JP2020010354A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】リコンフィギャラブル回路(RC回路)の駆動方法を提供する。【解決手段】RC回路を有するプロセッサにおいて、RC回路によってテスト回路を構成し、コアやキャッシュメモリ等をテストし、その後、RC回路の一部を補助のキャッシュメモリとして用いる。また、メモリが電源遮断後も記憶を保持できるものであれば、プロセッサのスタートアップルーチンプログラム(SRP)を保持することに用いる。テスト終了後に、外部のROM等からSRPをRC回路に設けられたメモリにロードし、次にプロセッサに電源が投入された後は、ロードされたSRPを用いて開始操作を行う。また、プロセッサが通常動作の状態となると、このメモリは補助のキャッシュメモリとして用いられるので、SRPは上書きされる。プロセッサの使用が終了する際には、再度、SRPがメモリにロードされる。【選択図】図2

Description

1つの実施形態は、情報処理装置に関する。
半導体集積回路の一つとして、出荷後にユーザがプログラミングすることにより回路機能
を一度あるいは複数回変更することが可能なコンフィギャラブル回路が知られている。コ
ンフィギャラブル回路は、例えば、小規模なPAL(Programmable Arr
ay Logic)やGAL(Generic Array Logic)、規模の大き
なCPLD(Complex Programmable Logic)、FPGA(F
ield Programmable Gate Array)が挙げられる。なお、コ
ンフィギャラブル回路は、コンフィギャラブル・デバイス等と呼ばれる場合もあり、また
、プログラマブル回路でもある。なお、回路機能を複数回変更することが可能な回路を、
特に、リコンフィギャラブル(再構成可能)回路という。
リコンフィギャラブル回路は、コンフィギュレーション・メモリに格納するコンフィギュ
レーションデータを書き換える、あるいは、コンフィギュレーション・メモリから読み出
すコンフィギュレーションデータを変更することにより、1つの回路で複数の用途に使い
分けることが可能である。
例えば、特許文献1は、FPGAを半導体チップに組み込み、FPGAを用いて、テスタ
を構成し、半導体チップ内のCPU、SRAM、およびDRAMのテストを行うことを開
示している。
なお、リコンフィギャラブル回路に用いられる半導体は、シリコンに限定されず、例えば
、特許文献2および特許文献3には、酸化物半導体を用いた例が開示されている。
国際公開第00/62339号 米国特許第8,547,753号明細書 米国特許第8,675,382号明細書
例えば、メモリとしても使用できるリコンフィギャラブル回路やその駆動方法等を提供す
ること、または、動作時間が短縮できるメモリあるいは情報処理装置やその駆動方法等を
提供すること、または、テスト回路を備えつつも、製造コストを抑えることが可能なメモ
リあるいは情報処理装置やその駆動方法等を提供すること、または、新規な情報処理装置
やその駆動方法等などを提供すること、または、明細書、図面、請求項などの記載から抽
出された上記以外の一または複数の課題の少なくとも一つである。
第1乃至第3のスイッチアレイマトリクスと、論理回路とを有し、第1乃至第3のスイッ
チアレイマトリクスは、それぞれ、第1の配線群と第2の配線群によって構成されるマト
リクスの交点にプログラマブルスイッチを有し、プログラマブルスイッチは、第1の配線
群の一の配線と第2の配線群の一の配線を電気的に接続あるいは切断させることができ、
第2のスイッチアレイマトリクスの第2の配線群の複数の配線の信号は論理回路に入力さ
れ、論理回路の出力は、第1のスイッチを介して、第1のスイッチアレイマトリクスの第
1の配線群の一の配線に入力され、論理回路の出力は、第2のスイッチを介して、第2の
スイッチアレイマトリクスの第1の配線群の一の配線に入力され、論理回路の出力は、第
3のスイッチを介して、第3のスイッチアレイマトリクスの第1の配線群の一の配線に入
力される構成を有する情報処理装置である。
上記課題の少なくとも一つを解決できる。
情報処理装置の構成例を説明する図。 情報処理装置の構成例を説明する図。 情報処理装置の構成例を説明する図。 情報処理装置の構成例を説明する図。 情報処理装置の構成例を説明する図。 情報処理装置の構成例を説明する図。 情報処理装置の動作例を説明する図。 情報処理装置の動作例を説明する図。 情報処理装置の構成例を説明する図。 情報処理装置の構成例を説明する図。 情報処理装置の構成例を説明する図。 情報処理装置の構成例を説明する図。 情報処理装置の構成例を説明する図。 情報処理装置の構成例を説明する図。 情報処理装置の動作例を説明する図。 情報処理装置の動作例を説明する図。 情報処理装置の動作例を説明する図。 情報処理装置の構成例を説明する図。 情報処理装置の構成例と動作例を説明する図。 情報処理装置の構成例と動作例を説明する図。 情報処理装置の断面構造の例を説明する図。 情報処理装置の断面構造の例を説明する図。 酸化物半導体の構造の例を説明する図。 酸化物半導体の構造の例を説明する図。 情報処理装置を備えた電子機器を説明する図。
以下では、実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。但し、以下の説明に限定さ
れず、趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態およ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。従って、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。また、以下の一以上の実施の形態は、他の一以上の実施の形態と適
宜組み合わせて実施することができる。
なお、以下に説明する実施の形態において、同一部分または同様な機能を有する部分には
同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
また、信号のハイ(”H”)やロー(”L”)という表現は、回路構成によって逆転する
場合もある。また、対象となる配線やトランジスタに応じて、同じ”H”(あるいは”L
”)であっても、電位や電圧等が異なることがある。すなわち、ある信号線の”H”(あ
るいは”L”)は他の信号線の”H”(あるいは”L”)と、異なる電位であることがあ
る。
以下では、マトリクスは、行と列が直交するように表現することがあるが、現実のマトリ
クスでは、行と列が直角以外の角度で交差してもよい。
以下において、トランジスタは、同等な機能を有する電気的あるいは機械的スイッチある
いはスイッチング素子で置換可能である。
(実施の形態1)
図1には情報処理装置100を示す。情報処理装置100は複数のスイッチアレイマトリ
クスSWMと論理回路LCがマトリクス状に配置され、それらが相互に電気的に接続ある
いは切断されることで回路(リコンフィギャラブル回路)を構成する。例えば、図1の情
報処理装置100では、スイッチアレイマトリクスSWMからは3つの信号が隣接する論
理回路LCに入力される。なお、論理回路LCに入力される信号は3に限られず、2でも
4以上でもよい。
論理回路LCからは、一例としては、3つの信号が出力され、同じ行にある3つの異なる
スイッチアレイマトリクスSWMに入力される。なお、3つの信号は後述するように同じ
ものである。ただし、論理回路LCの設定によって、3つの信号のうちの一部あるいは全
部が、対応するスイッチアレイマトリクスSWMに送られないようにできる。
スイッチアレイマトリクスSWMには、配線CLの信号も入力される。図1では、例えば
、スイッチアレイマトリクスSWM[1,1]には、3n本の配線(配線CL[1−1]
乃至配線CL[1−3n])が通過するが、これに限られない。
このようなスイッチアレイマトリクスSWMと論理回路LCのマトリクスの両端には入出
力回路(I/O回路)が設けられ、スイッチアレイマトリクスSWMへ信号が出力され、
あるいは、論理回路LCからの信号が入力される。
図2は、より小規模な情報処理装置を示す。ここでは、一例として、図1における列方向
の論理回路の数が3であるものとする。図2は、スイッチアレイマトリクスSWM[1,
2]、スイッチアレイマトリクスSWM[2,2]、スイッチアレイマトリクスSWM[
3,2]、論理回路LC[1,2]、論理回路LC[2,2]、論理回路LC[3,2]
と、その他のスイッチアレイマトリクスSWMや論理回路LCに関する回路構成を示した
ものである。
スイッチアレイマトリクスSWM[1,2]には、配線CL[2−1]乃至配線CL[2
−9]と、配線RL[1−1,2]乃至配線RL[1−3,2]がマトリクス状に交差し
、交点にはプログラマブルスイッチPSWが設けられる。例えば、配線CL[2−9]と
配線RL[1−1,2]の交点にはプログラマブルスイッチPSW[1−1,2−9]が
設けられる。プログラマブルスイッチPSWは、ここで、交差する配線RLと配線CLと
の間の切断および接続を制御できる機能を有している。例えば、プログラマブルスイッチ
PSW[1−1,2−9]は、配線CL[2−9]と配線RL[1−1,2]との間の切
断および接続を制御することができる。
以下では、プログラマブルスイッチPSWがオンであるとは、プログラマブルスイッチP
SWが関与する配線RLと配線CLがプログラマブルスイッチPSWを介して電気的に接
続されている(導通している)ことを意味し、プログラマブルスイッチPSWがオフであ
るとは、関与する配線RLと配線CLがプログラマブルスイッチPSWを介しては接続さ
れていないことを意味するものとする。このように、配線RLと配線CLは、プログラマ
ブルスイッチPSWを介して電気的に接続可能であり、また、電気的に切断可能である。
スイッチアレイマトリクスSWM[1,2]には、27個のプログラマブルスイッチPS
Wが設けられる。スイッチアレイマトリクスSWM[2,2]、スイッチアレイマトリク
スSWM[3,2]でも同様である。
配線RLからは論理回路LCに信号が入力される構成となっている。例えば、プログラマ
ブルスイッチPSW[1−1,2−9]がオンであれば、配線CL[2−9]を伝播する
信号が、配線RL[1−1,2]を介して、論理回路LC[1,2]に入力されることと
なる。
論理回路LC[1,2]からは、見かけ上3つの信号が出力される(上述のとおり、これ
らは1つの信号が分岐したものである)。このうち、1つは、スイッチアレイマトリクス
SWM[1,2]に入力される(厳密に言えば、スイッチアレイマトリクスSWM[1,
2]を通過する配線CL[2−7]に入力される)。もう1つは、スイッチアレイマトリ
クスSWM[1,1]に入力される(厳密に言えば、スイッチアレイマトリクスSWM[
1,1]を通過する配線CL[1−4]に入力される)。残りの1つは、スイッチアレイ
マトリクスSWM[1,3]に入力される(厳密に言えば、スイッチアレイマトリクスS
WM[1,3]を通過する配線CL[3−1]に入力される)。
次に、プログラマブルスイッチPSWの例について、図3(A)、図3(B)および図4
を用いて説明する。図3(A)、図3(B)および図4に示すプログラマブルスイッチP
SW[1−1,2−9]は、トランジスタ101(あるいはトランジスタ101a乃至ト
ランジスタ101c)、トランジスタ102(あるいはトランジスタ102a乃至トラン
ジスタ102c)、トランジスタ103(あるいはトランジスタ103a乃至トランジス
タ103c)、容量素子104(あるいは容量素子104a乃至容量素子104c)を有
する。なお、容量素子104(あるいは容量素子104a乃至容量素子104c)は意図
的に設けなくてもよい。以下では、トランジスタは全てN型であるとして説明するが、一
部あるいは全部がP型であってもよい。また、トランジスタ103の代わりにトランスミ
ッションゲートを使用してもよい。
トランジスタ101(あるいはトランジスタ101a乃至トランジスタ101c)を極め
てオフ電流の少ない酸化物半導体を用いたトランジスタ(特許文献2および特許文献3参
照)とすることで、容量素子104(あるいは容量素子104a乃至容量素子104c)
あるいはトランジスタ102(あるいはトランジスタ102a乃至トランジスタ102c
)のゲートに蓄積された電荷の流出を抑制でき、電源の供給が絶たれた後でも、トランジ
スタ102(あるいはトランジスタ102a乃至トランジスタ102c)のゲートの電位
を十分な長時間保持できる。
したがって、後述するように、トランジスタ102(あるいはトランジスタ102a乃至
トランジスタ102c)のオンあるいはオフによって、データを記憶するメモリとして用
いる場合は、酸化物半導体を用いたトランジスタを用いることで、電源の供給が絶たれた
後でも、データを保持できる実質的に不揮発なメモリとしても使用できる。
例えば、図3(A)に示されるプログラマブルスイッチPSW[1−1,2−9]では、
トランジスタ101のゲートは配線WWL[1−1]に、ソースあるいはドレインの一方
は配線BL[2−9]に、他方はトランジスタ102のゲートに、それぞれ接続されてい
る。また、トランジスタ103のゲートは配線CWL[1−1]に、ソースあるいはドレ
インの一方は配線RL[1−1,2]に、それぞれ接続されている。また、トランジスタ
102のソースあるいはドレインの一方は配線CL[2−9]に、他方はトランジスタ1
03のソースあるいはドレインの他方に、それぞれ接続されている。また、容量素子10
4の一方の電極はトランジスタ102のゲートに接続されている。
なお、容量素子104に蓄積された電荷をより長期間保持する点で、容量素子104の一
方の電極は、トランジスタ101のソースあるいはドレインの他方以外の全ての配線やノ
ードと非一時的(恒常的)に接続されないように設定・設計されていてもよい。
なお、これらの接続関係は一例であり、配線と素子の間、あるいは配線間にスイッチ機能
や信号反転機能、増幅機能等を有する素子や回路を回路構造的に設けてもよい。すなわち
、ある配線あるいは、ある素子のゲート、ソース、ドレイン、電極等は、他の配線あるい
は他の素子のゲート、ソース、ドレイン、電極等と、それら以外の素子や回路を間に有す
る構成であってもよいし、そのような素子や回路を介さずに接続されていてもよい。
例えば、図3(A)に示されるプログラマブルスイッチPSW[1−1,2−9]は、ト
ランジスタ101のゲートは配線WWL[1−1]に接続され、トランジスタ103のゲ
ートは配線CWL[1−1]に接続され、配線BL[2−9]とトランジスタ102のゲ
ートの間には、トランジスタ101のソースとドレイン(あるいはソース、チャネル、ド
レイン)が設けられ、配線RL[1−1,2]と配線CL[2−9]の間には、トランジ
スタ102のソースとドレイン、トランジスタ103のソースとドレインが設けられた回
路構成であるとも表現できる。
なお、2つのノードの間にトランジスタを有し、そのソースとドレインが区別可能な場合
には、例えば、2つのノードの間に、ソース、チャネル、ドレインをこの順番で有する、
とも表現できる。
図3(A)に示されるプログラマブルスイッチPSW[1−1,2−9]は、トランジス
タ102とトランジスタ103がともにオンであるとき、オンとなる。トランジスタ10
3は、配線CWLの電位を制御することでオンとできる。また、トランジスタ102は、
そのゲートの電位を適切な値に維持することでオンとできる。
一例としては、トランジスタ101をオンとした状態(これは、配線WWL[1−1]の
電位を適切な値とすることで実現できる)で、配線BL[2−9]の電位を適切な値とす
ればよい。
このとき、一例では、配線CL[2−9]の電位は、配線BL[2−9]の電位よりも低
い。例えば、トランジスタ102が、そのゲートの電位が”H”、ソースの電位が”L”
のとき、オンとなるのであれば、配線BL[2−9]の電位を”H”(あるいはそれより
