JP2019088012A - 半導体装置の動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アプリケーションの処理速度を高めることができ、低消費電力化を実現することができる、ＰＬＤを用いた半導体装置。【解決手段】プログラマブルロジックデバイスと、動的な再構成が行われないプロセッサとを有し、プログラマブルロジックデバイスのメモリエレメントには、スレッドに対応したコンフィギュレーションデータのうち、メモリモジュールにより使用頻度が高いと判断されたコンフィギュレーションデータが複数格納され、上記メモリエレメントは、記憶素子と、格納された複数の上記コンフィギュレーションデータによって定められた量の電荷を上記記憶素子に供給、保持、放出するためのスイッチとを、複数のメモリセルにそれぞれ有する半導体装置。【選択図】図１

Description

本発明は、ハードウェアの構成を変更することができるプログラマブルロジックデバイス
を有する、半導体装置に関する。

ＰＤＡやスマートフォンなどのモバイル情報端末は、小型化、軽量化に対するユーザーニ
ーズが強いため、筐体内の限られた容積の中に内蔵できるハードウェアの規模に限りがあ
る。しかし、動画の再生、オンラインゲーム、音声認識、小型カメラによる画像の取り込
みなど、モバイル情報端末には多くの機能が要求されているため、上記ハードウェアを用
いて複数のアプリケーションプログラム（以下、アプリケーションと呼ぶ）を実行する必
要がある。実行するアプリケーションの数が多いほど、また、ハードウェアの規模が小さ
いほど、緩衝記憶装置に十分な記憶領域を確保することができなくなるため、データの転
送速度が律速となり、スレッドの実行、延いてはアプリケーションの実行に要する時間を
、短縮化することが困難になる。

そこで、一つの解決策として、ハードウェアの一部をプログラマブルロジックデバイス（
ＰＬＤ：Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）とし、アプリケーショ
ンで実行される複数のスレッドの一部を、上記ＰＬＤにてハードウェア的に実行する技術
が提案されている。ＰＬＤは、適当な規模のロジックエレメント（基本ブロック）の機能
や、ロジックエレメント間の接続構造を、製造後において変更することで、所望の論理回
路を構成できることを特徴とする。上記技術を用いることで、アプリケーションで実行さ
れるスレッドの数を減らし、ハードウェアの規模に限りがある場合においても、アプリケ
ーションの処理速度を高めることが可能となる。

下記の特許文献１では、同一の処理を実現する複数のハードウェアモジュールを蓄積手段
に格納し、部分的書き換えを行うときに、プログラマブル論理回路の構成可能領域に適合
するハードウェアモジュールを優先的に使用することで、処理時間を短縮化する、情報処
理システムについて記載されている。

特開２０００−２５２８１４号公報

ＰＬＤは、各ロジックエレメントの機能やロジックエレメント間の接続構造についてのデ
ータ（コンフィギュレーションデータ）を格納するための記憶装置（メモリエレメント）
を、有する。そして、ＰＬＤを一部に有するハードウェアでは、アプリケーションで使用
するＰＬＤのコンフィギュレーションデータを、アプリケーションの実行の際に、アプリ
ケーションと共に、メインメモリ、キャッシュ、または外部記憶装置などから、上記メモ
リエレメントに転送する必要がある。

コンフィギュレーションデータの転送は、ハードウェアが有する、動的な再構成が行われ
ずに回路構成が固定であるプロセッサによって実行されるか、ＤＭＡＣ（Ｄｉｒｅｃｔ
Ｍｅｍｏｒｙ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）により実行される。しかし、プロ
セッサによりコンフィギュレーションデータを転送する場合、プロセッサにおいて実行さ
れる各種の処理を中断せざるを得ない。また、ＤＭＡＣによりコンフィギュレーションデ
ータを転送する場合も、プロセッサの処理に必要な他のデータの転送に対して割り込みを
行うことになるので、プロセッサの処理が遅延する。

また、メモリエレメントには、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭなどの記憶装置が一般
的に用いられている。しかし、ＳＲＡＭは、トランジスタのオフ電流により、動作時のみ
ならず非動作時にも少なからず電力が消費され、ＤＲＡＭはリフレッシュにより電力が消
費されるため、メモリエレメントにおける消費電力を小さく抑えることが難しい。そして
、ＳＲＡＭやＤＲＡＭは電源電圧が途絶えるとデータが保持できないため、例えばノーマ
リオフコンピューティングのような低消費電力化を目的とした駆動には対応できない。ま
た、ＥＥＰＲＯＭは不揮発性であるが、データの書き込み速度が遅いためにＰＬＤのコン
フィギュレーションに要する時間を短縮化することが難しく、そのことが、アプリケーシ
ョンの高速処理を阻む一因となる。

上述したような技術的背景のもと、本発明の一態様は、アプリケーションの処理速度を高
めることができる、ＰＬＤを用いた半導体装置の提供を、課題の一つとする。また、本発
明の一態様は、アプリケーションの処理速度を高めることができ、低消費電力化を実現す
ることができる、ＰＬＤを用いた半導体装置の提供を、課題の一つとする。

本発明の一態様では、メモリエレメントにおいて、各メモリセルが、記憶素子と、上記記
憶素子にコンフィギュレーションデータによって定められた量の電荷を、供給、保持、放
出するためのスイッチとを有することを特徴とする。さらに、本発明の一態様では、オフ
電流の小さいトランジスタで、上記スイッチを構成する。上記トランジスタは、シリコン
よりもバンドギャップが広く、真性キャリア密度がシリコンよりも低い半導体を、チャネ
ル形成領域に含んでいる。このような半導体としては、例えば、シリコンの２倍以上の大
きなバンドギャップを有する、酸化物半導体、炭化シリコン、窒化ガリウム、酸化ガリウ
ムなどが挙げられる。上記半導体を有するトランジスタは、通常のシリコンやゲルマニウ
ムなどの半導体で形成されたトランジスタに比べて、オフ電流を極めて小さくすることが
できる。よって、上記構成を有するトランジスタを、記憶素子に流入した電荷を保持する
ためのスイッチとして用いることで、記憶素子からの電荷のリークを防ぐことができる。

よって、上記構成を有するメモリエレメントは、ＳＲＡＭのようにトランジスタのオフ電
流により電力が消費されることがなく、ＤＲＡＭよりもリフレッシュの頻度を削減するこ
とで、リフレッシュによる消費電力を大幅に削減することができる。また、データの書き
込みに要する時間をＥＥＰＲＯＭよりも短くすることができるので、ＰＬＤのコンフィギ
ュレーションに要する時間を短縮化し、アプリケーションの高速処理を実現することがで
きる。

また、本発明の一態様に係る半導体装置は、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）
に加えて、動的な再構成（リコンフィギュレーション）が行われないプロセッサを有する
。そして、アプリケーションが有する複数のスレッドのうち、少なくとも一つのスレッド
をＰＬＤで構成された論理回路において実行し、残りのスレッドを、プロセッサを用いて
実行するものとする。

そして、本発明の一態様では、メモリエレメントが複数のコンフィギュレーションデータ
を格納することができる記憶領域を有し、当該記憶領域へのコンフィギュレーションデー
タの書き込みは、ＰＬＤが有するメモリモジュールにより管理される。具体的に、メモリ
モジュールは、メモリエレメントに格納されたコンフィギュレーションデータの識別を行
う機能と、識別されたコンフィギュレーションデータごとに、当該コンフィギュレーショ
ンデータがロジックエレメントに書き込まれた回数をカウントする機能とを、有する。ま
た、ＰＬＤは、コンフィギュレーションデータの識別子と、識別子ごとにカウントされた
書き込み回数とを記憶するための記憶装置を有する。

上記構成を有するメモリモジュールにより、ロジックエレメントに書き込まれた回数が多
いコンフィギュレーションデータを、優先的にメモリエレメントに記憶させることができ
る。よって、本発明の一態様では、使用頻度が高いと見込まれるコンフィギュレーション
データをメモリエレメントに格納させておくことで、使用頻度の高いアプリケーションの
実行に要する時間を短くすることができる。また、メインメモリ、緩衝記憶装置、外部記
憶装置などからメモリエレメントに転送するデータ量を抑えることができ、それにより、
複数のアプリケーションを実行させても、データ転送が律速となってプロセッサの処理が
遅延するのを、防ぐことができる。

具体的に、本発明の一態様に係る半導体装置は、複数のアプリケーションプログラム、及
び複数の上記アプリケーションプログラムにそれぞれ関連づけられた複数のコンフィギュ
レーションデータが記憶された記憶装置と、複数の上記アプリケーションプログラムがそ
れぞれ有する第１スレッドを実行する機能を有するプロセッサと、プログラマブルロジッ
クデバイスと、を有し、上記プログラマブルロジックデバイスは、メモリモジュールと、
複数の上記コンフィギュレーションデータのうち、上記メモリモジュールにより選択され
た複数のコンフィギュレーションデータを格納できるメモリエレメントと、上記メモリエ
レメントに格納された複数の上記コンフィギュレーションデータに従って論理回路の定義
が行われ、なおかつ、上記複数の上記アプリケーションプログラムがそれぞれ有する第２
スレッドを上記論理回路おいて実行する複数のロジックエレメントと、を有し、上記メモ
リモジュールは、上記ロジックエレメントにおいて上記論理回路の定義が行われるのに用
いられた回数を、上記コンフィギュレーションデータごとにカウントする機能と、上記回
数を用いて、複数の上記コンフィギュレーションデータの選択を行う機能と、を有し、上
記メモリエレメントは、記憶素子と、格納された複数の上記コンフィギュレーションデー
タによって定められた量の電荷を上記記憶素子に供給、保持、放出するためのスイッチと
を、複数のメモリセルにそれぞれ有する。

本発明の一態様により、アプリケーションの処理速度を高めることができる、ＰＬＤを用
いた半導体装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、アプリケーショ
ンの処理速度を高めることができ、低消費電力化を実現することができる、ＰＬＤを用い
た半導体装置を提供することができる。

半導体装置の構成を示す図。 半導体装置の動作を示すフローチャート。 メモリモジュールの構成を示す図。 記憶装置のデータ構造を示す図。 複数のスレッドと、プロセッサまたはＰＬＤとの関係を模式的に示す図。 メモリセルの構造と、トランジスタの構造を示す図。 メモリセルの回路図。 メモリエレメントの構成を示すブロック図。 メモリセル、センスアンプ、プリチャージ回路、スイッチ回路、及びメインアンプの接続構造を示す図。 プロセッサの構成を示す図。 ロジックエレメントの構成を示す図。 ルックアップテーブルの回路図。 ロジックアレイとスイッチの構成を示す図。 電子機器の図。

