JP2020017327A - Storage device, semiconductor device, and electronic apparatus - Google Patents

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Takanori Matsuzaki
隆徳 松嵜
貴彦 石津
Takahiko Ishizu
貴彦 石津
齋藤 利彦
Toshihiko Saito
利彦 齋藤
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Abstract

To provide a storage device having a gain-cell type memory cell and capable of storing large amounts of data per unit area.SOLUTION: A memory cell included in a storage device comprises a plurality of write transistors and read transistors, and a precharge transistor. The plurality of write transistors are connected to each other in series. Data is stored by accumulating electric charge in capacity of nodes in which the write transistors are connected and nodes in which the gates of the write transistors and the gates of the read transistors are connected. Since the write transistors and the precharge transistor have metal oxide in channel formation areas and very small off-state current, the capacity can be reduced.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明の一形態は、記憶装置に関する。特に、半導体特性を利用することで機能しうる記憶装置に関する。 One embodiment of the present invention relates to a storage device. In particular, the present invention relates to a memory device that can function by utilizing semiconductor characteristics.

また、本発明の一形態は、半導体装置に関する。本明細書等において、半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。例えば、集積回路、集積回路を備えたチップや、パッケージにチップを収納した電子部品、集積回路を備えた電子機器は、半導体装置の一例である。 One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device. In this specification and the like, a semiconductor device refers to any device that can function by utilizing semiconductor characteristics. For example, an integrated circuit, a chip including the integrated circuit, an electronic component including the chip in a package, and an electronic device including the integrated circuit are examples of the semiconductor device.

なお、本発明の一形態は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一形態は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関するものである。 Note that one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field. The technical field of the invention disclosed in this specification and the like relates to an object, a method, or a manufacturing method. Alternatively, one embodiment of the present invention relates to a process, a machine, a manufacturer, or a composition (composition of matter).

DRAM(Dynamic Random Access Memory)は、各種電子機器に内蔵される記憶装置(メモリともいう)として広く用いられている。DRAMのメモリセルは、1個のトランジスタと1個の容量素子で構成され、DRAMは容量素子に電荷を蓄積することでデータを記憶するメモリである。 A DRAM (Dynamic Random Access Memory) is widely used as a storage device (also referred to as a memory) built in various electronic devices. A memory cell of a DRAM includes one transistor and one capacitor, and the DRAM is a memory that stores data by accumulating charges in the capacitor.

DRAMのメモリセルは、2個のトランジスタと1個の容量素子で構成してもよい。蓄積した電荷を近くのトランジスタで増幅することで、容量素子の容量が小さい場合でも、メモリとしての動作を行うことができる(以後、ゲインセル型のメモリセルという)。 The memory cell of the DRAM may be composed of two transistors and one capacitor. By amplifying the accumulated charge by a nearby transistor, operation as a memory can be performed even when the capacitance of the capacitor is small (hereinafter, referred to as a gain cell type memory cell).

一方、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタ(酸化物半導体トランジスタ、OSトランジスタともいう)が近年注目されている。OSトランジスタは、トランジスタがオフ状態にあるときのドレイン電流(オフ電流ともいう)が非常に小さいため、DRAMのメモリセルに用いることで、容量素子に蓄積した電荷を長時間にわたって保持することができる。 On the other hand, a transistor including a metal oxide in a channel formation region (also referred to as an oxide semiconductor transistor or an OS transistor) has attracted attention in recent years. Since the OS transistor has extremely low drain current (also referred to as off-state current) when the transistor is in an off state, by using the OS transistor for a memory cell of a DRAM, electric charge accumulated in a capacitor can be held for a long time. .

また、OSトランジスタは薄膜トランジスタであるため、積層して設けることができる。例えば、単結晶シリコン基板に形成されたSiトランジスタを用いて第1の回路を構成し、その上方に、OSトランジスタを用いて第2の回路を構成することができる。OSトランジスタをDRAMに用いることで、例えば、第1の回路として駆動回路や制御回路などの周辺回路、第2の回路としてメモリセルを構成することができ、DRAMのチップ面積を削減することができる。 In addition, since the OS transistor is a thin film transistor, the OS transistor can be stacked. For example, a first circuit can be formed using a Si transistor formed over a single crystal silicon substrate, and a second circuit can be formed above the first circuit using an OS transistor. By using an OS transistor in a DRAM, for example, a peripheral circuit such as a driver circuit or a control circuit can be formed as a first circuit, and a memory cell can be formed as a second circuit, so that the chip area of the DRAM can be reduced. .

特許文献1には、周辺回路を構成した半導体基板上に、OSトランジスタを用いた複数のメモリセルを有する半導体装置の例が開示されている。特許文献2には、OSトランジスタとOSトランジスタ以外のトランジスタ(例えば、Siトランジスタ)を、ゲインセル型のメモリセル(容量素子は省略してもよい)に用いた例が開示されている。 Patent Literature 1 discloses an example of a semiconductor device having a plurality of memory cells using OS transistors over a semiconductor substrate including a peripheral circuit. Patent Document 2 discloses an example in which an OS transistor and a transistor other than the OS transistor (for example, a Si transistor) are used for a gain cell type memory cell (capacitance element may be omitted).

なお、本明細書等では、OSトランジスタを用いたゲインセル型のメモリセルを有する半導体装置を、NOSRAM(登録商標、Nonvolatile Oxide Semiconductor Random Access Memory)と呼ぶ。また、メモリセルを有する半導体装置、NOSRAM、周辺回路と複数のメモリセルを有する半導体装置等を、以後、記憶装置またはメモリと呼ぶ。 Note that in this specification and the like, a semiconductor device including a gain cell memory cell using an OS transistor is referred to as a NOSRAM (registered trademark, Nonvolatile Oxide Semiconductor Random Access Memory). A semiconductor device including a memory cell, a NOSRAM, a semiconductor device including a peripheral circuit and a plurality of memory cells, and the like are hereinafter referred to as a storage device or a memory.

また、酸化物半導体(Oxide Semiconductorともいう)に関して、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛など、一元系金属の酸化物のみでなく、多元系金属の酸化物も知られている。多元系金属の酸化物の中でも、特に、In−Ga−Zn酸化物(IGZOともいう)に関する研究が盛んに行われている。 In addition, regarding an oxide semiconductor (also referred to as oxide semiconductor), for example, not only a single metal oxide such as indium oxide and zinc oxide but also a multimetal oxide is known. Among oxides of multi-component metals, research on In-Ga-Zn oxide (also referred to as IGZO) has been actively conducted.

IGZOに関する研究により、酸化物半導体において、単結晶でも非晶質でもない、CAAC(c−axis aligned crystalline)構造、およびnc(nanocrystalline)構造が見出された(非特許文献1乃至非特許文献3参照)。 Through research on IGZO, a CAAC (c-axis aligned crystalline) structure and an nc (nanocrystalline line) structure, which are neither single crystal nor amorphous, have been found in oxide semiconductors (Non-Patent Documents 1 to 3). reference).

非特許文献1および非特許文献2では、CAAC構造を有する酸化物半導体を用いて、トランジスタを作製する技術が開示されている。さらに、CAAC構造およびnc構造よりも結晶性の低い酸化物半導体でさえも、微小な結晶を有することが、非特許文献4および非特許文献5に示されている。 Non-Patent Documents 1 and 2 disclose a technique for manufacturing a transistor using an oxide semiconductor having a CAAC structure. Further, Non-Patent Documents 4 and 5 show that even an oxide semiconductor having lower crystallinity than the CAAC structure and the nc structure has minute crystals.

非特許文献6では、酸化物半導体を用いたトランジスタの、オフ電流が非常に小さいことが報告され、非特許文献7および非特許文献8では、オフ電流が非常に小さい性質を利用した、LSIおよびディスプレイが報告されている。 Non-Patent Document 6 reports that the off-state current of a transistor including an oxide semiconductor is extremely small, and Non-Patent Documents 7 and 8 use an LSI and a transistor utilizing the property of an extremely small off-state current. Display has been reported.

特開2012−256820号公報JP 2012-256820 A 特開2012−256400号公報JP 2012-256400 A

S.Yamazaki et al.,“SID Symposium Digest of Technical Papers”,2012,volume 43,issue 1,p.183−186S. Yamazaki et al. , "SID Symposium Digest of Technical Papers", 2012, volume 43, issue 1, p. 183-186 S.Yamazaki et al.,“Japanese Journal of Applied Physics”,2014,volume 53,Number 4S,p.04ED18−1−04ED18−10S. Yamazaki et al. , "Japanese Journal of Applied Physics", 2014, volume 53, Number 4S, p. 04ED18-1-04ED18-10 S.Ito et al.,“The Proceedings of AM−FPD’13 Digest of Technical Papers”,2013,p.151−154S. Ito et al. , "The Procedures of AM-FPD'13 Digest of Technical Papers", 2013, p. 151-154 S.Yamazaki et al.,“ECS Journal of Solid State Science and Technology”,2014,volume 3,issue 9,p.Q3012−Q3022S. Yamazaki et al. , "ECS Journal of Solid State Science and Technology", 2014, volume 3, issue 9, p. Q3012-Q3022 S.Yamazaki,“ECS Transactions”,2014,volume 64,issue 10,p.155−164S. Yamazaki, "ECS Transactions", 2014, volume 64, issue 10, p. 155-164 K.Kato et al.,“Japanese Journal of Applied Physics”,2012,volume 51,p.021201−1−021201−7K. Kato et al. , “Japanese Journal of Applied Physics”, 2012, volume 51, p. 021201-1-021201-7 S.Matsuda et al.,“2015 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers”,2015,p.T216−T217S. Matsuda et al. , “2015 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers”, 2015, p. T216-T217 S.Amano et al.,“SID Symposium Digest of Technical Papers”,2010,volume 41,issue 1,p.626−629S. Amano et al. , "SID Symposium Digest of Technical Papers", 2010, volume 41, issue 1, p. 626-629

DRAMにおいて、ゲインセル型のメモリセルは、蓄積した電荷を近くのトランジスタで増幅できるため、容量素子の容量を小さくすることができる。もしくは、トランジスタのゲート容量や、配線の寄生容量等を利用することで、容量素子を作成しなくてもよい(容量素子を省略してもよい)。 In a DRAM, a memory cell of a gain cell type can amplify accumulated charge by a nearby transistor, so that the capacitance of a capacitor can be reduced. Alternatively, it is not necessary to form a capacitor by using a gate capacitance of a transistor, a parasitic capacitance of a wiring, or the like (the capacitor may be omitted).

しかし、ゲインセル型のメモリセルは、1メモリセルあたり少なくとも2つのトランジスタが必要であり、単位面積あたり配置できるメモリセルの数(配置密度)を増やしにくいという課題があった。すなわち、メモリセルの配置密度を増やすことで、記憶装置の記憶密度(単位面積あたり記憶できるデータ量)を増やすことが難しいという課題があった。 However, the gain cell type memory cell requires at least two transistors per memory cell, and has a problem that it is difficult to increase the number of memory cells that can be arranged per unit area (arrangement density). That is, there is a problem that it is difficult to increase the storage density (the amount of data that can be stored per unit area) of the storage device by increasing the arrangement density of the memory cells.

本発明の一形態は、ゲインセル型のメモリセルを有する記憶装置において、単位面積あたり記憶できるデータ量が多い記憶装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一形態は、ゲインセル型のメモリセルを有し、単位面積あたり記憶できるデータ量が多い記憶装置を有する電子機器を提供することを課題の一つとする。 An object of one embodiment of the present invention is to provide a storage device having a gain cell type memory cell, which has a large amount of data that can be stored per unit area. Another object of one embodiment of the present invention is to provide an electronic device including a memory device having a gain cell type memory cell and having a large amount of data that can be stored per unit area.

なお、本発明の一形態は、必ずしも上記の課題の全てを解決する必要はなく、少なくとも一つの課題を解決できるものであればよい。また、上記の課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。これら以外の課題は、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から自ずと明らかになるものであり、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。 Note that one embodiment of the present invention does not necessarily need to solve all of the above problems, and it is sufficient that at least one of the problems can be solved. Further, the above description of the object does not disturb the existence of other objects. Problems other than these are obvious from the description of the specification, claims, drawings, etc., and it is possible to extract other problems from the description of the specification, claims, drawings, etc. It is possible.

本発明の一形態は、第1乃至第k書き込みワード線(kは2以上の整数)と、読み出しワード線と、プリチャージ線と、書き込みビット線と、読み出しビット線と、k個の書き込みトランジスタと、読み出しトランジスタと、プリチャージトランジスタとを有する半導体装置である。第1書き込みトランジスタのソースまたはドレインの一方は、読み出しトランジスタのゲート、および、プリチャージトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第l(lは2以上k以下の整数)書き込みトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第l−1書き込みトランジスタのソースまたはドレインの他方と電気的に接続され、第k書き込みトランジスタのソースまたはドレインの他方は、書き込みビット線と電気的に接続される。第1書き込みトランジスタのゲートは、第1書き込みワード線と電気的に接続され、第l書き込みトランジスタのゲートは、第l書き込みワード線と電気的に接続される。読み出しトランジスタのソースまたはドレインの一方は、読み出しワード線と電気的に接続され、読み出しトランジスタのソースまたはドレインの他方は、読み出しビット線と電気的に接続される。プリチャージトランジスタのゲートは、プリチャージ線と電気的に接続され、プリチャージトランジスタのソースまたはドレインの他方は、所定の電位が供給される配線と電気的に接続されることを特徴とする。 One embodiment of the present invention is a semiconductor device including first to k-th write word lines (k is an integer of 2 or more), a read word line, a precharge line, a write bit line, a read bit line, and k write transistors. , A read transistor, and a precharge transistor. One of a source and a drain of the first write transistor is electrically connected to a gate of the read transistor and one of a source and a drain of the precharge transistor, and is connected to a first (1 is an integer of 2 to k) write transistor. One of the source and the drain is electrically connected to the other of the source and the drain of the (1-1) th writing transistor, and the other of the source and the drain of the k-th writing transistor is electrically connected to the writing bit line. The gate of the first write transistor is electrically connected to the first write word line, and the gate of the first write transistor is electrically connected to the first write word line. One of a source and a drain of the read transistor is electrically connected to a read word line, and the other of the source and the drain of the read transistor is electrically connected to a read bit line. The gate of the precharge transistor is electrically connected to a precharge line, and the other of the source and the drain of the precharge transistor is electrically connected to a wiring to which a predetermined potential is supplied.

また、上記形態において、第1乃至第k書き込みトランジスタ、および、プリチャージトランジスタは、それぞれチャネル形成領域に金属酸化物を有することを特徴とする。 In the above embodiment, the first to k-th write transistors and the precharge transistor each include a metal oxide in a channel formation region.

また、上記形態において、第1乃至第k書き込みトランジスタ、プリチャージトランジスタ、および、読み出しトランジスタは、それぞれチャネル形成領域に金属酸化物を有することを特徴とする。 In the above embodiment, the first to k-th write transistors, the precharge transistor, and the read transistor each include a metal oxide in a channel formation region.