も高い電位)、配線CL[2−9]の電位を”L”(あるいはそれよりも低い電位)とす
る。
その後、トランジスタ101をオフとする。トランジスタ102のゲートが、他の配線や
回路と十分に絶縁できれば、一定の期間、トランジスタ102のゲートの電位をトランジ
スタ102がオンであるために必要とする電位に保持できる。このような操作をプログラ
マブルスイッチPSWのプログラミングという。また、このような状態を、プログラマブ
ルスイッチPSWがオンにプログラムされている、という。
なお、上記の条件でプログラミングされた場合、その後、配線CL[2−9]の電位が”
L”よりも高い電位となると、トランジスタ102のゲートの電位が、プログラミングの
際の配線BL[2−9]の電位よりも高くなることがある(ブースティング効果)。ブー
スティング効果は、トランジスタ102がオン状態であることにより、そのチャネルとゲ
ートの間の容量結合により、ゲートの電位が上昇する現象である。ブースティング効果は
、トランジスタ102のゲートの容量(容量素子104を含む。ただし、チャネル容量、
ゲートとソースの間の容量やゲートとドレインの間の容量を除く。)が小さいほど顕著と
なる。ブースティング効果によって、トランジスタ102のゲートの電位が上昇すること
は、トランジスタ102のオン抵抗を下げる上で好ましい。
なお、トランジスタ102をオフとするには、トランジスタ101をオンとした状態で、
配線BL[2−9]の電位を、例えば、”L”(あるいはそれよりも低い電位)とすると
よい。また、このような状態を、プログラマブルスイッチPSWがオフにプログラムされ
ている、という。
図3(B)に示されるプログラマブルスイッチPSW[1−1,2−9]は、図3(A)
に示されるものと、トランジスタ102とトランジスタ103の接続関係が異なる。すな
わち、図3(B)では、トランジスタ102のソースとドレインの一方が配線RL[1−
1,2]に、トランジスタ103のソースとドレインの一方が配線CL[2−9]に、そ
れぞれ、接続されている。しかし、配線RL[1−1,2]と、配線CL[2−9]との
間で、読み出しトランジスタ102とトランジスタ103とが直列接続されている点で図
3(A)に示されるものと共通している。
図3(B)に示されるプログラマブルスイッチPSW[1−1,2−9]で、ブースティ
ング効果を得るには、プログラミングの際に配線RL[1−1,2]の電位を”L”(あ
るいはそれよりも低い電位)とするとよい。あるいは、トランジスタ103をオンとした
状態で、配線CL[2−9]の電位を”L”(あるいはそれよりも低い電位)としてもよ
い。
図4に示されるプログラマブルスイッチPSW[1−1,2−9]は、図3(A)に示さ
れるものと同様な回路を3つ有するものであり、すなわち、サブプログラマブルスイッチ
Sub−PSWa[1−1,2−9]、サブプログラマブルスイッチSub−PSWb[
1−1,2−9]、サブプログラマブルスイッチSub−PSWc[1−1,2−9]を
有する。もちろん、図3(B)に示されるものと同様な回路を用いても構成できる。
これらは、いずれも、配線CL[2−9]と配線RL[1−1,2]の間の接続を制御す
るものであり、配線CWLa[1−1]乃至配線CWLc[1−1]の電位を制御するこ
とにより、トランジスタ103a乃至トランジスタ103cのいずれかのみをオンとする
ことで、プログラマブルスイッチPSW[1−1,2−9]を含む複数のプログラマブル
スイッチPSWで構成される最大で3つのパターンを短時間で切り替えることができる。
また、配線WWLa乃至配線WWLcによって、トランジスタ101a乃至トランジスタ
101cのオンオフを制御できる。
図5(A)は、論理回路LC[1,2]の構成例を示す。論理回路LC[1,2]には、
配線RL[1−1,2]、配線RL[1−2,2]、配線RL[1−3,2]の信号が入
力される。これらの配線の信号はルックアップテーブルLUTに直接あるいは間接に入力
される。ルックアップテーブルLUTの出力は、直接、あるいは、間接に、配線CL[1
−4]、配線CL[2−7]、配線CL[3−1]に入力される。ルックアップテーブル
LUTの出力と、配線CL[1−4]、配線CL[2−7]、配線CL[3−1]の間に
は、スイッチ105a乃至スイッチ105cが設けられる。
スイッチ105a乃至スイッチ105cとしては、例えば、単トランジスタ、アナログス
イッチ、トランスミッションゲート、あるいはトライステートバッファ等を用いることが
できる。あるいは、図3(A)や図3(B)に示すプログラマブルスイッチPSWを利用
してもよい。例えば、図3(A)に示されるプログラマブルスイッチPSWから、トラン
ジスタ103を除去したものでもよい。
図6(A)は、スイッチ105aとして、インバータ106aとトランスミッションゲー
ト107aからなる回路を用いる例を示す。図6(A)のスイッチ105aは、オンオフ
を制御する信号SIGによって、入力INと出力OUTの導通が制御される。なお、イン
バータ106aは、トランスミッションゲート107aに入力するための信号SIGの反
転信号を生成するためのものであるので、別に反転信号が入手できるのであれば不要であ
る。
図6(B)は、スイッチ105aとして、インバータ106b乃至インバータ106dと
トランスミッションゲート107bからなる回路を用いる例を示す。この回路では、図6
(A)に示される回路に、さらに、インバータ106cとインバータ106dを付加して
、入力INをこれらで増幅して、トランスミッションゲート107bに入力する構成であ
る。なお、入力INと出力OUTの間にさらに、複数個のインバータを追加してもよい。
図6(C)は、スイッチ105aとして、インバータ106eとインバータ106fとク
ロックドインバータ108からなる回路を用いる例を示す。この回路では、図6(B)に
示される回路のインバータ106dとトランスミッションゲート107bの機能をクロッ
クドインバータ108で得る。クロックドインバータ108からは、”H”、”L”、ハ
イインピーダンスの3つの出力を得ることができる。一般にクロックドインバータは、通
常のインバータよりも消費電力を低減できる。インバータ106fをクロックドインバー
タとしてもよい。また、同様に、図6(B)のインバータ106cとインバータ106d
の一方あるいは双方をクロックドインバータとしてもよい。また、入力INとクロックド
インバータ108の間にさらに、複数個のインバータ(あるいはクロックドインバータ)
を追加してもよい。
以上の例では、出力OUTは反転しないが、反転しても構わないのであれば、図6(B)
のインバータ106cとインバータ106dの一方や図6(c)のインバータ106fは
なくてもよい。あるいは、さらに奇数個のインバータを追加してもよい。
論理回路LCは、配線RLの信号に応じた信号を出力するが、論理回路LC内、典型的に
は、ルックアップテーブルLUT内にはメモリが設けられ、論理回路LCの出力パターン
はメモリに記憶されているデータ(コンフィギュレーションデータ)を変更することによ
って変更できる。論理回路LCのコンフィギュレーションデータを変更するには、そのた
びに外部からデータを供給してもよいし、予め論理回路LC内に複数のデータのセットを
用意し、変更の際には、その中の一つを適宜使用する構成でもよい。なお、後述するドラ
イブモードで使用する場合には、後述する[データの書き込み]の操作と同時に論理回路
LC内のメモリにもデータを書き込むとよい。
スイッチ105a乃至スイッチ105cは、連動してオンオフするように設定されてもよ
いし、独立にオンオフするように設定されてもよいし、2つが連動し、この2つと残りの
1つが独立にオンオフできるように設定されてもよい。スイッチ105a乃至スイッチ1
05cが独立にオンオフするように設定されている場合、例えば、スイッチ105cのみ
をオフ、他はオンとすると、論理回路LC[1,2]の出力は、CL[1−4]には送ら
れず、したがって、論理回路LC[1,1]には送られないので、論理回路LC[1,1
]を使用しない場合には、負荷を低減できる。
なお、ルックアップテーブルLUTの出力と配線CL[1−4]、配線CL[2−7]、
配線CL[3−1]の間に設けられるスイッチの構成例は、図5(B)に示すものでもよ
い。図5(B)に示す論理回路LC[1,2]は、スイッチ105a、スイッチ105b
1、スイッチ105b2、スイッチ105cを有し、スイッチ105aとスイッチ105
b1、スイッチ105b2とスイッチ105cが、それぞれ連動してオンオフするように
設定されている。したがって、例えば、スイッチ105b2とスイッチ105cをオフと
すれば、論理回路LC[1,2]の出力は、論理回路LC[1,1]には送られない。
また、ルックアップテーブルLUTの出力と配線CL[1−4]、配線CL[2−7]、
配線CL[3−1]の間に設けられるスイッチの構成例は、図5(C)に示すものでもよ
い。このように、スイッチは、ルックアップテーブルLUTの出力、配線CL[1−4]
、配線CL[2−7]、配線CL[3−1]の間の相互の接続が制御できるものであれば
よい。
スイッチアレイマトリクスSWMは、複合化された論理回路の一部としてもあるいはメモ
リの一部としても用いることができる。図7は、複合化された論理回路として用いられて
いる状態(ドライブモード)を示す。ここでは、論理回路LCからの3つの出力は、いず
れも、対応する配線CLに入力される構成(すなわち、図5(A)に示されるスイッチ1
05a乃至スイッチ105cがいずれもオンであるような状態)としている。
図中の黒四角は、その位置のプログラマブルスイッチPSWがオンにプログラムされてい
ることを意味し、白四角は、その位置のプログラマブルスイッチPSWがオフにプログラ
ムされていることを意味する。いくつかのプログラマブルスイッチPSWは、それぞれ、
1つの配線RLと1つの配線CLを接続し、それぞれの論理回路LCに、一以上の配線C
Lの信号を入力する構成が得られる。例えば、論理回路LC[1,1]には、配線CL[
1−2]、配線CL[1−5]、配線CL[1−9]の信号が入力され、論理回路LC[
1,2]には、配線CL[2−1]の信号が入力される。
プログラマブルスイッチPSWが、図3(A)に示す回路構成を有する場合には、ドライ
ブモードでは、複数行のプログラマブルスイッチPSWのトランジスタ103がオンであ
ることが求められるので、該当する配線CWLの電位は、同じとするとよい。
図8は、メモリとして用いられている状態(メモリモード)を示す。プログラマブルスイ
ッチPSWは、オンにプログラムされているか、あるいはオフにプログラムされているか
、でデータを記憶する。論理回路LCに、配線CLの信号が入力されるが、論理回路LC
からの出力が、配線CLに入力されることがないように設定される。例えば、図5(A)
に示すスイッチ105a乃至スイッチ105cを全てオフとする。そのため、一のスイッ
チアレイマトリクスSWMは、左右のスイッチアレイマトリクスSWMから分離される。
なお、メモリモードでは、プログラマブルスイッチPSWとして図3(A)に示す構成の
回路を用いた場合には、データの読み出しに際して、後述するように、選択した行のトラ
ンジスタ103のみをオンとする必要がある。
スイッチアレイマトリクスSWMをメモリモードで用いる場合には、ドライブモードで用
いられる場合以上の周辺回路を必要とする場合がある。上記のように、プログラマブルス
イッチPSWには、配線BL、配線CL、配線RL、配線WWL、配線CWL等が接続さ
れている。スイッチアレイマトリクスSWMをメモリモードで用いる場合には、プログラ
マブルスイッチPSWはメモリセルとして機能し、それらの配線がデータの書き込みや読
み出しに用いられるので、それらの電位を必要とするものとするための駆動回路が必要と
される。図9には、駆動回路の例を示す。なお、図9では、論理回路LC、配線RL、出
入力回路等は省略している。
このうち、データの書き込みに関しては、メモリモードで用いる場合でも、ドライブモー
ドと同様の駆動回路でよい。すなわち、配線BLに信号を送るためのドライバBL_Dr
iver、配線WWLに信号を送るためのドライバWWL_Driverで駆動できる。
一方、メモリモードでデータの読み出しを行う場合には、配線CL、配線CWLや配線R
Lの電位をデータの読み出しに適切なものとするので、その操作に応じたドライバCL_
Driver、ドライバCWL_Driver等を設ける。
なお、ドライバBL_DriverとドライバCL_Driverが一体として構成され
ていてもよいし、ドライバWWL_DriverとドライバCWL_Driverが一体
として構成されていてもよい。また、ドライバBL_Driver、ドライバCL_Dr
iver、ドライバWWL_Driver、ドライバCWL_Driverはそれぞれ独
自にデコーダ(あるいは行や列を指定できる同等な回路)を有してもよい。あるいは、図
10に示すように、列デコーダ(Column Decoder)のデータが、ともにデ
コーダを有さないドライバBL_DriverとドライバCL_Driverの双方に送
られる構成や、行デコーダ(Row Decoder)のデータが、ともにデコーダを有
さないドライバWWL_DriverとドライバCWL_Driverの双方に送られる
構成でもよい。以下、これらについて説明する。
[スイッチアレイマトリクスSWM]
図11には、スイッチアレイマトリクスSWM[1,1]の一部を示す。スイッチアレイ
マトリクスSWM[1,1]は、複数のプログラマブルスイッチPSWにより構成され、
各プログラマブルスイッチPSWは、配線CLと配線RLの交点に設けられる。ここでは
、プログラマブルスイッチPSWは、図3(A)に示される構成である。
それぞれの配線RLには、配線CFGにより制御されるトランジスタ111が設けられ、
これをオンとすると配線RLの電位をGNDにすることができる。また、トランジスタ1
11がオフであると、配線RLをハイインピーダンスとすることができる。配線RLには
、ノイズの影響を低減し、電位を安定化するためのラッチ回路が設けられてもよい。
一例では、ドライブモードで使用される場合には、トランジスタ111をオフとする。一
例では、メモリモードのうち、後述するデータメモリとして使用する場合には、トランジ
スタ111をオンとし、後述するタグメモリとして使用する場合には、トランジスタ11
1をオフとする。例えば、スイッチアレイマトリクスSWMごとにトランジスタ111が
制御されると、一のスイッチアレイマトリクスSWMをデータメモリ(トランジスタ11
1をオン)とし、他のスイッチアレイマトリクスSWMをタグメモリ(トランジスタ11
1をオフ)として使用することができる。
トランジスタ111をオンとし、また、対応する配線CWLを”H”として、プログラマ
ブルスイッチPSW等のトランジスタ103をオンとすると、各プログラマブルスイッチ
PSWの状態(オンかオフか)に応じて、それぞれと交差する配線CLの電位が変動する
。この特徴を用いて、プログラマブルスイッチPSWの状態を判定でき、プログラマブル
スイッチPSWをメモリセルとして利用できる。
[ドライバCL_Driver]
図12には、ドライバCL_Driverの例を示す。配線CLは、トランジスタ115
により、電位VDDにプリチャージされ、また、トランジスタ114により、電位GND
にプリチャージされる。トランジスタ115は、配線PCLにより、また、トランジスタ
114は配線RDにより、オンオフが制御される。
また、配線CLの電位は、トランジスタ112とインバータ113により構成されるラッ
チ回路により、安定に保持される。なお、トランジスタ112とインバータ113により
構成されるラッチ回路は設けなくてもよい。配線CLの電位は、インバータ116を介し
て、配線DOに出力される。
図13には、ドライバCL_Driverの別の例を示す。この例では、配線CLの電位