以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は
以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び
詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明
は、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

なお、本発明の半導体装置は、マイクロプロセッサ、画像処理回路、半導体表示装置用の
コントローラ、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、マイク
ロコントローラなどの、半導体素子を用いた各種半導体集積回路をその範疇に含む。また
、本発明の半導体装置は、上記半導体集積回路を用いたＲＦタグ、半導体表示装置などの
各種装置も、その範疇に含む。半導体表示装置には、液晶表示装置、有機発光素子（ＯＬ
ＥＤ）に代表される発光素子を各画素に備えた発光装置、電子ペーパー、ＤＭＤ（Ｄｉｇ
ｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐ
ｌａｙ Ｐａｎｅｌ）、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）等や
、半導体素子を駆動回路に有しているその他の半導体表示装置が、その範疇に含まれる。

（実施の形態１）
図１に、本発明の一態様に係る半導体装置１００の構成を、ブロック図で例示する。なお
、本明細書のブロック図では、回路を機能ごとに分類し、互いに独立したブロックとして
示しているが、実際の回路は機能ごとに完全に切り分けることが難しく、一つの回路が複
数の機能に係わることもあり得る。

図１に示す半導体装置１００は、プロセッサ１０１と、ＰＬＤ１０２と、記憶装置１０３
とを有する。プロセッサ１０１は、その回路構成が固定されており、動的な再構成は行わ
れない。ＰＬＤ１０２は、その回路構成が固定されておらず、動的な再構成が行われうる
。

また、記憶装置１０３は、不揮発性であり、プロセッサ１０１で実行される複数のアプリ
ケーション１０４と、複数のアプリケーション１０４にそれぞれ関連づけられた、複数の
コンフィギュレーションデータ１０５とが記憶されている。記憶装置１０３として、例え
ばフラッシュメモリ、ハードディスクなどの外部記憶装置（補助記憶装置とも呼ばれる）
を用いることができる。

プロセッサ１０１は、記憶装置１０３に記憶されているアプリケーション１０４を読み込
み、当該アプリケーション１０４を実行する。具体的に、アプリケーション１０４には単
数または複数のスレッドが含まれており、プロセッサ１０１は、上記スレッドに含まれる
命令をデコードして実行することで、アプリケーション１０４を実行する。そして、プロ
セッサ１０１は、アプリケーション１０４に含まれる単数または複数のスレッドのうち、
いずれか一つまたは複数のスレッドの実行を、ＰＬＤ１０２に要求することができる。

ＰＬＤ１０２は、複数のＬＥ（ロジックエレメント）１０６を有するロジックアレイ１０
７と、メモリエレメント１０８と、メモリモジュール１０９とを有する。メモリエレメン
ト１０８は、記憶装置１０３に記憶されている複数のコンフィギュレーションデータ１０
５のうち、メモリモジュール１０９により選択された複数のコンフィギュレーションデー
タ１０５を、格納することができる。

ロジックアレイ１０７が有する各ＬＥ１０６は、メモリエレメント１０８に格納されたコ
ンフィギュレーションデータ１０５に従って、論理回路の定義が行われる論理素子である
。すなわち、各ＬＥ１０６は、コンフィギュレーションデータ１０５に従って、実行され
る論理演算、すなわち入力値に対する出力値の組み合わせが定義される論理素子であると
いえる。コンフィギュレーションデータ１０５により、各ＬＥ１０６で行われる論理演算
が定義されることで、ロジックアレイ１０７において構成される論理回路の定義（コンフ
ィギュレーションとも呼ばれる）がなされる。

ＰＬＤ１０２にプロセッサ１０１からスレッドの実行が要求されると、ロジックアレイ１
０７では、メモリエレメント１０８に格納されている、当該スレッドに対応したコンフィ
ギュレーションデータ１０５に従って、論理回路の定義が行われる。スレッドに対応した
コンフィギュレーションデータ１０５がメモリエレメント１０８に格納されていない場合
、ＤＭＡ転送を用いて、或いはプロセッサ１０１を介して、記憶装置１０３からコンフィ
ギュレーションデータ１０５をメモリエレメント１０８に転送しておく。なお、メインメ
モリや緩衝記憶装置などのプロセッサ１０１が有する記憶装置に、スレッドに対応したコ
ンフィギュレーションデータ１０５が格納されている場合、プロセッサ１０１が有する上
記記憶装置から、コンフィギュレーションデータ１０５をメモリエレメント１０８に転送
しておく。プロセッサ１０１は、ＰＬＤ１０２において当該スレッドが実行されることで
得られたデータを用い、アプリケーション１０４の実行を行うことができる。

メモリモジュール１０９は、メモリエレメント１０８が有する記憶領域への、コンフィギ
ュレーションデータ１０５の書き込みを管理する機能を有する。具体的に、メモリモジュ
ール１０９は、メモリエレメント１０８に格納されたコンフィギュレーションデータ１０
５の識別を行う機能と、識別されたコンフィギュレーションデータ１０５ごとに、当該コ
ンフィギュレーションデータ１０５がロジックアレイ１０７に書き込まれた回数をカウン
トする機能とを、有する。

コンフィギュレーションデータ１０５の識別は、コンフィギュレーションデータ１０５に
含まれる識別子を用いて行うことができる。そして、ＰＬＤ１０２は、コンフィギュレー
ションデータ１０５の識別子と、識別子ごとに調べたコンフィギュレーションデータ１０
５の使用状況に関する情報とを、管理情報として記憶する機能を有する。使用状況に関す
る情報として、例えば、カウントされた書き込み回数、最後にロジックアレイ１０７に書
き込まれた時間などのデータを用いることができる。さらに、コンフィギュレーションデ
ータのデータ量などを、管理情報として用いても良い。

例えば、ロジックアレイ１０７に書き込まれた回数が多いコンフィギュレーションデータ
１０５は、使用頻度が高いと見込まれるため、次にロジックアレイ１０７に書き込まれる
までの期間が短いと予測される。そこで、本発明の一態様では、上記構成を有するメモリ
モジュール１０９により、使用頻度が高いと見込まれるコンフィギュレーションデータ１
０５を、優先的にメモリエレメント１０８に記憶させる。使用頻度が高いと見込まれるコ
ンフィギュレーションデータ１０５をメモリエレメント１０８に格納させておくことで、
使用頻度の高いアプリケーション１０４の実行に要する時間を短くすることができる。ま
た、記憶装置１０３から、ＤＭＡ転送を用いて、或いはプロセッサ１０１を介して、メモ
リエレメント１０８に転送するコンフィギュレーションデータ１０５のデータ量を、抑え
ることができる。それにより、複数のアプリケーション１０４を実行させても、データ転
送が律速となってプロセッサ１０１の処理が遅延するのを、防ぐことができる。

次いで、図１に示したメモリモジュール１０９の具体的な構成を、図３にブロック図とし
て例示する。図３に示すメモリモジュール１０９は、カウンタ１１０と、記憶装置１１１
と、ＤＭＡＣ１１２とを有する。カウンタ１１０は、コンフィギュレーションデータ１０
５がロジックアレイ１０７に書き込まれた回数を、コンフィギュレーションデータ１０５
の識別子ごとにカウントする機能を有する。記憶装置１１１は、コンフィギュレーション
データ１０５の識別子と、識別子ごとにカウントされたロジックアレイ１０７への書き込
み回数とを含む管理情報を、記憶する機能を有する。上述したように、最後にロジックア
レイ１０７に書き込まれた時間や、コンフィギュレーションデータのデータ量などが、管
理情報として記憶装置１１１に記憶させることも可能である。なお、最後にロジックアレ
イ１０７に書き込まれた時間を管理情報として取得する場合、プロセッサ１０１において
時間を計測し、その時間のデータをメモリモジュール１０９の記憶装置１１１に記憶させ
ておけば良い。

次いで、図２に示すフローチャートを用いて、ＰＬＤ１０２にプロセッサ１０１からスレ
ッドの実行が要求されてから、当該スレッドの実行が終了するまでの、ＰＬＤ１０２の動
作例について説明する。

図２に示すフローチャートでは、まず、プロセッサ１０１からＰＬＤ１０２に、スレッド
Ａの実行を要求する命令が送られる（Ａ０１：スレッドＡ実行の要求）。ＰＬＤ１０２で
は、メモリモジュール１０９が、スレッドＡに関連づけられたコンフィギュレーションデ
ータＡの識別子と、コンフィギュレーションデータＡの使用状況のデータとを含む管理情
報Ａを有するか否かが、判断される（Ａ０２：メモリモジュール１０９が管理情報Ａを有
する）。

メモリモジュール１０９が管理情報Ａを有する場合、過去にコンフィギュレーションデー
タＡが少なくとも一回はメモリエレメント１０８に書き込まれたことがある、ということ
を意味する。この場合、ＰＬＤ１０２では、メモリエレメント１０８に、コンフィギュレ
ーションデータＡが格納されているか否かが、判断される（Ａ０３：メモリエレメント１
０８にコンフィギュレーションデータＡが格納されている）。

メモリエレメント１０８に、コンフィギュレーションデータＡが格納されている場合、当
該コンフィギュレーションデータＡに従って、ロジックアレイ１０７において構成される
論理回路の定義がなされる（Ａ０４：コンフィギュレーションＡの実行）。

一方、メモリモジュール１０９が管理情報Ａを有さない場合、過去にコンフィギュレーシ
ョンデータＡがメモリエレメント１０８に書き込まれたことがない、ということを意味す
る。この場合、メモリモジュール１０９に格納されている管理情報に、管理情報Ａを追加
する（Ａ０５：メモリモジュール１０９への管理情報Ａの追加）。そして、管理情報Ａが
メモリモジュール１０９に追加されたら、メモリエレメント１０８に、コンフィギュレー
ションデータＡが格納できるだけの、空いている記憶領域があるか否かが、メモリモジュ
ール１０９において判断される（Ａ０６：メモリエレメント１０８に空いている記憶領域
がある）。

空いている記憶領域がある場合、コンフィギュレーションデータＡをメモリエレメント１
０８に格納する（Ａ０７：コンフィギュレーションデータＡのメモリエレメント１０８へ
の格納）。

空いている記憶領域がない場合、メモリモジュール１０９は、格納されている全ての管理
情報を用いて、既にメモリエレメント１０８に格納されているコンフィギュレーションデ
ータのうち、ロジックアレイ１０７に書き込まれた回数が少ない、すなわち上記回数の多
さで並べたときの順位が下位であるコンフィギュレーションデータＢを、選択する。そし
て、メモリエレメント１０８において、下位のコンフィギュレーションデータＢが格納さ
れている記憶領域を特定する（Ａ０８：下位のコンフィギュレーションデータＢの記憶領
域の特定）。