また、本発明の一形態は、メモリセルアレイと、周辺回路とを有する記憶装置である。メモリセルアレイは、m×n個(m、nは1以上の整数)のメモリセルと、それぞれm本の第1乃至第k書き込みワード線(kは2以上の整数)と、m本の読み出しワード線と、m本のプリチャージ線と、n本の書き込みビット線と、n本の読み出しビット線とを有する。m×n個のメモリセルは、行列状に配置され、メモリセルのそれぞれは、第1乃至第k書き込みワード線、読み出しワード線、プリチャージ線、書き込みビット線、および、読み出しビット線と電気的に接続され、メモリセルのそれぞれは、k個の書き込みトランジスタと、読み出しトランジスタと、プリチャージトランジスタとを有する。第1書き込みトランジスタのソースまたはドレインの一方は、読み出しトランジスタのゲート、および、プリチャージトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第l(lは2以上k以下の整数)書き込みトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第l−1書き込みトランジスタのソースまたはドレインの他方と電気的に接続され、第k書き込みトランジスタのソースまたはドレインの他方は、書き込みビット線と電気的に接続される。第1書き込みトランジスタのゲートは、第1書き込みワード線と電気的に接続され、第l書き込みトランジスタのゲートは、第l書き込みワード線と電気的に接続される。読み出しトランジスタのソースまたはドレインの一方は、読み出しワード線と電気的に接続され、読み出しトランジスタのソースまたはドレインの他方は、読み出しビット線と電気的に接続される。プリチャージトランジスタのゲートは、プリチャージ線と電気的に接続され、プリチャージトランジスタのソースまたはドレインの他方は、所定の電位が供給される配線と電気的に接続される。周辺回路は、第1回路と、第2回路と、コントローラとを有し、第1回路は、書き込みビット線および読み出しビット線と電気的に接続され、第1回路は、メモリセルにデータを書き込む機能、および、メモリセルからデータを読み出す機能を有する。第2回路は、第1乃至第k書き込みワード線、読み出しワード線、および、プリチャージ線と電気的に接続され、第2回路は、第1乃至第k書き込みワード線、読み出しワード線、および、プリチャージ線を駆動する機能を有し、コントローラは、第1回路および第2回路を制御する機能を有することを特徴とする。 Another embodiment of the present invention is a storage device including a memory cell array and a peripheral circuit. The memory cell array includes m × n memory cells (m and n are integers of 1 or more), m first to k-th write word lines (k is an integer of 2 or more), and m read words, respectively. It has lines, m precharge lines, n write bit lines, and n read bit lines. The m × n memory cells are arranged in a matrix, and each of the memory cells is electrically connected to a first to a k-th write word line, a read word line, a precharge line, a write bit line, and a read bit line. , And each of the memory cells has k write transistors, read transistors, and precharge transistors. One of a source and a drain of the first write transistor is electrically connected to a gate of the read transistor and one of a source and a drain of the precharge transistor, and is connected to a first (1 is an integer of 2 to k) write transistor. One of the source and the drain is electrically connected to the other of the source and the drain of the (1-1) th writing transistor, and the other of the source and the drain of the k-th writing transistor is electrically connected to the writing bit line. The gate of the first write transistor is electrically connected to the first write word line, and the gate of the first write transistor is electrically connected to the first write word line. One of a source and a drain of the read transistor is electrically connected to a read word line, and the other of the source and the drain of the read transistor is electrically connected to a read bit line. The gate of the precharge transistor is electrically connected to a precharge line, and the other of the source and the drain of the precharge transistor is electrically connected to a wiring to which a predetermined potential is supplied. The peripheral circuit has a first circuit, a second circuit, and a controller, the first circuit is electrically connected to a write bit line and a read bit line, and the first circuit writes data to a memory cell It has a function and a function of reading data from a memory cell. The second circuit is electrically connected to the first to k-th write word lines, read word lines, and precharge lines, and the second circuit is connected to the first to k-th write word lines, read word lines, and The controller has a function of driving the precharge line, and the controller has a function of controlling the first circuit and the second circuit.

また、上記形態において、第1乃至第k書き込みトランジスタ、および、プリチャージトランジスタは、それぞれチャネル形成領域に金属酸化物を有することを特徴とする。 In the above embodiment, the first to k-th write transistors and the precharge transistor each include a metal oxide in a channel formation region.

また、上記形態において、第1乃至第k書き込みトランジスタ、プリチャージトランジスタ、および、読み出しトランジスタは、それぞれチャネル形成領域に金属酸化物を有することを特徴とする。 In the above embodiment, the first to k-th write transistors, the precharge transistor, and the read transistor each include a metal oxide in a channel formation region.

また、上記形態において、第1回路、第2回路、および、コントローラは、半導体基板に形成されたトランジスタを有し、第1乃至第k書き込みトランジスタ、および、プリチャージトランジスタは、それぞれ半導体基板の上方に積層して形成されることを特徴とする。 In the above embodiment, the first circuit, the second circuit, and the controller have transistors formed on the semiconductor substrate, and the first to k-th write transistors and the precharge transistor are respectively located above the semiconductor substrate. Characterized in that they are formed by laminating them.

また、上記形態において、第1回路、第2回路、および、コントローラは、半導体基板に形成されたトランジスタを有し、第1乃至第k書き込みトランジスタ、プリチャージトランジスタ、および、読み出しトランジスタは、それぞれ半導体基板の上方に積層して形成されることを特徴とする。 In the above embodiment, the first circuit, the second circuit, and the controller each include a transistor formed on a semiconductor substrate, and the first to k-th write transistors, the precharge transistor, and the read transistor each include a semiconductor. It is characterized in that it is formed by being stacked above a substrate.

本発明の一形態により、ゲインセル型のメモリセルを有する記憶装置において、単位面積あたり記憶できるデータ量が多い記憶装置を提供することができる。または、本発明の一形態により、ゲインセル型のメモリセルを有し、単位面積あたり記憶できるデータ量が多い記憶装置を有する電子機器を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, a storage device having a large amount of data per unit area can be provided in a storage device including a gain cell memory cell. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, an electronic device including a memory device including a gain cell memory cell and having a large amount of data that can be stored per unit area can be provided.

なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。また、本発明の一形態は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。これら以外の効果は、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。 Note that the description of these effects does not disturb the existence of other effects. Further, one embodiment of the present invention does not necessarily need to have all of these effects. The effects other than these are obvious from the description of the specification, claims, drawings, etc., and extracting other effects from the description, the claims, drawings, etc. Is possible.

記憶装置の構成例を示す斜視概略図。FIG. 3 is a schematic perspective view illustrating a configuration example of a storage device. 記憶装置の構成例を示すブロック図。FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration example of a storage device. メモリセルアレイの構成例を示す図。FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of a memory cell array. (A、B)メモリセルの構成例を示す回路図。FIGS. 3A and 3B are circuit diagrams each illustrating a configuration example of a memory cell. FIGS. タイミングチャート。Timing chart. (A、B)メモリセルの構成例を示す回路図。FIGS. 3A and 3B are circuit diagrams each illustrating a configuration example of a memory cell. FIGS. メモリセルの構成例を示す回路図。FIG. 3 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a memory cell. ビット線ドライバ回路を構成する回路について構成例を示す図。FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of a circuit included in a bit line driver circuit. 記憶装置の構成例を示すブロック図。FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration example of a storage device. 半導体装置の構成例を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a semiconductor device. (A、B、C)トランジスタの構造例を示す断面図。3A to 3C are cross-sectional views illustrating a structure example of a transistor. トランジスタの構造例を示す断面図。FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating a structure example of a transistor. (A)トランジスタの構造例を示す上面図、(B、C)トランジスタの構造例を示す断面図。3A is a top view illustrating a structure example of a transistor, and FIG. 3B is a cross-sectional view illustrating a structure example of a transistor. (A)トランジスタの構造例を示す上面図、(B、C)トランジスタの構造例を示す断面図。3A is a top view illustrating a structure example of a transistor, and FIG. 3B is a cross-sectional view illustrating a structure example of a transistor. (A)トランジスタの構造例を示す上面図、(B、C)トランジスタの構造例を示す断面図。3A is a top view illustrating a structure example of a transistor, and FIG. 3B is a cross-sectional view illustrating a structure example of a transistor. (A)トランジスタの構造例を示す上面図、(B、C)トランジスタの構造例を示す断面図。3A is a top view illustrating a structure example of a transistor, and FIG. 3B is a cross-sectional view illustrating a structure example of a transistor. (A)トランジスタの構造例を示す上面図、(B、C)トランジスタの構造例を示す断面図。3A is a top view illustrating a structure example of a transistor, and FIG. 3B is a cross-sectional view illustrating a structure example of a transistor. (A)トランジスタの構造例を示す上面図、(B)トランジスタの構造例を示す斜視図。3A is a top view illustrating a structural example of a transistor, and FIG. 3B is a perspective view illustrating a structural example of a transistor. (A、B)トランジスタの構造例を示す断面図。3A and 3B are cross-sectional views illustrating a structure example of a transistor. (A、C)トランジスタの断面図、(B、D)トランジスタの電気特性を示す図。4A and 4B are cross-sectional views of a transistor and FIGS. 4B and 4D are diagrams illustrating electric characteristics of the transistor. 電子機器の構成例を示す図。FIG. 9 illustrates a configuration example of an electronic device. 電子機器の構成例を示す図。FIG. 9 illustrates a configuration example of an electronic device. 電子機器の構成例を示す図。FIG. 9 illustrates a configuration example of an electronic device. 電子機器の構成例を示す図。FIG. 9 illustrates a configuration example of an electronic device.

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる形態で実施することが可能であり、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。従って、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. However, it is easily understood by those skilled in the art that the embodiment can be implemented in many different forms, and that the form and details can be variously changed without departing from the spirit and scope. You. Therefore, the present invention is not construed as being limited to the description of the following embodiments.

また、以下に示される複数の実施の形態は、適宜組み合わせることが可能である。また、1つの実施の形態の中に複数の構成例が示される場合は、互いに構成例を適宜組み合わせることが可能である。 Further, a plurality of embodiments described below can be appropriately combined. In the case where a plurality of configuration examples are described in one embodiment, the configuration examples can be combined with each other as appropriate.

なお、本明細書に添付した図面では、構成要素を機能ごとに分類し、互いに独立したブロックとしてブロック図を示しているが、実際の構成要素は機能ごとに完全に切り分けることが難しく、一つの構成要素が複数の機能に係わることもあり得る。 Note that, in the drawings attached to this specification, components are classified by function and block diagrams are shown as blocks independent of each other. However, it is difficult to completely separate actual components by function, and one A component may be responsible for more than one function.

また、図面等において、大きさ、層の厚さ、領域等は、明瞭化のため誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状または値などに限定されない。 In the drawings and the like, the size, the layer thickness, the region, and the like are exaggerated in some cases for clarity. Therefore, it is not necessarily limited to the scale. The drawings schematically show ideal examples, and are not limited to the shapes or values shown in the drawings.

また、図面等において、同一の要素または同様な機能を有する要素、同一の材質の要素、あるいは同時に形成される要素等には同一の符号を付す場合があり、その繰り返しの説明は省略する場合がある。 In the drawings and the like, the same element or an element having a similar function, an element of the same material, an element formed at the same time, or the like may be denoted by the same reference numeral, and a repeated description thereof may be omitted. is there.

また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。 In this specification and the like, the term “film” and the term “layer” can be interchanged with each other. For example, in some cases, the term “conductive layer” can be changed to the term “conductive film”. Alternatively, for example, the term “insulating film” may be changed to the term “insulating layer” in some cases.

また、本明細書等において、「上」や「下」などの配置を示す用語は、構成要素の位置関係が、「直上」または「直下」であることを限定するものではない。例えば、「ゲート絶縁層上のゲート電極」の表現であれば、ゲート絶縁層とゲート電極との間に他の構成要素を含むものを除外しない。 Further, in this specification and the like, a term indicating an arrangement such as “above” or “below” does not limit that the positional relationship between components is “directly above” or “directly below”. For example, the expression “a gate electrode over a gate insulating layer” does not exclude the case where another component is included between the gate insulating layer and the gate electrode.

また、本明細書等において、「第1」、「第2」、「第3」などの序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではない。 Further, in this specification and the like, ordinal numbers such as “first”, “second”, and “third” are given in order to avoid confusion of components, and are not limited in number.

また、本明細書等において、「電気的に接続」とは、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、容量素子、その他の各種機能を有する素子などが含まれる。 In this specification and the like, the term "electrically connected" includes the case where components are connected through an "object having any electric function". Here, there is no particular limitation on the “something having an electrical action” as long as it allows transmission and reception of an electric signal between connection targets. For example, the "object having any electric function" includes a switching element such as a transistor, a resistor, an inductor, a capacitor, and other elements having various functions, including an electrode and a wiring.

また、本明細書等において、「電圧」とは、ある電位と基準の電位(例えば、グラウンド電位)との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧と電位差とは言い換えることができる。 In this specification and the like, “voltage” often indicates a potential difference between a certain potential and a reference potential (for example, a ground potential). Therefore, the voltage and the potential difference can be rephrased.

また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む、少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン(ドレイン端子、ドレイン領域、またはドレイン電極)とソース(ソース端子、ソース領域、またはソース電極)の間にチャネル形成領域を有しており、チャネル形成領域を介して、ソースとドレインとの間に電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル形成領域とは、電流が主として流れる領域をいう。 In this specification and the like, a transistor is an element having at least three terminals, including a gate, a drain, and a source. A channel formation region is provided between the drain (drain terminal, drain region, or drain electrode) and the source (source terminal, source region, or source electrode), and the source and the drain are connected to each other through the channel formation region. A current can flow between them. Note that in this specification and the like, a channel formation region refers to a region through which current mainly flows.

また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等において、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。 In addition, the functions of the source and the drain may be switched when transistors with different polarities are used or when the direction of current changes in circuit operation. Therefore, in this specification and the like, the terms of source and drain can be used interchangeably.

また、本明細書等において、特に断りがない場合、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態(非導通状態、遮断状態ともいう)にあるときのドレイン電流をいう。オフ状態とは、特に断りがない場合、nチャネル型トランジスタでは、ソースに対するゲートの電圧Vgsがしきい値電圧Vthよりも低い状態、pチャネル型トランジスタでは、ソースに対するゲートの電圧Vgsがしきい値電圧Vthよりも高い状態をいう。つまり、nチャネル型のトランジスタのオフ電流とは、ソースに対するゲートの電圧Vgsがしきい値電圧Vthよりも低いときのドレイン電流、という場合がある。 In this specification and the like, unless otherwise specified, an off-state current refers to a drain current when a transistor is in an off state (also referred to as a non-conductive state or a cut-off state). Unless otherwise specified, the off state refers to a state in which a gate voltage Vgs with respect to a source is lower than a threshold voltage Vth in an n-channel transistor, and a threshold voltage Vgs with respect to a source in a p-channel transistor. The state is higher than the voltage Vth. That is, the off-state current of an n-channel transistor may be a drain current when the voltage Vgs of the gate with respect to the source is lower than the threshold voltage Vth.

上記オフ電流の説明において、ドレインをソースと読み替えてもよい。つまり、オフ電流は、トランジスタがオフ状態にあるときのソース電流をいう場合がある。また、オフ電流と同じ意味で、リーク電流という場合がある。また、本明細書等において、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態にあるときに、ソースとドレインとの間に流れる電流を指す場合がある。 In the description of the off-state current, a drain may be read as a source. That is, the off-state current sometimes refers to a source current when the transistor is in an off state. Further, the term “leak current” may have the same meaning as the off-state current. In this specification and the like, off-state current sometimes refers to current flowing between a source and a drain when a transistor is off.

