is preferable to use a film which suppresses diffusion of hydrogen between the transistor 200 and the transistor 300. Specifically, the film that suppresses the diffusion of hydrogen is a film with a small amount of desorption of hydrogen.

また、水素に対するバリア性を有する膜として、例えば、絶縁体210、および絶縁体214には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。 Further, as the film having a barrier property to hydrogen, for example, a metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide is preferably used for the insulator 210 and the insulator 214.

特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ200への混入を防止することができる。また、トランジスタ200を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ200に対する保護膜として用いることに適している。 In particular, aluminum oxide has a high blocking effect of preventing permeation of the film against both oxygen and impurities such as hydrogen and moisture which cause fluctuation of the electrical characteristics of the transistor. Thus, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from being mixed in the transistor 200 during and after the manufacturing process of the transistor. Further, release of oxygen from the oxide of the transistor 200 can be suppressed. Therefore, it is suitable to be used as a protective film for the transistor 200.

また、例えば、絶縁体212、および絶縁体216には、絶縁体320と同様の材料を用いることができる。また、当該絶縁膜に、比較的誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体212、および絶縁体216として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。 For example, for the insulator 212 and the insulator 216, the same material as the insulator 320 can be used. In addition, by using a material having a relatively low dielectric constant as the interlayer film for the insulating film, parasitic capacitance generated between the wirings can be reduced. For example, a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, or the like can be used as the insulator 212 and the insulator 216.

また、絶縁体210、絶縁体212、絶縁体214、および絶縁体216には、導電体218、およびトランジスタ200を構成する導電体(導電体203)等が埋め込まれている。なお、導電体218は、容量素子100、またはトランジスタ300と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体218は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 In the insulator 210, the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 216, the conductor 218, a conductor (conductor 203) included in the transistor 200, and the like are embedded. Note that the conductor 218 has a function as a plug connected to the capacitor 100 or the transistor 300, or a wiring. The conductor 218 can be provided using a material similar to the conductor 328 and the conductor 330.

特に、絶縁体210、および絶縁体214と接する領域の導電体218は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200とは、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する層で、完全により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。 In particular, the conductor 218 in a region in contact with the insulator 210 and the insulator 214 is preferably a conductor having a barrier property to oxygen, hydrogen, and water. According to this structure, the transistor 300 and the transistor 200 can be completely separated in a layer having a barrier property to oxygen, hydrogen, and water, and can suppress diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 200. .

絶縁体216の上方には、トランジスタ200が設けられている。 The transistor 200 is provided above the insulator 216.

図13(A)、(B)に示すように、トランジスタ200は、絶縁体214および絶縁体216に埋め込まれるように配置された導電体203と、絶縁体216と導電体203の上に配置された絶縁体220と、絶縁体220の上に配置された絶縁体222と、絶縁体222の上に配置された絶縁体224と、絶縁体224の上に配置された酸化物230aと、酸化物230aの上に配置された酸化物230bと、酸化物230b上に、互いに離して配置された導電体242a、および導電体242bと、導電体242aおよび導電体242b上に配置され、導電体242aと導電体242bの間に重畳して開口が形成された絶縁体280と、開口の中に配置された導電体260と、酸化物230b、導電体242a、導電体242b、および絶縁体280と、導電体260と、の間に配置された絶縁体250と、酸化物230b、導電体242a、導電体242b、および絶縁体280と、絶縁体250と、の間に配置された酸化物230cと、を有する。また、図13(A)、(B)に示すように、酸化物230a、酸化物230b、導電体242a、および導電体242bと、絶縁体280の間に絶縁体244が配置されることが好ましい。また、図13(A)、(B)に示すように、導電体260は、絶縁体250の内側に設けられた導電体260aと、導電体260aの内側に埋め込まれるように設けられた導電体260bと、を有することが好ましい。また、図13(A)、(B)に示すように、絶縁体280、導電体260、および絶縁体250の上に絶縁体274が配置されることが好ましい。 As shown in FIGS. 13A and 13B, the transistor 200 is disposed over the conductor 203 disposed so as to be embedded in the insulator 214 and the insulator 216, and the insulator 216 and the conductor 203. Insulator 220, an insulator 222 disposed on the insulator 220, an insulator 224 disposed on the insulator 222, an oxide 230a disposed on the insulator 224, and an oxide An oxide 230b disposed on 230a, a conductor 242a and a conductor 242b spaced apart from each other on oxide 230b, and a conductor 242a and a conductor 242b An insulator 280 in which an opening is formed overlapping the conductor 242b, a conductor 260 disposed in the opening, an oxide 230b, a conductor 242a, a conductor 242b, and An insulator 250 disposed between the insulator 280 and the conductor 260, an oxide 230b, the conductor 242a, the conductor 242b, the insulator 280, and the insulator 250 And an oxide 230c. Further, as shown in FIGS. 13A and 13B, an insulator 244 is preferably provided between the oxide 230a, the oxide 230b, the conductor 242a, and the conductor 242b, and the insulator 280. . As shown in FIGS. 13A and 13B, the conductor 260 is a conductor provided inside the insulator 250 and a conductor provided so as to be embedded inside the conductor 260a. It is preferable to have 260b. Further, as shown in FIGS. 13A and 13B, the insulator 274 is preferably provided over the insulator 280, the conductor 260, and the insulator 250.

なお、以下において、酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230cをまとめて酸化物230という場合がある。また、導電体242aおよび導電体242bをまとめて導電体242という場合がある。 Note that in the following, the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c may be collectively referred to as the oxide 230. Further, the conductor 242 a and the conductor 242 b may be collectively referred to as a conductor 242.

なお、トランジスタ200では、チャネルが形成される領域と、その近傍において、酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230cの3層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物230bの単層、酸化物230bと酸化物230aの2層構造、酸化物230bと酸化物230cの2層構造、または4層以上の積層構造を設ける構成にしてもよい。また、トランジスタ200では、導電体260を2層の積層構造として示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体260が、単層構造であってもよいし、3層以上の積層構造であってもよい。また、図12、図13(A)(B)に示すトランジスタ200は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。 Note that in the transistor 200, a structure in which three layers of the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c are stacked in the region where a channel is formed and in the vicinity thereof is illustrated; It is not a thing. For example, a single layer of the oxide 230b, a two-layer structure of the oxide 230b and the oxide 230a, a two-layer structure of the oxide 230b and the oxide 230c, or a stacked structure of four or more layers may be provided. In the transistor 200, the conductor 260 is illustrated as a stacked-layer structure of two layers, but the present invention is not limited to this. For example, the conductor 260 may have a single-layer structure or a stacked structure of three or more layers. The transistor 200 illustrated in FIGS. 12 and 13A and 13B is an example, and is not limited to the structure, and an appropriate transistor may be used depending on the circuit configuration and the driving method.

ここで、導電体260は、トランジスタのゲート電極として機能し、導電体242aおよび導電体242b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。上記のように、導電体260は、絶縁体280の開口、および導電体242aと導電体242bに挟まれた領域に埋め込まれるように形成される。導電体260、導電体242aおよび導電体242bの配置は、絶縁体280の開口に対して、自己整合的に選択される。つまり、トランジスタ200において、ゲート電極を、ソース電極とドレイン電極の間に、自己整合的に配置させることができる。よって、導電体260を位置合わせのマージンを設けることなく形成することができるので、トランジスタ200の占有面積の縮小を図ることができる。これにより、半導体装置の微細化、高集積化を図ることができる。 Here, the conductor 260 functions as a gate electrode of the transistor, and the conductor 242a and the conductor 242b function as a source electrode or a drain electrode, respectively. As described above, the conductor 260 is formed to be embedded in the opening of the insulator 280 and the region sandwiched between the conductor 242 a and the conductor 242 b. The arrangement of the conductor 260, the conductor 242a and the conductor 242b is selected in a self-aligned manner with respect to the opening of the insulator 280. That is, in the transistor 200, the gate electrode can be arranged between the source electrode and the drain electrode in a self-aligned manner. Thus, the conductor 260 can be formed without providing a positioning margin, so that the area occupied by the transistor 200 can be reduced. Thus, the semiconductor device can be miniaturized and highly integrated.

さらに、導電体260が、導電体242aと導電体242bの間の領域に自己整合的に形成されるので、導電体260は、導電体242aまたは導電体242bと重畳する領域を有さない。これにより、導電体260と導電体242aおよび導電体242bとの間に形成される寄生容量を低減することができる。よって、トランジスタ200のスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有せしめることができる。 Further, since the conductor 260 is formed in a self-aligned manner in the region between the conductor 242a and the conductor 242b, the conductor 260 does not have a region overlapping with the conductor 242a or the conductor 242b. Thus, parasitic capacitance formed between the conductor 260 and the conductor 242a and the conductor 242b can be reduced. Thus, the switching speed of the transistor 200 can be improved and high frequency characteristics can be provided.

導電体260は、第1のゲート(トップゲートともいう。)電極として機能する場合がある。また、導電体203は、第2のゲート(ボトムゲートともいう。)電極として機能する場合がある。その場合、導電体203に印加する電位を、導電体260に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ200のVthを制御することができる。特に、導電体203に負の電位を印加することにより、トランジスタ200のVthを0Vより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体203に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体260に印加する電位が0Vのときのドレイン電流を小さくすることができる。 The conductor 260 may function as a first gate (also referred to as a top gate) electrode. The conductor 203 may function as a second gate (also referred to as a bottom gate) electrode. In that case, the Vth of the transistor 200 can be controlled by changing the potential applied to the conductor 203 independently and not in conjunction with the potential applied to the conductor 260. In particular, by applying a negative potential to the conductor 203, Vth of the transistor 200 can be larger than 0 V, and off current can be reduced. Therefore, when a negative potential is applied to the conductor 203, the drain current when the potential applied to the conductor 260 is 0 V can be smaller than when no potential is applied.

導電体203は、酸化物230、および導電体260と、重なるように配置する。これにより、導電体260、および導電体203に電位を印加した場合、導電体260から生じる電界と、導電体203から生じる電界と、がつながり、酸化物230に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。本明細書において、第1のゲート電極、および第2のゲート電極の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、surrounded channel(S−channel)構造とよぶ。 The conductor 203 is placed so as to overlap with the oxide 230 and the conductor 260. Thus, when a potential is applied to the conductor 260 and the conductor 203, the electric field generated from the conductor 260 and the electric field generated from the conductor 203 are connected to cover the channel formation region formed in the oxide 230. Can. In this specification, a structure of a transistor which electrically surrounds a channel formation region by an electric field of the first gate electrode and the second gate electrode is referred to as a surrounded channel (S-channel) structure.

また、導電体203は、導電体218と同様の構成であり、絶縁体214および絶縁体216の開口の内壁に接して導電体203aが形成され、さらに内側に導電体203bが形成されている。 The conductor 203 has the same configuration as the conductor 218. The conductor 203a is formed in contact with the inner wall of the opening of the insulator 214 and the insulator 216, and the conductor 203b is formed inside the conductor 203a.

絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、および絶縁体250は、ゲート絶縁体としての機能を有する。 The insulator 220, the insulator 222, the insulator 224, and the insulator 250 have a function as a gate insulator.

ここで、酸化物230と接する絶縁体224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絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体224には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物230に接して設けることにより、酸化物230中の酸素欠損を低減し、トランジスタ200の信頼性を向上させることができる。 Here, the insulator 224 in contact with the oxide 230 is preferably an insulator that contains oxygen at a higher proportion than the stoichiometric composition. That is, it is preferable that an excess oxygen region be formed in the insulator 224. By providing the insulator including such excess oxygen in contact with the oxide 230, oxygen vacancies in the oxide 230 can be reduced and the reliability of the transistor 200 can be improved.