なお、使用頻度が低いと見込まれるコンフィギュレーションデータＢの選択に、いずれの
管理情報を用いるか、そして管理情報をどのように用いるのかは、設計者が適宜選ぶこと
ができる。例えば、ロジックアレイ１０７への書き込み回数が少ないコンフィギュレーシ
ョンデータほど、そして、ロジックアレイ１０７に書き込まれた時間が古いコンフィギュ
レーションデータほど、使用頻度が低いと見込まれるため、次にロジックアレイ１０７に
書き込まれるまでの期間が長いと予測される。よって、ロジックアレイ１０７への書き込
み回数が最も少ないコンフィギュレーションデータを、コンフィギュレーションデータＢ
として選択することができる。或いは、最後にロジックアレイ１０７に書き込まれた時間
が最も古いコンフィギュレーションデータを、コンフィギュレーションデータＢとして選
択することができる。或いは、ロジックアレイ１０７への書き込み回数が上位Ｍ番以降（
Ｍは、２以上の自然数）であり、なおかつ最後にロジックアレイ１０７に書き込まれた時
間が最も古いコンフィギュレーションデータを、コンフィギュレーションデータＢとして
選択することができる。

なお、データ量が小さいコンフィギュレーションデータであれば、再度メモリエレメント
１０８に転送する必要が生じても、転送するデータ量を抑えることができる。よって、ロ
ジックアレイ１０７への書き込み回数が上位Ｍ番以降であり、なおかつデータ量が最も小
さいコンフィギュレーションデータを、コンフィギュレーションデータＢとして選択する
ことで、転送するデータ量を抑えることができる。

下位のコンフィギュレーションデータＢが格納されている記憶領域を特定（Ａ０８：下位
のコンフィギュレーションデータＢの記憶領域の特定）したら、コンフィギュレーション
データＡをメモリエレメント１０８の上記記憶領域に格納する（Ａ０７：コンフィギュレ
ーションデータＡのメモリエレメント１０８への格納）。そして、当該コンフィギュレー
ションデータＡに従って、ロジックアレイ１０７において構成される論理回路の定義がな
される（Ａ０４：コンフィギュレーションＡの実行）。そして、定義された論理回路にお
いて、演算処理が行われることで、スレッドＡが実行される。

なお、ロジックアレイ１０７において構成される論理回路の定義がなされたら（Ａ０４：
コンフィギュレーションＡの実行）、メモリモジュール１０９において、管理情報Ａを更
新する（Ａ０９：メモリモジュール１０９における管理情報Ａの更新）。例えば、管理情
報Ａに、ロジックアレイ１０７へ書き込み回数が含まれている場合は、回数を１回増やす
ように管理情報Ａを更新する。或いは、管理情報Ａに、最後にロジックアレイ１０７に書
き込まれた時間が含まれている場合、上記時間が最新の時間になるように管理情報Ａを更
新する。

管理情報Ａを更新したら（Ａ０９：メモリモジュール１０９における管理情報Ａの更新）
、ＰＬＤ１０２において行われる処理が終了する（Ａ１０：終了）。

なお、図２に示すフローチャートでは、管理情報Ａの更新（Ａ０９：メモリモジュール１
０９における管理情報Ａの更新）を、ロジックアレイ１０７において構成される論理回路
の定義（Ａ０４：コンフィギュレーションＡの実行）が終了した後に行われているが、管
理情報Ａの更新は、スレッドＡの実行を要求する命令をＰＬＤ１０２が受け取った後（Ａ
０１：スレッドＡ実行の要求）であれば、いつでも可能である。

次いで、図１に示した記憶装置１０３に格納されている、アプリケーション１０４とコン
フィギュレーションデータ１０５のデータ構造の模式図を、図４に示す。図４（Ａ）に示
す記憶装置１０３では、１つのアプリケーション１０４に対し、２つのコンフィギュレー
ションデータ１０５が関連づけられている場合を例示している。なお、１つのアプリケー
ション１０４に関連づけられているコンフィギュレーションデータ１０５の数は、３つ以
上であっても良い。

また、図４（Ｂ）に示す記憶装置１０３では、コンフィギュレーションデータ１０５が関
連づけられていないアプリケーション１０４と、１つのコンフィギュレーションデータ１
０５が関連づけられているアプリケーション１０４と、２つのコンフィギュレーションデ
ータ１０５が関連づけられているアプリケーション１０４とが、混在している。

また、図４（Ｃ）に示す記憶装置１０３では、２つのアプリケーション１０４に対し、１
つのコンフィギュレーションデータ１０５が共有するように関連づけられている場合を例
示している。なお、１つのコンフィギュレーションデータ１０５を共有するように関連づ
けられているアプリケーション１０４の数は、３つ以上であっても良い。

次いで、アプリケーション１０４を構成する複数のスレッドと、各スレッドを実行するプ
ロセッサ１０１またはＰＬＤ１０２との関係を、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に模式的に例
示する。図５（Ａ）及び図５（Ｂ）では、アプリケーション１０４が、スレッド１２０Ａ
、スレッド１２０Ｂ、スレッド１２０Ｃ、及びスレッド１２０Ｄを有している場合を例示
している。そして、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）では、スレッド１２０Ａ、スレッド１２０
Ｂ、スレッド１２０Ｃ、スレッド１２０Ｂ、スレッド１２０Ｄの順番に、各スレッドを実
行することで、アプリケーション１０４が実行される場合を、例示している。

そして、図５（Ａ）では、スレッド１２０Ａ、スレッド１２０Ｃ、及びスレッド１２０Ｄ
を、プロセッサ１０１においてソフトウェア的に実行し、スレッド１２０Ｂを、ＰＬＤ１
０２においてハードウェア的に実行する場合を示している。図５（Ａ）に示したアプリケ
ーション１０４を実行する場合、スレッド１２０ＢをＰＬＤ１０２において実行するのに
必要なコンフィギュレーションデータ１０５が、アプリケーション１０４に関連づけられ
て、図１に示した記憶装置１０３に格納されていればよい。

また、図５（Ｂ）では、スレッド１２０Ａ及びスレッド１２０Ｂを、プロセッサ１０１に
おいてソフトウェア的に実行し、スレッド１２０Ｃ及びスレッド１２０Ｄを、ＰＬＤ１０
２においてハードウェア的に実行する場合を示している。図５（Ｂ）に示したアプリケー
ション１０４を実行する場合、スレッド１２０ＣをＰＬＤ１０２において実行するのに必
要なコンフィギュレーションデータ１０５と、スレッド１２０ＤをＰＬＤ１０２において
実行するのに必要なコンフィギュレーションデータ１０５とが、アプリケーション１０４
に関連づけられて、図１に示した記憶装置１０３に格納されていればよい。

次いで、メモリエレメント１０８が有するメモリセルの構成例について、図６を用いて説
明する。図６（Ａ）に、メモリセル１２０の回路図を一例として示す。メモリエレメント
１０８には、メモリセル１２０が複数設けられており、各メモリセル１２０は、記憶素子
１２１と、スイッチ１２２とを有する。

記憶素子１２１には、容量素子、トランジスタなどの半導体素子を用いることができる。
そして、記憶素子１２１は、容量素子、或いは、トランジスタのゲート電極と活性層の間
に形成されるゲート容量に、電荷を蓄積させることで、データを記憶する。また、記憶素
子１２１への電荷の供給と、当該記憶素子１２１からの電荷の放出と、当該記憶素子１２
１における電荷の保持とは、スイッチ１２２により制御する。

スイッチ１２２は、シリコンよりもバンドギャップが広く、真性キャリア密度がシリコン
よりも低い半導体を、チャネル形成領域に含むトランジスタを用いる。このような半導体
としては、例えば、シリコンの２倍以上の大きなバンドギャップを有する、酸化物半導体
、炭化シリコン、窒化ガリウム、酸化ガリウムなどが挙げられる。上記半導体を有するト
ランジスタは、通常のシリコンやゲルマニウムなどの半導体で形成されたトランジスタに
比べて、オフ電流を極めて小さくすることができる。よって、上記構成を有するトランジ
スタを、記憶素子１２１に流入した電荷を保持するためのスイッチ１２２として用いるこ
とで、記憶素子１２１からの電荷のリークを防ぐことができるので、データの保持期間を
長く確保することができる。

なお、メモリセル１２０は、必要に応じて、トランジスタ、ダイオード、抵抗素子、イン
ダクタンスなどのその他の回路素子を、さらに有していても良い。

なお、特に断りがない限り、本明細書でオフ電流とは、ｎチャネル型トランジスタにおい
ては、ドレイン端子をソース端子とゲート電極よりも高い電位とした状態において、ソー
ス端子の電位を基準としたときのゲート電極の電位が０以下であるときに、ソース端子と
ドレイン端子の間に流れる電流のことを意味する。或いは、本明細書でオフ電流とは、ｐ
チャネル型トランジスタにおいては、ドレイン端子をソース端子とゲート電極よりも低い
電位とした状態において、ソース端子の電位を基準としたときのゲート電極の電位が０以
上であるときに、ソース端子とドレイン端子の間に流れる電流のことを意味する。

なお、スイッチ１２２は、一のトランジスタで構成されていても良いし、複数のトランジ
スタで構成されていても良い。例えば、複数の直列に接続されたトランジスタを用いるこ
とで、よりオフ電流の小さなスイッチ１２２を形成することができ、よって、記憶素子１
２１からの電荷のリークをより防ぐことができる。

なお、本明細書において、トランジスタが直列に接続されている状態とは、第１のトラン
ジスタのソース端子とドレイン端子のいずれか一方のみが、第２のトランジスタのソース
端子とドレイン端子のいずれか一方のみに接続されている状態を意味する。また、トラン
ジスタが並列に接続されている状態とは、第１のトランジスタのソース端子とドレイン端
子のいずれか一方が、第２のトランジスタのソース端子とドレイン端子のいずれか一方に
接続され、第１のトランジスタのソース端子とドレイン端子の他方が第２のトランジスタ
のソース端子とドレイン端子の他方に接続されている状態を意味する。

図６（Ｂ）に、スイッチ１２２に用いられるトランジスタ１２２ａの断面構造を、一例と
して示す。ただし、図６（Ｂ）では、活性層として酸化物半導体を用いたトランジスタ１
２２ａを例示している。

トランジスタ１２２ａは、絶縁表面上に形成されたゲート電極１３０と、ゲート電極１３
０上のゲート絶縁膜１３１と、ゲート絶縁膜１３１上の導電膜１３２、導電膜１３３と、
ゲート絶縁膜１３１上においてゲート電極１３０と重なっており、なおかつ導電膜１３２
、導電膜１３３上に形成された、活性層として機能する酸化物半導体膜１３４とを有する
。さらに、トランジスタ１２２ａは、導電膜１３２、導電膜１３３、及び酸化物半導体膜
１３４上に形成された絶縁膜１３５を、その構成要素に含めても良い。