また、本明細書等において、金属酸化物(metal oxide)とは、広い意味での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体(透明酸化物導電体を含む)、酸化物半導体などに分類される。 In this specification and the like, a metal oxide is a metal oxide in a broad sense. Metal oxides are classified into oxide insulators, oxide conductors (including transparent oxide conductors), oxide semiconductors, and the like.

例えば、トランジスタのチャネル形成領域に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、金属酸化物が増幅作用、整流作用、及びスイッチング作用の少なくとも1つを有する場合、当該金属酸化物を、金属酸化物半導体(metal oxide semiconductor)と呼ぶことができる。すなわち、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタを、「酸化物半導体トランジスタ」、「OSトランジスタ」と呼ぶことができる。同様に、上述した、「酸化物半導体を用いたトランジスタ」も、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタである。 For example, in the case where a metal oxide is used for a channel formation region of a transistor, the metal oxide is sometimes referred to as an oxide semiconductor. That is, when a metal oxide has at least one of an amplifying function, a rectifying function, and a switching function, the metal oxide can be referred to as a metal oxide semiconductor. That is, a transistor including a metal oxide in a channel formation region can be referred to as an "oxide semiconductor transistor" or an "OS transistor." Similarly, the above-described “transistor using an oxide semiconductor” is a transistor including a metal oxide in a channel formation region.

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

(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一形態に係わる記憶装置の構成例について説明する。本発明の一形態に係わる記憶装置は、半導体特性を利用することで機能しうる記憶装置であり、メモリとも呼ばれている。また、本発明の一形態に係わる記憶装置は、周辺回路を形成した半導体基板上に、OSトランジスタを用いて構成されたメモリセルが、積層して設けられた構造を有する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, an example of a structure of a storage device according to one embodiment of the present invention will be described. A storage device according to one embodiment of the present invention is a storage device that can function by utilizing semiconductor characteristics and is also called a memory. Further, a memory device according to one embodiment of the present invention has a structure in which memory cells each including an OS transistor are stacked over a semiconductor substrate over which a peripheral circuit is formed.

<記憶装置の斜視概略図>
図1は、本発明の一形態に係わる記憶装置100の構成例を示す斜視概略図である。
<Schematic schematic diagram of storage device>
FIG. 1 is a schematic perspective view illustrating a configuration example of a storage device 100 according to one embodiment of the present invention.

記憶装置100は、層101および層201を有し、層101の上方に層201が積層して設けられた構造を有する。層101および層201には、それぞれ、半導体特性を利用することで機能しうる回路が設けられており、層101には周辺回路110が設けられ、層201にはメモリセルアレイ210が設けられている。なお、本明細書等で説明する図面においては、主な信号の流れを矢印または線で示しており、電源線等は省略する場合がある。 The memory device 100 includes a layer 101 and a layer 201, and has a structure in which the layer 201 is stacked over the layer 101. The layers 101 and 201 each include a circuit which can function by utilizing semiconductor characteristics. The layer 101 includes a peripheral circuit 110, and the layer 201 includes a memory cell array 210. . In the drawings described in this specification and the like, main signal flows are indicated by arrows or lines, and power supply lines and the like may be omitted.

周辺回路110は、ローデコーダ121、ワード線ドライバ回路122、カラムデコーダ131、ビット線ドライバ回路132、ページバッファ138、出力回路140、および、コントロールロジック回路160を有する。なお、周辺回路110は、メモリセルアレイ210の駆動回路および制御回路としての機能を有する。 The peripheral circuit 110 has a row decoder 121, a word line driver circuit 122, a column decoder 131, a bit line driver circuit 132, a page buffer 138, an output circuit 140, and a control logic circuit 160. Note that the peripheral circuit 110 has a function as a drive circuit and a control circuit of the memory cell array 210.

周辺回路110は、半導体基板SUBに形成されたトランジスタを用いて構成される。半導体基板SUBは、トランジスタのチャネル領域を形成することが可能であれば、特に限定されない。例えば、単結晶シリコン基板、単結晶ゲルマニウム基板、化合物半導体基板(SiC基板、GaN基板など)、SOI(Silicon on Insulator)基板などを用いることができる。 The peripheral circuit 110 is configured using a transistor formed on the semiconductor substrate SUB. The semiconductor substrate SUB is not particularly limited as long as a channel region of a transistor can be formed. For example, a single crystal silicon substrate, a single crystal germanium substrate, a compound semiconductor substrate (eg, a SiC substrate, a GaN substrate), an SOI (Silicon on Insulator) substrate, or the like can be used.

また、SOI基板として、鏡面研磨ウェハーに酸素イオンを注入した後、高温加熱することにより、表面から一定の深さに酸化層を形成させるとともに、表面層に生じた欠陥を消滅させて形成されたSIMOX(Separation by Implanted Oxygen)基板や、水素イオン注入により形成された微小ボイドの熱処理による成長を利用して半導体基板を劈開するスマートカット法、ELTRAN法(登録商標:Epitaxial Layer Transfer)などを用いて形成されたSOI基板を用いてもよい。単結晶基板を用いて形成したトランジスタは、チャネル形成領域に単結晶半導体を有する。 In addition, as an SOI substrate, oxygen ions were implanted into a mirror-polished wafer and then heated to a high temperature to form an oxide layer at a certain depth from the surface and to eliminate defects generated in the surface layer. A SIMOX (Separation by Implanted Oxygen) substrate, a smart cut method in which a semiconductor substrate is cleaved using growth by heat treatment of microvoids formed by hydrogen ion implantation, an ELTRAN method (registered trademark: Epitaxial Layer Transfer), or the like is used. The formed SOI substrate may be used. A transistor formed using a single crystal substrate has a single crystal semiconductor in a channel formation region.

本実施の形態では、半導体基板SUBに単結晶シリコン基板を用いた場合について説明する。また、単結晶シリコン基板に形成されたトランジスタを、Siトランジスタと呼ぶ。Siトランジスタを用いて構成された周辺回路110は、高速な動作が可能である。 In this embodiment, a case where a single crystal silicon substrate is used as the semiconductor substrate SUB will be described. A transistor formed over a single crystal silicon substrate is called a Si transistor. The peripheral circuit 110 including the Si transistor can operate at high speed.

メモリセルアレイ210は、複数のメモリセル211を有し、メモリセル211はOSトランジスタを用いて構成される。OSトランジスタは薄膜トランジスタであるため、メモリセルアレイ210は、半導体基板SUB上に積層して設けることができる。 The memory cell array 210 has a plurality of memory cells 211, and the memory cells 211 are configured using OS transistors. Since the OS transistor is a thin film transistor, the memory cell array 210 can be provided over the semiconductor substrate SUB.

ここで、酸化物半導体のバンドギャップは2.5eV以上、好ましくは3.0eV以上であるため、OSトランジスタは熱励起によるリーク電流が小さく、オフ電流が非常に小さい。なお、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態にあるときに、ソースとドレインとの間に流れる電流をいう。 Here, the band gap of the oxide semiconductor is 2.5 eV or more, preferably 3.0 eV or more; therefore, the OS transistor has low leakage current due to thermal excitation and extremely low off-state current. Note that off-state current refers to current which flows between a source and a drain when a transistor is off.

OSトランジスタのチャネル形成領域に用いられる金属酸化物は、インジウム(In)および亜鉛(Zn)の少なくとも一方を含む酸化物半導体であることが好ましい。このような酸化物半導体としては、In−M−Zn酸化物(元素Mは、例えばAl、Ga、YまたはSn)が代表的である。電子供与体(ドナー)となる水分、水素などの不純物を低減し、かつ酸素欠損も低減することで、酸化物半導体をi型(真性)、または実質的にi型にすることができる。このような酸化物半導体は、高純度化された酸化物半導体と呼ぶことができる。なお、OSトランジスタの詳細については、実施の形態4で説明する。 The metal oxide used for the channel formation region of the OS transistor is preferably an oxide semiconductor containing at least one of indium (In) and zinc (Zn). A typical example of such an oxide semiconductor is an In-M-Zn oxide (element M is, for example, Al, Ga, Y, or Sn). The oxide semiconductor can be made i-type (intrinsic) or substantially i-type by reducing impurities such as moisture and hydrogen serving as electron donors (donors) and reducing oxygen vacancies. Such an oxide semiconductor can be referred to as a highly purified oxide semiconductor. Note that details of the OS transistor are described in Embodiment 4.

メモリセル211は、電荷を蓄積し保持することで、データを記憶する機能を有する。メモリセル211は、2値(ハイレベルまたはローレベル)のデータを記憶する機能を有していてもよいし、4値以上のデータを記憶する機能を有していてもよい。または、アナログデータを記憶する機能を有していてもよい。 The memory cell 211 has a function of storing data by accumulating and holding electric charge. The memory cell 211 may have a function of storing binary (high-level or low-level) data, or may have a function of storing quaternary or more data. Alternatively, it may have a function of storing analog data.

OSトランジスタは、オフ電流が非常に小さいため、メモリセル211に用いるトランジスタとして好適である。OSトランジスタは、例えば、チャネル幅1μmあたりのオフ電流を100zA/μm以下、または10zA/μm以下、または1zA/μm以下、または10yA/μm以下とすることができる。OSトランジスタをメモリセル211に用いることにより、メモリセル211に記憶したデータを長時間に渡って保持することができる。 The OS transistor is suitable as a transistor used for the memory cell 211 because the off-state current is extremely small. For example, the OS transistor can have an off-state current per 1 μm of channel width of 100 zA / μm or less, 10 zA / μm or less, 1 zA / μm or less, or 10 yA / μm or less. By using the OS transistor for the memory cell 211, data stored in the memory cell 211 can be held for a long time.

OSトランジスタは、高温下でもオフ電流が増加しにくい特徴を有するため、記憶装置100は、設置されている環境の温度が高い場合でも動作することができる。また、周辺回路110の発熱による高温下においても、メモリセル211に記憶したデータの消失が生じにくい。OSトランジスタを用いることで、記憶装置100の信頼性を高めることができる。 Since the OS transistor has a feature in which the off-state current does not easily increase even at a high temperature, the memory device 100 can operate even when the temperature of an environment where the OS transistor is installed is high. In addition, even at a high temperature due to heat generated by the peripheral circuit 110, data stored in the memory cell 211 is unlikely to be lost. With the use of the OS transistor, the reliability of the storage device 100 can be improved.

もしくは、メモリセル211に用いるトランジスタとして、オフ電流が低ければOSトランジスタ以外のトランジスタを用いてもよい。例えば、チャネル形成領域にバンドギャップが大きい半導体を有するトランジスタを用いてもよい。バンドギャップが大きい半導体とは、バンドギャップが2.2eV以上の半導体を指す場合があり、例えば、炭化ケイ素、窒化ガリウム、ダイヤモンドなどが挙げられる。 Alternatively, as the transistor used for the memory cell 211, a transistor other than the OS transistor may be used as long as the off-state current is low. For example, a transistor including a semiconductor with a large band gap in a channel formation region may be used. A semiconductor having a large band gap may refer to a semiconductor having a band gap of 2.2 eV or more, and examples thereof include silicon carbide, gallium nitride, and diamond.

図1に示すように、メモリセルアレイ210において、メモリセル211は行列状(マトリクス状ともいう)に配置され、各メモリセル211は、配線WLおよび配線BLと接続されている。メモリセル211は、配線WLに印加される電位によって選択され、配線BLを介して、選択されたメモリセル211にデータが書き込まれる。または、メモリセル211は、配線WLに印加される電位によって選択され、配線BLを介して、選択されたメモリセル211からデータが読み出される。 As shown in FIG. 1, in the memory cell array 210, the memory cells 211 are arranged in a matrix (also referred to as a matrix), and each memory cell 211 is connected to a wiring WL and a wiring BL. The memory cell 211 is selected by a potential applied to the wiring WL, and data is written to the selected memory cell 211 through the wiring BL. Alternatively, the memory cell 211 is selected by a potential applied to the wiring WL, and data is read from the selected memory cell 211 through the wiring BL.

すなわち、配線WLはメモリセル211のワード線としての機能を有し、配線BLはメモリセル211のビット線としての機能を有する。なお、図1には示されていないが、配線WLは、書き込みワード線wl、読み出しワード線rwl、および、プリチャージ線prlから構成され、配線BLは、書き込みビット線wbl、および、読み出しビット線rblから構成される(図2参照)。また、後述するが、書き込みワード線wlは、書き込みワード線wl1乃至書き込みワード線wlk(kは2以上の整数)から構成される。 That is, the wiring WL has a function as a word line of the memory cell 211, and the wiring BL has a function as a bit line of the memory cell 211. Although not shown in FIG. 1, the wiring WL includes a write word line wl, a read word line rwl, and a precharge line prl, and the wiring BL includes a write bit line wbl and a read bit line rbl (see FIG. 2). As will be described later, the write word line wl is composed of write word lines wl1 to wlk (k is an integer of 2 or more).

<記憶装置のブロック図>
図2は、記憶装置100の構成例を示すブロック図である。
<Block diagram of storage device>
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration example of the storage device 100.

記憶装置100は、周辺回路110、および、メモリセルアレイ210を有する。周辺回路110は、ローデコーダ121、ワード線ドライバ回路122、カラムデコーダ131、ビット線ドライバ回路132、ページバッファ138、出力回路140、および、コントロールロジック回路160を有する。メモリセルアレイ210は、メモリセル211、書き込みワード線wl、読み出しワード線rwl、プリチャージ線prl、書き込みビット線wbl、および、読み出しビット線rblを有する。 The storage device 100 includes a peripheral circuit 110 and a memory cell array 210. The peripheral circuit 110 has a row decoder 121, a word line driver circuit 122, a column decoder 131, a bit line driver circuit 132, a page buffer 138, an output circuit 140, and a control logic circuit 160. The memory cell array 210 includes a memory cell 211, a write word line wl, a read word line rwl, a precharge line prl, a write bit line wbl, and a read bit line rbl.

記憶装置100には、電位Vss、電位Vdd、電位Vdh、プリチャージ電位Vpre、および、レファレンス電位Vrefが入力される。電位Vdhは、ワード線wlの高電源電位である。 The potential Vss, the potential Vdd, the potential Vdh, the precharge potential Vpre, and the reference potential Vref are input to the storage device 100. The potential Vdh is a high power supply potential of the word line wl.

記憶装置100には、クロック信号CLK、チップイネーブル信号CE、グローバル書き込みイネーブル信号GW、バイト書き込みイネーブル信号BW、アドレス信号ADDR、および、データ信号WDATAが入力され、記憶装置100は、データ信号RDATAを出力する。なお、これらの信号は、ハイレベルまたはローレベル(HighまたはLow、HまたはL、1または0等で表される場合がある)で表されるデジタル信号である。 A clock signal CLK, a chip enable signal CE, a global write enable signal GW, a byte write enable signal BW, an address signal ADDR, and a data signal WDATA are input to the storage device 100, and the storage device 100 outputs a data signal RDATA I do. Note that these signals are digital signals represented by a high level or a low level (in some cases, represented by High or Low, H or L, 1 or 0, or the like).