過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、TDS(Thermal Desorption Spectroscopy)分析にて、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1.0×1019atoms/cm以上、さらに好ましくは2.0×1019atoms/cm、または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温度としては100℃以上700℃以下、または100℃以上400℃以下の範囲が好ましい。 Specifically, an oxide material from which part of oxygen is released by heating is preferably used as the insulator having an excess oxygen region. The oxide from which oxygen is released by heating is a desorption amount of oxygen of at least 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 , preferably 1 in terms of oxygen atom in TDS (thermal desorption spectroscopy) analysis. It is an oxide film having a density of not less than 0 × 10 19 atoms / cm 3 , more preferably not less than 2.0 × 10 19 atoms / cm 3 , or not less than 3.0 × 10 20 atoms / cm 3 . The surface temperature of the film at the time of TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. to 700 ° C., or 100 ° C. to 400 ° C.

また、絶縁体224が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体222は、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子など)の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい。)ことが好ましい。 Further, in the case where the insulator 224 has an excess oxygen region, the insulator 222 has a function of suppressing at least one diffusion of oxygen (eg, oxygen atom, oxygen molecule, and the like) (the above-described oxygen is difficult to transmit). Is preferred.

絶縁体222が、酸素や不純物の拡散を抑制する機能を有することで、酸化物230が有する酸素は、絶縁体220側へ拡散することがなく、好ましい。また、導電体203が、絶縁体224や、酸化物230が有する酸素と反応することを抑制することができる。 Since the insulator 222 has a function of suppressing the diffusion of oxygen and impurities, oxygen included in the oxide 230 is preferably not diffused to the insulator 220 side. In addition, the conductor 203 can be inhibited from reacting with the insulator 224 and oxygen in the oxide 230.

絶縁体222は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)または(Ba,Sr)TiO(BST)などのいわゆるhigh−k材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体にhigh−k材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。 The insulator 222 is, for example, a so-called high material such as aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ), or (Ba, Sr) TiO 3 (BST). It is preferable to use an insulator containing a -k material in a single layer or a stack. As the miniaturization and higher integration of transistors progress, problems such as leakage current may occur due to thinning of the gate insulator. By using a high-k material for the insulator functioning as a gate insulator, it is possible to reduce the gate potential at the time of transistor operation while maintaining the physical thickness.

特に、不純物、および酸素などの拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい。)絶縁性材料であるアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体222を形成した場合、絶縁体222は、酸化物230からの酸素の放出や、トランジスタ200の周辺部から酸化物230への水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。 In particular, it is preferable to use an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium which is an insulating material having a function of suppressing diffusion of impurities, oxygen, and the like (the above oxygen is difficult to transmit). As an insulator containing one or both oxides of aluminum and hafnium, it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like. When the insulator 222 is formed using such a material, the insulator 222 suppresses the release of oxygen from the oxide 230 and the entry of impurities such as hydrogen from the peripheral portion of the transistor 200 to the oxide 230. Act as a layer.

または、これらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。 Alternatively, for example, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, or zirconium oxide may be added to these insulators. Alternatively, these insulators may be nitrided. Alternatively, silicon oxide, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked over the above insulator.

また、絶縁体220は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、high−k材料の絶縁体と絶縁体220とを組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。 Further, the insulator 220 is preferably thermally stable. For example, since silicon oxide and silicon oxynitride are thermally stable, a combination of an insulator with a high-k material and an insulator 220 provides a stacked structure with high thermal stability and high dielectric constant. Can.

なお、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224が、2層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。 Note that the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 may have a stacked structure of two or more layers. In that case, the invention is not limited to the laminated structure made of the same material, but may be a laminated structure made of different materials.

トランジスタ200は、チャネル形成領域を含む酸化物230に、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。例えば、酸化物230として、In−M−Zn酸化物(元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種)等の金属酸化物を用いるとよい。また、酸化物230として、In−Ga酸化物、In−Zn酸化物を用いてもよい。 In the transistor 200, a metal oxide which functions as an oxide semiconductor is preferably used for the oxide 230 including a channel formation region. For example, In-M-Zn oxide as the oxide 230 (the element M is aluminum, gallium, yttrium, copper, vanadium, beryllium, boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium It is preferable to use a metal oxide such as one or more selected from hafnium, tantalum, tungsten, or magnesium. In addition, as the oxide 230, an In-Ga oxide or an In-Zn oxide may be used.

酸化物230においてチャネル形成領域にとして機能する金属酸化物は、バンドギャップが2eV以上、好ましくは2.5eV以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。 The metal oxide which functions as a channel formation region in the oxide 230 preferably has a band gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more. Thus, by using a metal oxide with a large band gap, the off-state current of the transistor can be reduced.

酸化物230は、酸化物230b下に酸化物230aを有することで、酸化物230aよりも下方に形成された構造物から、酸化物230bへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物230b上に酸化物230cを有することで、酸化物230cよりも上方に形成された構造物から、酸化物230bへの不純物の拡散を抑制することができる。 The oxide 230 includes the oxide 230a under the oxide 230b, so that diffusion of impurities from the structure formed below the oxide 230a to the oxide 230b can be suppressed. In addition, by including the oxide 230c over the oxide 230b, diffusion of impurities from the structure formed above the oxide 230c to the oxide 230b can be suppressed.

なお、酸化物230は、各金属原子の原子数比が異なる酸化物により、積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物230aに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Mの原子数比が、酸化物230bに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Mの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物230aに用いる金属酸化物において、Inに対する元素Mの原子数比が、酸化物230bに用いる金属酸化物における、Inに対する元素Mの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物230bに用いる金属酸化物において、元素Mに対するInの原子数比が、酸化物230aに用いる金属酸化物における、元素Mに対するInの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物230cは、酸化物230aまたは酸化物230bに用いることができる金属酸化物を、用いることができる。 Note that the oxide 230 preferably has a stacked-layer structure of oxides having different atomic ratios of metal atoms. Specifically, in the metal oxide used for the oxide 230a, the atomic ratio of the element M in the constituent elements is larger than the atomic ratio of the element M in the constituent elements of the metal oxide used for the oxide 230b. Is preferred. In the metal oxide used for the oxide 230a, the atomic ratio of the element M to In is preferably larger than the atomic ratio of the element M to In in the metal oxide used for the oxide 230b. In the metal oxide used for the oxide 230b, the atomic ratio of In to the element M is preferably larger than the atomic ratio of In to the element M in the metal oxide used for the oxide 230a. As the oxide 230c, a metal oxide which can be used for the oxide 230a or the oxide 230b can be used.

また、酸化物230aおよび酸化物230cの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物230bの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、酸化物230aおよび酸化物230cの電子親和力が、酸化物230bの電子親和力より小さいことが好ましい。 Further, it is preferable that the energy at the lower end of the conduction band of the oxide 230a and the oxide 230c be higher than the energy at the lower end of the conduction band of the oxide 230b. In other words, it is preferable that the electron affinity of the oxide 230a and the oxide 230c be smaller than the electron affinity of the oxide 230b.

ここで、酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230cの接合部において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230cの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物230aと酸化物230bとの界面、および酸化物230bと酸化物230cとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。 Here, at the junction of the oxide 230 a, the oxide 230 b, and the oxide 230 c, the energy level at the lower end of the conduction band changes gently. In other words, the energy level at the bottom of the conduction band at the junction of the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c can be said to be continuously changed or connected continuously. In order to do this, the density of defect states in the mixed layer formed at the interface between the oxide 230 a and the oxide 230 b and at the interface between the oxide 230 b and the oxide 230 c may be lowered.

具体的には、酸化物230aと酸化物230b、酸化物230bと酸化物230cが、酸素以外に共通の元素を有する(主成分とする。)ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物230bがIn−Ga−Zn酸化物の場合、酸化物230aおよび酸化物230cとして、In−Ga−Zn酸化物、Ga−Zn酸化物、酸化ガリウムなどを用いるとよい。 Specifically, the oxide layer 230a and the oxide layer 230b, and the oxide layer 230b and the oxide layer 230c have a common element other than oxygen (which is a main component), whereby a mixed layer with low defect state density is formed. can do. For example, in the case where the oxide 230b is an In-Ga-Zn oxide, an In-Ga-Zn oxide, a Ga-Zn oxide, gallium oxide, or the like may be used as the oxide 230a and the oxide 230c.

このとき、キャリアの主たる経路は酸化物230bとなる。酸化物230a、酸化物230cを上述の構成とすることで、酸化物230aと酸化物230bとの界面、および酸化物230bと酸化物230cとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ200は高いオン電流を得られる。 At this time, the main route of the carrier is the oxide 230b. With the oxide 230 a and the oxide 230 c described above, the density of defect states in the interface between the oxide 230 a and the oxide 230 b and the interface between the oxide 230 b and the oxide 230 c can be reduced. Therefore, the influence of interface scattering on carrier conduction is reduced, and the transistor 200 can obtain high on-state current.

酸化物230b上には、ソース電極、およびドレイン電極として機能する導電体242(導電体242a、および導電体242b)が設けられる。導電体242としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。 A conductor 242 (a conductor 242 a and a conductor 242 b) functioning as a source electrode and a drain electrode is provided over the oxide 230 b. As the conductor 242, aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, ruthenium, iridium, strontium, It is preferable to use a metal element selected from lanthanum or an alloy containing the above-described metal element as a component, or an alloy in which the above-described metal element is combined. For example, tantalum nitride, titanium nitride, tungsten, nitride containing titanium and aluminum, nitride containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, oxide containing strontium and ruthenium, oxide containing lanthanum and nickel, etc. are used. Is preferred. In addition, tantalum nitride, titanium nitride, nitride containing titanium and aluminum, nitride containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, oxide containing strontium and ruthenium, oxide containing lanthanum and nickel are difficult to oxidize. It is preferable because it is a conductive material or a material which maintains conductivity even by absorbing oxygen.

また、図13(A)に示すように、酸化物230の、導電体242との界面とその近傍には、低抵抗領域として、領域243(領域243a、および領域243b)が形成される場合がある。このとき、領域243aはソース領域またはドレイン領域の一方として機能し、領域243bはソース領域またはドレイン領域の他方として機能する。また、領域243aと領域243bに挟まれる領域にチャネル形成領域が形成される。 Further, as shown in FIG. 13A, there is a case where a region 243 (a region 243 a and a region 243 b) is formed as a low resistance region at and in the vicinity of the interface of the oxide 230 with the conductor 242. is there. At this time, the region 243a functions as one of a source region or a drain region, and the region 243b functions as the other of the source region or the drain region. In addition, a channel formation region is formed in a region sandwiched between the region 243a and the region 243b.

酸化物230と接するように上記導電体242を設けることで、領域243の酸素濃度が低減する場合がある。また、領域243に導電体242に含まれる金属と、酸化物230の成分とを含む金属化合物層が形成される場合がある。このような場合、領域243のキャリア密度が増加し、領域243は、低抵抗領域となる。 By providing the conductor 242 in contact with the oxide 230, the oxygen concentration in the region 243 may be reduced. In addition, a metal compound layer containing a metal contained in the conductor 242 and a component of the oxide 230 may be formed in the region 243. In such a case, the carrier density of the region 243 is increased, and the region 243 becomes a low resistance region.

絶縁体244は、導電体242を覆うように設けられ、導電体242の酸化を抑制する。このとき、絶縁体244は、酸化物230の側面を覆い、絶縁体224と接するように設けられてもよい。 The insulator 244 is provided to cover the conductor 242 and suppresses oxidation of the conductor 242. At this time, the insulator 244 may be provided to cover the side surface of the oxide 230 and to be in contact with the insulator 224.

絶縁体244として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。 As the insulator 244, a metal oxide containing one or more selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, or magnesium may be used. it can.

特に、絶縁体244として、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱履歴において、結晶化しにくいため好ましい。なお、導電体242が耐酸化性を有する材料、または、酸素を吸収しても著しく導電性が低下しない場合、絶縁体244は、必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。 In particular, as the insulator 244, aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like which is an insulator containing one or both oxides of aluminum and hafnium is preferably used. In particular, hafnium aluminate has higher heat resistance than the hafnium oxide film. Therefore, it is preferable because it is difficult to crystallize in the heat history in a later step. Note that the insulator 244 is not an essential component in the case where the conductivity is not significantly reduced even if the conductor 242 has oxidation resistance or absorbs oxygen. It may be appropriately designed according to the transistor characteristics to be obtained.