はクロック信号CLKで制御されるトランスミッションゲート117およびインバータ1
16を介して配線DOに送られる。インバータ116にさらにトランジスタや他のインバ
ータを追加して、ラッチ回路を構成してもよい。
[ドライバCWL_Driver]
図1に示すスイッチアレイマトリクスSWMが、プログラマブルスイッチPSWとして図
3(A)に示す構成の回路を有する場合において、ドライブモードで使用する場合には、
複数の配線CWLに同時に同じ電位を与えることで、同時に複数行のトランジスタ103
をオンあるいはオフとする。すなわち、この場合には、行の指定は不要である。
しかしながら、後述するように、メモリモードでは、選択された行のトランジスタ103
のみをオンとする必要がある。この操作はデコーダ等によって行うことができる。
このように、行の指定を行う場合とそうでない場合に対応する必要がある。そのためには
、一例として、図14(A)に示される構成のドライバCWL_Driverを使用する
とよい。この例では、行デコーダのそれぞれの出力はORゲート118に入力される。O
Rゲートには信号ENも入力される。したがって、ORゲート118の出力は行デコーダ
の出力あるいは信号ENのいずれかが”H”であれば、”H”を出力する。ドライブモー
ドでは、信号ENを”H”とすれば、すべての配線CWLの信号が”H”となる。また、
メモリモードで使用する場合には、信号ENを”L”とすれば、行デコーダの出力が”H
”の行のみ、ORゲート118は”H”を出力するので、特定の行を指定できる。
また、プログラマブルスイッチPSWとして、図4に示される構成の回路を用いる場合に
は、ドライブモードであっても、配線CWLが3種類(すわなち、配線CWLa、配線C
WLb、配線CWLc)あり、それらのいずれかをオンとする必要があるので、図14(
B)のように、ORゲート118aには、行デコーダの第1出力と信号ENaが、ORゲ
ート118bには、行デコーダの第2出力と信号ENbが、ORゲート118cには、行
デコーダの第3出力と信号ENcが、それぞれ入力される構成とするとよい。
ドライブモードでは、行デコーダの出力を全て”L”とし、信号ENa乃至信号ENcの
いずれかを”H”とするとよい。また、メモリモードでは、信号ENa乃至信号ENcの
全てを”L”とすれば、行デコーダの出力が”H”の行にのみ、ORゲート118は”H
”を出力するので、特定の行を指定できる。
なお、ORゲートの出力は、直接、配線CWLに入力してもよいし、昇圧回路(Boos
ter)、降圧回路、または、レベルシフタ回路等の回路を介して入力してもよい。また
、同様な動作は、ORゲートに限らず、NORゲートやXORゲート、XNORゲート、
あるいはそれらと同等な機能を有する回路等を用いても、入力する信号の極性等を変更す
ることで構成できる。
なお、このような論理回路では、1つの信号に対する反転信号を別に用意すれば論理回路
を構成するトランジスタを省略できることがある。例えば、XORゲートは、通常、6つ
のトランジスタが必要であるが、うち、2つは、1つの信号の反転信号を生成するために
使用される。したがって、1つの信号とその反転信号があれば、4つのトランジスタで同
等な機能を有する回路を構成できる。
次に、スイッチアレイマトリクスSWMの動作について説明する。ここでは、ドライブモ
ードおよびメモリモードでのデータの書き込み、ドライブモードでの動作、通常のメモリ
(データメモリ)として使用する場合のデータの読み出し、タグメモリとして使用する場
合のデータの読み出し、ドライブモードで使用するデータの検証、について例を挙げて説
明するが、その他の用途にも使用できる。また、以下の説明以外の方法でも、これらの動
作を実行することができる。
[データの書き込み]
図15(A)に、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−1]、プログラマブルス
イッチPSW[1−1,1−2]、プログラマブルスイッチPSW[1−3,1−1]、
プログラマブルスイッチPSW[1−3,1−2]に、それぞれ、”H”、”L”、”L
”、”H”のデータを書き込む場合を示す。すなわち、プログラマブルスイッチPSW[
1−1,1−1]、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−2]、プログラマブル
スイッチPSW[1−3,1−1]、プログラマブルスイッチPSW[1−3,1−2]
は、それぞれ、オン、オフ、オフ、オンとなる(あるいは、プログラムされる)。
なお、データの書き込みに先行して、リセット操作(初期化操作)を行ってもよい。リセ
ット操作は配線CFGおよび配線WWLを”H”、配線BL、配線CLの電位を”L”と
することで、スイッチアレイマトリクスSWM内の配線の電位と各プログラマブルスイッ
チPSWのトランジスタ102のゲートの電位を”L”とする操作である。この結果、各
プログラマブルスイッチPSWはオフとなり、配線CLと配線RLの間での不要な短絡を
避けることができる。
データの書き込みは以下のように行う。配線WWL[1−1]を”H”とし、プログラマ
ブルスイッチPSW[1−1,1−1]とプログラマブルスイッチPSW[1−1,1−
2]のトランジスタ101をオンとする(時刻T1)。このとき、配線WWL[1−3]
は”L”なので、プログラマブルスイッチPSW[1−3,1−1]とプログラマブルス
イッチPSW[1−3,1−2]のトランジスタ101はオフである。
さらに、配線BL[1−1]を”H”、配線BL[1−2]の電位を”L”とする(時刻
T2)。その結果、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−1]とプログラマブル
スイッチPSW[1−1,1−2]のトランジスタ102のゲートの電位は、それぞれ、
”H”と”L”となる。その後、配線WWL[1−1]を”L”とし、プログラマブルス
イッチPSW[1−1,1−1]とプログラマブルスイッチPSW[1−1,1−2]の
トランジスタ101をオフとする(時刻T3)。配線WWL[1−1]は、データを書き
込む場合以外は”L”を維持する。
次に、配線WWL[1−3]を”H”とし、プログラマブルスイッチPSW[1−3,1
−1]とプログラマブルスイッチPSW[1−3,1−2]のトランジスタ101をオン
とする(時刻T5)。このとき、配線WWL[1−1]は”L”なので、プログラマブル
スイッチPSW[1−1,1−1]とプログラマブルスイッチPSW[1−1,1−2]
のトランジスタ101はオフである。
さらに、配線BL[1−1]を”L”、配線BL[1−2]の電位を”H”とする(時刻
T6)。その結果、プログラマブルスイッチPSW[1−3,1−1]とプログラマブル
スイッチPSW[1−3,1−2]のトランジスタ102のゲートの電位は、それぞれ、
”L”と”H”となる。その後、配線WWL[1−3]を”L”とし、プログラマブルス
イッチPSW[1−3,1−1]とプログラマブルスイッチPSW[1−3,1−2]の
トランジスタ101をオフとする(時刻T7)。配線WWL[1−3]は、データを書き
込む場合以外は”L”を維持する。
以上の過程において、一例では、配線CLと配線RLは”L”に保持されてもよい。これ
によって、上述のブースティング効果を得ることができる。例えば、配線RD[1]およ
び配線RD[2]の電位を”H”とすることで、トランジスタ114をオンとし、配線C
L[1−1]および配線CL[1−2]の電位をGND(すなわち、”L”)としてもよ
い。あるいは、配線CFGを”H”とすることで、トランジスタ111をオンとし、配線
RLの電位をGNDとしてもよい。
なお、配線CWL[1−1]、配線CWL[1−3]の電位は”L”でも”H”でもよい
。つまり、トランジスタ103はオンでもオフでもよい。図15(A)では”L”、つま
り、トランジスタ103はオフとする。この場合でも、配線CL[1−1]および配線C
L[1−2]の電位がGNDであるので、ブースティング効果が得られる。なお、プログ
ラマブルスイッチPSWとして、図3(B)に示す構成のものを用いる場合には、トラン
ジスタ103がオフである場合には、配線RLの電位をGNDとすることで、やはりブー
スティング効果が得られる。
なお、ドライブモードでの使用の前であれば、以上の操作と同時あるいは前後に、論理回
路LC内のメモリにもコンフィギュレーションデータを書き込むとよい。
[ドライブモードでの動作]
ドライブモードでの動作例を図15(B)に示す。ドライブモードでは、配線CLに出入
力回路や論理回路LCからデータが入力され、各プログラマブルスイッチPSWの状態(
オンあるいはオフ)によって、配線RLに信号が伝達されるか否かが決定される。配線C
Lと配線RLの電位が信号以外のものにならないようにすることが求められる。したがっ
て、配線CFGや配線RDは”L”とし、また、配線PCLは”H”とし、トランジスタ
111、トランジスタ114、トランジスタ115等はオフであるようにする。
まず、配線CWLは”H”として、トランジスタ103をオンとする(時刻T9)。さら
に、論理回路LC内部のスイッチ105a乃至スイッチ105c(図5(A)乃至図5(
C)参照)等、論理回路と配線CLとの接続を制御するスイッチの一部あるいは全てをオ
ンとする。入出力回路と配線CLとの接続を制御するスイッチも同様である。なお、配線
WWLは”L”を維持する。配線BLの電位は、各プログラマブルスイッチPSWがデー
タを保持できるものであれば、特に制限はないが、例えば、”L”としておく。この状態
で、スイッチアレイマトリクスSWMに外部より信号を供給する(時刻T10)。
上記の例では、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−1]、プログラマブルスイ
ッチPSW[1−1,1−2]、プログラマブルスイッチPSW[1−3,1−1]、プ
ログラマブルスイッチPSW[1−3,1−2]に、それぞれ、”H”、”L”、”L”
、”H”のデータが書き込まれたので、例えば、配線CL[1−1]のデータDATA1
は、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−1]を介して、配線RL[1−1,1
]に伝送され、配線CL[1−2]のデータDATA2は、プログラマブルスイッチPS
W[1−3,1−2]を介して配線RL[1−3,1]に伝送される。
[データメモリの読み出し動作]
メモリモードで使用する場合も、データの書き込みは上記の[データの書き込み]で示し
た方法を利用できる。ここでは、上記の[データの書き込み]で示したように、プログラ
マブルスイッチPSW[1−1,1−1]、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1
−2]、プログラマブルスイッチPSW[1−3,1−1]、プログラマブルスイッチP
SW[1−3,1−2]に、それぞれ、”H”、”L”、”L”、”H”のデータを書き
込んだ後、そのデータを図12に示したドライバCL_Driverを用いて読み出す例
を、図16(A)を用いて説明する。
読み出しの際は、論理回路LC内部のスイッチ105a乃至スイッチ105c等、論理回
路と配線CLとの接続を制御するスイッチをオフとする。入出力回路と配線CLとの接続
を制御するスイッチも同様である。また、配線CFGを”H”として、トランジスタ11
1をオンとし、配線RLの電位をGNDとする。
最初に、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−1]、プログラマブルスイッチP
SW[1−1,1−2]のデータを読み出すので、配線CWL[1−1]の電位を”H”
とする(時刻T13)。その結果、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−1]、
プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−2]のトランジスタ103がオンとなる。
次に、配線PCLを”L”とし、トランジスタ115をオンとする(時刻T14)。その
結果、配線CLの電位はVDD(すなわち、”H”)となる。この結果、配線DO[1]
および配線DO[2]の電位は”L”になる。
その後、配線PCLを”H”とし、トランジスタ115をオフとする(時刻T15)。こ
こで、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−1]はオンであるので、配線CL[
1−1]は配線RL[1−1]と、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−1]を
介して接続されており、配線RL[1−1]には、依然として、電位GNDが供給されて
いるため、配線CL[1−1]の電位はGNDになる(配線DO[1]の電位は”H”と
なる)。一方、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−2]はオフであるので、配
線CL[1−2]は配線RL[1−1]や他の配線と切断されており、配線CL[1−2
]の電位はVDDのままである(配線DO[2]の電位は”L”のままである)。その後
、配線CWL[1−1]を”L”とする(時刻T16)。
このように、配線PCLを”H”とした後の配線DO[1]と配線DO[2]の電位を観
測することで、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−1]およびプログラマブル
スイッチPSW[1−1,1−2]の状態(オンであるかオフであるか)を判定でき、結
果として、記憶されたデータを読み出すことができる。
プログラマブルスイッチPSW[1−3,1−1]、プログラマブルスイッチPSW[1
−3,1−2]の読み出しも同様である。配線CWL[1−3]の電位を”H”とする(
時刻T17)。その結果、プログラマブルスイッチPSW[1−3,1−1]、プログラ
マブルスイッチPSW[1−3,1−2]のトランジスタ103がオンとなる。なお、プ
ログラマブルスイッチPSW[1−3,1−2]はオンであるので、このときに、配線C
L[1−2]と配線RL[1−3]が接続され、配線CL[1−2]の電位はGNDとな
る。
そして、同様に、配線PCLを”L”として、配線CLの電位をVDD(配線DO[1]
および配線DO[2]を”L”)とした(時刻T18)後、配線PCLを”H”とする(
時刻T19)。
プログラマブルスイッチPSW[1−3,1−2]はオンであるので、配線CL[1−2
]は配線RL[1−3]と、プログラマブルスイッチPSW[1−3,1−2]を介して
接続しており、配線RL[1−3]には、電位GNDが供給されているため、配線CL[
1−2]の電位はGNDになる(配線DO[2]の電位は”H”となる)。一方、プログ
ラマブルスイッチPSW[1−3,1−1]はオフであるので、配線CL[1−1]は配
線RL[1−3]や他の配線と切断されており、配線CL[1−1]の電位はVDDのま
まである(配線DO[1]の電位は”L”のままである)。そして、配線CWL[1−3
]を”L”とする(時刻T20)。
図16(A)に示された方法では、トランジスタ111を用いて、配線RL[1−1,1
]の電位をGNDにするが、このことは、例えば、プログラマブルスイッチPSW[1−
1,1−9]をオンとした上で、図12あるいは図13のトランジスタ114をオンとす
ることによっても実現できる。したがって、この場合には、トランジスタ111や配線C
FGは不要となる。
ただし、この場合は、配線RL[1−1,1]と電位GNDの間に、トランジスタ114
とプログラマブルスイッチPSW[1−1,1−9]のトランジスタ102とトランジス
タ103が含まれているため、電位が所定のものとなるまでにより長い時間を要すること
がある。また、プログラマブルスイッチPSWの一部(上記の場合には、プログラマブル