なお、本実施の形態では、デジタル信号のハイレベルは電位Vddを用いて表され、ローレベルは電位Vssを用いて表される。また、ワード線wlのハイレベルには電位Vdhが用いられ、ローレベルには電位Vssが用いられる。そして、バイト書き込みイネーブル信号BW、アドレス信号ADDR、データ信号WDATA、および、データ信号RDATAは、複数ビットを有する信号である。 Note that in this embodiment, the high level of the digital signal is represented using the potential Vdd, and the low level is represented using the potential Vss. The potential Vdh is used for the high level of the word line wl, and the potential Vss is used for the low level of the word line wl. The byte write enable signal BW, the address signal ADDR, the data signal WDATA, and the data signal RDATA are signals having a plurality of bits.

本明細書等では、複数ビットを有する信号に対して、例えば、バイト書き込みイネーブル信号BWが4ビットを有する場合、バイト書き込みイネーブル信号BW[3:0]と表記する。これは、バイト書き込みイネーブル信号がBW[0]乃至BW[3]を有することを意味し、1つのビットを特定する必要がある場合、例えば、バイト書き込みイネーブル信号BW[0]と表記する。また、バイト書き込みイネーブル信号BWと表記した場合、任意のビットを指している。 In this specification and the like, when a byte write enable signal BW has four bits with respect to a signal having a plurality of bits, for example, it is described as a byte write enable signal BW [3: 0]. This means that the byte write enable signal has BW [0] to BW [3], and when it is necessary to specify one bit, it is expressed as, for example, the byte write enable signal BW [0]. In addition, when expressed as a byte write enable signal BW, it indicates an arbitrary bit.

例えば、バイト書き込みイネーブル信号BWを4ビット、データ信号WDATAおよびデータ信号RDATAを32ビットとすることができる。すなわち、バイト書き込みイネーブル信号BW、データ信号WDATA、および、データ信号RDATAは、それぞれ、バイト書き込みイネーブル信号BW[3:0]、データ信号WDATA[31:0]、データ信号RDATA[31:0]と表記される。 For example, the byte write enable signal BW can be 4 bits, and the data signal WDATA and the data signal RDATA can be 32 bits. That is, the byte write enable signal BW, the data signal WDATA, and the data signal RDATA are respectively a byte write enable signal BW [3: 0], a data signal WDATA [31: 0], and a data signal RDATA [31: 0]. Notation.

なお、記憶装置100において、上述の各回路、各信号、および、各電位は、必要に応じて適宜取捨することができる。あるいは、他の回路、他の信号、または、他の電位を追加してもよい。 Note that in the storage device 100, the above-described circuits, signals, and potentials can be appropriately discarded as necessary. Alternatively, another circuit, another signal, or another potential may be added.

コントロールロジック回路160は、チップイネーブル信号CE、グローバル書き込みイネーブル信号GWを処理して、ローデコーダ121、カラムデコーダ131の制御信号を生成する。例えば、チップイネーブル信号CEがハイレベル、グローバル書き込みイネーブル信号GWがローレベルの場合、ローデコーダ121およびカラムデコーダ131は読み出し動作を行い、チップイネーブル信号CEがハイレベル、グローバル書き込みイネーブル信号GWがハイレベルの場合、ローデコーダ121およびカラムデコーダ131は書き込み動作を行い、チップイネーブル信号CEがローレベルの場合、グローバル書き込みイネーブル信号GWのハイレベル、ローレベルにかかわらず、ローデコーダ121およびカラムデコーダ131はスタンバイ動作とすることができる。コントロールロジック回路160が処理する信号は、これに限定されるものではなく、必要に応じて他の信号を入力してもよい。 The control logic circuit 160 processes the chip enable signal CE and the global write enable signal GW to generate control signals for the row decoder 121 and the column decoder 131. For example, when the chip enable signal CE is at a high level and the global write enable signal GW is at a low level, the row decoder 121 and the column decoder 131 perform a read operation, and the chip enable signal CE is at a high level and the global write enable signal GW is at a high level. , The row decoder 121 and the column decoder 131 perform a write operation, and when the chip enable signal CE is at a low level, the row decoder 121 and the column decoder 131 are in a standby state regardless of whether the global write enable signal GW is at a high level or a low level. Operation. The signal processed by the control logic circuit 160 is not limited to this, and another signal may be input as needed.

また、コントロールロジック回路160は、バイト書き込みイネーブル信号BW[3:0]を処理して、書き込み動作を制御する。具体的には、バイト書き込みイネーブル信号BW[0]がハイレベルの場合、ローデコーダ121およびカラムデコーダ131は、データ信号WDATA[7:0]の書き込み動作を行う。同様に、バイト書き込みイネーブル信号BW[1]がハイレベルの場合、データ信号WDATA[15:8]の書き込み動作、バイト書き込みイネーブル信号BW[2]がハイレベルの場合、データ信号WDATA[23:16]の書き込み動作、バイト書き込みイネーブル信号BW[3]がハイレベルの場合、データ信号WDATA[31:24]の書き込み動作を行う。 Further, the control logic circuit 160 processes the byte write enable signal BW [3: 0] to control the write operation. Specifically, when the byte write enable signal BW [0] is at a high level, the row decoder 121 and the column decoder 131 perform a write operation of the data signal WDATA [7: 0]. Similarly, when the byte write enable signal BW [1] is at a high level, the write operation of the data signal WDATA [15: 8] is performed. When the byte write enable signal BW [2] is at a high level, the data signal WDATA [23:16] is used. When the byte write enable signal BW [3] is at a high level, the write operation of the data signal WDATA [31:24] is performed.

ローデコーダ121およびカラムデコーダ131には、上述した、コントロールロジック回路160が生成する制御信号に加えて、アドレス信号ADDRが入力される。 The row decoder 121 and the column decoder 131 receive an address signal ADDR in addition to the control signal generated by the control logic circuit 160 described above.

ローデコーダ121は、アドレス信号ADDRをデコードし、ワード線ドライバ回路122の制御信号を生成する。ワード線ドライバ回路122は、書き込みワード線wl、読み出しワード線rwl、および、プリチャージ線prlを駆動する機能を有する。ワード線ドライバ回路122は、ローデコーダ121の制御信号に基づき、アクセス対象行の書き込みワード線wl、または、読み出しワード線rwl、または、プリチャージ線prlを選択する。 The row decoder 121 decodes the address signal ADDR and generates a control signal for the word line driver circuit 122. The word line driver circuit 122 has a function of driving the write word line wl, the read word line rwl, and the precharge line prl. The word line driver circuit 122 selects a write word line wl, a read word line rwl, or a precharge line prl of a row to be accessed based on a control signal of the row decoder 121.

また、メモリセルアレイ210が、複数のブロックに分割されている場合、プレデコーダ123を設けてもよい。プレデコーダ123は、アドレス信号ADDRをデコードして、アクセスされるブロックを決定する機能を有する。 When the memory cell array 210 is divided into a plurality of blocks, a predecoder 123 may be provided. The predecoder 123 has a function of decoding the address signal ADDR to determine a block to be accessed.

カラムデコーダ131、ビット線ドライバ回路132、および、ページバッファ138は、データ信号WDATAにより入力されたデータをメモリセルアレイ210に書き込む機能、メモリセルアレイ210からデータを読み出す機能、読み出したデータを増幅し、出力回路140に出力する機能等を有する。 The column decoder 131, the bit line driver circuit 132, and the page buffer 138 have a function of writing data input by the data signal WDATA to the memory cell array 210, a function of reading data from the memory cell array 210, and amplifying and outputting read data. It has a function of outputting to the circuit 140 and the like.

出力回路140は、カラムデコーダ131およびビット線ドライバ回路132によって、メモリセルアレイ210から読み出され、ページバッファ138に記憶されたデータを、データ信号RDATAとして出力する。 The output circuit 140 outputs data read from the memory cell array 210 by the column decoder 131 and the bit line driver circuit 132 and stored in the page buffer 138 as a data signal RDATA.

なお、図2の例では、ビット線ドライバ回路132は、プリチャージ回路133、センスアンプ回路134、出力MUX(マルチプレクサ)回路135、および、書き込みドライバ回路136を有する。なお、プリチャージ回路133、センスアンプ回路134、出力MUX回路135、および、書き込みドライバ回路136については、後述する。 In the example of FIG. 2, the bit line driver circuit 132 has a precharge circuit 133, a sense amplifier circuit 134, an output MUX (multiplexer) circuit 135, and a write driver circuit 136. The precharge circuit 133, the sense amplifier circuit 134, the output MUX circuit 135, and the write driver circuit 136 will be described later.

<メモリセルアレイ>
図3に、メモリセルアレイ210の構成例を示す。メモリセルアレイ210は、一列にm(mは1以上の整数)個、一行にn(nは1以上の整数)個、合計m×n個のメモリセル211を有し、メモリセル211は行列状に配置されている。
<Memory cell array>
FIG. 3 shows a configuration example of the memory cell array 210. The memory cell array 210 includes m (m is an integer of 1 or more) in one column, and n (n is an integer of 1 or more) in a row, and a total of m × n memory cells 211, and the memory cells 211 are arranged in a matrix. Are located in

図3では、メモリセル211のアドレスも表記しており、[1,1]、[i,1]、[m,1]、[1,j]、[i,j]、[m,j]、[1,n]、[i,n]、[m,n](iは1以上m以下の整数、jは1以上n以下の整数)は、メモリセル211のアドレスである。例えば、[i,j]と表記されたメモリセル211は、i行j列目のメモリセル211である。 FIG. 3 also shows the addresses of the memory cells 211, and [1,1], [i, 1], [m, 1], [1, j], [i, j], [m, j]. , [1, n], [i, n], [m, n] (i is an integer of 1 or more and m or less, j is an integer of 1 or more and n or less) are addresses of the memory cell 211. For example, the memory cell 211 described as [i, j] is the memory cell 211 in the i-th row and the j-th column.

また、メモリセルアレイ210は、m本の書き込みワード線wl(wl(1)乃至wl(m))、m本の読み出しワード線rwl(rwl(1)乃至rwl(m))、m本のプリチャージ線prl(prl(1)乃至prl(m))、n本の書き込みビット線wbl(wbl(1)乃至wbl(n))、および、n本の読み出しビット線rbl(rbl(1)乃至rbl(n))を有する。 The memory cell array 210 includes m write word lines wl (wl (1) to wl (m)), m read word lines rwl (rwl (1) to rwl (m)), and m precharges. Line prl (prl (1) to prl (m)), n write bit lines wbl (wbl (1) to wbl (n)), and n read bit lines rbl (rbl (1) to rbl ( n)).

個々のメモリセル211は、書き込みワード線wl、読み出しワード線rwl、プリチャージ線prl、書き込みビット線wbl、および、読み出しビット線rblと、電気的に接続されている。例えば、図3に示すように、アドレスが[i,j]のメモリセル211は、書き込みワード線wl(i)、読み出しワード線rwl(i)、および、プリチャージ線prl(i)を介してワード線ドライバ回路122と電気的に接続され、書き込みビット線wbl(j)および読み出しビット線rbl(j)を介してビット線ドライバ回路132と電気的に接続されている。 Each memory cell 211 is electrically connected to a write word line wl, a read word line rwl, a precharge line prl, a write bit line wbl, and a read bit line rbl. For example, as shown in FIG. 3, a memory cell 211 whose address is [i, j] is connected via a write word line wl (i), a read word line rwl (i), and a precharge line prl (i). It is electrically connected to the word line driver circuit 122, and is electrically connected to the bit line driver circuit 132 via the write bit line wbl (j) and the read bit line rbl (j).

<メモリセル1>
図4(A)は、メモリセル211の構成例を示す回路図である。なお、本実施の形態では、書き込みワード線wlが、4本の書き込みワード線wl1乃至書き込みワード線wl4から構成される例を説明するが、当該構成に限定されるものではない。
<Memory cell 1>
FIG. 4A is a circuit diagram illustrating a configuration example of the memory cell 211. Note that in this embodiment, an example in which the write word line wl includes four write word lines wl1 to wl4 will be described; however, the present invention is not limited to this configuration.

図4(A)に示すように、メモリセル211は、トランジスタM11乃至トランジスタM16、および、容量素子C11乃至容量素子C14を有する。ここで、トランジスタM11乃至トランジスタM14を書き込みトランジスタ、トランジスタM15を読み出しトランジスタ、トランジスタM16をプリチャージトランジスタと呼ぶ場合がある。 As illustrated in FIG. 4A, the memory cell 211 includes transistors M11 to M16 and capacitors C11 to C14. Here, the transistors M11 to M14 may be referred to as write transistors, the transistor M15 may be referred to as a read transistor, and the transistor M16 may be referred to as a precharge transistor.

トランジスタM11のソースまたはドレインの一方は、トランジスタM15のゲート、トランジスタM16のソースまたはドレインの一方、および、容量素子C11の第1端子と、電気的に接続される。また、トランジスタM12のソースまたはドレインの一方は、トランジスタM11のソースまたはドレインの他方および容量素子C12の第1端子と電気的に接続され、トランジスタM13のソースまたはドレインの一方は、トランジスタM12のソースまたはドレインの他方および容量素子C13の第1端子と電気的に接続され、トランジスタM14のソースまたはドレインの一方は、トランジスタM13のソースまたはドレインの他方および容量素子C14の第1端子と電気的に接続される。 One of a source and a drain of the transistor M11 is electrically connected to a gate of the transistor M15, one of a source and a drain of the transistor M16, and a first terminal of the capacitor C11. One of the source and the drain of the transistor M12 is electrically connected to the other of the source and the drain of the transistor M11 and the first terminal of the capacitor C12. One of the source and the drain of the transistor M13 is connected to the source or the drain of the transistor M12. One of the source and the drain of the transistor M14 is electrically connected to the other of the drain and the first terminal of the capacitor C13, and one of the source and the drain of the transistor M14 is electrically connected to the other of the source and the drain of the transistor M13 and the first terminal of the capacitor C14. You.

トランジスタM11のゲートは書き込みワード線wl1と電気的に接続され、トランジスタM12のゲートは書き込みワード線wl2と電気的に接続され、トランジスタM13のゲートは書き込みワード線wl3と電気的に接続され、トランジスタM14のゲートは書き込みワード線wl4と電気的に接続される。トランジスタM14のソースまたはドレインの他方は、書き込みビット線wblと電気的に接続され、トランジスタM15のソースまたはドレインの一方は、読み出しワード線rwlと電気的に接続され、トランジスタM15のソースまたはドレインの他方は、読み出しビット線rblと電気的に接続され、トランジスタM16のゲートはプリチャージ線prlと電気的に接続される。 The gate of the transistor M11 is electrically connected to the write word line wl1, the gate of the transistor M12 is electrically connected to the write word line wl2, the gate of the transistor M13 is electrically connected to the write word line wl3, and the transistor M14 Is electrically connected to the write word line wl4. The other of the source and the drain of the transistor M14 is electrically connected to the write bit line wbl, the one of the source and the drain of the transistor M15 is electrically connected to the read word line rwl, and the other of the source and the drain of the transistor M15 Is electrically connected to the read bit line rbl, and the gate of the transistor M16 is electrically connected to the precharge line prl.