絶縁体250は、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体250は、酸化物230cの内側(上面および側面)接して配置することが好ましい。絶縁体250は、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。例えば、昇温脱離ガス分光法分析(TDS分析)にて、酸素分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1.0×1019atoms/cm以上、さらに好ましくは2.0×1019atoms/cm、または3.0×1020atoms/cm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温度としては100℃以上700℃以下の範囲が好ましい。 The insulator 250 functions as a gate insulator. The insulator 250 is preferably disposed in contact with the inner side (upper surface and side surface) of the oxide 230c. The insulator 250 is preferably formed using an insulator from which oxygen is released by heating. For example, in temperature-programmed desorption gas analysis (TDS analysis), the desorption amount of oxygen in terms of molecular oxygen is 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more, preferably 1.0 × 10 19. It is an oxide film which is atoms / cm 3 or more, more preferably 2.0 × 10 19 atoms / cm 3 or 3.0 × 10 20 atoms / cm 3 . The surface temperature of the film at the time of TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. to 700 ° C.

具体的には、過剰酸素を有する酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いることができる。特に、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。 Specifically, silicon oxide having excess oxygen, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, and vacancies. Silicon oxide can be used. In particular, silicon oxide and silicon oxynitride are preferable because they are stable to heat.

加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体250として、酸化物230cの上面に接して設けることにより、絶縁体250から、酸化物230cを通じて、酸化物230bのチャネル形成領域に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体224と同様に、絶縁体250中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体250の膜厚は、1nm以上20nm以下とするのが好ましい。 By providing an insulator from which oxygen is released by heating in contact with the top surface of the oxide 230c as the insulator 250, oxygen can be effectively applied to the channel formation region of the oxide 230b from the insulator 250 through the oxide 230c. Can be supplied. Further, similarly to the insulator 224, the concentration of impurities such as water or hydrogen in the insulator 250 is preferably reduced. The thickness of the insulator 250 is preferably 1 nm or more and 20 nm or less.

また、絶縁体250が有する過剰酸素を、効率的に酸化物230へ供給するために、絶縁体250と導電体260との間に金属酸化物を設けてもよい。当該金属酸化物は、絶縁体250から導電体260への酸素拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する金属酸化物を設けることで、絶縁体250から導電体260への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物230へ供給する過剰酸素量の減少を抑制することができる。また、過剰酸素による導電体260の酸化を抑制することができる。当該金属酸化物としては、絶縁体244に用いることができる材料を用いればよい。 In addition, a metal oxide may be provided between the insulator 250 and the conductor 260 in order to efficiently supply the oxide 230 with excess oxygen of the insulator 250. The metal oxide preferably suppresses oxygen diffusion from the insulator 250 to the conductor 260. By providing the metal oxide which suppresses the diffusion of oxygen, the diffusion of excess oxygen from the insulator 250 to the conductor 260 is suppressed. That is, the decrease in the amount of excess oxygen supplied to the oxide 230 can be suppressed. In addition, the oxidation of the conductor 260 due to excess oxygen can be suppressed. As the metal oxide, a material that can be used for the insulator 244 may be used.

第1のゲート電極として機能する導電体260は、図13(A)、(B)では2層構造として示しているが、単層構造でもよいし、3層以上の積層構造であってもよい。 The conductor 260 functioning as the first gate electrode is illustrated as a two-layer structure in FIGS. 13A and 13B, but may be a single-layer structure or a stacked structure of three or more layers. .

導電体260aは、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子(NO、NO、NOなど)、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子など)の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。導電体260aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体250に含まれる酸素により、導電体260bが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。 The conductor 260a has a function of suppressing the diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, nitrogen atoms, nitrogen molecules, nitrogen oxide molecules (N 2 O, NO, NO 2 etc.), copper atoms, etc. It is preferable to use a material. Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing diffusion of at least one of oxygen (eg, oxygen atom, oxygen molecule, and the like). Since the conductor 260a has a function of suppressing the diffusion of oxygen, the oxygen contained in the insulator 250 can suppress the oxidation of the conductor 260b and the decrease in conductivity. As a conductive material having a function of suppressing oxygen diffusion, for example, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, ruthenium oxide, or the like is preferably used.

また、導電体260bは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体260bは、配線としても機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体260bは積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層構造としてもよい。 The conductor 260 b is preferably formed using a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component. In addition, since the conductor 260b also functions as a wiring, it is preferable to use a conductor with high conductivity. For example, a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component can be used. The conductor 260b may have a stacked structure, for example, a stacked structure of titanium and titanium nitride and the above conductive material.

絶縁体280は、絶縁体244を介して、導電体242上に設けられる。絶縁体280は、過剰酸素領域を有することが好ましい。例えば、絶縁体280として、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、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で、容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。 The insulator 280 is provided on the conductor 242 via the insulator 244. The insulator 280 preferably has an excess oxygen region. For example, as the insulator 280, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, silicon oxide having voids It is preferable to have a resin or the like. In particular, silicon oxide and silicon oxynitride are preferable because they are thermally stable. In particular, silicon oxide and silicon oxide having holes are preferable because an excess oxygen region can be easily formed in a later step.

絶縁体280は、過剰酸素領域を有することが好ましい。加熱により酸素が放出される絶縁体280を、酸化物230cと接して設けることで、絶縁体280中の酸素を、酸化物230cを通じて、酸化物230の領域234へと効率良く供給することができる。なお、絶縁体280中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。 The insulator 280 preferably has an excess oxygen region. By providing the insulator 280 from which oxygen is released by heating in contact with the oxide 230c, oxygen in the insulator 280 can be efficiently supplied to the region 234 of the oxide 230 through the oxide 230c. . Note that the concentration of impurities such as water or hydrogen in the insulator 280 is preferably reduced.

絶縁体280の開口は、導電体242aと導電体242bの間の領域に重畳して形成される。これにより、導電体260は、絶縁体280の開口、および導電体242aと導電体242bに挟まれた領域に、埋め込まれるように形成される。 The opening of the insulator 280 is formed to overlap with the region between the conductor 242a and the conductor 242b. Thus, the conductor 260 is formed to be embedded in the opening of the insulator 280 and in the region between the conductor 242 a and the conductor 242 b.

半導体装置を微細化するに当たり、ゲート長を短くすることが求められるが、導電体260の導電性が下がらないようにする必要がある。そのために導電体260の膜厚を大きくすると、導電体260はアスペクト比が高い形状となりうる。本実施の形態では、導電体260を絶縁体280の開口に埋め込むように設けるため、導電体260をアスペクト比の高い形状にしても、工程中に導電体260を倒壊させることなく、形成することができる。 In order to miniaturize the semiconductor device, it is required to shorten the gate length, but it is necessary to prevent the conductivity of the conductor 260 from being lowered. Therefore, when the film thickness of the conductor 260 is increased, the conductor 260 can have a shape with a high aspect ratio. In this embodiment mode, since the conductor 260 is provided so as to be embedded in the opening of the insulator 280, even if the conductor 260 has a shape with a high aspect ratio, the conductor 260 is formed without collapsing in the process. Can.

絶縁体274は、絶縁体280の上面、導電体260の上面、および絶縁体250の上面に接して設けられることが好ましい。絶縁体274をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体250および絶縁体280へ過剰酸素領域を設けることができる。これにより、当該過剰酸素領域から、酸化物230中に酸素を供給することができる。 The insulator 274 is preferably provided in contact with the top surface of the insulator 280, the top surface of the conductor 260, and the top surface of the insulator 250. By depositing the insulator 274 by a sputtering method, an excess oxygen region can be provided for the insulator 250 and the insulator 280. Thus, oxygen can be supplied to the oxide 230 from the excess oxygen region.

例えば、絶縁体274として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。 For example, as the insulator 274, a metal oxide containing one or more selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, magnesium, or the like is used. Can.

特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、0.5nm以上3.0nm以下の薄膜であっても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。したがって、スパッタリング法で成膜した酸化アルミニウムは、酸素供給源であるとともに、水素などの不純物のバリア膜としての機能も有することができる。 In particular, aluminum oxide has high barrier properties and can suppress the diffusion of hydrogen and nitrogen even if it is a thin film of 0.5 nm or more and 3.0 nm or less. Therefore, the aluminum oxide film formed by the sputtering method can have not only an oxygen supply source but also a function as a barrier film of an impurity such as hydrogen.

また、絶縁体274の上に、層間膜として機能する絶縁体281を設けることが好ましい。絶縁体281は、絶縁体224などと同様に、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。 Further, an insulator 281 which functions as an interlayer film is preferably provided over the insulator 274. The insulator 281 preferably has a reduced concentration of impurities such as water or hydrogen in the film, similarly to the insulator 224 and the like.

また、絶縁体281、絶縁体274、絶縁体280、および絶縁体244に形成された開口に、導電体240aおよび導電体240bを配置する。導電体240aおよび導電体240bは、導電体260を挟んで対向して設ける。導電体240aおよび導電体240bは、後述する導電体246および導電体248と同様の構成である。 Further, the conductor 240 a and the conductor 240 b are provided in openings formed in the insulator 281, the insulator 274, the insulator 280, and the insulator 244. The conductor 240 a and the conductor 240 b are provided opposite to each other with the conductor 260 interposed therebetween. The conductor 240 a and the conductor 240 b have the same configuration as the conductor 246 and the conductor 248 described later.

絶縁体281上には、絶縁体282が設けられている。絶縁体282は、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。したがって、絶縁体282には、絶縁体214と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体282には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。 An insulator 282 is provided on the insulator 281. For the insulator 282, a substance having a barrier property to oxygen or hydrogen is preferably used. Therefore, the same material as the insulator 214 can be used for the insulator 282. For example, for the insulator 282, metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide is preferably used.

特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ200への混入を防止することができる。また、トランジスタ200を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ200に対する保護膜として用いることに適している。 In particular, aluminum oxide has a high blocking effect of preventing permeation of the film against both oxygen and impurities such as hydrogen and moisture which cause fluctuation of the electrical characteristics of the transistor. Thus, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from being mixed in the transistor 200 during and after the manufacturing process of the transistor. Further, release of oxygen from the oxide of the transistor 200 can be suppressed. Therefore, it is suitable to be used as a protective film for the transistor 200.

また、絶縁体282上には、絶縁体286が設けられている。絶縁体286は、絶縁体320と同様の材料を用いることができる。また、当該絶縁膜に、比較的誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体286として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。 In addition, an insulator 286 is provided over the insulator 282. The insulator 286 can be made of the same material as the insulator 320. In addition, by using a material having a relatively low dielectric constant as the interlayer film for the insulating film, parasitic capacitance generated between the wirings can be reduced. For example, a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, or the like can be used as the insulator 286.

また、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、絶縁体244、絶縁体280、絶縁体274、絶縁体281、絶縁体282、および絶縁体286には、導電体246、および導電体248等が埋め込まれている。 For the insulator 220, the insulator 222, the insulator 224, the insulator 244, the insulator 280, the insulator 274, the insulator 281, the insulator 282, and the insulator 286, the conductor 246, the conductor 248, and the like Is embedded.

導電体246、および導電体248は、容量素子100、トランジスタ200、またはトランジスタ300と接続するプラグ、または配線として機能を有する。導電体246、および導電体248は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 The conductor 246 and the conductor 248 function as a plug or a wiring connected to the capacitor 100, the transistor 200, or the transistor 300. The conductor 246 and the conductor 248 can be provided using a material similar to that of the conductor 328 and the conductor 330.

続いて、トランジスタ200の上方には、容量素子100が設けられている。容量素子100は、導電体110と、導電体120、絶縁体130とを有する。 Subsequently, a capacitor 100 is provided above the transistor 200. The capacitive element 100 includes a conductor 110, a conductor 120, and an insulator 130.