スイッチPSW[1−1,1−9])にはデータを書き込めない。このような方式を用い
たデータの読み出し方法を、図16(B)を用いて説明する。なお、ドライバCL_Dr
iverとして、図13に示す構成のものを用いるとするが、図12に示す構成のもので
も同様に実施できる。
ここでは、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−1]、プログラマブルスイッチ
PSW[1−1,1−2]、プログラマブルスイッチPSW[1−3,1−1]、プログ
ラマブルスイッチPSW[1−3,1−2]に、それぞれ、”H”、”L”、”L”、”
H”のデータが書き込まれているとする。なお、プログラマブルスイッチPSW[1−1
,1−9]、プログラマブルスイッチPSW[1−3,1−9]にも”H”が書き込まれ
ているものとするが、これはデータではない。
配線RD[1]、配線RD[2]は”L”を、配線RD[9]は”H”を維持する。当初
、配線RLの電位はGNDである。まず、配線CWL[1−1]の電位を”H”とする(
時刻T21)。その結果、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−1]、プログラ
マブルスイッチPSW[1−1,1−2]のトランジスタ103がオンとなる。
次に、配線PCLを”L”とし、トランジスタ115をオンとする(時刻T22)。その
結果、配線CLの電位はVDD(すなわち、”H”)となる。また、プログラマブルスイ
ッチPSW[1−1,1−1]乃至プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−9]の
うち、オンとなっているものを介して、配線RL[1−1,1]にも電荷が流入し、電位
が上昇する。
その後、配線PCLを”H”とし、トランジスタ115をオフとする(時刻T23)。配
線RL[1−1,1]の電位は低下し、GNDとなる。この際、プログラマブルスイッチ
PSW[1−1,1−1]はオンであるので、配線CL[1−1]の電位もGNDになる
。一方、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−2]はオフであるので、配線CL
[1−2]の電位はVDDのままである。クロック信号CLKでトランスミッションゲー
ト117をオンとして(時刻T24)、配線CL[1−1]、配線CL[1−2]の電位
をインバータ116[1]およびインバータ116[2]を介して、配線DO[1]およ
び配線DO[2]に取り出すことでデータを読み出せる。
プログラマブルスイッチPSW[1−3,1−1]、プログラマブルスイッチPSW[1
−3,1−2]の読み出しも同様である。配線CWL[1−3]の電位を”H”とする(
時刻T25)。その結果、プログラマブルスイッチPSW[1−3,1−1]、プログラ
マブルスイッチPSW[1−3,1−2]のトランジスタ103がオンとなる。なお、プ
ログラマブルスイッチPSW[1−3,1−2]はオンであるので、このときに、配線C
L[1−2]と配線RL[1−3]が接続され、配線CL[1−2]の電位はGNDとな
る。
そして、同様に、配線PCLを”L”として、配線CLの電位をVDDとした(時刻T2
6)後、配線PCLを”H”とする(時刻T27)。
プログラマブルスイッチPSW[1−3,1−2]はオンであるので、配線CL[1−2
]は配線RL[1−3]と、プログラマブルスイッチPSW[1−3,1−2]を介して
接続しており、配線RL[1−3]には、電位GNDが供給されているため、配線CL[
1−2]の電位はGNDになる。一方、プログラマブルスイッチPSW[1−3,1−1
]はオフであるので、配線CL[1−1]は配線RL[1−3]他の配線と切断されてお
り、配線CL[1−1]の電位はVDDのままである(配線DO[1]の電位は”L”の
ままである)。クロック信号CLKを”H”とした(時刻T28)後、配線CL[1−1
]、配線CL[1−2]の電位を取り出すことでデータを読み出せる。
[タグメモリの読み出し動作]
データメモリはアドレスを指定することで、そのアドレスに格納されているデータを返す
メモリであるが、データを指定することで、指定されたデータと一致するデータが格納さ
れているかどうか、あるいは指定されたデータと一致するデータが格納されているアドレ
スやそのアドレスに関連するデータを返す方式のメモリがあり、CAM(Content
−Addressable Memory)と呼ばれる。
また、例えば、CPUのキャッシュメモリのタグメモリには、ある数列が格納されるが、
その数列自体が必要ということではなく、その数列が参照する数列と同じか否か、という
ことが求められることがある。なお、キャッシュメモリの詳細や動作については後述する
。上述のプログラマブルスイッチPSWは、データメモリだけではなく、CAMやタグメ
モリ(および比較回路)としても使用できる。以下、タグメモリ(および比較回路)とし
て使用する方法について説明する。なお、ドライバCL_Driverは、図12のもの
を用いるとするが、図13に示すものを用いることもできる。
例えば、図11と図12から、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−1]とトラ
ンジスタ114[1−1]は、GNDと配線RL[1−1]の間に直列に設けられている
ことがわかる。したがって、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−1]とトラン
ジスタ114[1−1]がともにオンであると、配線RL[1−1]は電位がGNDとな
り、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−1]とトランジスタ114[1−1]
のいずれかがオフであると、配線RL[1−1]の電位は、GNDではない可能性がある
例えば、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−1]とプログラマブルスイッチP
SW[1−1,1−2]が互いに逆の状態になるようにプログラムされ、また、トランジ
スタ114[1−1]とトランジスタ114[1−2]が互いに逆の状態になるように設
定されたとすると、配線RL[1−1]の電位がGND以外となる場合は、プログラマブ
ルスイッチPSW[1−1,1−1]とトランジスタ114[1−1]の状態(すなわち
、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−2]とトランジスタ114[1−2]の
状態)が逆の場合に限られる。換言すれば、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1
−1]とトランジスタ114[1−2]の状態(すなわち、プログラマブルスイッチPS
W[1−1,1−2]とトランジスタ114[1−1]の状態)が同じ場合に限られる。
このようにして、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−1]とプログラマブルス
イッチPSW[1−1,1−2]に格納されているデータとトランジスタ114[1−1
]とトランジスタ114[1−2]に与えられたデータが一致するか否かを検証できる。
すなわち、スイッチアレイマトリクスSWMを比較回路として使用することができる。例
えば、キャッシュメモリの(一つのセットの)タグメモリとして用いることが可能となる
タグメモリとして使用する際には、同じ行にある一対のプログラマブルスイッチPSWを
1ビットとして使用し、一方にはデータを、他方には反転データを書き込む。例えば、プ
ログラマブルスイッチPSW[1−1,1−1]とプログラマブルスイッチPSW[1−
1,1−2]、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−3]とプログラマブルスイ
ッチPSW[1−1,1−4]、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−5]とプ
ログラマブルスイッチPSW[1−1,1−6]、プログラマブルスイッチPSW[1−
1,1−7]とプログラマブルスイッチPSW[1−1,1−8]を、それぞれ、一対と
し、それぞれの一方にはデータを、他方には反転データを書き込む。
例えば、図17(A)に示すように、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−1]
、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−3]、プログラマブルスイッチPSW[
1−1,1−5]、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−7]にそれぞれ、”H
”、”H”、”H”、”H”を書き込む。プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−
2]、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−4]、プログラマブルスイッチPS
W[1−1,1−6]、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−8]には、それら
の反転データ、”L”、”L”、”L”、”L”を書き込む。
また、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−9]には”H”を書き込む。これは
、配線RL[1−1,1]と配線CL[1−9]を接続するためである。後述するように
、配線CL[1−9](あるいは配線DO[9])に結果が現れる。以下では、プログラ
マブルスイッチPSW[1−1,1−1]乃至プログラマブルスイッチPSW[1−1,
1−8]にデータ”L”、”H”、”H”、”L”、”H”、”L”、”H”、”L”が
記憶されているか否か、およびプログラマブルスイッチPSW[1−3,1−1]乃至プ
ログラマブルスイッチPSW[1−3,1−8]にデータ”L”、”H”、”H”、”L
”、”L”、”H”、”H”、”L”が記憶されているか否かを判定する場合について、
図17(B)を用いて説明する。
まず、配線CWL[1−1]の電位を”H”とする(時刻T29)。その結果、プログラ
マブルスイッチPSW[1−1,1−1]乃至プログラマブルスイッチPSW[1−1,
1−9]のトランジスタ103がオンとなる。
次に、配線PCLを”L”とし、トランジスタ115をオンとする(時刻T30)。また
、配線RD[1]乃至配線RD[8]を参照するデータに応じたものとする。すなわち、
プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−1]乃至プログラマブルスイッチPSW[
1−1,1−8]にデータ”L”、”H”、”H”、”L”、”H”、”L”、”H”、
”L”が記憶されているか否かを判定するには、対応する配線RD[1]乃至配線RD[
8]を、”H”、”L”、”L”、”H”、”L”、”H”、”L”、”H”とする。つ
まり、参照するデータの反転データを入力する。図17(B)では、配線RD[1]、配
線RD[3]、配線RD[5]、配線RD[7]]の信号のみを示すが、配線RD[2]
、配線RD[4]、配線RD[6]、配線RD[8]の信号は、それらの反転信号である
その結果、トランジスタ114[1−1]、トランジスタ114[1−4]、トランジス
タ114[1−6]、トランジスタ114[1−8]はオンとなり、トランジスタ114
[1−2]、トランジスタ114[1−3]、トランジスタ114[1−5]、トランジ
スタ114[1−7]はオフである。
もし、トランジスタ114とそれに対応するプログラマブルスイッチPSWの対全てにお
いて、一方がオンで他方がオフであれば(換言すれば、プログラマブルスイッチPSW[
1−1,1−1]乃至プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−8]のデータが参照
するデータであれば)、配線RL[1−1,1]の電位はVDDとなる。しかし、もし、
オンであるトランジスタ114に対応するプログラマブルスイッチPSWの1つでもオン
であれば(換言すれば、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−1]乃至プログラ
マブルスイッチPSW[1−1,1−8]が参照するデータでないならば)、配線RL[
1−1,1]の電位はVDDにまで上昇しないか、上昇したとしても、配線PCLを”H
”とし、トランジスタ115をオフとしたとき(時刻T31)以降に、急速に電位がGN
Dとなる。
上記の例では、トランジスタ114[1−1]がオンであり、かつ、対応するプログラマ
ブルスイッチPSW[1−1,1−1]もオンであるため、配線RL[1−1,1]はト
ランジスタ114[1−1]とプログラマブルスイッチPSW[1−1,1−1]を介し
てGNDと接続され、電位はGNDとなる。配線CL[1−9]は、プログラマブルスイ
ッチPSW[1−1,1−9]を介して配線RL[1−1,1]と接続されているので、
配線CL[1−9]の電位もGNDとなる。この結果は、インバータ116を介して、配
線DO[9]に出力される。この例では、配線DO[9]は”H”となる。
次に、配線CWL[1−3]の電位を”H”とする(時刻T33)。その結果、プログラ
マブルスイッチPSW[1−3,1−1]乃至プログラマブルスイッチPSW[1−3,
1−9]のトランジスタ103がオンとなる。
次に、配線PCLを”L”とし、トランジスタ115をオンとする(時刻T34)。また
、配線RD[1]乃至配線RD[8]を参照するデータに応じたものとする。すなわち、
プログラマブルスイッチPSW[1−3,1−1]乃至プログラマブルスイッチPSW[
1−3,1−8]にデータ”L”、”H”、”H”、”L”、”L”、”H”、”H”、
”L”が記憶されているか否かを判定するには、対応する配線RD[1]乃至配線RD[
8]を、”H”、”L”、”L”、”H”、”H”、”L”、”L”、”H”とする。
その結果、トランジスタ114[1−1]、トランジスタ114[1−4]、トランジス
タ114[1−5]、トランジスタ114[1−8]はオンとなり、トランジスタ114
[1−2]、トランジスタ114[1−3]、トランジスタ114[1−6]、トランジ
スタ114[1−7]はオフである。
この場合は、オフであるトランジスタ114に対応する全てのプログラマブルスイッチP
SWがオンであり、また、オンであるトランジスタ114に対応する全てのプログラマブ
ルスイッチPSWがオフであるので、配線RL[1−1,1]の電位はVDDとなる。配
線CL[1−9]は、プログラマブルスイッチPSW[1−1,1−9]を介して配線R
L[1−1,1]と接続されているので、配線CL[1−9]の電位もVDDとなる。こ
の結果は、インバータ116を介して、配線DO[9]に出力される。この例では、配線
DO[9]は”L”となる。つまり、参照するデータと同じデータが存在すれば、配線D
O[9]は”L”を出力する。
[ドライブモードで使用するデータの検証]
ドライブモードで動作している際に、オフであるべきプログラマブルスイッチPSWが、
何らかの理由によってオンとなってしまうことは、動作に異常をもたらすので、適宜、プ
ログラマブルスイッチPSWに異常がないかを検証することが求められる。上記のように
、プログラマブルスイッチPSWの状態を読み出せるので、ドライブモードを適宜中断し
てメモリモードに移行し、そのデータに異常がないかどうかを検証できる。
例えば、一部あるいは全てのプログラマブルスイッチPSWの状態を、上記の[データメ
モリの読み出し動作]で説明した方法で読み出し、得られた数列が、当初のものと異なっ
ていないかを、CRC(Cyclic Redundancy Check:巡回冗長検