トランジスタM16のソースまたはドレインの他方は、配線preと電気的に接続され、容量素子C11の第2端子、容量素子C12の第2端子、容量素子C13の第2端子、および、容量素子C14の第2端子は、配線CALと電気的に接続される。配線CALは、容量素子C11乃至容量素子C14の第2端子に、所定の電位を印加するための配線として機能し、配線preは、プリチャージ電位Vpreを供給するための配線として機能する。 The other of the source and the drain of the transistor M16 is electrically connected to the wiring pre, and the second terminal of the capacitor C11, the second terminal of the capacitor C12, the second terminal of the capacitor C13, and the second terminal of the capacitor C14. The two terminals are electrically connected to the wiring CAL. The wiring CAL functions as a wiring for applying a predetermined potential to the second terminals of the capacitors C11 to C14, and the wiring pre functions as a wiring for supplying a precharge potential Vpre.

ここで、トランジスタM11のソースまたはドレインの一方、トランジスタM15のゲート、トランジスタM16のソースまたはドレインの一方、および、容量素子C11の第1端子が電気的に接続されたノードをノードSN1と呼称し、トランジスタM12のソースまたはドレインの一方、トランジスタM11のソースまたはドレインの他方、および、容量素子C12の第1端子が電気的に接続されたノードをノードSN2と呼称し、トランジスタM13のソースまたはドレインの一方、トランジスタM12のソースまたはドレインの他方、および、容量素子C13の第1端子が電気的に接続されたノードをノードSN3と呼称し、トランジスタM14のソースまたはドレインの一方、トランジスタM13のソースまたはドレインの他方、および、容量素子C14の第1端子が電気的に接続されたノードをノードSN4と呼称する。 Here, a node to which one of the source and the drain of the transistor M11, the gate of the transistor M15, one of the source and the drain of the transistor M16, and the first terminal of the capacitor C11 are electrically connected is referred to as a node SN1. A node to which one of the source and the drain of the transistor M12, the other of the source and the drain of the transistor M11, and the first terminal of the capacitor C12 are electrically connected is referred to as a node SN2, and one of the source and the drain of the transistor M13. The node to which the other of the source and the drain of the transistor M12 and the first terminal of the capacitor C13 are electrically connected is referred to as a node SN3, and one of the source and the drain of the transistor M14 and the source or the drain of the transistor M13. On the other hand, And, the first terminal of the capacitor C14 is called an electrically connected nodes and node SN4.

メモリセル211は、ノードSN1乃至ノードSN4に、電荷を蓄積し保持することで、データを記憶することができる。本実施の形態では、ノードSN1乃至ノードSN4のそれぞれに、2値(ハイレベルまたはローレベル)のデータを記憶できるものとする。すなわち、メモリセル211は、4ビットのデータを記憶することができる。 The memory cell 211 can store data by storing and holding electric charge in the nodes SN1 to SN4. In this embodiment, it is assumed that binary data (high level or low level) can be stored in each of the nodes SN1 to SN4. That is, the memory cell 211 can store 4-bit data.

トランジスタM11乃至トランジスタM14、および、トランジスタM16には、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタ(OSトランジスタ)を用いることができる。例えば、トランジスタM11乃至トランジスタM14、および、トランジスタM16のチャネル形成領域に、インジウム、元素M(元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種)、亜鉛のいずれか一つを有する金属酸化物を用いることができる。特に、インジウム、ガリウム、亜鉛からなる金属酸化物であることが好ましい。 As the transistors M11 to M14 and the transistor M16, a transistor including a metal oxide in a channel formation region (OS transistor) can be used. For example, indium and an element M (the element M is aluminum, gallium, yttrium, copper, vanadium, beryllium, boron, titanium, iron, nickel, germanium, or zirconium are formed in the channel formation regions of the transistors M11 to M14 and the transistor M16. , Molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium or the like), or a metal oxide containing zinc. In particular, a metal oxide composed of indium, gallium, and zinc is preferable.

OSトランジスタは、オフ電流が非常に小さいため、トランジスタM11乃至トランジスタM14、および、トランジスタM16にOSトランジスタを用いることで、ノードSN1乃至ノードSN4に書き込んだ電位を長時間保持することができる。すなわち、メモリセル211に書き込んだデータを長時間保持することができる。 Since the off-state current of the OS transistor is extremely small, the potential written to the nodes SN1 to SN4 can be held for a long time by using an OS transistor for the transistors M11 to M14 and the transistor M16. That is, data written to the memory cell 211 can be held for a long time.

また、トランジスタM11乃至トランジスタM14、および、トランジスタM16にOSトランジスタを用いることで、容量素子C11乃至容量素子C14の容量を小さくすることができる。例えば、容量素子C11乃至容量素子C14として、トランジスタのゲート容量や、配線の寄生容量等を利用することができる。そのため、メモリセル211において、トランジスタや配線とは別に容量素子を作成する必要がなく、メモリセル211の面積を小さくできる。または、単位面積あたり配置できるメモリセル211の数を増やすことができる。 In addition, by using OS transistors for the transistors M11 to M14 and the transistor M16, the capacitance of the capacitors C11 to C14 can be reduced. For example, a gate capacitance of a transistor, a parasitic capacitance of a wiring, or the like can be used as the capacitors C11 to C14. Therefore, in the memory cell 211, it is not necessary to form a capacitor separately from the transistor and the wiring, and the area of the memory cell 211 can be reduced. Alternatively, the number of memory cells 211 that can be arranged per unit area can be increased.

メモリセル211において、トランジスタや配線とは別に容量素子を作成する必要がない場合、図4(A)に示す回路図は、図4(B)に示すように、容量素子C11乃至容量素子C14を点線で図示してもよい。 In the case where a capacitor is not required to be formed separately from a transistor and a wiring in the memory cell 211, the circuit diagram illustrated in FIG. 4A includes the capacitors C11 to C14 as illustrated in FIG. It may be illustrated by a dotted line.

トランジスタM15に用いるトランジスタは、特に限定されない。トランジスタM15に、OSトランジスタ、Siトランジスタ、または、その他のトランジスタを用いてもよいが、トランジスタM11乃至トランジスタM14、および、トランジスタM16に加えて、トランジスタM15にもOSトランジスタを用いることで、メモリセルアレイ210は、周辺回路110に積層して設けることができ、好ましい。 The transistor used as the transistor M15 is not particularly limited. Although an OS transistor, a Si transistor, or another transistor may be used as the transistor M15, an OS transistor is also used as the transistor M15 in addition to the transistors M11 to M14 and the transistor M16, so that the memory cell array 210 Can be provided by being stacked on the peripheral circuit 110, which is preferable.

トランジスタM11は、ノードSN1とノードSN2とを導通または非導通とするスイッチとして機能し、トランジスタM12は、ノードSN2とノードSN3とを導通または非導通とするスイッチとして機能し、トランジスタM13は、ノードSN3とノードSN4とを導通または非導通とするスイッチとして機能し、トランジスタM14は、ノードSN4と書き込みビット線wblとを導通または非導通とするスイッチとして機能する。 The transistor M11 functions as a switch that turns on or off the node SN1 and the node SN2, the transistor M12 functions as a switch that turns on or off the node SN2 and the node SN3, and the transistor M13 turns on or off the node SN3. The transistor M14 functions as a switch for conducting or non-conducting between the node SN4 and the write bit line wbl.

<データの書き込み>
ノードSN1乃至ノードSN4へのデータの書き込みは、ノードSN1から順に行われる。ノードSN1へのデータを書き込んだ後、ノードSN2へのデータを書き込み、次に、ノードSN3へのデータを書き込み、最後に、ノードSN4へのデータを書き込む。なお、データの書き込み期間中は、プリチャージ線prlにはローレベルの電位が印加され、トランジスタM16は非導通状態であり、トランジスタM15も使用しないため、説明を省略する。
<Data writing>
Writing of data to the nodes SN1 to SN4 is performed in order from the node SN1. After writing data to the node SN1, data is written to the node SN2, then data is written to the node SN3, and finally, data is written to the node SN4. Note that during the data writing period, a low-level potential is applied to the precharge line prl, the transistor M16 is off, and the transistor M15 is not used.

ノードSN1へのデータの書き込みは、書き込みワード線wl1乃至書き込みワード線wl4にハイレベルの電位を印加してトランジスタM11乃至トランジスタM14を導通状態とし、ノードSN1と書き込みビット線wblとを電気的に接続することによって行われる。具体的には、トランジスタM11乃至トランジスタM14が導通状態のとき、書き込みビット線wblに書き込むデータに対応する電位を印加し、ノードSN1に該電位を書き込む。その後、書き込みワード線wl1乃至書き込みワード線wl4にローレベルの電位を印加し、トランジスタM11乃至トランジスタM14を非導通状態とすることによって、ノードSN1の電位を保持する。 In writing data to the node SN1, a high-level potential is applied to the write word lines wl1 to wl4 to make the transistors M11 to M14 conductive, and the node SN1 is electrically connected to the write bit line wbl. It is done by doing. Specifically, when the transistors M11 to M14 are on, a potential corresponding to data to be written to the write bit line wbl is applied, and the potential is written to the node SN1. After that, a low-level potential is applied to the write word lines wl1 to wl4 and the transistors M11 to M14 are turned off, so that the potential of the node SN1 is held.

ノードSN2へのデータの書き込みは、書き込みワード線wl2乃至書き込みワード線wl4にハイレベルの電位を印加してトランジスタM12乃至トランジスタM14を導通状態とし、ノードSN2と書き込みビット線wblとを電気的に接続することによって行われる。具体的には、トランジスタM12乃至トランジスタM14が導通状態のとき、書き込みビット線wblに書き込むデータに対応する電位を印加し、ノードSN2に該電位を書き込む。その後、書き込みワード線wl2乃至書き込みワード線wl4にローレベルの電位を印加し、トランジスタM12乃至トランジスタM14を非導通状態とすることによって、ノードSN2の電位を保持する。 In writing data to the node SN2, a high-level potential is applied to the write word lines wl2 to wl4 to turn on the transistors M12 to M14, so that the node SN2 and the write bit line wbl are electrically connected. It is done by doing. Specifically, when the transistors M12 to M14 are on, a potential corresponding to data to be written to the write bit line wbl is applied, and the potential is written to the node SN2. After that, a low-level potential is applied to the write word lines wl2 to wl4 and the transistors M12 to M14 are turned off, so that the potential of the node SN2 is held.

ノードSN3へのデータの書き込みは、書き込みワード線wl3および書き込みワード線wl4にハイレベルの電位を印加してトランジスタM13およびトランジスタM14を導通状態とし、ノードSN3と書き込みビット線wblとを電気的に接続することによって行われる。具体的には、トランジスタM13およびトランジスタM14が導通状態のとき、書き込みビット線wblに書き込むデータに対応する電位を印加し、ノードSN3に該電位を書き込む。その後、書き込みワード線wl3および書き込みワード線wl4にローレベルの電位を印加し、トランジスタM13およびトランジスタM14を非導通状態とすることによって、ノードSN3の電位を保持する。 To write data to the node SN3, a high-level potential is applied to the write word line wl3 and the write word line wl4 to make the transistors M13 and M14 conductive, and the node SN3 and the write bit line wbl are electrically connected. It is done by doing. Specifically, when the transistors M13 and M14 are on, a potential corresponding to data to be written to the write bit line wbl is applied, and the potential is written to the node SN3. After that, a low-level potential is applied to the write word line wl3 and the write word line wl4 to turn off the transistor M13 and the transistor M14, so that the potential of the node SN3 is held.

ノードSN4へのデータの書き込みは、書き込みワード線wl4にハイレベルの電位を印加してトランジスタM14を導通状態とし、ノードSN4と書き込みビット線wblとを電気的に接続することによって行われる。具体的には、トランジスタM14が導通状態のとき、書き込みビット線wblに書き込むデータに対応する電位を印加し、ノードSN4に該電位を書き込む。その後、書き込みワード線wl4にローレベルの電位を印加し、トランジスタM14を非導通状態とすることによって、ノードSN4の電位を保持する。 Writing of data to the node SN4 is performed by applying a high-level potential to the write word line wl4 to turn on the transistor M14 and electrically connecting the node SN4 to the write bit line wbl. Specifically, when the transistor M14 is on, a potential corresponding to data to be written to the write bit line wbl is applied, and the potential is written to the node SN4. After that, a low-level potential is applied to the write word line wl4 to turn off the transistor M14, so that the potential of the node SN4 is held.

<データの読み出し>
ノードSN1乃至ノードSN4からのデータの読み出しも、ノードSN1から順に行われる。ノードSN1のデータを読み出した後、ノードSN2のデータを読み出し、次に、ノードSN3のデータを読み出し、最後に、ノードSN4のデータを読み出す。
<Reading data>
Reading of data from the nodes SN1 to SN4 is also performed sequentially from the node SN1. After reading the data of the node SN1, the data of the node SN2 is read, then the data of the node SN3 is read, and finally, the data of the node SN4 is read.

データの読み出しは、読み出しビット線rblに所定の電位を印加し、その後、読み出しビット線rblを電気的に浮遊(フローティング)状態とし、かつ、読み出しワード線rwlにローレベルの電位を印加することによって行われる。以後、読み出しビット線rblに所定の電位を印加し、その後、読み出しビット線rblをフローティング状態とすることを、読み出しビット線rblをプリチャージする、と表現する。 Data reading is performed by applying a predetermined potential to the read bit line rbl, thereafter bringing the read bit line rbl into an electrically floating state, and applying a low-level potential to the read word line rwl. Done. Hereinafter, applying a predetermined potential to the read bit line rbl and then setting the read bit line rbl in a floating state is referred to as precharging the read bit line rbl.

ノードSN1乃至ノードSN4からデータを読み出す様子を、図5に示すタイミングチャートを用いて説明する。 The manner in which data is read from the nodes SN1 to SN4 will be described with reference to the timing chart shown in FIG.

なお、図5は、期間Trd1においてノードSN1からデータを読み出し、期間Trd2においてノードSN2からデータを読み出し、期間Trd3においてノードSN3からデータを読み出し、期間Trd4においてノードSN4からデータを読み出す様子を示している。また、期間Trd1は期間T11、期間T12、および期間T13から構成され、期間Trd2は期間T21、期間T22、および期間T23から構成され、期間Trd3は期間T31、期間T32、および期間T33から構成され、期間Trd4は期間T41、期間T42、および期間T43から構成される。 Note that FIG. 5 illustrates a state in which data is read from the node SN1 in the period Trd1, data is read from the node SN2 in the period Trd2, data is read from the node SN3 in the period Trd3, and data is read from the node SN4 in the period Trd4. . Further, the period Trd1 includes a period T11, a period T12, and a period T13, the period Trd2 includes a period T21, a period T22, and a period T23, and the period Trd3 includes a period T31, a period T32, and a period T33. The period Trd4 includes a period T41, a period T42, and a period T43.

ノードSN1からのデータの読み出しは、読み出しビット線rblにハイレベルの電位をプリチャージし、読み出しワード線rwlにローレベルの電位を印加することによって行われる。 Reading of data from the node SN1 is performed by precharging the read bit line rbl with a high-level potential and applying a low-level potential to the read word line rwl.