また、導電体246、および導電体248上に、導電体112を設けてもよい。導電体112は、トランジスタ200と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体110は、容量素子100の電極としての機能を有する。なお、導電体112、および導電体110は、同時に形成することができる。 The conductor 112 may be provided over the conductor 246 and the conductor 248. The conductor 112 has a function as a plug connected to the transistor 200 or a wiring. The conductor 110 has a function as an electrode of the capacitor 100. Note that the conductor 112 and the conductor 110 can be formed at the same time.

導電体112、および導電体110には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜(窒化タンタル、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)等を用いることができる。または、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。 For the conductor 112 and the conductor 110, a metal film containing an element selected from molybdenum, titanium, tantalum, tungsten, aluminum, copper, chromium, neodymium, scandium, or a metal nitride film containing the above-described element as a component (Tantalum nitride, titanium nitride film, molybdenum nitride film, tungsten nitride film) or the like can be used. Or indium tin oxide, indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, indium tin oxide containing titanium oxide, indium zinc oxide, silicon oxide Conductive materials such as indium tin oxide can also be applied.

図12では、導電体112、および導電体110は単層構造を示したが、当該構成に限定されず、2層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、および導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。 Although the conductor 112 and the conductor 110 each have a single-layer structure in FIG. 12, the structure is not limited to this structure, and a stacked structure of two or more layers may be used. For example, between a conductor having a barrier property and a conductor having high conductivity, a conductor having high adhesion to a conductor having a barrier property and a conductor having high conductivity may be formed.

絶縁体130を介して、導電体110と重畳するように、導電体120を設ける。なお、導電体120は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。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く、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるCu(銅)やAl(アルミニウム)等を用いればよい。 The conductor 120 is provided to overlap with the conductor 110 through the insulator 130. Note that as the conductor 120, a conductive material such as a metal material, an alloy material, or a metal oxide material can be used. It is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum which achieves both heat resistance and conductivity, and it is particularly preferable to use tungsten. In the case of forming simultaneously with other structures such as a conductor, Cu (copper) or Al (aluminum) or the like which is a low resistance metal material may be used.

導電体120、および絶縁体130上には、絶縁体150が設けられている。絶縁体150は、絶縁体320と同様の材料を用いて設けることができる。また、絶縁体150は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。 An insulator 150 is provided over the conductor 120 and the insulator 130. The insulator 150 can be provided using a material similar to that of the insulator 320. Moreover, the insulator 150 may function as a planarizing film which covers the uneven shape below it.

本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制するとともに、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化または高集積化を図ることができる。 With this structure, in a semiconductor device using a transistor including an oxide semiconductor, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved. Alternatively, a transistor including an oxide semiconductor with high on-state current can be provided. Alternatively, a transistor including an oxide semiconductor with low off current can be provided. Alternatively, a semiconductor device with reduced power consumption can be provided. Alternatively, in a semiconductor device using a transistor including an oxide semiconductor, miniaturization or high integration can be achieved.

<トランジスタの電気特性>
次に、oxトランジスタの電気特性について説明する。以下では一例として、第1のゲート及び第2のゲートを有するトランジスタについて説明する。第1のゲート及び第2のゲートを有するトランジスタは、第1のゲートと第2のゲートに異なる電位を印加することで、閾値電圧を制御することができる。例えば、第2のゲートに負の電位を印加することにより、トランジスタの閾値電圧を0Vより大きくし、オフ電流を低減することができる。つまり、第2のゲートに負の電位を印加することにより、第1の電極に印加する電位が0Vのときのドレイン電流を小さくすることができる。
<Electrical characteristics of transistor>
Next, the electrical characteristics of the ox transistor will be described. Hereinafter, a transistor having a first gate and a second gate will be described as an example. The transistor having the first gate and the second gate can control the threshold voltage by applying different potentials to the first gate and the second gate. For example, by applying a negative potential to the second gate, the threshold voltage of the transistor can be higher than 0 V and off current can be reduced. That is, by applying a negative potential to the second gate, the drain current when the potential applied to the first electrode is 0 V can be reduced.

また、酸化物半導体は、水素などの不純物が添加されると、キャリア密度が増加する場合がある。例えば、酸化物半導体は、水素が添加されると、金属原子と結合する酸素と反応して水になり、酸素欠損を形成する場合がある。当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリア密度が増加する。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。つまり、水素などの不純物が添加された酸化物半導体は、n型となり、低抵抗化される。 In addition, in the oxide semiconductor, when an impurity such as hydrogen is added, the carrier density may increase. For example, when hydrogen is added, an oxide semiconductor may react with oxygen which is bonded to a metal atom to be water and form oxygen vacancies. Carrier density is increased by the entry of hydrogen into the oxygen vacancies. In addition, a part of hydrogen may be bonded to oxygen which is bonded to a metal atom to generate an electron which is a carrier. That is, an oxide semiconductor to which an impurity such as hydrogen is added has n-type conductivity, and thus has low resistance.

したがって、酸化物半導体を選択的に低抵抗化することができる。つまり、酸化物半導体に、キャリア密度が低く、チャネル形成領域として機能する半導体として機能する領域と、キャリア密度が高く、ソース領域、またはドレイン領域として機能する低抵抗化した領域と、を設けることができる。 Therefore, the resistance of the oxide semiconductor can be selectively reduced. That is, providing an oxide semiconductor with a region having low carrier density and functioning as a channel formation region and a low-resistance region having high carrier density and functioning as a source region or a drain region it can.

(実施の形態4)
本実施の形態では、上記の実施の形態で説明したoxトランジスタに用いることができる金属酸化物の構成について説明する。
Embodiment 4
In this embodiment mode, a structure of a metal oxide which can be used for the ox transistor described in the above embodiment mode will be described.

<金属酸化物の構成>
明細書等において、CAAC(c−axis aligned crystal)、及びCAC(Cloud−Aligned Composite)と記載する場合がある。なお、CAACは結晶構造の一例を表し、CACは機能、または材料の構成の一例を表す。
<Structure of Metal Oxide>
In the specification etc., it may describe as CAAC (c-axis aligned crystal) and CAC (Cloud-Aligned Composite). Note that CAAC represents an example of a crystal structure, and CAC represents an example of a function or a structure of a material.

CAC−OSまたはCAC−metal oxideとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、CAC−OSまたはCAC−metal oxideを、トランジスタの活性層に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子(またはホール)を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能(On/Offさせる機能)をCAC−OSまたはCAC−metal oxideに付与することができる。CAC−OSまたはCAC−metal oxideにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。 The CAC-OS or CAC-metal oxide has a conductive function in part of the material and an insulating function in part of the material, and functions as a semiconductor throughout the material. Note that in the case where CAC-OS or CAC-metal oxide is used for the active layer of a transistor, the conductive function is a function of flowing electrons (or holes) serving as carriers, and the insulating function is electrons serving as carriers. Is a function that does not A function of switching (function of turning on / off) can be imparted to the CAC-OS or the CAC-metal oxide by causing the conductive function and the insulating function to be complementary to each other. By separating the functions of CAC-OS or CAC-metal oxide, both functions can be maximized.

また、CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、導電性領域、及び絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。 In addition, CAC-OS or CAC-metal oxide has a conductive region and an insulating region. The conductive region has the above-mentioned conductive function, and the insulating region has the above-mentioned insulating function. In addition, in the material, the conductive region and the insulating region may be separated at the nanoparticle level. In addition, the conductive region and the insulating region may be unevenly distributed in the material. In addition, the conductive region may be observed as connected in a cloud shape with a blurred periphery.

また、CAC−OSまたはCAC−metal oxideにおいて、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ0.5nm以上10nm以下、好ましくは0.5nm以上3nm以下のサイズで材料中に分散している場合がある。 In addition, in CAC-OS or CAC-metal oxide, the conductive region and the insulating region are each dispersed in the material with a size of 0.5 nm or more and 10 nm or less, preferably 0.5 nm or more and 3 nm or less There is.

また、CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記CAC−OSまたはCAC−metal oxideをトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、及び高い電界効果移動度を得ることができる。 Further, CAC-OS or CAC-metal oxide is composed of components having different band gaps. For example, CAC-OS or CAC-metal oxide is composed of a component having a wide gap resulting from the insulating region and a component having a narrow gap resulting from the conductive region. In the case of this configuration, when the carrier flows, the carrier mainly flows in the component having the narrow gap. In addition, the component having the narrow gap acts complementarily to the component having the wide gap, and the carrier also flows to the component having the wide gap in conjunction with the component having the narrow gap. Therefore, when the above-described CAC-OS or CAC-metal oxide is used for a channel formation region of a transistor, high current driving force, that is, high on current, and high field effect mobility can be obtained in the on state of the transistor.

すなわち、CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、マトリックス複合材(matrix composite)、または金属マトリックス複合材(metal matrix composite)と呼称することもできる。 That is, CAC-OS or CAC-metal oxide can also be called a matrix composite (matrix composite) or a metal matrix composite (metal matrix composite).

<金属酸化物の構造>
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、例えば、CAAC−OS(c−axis aligned crystalline 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)および非晶質酸化物半導体などがある。
<Structure of metal oxide>
Oxide semiconductors can be divided into single crystal oxide semiconductors and other non-single crystal oxide semiconductors. As the non-single crystal oxide semiconductor, for example, c-axis aligned crystalline oxide semiconductor (CAAC-OS), polycrystalline oxide semiconductor, nanocrystalline oxide semiconductor (nc-OS), pseudo amorphous oxide semiconductor (a-like) OS: amorphous-like oxide semiconductor) and amorphous oxide semiconductor.

CAAC−OSは、c軸配向性を有し、かつa−b面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。 The CAAC-OS has c-axis orientation, and a plurality of nanocrystals are connected in the a-b plane direction to form a strained crystal structure. Note that distortion refers to a portion where the orientation of the lattice arrangement changes between the region in which the lattice arrangement is aligned and the region in which another lattice arrangement is aligned in the region where the plurality of nanocrystals are connected.

ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、CAAC−OSにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界(グレインバウンダリーともいう)を確認することはできない。即ち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、CAAC−OSが、a−b面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。 The nanocrystals are based on hexagons, but may not be regular hexagons and may be non-hexagonal. Moreover, distortion may have a lattice arrangement such as pentagon and heptagon. In the CAAC-OS, a clear crystal grain boundary (also referred to as a grain boundary) can not be confirmed near the strain. That is, it is understood that the formation of crystal grain boundaries is suppressed by the distortion of the lattice arrangement. This is because the CAAC-OS can tolerate distortion due to the fact that the arrangement of oxygen atoms is not dense in the a-b plane direction, or that the bonding distance between atoms is changed due to metal element substitution. It is thought that it is for.

また、CAAC−OSは、インジウム、および酸素を有する層(以下、In層)と、元素M、亜鉛、および酸素を有する層(以下、(M,Zn)層)とが積層した、層状の結晶構造(層状構造ともいう)を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Mは、互いに置換可能であり、(M,Zn)層の元素Mがインジウムと置換した場合、(In,M,Zn)層と表すこともできる。また、In層のインジウムが元素Mと置換した場合、(In,M)層と表すこともできる。 In addition, a CAAC-OS is a layered crystal in which a layer containing indium and oxygen (hereinafter referred to as In layer) and a layer containing element M, zinc and oxygen (hereinafter referred to as (M, Zn) layer) are stacked. It tends to have a structure (also referred to as a layered structure). Note that indium and the element M can be substituted with each other, and when the element M in the (M, Zn) layer is replaced with indium, it can also be expressed as a (In, M, Zn) layer. In addition, when indium in the In layer is substituted with the element M, it can also be represented as an (In, M) layer.