査)等の手段で判定することができる。
以上のように、メモリモードでは、スイッチアレイマトリクスSWMはデータメモリやタ
グメモリとして使用できる。トランジスタ101(あるいはトランジスタ101a乃至ト
ランジスタ101c)を極めてオフ電流の少ない酸化物半導体を用いたトランジスタとす
ることで、実質的に不揮発なメモリとすることもできる。
図8に示されるように、スイッチアレイマトリクスSWM[1,1]とスイッチアレイマ
トリクスSWM[2,1]は1群のメモリとして、また、スイッチアレイマトリクスSW
M[1,2]とスイッチアレイマトリクスSWM[2,2]は、他の1群のメモリとして
使用できるので、例えば、前者をタグメモリ、後者をデータメモリとして使用することも
可能である。また、前者をデータメモリ、後者をタグメモリとして使用することや、両者
をデータメモリとして使用することもできる。なお、データメモリだけに使用するのであ
れば、図12あるいは図13に示されるトランジスタ114やそれに関連する配線は不要
である。
以上では、スイッチアレイマトリクスSWMとして、比較的小さな規模のものを例として
説明したが、より大きな規模のものでも同様に扱える。また、図1に示される情報処理装
置100以外の構成のものであっても同様な動作を実行させることができる。
例えば、図18に示される情報処理装置120は、図2乃至図6に示されるものと同様な
スイッチアレイマトリクスSWMa/スイッチアレイマトリクスSWMbと論理回路LC
からなるマトリクスであるが、図1に示される情報処理装置100とは異なる構成である
。しかし、スイッチアレイマトリクスSWMaあるいはスイッチアレイマトリクスSWM
bの一方を、データメモリあるいはタグメモリとして用いることができる。
(実施の形態2)
本実施の形態では、リコンフィギャラブル回路を有するプロセッサの例について説明する
。プロセッサの検証(チップテスト)には様々な手法があり、一例として、BIST(B
uilt−In Self Test)が知られている。BISTでは、チップテストに
用いるテストパターンを発生する専用のテスト回路をプロセッサに内蔵するため、プロセ
ッサ外部からテストパターンを供給する構成に比べて、高速なチップテストが可能である
プロセッサに内蔵した専用のテスト回路では、設計段階で決定したテストパターンを発生
することしかできないため、追加のチップテストを実行する場合には、対応するテストパ
ターンをプロセッサ外部から供給する必要がある。また、テスト回路はチップテストが終
了した後には不要になる。そのため、高機能なチップテストを行う目的で、巨大なテスト
回路を設けることは、プロセッサのコスト上昇につながる。
本実施の形態では、リコンフィギャラブル回路を用いてテスト回路を構成して、チップテ
ストを行い、チップテストを実施していないときには、リコンフィギャラブル回路を用い
てメモリ(例えば、キャッシュメモリ)を構成することのできるプロセッサの例について
説明する。
キャッシュメモリとは、プロセッサ外のメモリ(外部メモリ)の内容の一部をコピーして
プロセッサ内に格納する高速なメモリである。プロセッサが外部メモリとアクセスする場
合、伝送距離があることと、外部メモリがそれほど高速でないことから、プロセッサの動
作を遅延させる要因となる。
プロセッサが必要とするデータがキャッシュメモリに存在する場合をキャッシュヒットと
いい、プロセッサが必要とするデータがキャッシュメモリに存在しない場合をキャッシュ
ミスという。キャッシュミス時には、データを外部メモリから取り込むため、外部メモリ
へのアクセスが必要になり、プロセッサの動作に支障が生じる。したがって、キャッシュ
ヒットの確率(キャッシュヒット率)が高いほど、すなわち、キャッシュミスの確率(キ
ャッシュミス率)が低いほど、プロセッサは高速に処理を実行できる。そのため、キャッ
シュメモリの容量の増大することは、プロセッサの性能向上に有効である。
図19(A)に示されるように、プロセッサ150は、演算回路(コア151[1]とコ
ア151[2])と、キャッシュメモリ152、さらに、リコンフィギャラブル回路15
3よりなる。なお、プロセッサ150はさらに他の回路を有してもよい。リコンフィギャ
ラブル回路153は、実施の形態1で説明した情報処理装置100を用いることができる
。しかし、それに限定されず、プログラマブルスイッチPSWをメモリセルとして用いる
ことのできるリコンフィギャラブル回路であればよい。コア151[1]とコア151[
2]は、それぞれ専用のキャッシュメモリを有してもよい。
最初に、チップテストを行う場合について図19(B)に示す。ここでは、リコンフィギ
ャラブル回路153の一部あるいは全部は、テスト回路153aに再構成され、このテス
ト回路からコア151[1]やコア151[2]にテスト信号が送られて、チップテスト
が実行される。なお、コア151[1]やコア151[2]の動作状態を評価する機能が
テスト回路153aに設けられてもよい。リコンフィギャラブル回路153は、実施の形
態1のドライブモードでチップテストを行う。
チップテストを行う前に、リコンフィギャラブル回路153に、リコンフィギャラブル回
路153をテスト回路153aに再構成するためのデータがプロセッサ150の外部から
供給され、リコンフィギャラブル回路153内のスイッチアレイマトリクスSWMおよび
論理回路LCに書き込まれる。これは、実施の形態1の[データの書き込み]に示される
方法で実行できる。
また、テスト回路153aによって生成されるテストパターンは、コア151[1]やコ
ア151[2]のテストに限られず、プロセッサ150が有する別の回路の動作状態をテ
ストするための信号であってもよいし、プロセッサ150全体の動作状態をテストするた
めの信号であってもよい。例えば、テスト回路153aは、コア151[1]内部の回路
の一部やキャッシュメモリ152の動作状態をテストするためのテストパターンを生成す
ることができる。また、例えば、プロセッサ150がアナログ回路を有する場合、テスト
回路153aは、アナログ回路の動作状態を試験するためのテストパターンを生成するこ
とができる。
一例では、チップテストの際の、テスト回路153aとコア151[1]やコア151[
2](あるいはその他の回路)との間の信号のやり取りは、図1に示される出入力回路を
介して行われる。
次に、チップテストを行っていない場合について図19(C)に示す。ここでは、リコン
フィギャラブル回路153は、実施の形態1のメモリモードとなり、その一部あるいは全
部はメモリ153bとして使用される。メモリ153bはキャッシュメモリとして機能す
る。結果、キャッシュメモリの容量を増加させることができ、キャッシュヒット率を高め
ることができる。リコンフィギャラブル回路153をキャッシュメモリとして使用する場
合には、例えば、図11に示されるスイッチアレイマトリクスSWMの各行がキャッシュ
メモリのラインに相当し、プログラマブルスイッチPSWは、データフィールド、タグフ
ィールドのいずれかに相当する。
なお、このとき、メモリ153bとコア151[1]やコア151[2](あるいはその
他の回路)との間の信号のやり取りは、一例では、図9(あるいは図10)に示されるド
ライバBL_Driver、ドライバCL_Driver、ドライバWWL_Drive
r、ドライバCWL_Driver等を介して行われる。また、図1に示される出入力回
路とスイッチアレイマトリクスSWMとの間をハイインピーダンスとすることで、出入力
回路を経由してメモリ153bがコア151[1]やコア151[2](あるいはその他
の回路)との間で信号をやり取りすることは不可能とできる。
一例では、プロセッサ150では、メモリ153bをキャッシュメモリ152と共に、セ
ット連想方式のキャッシュメモリとして機能させることができる。例えば、プロセッサ1
50の動作状態の試験が行われるときは、キャッシュメモリ152をnウェイセット連想
方式(nは2以上の自然数)のキャッシュメモリとして機能させ、通常の動作時には、キ
ャッシュメモリ152およびメモリ153bをn+mウェイセット連想方式(mは自然数
)のキャッシュメモリとして機能させることもできる。
なお、リコンフィギャラブル回路153をテスト回路153aに再構成して、チップテス
トを実行する、あるいは、チップテストを終了した後にリコンフィギャラブル回路153
をメモリ153bに再構成する、等の切り替えは、プロセッサ150に入力される命令に
従って行うことができる。あるいは、このような動作状態の切り替えを行う命令が、プロ
セッサ150内に記憶されており、プロセッサ150への電源の投入時において、自動的
に動作状態の切り替えがおこなわれてもよい。
プロセッサ150では、通常の動作時において、プロセッサ150で行われる論理演算に
用いられるデータ、プロセッサ150で行われる論理演算の結果得られたデータ、あるい
は、プロセッサ150で行われる各種の命令などを、メモリ153b(すなわち、リコン
フィギャラブル回路153)に記憶させることができる。すなわち、リコンフィギャラブ
ル回路153は、プロセッサ150(の一部あるいは全部)の動作状態のテストが行われ
るときのみならず、通常の動作時にもプロセッサ150の動作に利用でき、回路を有効利
用できる。
なお、上記のテストにおいては、直接あるいは間接に、リコンフィギャラブル回路153
がテストの対象となることがある。例えば、リコンフィギャラブル回路153が、図19
(C)のようにキャッシュメモリとなるように設定されている場合には、コア151[1
]をテストした際に、コア151[1]は、リコンフィギャラブル回路153がキャッシ
ュメモリであるという前提で、何らかの信号をリコンフィギャラブル回路153に送る。
しかしながら、テスト中はリコンフィギャラブル回路153がテスト回路153aとなる
ように設定されており、キャッシュメモリとしては適切な応答ができないこと(データが
書き込めない、あるいは読み出せない等)が想定され、その場合にはコア151[1]が
正常であってもエラーを発生する。
そのようなことを防止するためには、チップテスト中は、リコンフィギャラブル回路15
3(あるいは、メモリモードで使用する際に、キャッシュメモリの一部あるいは全部に相
当する部分)のバリッドビットが非有効であるとする信号が送出される構成とするとよい
。このとき、リコンフィギャラブル回路153のデータ出力は任意の値とすることができ
るので、コア151[1]は、この部分を、非有効なデータを出すメモリとみなし、その
他の部分の動作に影響を及ぼさない。
このような構成により、チップ製造後でもテストパターンを変更することが容易であり、
チップテスト終了後は、キャッシュメモリの容量(セット数)を増やし、キャッシュヒッ
ト率が向上し、プロセッサの性能向上を図ることができる。
(実施の形態3)
本実施の形態では、リコンフィギャラブル回路を有するプロセッサの他の例について説明
する。プロセッサが動作を開始する際には、最初に各種制御レジスタの値を設定するなど
の目的で、スタートアップルーチンと呼ばれるプログラムを実行する。スタートアップル
ーチンは、通常はプロセッサから離れた場所のROM等のメモリに格納され、プロセッサ
への電源投入によって、ROMからプロセッサに送られる。
プロセッサに電源が供給されていない状態でもスタートアップルーチンが保持される必要
があるので、スタートアップルーチンは不揮発なメモリに格納されることが必要とされる
。一方で、スタートアップルーチンを格納したメモリがプロセッサから離れた場所にある
と、その伝送に時間を要するので、プロセッサの始動に時間がかかる。
スタートアップルーチンを搭載した不揮発性メモリをプロセッサに内蔵することで、プロ
セッサの起動を早くすることができる。しかし、スタートアップルーチンは、最初に一度
実行したら、通常動作中に再度実行する必要の無いプログラムである場合が多い。そのた
め、スタートアップルーチンを搭載した不揮発性メモリは、プロセッサの通常動作中は必
要の無い回路であり、当該不揮発性メモリを内蔵することは、プロセッサのチップコスト
の上昇につながる。
本実施の形態では、プロセッサ内にリコンフィギャラブル回路を設け、プロセッサに電源
が供給されていないときには、スタートアップルーチンをリコンフィギャラブル回路に格
納し、プロセッサに電源が供給された後は、格納されたスタートアップルーチンを使用し
て起動し、プロセッサが起動した後は、リコンフィギャラブル回路を実施の形態2のよう
にキャッシュメモリの一部として使用し、プロセッサ動作中あるいはプロセッサへの電源
を遮断する前にROMからスタートアップルーチンをリコンフィギャラブル回路に格納す
る技術について説明する。
上述のとおり、スタートアップルーチンはプロセッサへの電源が遮断された状態でも保持
されることが求められるので、例えば、図3(A)に示されるプログラマブルスイッチP
SWのトランジスタ101を、極めてオフ電流の少ない酸化物半導体を用いたトランジス
タとするとよい。
図20(A)に示されるように、プロセッサ150は、実施の形態2で説明したものと同
様に、コア151[1]とコア151[2]と、それらが使用するためのキャッシュメモ
リ152、さらに、リコンフィギャラブル回路153を有する。また、プロセッサ150
から離れた位置にスタートアップルーチンを格納したROM154が存在する。
プロセッサ150に電源が供給される前、リコンフィギャラブル回路153はメモリモー
ドで動作するメモリ153bである。メモリ153bにはスタートアップルーチンが格納
されている。スタートアップルーチンが格納されるタイミングは、一例では、実施の形態
2で説明したプロセッサのテストの後であり、一例では、プロセッサの電源供給が絶たれ
る前であり、一例では、プロセッサの動作中である。スタートアップルーチンは比較的小
規模なプログラムであるため、格納されるアドレスを予め決めておくとよい。なお、プロ
セッサが異常停止した場合(停電等で正常に終了ができなかった場合等)には、メモリ1
53bにスタートアップルーチンが格納されていない場合がある。
プロセッサ150に電源が供給され、メモリ153bにスタートアップルーチンが格納さ
れている場合には、図20(B)に示すように、メモリ153bに格納されているスター
トアップルーチンを利用してコア151[1]とコア151[2]が起動する。なお、メ
モリ153bにスタートアップルーチンが格納されていない場合には、ROM154から
スタートアップルーチンをロードして起動するため、より時間がかかる。
プロセッサが起動した後は、メモリ153bはキャッシュメモリとして機能する。当初、
格納されていたスタートアップルーチンは他のデータにより上書きされることがある。な
お、キャッシュメモリとして使用される場合でも、スタートアップルーチンが格納される
べきアドレスには極力データが書き込まれないようにするとよい。
プロセッサ150が動作しているときでも、メモリ153bのスタートアップルーチンが
格納されるべきアドレスに空きがあり、プロセッサ150の負荷が小さい場合には、図2
0(C)に示すように、予め定められたタイミングで、ROMからスタートアップルーチ
ンをロードし、指定されたアドレスに書き込んでもよい。そのまま、このアドレスが上書
きされることがなければ、その後で異常停止した場合でも、メモリ153bにはスタート
アップルーチンが格納されているので、プロセッサ150の次回の起動は高速である。
もっとも、その後のプロセッサ150の動作によっては、スタートアップルーチンが格納
されるべきアドレスに他のデータが書き込まれることもあり、その状態で異常停止した場
合には、メモリ153bにはスタートアップルーチンが格納されていないので、プロセッ
サ150の次回の起動の際には、スタートアップルーチンをROM154からロードする
必要がある。
プロセッサ150への電源供給が停止され、かつ、次に電源が供給される際にプロセッサ