具体的には、期間T11および期間T12において、読み出しビット線rblにハイレベルの電位がプリチャージされ、読み出しワード線rwlにはハイレベルの電位が印加される。このとき、プリチャージ線prl、および、書き込みワード線wl1乃至書き込みワード線wl4にはローレベルの電位が印加され、トランジスタM16、および、トランジスタM11乃至トランジスタM14は非導通状態である。なお、期間Trd1において、期間T11と期間T12は同じ状態であるので、どちらか一方を省略してもよい。 Specifically, in the periods T11 and T12, a high-level potential is precharged to the read bit line rbl and a high-level potential is applied to the read word line rwl. At this time, a low-level potential is applied to the precharge line prl and the write word lines wl1 to wl4, and the transistor M16 and the transistors M11 to M14 are off. Note that in the period Trd1, the period T11 and the period T12 are in the same state, and either one of them may be omitted.

期間T13において、読み出しワード線rwlにローレベルの電位が印加されると、トランジスタM15はソースとドレインとの間に電位差を有し、ノードSN1に保持されている電位に応じて、トランジスタM15のソースとドレインとの間に流れる電流が決まる。すなわち、ノードSN1にハイレベルの電位が保持されている場合、トランジスタM15は導通状態であり、フローティング状態である読み出しビット線rblの電位は、ハイレベルからΔV4だけ下降する(図5参照)。ノードSN1にローレベルの電位が保持されている場合、トランジスタM15は非導通状態であり、読み出しビット線rblの電位は、ハイレベルの状態を維持する。このように、読み出しビット線rblの電位変化から、ノードSN1に保持されている電位を読み出すことができる。 In the period T13, when a low-level potential is applied to the read word line rwl, the transistor M15 has a potential difference between the source and the drain, and has a potential difference between the source and the drain of the transistor M15 in accordance with the potential held at the node SN1. The current flowing between the gate and the drain is determined. That is, when a high-level potential is held at the node SN1, the transistor M15 is on, and the potential of the read bit line rbl in a floating state falls by ΔV4 from the high level (see FIG. 5). When a low-level potential is held at the node SN1, the transistor M15 is off, and the potential of the read bit line rbl remains at a high level. Thus, the potential held at the node SN1 can be read from the change in the potential of the read bit line rbl.

ノードSN2からのデータの読み出しは、ノードSN1にプリチャージ電位Vpreをプリチャージし、その後、トランジスタM11を導通状態として、ノードSN1とノードSN2とを電気的に接続する。そして、読み出しビット線rblにハイレベルの電位をプリチャージし、読み出しワード線rwlにローレベルの電位を印加することによって行われる。なお、本実施の形態では、プリチャージ電位Vpreは、ローレベルの電位(電位Vss)であるとする。 In reading data from the node SN2, the node SN1 is precharged with a precharge potential Vpre, and then the transistor M11 is turned on to electrically connect the node SN1 to the node SN2. This is performed by precharging the read bit line rbl with a high-level potential and applying a low-level potential to the read word line rwl. Note that in this embodiment, the precharge potential Vpre is a low-level potential (potential Vss).

具体的には、期間T21において、プリチャージ線prlにハイレベルの電位が印加され、トランジスタM16を導通状態とすることで、ノードSN1にローレベルの電位がプリチャージされる。期間T22において、書き込みワード線wl1にハイレベルの電位が印加され、トランジスタM11は導通状態となり、ノードSN1とノードSN2とが電気的に接続される。ノードSN2にローレベルの電位が保持されている場合、ノードSN1の電位はローレベルの状態を維持するが、ノードSN2にハイレベルの電位が保持されている場合、ノードSN1の電位はハイレベルからΔV1だけ下降した電位となる(図5参照)。また、読み出しビット線rblにはハイレベルの電位がプリチャージされている。 Specifically, in the period T21, a high-level potential is applied to the precharge line prl and the transistor M16 is turned on, so that the node SN1 is precharged with a low-level potential. In a period T22, a high-level potential is applied to the write word line wl1, the transistor M11 is turned on, and the nodes SN1 and SN2 are electrically connected. When a low-level potential is held at the node SN2, the potential of the node SN1 maintains a low-level state. However, when a high-level potential is held at the node SN2, the potential of the node SN1 changes from a high level. The potential drops by ΔV1 (see FIG. 5). The read bit line rbl is precharged with a high-level potential.

期間T23において、読み出しワード線rwlに印加される電位がハイレベルからローレベルになると、トランジスタM15はソースとドレインとの間に電位差を有し、ノードSN1に保持されている電位に応じて、トランジスタM15のソースとドレインとの間に流れる電流が決まる。ノードSN1にハイレベルの電位またはハイレベルに近い電位が保持されている場合、トランジスタM15は導通状態となり、フローティング状態である読み出しビット線rblの電位は、ハイレベルからΔV5だけ下降する(図5参照)。ノードSN1にローレベルの電位が保持されている場合、トランジスタM15は非導通状態であり、読み出しビット線rblの電位は、ハイレベルの状態を維持する。このように、読み出しビット線rblの電位変化から、ノードSN1に保持されている電位、すなわちノードSN2に保持されていた電位を読み出すことができる。 In the period T23, when the potential applied to the read word line rwl changes from the high level to the low level, the transistor M15 has a potential difference between the source and the drain, and depends on the potential held at the node SN1. The current flowing between the source and the drain of M15 is determined. When a high-level potential or a potential close to the high level is held at the node SN1, the transistor M15 is turned on, and the potential of the read bit line rbl in a floating state falls by ΔV5 from the high level (see FIG. 5). ). When a low-level potential is held at the node SN1, the transistor M15 is off, and the potential of the read bit line rbl remains at a high level. Thus, the potential held at the node SN1, that is, the potential held at the node SN2 can be read from the change in the potential of the read bit line rbl.

ノードSN3からのデータの読み出しは、ノードSN1およびノードSN2にローレベルの電位をプリチャージし、その後、トランジスタM11およびトランジスタM12を導通状態として、ノードSN1とノードSN3とを電気的に接続する。そして、読み出しビット線rblにハイレベルの電位をプリチャージし、読み出しワード線rwlにローレベルの電位を印加することによって行われる。 In reading data from the node SN3, the node SN1 and the node SN2 are precharged with a low-level potential, and then the transistor M11 and the transistor M12 are turned on to electrically connect the node SN1 to the node SN3. This is performed by precharging the read bit line rbl with a high-level potential and applying a low-level potential to the read word line rwl.

具体的には、期間T31において、プリチャージ線prlおよび書き込みワード線wl1にハイレベルの電位が印加され、トランジスタM16およびトランジスタM11を導通状態とすることで、ノードSN1およびノードSN2にローレベルの電位がプリチャージされる。期間T32において、書き込みワード線wl1および書き込みワード線wl2にハイレベルの電位が印加され、トランジスタM11およびトランジスタM12は導通状態となり、ノードSN1とノードSN3とが電気的に接続される。ノードSN3にローレベルの電位が保持されている場合、ノードSN1の電位はローレベルの状態を維持するが、ノードSN3にハイレベルの電位が保持されている場合、ノードSN1の電位はハイレベルからΔV2だけ下降した電位となる(図5参照)。また、読み出しビット線rblにはハイレベルの電位がプリチャージされている。 Specifically, in a period T31, a high-level potential is applied to the precharge line prl and the write word line wl1, and the transistors M16 and M11 are turned on, so that a low-level potential is applied to the nodes SN1 and SN2. Is precharged. In a period T32, a high-level potential is applied to the write word line wl1 and the write word line wl2, the transistors M11 and M12 are turned on, and the nodes SN1 and SN3 are electrically connected. When a low-level potential is held at the node SN3, the potential of the node SN1 maintains a low-level state. However, when a high-level potential is held at the node SN3, the potential of the node SN1 changes from a high level. The potential drops by ΔV2 (see FIG. 5). The read bit line rbl is precharged with a high-level potential.

期間T33において、読み出しワード線rwlに印加される電位がハイレベルからローレベルになると、トランジスタM15はソースとドレインとの間に電位差を有し、ノードSN1に保持されている電位に応じて、トランジスタM15のソースとドレインとの間に流れる電流が決まる。ノードSN1にハイレベルの電位またはハイレベルに近い電位が保持されている場合、トランジスタM15は導通状態となり、フローティング状態である読み出しビット線rblの電位は、ハイレベルからΔV6だけ下降する(図5参照)。ノードSN1にローレベルの電位が保持されている場合、トランジスタM15は非導通状態であり、読み出しビット線rblの電位は、ハイレベルの状態を維持する。このように、読み出しビット線rblの電位変化から、ノードSN1に保持されている電位、すなわちノードSN3に保持されていた電位を読み出すことができる。 In the period T33, when the potential applied to the read word line rwl changes from the high level to the low level, the transistor M15 has a potential difference between the source and the drain, and depends on the potential held at the node SN1. The current flowing between the source and the drain of M15 is determined. When a high-level potential or a potential close to the high level is held at the node SN1, the transistor M15 is turned on, and the potential of the read bit line rbl in a floating state drops by ΔV6 from the high level (see FIG. 5). ). When a low-level potential is held at the node SN1, the transistor M15 is off, and the potential of the read bit line rbl remains at a high level. In this manner, the potential held at the node SN1, that is, the potential held at the node SN3 can be read from the change in the potential of the read bit line rbl.

ノードSN4からのデータの読み出しは、ノードSN1乃至ノードSN3にローレベルの電位をプリチャージし、その後、トランジスタM11乃至トランジスタM13を導通状態として、ノードSN1とノードSN4とを電気的に接続する。そして、読み出しビット線rblにハイレベルの電位をプリチャージし、読み出しワード線rwlにローレベルの電位を印加することによって行われる。 In reading data from the node SN4, a low-level potential is precharged to the nodes SN1 to SN3, and then the transistors M11 to M13 are turned on to electrically connect the nodes SN1 and SN4. This is performed by precharging the read bit line rbl with a high-level potential and applying a low-level potential to the read word line rwl.

具体的には、期間T41において、プリチャージ線prl、書き込みワード線wl1、および書き込みワード線wl2にハイレベルの電位が印加され、トランジスタM16、トランジスタM11、およびトランジスタM12を導通状態とすることで、ノードSN1乃至ノードSN3にローレベルの電位がプリチャージされる。期間T42において、書き込みワード線wl1乃至書き込みワード線wl3にハイレベルの電位が印加され、トランジスタM11乃至トランジスタM13は導通状態となり、ノードSN1とノードSN4とが電気的に接続される。ノードSN4にローレベルの電位が保持されている場合、ノードSN1の電位はローレベルの状態を維持するが、ノードSN4にハイレベルの電位が保持されている場合、ノードSN1の電位はハイレベルからΔV3だけ下降した電位となる(図5参照)。また、読み出しビット線rblにはハイレベルの電位がプリチャージされている。 Specifically, in the period T41, a high-level potential is applied to the precharge line prl, the write word line wl1, and the write word line wl2, and the transistors M16, M11, and M12 are turned on. A low-level potential is precharged to the nodes SN1 to SN3. In a period T42, a high-level potential is applied to the write word lines wl1 to wl3, the transistors M11 to M13 are turned on, and the nodes SN1 and SN4 are electrically connected. When a low-level potential is held at the node SN4, the potential of the node SN1 maintains a low-level state; however, when a high-level potential is held at the node SN4, the potential of the node SN1 changes from a high level. The potential drops by ΔV3 (see FIG. 5). The read bit line rbl is precharged with a high-level potential.

期間T43において、読み出しワード線rwlに印加される電位がハイレベルからローレベルになると、トランジスタM15はソースとドレインとの間に電位差を有し、ノードSN1に保持されている電位に応じて、トランジスタM15のソースとドレインとの間に流れる電流が決まる。ノードSN1にハイレベルの電位またはハイレベルに近い電位が保持されている場合、トランジスタM15は導通状態となり、フローティング状態である読み出しビット線rblの電位は、ハイレベルからΔV7だけ下降する(図5参照)。ノードSN1にローレベルの電位が保持されている場合、トランジスタM15は非導通状態であり、読み出しビット線rblの電位は、ハイレベルの状態を維持する。このように、読み出しビット線rblの電位変化から、ノードSN1に保持されている電位、すなわちノードSN4に保持されていた電位を読み出すことができる。 In the period T43, when the potential applied to the read word line rwl changes from the high level to the low level, the transistor M15 has a potential difference between the source and the drain, and depends on the potential held at the node SN1. The current flowing between the source and the drain of M15 is determined. When a high-level potential or a potential close to the high level is held at the node SN1, the transistor M15 is turned on, and the potential of the read bit line rbl in a floating state drops by ΔV7 from the high level (see FIG. 5). ). When a low-level potential is held at the node SN1, the transistor M15 is off, and the potential of the read bit line rbl remains at a high level. In this manner, the potential held at the node SN1, that is, the potential held at the node SN4 can be read from the change in the potential of the read bit line rbl.

<メモリセル2>
メモリセル211は、トランジスタM11乃至トランジスタM16の代わりに、バックゲートを有するトランジスタM21乃至トランジスタM26を用いて構成してもよい。もしくは、トランジスタM11乃至トランジスタM16の少なくとも一つを、バックゲートを有するトランジスタに置き換えてもよい。図6(A)は、メモリセル212の構成例を示す回路図である。
<Memory cell 2>
The memory cell 211 may be formed using transistors M21 to M26 having a back gate instead of the transistors M11 to M16. Alternatively, at least one of the transistors M11 to M16 may be replaced with a transistor having a back gate. FIG. 6A is a circuit diagram illustrating a configuration example of the memory cell 212.

メモリセル212は、メモリセル211が有するトランジスタM11乃至トランジスタM16を、それぞれ、トランジスタM21乃至トランジスタM26に置き換えたメモリセルである。トランジスタM21乃至トランジスタM26は、フロントゲートおよびバックゲートを有する。 The memory cell 212 is a memory cell in which the transistors M11 to M16 included in the memory cell 211 are replaced with transistors M21 to M26, respectively. Each of the transistors M21 to M26 has a front gate and a back gate.

メモリセル212は、トランジスタM21乃至トランジスタM26、および、容量素子C11乃至容量素子C14を有する。メモリセル212において、トランジスタM21乃至トランジスタM26のバックゲートは、それぞれのフロントゲートと電気的に接続される。トランジスタM21乃至トランジスタM26のバックゲートとフロントゲートが電気的に接続されたものは、メモリセル211におけるトランジスタM11乃至トランジスタM16のゲートに相当し、それ以外の接続に関しては、メモリセル212とメモリセル211は同様である。メモリセル212の回路構成について、メモリセル211の説明を援用する。 The memory cell 212 includes transistors M21 to M26, and capacitors C11 to C14. In the memory cell 212, the back gates of the transistors M21 to M26 are electrically connected to the respective front gates. A transistor in which the back gates and the front gates of the transistors M21 to M26 are electrically connected to each other corresponds to the gates of the transistors M11 to M16 in the memory cell 211, and the other connections correspond to the memory cells 212 and 211. Is similar. The description of the memory cell 211 is referred to for the circuit configuration of the memory cell 212.