CAAC−OSは結晶性の高い酸化物半導体である。一方、CAAC−OSは、明確な結晶粒界を確認することはできないため、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。また、酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、CAAC−OSは不純物や欠陥(酸素欠損など)の少ない酸化物半導体ともいえる。従って、CAAC−OSを有する酸化物半導体は、物理的性質が安定する。そのため、CAAC−OSを有する酸化物半導体は熱に強く、信頼性が高い。また、CAAC−OSは、製造工程における高い温度(所謂サーマルバジェット)に対しても安定である。したがって、oxトランジスタにCAAC−OSを用いると、製造工程の自由度を広げることが可能となる。 The CAAC-OS is an oxide semiconductor with high crystallinity. On the other hand, CAAC-OS can not confirm clear crystal grain boundaries, so that it can be said that the decrease in electron mobility due to crystal grain boundaries does not easily occur. In addition, the crystallinity of the oxide semiconductor may be lowered due to the mixing of impurities, generation of defects, or the like, so that the CAAC-OS can also be said to be an oxide semiconductor with few impurities or defects (such as oxygen vacancies). Therefore, the oxide semiconductor having a CAAC-OS has stable physical properties. Therefore, an oxide semiconductor having a CAAC-OS is resistant to heat and has high reliability. In addition, the CAAC-OS is stable also to a high temperature (so-called thermal budget) in the manufacturing process. Therefore, when a CAAC-OS is used for the ox transistor, the degree of freedom of the manufacturing process can be expanded.

nc−OSは、微小な領域(例えば、1nm以上10nm以下の領域、特に1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc−OSは、異なるナノ結晶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は、分析方法によっては、a−like OSや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。 The nc-OS has periodicity in atomic arrangement in a minute region (eg, a region of 1 nm to 10 nm, particularly a region of 1 nm to 3 nm). In addition, nc-OS has no regularity in crystal orientation among different nanocrystals. Therefore, no orientation can be seen in the entire film. Therefore, the nc-OS may not be distinguished from the a-like OS or the amorphous oxide semiconductor depending on the analysis method.

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。a−like OSは、鬆または低密度領域を有する。即ち、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べて、結晶性が低い。 The a-like OS is an oxide semiconductor having a structure between nc-OS and an amorphous oxide semiconductor. The a-like OS has a wrinkle or low density region. That is, a-like OS has lower crystallinity than nc-OS and CAAC-OS.

酸化物半導体は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、a−like OS、nc−OS、CAAC−OSのうち、二種以上を有していてもよい。 Oxide semiconductors have various structures, and each has different characteristics. The oxide semiconductor of one embodiment of the present invention may have two or more of an amorphous oxide semiconductor, a polycrystalline oxide semiconductor, an a-like OS, an nc-OS, and a CAAC-OS.

<酸化物半導体を有するトランジスタ>
続いて、上記酸化物半導体をトランジスタに用いる場合について説明する。
<Transistor with Oxide Semiconductor>
Subsequently, a case where the above oxide semiconductor is used for a transistor will be described.

なお、上記酸化物半導体をトランジスタに用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。 Note that by using the above oxide semiconductor for the transistor, a transistor with high field-effect mobility can be realized. In addition, a highly reliable transistor can be realized.

また、トランジスタには、キャリア密度の低い酸化物半導体を用いることが好ましい。酸化物半導体膜のキャリア密度を低くする場合においては、酸化物半導体膜中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性と言う。例えば、酸化物半導体は、キャリア密度が8×1011/cm未満、好ましくは1×1011/cm未満、さらに好ましくは1×1010/cm未満であり、1×10−9/cm以上とすればよい。 Further, an oxide semiconductor with low carrier density is preferably used for the transistor. In the case of reducing the carrier density of the oxide semiconductor film, the impurity concentration in the oxide semiconductor film may be reduced to reduce the density of defect states. In the present specification and the like, the low impurity concentration and the low density of defect level states are referred to as high purity intrinsic or substantially high purity intrinsic. For example, the oxide semiconductor has a carrier density of less than 8 × 10 11 / cm 3 , preferably less than 1 × 10 11 / cm 3 , more preferably less than 1 × 10 10 / cm 3 , and 1 × 10 −9 / cm 3. It should be cm 3 or more.

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、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。 In addition, since the high purity intrinsic or the substantially high purity intrinsic oxide semiconductor film has a low density of defect states, the density of trap states may also be low.

また、酸化物半導体のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失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、トラップ準位密度の高い酸化物半導体にチャネル形成領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。 In addition, the charge trapped in the trap level of the oxide semiconductor takes a long time to disappear, and may behave like fixed charge. Therefore, the transistor in which the channel formation region is formed in the oxide semiconductor with a high trap state density may have unstable electrical characteristics.

従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体中の不純物濃度を低減することが有効である。また、酸化物半導体中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。 Therefore, in order to stabilize the electrical characteristics of the transistor, it is effective to reduce the concentration of impurities in the oxide semiconductor. Further, in order to reduce the impurity concentration in the oxide semiconductor, it is preferable to reduce the impurity concentration in the adjacent film. The impurities include hydrogen, nitrogen, alkali metals, alkaline earth metals, iron, nickel, silicon and the like.

<不純物>
ここで、酸化物半導体中における各不純物の影響について説明する。
<Impurity>
Here, the influence of each impurity in the oxide semiconductor is described.

酸化物半導体において、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体との界面近傍のシリコンや炭素の濃度(二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により得られる濃度)を、2×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1017atoms/cm以下とする。 In the oxide semiconductor, when silicon or carbon which is one of the group 14 elements is contained, a defect level is formed in the oxide semiconductor. Therefore, the concentration of silicon or carbon in the oxide semiconductor and the concentration of silicon or carbon in the vicinity of the interface with the oxide semiconductor (the concentration obtained by secondary ion mass spectrometry (SIMS)) are 2 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

また、酸化物半導体にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。従って、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、SIMSにより得られる酸化物半導体中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、1×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1016atoms/cm以下にする。 In addition, when the oxide semiconductor contains an alkali metal or an alkaline earth metal, a defect state may be formed and a carrier may be generated. Therefore, a transistor including an oxide semiconductor which contains an alkali metal or an alkaline earth metal is likely to be normally on. Therefore, it is preferable to reduce the concentration of alkali metal or alkaline earth metal in the oxide semiconductor. Specifically, the concentration of an alkali metal or an alkaline earth metal in an oxide semiconductor obtained by SIMS is 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 16 atoms / cm 3 or less.

また、酸化物半導体において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、n型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体を半導体に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、該酸化物半導体において、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、酸化物半導体中の窒素濃度は、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm以下、より好ましくは1×1018atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm以下とする。 In addition, when nitrogen is contained in an oxide semiconductor, electrons which are carriers are generated, carrier density is increased, and n-type is easily formed. As a result, a transistor in which an oxide semiconductor containing nitrogen is used as a semiconductor is likely to be normally on. Therefore, in the oxide semiconductor, nitrogen is preferably reduced as much as possible. For example, the nitrogen concentration in the oxide semiconductor is less than 5 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably 5 × 10 18 in SIMS. atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, still more preferably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

また、酸化物半導体に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導体において、SIMSにより得られる水素濃度を、1×1020atoms/cm未満、好ましくは1×1019atoms/cm未満、より好ましくは5×1018atoms/cm未満、さらに好ましくは1×1018atoms/cm未満とする。 Further, hydrogen contained in the oxide semiconductor reacts with oxygen bonded to a metal atom to be water, which may form an oxygen vacancy. When hydrogen enters the oxygen vacancies, electrons which are carriers may be generated. In addition, a part of hydrogen may be bonded to oxygen which is bonded to a metal atom to generate an electron which is a carrier. Thus, a transistor including an oxide semiconductor which contains hydrogen is likely to be normally on. Thus, hydrogen in the oxide semiconductor is preferably reduced as much as possible. Specifically, in an oxide semiconductor, the hydrogen concentration obtained by SIMS is less than 1 × 10 20 atoms / cm 3 , preferably less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 , more preferably 5 × 10 18 atoms / cm. It is less than 3 and more preferably less than 1 × 10 18 atoms / cm 3 .

不純物が十分に低減された酸化物半導体をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。 By using an oxide semiconductor in which impurities are sufficiently reduced for the channel formation region of the transistor, stable electrical characteristics can be provided.

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 the description of the other embodiments as appropriate.

(実施の形態5)
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した集積回路を適用することができる電子機器等について説明する。
Fifth Embodiment
In this embodiment mode, electronic devices to which the integrated circuit described in the above embodiment modes can be applied are described.

<電子機器・システム>
本発明の一態様に係るGPU又はコンピュータは、様々な電子機器に搭載することができる。電子機器の例としては、例えば、テレビジョン装置、デスクトップ型もしくはノート型のパーソナルコンピュータ、コンピュータ用などのモニタ、デジタルサイネージ(Digital Signage:電子看板)、パチンコ機などの大型ゲーム機などの比較的大きな画面を備える電子機器の他、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、などが挙げられる。また、本発明の一態様に係る集積回路又はコンピュータを電子機器に設けることにより、電子機器に人工知能を搭載することができる。
<Electronic equipment / system>
A GPU or a computer according to one embodiment of the present invention can be mounted on various electronic devices. Examples of the electronic devices include, for example, television devices, desktop or notebook personal computers, monitors for computers, etc., large-sized game machines such as digital signage (Digital Signage), pachinko machines, etc. In addition to electronic devices equipped with screens, digital cameras, digital video cameras, digital photo frames, mobile phones, portable game machines, portable information terminals, sound reproduction devices, etc. may be mentioned. In addition, by providing the integrated circuit or the computer according to one embodiment of the present invention to an electronic device, artificial intelligence can be mounted on the electronic device.

本発明の一態様の電子機器は、アンテナを有していてもよい。アンテナで信号を受信することで、表示部で映像や情報等の表示を行うことができる。また、電子機器がアンテナ及び二次電池を有する場合、アンテナを、非接触電力伝送に用いてもよい。 The electronic device of one embodiment of the present invention may have an antenna. By receiving the signal with the antenna, display of images, information, and the like can be performed on the display portion. In addition, when the electronic device includes an antenna and a secondary battery, the antenna may be used for contactless power transmission.

本発明の一態様の電子機器は、センサ(力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、においまたは赤外線を測定する機能を含むもの)を有していてもよい。 The electronic device of one embodiment of the present invention includes a sensor (force, displacement, position, velocity, acceleration, angular velocity, rotation number, distance, light, liquid, magnetism, temperature, chemical substance, sound, time, hardness, electric field, current, It may have a function of measuring voltage, power, radiation, flow, humidity, inclination, vibration, odor or infrared.

本発明の一態様の電子機器は、様々な機能を有することができる。例えば、様々な情報(静止画、動画、テキスト画像など)を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付または時刻などを表示する機能、様々なソフトウェア(プログラム)を実行する機能、無線通信機能、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読み出す機能等を有することができる。図14に、電子機器の例を示す。 The electronic device of one embodiment of the present invention can have various functions. For example, a function of displaying various information (still images, moving images, text images, etc.) on the display unit, a touch panel function, a calendar, a function of displaying date or time, etc., a function of executing various software (programs), wireless communication A function, a function of reading a program or data recorded in a recording medium, or the like can be provided. FIG. 14 shows an example of the electronic device.

[携帯電話] [mobile phone]

図14(A)には、情報端末の一種である携帯電話(スマートフォン)が図示されている。情報端末5500は、筐体5510と、表示部5511と、を有しており、入力用インターフェースとして、タッチパネルが表示部5511に備えられ、ボタンが筐体5510に備えられている。 FIG. 14A shows a mobile phone (smart phone) which is a type of information terminal. The information terminal 5500 includes a housing 5510 and a display portion 5511. A touch panel is provided in the display portion 5511 as an input interface, and a button is provided in the housing 5510.

情報端末5500は、本発明の一態様のコンピュータを適用することで、人工知能を利用したアプリケーションを実行することができる。人工知能を利用したアプリケーションとしては、例えば、会話を認識してその会話内容を表示部5511に表示するアプリケーション、表示部5511に備えるタッチパネルに対してユーザが入力した文字、図形などを認識して、表示部5511に表示するアプリケーション、指紋や声紋などの生体認証を行うアプリケーションなどが挙げられる。 The information terminal 5500 can execute an application using artificial intelligence by applying the computer of one embodiment of the present invention. As an application using artificial intelligence, for example, an application that recognizes a conversation and displays the content of the conversation on the display unit 5511, recognizes characters, figures, and the like input by the user with respect to a touch panel included in the display unit 5511; An application displayed on the display portion 5511, an application for performing biometric authentication such as fingerprint or voiceprint, and the like can be given.