150の起動処理が必要とされる状況では、メモリ153bに格納されているほとんどの
データが、電源供給停止後は不要となるので、電源供給が停止される前にROMからスタ
ートアップルーチンをロードし、メモリ153bに書き込むことができる。ただし、すで
に指定されたアドレスにスタートアップルーチンが書き込まれている場合には、この操作
は不要である。
このように、プロセッサ150に搭載されたリコンフィギャラブル回路153は、プロセ
ッサ150の電源供給直後は、スタートアップルーチンを搭載した不揮発性メモリとして
利用することが可能であり、さらに、通常動作時には、キャッシュメモリとしても利用で
き、プロセッサ150のパフォーマンスを向上させることができる。
(実施の形態4)
本実施の形態では、実施の形態1乃至3で説明した情報処理装置100、プロセッサ15
0等を、酸化物半導体を用いたトランジスタ(OSトランジスタ)と単結晶シリコンを用
いたトランジスタ(Siトランジスタ)を含む半導体装置で作製する場合の具体的なデバ
イス構造について説明する。
<デバイス構造>
図21(A)は、OSトランジスタとSiトランジスタを含む半導体装置のデバイス構造
の一例を示す断面図である。図21(A)には、このような半導体装置として情報処理装
置100を示している。なお、図21(A)は、情報処理装置100を特定の切断線で切
った断面図ではなく、情報処理装置100の積層構造を説明するための図面である。図2
1(A)には、代表的に、情報処理装置100のプログラマブルスイッチPSWを構成す
るトランジスタ101、トランジスタ102、トランジスタ103、容量素子104を示
している。トランジスタ102とトランジスタ103はn型のSiトランジスタである。
トランジスタ102とトランジスタ103の上に、トランジスタ101および容量素子1
04が積層されている。
半導体基板を用いて情報処理装置100が作製される。半導体基板として、バルク状の単
結晶シリコンウェハ200が用いられている。なお、情報処理装置100の基板は、バル
ク状の単結晶シリコンウェハに限定されるものではなく、様々な半導体基板を用いること
ができる。例えば、単結晶シリコン層を有するSOI型半導体基板を用いてもよい。
トランジスタ102とトランジスタ103は、他のp型トランジスタ(図示せず)ととも
に、単結晶シリコンウェハ200に、CMOSプロセスを用いて作製することができる。
絶縁層210は、これらトランジスタを電気的に分離するための絶縁物である。トランジ
スタ102とトランジスタ103を覆って、絶縁層211が形成されている。絶縁層21
1上には、導電体231乃至導電体233が形成されている。絶縁層211に設けられた
開口に、導電体221乃至導電体223が形成されている。なお、導電体231と導電体
232は、一方が、配線CL、他方が配線RLであってもよい。
トランジスタ102とトランジスタ103の上には、配線工程(BEOL:back e
nd of line)により、1層または2層以上の配線層が形成される。ここでは、
絶縁層212乃至絶縁層214および導電体241乃至導電体245、導電体251乃至
導電体256、導電体261乃至導電体265により3層の配線層が形成されている。
この配線層を覆って絶縁層276が形成される。絶縁層276上に、トランジスタ101
および容量素子104が形成されている。
トランジスタ101は、酸化物半導体層271、導電体281、導電体282、導電体2
91を有する。酸化物半導体層271にチャネル形成領域が存在する。導電体291はゲ
ート電極を構成し、導電体281、導電体282は、それぞれ、ソース電極、ドレイン電
極を構成する。導電体282は、導電体223、導電体233および導電体251乃至導
電体256により、トランジスタ102のゲート(導電体220)に接続されている。な
お、図21では、導電体220が2箇所にあるように描かれているが、これは、導電体2
20が同じもの(連続しているもの)であることを示している。
容量素子104は、MIM型の容量素子であり、電極として導電体281および導電体2
92を有し、誘電体(絶縁膜)として、絶縁層277を有する。絶縁層277は、トラン
ジスタ101のゲート絶縁層を構成する絶縁物でもある。
トランジスタ101および容量素子104を覆って、絶縁層278が形成されている。絶
縁層278上には、導電体296、導電体297が形成されている。導電体296、導電
体297は、それぞれ、トランジスタ101、容量素子104に接続されており、これら
の素子を配線層に設けられた配線に接続させるため電極(配線)として設けられている。
例えば図示のように、導電体296は、導電体262乃至導電体265、導電体284に
より、導電体261に接続されている。導電体297は、導電体242乃至導電体245
、導電体283により、導電体241に接続されている。
半導体装置を構成する膜(絶縁膜、半導体膜、酸化物半導体膜、金属酸化物膜、導電膜等
)は、スパッタリング法、化学気相堆積(CVD)法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積
(PLD)法を用いて形成することができる。あるいは、塗布法や印刷法で形成すること
ができる。CVD法としては、プラズマ化学気相堆積(PECVD)法や、熱CVD法が
用いられる。熱CVD法の例として、MOCVD(有機金属化学堆積)法やALD(原子
層成膜)法を使ってもよい。
熱CVD法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、原料ガスと酸化剤を同時にチャ
ンバー内に送り、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を行
う。このように、熱CVD法は、プラズマを発生させない成膜方法であるため、プラズマ
ダメージにより欠陥が生成されることが無いという利点を有する。
情報処理装置100の絶縁層は、単層の絶縁膜で、または2層以上の絶縁膜で形成するこ
とができる。このような絶縁膜としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シ
リコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲル
マニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハ
フニウムおよび酸化タンタル等でなる膜があげられる。
なお、本明細書において、酸化窒化物とは、窒素よりも酸素の含有量が多い化合物をいい
、窒化酸化物とは、酸素よりも窒素の含有量が多い化合物をいう。
情報処理装置100の導電体は、単層の導電膜で、または2層以上の導電膜で形成するこ
とができる。このような導電膜としては、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、ベリリウム等の金属膜を用いることができ
る。また、これら金属を成分とする合金膜および化合物膜、リン等の不純物元素を含有さ
せた多結晶シリコン膜等を用いることができる。
<トランジスタの他の構成例>
半導体装置を構成するSiトランジスタや、OSトランジスタの構造は、図21(A)に
限定されるのもではない。例えば、OSトランジスタに、バックゲートを設けてもよい。
この場合、導電体245、導電体256、導電体265と、導電体281乃至導電体28
4の間に、絶縁層およびその絶縁層上にバックゲートを構成する導電体を形成すればよい
また、OSトランジスタを図21(B)に示すような構造とすることができる。図21(
B)の例では、トランジスタ101には、さらに酸化物半導体層273が設けられている
。図21(B)のトランジスタ101も、酸化物半導体層271にチャネル形成領域が設
けられている。
図21(B)のトランジスタ101を作製するには、導電体281、導電体282を形成
した後、酸化物半導体層273を構成する酸化物半導体膜、絶縁層277を構成する絶縁
膜、および導電体291を構成する導電膜を積層する。そして、この導電膜をエッチング
するためのレジストマスクを用いて、この積層膜をエッチングすることで、酸化物半導体
層273、導電体291が形成される。この場合、容量素子104においては、絶縁層2
77は、導電体292に覆われていない領域が除去されている。
例えば、図21(A)のトランジスタ101において、酸化物半導体層271を構成元素
の異なる酸化物で2層の酸化物半導体膜から形成する。この場合、下層は、In−Zn系
酸化物膜とし、上層をIn−Ga−Zn系酸化物膜とする。あるいは、下層および上層と
も、In−Ga−Zn系酸化物膜で形成することができる。
例えば、酸化物半導体層271を、2層構造のIn−Ga−Zn系酸化物膜とする場合、
一方を、原子数比がIn:Ga:Zn=1:1:1、5:5:6、または3:1:2の酸
化物膜で形成し、他方をIn:Ga:Zn=1:3:2、1:3:4、1:3:6、1:
6:4、または1:9:6の酸化物膜で形成することができる。
また、図21(B)において、酸化物半導体層271を2層構造とし、酸化物半導体層2
73を単層構造とし、3層の酸化物半導体膜からトランジスタ101を形成してもよい。
この場合も、3層のすべて、あるいは一部を異なる構成元素の酸化物半導体膜で形成して
もよいし、3層を同じ構成元素の酸化物半導体膜で形成してもよい。
例えば、In−Ga−Zn系酸化物膜で酸化物半導体層271および酸化物半導体層27
3を形成する場合、酸化物半導体層271の下層と酸化物半導体層273は、原子数比が
In:Ga:Zn=1:3:2、1:3:4、1:3:6、1:6:4、または1:9:
6の酸化物膜で形成し、酸化物半導体層271の上層は、原子数比がIn:Ga:Zn=
1:1:1、5:5:6、または3:1:2の酸化物膜で形成することができる。
図22に、SiトランジスタおよびOSトランジスタの他の構成例を示す。
図22は、Siトランジスタ、OSトランジスタの構成の一例を示す断面図である。図2
2において、A1−A2に、チャネル長方向(ソースからドレインにかけての方向)にお
けるSiトランジスタであるトランジスタ102とトランジスタ103及びOSトランジ
スタであるトランジスタ101の断面図を示し、A3−A4に、チャネル幅方向(チャネ
ル長方向に直角な方向)における同断面図を示す。ただし、レイアウトにおいてトランジ
スタ101のチャネル長方向とトランジスタ102(トランジスタ103)のチャネル長
方向とが、必ずしも一致していなくともよい。
また、図22では、酸化物半導体膜にチャネル形成領域を有するOSトランジスタである
トランジスタ101が、単結晶のシリコンのチャネル形成領域を有するトランジスタ10
2とトランジスタ103の上に形成されている場合を例示している。図22では、単結晶
シリコン基板を基板300として用いる場合を例示している。
また、トランジスタ102(とトランジスタ103)は、素子分離法により、他の半導体
素子と電気的に分離されている。素子分離法として、トレンチ分離法(STI法:Sha
llow Trench Isolation)等を用いることができる。図22では、
トレンチ分離法を用いてトランジスタ102(とトランジスタ103)を電気的に分離す
る場合を例示している。エッチング等により基板300に形成されたトレンチに、酸化珪
素などが含まれる絶縁物を埋め込んだ後、当該絶縁物をエッチング等により部分的に除去
することで形成される素子分離領域301により、トランジスタ102とトランジスタ1
03を素子分離させる場合を例示している。
また、トレンチ以外の領域に存在する基板300の凸部には、トランジスタ102とトラ
ンジスタ103の不純物領域302、不純物領域303及び不純物領域307と、不純物
領域302及び不純物領域303に挟まれたチャネル形成領域304、不純物領域302
及び不純物領域307に挟まれたチャネル形成領域308とが設けられている。さらに、
トランジスタ102は、チャネル形成領域304を覆う絶縁層305と、絶縁層305を
間に挟んでチャネル形成領域304と重なるゲート電極306とを有する。同様に、トラ
ンジスタ103は、チャネル形成領域308を覆う絶縁層309と、絶縁層309を間に
挟んでチャネル形成領域308と重なるゲート電極310とを有する。
トランジスタ102では、チャネル形成領域304における凸部の側部及び上部と、ゲー
ト電極306とが絶縁層305を間に挟んで重なることで、チャネル形成領域304の側
部と上部を含めた広い範囲においてキャリアが流れる。そのため、トランジスタ102と
トランジスタ103の基板上における専有面積を小さく抑えつつ、トランジスタ102と
トランジスタ103におけるキャリアの移動量を増加させることができる。その結果、ト
ランジスタ102は、オン電流が大きくなると共に、電界効果移動度が高められる。
特に、チャネル形成領域304における凸部のチャネル幅方向の長さ(チャネル幅)をW
、チャネル形成領域304における凸部の厚さをTとすると、チャネル幅Wに対する厚さ
Tの比に相当するアスペクト比が高い場合、キャリアが流れる範囲はより広くなるため、
トランジスタ102のオン電流をより大きくすることができ、電界効果移動度もより高め
られる。トランジスタ103でも同様である。
なお、バルクの半導体基板を用いたトランジスタ102とトランジスタ103の場合、ア
スペクト比は0.5以上であることが望ましく、1以上であることがより望ましい。
トランジスタ102とトランジスタ103の上には、絶縁層311が設けられている。絶
縁層311には開口部が形成されている。そして、上記開口部には、不純物領域303、
不純物領域307にそれぞれ電気的に接続されている導電体313、導電体312と、ゲ
ート電極306に電気的に接続されている導電体314とが、形成されている。導電体3
12は、絶縁層311上に形成された導電体316に電気的に接続されており、導電体3
13は、絶縁層311上に形成された導電体317に電気的に接続されており、導電体3
14は、絶縁層311上に形成された導電体318に電気的に接続されている。
導電体316乃至導電体318上には、絶縁層320が設けられている。絶縁層320上
には、酸素、水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を有する絶縁層321が設けられて
いる。絶縁層321上には絶縁層322が設けられており、絶縁層322上には、トラン
ジスタ101が設けられている。
絶縁層321は、密度が高くて緻密である程、また未結合手が少なく化学的に安定である
程、より高いブロッキング効果を示す。酸素、水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を
示す絶縁層321として、例えば、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリ
ウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、
酸化窒化ハフニウム等を用いることができる。水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を
示す絶縁層321として、例えば、窒化シリコン、窒化酸化シリコン等を用いることがで
きる。
トランジスタ101は、酸化物半導体層330、酸化物半導体層330に接する導電体3
32及び導電体333、酸化物半導体層330を覆っている絶縁層331、並びに、絶縁
層331を間に挟んで酸化物半導体層330と重なるゲート電極334を有する。導電体
332及び導電体333は、ソース電極またはドレイン電極として機能する。導電体33
3は、絶縁層320乃至絶縁層322に設けられた開口において導電体318に接続され
ている。
なお、トランジスタ101上に、絶縁層が設けられてもよい。絶縁層には開口部が設けら
れ、上記開口部においてゲート電極334に接する導電体が、絶縁層上に設けられてもよ
い。