なお、電子供与体（ドナー）となる水分または水素などの不純物が低減され、なおかつ酸
素欠損が低減されることにより高純度化された酸化物半導体（ｐｕｒｉｆｉｅｄ ＯＳ）
は、ｉ型（真性半導体）又はｉ型に限りなく近い。そのため、水分または水素などの不純
物濃度が十分に低減され、なおかつ酸素欠損が低減されることにより高純度化された酸化
物半導体膜を用いることにより、トランジスタのオフ電流を小さくすることができる。よ
って、高純度化された酸化物半導体膜を用いたトランジスタを、スイッチ１２２に用いる
ことで、記憶素子１２１からの電荷のリークを防ぎ、データの保持期間を長く確保すると
いう効果を高めることができる。

具体的に、高純度化された酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタのオフ
電流が小さいことは、いろいろな実験により証明できる。例えば、チャネル幅が１×１０
^６μｍでチャネル長が１０μｍの素子であっても、ソース電極とドレイン電極間の電圧（
ドレイン電圧）が１Ｖから１０Ｖの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナラ
イザの測定限界以下、すなわち１×１０^−１３Ａ以下という特性を得ることができる。こ
の場合、オフ電流をトランジスタのチャネル幅で規格化したオフ電流は、１００ｚＡ／μ
ｍ以下であることが分かる。また、容量素子とトランジスタとを接続して、容量素子に流
入または容量素子から流出する電荷を当該トランジスタで制御する回路を用いて、オフ電
流の測定を行った。当該測定では、高純度化された酸化物半導体膜を上記トランジスタの
チャネル形成領域に用い、容量素子の単位時間あたりの電荷量の推移から当該トランジス
タのオフ電流を測定した。その結果、トランジスタのソース電極とドレイン電極間の電圧
が３Ｖの場合に、数十ｙＡ／μｍという、さらに小さいオフ電流が得られることが分かっ
た。従って、高純度化された酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いたトランジスタは
、オフ電流が、結晶性を有するシリコンを用いたトランジスタに比べて著しく小さい。

また、酸化物半導体の中でもＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物など
は、炭化シリコン、窒化ガリウム、または酸化ガリウムとは異なり、スパッタリング法や
湿式法により電気的特性の優れたトランジスタを作製することが可能であり、量産性に優
れるといった利点がある。また、炭化シリコン、窒化ガリウム、または酸化ガリウムとは
異なり、上記酸化物半導体であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物は室温でも成膜が可能なため
、ガラス基板上への成膜、或いはシリコンを用いた集積回路上に電気的特性の優れたトラ
ンジスタを作製することが可能である。また、基板の大型化にも対応が可能である。

なお、酸化物半導体としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）あるいは亜鉛（Ｚｎ）を含
むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気的特性のばらつき
を減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム（Ｇａ）を有することが
好ましい。また、スタビライザーとしてスズ（Ｓｎ）を有することが好ましい。また、ス
タビライザーとしてハフニウム（Ｈｆ）を有することが好ましい。また、スタビライザー
としてアルミニウム（Ａｌ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてジル
コニウム（Ｚｒ）を含むことが好ましい。

また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（
Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム
（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホル
ミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ル
テチウム（Ｌｕ）のいずれか一種または複数種を含んでいてもよい。

例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二
元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物
、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物
、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する）、Ｉｎ
−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−
Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌ
ａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ
−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−
Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚ
ｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ
系酸化物、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇ
ａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物
、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることがで
きる。

なお、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを含む酸化物という意
味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素
を含んでいてもよい。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物は、無電界時の抵抗が十分に高くオフ電
流を十分に小さくすることが可能であり、また、移動度も高い。

例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）あるいはＩｎ：Ｇ
ａ：Ｚｎ＝２：２：１（＝２／５：２／５：１／５）の原子比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化
物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。あるいは、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：
１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３（＝１／３：１／
６：１／２）あるいはＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：５（＝１／４：１／８：５／８）の原
子比のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。

例えば、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物では比較的容易に高い移動度が得られる。しかしなが
ら、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物でも、バルク内欠陥密度を低減することにより移動度を上
げることができる。

以下では、酸化物半導体膜の構造について説明する。

酸化物半導体膜は、単結晶酸化物半導体膜と非単結晶酸化物半導体膜とに大別される。非
単結晶酸化物半導体膜とは、非晶質酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、多結晶酸化
物半導体膜、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ
Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜などをいう。

非晶質酸化物半導体膜は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶成分を有さない酸
化物半導体膜である。微小領域においても結晶部を有さず、膜全体が完全な非晶質構造の
酸化物半導体膜が典型である。

微結晶酸化物半導体膜は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ未満の大きさの微結晶（ナノ結晶
ともいう。）を含む。従って、微結晶酸化物半導体膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも原
子配列の規則性が高い。そのため、微結晶酸化物半導体膜は、非晶質酸化物半導体膜より
も欠陥準位密度が低いという特徴がある。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つであり、ほとんどの結
晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさである。従って、ＣＡＡＣ−Ｏ
Ｓ膜に含まれる結晶部は、一辺が１０ｎｍ未満、５ｎｍ未満または３ｎｍ未満の立方体内
に収まる大きさの場合も含まれる。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、微結晶酸化物半導体膜よりも欠
陥準位密度が低いという特徴がある。以下、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜について詳細な説明を行う
。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって観察すると、結晶部同士の明確な境界、即ち結
晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することができない。そのため、ＣＡ
ＡＣ−ＯＳ膜は、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を、試料面と概略平行な方向からＴＥＭによって観察（断面ＴＥＭ観察
）すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子
の各層は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の膜を形成する面（被形成面ともいう。）または上面の凹凸
を反映した形状であり、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面と平行に配列する。

なお、本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で
配置されている状態をいう。従って、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「垂
直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。従
って、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。

一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を、試料面と概略垂直な方向からＴＥＭによって観察（平面ＴＥ
Ｍ観察）すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列しているこ
とを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られな
い。

断面ＴＥＭ観察および平面ＴＥＭ観察より、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶部は配向性を有して
いることがわかる。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）装
置を用いて構造解析を行うと、例えばＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜
のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、回折角（２θ）が３１°近傍にピークが
現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶の（００９）面に帰属される
ことから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に概
略垂直な方向を向いていることが確認できる。

一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、ｃ軸に概略垂直な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌ
ａｎｅ法による解析では、２θが５６°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは
、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＩｎＧａＺｎＯ_４の単結晶酸化
物半導体膜であれば、２θを５６°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）と
して試料を回転させながら分析（φスキャン）を行うと、（１１０）面と等価な結晶面に
帰属されるピークが６本観察される。これに対し、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の場合は、２θを５
６°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。

以上のことから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜では、異なる結晶部間ではａ軸およびｂ軸の配向は不
規則であるが、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平行
な方向を向いていることがわかる。従って、前述の断面ＴＥＭ観察で確認された層状に配
列した金属原子の各層は、結晶のａｂ面に平行な面である。

なお、結晶部は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜した際、または加熱処理などの結晶化処理を行
った際に形成される。上述したように、結晶のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面また
は上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。従って、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形
状をエッチングなどによって変化させた場合、結晶のｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面
または上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。

また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中の結晶化度が均一でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜
の結晶部が、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の上面近傍からの結晶成長によって形成される場合、上面
近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりも結晶化度が高くなることがある。また、ＣＡＡ
Ｃ−ＯＳ膜に不純物を添加する場合、不純物が添加された領域の結晶化度が変化し、部分
的に結晶化度の異なる領域が形成されることもある。

なお、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法
による解析では、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れ
る場合がある。２θが３６°近傍のピークは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中の一部に、ｃ軸配向性
を有さない結晶が含まれることを示している。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、２θが３１°近傍に
ピークを示し、２θが３６°近傍にピークを示さないことが好ましい。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気的特性の変
動が小さい。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。

なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、ＣＡ
ＡＣ−ＯＳ膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、例えば、多結晶である金属酸化物ターゲットを用い、スパッタリン
グ法によって成膜する。当該ターゲットにイオンが衝突すると、ターゲットに含まれる結
晶領域がａ−ｂ面から劈開し、ａ−ｂ面に平行な面を有する平板状またはペレット状のス
パッタリング粒子として剥離することがある。この場合、当該平板状のスパッタリング粒
子が、結晶状態を維持したまま基板に到達することで、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜すること
ができる。

また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜するために、以下の条件を適用することが好ましい。

成膜時の不純物混入を低減することで、不純物によって結晶状態が崩れることを抑制でき
る。例えば、処理室内に存在する不純物濃度（水素、水、二酸化炭素および窒素など）を
低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物濃度を低減すればよい。具体的には、露点が
−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下である成膜ガスを用いる。

また、成膜時の基板加熱温度を高めることで、基板到達後にスパッタリング粒子のマイグ
レーションが起こる。具体的には、基板加熱温度を１００℃以上７４０℃以下、好ましく
は２００℃以上５００℃以下として成膜する。成膜時の基板加熱温度を高めることで、平
板状のスパッタリング粒子が基板に到達した場合、基板上でマイグレーションが起こり、
スパッタリング粒子の平らな面が基板に付着する。

また、成膜ガス中の酸素割合を高め、電力を最適化することで成膜時のプラズマダメージ
を軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、３０体積％以上、好ましくは１００体
積％とする。

ターゲットの一例として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物ターゲットについて以下に示す。

ＩｎＯ_Ｘ粉末、ＧａＯ_Ｙ粉末およびＺｎＯ_Ｚ粉末を所定のｍｏｌ数比で混合し、加圧処理
後、１０００℃以上１５００℃以下の温度で加熱処理をすることで多結晶であるＩｎ−Ｇ
ａ−Ｚｎ系酸化物ターゲットとする。なお、Ｘ、ＹおよびＺは任意の正数である。ここで
、所定のｍｏｌ数比は、例えば、ＩｎＯ_Ｘ粉末、ＧａＯ_Ｙ粉末およびＺｎＯ_Ｚ粉末が、２
：２：１、８：４：３、３：１：１、１：１：１、４：２：３または３：１：２である。
なお、粉末の種類、およびその混合するｍｏｌ数比は、作製するターゲットによって適宜
変更すればよい。

また、図６（Ｂ）では、トランジスタ１２２ａが、一のゲート電極１３０に対応した一の
チャネル形成領域を有する、シングルゲート構造である場合を例示している。しかし、ト
ランジスタ１２２ａは、電気的に接続された複数のゲート電極を有することで、一の活性
層にチャネル形成領域を複数有する、マルチゲート構造であっても良い。