[情報端末1]
図14(B)には、デスクトップ型情報端末5300が図示されている。デスクトップ型情報端末5300は、情報端末の本体5301と、ディスプレイ5302と、キーボード5303と、を有する。
[Information terminal 1]
A desktop information terminal 5300 is illustrated in FIG. The desktop information terminal 5300 includes a main body 5301 of the information terminal, a display 5302, and a keyboard 5303.

デスクトップ型情報端末5300は、先述した情報端末5500と同様に、本発明の一態様のコンピュータを適用することで、人工知能を利用したアプリケーションを実行することができる。人工知能を利用したアプリケーションとしては、例えば、設計支援ソフトウェア、文章添削ソフトウェア、献立自動生成ソフトウェアなどが挙げられる。また、デスクトップ型情報端末5300を用いることで、新規の人工知能の開発を行うことができる。 The desktop information terminal 5300 can execute an application using artificial intelligence by applying the computer of one embodiment of the present invention, as in the case of the information terminal 5500 described above. Examples of applications using artificial intelligence include design support software, text correction software, and menu automatic generation software. In addition, by using the desktop information terminal 5300, new artificial intelligence can be developed.

なお、上述では、電子機器としてスマートフォン、及びデスクトップ用情報端末を例として、それぞれ図14(A)、(B)に図示したが、スマートフォン、及びデスクトップ用情報端末以外の情報端末を適用することができる。スマートフォン、及びデスクトップ用情報端末以外の情報端末としては、例えば、PDA(Personal Digital Assistant)、ノート型情報端末、ワークステーションなどが挙げられる。 In the above description, although the smartphone and the desktop information terminal are illustrated as examples of the electronic device in FIGS. 14A and 14B, an information terminal other than the smartphone and the desktop information terminal may be applied. it can. As an information terminal other than a smart phone and a desktop information terminal, for example, a PDA (Personal Digital Assistant), a notebook information terminal, a work station, etc. may be mentioned.

[電化製品]
図14(C)は、電化製品の一例である電気冷凍冷蔵庫5800を示している。電気冷凍冷蔵庫5800は、筐体5801、冷蔵室用扉5802、冷凍室用扉5803等を有する。
[Electronics]
FIG. 14C illustrates an electric refrigerator-freezer 5800 which is an example of an electric appliance. The electric refrigerator-freezer 5800 includes a housing 5801, a refrigerator door 5802, a freezer door 5803 and the like.

電気冷凍冷蔵庫5800に本発明の一態様のコンピュータを適用することによって、人工知能を有する電気冷凍冷蔵庫5800を実現することができる。人工知能を利用することによって電気冷凍冷蔵庫5800は、電気冷凍冷蔵庫5800に保存されている食材、その食材の消費期限などを基に献立を自動生成する機能や、電気冷凍冷蔵庫5800に保存されている食材に合わせた温度に自動的に調節する機能などを有することができる。 By applying the computer of one embodiment of the present invention to the electric refrigerator-freezer 5800, an electric refrigerator-freezer 5800 having artificial intelligence can be realized. By utilizing artificial intelligence, the electric refrigerator-freezer 5800 is automatically stored in the electric refrigerator-freezer 5800, which automatically generates a menu based on the food stored in the electric refrigerator-freezer 5800, the expiration date of the food, etc. It can have a function of automatically adjusting to the temperature according to the food.

本一例では、電化製品として電気冷凍冷蔵庫について説明したが、その他の電化製品としては、例えば、掃除機、電子レンジ、電子オーブン、炊飯器、湯沸かし器、IH調理器、ウォーターサーバ、エアーコンディショナーを含む冷暖房器具、洗濯機、乾燥機、オーディオビジュアル機器などが挙げられる。 In this example, the electric refrigerator-freezer has been described as an electric appliance, but other electric appliances include, for example, a vacuum cleaner, a microwave oven, an electronic oven, a rice cooker, a water heater, an IH cooker, a water server, and an air conditioner. Appliances, washing machines, dryers, audiovisual equipment etc. may be mentioned.

[ゲーム機] [game machine]

図14(D)は、ゲーム機の一例である携帯ゲーム機5200を示している。携帯ゲーム機は、筐体5201、表示部5202、ボタン5203等を有する。 FIG. 14D illustrates a portable game console 5200 which is an example of the game console. The portable game machine includes a housing 5201, a display portion 5202, a button 5203, and the like.

携帯ゲーム機5200に本発明の一態様のGPU又はコンピュータを適用することによって、低消費電力の携帯ゲーム機5200を実現することができる。また、低消費電力により、回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、及びモジュールへの影響を少なくすることができる。 By applying the GPU or the computer of one embodiment of the present invention to the portable game device 5200, a low-power consumption portable game device 5200 can be realized. Further, since low power consumption can reduce heat generation from the circuit, it is possible to reduce the influence of heat generation on the circuit itself, peripheral circuits, and modules.

更に、携帯ゲーム機5200に本発明の一態様のGPU又はコンピュータを適用することによって、人工知能を有する携帯ゲーム機5200を実現することができる。 Furthermore, by applying the GPU or the computer of one embodiment of the present invention to the portable game device 5200, a portable game device 5200 having artificial intelligence can be realized.

本来、ゲームの進行、ゲーム上に登場する生物の言動、ゲーム上で発生する現象などの表現は、そのゲームが有するプログラムによって定められているが、携帯ゲーム機5200に人工知能を適用することにより、ゲームのプログラムに限定されない表現が可能になる。例えば、プレイヤーが問いかける内容、ゲームの進行状況、時刻、ゲーム上に登場する人物の言動が変化するといった表現が可能となる。 Originally, expressions such as the progress of the game, the behavior and behavior of creatures appearing on the game, and the phenomena occurring on the game are determined by the program possessed by the game, but by applying artificial intelligence to the portable game machine 5200 The expression which is not limited to the program of the game becomes possible. For example, it is possible to express that the contents asked by the player, the progress of the game, the time, and the behavior of the person appearing on the game change.

また、携帯ゲーム機5200で複数のプレイヤーが必要なゲームを行う場合、人工知能によって擬人的にゲームプレイヤーを構成することができるため、対戦相手を人工知能によるゲームプレイヤーとすることによって、1人でもゲームを行うことができる。 In addition, when playing a game that requires a plurality of players in the portable game machine 5200, since the game player can be artificially constructed by artificial intelligence, even by using an opponent as a game player by artificial intelligence, even one person can play a game. I can play the game.

図14(D)では、ゲーム機の一例として携帯ゲーム機を図示しているが、本発明の一態様のGPU又はコンピュータを適用するゲーム機はこれに限定されない。本発明の一態様のGPU又はコンピュータを適用するゲーム機としては、例えば、家庭用の据え置き型ゲーム機、娯楽施設(ゲームセンター、遊園地など)に設置されるアーケードゲーム機、スポーツ施設に設置されるバッティング練習用の投球マシンなどが挙げられる。 Although FIG. 14D illustrates a portable game machine as an example of the game machine, a game machine to which the GPU or the computer of one embodiment of the present invention is applied is not limited thereto. As a game machine to which the GPU or computer of one aspect of the present invention is applied, for example, a home-use stationary game machine, an arcade game machine installed in an entertainment facility (game center, amusement park, etc.), a sports facility Pitching machines for batting practice.

[移動体]
本発明の一態様のGPU又はコンピュータは、移動体である自動車、及び自動車の運転席周辺に適用することができる。
[Mobile body]
The GPU or computer of one embodiment of the present invention can be applied to an automobile that is a mobile body and around the driver's seat of the automobile.

図14(E1)は移動体の一例である自動車5700を示し、図14(E2)は、自動車の室内におけるフロントガラス周辺を示す図である。図14(E1)では、ダッシュボードに取り付けられた表示パネル5701、表示パネル5702、表示パネル5703の他、ピラーに取り付けられた表示パネル5704を図示している。 FIG. 14 (E1) shows a car 5700 which is an example of a moving body, and FIG. 14 (E2) shows a periphery of a windshield in a room of the car. FIG. 14E1 illustrates the display panel 5704 attached to the pillar, in addition to the display panel 5701 attached to the dashboard, the display panel 5702, and the display panel 5703.

表示パネル5701乃至表示パネル5703は、スピードメーターやタコメーター、走行距離、給油量、ギア状態、エアコンの設定など、その他様々な情報を提供することができる。また、表示パネルに表示される表示項目やレイアウトなどは、ユーザの好みに合わせて適宜変更することができ、デザイン性を高めることが可能である。表示パネル5701乃至表示パネル5703は、照明装置として用いることも可能である。 The display panel 5701 to the display panel 5703 can provide various other information such as a speedometer, a tachometer, a travel distance, a refueling amount, a gear state, setting of an air conditioner, and the like. In addition, display items, layouts, and the like displayed on the display panel can be appropriately changed in accordance with the user's preference, and design can be enhanced. The display panels 5701 to 5703 can also be used as lighting devices.

表示パネル5704には、自動車5700に設けられた撮像装置(図示しない。)からの映像を映し出すことによって、ピラーで遮られた視界(死角)を補完することができる。すなわち、自動車5700の外側に設けられた撮像装置からの画像を表示することによって、死角を補い、安全性を高めることができる。また、見えない部分を補完する映像を映すことによって、より自然に違和感なく安全確認を行うことができる。表示パネル5704は、照明装置として用いることもできる。 By projecting an image from an imaging device (not shown) provided in the automobile 5700 on the display panel 5704, it is possible to complement the view (dead angle) blocked by the pillar. That is, by displaying an image from an imaging device provided outside the automobile 5700, a blind spot can be compensated to enhance safety. In addition, by displaying an image that complements the invisible part, it is possible to check the safety more naturally and without discomfort. The display panel 5704 can also be used as a lighting device.

本発明の一態様のGPU又はコンピュータは人工知能の構成要素として適用できるため、例えば、当該コンピュータを自動車5700の自動運転システムに用いることができる。また、当該コンピュータを道路案内、危険予測などを行うシステムに用いることができる。表示パネル5701乃至表示パネル5704には、道路案内、危険予測などの情報を表示する構成としてもよい。 Since the GPU or computer of one embodiment of the present invention can be applied as a component of artificial intelligence, for example, the computer can be used for an autonomous driving system of a car 5700. Further, the computer can be used for a system that performs road guidance, danger prediction, and the like. Information such as road guidance and danger prediction may be displayed on the display panel 5701 to the display panel 5704.

なお、上述では、移動体の一例として自動車について説明しているが、移動体は自動車に限定されない。例えば、移動体としては、電車、モノレール、船、飛行体(ヘリコプター、無人航空機(ドローン)、飛行機、ロケット)なども挙げることができ、これらの移動体に本発明の一態様のコンピュータを適用して、人工知能を利用したシステムを付与することができる。 In addition, although the motor vehicle is demonstrated as an example of a mobile body in the above-mentioned, a mobile body is not limited to a motor vehicle. For example, the moving object may also be a train, a monorail, a ship, a flying object (helicopter, unmanned aircraft (drone), airplane, rocket) or the like, and the computer of one embodiment of the present invention is applied to these moving objects. Thus, a system using artificial intelligence can be provided.

[放送システム]
本発明の一態様のGPU又はコンピュータは、放送システムに適用することができる。
[Broadcasting system]
The GPU or computer of one embodiment of the present invention can be applied to a broadcast system.

図14(F)は、放送システムにおけるデータ伝送を模式的に示している。具体的には、図14(F)は、放送局5680から送信された電波(放送信号)が、各家庭のテレビジョン受信装置(TV)5600に届くまでの経路を示している。TV5600は、受信装置を備え(図示しない。)、アンテナ5650で受信された放送信号は、当該受信装置を介して、TV5600に送信される。 FIG. 14F schematically shows data transmission in the broadcast system. Specifically, FIG. 14F shows a path until the radio wave (broadcast signal) transmitted from the broadcast station 5680 reaches the television receiver (TV) 5600 of each home. The TV 5600 includes a receiver (not shown), and a broadcast signal received by the antenna 5650 is transmitted to the TV 5600 through the receiver.