なお、図22において、トランジスタ101は、ゲート電極334を酸化物半導体層33
0の片側において少なくとも有していればよいが、絶縁層322を間に挟んで酸化物半導
体層330と重なるゲート電極を、さらに有していてもよい。
トランジスタ101が、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オン
オフを制御するための信号が与えられ、他方のゲート電極は、他の電位が独立して与えら
れている状態であってもよい。この場合、一対のゲート電極に、同じ高さの電位が与えら
れていてもよいし、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
もよい。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、トランジスタの閾値電
圧を制御することができる。
また、図22では、トランジスタ101が、一のゲート電極334に対応した一のチャネ
ル形成領域を有する、シングルチャネル構造である場合を例示している。トランジスタ1
01に、例えば、電気的に接続された複数のゲート電極を設けることで、一の酸化物半導
体層に複数のチャネル形成領域を有する、マルチチャネル構造とすることができる。
図22には、トランジスタ101は、酸化物半導体層330が、酸化物半導体層330a
乃至酸化物半導体層330cでなる3層構造で、酸化物半導体層330aおよび酸化物半
導体層330bの形成後に、導電体332と導電体333が形成され、その後、酸化物半
導体層330cが形成される。しかし、酸化物半導体層330a乃至酸化物半導体層33
0cのいずれか一つあるいは二つを有しない構造でもよい。
(実施の形態5)
本実施の形態では、OSトランジスタに用いられる酸化物半導体について説明する。
OSトランジスタのチャネル形成領域は、高純度化された酸化物半導体(purifie
d OS)で形成することが好ましい。高純度化OSとは、電子供与体(ドナー)となる
水分または水素等の不純物が低減され、かつ酸素欠損が低減されている酸化物半導体のこ
とをいう。このように酸化物半導体を高純度化することで、その導電型を真性または実質
的に真性にすることが可能である。なお、実質的に真性とは、酸化物半導体のキャリア密
度が、1×10−9/cm以上1×1017/cm未満であることをいう。キャリア
密度は、1×1015/cm未満が好ましく、1×1013/cm未満がより好まし
く、8×1011/cm未満が、特に好ましく、1×1011/cm未満がさらに好
ましく、1×1010/cm未満が究極に好ましい。
高純度化OSでチャネル形成領域を形成することで、室温におけるOSトランジスタの規
格化されたオフ電流を数yA/μm乃至数zA/μm程度に低くすることができる。
酸化物半導体において、水素、窒素、炭素、シリコン、および主成分以外の金属元素は不
純物となる。例えば、水素および窒素は、ドナー準位の形成に寄与し、キャリア密度を増
大させてしまう。また、シリコンは、酸化物半導体中で不純物準位を形成する。不純物準
位はトラップとなり、OSトランジスタの電気特性を劣化させることがある。酸化物半導
体中や、他の層との界面において不純物濃度を低減させることが好ましい。
酸化物半導体を真性または実質的に真性とするためには、以下の不純物濃度レベル程度ま
で高純度化するとよい。以下に列記する不純物濃度は、SIMS(Secondary
Ion Mass Spectrometry)分析により得られた値であり、酸化物半
導体層の深さにおいて、または、酸化物半導体のある領域における値である。高純度化O
Sとは、不純物濃度のレベルが以下のような部分を有している酸化物半導体であることと
する。
例えば、シリコンの場合は、その濃度は、1×1019atoms/cm未満、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。
例えば、水素の場合は、2×1020atoms/cm以下、好ましくは5×1019
atoms/cm以下、より好ましくは1×1019atoms/cm以下、さらに
好ましくは5×1018atoms/cm以下とする。
例えば、窒素の場合は、5×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018
atoms/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。
また、結晶を含む酸化物半導体にシリコンや炭素が高濃度で含まれると、結晶性を低下さ
せることがある。酸化物半導体の結晶性を低下させないためには、例えば、シリコン濃度
は、1×1019atoms/cm未満、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。例えば、炭素濃度
は、1×1019atoms/cm未満、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。
OSトランジスタの酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、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、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−La−Zn系酸化物、In−Ce−Zn系酸化物、In−P
r−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−Zn系酸化物、In−Tm−Z
n系酸化物、In−Yb−Zn系酸化物、In−Lu−Zn系酸化物、In−Sn−Ga
−Zn系酸化物、In−Hf−Ga−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。
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。必要とする電気的特性(移動度、しきい値電圧等)に応じて、適切な組成
の酸化物半導体を形成すればよい。
例えば、In:Ga:Zn=1:1:1、In:Ga:Zn=1:3:2、In:Ga:
Zn=3:1:2、あるいはIn:Ga:Zn=2:1:3の原子数比のIn−Ga−Z
n系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。なお、本明細書において、酸化物
半導体の原子数比は、誤差として±20%の変動を含む。
例えば、In−Ga−Zn系酸化物をスパッタリング法で形成する場合、その成膜用ター
ゲットとしては、原子数比がIn:Ga:Zn=1:1:1、5:5:6、4:2:3、
3:1:2、1:1:2、2:1:3、1:3:2、1:3:4、1:4:4、1:6:
4または3:1:4で示されるIn−Ga−Zn系酸化物のターゲットを用いることが好
ましい。このようなターゲットを用いてIn−Ga−Zn系酸化物半導体膜を成膜するこ
とで、酸化物半導体膜に結晶部が形成されやすくなる。また、これらのターゲットの充填
率(相対密度)は90%以上が好ましく、95%以上がより好ましい。充填率の高いター
ゲットを用いることにより、緻密な酸化物半導体膜を成膜することができる。
例えば、In−Zn系酸化物の成膜用ターゲットとしては、原子数比で、In:Zn=5
0:1乃至1:2(モル数比に換算するとIn:ZnO=25:1乃至1:4)の
In−Zn系酸化物のターゲットを用いることが好ましい。この原子比は、In:Zn=
1.5:1乃至15:1(モル数比に換算するとIn:ZnO=3:4乃至15:
2)がより好ましい。例えば、In−Zn系酸化物の成膜用ターゲットは、原子数比がI
n:Zn:O=X:Y:Zのとき、Z>1.5X+Yとするとよい。Znの比率Zをこの
ような範囲に収めることで、In−Zn系酸化物膜の移動度を向上することができる。
<酸化物半導体膜の構造>
以下では、酸化物半導体膜の構造について説明する。なお、以下の説明において、「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。また、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。
酸化物半導体膜は、非単結晶酸化物半導体膜と単結晶酸化物半導体膜とに大別される。非
単結晶酸化物半導体膜とは、CAAC−OS(C Axis Aligned Crys
talline Oxide Semiconductor)膜、多結晶酸化物半導体膜
、微結晶酸化物半導体膜、非晶質酸化物半導体膜などをいう。
<CAAC−OS膜>
まずは、CAAC−OS膜について説明する。
CAAC−OS膜は、c軸配向した複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つである。
CAAC−OS膜を透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Elect
ron Microscope)によって観察すると、明確な結晶部同士の境界、即ち結
晶粒界(グレインバウンダリーともいう。)を確認することができない。そのため、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。
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。
図23(A)は、CAAC−OS膜の断面TEM像である。また、図23(B)は、図2
3(A)をさらに拡大した断面TEM像であり、理解を容易にするために原子配列を強調
表示している。
図23(C)は、図23(A)のA−O−A’間において、丸で囲んだ領域(直径約4n
m)の局所的なフーリエ変換像である。図23(C)より、各領域においてc軸配向性が
確認できる。また、A−O間とO−A’間とでは、c軸の向きが異なるため、異なるグレ
インであることが示唆される。また、A−O間では、c軸の角度が14.3°、16.6
°、30.9°のように少しずつ連続的に変化していることがわかる。同様に、O−A’
間では、c軸の角度が−18.3°、−17.6°、−11.3°と少しずつ連続的に変
化していることがわかる。
なお、CAAC−OS膜に対し、電子回折を行うと、配向性を示すスポット(輝点)が観
測される。例えば、CAAC−OS膜の上面に対し、例えば1nm以上30nm以下の電
子線を用いる電子回折(ナノビーム電子回折ともいう。)を行うと、スポットが観測され
る(図24(A)参照。)。
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。
なお、CAAC−OS膜に含まれる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−OS膜に含まれる結晶部は、一辺が10n
m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。ただ
し、CAAC−OS膜に含まれる複数の結晶部が連結することで、一つの大きな結晶領域
を形成する場合がある。例えば、平面TEM像において、2500nm以上、5μm
以上または1000μm以上となる結晶領域が観察される場合がある。
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の結晶を有するCAAC−OS膜
のout−of−plane法による解析では、回折角(2θ)が31°近傍にピークが
現れる場合がある。このピークは、InGaZnOの結晶の(009)面に帰属される
ことから、CAAC−OS膜の結晶がc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に概
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の結晶の(110)面に帰属される。InGaZnO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膜中において、c軸配向した結晶部の分布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c軸配向した結晶部
の割合が高くなることがある。また、不純物の添加されたCAAC−OS膜は、不純物が
添加された領域が変質し、部分的にc軸配向した結晶部の割合の異なる領域が形成される
こともある。
なお、InGaZnOの結晶を有するCAAC−OS膜のout−of−plane法
による解析では、2θが31°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現れ
る場合がある。2θが36°近傍のピークは、CAAC−OS膜中の一部に、c軸配向性
を有さない結晶が含まれることを示している。CAAC−OS膜は、2θが31°近傍に
ピークを示し、2θが36°近傍にピークを示さないことが好ましい。
CAAC−OS膜は、不純物濃度の低い酸化物半導体膜である。不純物は、水素、炭素、
シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体膜の主成分以外の元素である。特に、シリコ
ンなどの、酸化物半導体膜を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化
物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる
要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径
(または分子半径)が大きいため、酸化物半導体膜内部に含まれると、酸化物半導体膜の
原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体膜に含まれる不純
物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。
また、CAAC−OS膜は、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜である。例えば、酸化物
半導体膜中の酸素欠損は、キャリアトラップとなることや、水素を捕獲することによって
キャリア発生源となることがある。
不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い(酸素欠損の少ない)ことを、高純度真性または
実質的に高純度真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜
は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。従って、当該
酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性(ノー
マリーオンともいう。)になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真
性である酸化物半導体膜は、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半導体膜
を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。
なお、酸化物半導体膜のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出するまでに要する時
間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、不純物濃度が高く
、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる
場合がある。
また、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特性
の変動が小さい。
<微結晶酸化物半導体膜>