また、トランジスタ１２２ａは、ゲート電極を活性層の片側において少なくとも有してい
れば良いが、活性層を間に挟んで存在する一対のゲート電極を有していても良い。トラン
ジスタが、活性層を間に挟んで存在する一対のゲート電極を有している場合、一方のゲー
ト電極にはスイッチングを制御するための信号が与えられ、他方のゲート電極は、電気的
に絶縁されたフローティングの状態であっても良いし、電位が他から与えられている状態
であっても良い。後者の場合、一対の電極に、同じ高さの電位が与えられていても良いし
、他方のゲート電極にのみ接地電位などの固定の電位が与えられていても良い。他方のゲ
ート電極に与える電位の高さを制御することで、トランジスタ１２２ａの閾値電圧を制御
することができる。

なお、本明細書において接続とは電気的な接続を意味しており、電流、電圧または電位が
、供給可能、或いは伝送可能な状態に相当する。従って、接続している状態とは、直接接
続している状態を必ずしも指すわけではなく、電流、電圧または電位が、供給可能、或い
は伝送可能であるように、抵抗素子、ダイオード、トランジスタ、容量素子などの回路素
子を介して間接的に接続している状態も、その範疇に含む。

なお、図６（Ｂ）では、トランジスタ１２２ａとしてＭＯＳＦＥＴを例示しているが、ス
イッチ１２２に用いることができるトランジスタは、ＭＥＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｓｅｍ
ｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であっても
良い。

メモリエレメント１０８が上記構成のメモリセルを複数有することで、本発明の一態様に
係る半導体装置１００では、ＰＬＤ１０２の有するメモリエレメント１０８において、Ｓ
ＲＡＭのようにトランジスタのオフ電流により電力が消費されることがない。また、上記
構成を有するメモリエレメント１０８は、ＤＲＡＭよりもリフレッシュの頻度を低減する
ことができるので、リフレッシュによる消費電力を大幅に削減することができる。また、
データの書き込みに要する時間をＥＥＰＲＯＭよりも短くすることができるので、ＰＬＤ
１０２のコンフィギュレーションに要する時間を短縮化し、アプリケーション１０４の高
速処理を実現することができる。

次いで、メモリセルのより具体的な構成例について、図７を用いて説明する。なお、本明
細書において、トランジスタのソース端子とは、活性層としての機能を有する半導体膜の
一部であるソース領域、或いは活性層としての機能を有する半導体膜に接続されたソース
電極を意味する。同様に、トランジスタのドレイン端子とは、活性層としての機能を有す
る半導体膜の一部であるドレイン領域、或いは活性層としての機能を有する半導体膜に接
続されたドレイン電極を意味する。

また、トランジスタが有するソース端子とドレイン端子は、トランジスタのチャネル型及
びソース端子とドレイン端子に与えられる電位の高低によって、その呼び方が入れ替わる
。一般的に、ｎチャネル型のトランジスタでは、ソース端子とドレイン端子のうち、低い
電位が与えられる方がソース端子と呼ばれ、高い電位が与えられる方がドレイン端子と呼
ばれる。また、ｐチャネル型のトランジスタでは、ソース端子とドレイン端子のうち、低
い電位が与えられる方がドレイン端子と呼ばれ、高い電位が与えられる方がソース端子と
呼ばれる。本明細書では、便宜上、ソース端子とドレイン端子とが固定されているものと
仮定して、トランジスタの接続関係を説明する場合があるが、実際には上記電位の関係に
従ってソース端子とドレイン端子の呼び方が入れ替わる。

図７（Ａ）に示すメモリセル１５０は、スイッチ１２２として機能するトランジスタ１５
１と、記憶素子１２１として機能する容量素子１５２とを有する。トランジスタ１５１の
ゲート電極は、ワード線ＷＬに接続されている。また、トランジスタ１５１は、そのソー
ス端子及びドレイン端子の一方がデータ線ＤＬに接続されており、そのソース端子及びド
レイン端子の他方が容量素子１５２の一方の電極に接続されている。容量素子１５２の他
方の電極は、接地電位などの固定電位が与えられているノードに、接続されている。

図７（Ａ）に示すメモリセル１５０では、データの書き込み時にトランジスタ１５１がオ
ンになり、データ線ＤＬからデータを含む信号の電位が、トランジスタ１５１を介して容
量素子１５２の一方の電極に与えられる。そして、上記信号の電位に従って、容量素子１
５２に蓄積されている電荷量が制御されることで、容量素子１５２へのデータの書き込み
が行われる。

次いで、データの保持時には、トランジスタ１５１がオフになり、容量素子１５２におい
て電荷が保持される。上述したように、トランジスタ１５１はオフ電流が極めて小さいと
いう特性を有している。そのため、容量素子１５２に蓄積された電荷はリークしづらく、
トランジスタ１５１にシリコンなどの半導体材料を用いた場合に比べ、長い期間に渡って
データの保持を行うことができる。

データの読み出し時には、トランジスタ１５１がオンになり、データ線ＤＬを介して容量
素子１５２に蓄積された電荷が取り出される。そして、上記電荷量の違いを読み取ること
により、データを読み出すことができる。

図７（Ｂ）に示すメモリセル１５３は、スイッチ１２２として機能するトランジスタ１５
４と、記憶素子１２１として機能するトランジスタ１５５及び容量素子１５６とを有する
。トランジスタ１５４のゲート電極は、第１ワード線ＷＬａに接続されている。また、ト
ランジスタ１５４は、そのソース端子及びドレイン端子の一方が第１データ線ＤＬａに接
続されており、そのソース端子及びドレイン端子の他方がトランジスタ１５５のゲート電
極に接続されている。トランジスタ１５５は、そのソース端子及びドレイン端子の一方が
、第２データ線ＤＬｂに接続されており、そのソース端子及びドレイン端子の他方が、所
定の電位が与えられているノードに接続されている。容量素子１５６が有する一対の電極
は、一方がトランジスタ１５５のゲート電極に接続され、他方が第２ワード線ＷＬｂに接
続されている。

図７（Ｂ）に示すメモリセル１５３では、データの書き込み時にトランジスタ１５４がオ
ンになり、第１データ線ＤＬａからデータを含む信号の電位が、トランジスタ１５４を介
してトランジスタ１５５のゲート電極に与えられる。そして、上記信号の電位に従って、
トランジスタ１５５のゲート容量、及び容量素子１５６に蓄積される電荷量が制御される
ことで、トランジスタ１５５及び容量素子１５６へのデータの書き込みが行われる。

次いで、データの保持時には、トランジスタ１５４がオフになり、トランジスタ１５５の
ゲート容量、及び容量素子１５６に蓄積された電荷が保持される。上述したように、トラ
ンジスタ１５４はオフ電流が極めて小さいという特性を有している。そのため、蓄積され
た上記電荷はリークしづらく、トランジスタ１５４にシリコンなどの半導体材料を用いた
場合に比べ、長い期間に渡ってデータの保持を行うことができる。

データの読み出し時には、第２ワード線ＷＬｂの電位を変化させる。容量素子１５６が有
する一対の電極の電位差は、電荷保存則により維持されたままなので、第２ワード線ＷＬ
ｂの電位の変化は、トランジスタ１５５のゲート電極に与えられる。トランジスタ１５５
は、そのゲート容量に蓄積されている電荷量によって閾値電圧が変化している。よって、
トランジスタ１５５のゲート電極の電位が変化することで得られるトランジスタ１５５の
ドレイン電流の大きさから、蓄積されている電荷量の違いを読み取ることにより、データ
を読み出すことができる。

なお、記憶素子１２１として機能するトランジスタ１５５は、その活性層に、酸化物半導
体膜が用いられていても良い。或いは、トランジスタ１５５の活性層に、酸化物半導体以
外の、非晶質、微結晶、多結晶、または単結晶の、シリコン、またはゲルマニウムなどの
半導体が用いられていても良い。メモリセル１５３内の全てのトランジスタの活性層に、
酸化物半導体膜を用いることで、プロセスを簡略化することができる。また、記憶素子１
２１として機能するトランジスタ１５５の活性層に、例えば、多結晶または単結晶のシリ
コンなどのように、酸化物半導体よりも高い移動度が得られる半導体材料を用いることで
、メモリセル１５３からのデータの読み出しを高速で行うことができる。

図７（Ｃ）に示すメモリセル１５７は、一つのデータ線ＤＬが、第１データ線ＤＬａと第
２データ線ＤＬｂの機能を併せ持っている点において、図７（Ｂ）に示すメモリセル１５
３と異なっている。具体的に、図７（Ｃ）に示すメモリセル１５７は、スイッチ１２２と
して機能するトランジスタ１５８と、記憶素子１２１として機能するトランジスタ１５９
及び容量素子１６０とを有する。トランジスタ１５８のゲート電極は、第１ワード線ＷＬ
ａに接続されている。また、トランジスタ１５８は、そのソース端子及びドレイン端子の
一方がデータ線ＤＬに接続されており、そのソース端子及びドレイン端子の他方がトラン
ジスタ１５９のゲート電極に接続されている。トランジスタ１５９は、そのソース端子及
びドレイン端子の一方がデータ線ＤＬに接続されており、そのソース端子及びドレイン端
子の他方が、所定の電位が与えられているノードに接続されている。容量素子１６０が有
する一対の電極は、一方がトランジスタ１５９のゲート電極に接続され、他方が第２ワー
ド線ＷＬｂに接続されている。

図７（Ｃ）に示すメモリセル１５７は、データの書き込み、保持、読み出しなどの動作は
、図７（Ｂ）に示すメモリセル１５７と同様に行うことができる。

次いで、図１に示すメモリエレメント１０８の構成例について、説明する。図８に、メモ
リエレメント１０８の構成を、ブロック図で一例として示す。

図８に示すメモリエレメント１０８は、メモリセル１７０を複数有するセルアレイ１７５
と、駆動回路１６１とを有する。そして、駆動回路１６１は、入出力バッファ１６２と、
メインアンプ１６３と、カラムデコーダ１６４と、ローデコーダ１６５と、スイッチ回路
１６６と、プリチャージ回路１６７と、センスアンプ１６８と、書き込み回路１６９とを
有する。

入出力バッファ１６２は、駆動回路１６１またはセルアレイ１７５の駆動に用いる各種信
号、及び、セルアレイ１７５に書き込まれるコンフィギュレーションデータの、メモリエ
レメント１０８への入力を制御する機能を有する。また、入出力バッファ１６２は、セル
アレイ１７５からコンフィギュレーションデータを読み出す場合、当該読み出されたコン
フィギュレーションデータの、メモリエレメント１０８からの出力を制御する機能を有す
る。