図14(F)では、アンテナ5650は、UHF(Ultra High Frequency)アンテナを図示しているが、アンテナ5650としては、BS・110°CSアンテナ、CSアンテナなども適用できる。 In FIG. 14F, the antenna 5650 is a UHF (Ultra High Frequency) antenna. However, as the antenna 5650, a BS · 110 ° CS antenna, a CS antenna, or the like can be used.

電波5675A、電波5675Bは地上波放送用の放送信号であり、電波塔5670は受信した電波5675Aを増幅して、電波5675Bの送信を行う。各家庭では、アンテナ5650で電波5675Bを受信することで、TV5600で地上波TV放送を視聴することができる。なお、放送システムは、図14(F)に示す地上波放送に限定せず、人工衛星を用いた衛星放送、光回線によるデータ放送などとしてもよい。 The radio wave 5675A and the radio wave 5675B are broadcast signals for ground wave broadcasting, and the radio wave tower 5670 amplifies the received radio wave 5675A and transmits the radio wave 5675B. Each household can view terrestrial TV broadcast on the TV 5600 by receiving the radio wave 5675 B by the antenna 5650. The broadcast system is not limited to the terrestrial broadcast shown in FIG. 14F, and may be satellite broadcast using an artificial satellite, data broadcast by an optical circuit, or the like.

上述した放送システムは、本発明の一態様のコンピュータを適用して、人工知能を利用した放送システムとしてもよい。放送局5680から各家庭のTV5600に放送データを送信するとき、エンコーダによって放送データの圧縮が行われ、アンテナ5650が当該放送データを受信したとき、TV5600に含まれる受信装置のデコーダによって当該放送データの復元が行われる。人工知能を利用することによって、例えば、エンコーダの圧縮方法の一である動き補償予測において、表示画像に含まれる表示パターンの認識を行うことができる。また、人工知能を利用したフレーム内予測などを行うこともできる。また、例えば、解像度の低い放送データを受信して、解像度の高いTV5600で当該放送データの表示を行うとき、デコーダによる放送データの復元において、アップコンバートなどの画像の補間処理を行うことができる。 The broadcast system described above may be a broadcast system using artificial intelligence by applying the computer of one embodiment of the present invention. When broadcast data is transmitted from the broadcast station 5680 to the TV 5600 of each home, compression of the broadcast data is performed by the encoder, and when the antenna 5650 receives the broadcast data, the decoder of the receiving apparatus included in the TV 5600 Restoration is performed. By utilizing artificial intelligence, for example, in motion compensation prediction which is one of compression methods of an encoder, it is possible to recognize a display pattern included in a display image. In addition, intra-frame prediction using artificial intelligence can also be performed. In addition, for example, when broadcast data with low resolution is received and the broadcast data is displayed by the TV 5600 with high resolution, image interpolation processing such as up conversion can be performed in restoration of broadcast data by the decoder.

上述した人工知能を利用した放送システムは、放送データの量が増大する超高精細度テレビジョン(UHDTV:4K、8K)放送に対して好適である。 The above-described broadcast system using artificial intelligence is suitable for ultra high definition television (UHDTV: 4K, 8K) broadcast where the amount of broadcast data is increased.

また、TV5600側における人工知能の応用として、例えば、TV5600に人工知能を有する録画装置を設けてもよい。このような構成にすることによって、当該録画装置にユーザの好みを人工知能に学習させることで、ユーザの好みにあった番組を自動的に録画することができる。 In addition, as an application of artificial intelligence on the TV 5600 side, for example, the TV 5600 may be provided with a recording device having artificial intelligence. With such a configuration, it is possible to automatically record a program according to the user's preference by making the recording device learn the user's preference to the artificial intelligence.

<並列計算機>
本発明の一態様のコンピュータを複数用いてクラスターを組むことで、並列計算機を構成することができる。
<Parallel computer>
A parallel computer can be configured by clustering a plurality of computers of one embodiment of the present invention.

図15(A)には、大型の並列計算機5400が図示されている。並列計算機5400には、ラック5410にラックマウント型の計算機5420が複数格納されている。 A large parallel computer 5400 is illustrated in FIG. In the parallel computer 5400, a plurality of rack mount computers 5420 are stored in the rack 5410.

計算機5420は、例えば、図15(B)に示す斜視図の構成とすることができる。図15(B)において、計算機5420は、マザーボード5430を有し、マザーボードは、複数のスロット5431、複数の接続端子5432、複数の接続端子5433を有する。スロット5431には、PCカード5421が挿されている。加えて、PCカード5421は、接続端子5423、接続端子5424、接続端子5425を有し、それぞれ、マザーボード5430に接続されている。 The calculator 5420 can have, for example, a configuration of a perspective view shown in FIG. In FIG. 15B, a calculator 5420 has a mother board 5430, and the mother board has a plurality of slots 5431, a plurality of connection terminals 5432, and a plurality of connection terminals 5433. The PC card 5421 is inserted in the slot 5431. In addition, the PC card 5421 has a connection terminal 5423, a connection terminal 5424, and a connection terminal 5425, which are connected to the mother board 5430, respectively.

PCカード5421は、実施の形態1で説明した、CPU、GPU、記憶装置などを備えた処理ボードである。例えば、図15(C)では、PCカード5421が、ボード5422を有し、ボード5422が、接続端子5423、接続端子5424、接続端子5425と、チップ5426と、チップ5427と、接続端子5428と、を有する構成を示している。なお、図15(C)には、チップ5426、及びチップ5427以外のチップを図示しているが、それらのチップについては、以下に記載するチップ5426、及びチップ5427の説明を参酌する。 The PC card 5421 is the processing board provided with the CPU, the GPU, the storage device, and the like described in the first embodiment. For example, in FIG. 15C, the PC card 5421 has a board 5422, and the board 5422 includes a connection terminal 5423, a connection terminal 5424, a connection terminal 5425, a chip 5426, a chip 5427, a connection terminal 5428, Shows a configuration having Note that FIG. 15C illustrates a chip other than the chip 5426 and the chip 5427, but the description of the chips 5426 and 5427 described below is referred to for those chips.

接続端子5428は、マザーボード5430のスロット5431に挿すことができる形状を有しており、接続端子5428は、PCカード5421とマザーボード5430とを接続するためのインターフェースとして機能する。接続端子5428の規格としては、例えば、PCIeなどが挙げられる。 The connection terminal 5428 has a shape that can be inserted into the slot 5431 of the motherboard 5430, and the connection terminal 5428 functions as an interface for connecting the PC card 5421 and the motherboard 5430. Examples of the standard of the connection terminal 5428 include PCIe and the like.

接続端子5423、接続端子5424、接続端子5425は、例えば、PCカード5421に対して電力供給、信号入力などを行うためのインターフェースとすることができる。また、例えば、PCカード5421によって計算された信号の出力などを行うためのインターフェースとすることができる。接続端子5423、接続端子5424、接続端子5425のそれぞれの規格としては、例えば、USB(Universal Serial Bus)、SATA(Serial ATA)、SCSI(Small Computer System Interface)などが挙げられる。また、接続端子5423、接続端子5424、接続端子5425から映像信号を出力する場合、それぞれの規格としては、HDMI(登録商標)などが挙げられる。 The connection terminal 5423, the connection terminal 5424, and the connection terminal 5425 can be, for example, an interface for supplying power, inputting a signal, or the like to the PC card 5421. Also, for example, an interface for outputting a signal calculated by the PC card 5421 can be used. Examples of the respective standards of the connection terminal 5423, the connection terminal 5424, and the connection terminal 5425 include Universal Serial Bus (USB), Serial ATA (SATA), and Small Computer System Interface (SCSI). Further, in the case of outputting a video signal from the connection terminal 5423, the connection terminal 5424, and the connection terminal 5425, examples of the respective standards include HDMI (registered trademark).

チップ5426は、信号の入出力を行う端子(図示しない。)を有しており、当該端子をPCカード5421が備えるソケット(図示しない。)に対して差し込むことで、チップ5426とPCカード5421とを電気的に接続することができる。チップ5426としては、例えば、上記実施の形態で説明したGPUとすることができる。 The chip 5426 has a terminal (not shown) for inputting and outputting signals, and the chip 5426 and the PC card 5421 can be inserted by inserting the terminal into a socket (not shown) of the PC card 5421. Can be connected electrically. The chip 5426 can be, for example, the GPU described in the above embodiment.

チップ5427は、複数の端子を有しており、当該端子をPCカード5421が備える配線に対して、例えば、リフロー方式のはんだ付けを行うことで、チップ5427とPCカード5421とを電気的に接続することができる。チップ5427としては、例えば、記憶装置、FPGA(Field Programmable Gate Array)、CPUなどが挙げられる。 The chip 5427 has a plurality of terminals, and the terminals are electrically connected to the PC card 5421 by, for example, performing reflow soldering to the wiring of the PC card 5421. can do. As the chip 5427, for example, a memory device, a field programmable gate array (FPGA), a CPU, or the like can be given.

本発明の一態様のコンピュータを、図15(A)に示す並列計算機5400の計算機5420に適用することで、例えば、人工知能の学習、及び推論に必要な大規模の計算を行うことができる。 By applying the computer of one embodiment of the present invention to the computer 5420 of the parallel computer 5400 illustrated in FIG. 15A, large-scale calculations necessary for, for example, learning and reasoning of artificial intelligence can be performed.

<サーバ、及びサーバを含むシステム>
本発明の一態様のコンピュータは、例えば、ネットワーク上で機能するサーバに適用することができる。また、これにより当該サーバを含むシステムを構成することができる。
<Server and System Including Server>
The computer of one embodiment of the present invention can be applied to, for example, a server that functions over a network. Moreover, thereby, the system containing the said server can be comprised.

図16(A)は、一例として、本発明の一態様のコンピュータを適用したサーバ5100と、上記で説明した情報端末5500、及びデスクトップ型情報端末5300と、の間で通信を行う様子を模式的に示している。なお、図16(A)では、通信を行う様子として、通信5110を図示している。 FIG. 16A schematically shows, as an example, communication between server 5100 to which the computer of one embodiment of the present invention is applied, and information terminal 5500 and desktop information terminal 5300 described above. Is shown. In FIG. 16A, the communication 5110 is illustrated as the communication is performed.

このような形態を構成することにより、ユーザは、情報端末5500、デスクトップ型情報端末5300などからサーバ5100に対してアクセスすることができる。そして、ユーザは、インターネットを介した通信5110によって、サーバ5100の管理者が提供するサービスを受けることができる。当該サービスとしては、例えば、電子メール、SNS(Social Networking Service)、オンラインソフトウェア、クラウドストレージ、ナビゲーションシステム、翻訳システム、インターネットゲーム、オンラインショッピング、株・為替・債権などの金融取引、公共施設・商業施設・宿泊施設・病院などの予約、インターネット番組・講演・講義などの動画の視聴などが挙げられる。 By configuring such a form, the user can access the server 5100 from the information terminal 5500, the desktop information terminal 5300, and the like. Then, the user can receive the service provided by the administrator of the server 5100 through the communication 5110 via the Internet. Such services include, for example, electronic mail, social networking services (SNS), online software, cloud storage, navigation systems, translation systems, internet games, online shopping, financial transactions such as stocks / forex / credits, public facilities / commercial facilities・ Reservation of accommodation facilities and hospitals, watching of videos such as Internet programs, lectures and lectures, etc.