トランジスタM21乃至トランジスタM26は、フロントゲートに加えてバックゲートを有することで、オン電流を増加することができる。すなわち、メモリセル212は高速動作を行うことができる。 The transistors M21 to M26 each have a back gate in addition to a front gate, so that on-state current can be increased. That is, the memory cell 212 can perform high-speed operation.

<メモリセル3>
メモリセル212が有するトランジスタM21乃至トランジスタM26のバックゲートに、所定の電位を印加してもよい。図6(B)は、メモリセル213の構成例を示す回路図である。
<Memory cell 3>
A predetermined potential may be applied to the back gates of the transistors M21 to M26 included in the memory cell 212. FIG. 6B is a circuit diagram illustrating a configuration example of the memory cell 213.

メモリセル213は、メモリセル212と同様、トランジスタM21乃至トランジスタM26、および、容量素子C11乃至容量素子C14を有する。 The memory cell 213 includes transistors M21 to M26 and capacitor elements C11 to C14 similarly to the memory cell 212.

メモリセル213において、トランジスタM21乃至トランジスタM26のバックゲートは、配線VBGと電気的に接続される。配線VBGは、トランジスタM21乃至トランジスタM26のバックゲートに、所定の電位を印加するための配線として機能する。 In the memory cell 213, the back gates of the transistors M21 to M26 are electrically connected to the wiring VBG. The wiring VBG functions as a wiring for applying a predetermined potential to the back gates of the transistors M21 to M26.

トランジスタM21乃至トランジスタM26のバックゲートに、配線VBGを介して所定の電位を印加することで、トランジスタM21乃至トランジスタM26のしきい値電圧を増減することができる。具体的には、トランジスタM21乃至トランジスタM26のバックゲートに印加する電位を高くすることで、しきい値電圧はマイナスにシフトし、トランジスタM21乃至トランジスタM26のバックゲートに印加する電位を低くすることで、しきい値電圧はプラスにシフトする。しきい値電圧をマイナスにシフトすることで、トランジスタのオン電流を増加することができ、メモリセル213は高速動作を行うことができる。しきい値電圧をプラスにシフトすることで、トランジスタのオフ電流を低減することができ、メモリセル213は記憶したデータを長時間保持することができる。 By applying a predetermined potential to the back gates of the transistors M21 to M26 through the wiring VBG, the threshold voltages of the transistors M21 to M26 can be increased or decreased. Specifically, by increasing the potential applied to the back gates of the transistors M21 to M26, the threshold voltage shifts to a negative value, and the potential applied to the back gates of the transistors M21 to M26 is reduced. , The threshold voltage shifts to positive. By shifting the threshold voltage to a negative value, the on-state current of the transistor can be increased, and the memory cell 213 can operate at high speed. By shifting the threshold voltage to plus, the off-state current of the transistor can be reduced, and the memory cell 213 can hold stored data for a long time.

なお、メモリセル213では、トランジスタM21乃至トランジスタM26のバックゲートが配線VBGと電気的に接続される構成としたが、トランジスタM21乃至トランジスタM26のバックゲートは、複数の異なる配線と電気的に接続されてもよい。例えば、トランジスタM21乃至トランジスタM24、および、トランジスタM26のバックゲートは配線VBG1(図示せず)と電気的に接続され、トランジスタM25のバックゲートは配線VBG2(図示せず)と電気的に接続される構成としてもよい。配線VBG1に印加する電位を低くすることで、トランジスタM21乃至トランジスタM24、および、トランジスタM26のオフ電流を低減し、配線VBG2に印加する電位を高くすることで、トランジスタM25のオン電流を増加することができる。 Note that in the memory cell 213, the back gates of the transistors M21 to M26 are electrically connected to the wiring VBG; however, the back gates of the transistors M21 to M26 are electrically connected to a plurality of different wirings. You may. For example, the back gates of the transistors M21 to M24 and the transistor M26 are electrically connected to a wiring VBG1 (not illustrated), and the back gate of the transistor M25 is electrically connected to a wiring VBG2 (not illustrated). It may be configured. The off-state current of the transistors M21 to M24 and the transistor M26 is reduced by lowering the potential applied to the wiring VBG1, and the on-state current of the transistor M25 is increased by increasing the potential applied to the wiring VBG2. Can be.

トランジスタM21乃至トランジスタM24、および、トランジスタM26のオフ電流を低減することで、ノードSN1乃至ノードSN4に書き込んだ電位を長時間保持することができる。すなわち、メモリセル213は記憶したデータを長時間保持することができる。また、トランジスタM25のオン電流を増加することで、メモリセル213の読み出し動作を高速にすることができる。トランジスタM21乃至トランジスタM26を、それぞれの目的に合わせたトランジスタとすることができる。 By reducing the off-state current of the transistors M21 to M24 and the transistor M26, the potential written to the nodes SN1 to SN4 can be held for a long time. That is, the memory cell 213 can hold the stored data for a long time. Further, the read operation of the memory cell 213 can be performed at high speed by increasing the on-state current of the transistor M25. The transistors M21 to M26 can be transistors that meet respective purposes.

また、トランジスタM25のバックゲートが電気的に接続された、配線VBG2に印加する電位を、一時的に高くしてもよい。例えば、図3に示すメモリセルアレイ210において、メモリセル211の代わりにメモリセル213が配置され、メモリセルアレイ210は、書き込みワード線wl(1)乃至書き込みワード線wl(m)と同様、配線VBG2(1)乃至配線VBG2(m)を有し、配線VBG2(1)乃至配線VBG2(m)はワード線ドライバ回路122によって駆動されるとする。i行目のメモリセル213は、配線VBG2(i)と電気的に接続され、i行目のメモリセル213でデータの読み出し動作が行われている場合、配線VBG2(i)に印加する電位を高くし、それ以外の配線VBG2に印加する電位を低くすることができる。 Further, the potential applied to the wiring VBG2 to which the back gate of the transistor M25 is electrically connected may be temporarily increased. For example, in the memory cell array 210 illustrated in FIG. 3, a memory cell 213 is provided instead of the memory cell 211, and the memory cell array 210 includes a wiring VBG2 (like a write word line wl (1) to a write word line wl (m)). 1) to VBG2 (m), and the wirings VBG2 (1) to VBG2 (m) are driven by the word line driver circuit 122. The memory cell 213 in the i-th row is electrically connected to the wiring VBG2 (i). When a data read operation is performed in the memory cell 213 in the i-th row, the potential applied to the wiring VBG2 (i) is changed. And the potential applied to the other wiring VBG2 can be lowered.

データの読み出し動作が行われているメモリセル213が有するトランジスタM25のオン電流を増加することで、メモリセル213の読み出し動作を高速にし、それ以外のメモリセル213が有するトランジスタM25のオフ電流を低減することで、読み出しビット線rblにリークする電流を小さくすることができる。読み出しビット線rblにリークする電流を小さくすることで、読み出し動作の精度を高めることができる。 By increasing the on-state current of the transistor M25 included in the memory cell 213 from which data is being read, the reading operation of the memory cell 213 is performed at high speed and the off-state current of the transistor M25 included in the other memory cells 213 is reduced. By doing so, the current leaking to the read bit line rbl can be reduced. By reducing the current leaking to the read bit line rbl, the accuracy of the read operation can be improved.

<メモリセル4>
メモリセル213が有するトランジスタM21乃至トランジスタM24において、バックゲートとチャネル形成領域、バックゲートとソース領域、および、バックゲートとドレイン領域との間に形成される容量を、容量素子C11乃至容量素子C14の代わりに利用してもよい。図7は、メモリセル214の構成例を示す回路図である。
<Memory cell 4>
In the transistors M21 to M24 included in the memory cell 213, the capacitances formed between the back gate and the channel formation region, between the back gate and the source region, and between the back gate and the drain region are changed to those of the capacitors C11 to C14. It may be used instead. FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration example of the memory cell 214.

メモリセル214は、メモリセル213から、容量素子C11乃至容量素子C14を省略することができる。メモリセル214は、トランジスタM21乃至トランジスタM26を有する。 In the memory cell 214, the capacitors C11 to C14 can be omitted from the memory cell 213. The memory cell 214 includes transistors M21 to M26.

メモリセル214において、トランジスタM21乃至トランジスタM24のバックゲートは、配線CALと電気的に接続される。配線CALは、所定の電位を印加するための配線として機能する。また、トランジスタM25およびトランジスタM26のバックゲートは、配線VBGと電気的に接続される。配線VBGは、トランジスタM25およびトランジスタM26のバックゲートに、所定の電位を印加するための配線として機能する。 In the memory cell 214, the back gates of the transistors M21 to M24 are electrically connected to the wiring CAL. The wiring CAL functions as a wiring for applying a predetermined potential. The back gates of the transistor M25 and the transistor M26 are electrically connected to the wiring VBG. The wiring VBG functions as a wiring for applying a predetermined potential to the back gates of the transistors M25 and M26.

トランジスタM21乃至トランジスタM24、および、トランジスタM26に、オフ電流の小さいトランジスタを用いることで、メモリセル213において、容量素子C11乃至容量素子C14の容量を小さくすることができる。すなわち、容量素子C11乃至容量素子C14の代わりに、トランジスタM21乃至トランジスタM24のバックゲートに形成される容量を利用することができる。 With the use of transistors with small off-state current as the transistors M21 to M24 and the transistor M26, the capacitance of the capacitors C11 to C14 in the memory cell 213 can be reduced. That is, instead of the capacitors C11 to C14, capacitors formed on the back gates of the transistors M21 to M24 can be used.

メモリセル214は、容量素子C11乃至容量素子C14を作成する必要がなく、面積の小さいメモリセルとすることができる。または、メモリセル214は、単位面積あたりに配置できる個数が多いメモリセルとすることができる。 The memory cell 214 does not require the formation of the capacitors C11 to C14 and can be a small memory cell. Alternatively, the memory cell 214 can be a large number of memory cells that can be arranged per unit area.

<ビット線ドライバ回路>
ビット線ドライバ回路132には、列ごとに、図8に示す回路30が設けられている。図8は、回路30の構成例を示す回路図である。なお、本実施の形態では、メモリセルアレイ210は、一行に128個のメモリセル211を有するものとする(n=128)。
<Bit line driver circuit>
The bit line driver circuit 132 is provided with a circuit 30 shown in FIG. 8 for each column. FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration example of the circuit 30. In this embodiment, the memory cell array 210 has 128 memory cells 211 in one row (n = 128).

回路30は、トランジスタM31乃至トランジスタM36、センスアンプ回路31、AND回路32、アナログスイッチ33、およびアナログスイッチ34を有する。 The circuit 30 includes transistors M31 to M36, a sense amplifier circuit 31, an AND circuit 32, an analog switch 33, and an analog switch.

回路30は、信号SEN[3:0]、信号SEP[3:0]、信号BPR、信号RSEL[3:0]、信号WSEL、信号GRSEL[3:0]、信号GWSEL[15:0]に従い、動作する。なお、1つの回路30には、4ビットの信号SEN[3:0]のうち、何れか1ビットの信号が入力される。複数のビットを有する他の信号(SEP[3:0]等)についても同様である。 The circuit 30 complies with the signals SEN [3: 0], SEP [3: 0], BPR, RSEL [3: 0], WSEL, GRSEL [3: 0], and GWSEL [15: 0]. ,Operate. Note that one circuit 30 receives a signal of any one bit of the signal SEN [3: 0] of 4 bits. The same applies to other signals having a plurality of bits (such as SEP [3: 0]).

ビット線ドライバ回路132によって、データDIN[31:0]がメモリセルアレイ210に書き込まれ、データDOUT[31:0]がメモリセルアレイ210から読み出される。1つの回路30は、32ビットのデータDIN[31:0]のうち、何れか1ビットのデータをメモリセルアレイ210に書き込み、32ビットのデータDOUT[31:0]のうち、何れか1ビットのデータをメモリセルアレイ210から読み出す機能を有する。 The bit line driver circuit 132 writes data DIN [31: 0] to the memory cell array 210, and reads data DOUT [31: 0] from the memory cell array 210. One circuit 30 writes any one bit of the data DIN [31: 0] of 32 bits to the memory cell array 210, and writes any one bit of the data DOUT [31: 0] of 32 bits. It has a function of reading data from the memory cell array 210.

なお、データDIN[31:0]およびデータDOUT[31:0]は内部信号であり、データDIN[31:0]は、ページバッファ138からビット線ドライバ回路132に供給される信号であり、データDOUT[31:0]は、ビット線ドライバ回路132からページバッファ138へ出力される信号である。また、ページバッファ138には、記憶装置100の外部からデータ信号WDATAが入力され、ページバッファ138は、出力回路140を介して、データ信号RDATAを記憶装置100の外部へ出力する。 Note that data DIN [31: 0] and data DOUT [31: 0] are internal signals, and data DIN [31: 0] is a signal supplied from the page buffer 138 to the bit line driver circuit 132. DOUT [31: 0] is a signal output from the bit line driver circuit 132 to the page buffer 138. Further, the data signal WDATA is input to the page buffer 138 from outside the storage device 100, and the page buffer 138 outputs the data signal RDATA to the outside of the storage device 100 via the output circuit 140.

ページバッファ138は、少なくとも、メモリセルアレイ210において一行に記憶できるデータ量(n×kビット)を記憶できることが好ましい。本実施の形態では、128×4ビット以上のデータを記憶できることが好ましい。 It is preferable that the page buffer 138 can store at least a data amount (n × k bits) that can be stored in one row in the memory cell array 210. In this embodiment, it is preferable that data of 128 × 4 bits or more can be stored.

<<プリチャージ回路>>
トランジスタM31は、プリチャージ回路133を構成する。トランジスタM31によって、読み出しビット線rblは、電位Vdd(ハイレベル)にプリチャージされる。信号BPRはプリチャージ信号であり、信号BPRによって、トランジスタM31の導通状態が制御される。
<< Precharge circuit >>
The transistor M31 forms the precharge circuit 133. The read bit line rbl is precharged to the potential Vdd (high level) by the transistor M31. The signal BPR is a precharge signal, and the conduction state of the transistor M31 is controlled by the signal BPR.

<<センスアンプ回路>>
センスアンプ回路31は、センスアンプ回路134を構成する。センスアンプ回路31は、読み出し動作時には、読み出しビット線rblに入力されたデータのハイレベルまたはローレベルを判定する。また、センスアンプ回路31は、書き込み動作時には、書き込みドライバ回路136から入力されたデータDINを一時的に保持するラッチ回路として機能する。
<< sense amplifier circuit >>
The sense amplifier circuit 31 forms the sense amplifier circuit 134. At the time of a read operation, the sense amplifier circuit 31 determines the high level or the low level of the data input to the read bit line rbl. In addition, the sense amplifier circuit 31 functions as a latch circuit that temporarily holds the data DIN input from the write driver circuit 136 during a write operation.

図8に示すセンスアンプ回路31は、ラッチ型センスアンプである。センスアンプ回路31は、2個のインバータ回路を有し、一方のインバータ回路の入力ノードが他方のインバータ回路の出力ノードと接続される。一方のインバータ回路の入力ノードをノードNS、出力ノードをノードNSBとすると、ノードNSおよびノードNSBにおいて相補データが保持される。 The sense amplifier circuit 31 shown in FIG. 8 is a latch type sense amplifier. The sense amplifier circuit 31 has two inverter circuits, and an input node of one inverter circuit is connected to an output node of the other inverter circuit. Assuming that the input node of one of the inverter circuits is a node NS and the output node is a node NSB, complementary data is held at the nodes NS and NSB.