ローデコーダ１６５は、例えばメモリセル１７０が、図７（Ａ）に示したメモリセル１５
０と同じ構成を有している場合、ワード線ＷＬに与える電位を制御することで、セルアレ
イ１７５においてメモリセル１７０を、指定されたアドレスに従って行ごとに選択する機
能を有する。カラムデコーダ１６４は、スイッチ回路１６６の動作を制御することで、コ
ンフィギュレーションデータの書き込み時、または読み出し時の、列方向におけるメモリ
セル１７０の選択を、指定されたアドレスに従って行う機能を有する。

スイッチ回路１６６は、例えばメモリセル１７０が、図７（Ａ）に示したメモリセル１５
０と同じ構成を有している場合、データ線ＤＬとメインアンプ１６３の間の接続と、デー
タ線ＤＬと書き込み回路１６９の間の接続とを行う機能を有する。書き込み回路１６９は
、指定されたアドレスのメモリセル１７０に、スイッチ回路１６６を介してコンフィギュ
レーションデータを書き込む機能を有する。

センスアンプ１６８は、メモリセル１７０からコンフィギュレーションデータを読み出す
ときに、データ線ＤＬの電位の変化を増幅させる機能を有する。また、センスアンプ１６
８は、メモリセル１７０に書き込まれたコンフィギュレーションデータ、或いはメモリセ
ル１７０から読み出されたコンフィギュレーションデータを、一時的に記憶する機能を有
する。

メインアンプ１６３は、センスアンプ１６８により増幅されたデータ線ＤＬの電位を用い
て、コンフィギュレーションデータを読み出す機能を有する。プリチャージ回路１６７は
、コンフィギュレーションデータの読み出し前に、データ線ＤＬの電位をリセットする機
能を有する。

なお、メモリエレメント１０８は、指定されたメモリセル１７０のアドレスを、一時的に
記憶することができるアドレスバッファを、有していても良い。

次いで、図９に、一列のメモリセル１７０に対応した、センスアンプ１６８、プリチャー
ジ回路１６７、スイッチ回路１６６、及びメインアンプ１６３の接続構造を例示する。な
お、図９では、メモリセル１７０が、図７（Ａ）に示したメモリセル１５０と同じ構成を
有している場合を、例示している。

メモリセル１７０はトランジスタ１５１と容量素子１５２とを有している。そして、メモ
リセル１７０は、データ線ＤＬａに接続されている。また、センスアンプ１６８、プリチ
ャージ回路１６７、及びスイッチ回路１６６は、データ線ＤＬａ及びデータ線ＤＬｂに接
続されている。データ線ＤＬａ及びデータ線ＤＬｂは、複数のメモリセル１７０にそれぞ
れ接続された複数のデータ線ＤＬの一つに、それぞれ相当するものとする。ただし、デー
タ線ＤＬａ及びデータ線ＤＬｂに接続された全てのメモリセル１７０は、互いに異なるワ
ード線ＷＬに接続されているものとする。

具体的に、図９では、センスアンプ１６８がラッチ型である場合を例示している。センス
アンプ１６８は、ｐチャネル型のトランジスタ５１５及びトランジスタ５１６と、ｎチャ
ネル型のトランジスタ５１７及びトランジスタ５１８とを有している。トランジスタ５１
５は、ソース端子及びドレイン端子の一方が端子ＳＰに接続され、他方がトランジスタ５
１６及びトランジスタ５１８のゲート電極と、データ線ＤＬａとに接続されている。トラ
ンジスタ５１７は、ソース端子及びドレイン端子の一方がトランジスタ５１６及びトラン
ジスタ５１８のゲート電極と、データ線ＤＬａとに接続され、他方が端子ＳＮに接続され
ている。トランジスタ５１６は、ソース端子及びドレイン端子の一方が端子ＳＰに接続さ
れ、他方がトランジスタ５１５及びトランジスタ５１７のゲート電極と、データ線ＤＬｂ
とに接続されている。トランジスタ５１８は、ソース端子及びレイン端子の一方がトラン
ジスタ５１５及びトランジスタ５１７のゲート電極と、データ線ＤＬｂとに接続され、他
方が端子ＳＮに接続されている。

また、プリチャージ回路１６７は、ｎチャネル型のトランジスタ５１９乃至トランジスタ
５２１を有している。トランジスタ５１９乃至トランジスタ５２１は、ｐチャネル型であ
っても良い。トランジスタ５１９のソース端子及びドレイン端子は、一方がデータ線ＤＬ
ａに接続され、他方が端子Ｐｒｅに接続されている。トランジスタ５２０のソース端子及
びドレイン端子は、一方がデータ線ＤＬｂに接続され、他方が端子Ｐｒｅに接続されてい
る。トランジスタ５２１のソース端子及びドレイン端子は、一方がデータ線ＤＬａに接続
され、他方がデータ線ＤＬｂに接続されている。そして、トランジスタ５１９乃至トラン
ジスタ５２１は、それぞれのゲート電極が配線ＰＬに接続されている。

スイッチ回路１６６は、ｎチャネル型のトランジスタ５２２及びトランジスタ５２３を有
している。トランジスタ５２２及びトランジスタ５２３は、ｐチャネル型トランジスタで
あっても良い。トランジスタ５２２のソース端子及びドレイン端子は、一方がデータ線Ｄ
Ｌａに接続され、他方が配線ＩＯａに接続されている。トランジスタ５２３のソース端子
及びドレイン端子は、一方がデータ線ＤＬｂに接続され、他方が配線ＩＯｂに接続されて
いる。そして、トランジスタ５２２及びトランジスタ５２３は、それぞれのゲート電極が
端子ＣＳＬに接続されている。端子ＣＳＬの電位は、カラムデコーダ１６４によって制御
される。

配線ＩＯａ及び配線ＩＯｂは、メインアンプ１６３に接続されている。また、書き込み回
路１６９は、コンフィギュレーションデータに従って、配線ＩＯａ及び配線ＩＯｂへの電
位の供給を行う機能を有する。

なお、センスアンプ１６８は上述したようなラッチ型に限定されず、カレントミラー型や
シングルエンド型であっても良い。シングルエンド型のセンスアンプ１６８を用いる場合
、データ線ＤＬｂの電位をリセットする必要がないので、プリチャージ回路１６７におい
てトランジスタ５２０及びトランジスタ５２１を省略することができる。

また、データ線ＤＬａ及びデータ線ＤＬｂの組み合わせは、アレイ方式によって適宜決め
ることができる。本発明の一態様では、折り返し方式、クロスポイント方式、開放方式な
どのアレイ方式を用いることができ、これらのアレイ方式に合わせて、複数のメモリセル
１７０にそれぞれ接続された複数のデータ線ＤＬのうち、いずれか２つのデータ線ＤＬと
、メインアンプ１６３とを、スイッチ回路１６６により接続すれば良い。ただし、上述し
たように、データ線ＤＬａ及びデータ線ＤＬｂに接続された全てのメモリセル１７０は、
互いに異なるワード線ＷＬに接続されているものとする。

書き込み回路１６９からコンフィギュレーションデータをメモリセル１７０に書き込む場
合、まず、端子ＳＰにハイレベルの電位ＶＨ＿ＳＰを与え、端子ＳＮにローレベルの電位
ＶＬ＿ＳＰを与えることで、センスアンプ１６８をオンの状態とする。そして、書き込み
回路１６９によって、配線ＩＯａ及び配線ＩＯｂの電位を、コンフィギュレーションデー
タに従った高さに制御し、スイッチ回路１６６においてトランジスタ５２２及びトランジ
スタ５２３をオンにする。上記構成により、データ線ＤＬａに配線ＩＯａの電位が与えら
れ、データ線ＤＬｂに配線ＩＯｂの電位が与えられる。次いで、ワード線ＷＬを選択し、
トランジスタ１５１をオンにすることで、データ線ＤＬａと容量素子１５２を接続する。
そして、データ線ＤＬａの電位に従い容量素子１５２に電荷が蓄積されることで、メモリ
セル１７０にコンフィギュレーションデータが書き込まれる。

なお、データ線ＤＬａに配線ＩＯａの電位が与えられ、データ線ＤＬｂに配線ＩＯｂの電
位が与えられた後は、スイッチ回路１６６においてトランジスタ５２２及びトランジスタ
５２３をオフにしても、センスアンプ１６８がオンの状態にあるならば、データ線ＤＬａ
の電位とデータ線ＤＬｂの電位の高低の関係は、センスアンプ１６８により保持される。
よって、スイッチ回路１６６においてトランジスタ５２２及びトランジスタ５２３をオン
からオフに変更するタイミングは、ワード線ＷＬを選択する前であっても、後であっても
、どちらでも良い。

次いで、図１に示したプロセッサ１０１の、具体的な構成例について説明する。図１０に
、プロセッサ１０１の構成をブロック図で一例として示す。

図１０に示すプロセッサ１０１は、制御装置６０１と、演算装置６０２と、メインメモリ
６０３と、入力装置６０４と、出力装置６０５、ＩＦ（インターフェース）６０６と、緩
衝記憶装置６０７とを有する。

制御装置６０１は、プロセッサ１０１が有する演算装置６０２、メインメモリ６０３、入
力装置６０４、出力装置６０５、ＩＦ６０６、緩衝記憶装置６０７の動作を統括的に制御
することで、入力されたアプリケーションなどのプログラムに含まれる命令をデコードし
、実行する機能を有する。演算装置６０２は、四則演算、論理演算などの各種演算処理を
行う機能を有する。

なお、図１０では、制御装置６０１と演算装置６０２とを独立したブロックとしてそれぞ
れ図示しているが、プロセッサ１０１は、制御装置６０１の機能と、演算装置６０２の機
能とを併せ持った中央演算処理装置を、制御装置６０１及び演算装置６０２の代わりに有
していても良い。

メインメモリ６０３には、制御装置６０１において実行される、複数の命令で構成される
アプリケーションなどのプログラムと、演算装置６０２における演算処理に用いられるデ
ータとを、記憶する機能を有する。

緩衝記憶装置６０７は、演算装置６０２の演算処理の途中で得られたデータ、或いは演算
装置６０２の演算処理の結果得られたデータなどを記憶する機能を有する。また、アプリ
ケーションなどのプログラムを一時的に記憶する機能を有していても良い。

入力装置６０４は、半導体装置の外部から入力される命令を、プロセッサ１０１に送る機
能を有する。入力装置６０４として、例えば、キーボード、マウス、タッチパネルなどを
用いることができる。