特に、本発明の一態様のコンピュータをサーバ5100に適用することによって、上述したサービスにおいて、人工知能を利用することができる場合がある。例えば、ナビゲーションシステムに人工知能を導入することによって、当該システムは、道路の混雑状況、電車の運行情報などに応じて臨機応変に目的地まで案内することができる場合がある。また、例えば、翻訳システムに人工知能を導入することによって、当該システムは、方言・スラングなど独特の言い回しを適切に翻訳することができる場合がある。また、例えば、病院などの予約のシステムに人工知能を利用することによって、当該システムは、ユーザの症状・怪我の度合いなどから判断して適切な病院・診察所などを紹介することができる場合がある。 In particular, by applying the computer of one embodiment of the present invention to the server 5100, artificial intelligence may be able to be used in the above-described service. For example, by introducing artificial intelligence to a navigation system, the system may be able to adaptively guide to a destination according to the congestion of roads, train operation information, and the like. Also, for example, by introducing artificial intelligence into a translation system, the system may be able to appropriately translate unique expressions such as dialects and slang. In addition, for example, by using artificial intelligence for a reservation system such as a hospital, the system may be able to introduce an appropriate hospital, a doctor's office, etc. judging from the user's symptoms and degree of injury etc. is there.

また、ユーザが人工知能の開発を行いたい場合、インターネットを介してサーバ5100にアクセスして、サーバ5100上で当該開発を行うことができる。これは、ユーザの手元にある情報端末5500、デスクトップ型情報端末5300などでは処理能力が足りない場合、情報端末5500、デスクトップ型情報端末5300などで開発環境を構築できない場合などに好適である。 When the user wants to develop artificial intelligence, the server 5100 can be accessed via the Internet, and the development can be performed on the server 5100. This is suitable when, for example, the information terminal 5500 and the desktop information terminal 5300 at hand of the user do not have sufficient processing capability, and the development terminal can not be constructed with the information terminal 5500 and the desktop information terminal 5300.

図16(A)では、サーバを含むシステムとして、情報端末とサーバ5100とによって構成されるシステムの一例を示しているが、別の一例として、情報端末以外の電子機器とサーバ5100とによって構成されるシステムであってもよい。つまり、電子機器をインターネットに接続したIoT(Internet of Things)の形態としてもよい。 16A shows an example of a system including an information terminal and a server 5100 as a system including a server, but as another example, the system includes an electronic device other than the information terminal and the server 5100 System may be used. That is, the electronic device may be connected to the Internet in the form of Internet of Things (IoT).

図16(B)は、一例として、図14で説明した電子機器(電気冷凍冷蔵庫5800、携帯ゲーム機5200、自動車5700、TV5600)とサーバ5100との間で通信を行う様子を模式的に示している。なお、図16(B)では、通信を行う様子として、通信5110を図示している。 16B schematically shows, as an example, communication between the electronic device (electric refrigerator-freezer 5800, portable game machine 5200, car 5700, TV 5600) described in FIG. 14 and the server 5100. There is. In FIG. 16B, the communication 5110 is illustrated as the communication is performed.

図14で説明したそれぞれの電子機器に人工知能を適用する場合、図16(B)に示すとおり、当該人工知能を動作するために必要な演算をサーバ5100で実行することができる。例えば、演算に必要な入力データが、通信5110によって、それぞれの電子機器の一からサーバ5100に送信されることで、サーバ5100が有する人工知能によって当該入力データを基に出力データが算出され、当該出力データは通信5110によってサーバ5100から電子機器の一に送信される。これにより、電子機器の一は、人工知能が出力したデータに基づいた動作を行うことができる。 When artificial intelligence is applied to each of the electronic devices described with reference to FIG. 14, as shown in FIG. 16B, the server 5100 can execute calculations required to operate the artificial intelligence. For example, input data required for calculation is transmitted from one of the electronic devices to the server 5100 by the communication 5110, and artificial intelligence of the server 5100 is used to calculate output data based on the input data. The output data is transmitted from the server 5100 to one of the electronic devices by the communication 5110. Thus, one of the electronic devices can perform an operation based on the data output from the artificial intelligence.

図16(B)に示す電子機器は一例であり、図16(B)に図示していない電子機器をサーバ5100に接続して、上述と同様に、相互に通信を行う構成としてもよい。 The electronic device illustrated in FIG. 16B is an example, and an electronic device not illustrated in FIG. 16B may be connected to the server 5100 to perform communication with each other as described above.

本実施の形態で説明した電子機器、その電子機器の機能、人工知能の応用例、その効果などは、他の電子機器の記載と適宜組み合わせることができる。 The electronic device described in this embodiment, the function of the electronic device, the application example of artificial intelligence, the effect thereof, and the like can be combined with the description of other electronic devices as appropriate.

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 the description of the other embodiments as appropriate.

10 集積回路
11 ソースドライバ
12 ゲートドライバ
13 インプットバッファ
50 コンピュータ
51 処理部
52 記憶部
53 演算部
54 入力部
55 出力部
56 伝送路
100 容量素子
103 処理部
110 導電体
112 導電体
120 導電体
130 絶縁体
150 絶縁体
200 トランジスタ
203 導電体
203a 導電体
203b 導電体
210 絶縁体
212 絶縁体
214 絶縁体
216 絶縁体
218 導電体
220 絶縁体
222 絶縁体
224 絶縁体
230 酸化物
230a 酸化物
230b 酸化物
230c 酸化物
234 領域
240a 導電体
240b 導電体
242 導電体
242a 導電体
242b 導電体
243 領域
243a 領域
243b 領域
244 絶縁体
246 導電体
248 導電体
250 絶縁体
260 導電体
260a 導電体
260b 導電体
274 絶縁体
280 絶縁体
281 絶縁体
282 絶縁体
286 絶縁体
300 トランジスタ
311 基板
313 半導体領域
314a 低抵抗領域
314b 低抵抗領域
315 絶縁体
316 導電体
320 絶縁体
322 絶縁体
324 絶縁体
326 絶縁体
328 導電体
330 導電体
350 絶縁体
352 絶縁体
354 絶縁体
356 導電体
360 絶縁体
362 絶縁体
364 絶縁体
366 導電体
370 絶縁体
372 絶縁体
374 絶縁体
376 導電体
380 絶縁体
382 絶縁体
384 絶縁体
386 導電体
1001 配線
1002 配線
1003 配線
1004 配線
1005 配線
1006 配線
5100 サーバ
5110 通信
5200 携帯ゲーム機
5201 筐体
5202 表示部
5203 ボタン
5300 デスクトップ型情報端末
5301 本体
5302 ディスプレイ
5303 キーボード
5400 並列計算機
5410 ラック
5420 計算機
5421 PCカード
5422 ボード
5423 接続端子
5424 接続端子
5425 接続端子
5426 チップ
5427 チップ
5428 接続端子
5430 マザーボード
5431 スロット
5432 接続端子
5433 接続端子
5500 情報端末
5510 筐体
5511 表示部
5600 TV
5650 アンテナ
5670 電波塔
5675A 電波
5675B 電波
5680 放送局
5700 自動車
5701 表示パネル
5702 表示パネル
5703 表示パネル
5704 表示パネル
5800 電気冷凍冷蔵庫
5801 筐体
5802 冷蔵室用扉
5803 冷凍室用扉
DESCRIPTION OF REFERENCE NUMERALS 10 integrated circuit 11 source driver 12 gate driver 13 input buffer 50 computer 51 processing unit 52 storage unit 53 computing unit 54 input unit 55 output unit 56 transmission path 100 capacitive element 103 processing unit 110 conductor 112 conductor 120 conductor 130 insulator 130 insulator 150 insulator 200 transistor 203 conductor 203a conductor 203b conductor 210 insulator 212 insulator 214 insulator 216 insulator 218 conductor 220 insulator 222 insulator 224 insulator 230 oxide 230a oxide 230b oxide 230c oxide 234 region 240 a conductor 240 b conductor 242 conductor 242 a conductor 242 b conductor 243 region 243 a region 243 b region 244 insulator 246 conductor 248 conductor 250 insulator 260 conductor 260 a conductor 260 b Conductor 274 insulator 280 insulator 281 insulator 282 insulator 286 insulator 300 transistor 311 substrate 313 semiconductor region 314 a low resistance region 314 b low resistance region 315 insulator 316 conductor 320 insulator 322 insulator 324 insulator 326 insulator 328 conductor 330 conductor 350 insulator 352 insulator 354 insulator 356 conductor 360 insulator 362 insulator 364 insulator 366 conductor 370 insulator 372 insulator 376 insulator 380 conductor 382 insulator 382 insulator 384 insulator Body 386 Conductor 1001 Wiring 1002 Wiring 1003 Wiring 1005 Wiring 1005 Wiring 1005 Wiring 5100 Server 5110 Communication 5200 Mobile game machine 5201 Housing 5202 Display 5203 Button 5300 Desktop information terminal 5301 Main unit 5302 display 5303 keyboard 5400 parallel computer 5410 rack 5420 computer 5421 PC card 5422 connection terminal 5424 connection terminal 5425 connection terminal 5426 chip 5427 chip 5428 connection terminal 5430 motherboard 5431 slot 5432 connection terminal 5433 connection terminal 5500 information terminal 5510 housing 5511 display Part 5600 TV
5650 antenna 5670 radio wave tower 5675A radio wave 5675B radio wave 5680 broadcasting station 5700 display panel 5702 display panel 5703 display panel 5704 display panel 5800 electric refrigerator-freezer 5801 housing 5802 refrigerator compartment door 5803 refrigerator compartment door

Claims (5)

第1の演算回路と、第2の演算回路と、を有し、
前記第1の演算回路は、第1のトランジスタを有する第1の積和演算回路と、第1の階層出力回路と、を有し、
前記第2の演算回路は、第2のトランジスタを有する第2の積和演算回路と、第2の階層出力回路と、を有し、
前記第1のトランジスタのチャネル長方向と、前記第2のトランジスタのチャネル長方向は平行であり、
前記第1の積和演算回路及び前記第2の積和演算回路は、第1のデータと第2のデータの積和演算の結果に対応する、第3のデータを出力する機能を有し、
前記第1の階層出力回路及び前記第2の階層出力回路は、前記第3のデータを活性化関数に基づいて変換し、アナログデータまたは多値のデジタルデータを出力する機能を有し、
前記第2の積和演算回路には、前記第1の階層出力回路から出力されたアナログデータまたは多値のデジタルデータが入力される集積回路。
A first arithmetic circuit and a second arithmetic circuit,
The first arithmetic circuit includes a first product-sum arithmetic circuit having a first transistor, and a first hierarchical output circuit.
The second arithmetic circuit includes a second product-sum arithmetic circuit having a second transistor, and a second hierarchical output circuit.
The channel length direction of the first transistor and the channel length direction of the second transistor are parallel,
The first product-sum operation circuit and the second product-sum operation circuit have a function of outputting third data corresponding to the result of the product-sum operation of the first data and the second data,
The first hierarchical output circuit and the second hierarchical output circuit have a function of converting the third data based on an activation function and outputting analog data or multilevel digital data.
An integrated circuit to which analog data or multilevel digital data output from the first layer output circuit is input to the second product-sum operation circuit.
請求項1において、
前記第1のトランジスタのチャネル幅方向と、前記第2のトランジスタのチャネル幅方向は平行である集積回路。
In claim 1,
The integrated circuit in which the channel width direction of the first transistor and the channel width direction of the second transistor are parallel.
請求項1または請求項2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、チャネル形成領域に金属酸化物を含む集積回路。
In claim 1 or claim 2,
An integrated circuit in which the first transistor and the second transistor include a metal oxide in a channel formation region.
請求項1乃至3のいずれか一項に記載の集積回路を有する演算部と、処理部と、記憶部と、を有するコンピュータ。   A computer comprising: an operation unit having the integrated circuit according to any one of claims 1 to 3; a processing unit; and a storage unit. 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の集積回路、又は請求項4に記載のコンピュータを有する電子機器。   An electronic device comprising the integrated circuit according to any one of claims 1 to 4 or the computer according to claim 4.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2022229789A1 (en) * 2021-04-30 2022-11-03 株式会社半導体エネルギー研究所 Semiconductor device, display device, and electronic device
WO2023139990A1 (en) * 2022-01-24 2023-07-27 LeapMind株式会社 Neural network circuit and neural network computation method

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