次に、微結晶酸化物半導体膜について説明する。
微結晶酸化物半導体膜は、TEMによる観察像では、明確に結晶部を確認することができ
ない場合がある。微結晶酸化物半導体膜に含まれる結晶部は、1nm以上100nm以下
、または1nm以上10nm以下の大きさであることが多い。特に、1nm以上10nm
以下、または1nm以上3nm以下の微結晶であるナノ結晶(nc:nanocryst
al)を有する酸化物半導体膜を、nc−OS(nanocrystalline Ox
ide Semiconductor)膜と呼ぶ。また、nc−OS膜は、例えば、TE
Mによる観察像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。
nc−OS膜は、微小な領域(例えば、1nm以上10nm以下の領域、特に1nm以上
3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc−OS膜は、異なる
結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。従
って、nc−OS膜は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体膜と区別が付かない場
合がある。例えば、nc−OS膜に対し、結晶部よりも大きい径のX線を用いるXRD装
置を用いて構造解析を行うと、out−of−plane法による解析では、結晶面を示
すピークが検出されない。また、nc−OS膜に対し、結晶部よりも大きいプローブ径(
例えば50nm以上)の電子線を用いる電子回折(制限視野電子回折ともいう。)を行う
と、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、nc−OS膜に対し、結
晶部の大きさと近いか結晶部より小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折
を行うと、スポットが観測される。また、nc−OS膜に対しナノビーム電子回折を行う
と、円を描くように(リング状に)輝度の高い領域が観測される場合がある。また、nc
−OS膜に対しナノビーム電子回折を行うと、リング状の領域内に複数のスポットが観測
される場合がある(図24(B)参照。)。
nc−OS膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも規則性の高い酸化物半導体膜である。その
ため、nc−OS膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、
nc−OS膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、nc−O
S膜は、CAAC−OS膜と比べて欠陥準位密度が高くなる。
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。
酸化物半導体膜が複数の構造を有する場合、ナノビーム電子回折を用いることで構造解析
が可能となる場合がある。
ところで、CAAC−OS膜であったとしても、部分的にnc−OS膜などと同様の回折
パターンが観測される場合がある。したがって、CAAC−OS膜の良否は、一定の範囲
におけるCAAC−OS膜の回折パターンが観測される領域の割合(CAAC化率ともい
う。)で表すことができる場合がある。例えば、良質なCAAC−OS膜であれば、CA
AC化率は、50%以上、好ましくは80%以上、さらに好ましくは90%以上、さらに
好ましくは95%以上となる。CAAC−OS膜と異なる回折パターンが観測される領域
の割合を非CAAC化率と表記する。
一例として、成膜直後(as−sputteredと表記。)、または酸素を含む雰囲気
における450℃加熱処理後のCAAC−OS膜を有する各試料の上面に対し、スキャン
しながら透過電子回折パターンを取得した。ここでは、5nm/秒の速度で60秒間スキ
ャンしながら回折パターンを観測し、観測された回折パターンを0.5秒ごとに静止画に
変換することで、CAAC化率を導出した。なお、電子線としては、プローブ径が1nm
のナノビームを用いた。なお、同様の測定は6試料に対して行った。そしてCAAC化率
の算出には、6試料における平均値を用いた。
成膜直後のCAAC−OS膜のCAAC化率は75.7%(非CAAC化率は24.3%
)であった。また、450℃加熱処理後のCAAC−OS膜のCAAC化率は85.3%
(非CAAC化率は14.7%)であった。成膜直後と比べて、450℃加熱処理後のC
AAC化率が高いことがわかる。即ち、高い温度(例えば400℃以上)における加熱処
理によって、非CAAC化率が低くなる(CAAC化率が高くなる)ことがわかる。また
、500℃未満の加熱処理においても高いCAAC化率を有するCAAC−OS膜が得ら
れることがわかる。
ここで、CAAC−OS膜と異なる回折パターンのほとんどはnc−OS膜と同様の回折
パターンであった。また、測定領域において非晶質酸化物半導体膜は、確認することがで
きなかった。したがって、加熱処理によって、nc−OS膜と同様の構造を有する領域が
、隣接する領域の構造の影響を受けて再配列し、CAAC化していることが示唆される。
図24(C)および図24(D)は、成膜直後(as−sputtered)および45
0℃加熱処理後のCAAC−OS膜の平面TEM像である。図24(C)と図24(D)
とを比較することにより、450℃加熱処理後のCAAC−OS膜は、膜質がより均質で
あることがわかる。即ち、高い温度における加熱処理によって、CAAC−OS膜の膜質
が向上することがわかる。
このような測定方法を用いれば、複数の構造を有する酸化物半導体膜の構造解析が可能と
なる場合がある。
(実施の形態6)
上記で説明した情報処理装置は、様々な半導体装置、電子機器に用いることが可能である
。電子機器として、例えば、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(
DVD等の記録媒体の画像データを読み出し、その画像を表示す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、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、プリンタ複合機等
が挙げられる。これら電子機器の具体例を図25(A)乃至図25(F)に示す。
図25(A)は携帯型ゲーム機の構成の一例を示す外観図である。携帯型ゲーム機400
は、筐体401、筐体402、表示部403、表示部404、マイクロホン405、スピ
ーカ406、操作キー407、およびスタイラス408等を有する。
図25(B)は携帯情報端末の構成の一例を示す外観図である。携帯情報端末410は、
筐体411、筐体412、表示部413、表示部414、接続部415、および操作キー
416等を有する。表示部413は筐体411に設けられ、表示部414は筐体412に
設けられている。接続部415により筐体411と筐体412は接続されており、筐体4
11と筐体412の間の角度は、接続部415により変更可能となっている。そのため、
表示部413における映像の切り替えを、接続部415における筐体411と筐体412
との間の角度に従って、切り替える構成としてもよい。また、表示部413および/また
は表示部414としてタッチパネル付の表示装置を使用してもよい。
図25(C)はノート型パーソナルコンピュータの構成の一例を示す外観図である。パー
ソナルコンピュータ420は、筐体421、表示部422、キーボード423、およびポ
インティングデバイス424等を有する。
図25(D)は、電気冷凍冷蔵庫の構成の一例を示す外観図である。電気冷蔵庫430は
、筐体431、冷蔵室用扉432、および冷凍室用扉433等を有する。
図25(E)は、ビデオカメラの構成の一例を示す外観図である。ビデオカメラ440は
、筐体441、筐体442、表示部443、操作キー444、レンズ445、および接続
部446等を有する。操作キー444およびレンズ445は筐体441に設けられており
、表示部443は筐体442に設けられている。そして、筐体441と筐体442は、接
続部446により接続されており、筐体441と筐体442の間の角度は、接続部446
により変えることが可能な構造となっている。筐体441に対する筐体442の角度によ
って、表示部443に表示される画像の向きの変更や、画像の表示/非表示の切り替えを
行うことができる。
図25(F)は、自動車の構成の一例を示す外観図である。自動車450は、車体451
、車輪452、ダッシュボード453、およびライト454等を有する。
また、上記の実施の形態で説明した情報処理装置は、様々な演算処理装置(例えば、CP
U、マイクロコントローラ、FPGAなどのプログラマブルデバイス、RFIDタグ)の
キャッシュメモリ、メインメモリ、ストレージに用いることができる。
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できる。
100 情報処理装置
101 トランジスタ
101a トランジスタ
101b トランジスタ
101c トランジスタ
102 トランジスタ
102a トランジスタ
102b トランジスタ
102c トランジスタ
103 トランジスタ
103a トランジスタ
103b トランジスタ
103c トランジスタ
104 容量素子
104a 容量素子
104b 容量素子
104c 容量素子
105a スイッチ
105b スイッチ
105b1 スイッチ
105b2 スイッチ
105c スイッチ
106a インバータ
106b インバータ
106c インバータ
106d インバータ
106e インバータ
106f インバータ
107a トランスミッションゲート
107b トランスミッションゲート
108 クロックドインバータ
111 トランジスタ
112 トランジスタ
113 インバータ
114 トランジスタ
115 トランジスタ
116 インバータ
117 トランスミッションゲート
118 ORゲート
118a ORゲート
118b ORゲート
118c ORゲート
120 情報処理装置
150 プロセッサ
151 コア
152 キャッシュメモリ
153 リコンフィギャラブル回路
153a テスト回路
153b メモリ
154 ROM
200 単結晶シリコンウェハ
210 絶縁層
211 絶縁層
212 絶縁層
213 絶縁層
214 絶縁層
220 導電体
221 導電体
222 導電体
223 導電体
231 導電体
232 導電体
233 導電体
241 導電体
242 導電体
243 導電体
244 導電体
245 導電体
251 導電体
252 導電体
253 導電体
254 導電体
255 導電体
256 導電体
261 導電体
262 導電体
263 導電体
264 導電体
265 導電体
271 酸化物半導体層
273 酸化物半導体層
276 絶縁層
277 絶縁層
278 絶縁層
281 導電体
282 導電体
283 導電体
284 導電体
291 導電体
292 導電体
296 導電体
297 導電体
300 基板
301 素子分離領域
302 不純物領域
303 不純物領域
304 チャネル形成領域
305 絶縁層
306 ゲート電極
307 不純物領域
308 チャネル形成領域
309 絶縁層
310 ゲート電極
311 絶縁層
312 導電体
313 導電体
314 導電体
316 導電体
317 導電体
318 導電体
320 絶縁層
321 絶縁層
322 絶縁層
330 酸化物半導体層
330a 酸化物半導体層
330b 酸化物半導体層
330c 酸化物半導体層
331 絶縁層
332 導電体
333 導電体
334 ゲート電極
400 携帯型ゲーム機
401 筐体
402 筐体
403 表示部
404 表示部
405 マイクロホン
406 スピーカ
407 操作キー
408 スタイラス
410 携帯情報端末
411 筐体
412 筐体
413 表示部
414 表示部
415 接続部
416 操作キー
420 パーソナルコンピュータ
421 筐体
422 表示部
423 キーボード
424 ポインティングデバイス
430 電気冷蔵庫
431 筐体
432 冷蔵室用扉
433 冷凍室用扉
440 ビデオカメラ
441 筐体
442 筐体
443 表示部
444 操作キー
445 レンズ
446 接続部
450 自動車
451 車体
452 車輪
453 ダッシュボード
454 ライト
BL 配線
BL_Driver ドライバ
CFG 配線
CL 配線
CL_Driver ドライバ
CLK クロック信号
CWL 配線
CWLa 配線
CWLb 配線
CWLc 配線
CWL_Driver ドライバ
DATA1 データ
DATA2 データ
DO 配線
EN 信号
ENa 信号
ENb 信号
ENc 信号
IN 入力
LC 論理回路
LUT ルックアップテーブル
OUT 出力
PCL 配線
PSW プログラマブルスイッチ
SIG 信号
SWM スイッチアレイマトリクス
SWMa スイッチアレイマトリクス
SWMb スイッチアレイマトリクス
Sub−PSWa サブプログラマブルスイッチ
Sub−PSWb サブプログラマブルスイッチ
Sub−PSWc サブプログラマブルスイッチ
RD 配線
RL 配線
WWL 配線
WWLa 配線
WWLb 配線
WWLc 配線
WWL_Driver ドライバ

Claims (4)

  1. 第1の配線群と、第2の配線群と、スイッチアレイマトリクスと、スイッチを有する論理回路と、を有するリコンフィギャラブル回路を有し、
    前記スイッチアレイマトリクスは、複数のプログラマブルスイッチを有し、
    前記第2の配線群の複数の配線を介して複数の信号は、前記論理回路に入力される機能を有し、
    前記論理回路の出力は、前記スイッチを介して前記第1の配線群に入力される機能を有し、
    前記複数のプログラマブルスイッチのそれぞれは、前記第1の配線群の一の配線と前記第2の配線群の一の配線を電気的に接続または切断させる機能を有し、
    前記リコンフィギャラブル回路の一部又は全部は、
    チップテストが実行される場合にはテスト回路として機能するように設定され、
    通常の動作時にはメモリとして機能するように設定される半導体装置。
  2. 第1の配線群と、第2の配線群と、スイッチアレイマトリクスと、スイッチを有する論理回路と、を有するリコンフィギャラブル回路を有し、
    前記スイッチアレイマトリクスは、複数のプログラマブルスイッチを有し、
    前記第2の配線群の複数の配線を介して複数の信号は、前記論理回路に入力される機能を有し、
    前記論理回路の出力は、前記スイッチを介して前記第1の配線群に入力される機能を有し、
    前記複数のプログラマブルスイッチのそれぞれは、前記第1の配線群の一の配線と前記第2の配線群の一の配線を電気的に接続または切断させる機能を有し、
    前記リコンフィギャラブル回路の一部又は全部は、
    チップテストが実行される場合にはテスト回路として機能するように設定され、
    プロセッサを起動させる場合にはスタートアップルーチンのプログラムを格納する不揮発性メモリとして機能するように設定され、
    通常の動作時にはメモリとして機能するように設定される半導体装置。
  3. 請求項2において、
    前記プロセッサを起動させる場合には前記プログラマブルスイッチのデータを前記不揮発性メモリのデータとして読み出しを行う機能を有するドライバ回路を有する半導体装置。
  4. 請求項1乃至請求項3のいずれか一において、
    前記通常の動作時には前記プログラマブルスイッチのデータを前記メモリのデータとして読み出しを行う機能を有するドライバ回路を有する半導体装置。
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