出力装置６０５は、プロセッサ１０１の動作状態、アプリケーションなどのプログラムの
実行により得られた結果などを、情報として出力する機能を有する。出力装置６０５とし
て、例えば、ディスプレイ、プロジェクタ、プリンター、プロッター、音声出力装置など
を用いることができる。

ＩＦ６０６は、図１に示した記憶装置１０３及びＰＬＤ１０２とプロセッサ１０１との間
におけるデータの経路に相当する。記憶装置１０３に格納されているアプリケーション１
０４及びコンフィギュレーションデータ１０５は、ＩＦ６０６を介してプロセッサ１０１
に入力される。また、ＰＬＤ１０２におけるスレッドの実行により得られたデータは、Ｐ
ＬＤ１０２からＩＦ６０６を介してプロセッサ１０１に入力される。また、プロセッサ１
０１から出力される各種の命令やデータは、ＩＦ６０６を介して記憶装置１０３またはＰ
ＬＤ１０２に送られる。

なお、プロセッサ１０１は、ＰＬＤ１０２が有するＤＭＡＣとは別に、ＤＭＡＣを有して
いても良い。

制御装置６０１において命令の実行が繰り返されることで、プログラムが実行される。

次いで、図１に示したＬＥ１０６の、具体的な構成例について説明する。

図１１（Ａ）に、ＬＥ１０６の一形態を例示する。図１１（Ａ）に示すＬＥ１０６は、Ｌ
ＵＴ（ルックアップテーブル）１８０と、レジスタ１８１とを有する。ＬＵＴ１８０は、
コンフィギュレーションデータ１０５の内容によって、実行される論理演算が異なる。そ
して、コンフィギュレーションデータ１０５が確定すると、ＬＵＴ１８０は、複数の入力
値に対する一の出力値が定まる。そして、ＬＵＴ１８０からは、上記出力値を含む出力信
号が出力される。レジスタ１８１は、ＬＵＴ１８０からの出力信号を保持し、クロック信
号ＣＬＫに同期して当該出力信号に対応した信号を出力する。

なお、ＬＥ１０６がさらにマルチプレクサ回路を有し、当該マルチプレクサ回路によって
、ＬＵＴ１８０からの出力信号がレジスタ１８１を経由するか否かを選択できるようにし
ても良い。

また、コンフィギュレーションデータ１０５によって、レジスタ１８１の種類を定義でき
る構成にしても良い。具体的には、コンフィギュレーションデータ１０５によって、レジ
スタ１８１がＤ型レジスタ、Ｔ型レジスタ、ＪＫ型レジスタ、またはＲＳ型レジスタのい
ずれかの機能を有するようにしても良い。

また、ＬＥ１０６が、図１に示したメモリエレメント１０８から送られてきたコンフィギ
ュレーションデータ１０５を、ＬＥ１０６内において記憶するための記憶装置（コンフィ
ギュレーションメモリ）を、有していても良い。図１１（Ｂ）に示すＬＥ１０６は、図１
１（Ａ）に示したＬＥ１０６に、コンフィギュレーションメモリ１８２をさらに追加した
構成を有する。コンフィギュレーションメモリ１８２を設けることで、同一のコンフィギ
ュレーションデータ１０５に従って、ＬＥ１０６にて実行される論理演算を再度定める動
作を、メモリエレメント１０８から直接送られてきたコンフィギュレーションデータ１０
５を用いる場合よりも、より高速で行うことができる。

次いで、ＬＥ１０６が有するＬＵＴ１８０の構成例について説明する。ＬＵＴ１８０は複
数のマルチプレクサを用いて構成することができる。そして、複数のマルチプレクサの入
力端子及び制御端子のうちのいずれかに、コンフィギュレーションデータ１０５が入力さ
れる構成とすることができる。

図１２（Ａ）に、ＬＥ１０６が有するＬＵＴ１８０の一態様を示す。図１２（Ａ）におい
て、ＬＵＴ１８０は、２入力のマルチプレクサを７つ（マルチプレクサ３１、マルチプレ
クサ３２、マルチプレクサ３３、マルチプレクサ３４、マルチプレクサ３５、マルチプレ
クサ３６、マルチプレクサ３７）用いて構成されている。マルチプレクサ３１乃至マルチ
プレクサ３４の各入力端子が、ＬＵＴ１８０の入力端子Ｍ１乃至Ｍ８に相当する。

マルチプレクサ３１乃至マルチプレクサ３４の各制御端子は電気的に接続されており、上
記制御端子が、ＬＵＴ１８０の入力端子ＩＮ３に相当する。マルチプレクサ３１の出力端
子、及びマルチプレクサ３２の出力端子は、マルチプレクサ３５の２つの入力端子と電気
的に接続され、マルチプレクサ３３の出力端子、及びマルチプレクサ３４の出力端子は、
マルチプレクサ３６の２つの入力端子と電気的に接続されている。マルチプレクサ３５及
びマルチプレクサ３６の各制御端子は電気的に接続されており、上記制御端子が、ＬＵＴ
１８０の入力端子ＩＮ２に相当する。マルチプレクサ３５の出力端子、及びマルチプレク
サ３６の出力端子は、マルチプレクサ３７の２つの入力端子と電気的に接続されている。
マルチプレクサ３７の制御端子は、ＬＵＴ１８０の入力端子ＩＮ１に相当する。マルチプ
レクサ３７の出力端子がＬＵＴ１８０の出力端子ＯＵＴに相当する。

入力端子Ｍ１乃至入力端子Ｍ８、及び入力端子ＩＮ１乃至入力端子ＩＮ３のいずれかに、
メモリセル１７０からコンフィギュレーションデータ１０５の電位を入力することによっ
て、ＬＵＴ１８０によって行われる論理演算の種類を定めることができる。

例えば、図１２（Ａ）のＬＵＴ１８０において、入力端子Ｍ１乃至入力端子Ｍ８に、デジ
タル値が”０”、”１”、”０”、”１”、”０”、”１”、”１”、”１”であるコン
フィギュレーションデータ１０５をそれぞれ入力した場合、図１２（Ｃ）に示す等価回路
の機能を実現することができる。

図１２（Ｂ）において、ＬＵＴ１８０は、２入力のマルチプレクサを３つ（マルチプレク
サ４１、マルチプレクサ４２、マルチプレクサ４３）と、２入力のＯＲ回路４４とを用い
て構成されている。

マルチプレクサ４１の出力端子、及びマルチプレクサ４２の出力端子は、マルチプレクサ
４３の２つの入力端子と電気的に接続されている。ＯＲ回路４４の出力端子はマルチプレ
クサ４３の制御端子に電気的に接続されている。マルチプレクサ４３の出力端子がＬＵＴ
１８０の出力端子ＯＵＴに相当する。

そして、マルチプレクサ４１の制御端子Ａ１、入力端子Ａ２及び入力端子Ａ３、マルチプ
レクサ４２の制御端子Ａ６、入力端子Ａ４及び入力端子Ａ５、ＯＲ回路４４の入力端子Ａ
７及び入力端子Ａ８のいずれかに、コンフィギュレーションメモリから、当該コンフィギ
ュレーションメモリに格納されたコンフィギュレーションデータに対応した出力信号を入
力することによって、ＬＵＴ１８０によって行われる論理演算の種類を定めることができ
る。

例えば、図１２（Ｂ）のＬＵＴ１８０において、入力端子Ａ２、入力端子Ａ４、入力端子
Ａ５、制御端子Ａ６、入力端子Ａ８に、コンフィギュレーションメモリから、デジタル値
が”０”、”１”、”０”、”０”、”０”である当該コンフィギュレーションメモリに
格納されたコンフィギュレーションデータに対応した出力信号をそれぞれ入力した場合、
図１２（Ｃ）に示す等価回路の機能を実現することができる。なお、上記構成の場合、制
御端子Ａ１、入力端子Ａ３、入力端子Ａ７がそれぞれ入力端子ＩＮ１、入力端子ＩＮ２、
入力端子ＩＮ３に相当する。

なお、図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）では、２入力のマルチプレクサを用いて構成したＬ
ＵＴ１８０の例を示したが、より多くの入力のマルチプレクサを用いて構成したＬＵＴ１
８０であっても良い。

また、ＬＵＴ１８０は、マルチプレクサの他に、ダイオード、抵抗素子、論理回路（或い
は論理素子）、スイッチのいずれかまたは全てを更に有していても良い。論理回路（或い
は論理素子）としては、バッファ、インバータ、ＮＡＮＤ回路、ＮＯＲ回路、スリーステ
ートバッファ、クロックドインバータ等を用いることができる。スイッチとしては、例え
ばアナログスイッチ、トランジスタ等を用いることができる。

また、図１２（Ａ）や図１２（Ｂ）に示したＬＵＴ１８０を用いて、図１２（Ｃ）の様な
３入力１出力の論理演算を行う場合について示したがこれに限定されない。入力するコン
フィギュレーションデータ１０５を適宜定めることによって、より多くの入力、多くの出
力の論理演算を実現することができる。

なお、コンフィギュレーションデータ１０５によって定められるのは、ＬＥ１０６で実行
される論理演算だけではない。ＬＥ１０６どうしの接続構造も、コンフィギュレーション
データ１０５によって定められる。具体的に、ＬＥ１０６どうしの接続は、ロジックアレ
イ１０７に設けられた配線エレメントによって行われる。配線エレメントは、複数の配線
で構成される配線群と、配線群を構成する配線どうしの接続を制御するスイッチとを有す
る。

図１３（Ａ）にロジックアレイ１０７の構造の一部を、一例として模式的に示す。図１３
（Ａ）に示すロジックアレイ１０７は、複数のＬＥ１０６と、複数のＬＥ１０６のいずれ
かに接続された配線群３２１と、配線群３２１を構成する配線どうしの接続を制御するス
イッチ３２２とを有する。配線群３２１及びスイッチ３２２が、配線エレメント３２３に
相当する。スイッチ３２２によって制御される配線どうしの接続構造は、コンフィギュレ
ーションデータ１０５によって定められる。

図１３（Ｂ）に、スイッチ３２２の構成例を示す。図１３（Ｂ）に示すスイッチ３２２は
、配線群３２１に含まれる配線３２５と配線３２６の接続構造を制御する機能を有する。
具体的に、スイッチ３２２は、トランジスタ３２７乃至トランジスタ３３２を有する。ト
ランジスタ３２７は、配線３２５におけるＰｏｉｎｔＡと、配線３２６におけるＰｏｉｎ
ｔＣの電気的な接続を制御する機能を有する。トランジスタ３２８は、配線３２５におけ
るＰｏｉｎｔＢと、配線３２６におけるＰｏｉｎｔＣの電気的な接続を制御する機能を有
する。トランジスタ３２９は、配線３２５におけるＰｏｉｎｔＡと、配線３２６における
ＰｏｉｎｔＤの電気的な接続を制御する機能を有する。トランジスタ３３０は、配線３２
５におけるＰｏｉｎｔＢと、配線３２６におけるＰｏｉｎｔＤの電気的な接続を制御する
機能を有する。トランジスタ３３１は、配線３２５におけるＰｏｉｎｔＡとＰｏｉｎｔＢ
の電気的な接続を制御する機能を有する。トランジスタ３３２は、配線３２６におけるＰ
ｏｉｎｔＣとＰｏｉｎｔＤの電気的な接続を制御する機能を有する。

そして、トランジスタ３２７乃至トランジスタ３３２のオンまたはオフの選択（スイッチ
ング）は、トランジスタ３２７乃至トランジスタ３３２のゲート電極３１０に与えられる
、コンフィギュレーションデータ１０５の電位により行われる。

また、スイッチ３２２は、配線群３２１と、ロジックアレイ１０７の出力端子３２４の、
電気的な接続を制御する機能を有する。

（実施の形態２）
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備
えた画像再生装置（代表的にはＤＶＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ
等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置）に用いること
ができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器と
して、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯情報端末、電子書籍、ビデオカメラ、デジ
タルスチルカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲー
ションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等）、
複写機、ファクシミリ、プリンター、プリンター複合機、現金自動預け入れ払い機（ＡＴ
Ｍ）、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図１４に示す。

図１４（Ａ）は携帯型ゲーム機であり、筐体５００１、筐体５００２、表示部５００３、
表示部５００４、マイクロホン５００５、スピーカー５００６、操作キー５００７、スタ
イラス５００８等を有する。なお、図１４（Ａ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示
部５００３と表示部５００４とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、
これに限定されない。

図１４（Ｂ）は携帯情報端末であり、第１筐体５６０１、第２筐体５６０２、第１表示部
５６０３、第２表示部５６０４、接続部５６０５、操作キー５６０６等を有する。第１表
示部５６０３は第１筐体５６０１に設けられており、第２表示部５６０４は第２筐体５６
０２に設けられている。そして、第１筐体５６０１と第２筐体５６０２とは、接続部５６
０５により接続されており、第１筐体５６０１と第２筐体５６０２の間の角度は、接続部
５６０５により変更が可能となっている。第１表示部５６０３における映像の切り替えを
、接続部５６０５における第１筐体５６０１と第２筐体５６０２との間の角度に従って、
行う構成としても良い。また、第１表示部５６０３及び第２表示部５６０４の少なくとも
一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしても良い。な
お、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加すること
ができる。或いは、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素
子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。

図１４（Ｃ）はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体５４０１、表示部５４０２
、キーボード５４０３、ポインティングデバイス５４０４等を有する。

図１４（Ｄ）はビデオカメラであり、第１筐体５８０１、第２筐体５８０２、表示部５８
０３、操作キー５８０４、レンズ５８０５、接続部５８０６等を有する。操作キー５８０
４及びレンズ５８０５は第１筐体５８０１に設けられており、表示部５８０３は第２筐体
５８０２に設けられている。そして、第１筐体５８０１と第２筐体５８０２とは、接続部
５８０６により接続されており、第１筐体５８０１と第２筐体５８０２の間の角度は、接
続部５８０６により変更が可能となっている。表示部５８０３における映像の切り替えを
、接続部５８０６における第１筐体５８０１と第２筐体５８０２との間の角度に従って行
う構成としても良い。

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。

３１ マルチプレクサ
３２ マルチプレクサ
３３ マルチプレクサ
３４ マルチプレクサ
３５ マルチプレクサ
３６ マルチプレクサ
３７ マルチプレクサ
４１ マルチプレクサ
４２ マルチプレクサ
４３ マルチプレクサ
４４ ＯＲ回路
１００ 半導体装置
１０１ プロセッサ
１０２ ＰＬＤ
１０３ 記憶装置
１０４ アプリケーション
１０５ コンフィギュレーションデータ
１０６ ＬＥ
１０７ ロジックアレイ
１０８ メモリエレメント
１０９ メモリモジュール
１１０ カウンタ
１１１ 記憶装置
１１２ ＤＭＡＣ
１２０ メモリセル
１２０Ａ スレッド
１２０Ｂ スレッド
１２０Ｃ スレッド
１２０Ｄ スレッド
１２１ 記憶素子
１２２ スイッチ
１２２ａ トランジスタ
１３０ ゲート電極
１３１ ゲート絶縁膜
１３２ 導電膜
１３３ 導電膜
１３４ 酸化物半導体膜
１３５ 絶縁膜
１５０ メモリセル
１５１ トランジスタ
１５２ 容量素子
１５３ メモリセル
１５４ トランジスタ
１５５ トランジスタ
１５６ 容量素子
１５７ メモリセル
１５８ トランジスタ
１５９ トランジスタ
１６０ 容量素子
１６１ 駆動回路
１６２ 入出力バッファ
１６３ メインアンプ
１６４ カラムデコーダ
１６５ ローデコーダ
１６６ スイッチ回路
１６７ プリチャージ回路
１６８ センスアンプ
１６９ 回路
１７０ メモリセル
１７５ セルアレイ
１８０ ＬＵＴ
１８１ レジスタ
１８２ コンフィギュレーションメモリ
３１０ ゲート電極
３２１ 配線群
３２２ スイッチ
３２３ 配線エレメント
３２４ 出力端子
３２５ 配線
３２６ 配線
３２７ トランジスタ
３２８ トランジスタ
３２９ トランジスタ
３３０ トランジスタ
３３１ トランジスタ
３３２ トランジスタ
５１５ トランジスタ
５１６ トランジスタ
５１７ トランジスタ
５１８ トランジスタ
５１９ トランジスタ
５２０ トランジスタ
５２１ トランジスタ
５２２ トランジスタ
５２３ トランジスタ
６０１ 制御装置
６０２ 演算装置
６０３ メインメモリ
６０４ 入力装置
６０５ 出力装置
６０６ ＩＦ
６０７ 緩衝記憶装置
５００１ 筐体
５００２ 筐体
５００３ 表示部
５００４ 表示部
５００５ マイクロホン
５００６ スピーカー
５００７ 操作キー
５００８ スタイラス
５４０１ 筐体
５４０２ 表示部
５４０３ キーボード
５４０４ ポインティングデバイス
５６０１ 筐体
５６０２ 筐体
５６０３ 表示部
５６０４ 表示部
５６０５ 接続部
５６０６ 操作キー
５８０１ 筐体
５８０２ 筐体
５８０３ 表示部
５８０４ 操作キー
５８０５ レンズ
５８０６ 接続部

Claims (4)

1. プログラマブルロジックデバイスと、プロセッサと、記憶装置と、を有する半導体装置の動作方法であって、
   前記プログラマブルロジックデバイスは、メモリモジュールと、メモリエレメントと、複数のロジックエレメントと、を有し、
   前記記憶装置は、第１のアプリケーションプログラムと、前記第１のアプリケーションプログラムに関連づけられた第１のコンフィギュレーションデータと、を有し、
   前記プロセッサによって前記第１のアプリケーションプログラムが実行されるとき、
   前記第１のコンフィギュレーションデータが前記記憶装置から前記メモリエレメントに転送されるステップと、
   前記メモリモジュールによって、前記メモリエレメントに転送された前記第１のコンフィギュレーションデータに基づいて前記複数のロジックエレメントの論理回路が定義されるステップと、
   前記メモリモジュールによって、最後に前記第１のコンフィギュレーションデータがロジックアレイに書き込まれた時間又は実行回数がカウントされるステップと、
   前記メモリモジュールによって、前記書き込まれた時間又は前記実行回数によって使用頻度を判断するステップと、を有する半導体装置の動作方法。
2. 請求項１において、
   前記記憶装置は、第２のアプリケーションプログラムと、前記第２のアプリケーションプログラムに関連づけられた第２のコンフィギュレーションデータと、を有し、
   前記プロセッサによって前記第２のアプリケーションプログラムが実行されるとき、
   前記メモリモジュールによって、前記メモリエレメントに前記第２のコンフィギュレーションデータが記憶されているか確認されるステップと、
   前記メモリエレメントに前記第２のコンフィギュレーションデータが記憶されていない場合に、
   前記メモリモジュールによって、前記メモリエレメントに前記第２のコンフィギュレーションデータが転送されるステップと、
   前記メモリモジュールによって、前記メモリエレメントに追加された前記第２のコンフィギュレーションデータに基づいて前記複数のロジックエレメントの論理回路が定義されるステップと、
   前記メモリモジュールによって、最後に前記第２のコンフィギュレーションデータがロジックアレイに書き込まれた時間又は実行回数がカウントされるステップと、
   前記メモリモジュールによって、前記書き込まれた時間又は前記実行回数によって使用頻度を判断するステップと、
   前記メモリモジュールによって、前記使用頻度によって前記第１のコンフィギュレーションデータ及び前記第２のコンフィギュレーションデータに対し優先度を付与するステップと、を有する半導体装置の動作方法。
3. 請求項１又は２において、
   前記記憶装置は、第３のアプリケーションプログラムと、前記第３のアプリケーションプログラムに関連づけられた第３のコンフィギュレーションデータと、を有し、
   前記プロセッサによって前記第３のアプリケーションプログラムが実行されるとき、
   前記メモリモジュールによって、前記メモリエレメントに前記第３のコンフィギュレーションデータが記憶されているかを確認されるステップと、
   前記メモリエレメントに前記第３のコンフィギュレーションデータが記憶されていない場合に、前記メモリモジュールによって、前記第１のコンフィギュレーションデータ及び前記第２のコンフィギュレーションデータのうち、使用頻度の低いと判断される方が前記第３のコンフィギュレーションデータに上書きされるステップと、
   前記メモリモジュールによって、前記メモリエレメントに上書きされた前記第３のコンフィギュレーションデータに基づいて前記複数のロジックエレメントの論理回路が定義されるステップと、
   前記メモリモジュールによって、最後に前記第３のコンフィギュレーションデータがロジックアレイに書き込まれた時間又は実行回数がカウントされるステップと、
   前記メモリモジュールによって、前記書き込まれた時間又は前記実行回数によって使用頻度を判断するステップと、
   前記メモリモジュールによって、前記使用頻度によって前記第１のコンフィギュレーションデータ乃至前記第３のコンフィギュレーションデータに対し優先度を付与するステップと、を有する半導体装置の動作方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか一において、
   前記使用頻度は、前記書き込まれた時間又は前記実行回数によって管理される半導体装置の動作方法。

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