信号SENおよび信号SEPは、センスアンプ回路31を活性化するためのセンスアンプイネーブル信号であり、レファレンス電位Vrefは、読み出し判定電位である。センスアンプ回路31は、レファレンス電位Vrefを基準に、活性化された時点のノードNSBの電位が、ハイレベルであるか、ローレベルであるかを判定する。 The signal SEN and the signal SEP are sense amplifier enable signals for activating the sense amplifier circuit 31, and the reference potential Vref is a read determination potential. The sense amplifier circuit 31 determines whether the potential of the node NSB at the time of activation is at a high level or a low level based on the reference potential Vref.

AND回路32は、ノードNSと、書き込みビット線wblとの導通状態を制御する。また、アナログスイッチ33は、ノードNSBと、読み出しビット線rblとの導通状態を制御し、アナログスイッチ34は、ノードNSと、レファレンス電位Vrefを供給する配線との導通状態を制御する。 The AND circuit 32 controls the conduction state between the node NS and the write bit line wbl. Further, the analog switch 33 controls the conduction state between the node NSB and the read bit line rbl, and the analog switch 34 controls the conduction state between the node NS and the wiring supplying the reference potential Vref.

すなわち、読み出しビット線rblの電位はアナログスイッチ33によってノードNSBに伝えられ、図5において、例えば、読み出しビット線rblの電位がハイレベルからΔV4だけ下降し、レファレンス電位Vrefより低くなると、センスアンプ回路31は、読み出しビット線rblはローレベルであると判定する。また、読み出しビット線rblの電位がレファレンス電位Vrefより低くならない場合、センスアンプ回路31は、読み出しビット線rblはハイレベルであると判定する。 That is, the potential of the read bit line rbl is transmitted to the node NSB by the analog switch 33. In FIG. 5, for example, when the potential of the read bit line rbl falls from the high level by ΔV4 and becomes lower than the reference potential Vref, the sense amplifier circuit 31 determines that the read bit line rbl is at low level. If the potential of the read bit line rbl does not become lower than the reference potential Vref, the sense amplifier circuit 31 determines that the read bit line rbl is at the high level.

信号WSELは、書き込み選択信号であり、AND回路32を制御する。信号RSEL[3:0]は、読み出し選択信号であり、アナログスイッチ33およびアナログスイッチ34を制御する。 The signal WSEL is a write selection signal and controls the AND circuit 32. The signal RSEL [3: 0] is a read selection signal, and controls the analog switch 33 and the analog switch 34.

<<出力MUX回路>>
トランジスタM32およびトランジスタM33は、出力MUX回路135を構成する。信号GRSEL[3:0]は、グローバル読み出し選択信号であり、出力MUX回路135を制御する。出力MUX回路135は、128本の読み出しビット線rblから、データを読み出す32本の読み出しビット線rblを選択する機能を有する。出力MUX回路135は、128入力32出力のマルチプレクサとして機能する。
<< output MUX circuit >>
The transistor M32 and the transistor M33 form an output MUX circuit 135. The signal GRSEL [3: 0] is a global read selection signal, and controls the output MUX circuit 135. The output MUX circuit 135 has a function of selecting 32 read bit lines rbl from which data is read out of the 128 read bit lines rbl. The output MUX circuit 135 functions as a 128-input, 32-output multiplexer.

出力MUX回路135は、センスアンプ回路134から、データDOUT[31:0]を読み出し、ページバッファ138に出力する。 The output MUX circuit 135 reads the data DOUT [31: 0] from the sense amplifier circuit 134 and outputs the data DOUT [31: 0] to the page buffer 138.

<<書き込みドライバ回路>>
トランジスタM34乃至トランジスタM36は、書き込みドライバ回路136を構成する。信号GWSEL[15:0]は、グローバル書き込み選択信号であり、書き込みドライバ回路136を制御する。書き込みドライバ回路136は、データDIN[31:0]をセンスアンプ回路134に書き込む機能を有する。
<< Write driver circuit >>
The transistors M34 to M36 form a write driver circuit 136. The signal GWSEL [15: 0] is a global write selection signal and controls the write driver circuit 136. The write driver circuit 136 has a function of writing data DIN [31: 0] to the sense amplifier circuit 134.

書き込みドライバ回路136は、データDIN[31:0]を書き込む列を選択する機能を有する。書き込みドライバ回路136は、信号GWSEL[15:0]に従い、バイト単位、ハーフワード単位、または、1ワード単位のデータ書き込みを行う。 The write driver circuit 136 has a function of selecting a column in which the data DIN [31: 0] is to be written. The write driver circuit 136 writes data in byte units, half word units, or one word units according to the signal GWSEL [15: 0].

回路30は、4列ごとに、データDIN[h](hは0以上31以下の整数)と電気的に接続される。また、回路30は、4列ごとに、データDOUT[h]と電気的に接続される。 The circuit 30 is electrically connected to data DIN [h] (h is an integer of 0 or more and 31 or less) every four columns. The circuit 30 is electrically connected to the data DOUT [h] every four columns.

また、回路30は、センスアンプ回路31をk個有する構成であってもよい。本実施の形態では、センスアンプ回路31を4個有する構成であってもよい。信号WSELも4ビットの信号WSEL[3:0]とすることで、4個のセンスアンプ回路31は、信号RSEL[3:0]および信号WSEL[3:0]により、どのセンスアンプ回路31が読み出しビット線rblまたは書き込みビット線wblと導通状態になるかが制御される。 Further, the circuit 30 may have a configuration including k sense amplifier circuits 31. In the present embodiment, a configuration having four sense amplifier circuits 31 may be employed. By setting the signal WSEL to be a 4-bit signal WSEL [3: 0], the four sense amplifier circuits 31 can use any one of the sense amplifier circuits 31 by the signals RSEL [3: 0] and WSEL [3: 0]. Whether the read bit line rbl or the write bit line wbl is electrically connected is controlled.

同様に、4個のセンスアンプ回路31は、信号GRSEL[3:0]および信号GWSEL[15:0]により、どのセンスアンプ回路31にデータDIN[31:0]を書き込む、または、どのセンスアンプ回路31からデータDOUT[31:0]に出力するかを制御することができる。 Similarly, the four sense amplifier circuits 31 write data DIN [31: 0] to which sense amplifier circuits 31 or which sense amplifiers by the signals GRSEL [3: 0] and GWSEL [15: 0]. It is possible to control whether the circuit 31 outputs data DOUT [31: 0].

センスアンプ回路31はラッチ型センスアンプであり、ノードNSおよびノードNSBにおいてデータを保持する機能を有するため、回路30がセンスアンプ回路31を4個有することで、ページバッファ138を省略することができる。 Since the sense amplifier circuit 31 is a latch type sense amplifier and has a function of holding data at the node NS and the node NSB, the page buffer 138 can be omitted when the circuit 30 includes four sense amplifier circuits 31. .

上述のように、メモリセル211乃至メモリセル214は、蓄積した電荷を直近のトランジスタ(トランジスタM15またはトランジスタM25)で増幅することで、電荷を蓄積する容量が小さい場合でも、メモリとしての動作を行うことができる。また、OSトランジスタ等オフ電流が小さいトランジスタを、トランジスタM11乃至トランジスタM14、および、トランジスタM16(または、トランジスタM21乃至トランジスタM24、および、トランジスタM26)に用いることで、容量素子C11乃至容量素子C14の容量を小さくできる。 As described above, the memory cell 211 to the memory cell 214 operate as a memory by amplifying the stored charge by the nearest transistor (the transistor M15 or the transistor M25) even when the capacity for storing the charge is small. be able to. In addition, by using a transistor with a small off-state current such as an OS transistor for the transistors M11 to M14 and the transistor M16 (or the transistors M21 to M24 and the transistor M26), the capacitance of the capacitor C11 to the capacitor C14 can be increased. Can be reduced.

そのため、容量素子C11乃至容量素子C14として、トランジスタのゲート容量や配線の寄生容量等を利用することができる。上述したメモリセル214のように、トランジスタや配線とは別に容量素子を作成する必要がなく、メモリセル214の面積を小さくできる。 Therefore, a gate capacitance of a transistor, a parasitic capacitance of a wiring, or the like can be used as the capacitors C11 to C14. Unlike the memory cell 214 described above, there is no need to form a capacitor separately from a transistor and a wiring, and the area of the memory cell 214 can be reduced.

また、ゲインセル型のメモリセルは、1メモリセルあたり少なくとも2つのトランジスタが必要であり、単位面積あたり配置できるメモリセルの数を増やすことが難しかったが、電荷を蓄積し保持するノードを複数有することで、1メモリセルあたり記憶できるデータ量を増やすことができる。本実施の形態において、メモリセル211は、6つのトランジスタを使用して4ビットのデータを記憶することができる。すなわち、単位面積あたり記憶できるデータ量を増やすことができる。 Further, a gain cell type memory cell requires at least two transistors per memory cell, and it was difficult to increase the number of memory cells that can be arranged per unit area. Thus, the amount of data that can be stored per memory cell can be increased. In this embodiment, the memory cell 211 can store 4-bit data using six transistors. That is, the amount of data that can be stored per unit area can be increased.

また、メモリセル211を構成するトランジスタを、すべてOSトランジスタとすることで、メモリセルアレイ210は、周辺回路110に積層して設けることができる。そのため、記憶装置100のチップ面積を小さくすることができる。 In addition, when all the transistors included in the memory cell 211 are OS transistors, the memory cell array 210 can be stacked over the peripheral circuit 110. Therefore, the chip area of the storage device 100 can be reduced.

なお、本実施の形態は、本明細書に記載する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。 Note that this embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments described in this specification.

(実施の形態2)
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した記憶装置が、シリアル・ペリフェラル・インタフェース(SPI:Serial Peripheral Interface)を有する例について説明する。シリアル・ペリフェラル・インタフェースは、デジタル信号を入出力する半導体装置間の通信に使われるシリアルインタフェースの一つであり、信号の入出力に要する端子数を少なくできるという特徴を有する。例えば、CPU(Central Processing Unit)と記憶装置との通信に使われる。
(Embodiment 2)
In this embodiment, an example in which the storage device described in any of the above embodiments has a serial peripheral interface (SPI) will be described. The serial peripheral interface is one of serial interfaces used for communication between semiconductor devices that input and output digital signals, and has a feature that the number of terminals required for input and output of signals can be reduced. For example, it is used for communication between a CPU (Central Processing Unit) and a storage device.

<記憶装置のブロック図>
図9は、記憶装置105の構成例を示すブロック図である。記憶装置105は、周辺回路115およびメモリセルアレイ210を有する。上記実施の形態で説明した記憶装置100と同様、記憶装置105において、周辺回路115はSiトランジスタを用いて構成され、メモリセルアレイ210は複数のメモリセル211を有し、メモリセル211はOSトランジスタを用いて構成されている。
<Block diagram of storage device>
FIG. 9 is a block diagram illustrating a configuration example of the storage device 105. The storage device 105 includes a peripheral circuit 115 and a memory cell array 210. As in the storage device 100 described in the above embodiment, in the storage device 105, the peripheral circuit 115 is formed using Si transistors, the memory cell array 210 includes a plurality of memory cells 211, and the memory cells 211 include OS transistors. It is configured using.

周辺回路115は、ローデコーダ121、ワード線ドライバ回路122、カラムデコーダ131、ビット線ドライバ回路132、ページバッファ138、電位生成回路150、SPIコントローラ161、および、ステータスレジスタ168を有する。また、メモリセルアレイ210は、メモリセル211、書き込みワード線wl、読み出しワード線rwl、プリチャージ線prl、書き込みビット線wbl、および、読み出しビット線rblを有する。 The peripheral circuit 115 has a row decoder 121, a word line driver circuit 122, a column decoder 131, a bit line driver circuit 132, a page buffer 138, a potential generation circuit 150, an SPI controller 161, and a status register 168. The memory cell array 210 includes a memory cell 211, a write word line wl, a read word line rwl, a precharge line prl, a write bit line wbl, and a read bit line rbl.

なお、メモリセルアレイ210、ローデコーダ121、ワード線ドライバ回路122、カラムデコーダ131、ビット線ドライバ回路132、および、ページバッファ138については、上記実施の形態と同様のため説明を省略する。 Note that the memory cell array 210, the row decoder 121, the word line driver circuit 122, the column decoder 131, the bit line driver circuit 132, and the page buffer 138 are the same as those in the above-described embodiment, and will not be described.

記憶装置105には、電位Vssおよび電位Vdhが入力される。また、記憶装置105には、クロック信号SCLK、チップセレクト信号CS、データ入力信号SI、データ出力信号SO、ホールド信号HOLD、および、書き込み保護信号WPが入力される。 The potential Vss and the potential Vdh are input to the storage device 105. Further, the clock signal SCLK, the chip select signal CS, the data input signal SI, the data output signal SO, the hold signal HOLD, and the write protection signal WP are input to the storage device 105.

電位生成回路150は、レギュレータ151乃至レギュレータ153、および、パワースイッチ154を有する。記憶装置105に入力された電位Vssおよび電位Vdhから、レギュレータ151は電位Vddを生成し、レギュレータ152はプリチャージ電位Vpreを生成し、レギュレータ153はレファレンス電位Vrefを生成し、また、パワースイッチ154は電位Vdhの出力を制御することができる。 The potential generation circuit 150 includes regulators 151 to 153 and a power switch 154. From the potential Vss and the potential Vdh input to the storage device 105, the regulator 151 generates the potential Vdd, the regulator 152 generates the precharge potential Vpre, the regulator 153 generates the reference potential Vref, and the power switch 154 The output of the potential Vdh can be controlled.

電位生成回路150は、周辺回路115に、電位Vdh、電位Vdd、および、電位Vssを供給する機能を有する。例えば、電位Vdhを3.3V、電位Vddを1.2V、電位Vssを0V(GND)とすることができる。 The potential generation circuit 150 has a function of supplying the potential Vdh, the potential Vdd, and the potential Vss to the peripheral circuit 115. For example, the potential Vdh can be 3.3 V, the potential Vdd can be 1.2 V, and the potential Vss can be 0 V (GND).

また、メモリセル211が、バックゲートを有するトランジスタを用いて構成される場合、電位生成回路150は、バックゲートに印加する電位を生成し、供給する機能を有していてもよい。 In the case where the memory cell 211 is formed using a transistor having a back gate, the potential generation circuit 150 may have a function of generating and supplying a potential applied to the back gate.

SPIコントローラ161は、シリアル・パラレルコンバータ162、命令デコーダ回路163、ページアドレス生成回路164、コマンド生成回路165、バイトアドレス生成回路166、および、パラレル・シリアルコンバータ167を有する。 The SPI controller 161 has a serial / parallel converter 162, an instruction decoder circuit 163, a page address generation circuit 164, a command generation circuit 165, a byte address generation circuit 166, and a parallel / serial converter 167.

SPIコントローラ161は、記憶装置105に入力された信号を処理し、チップイネーブル信号CEおよびグローバル書き込みイネーブル信号GWを、ローデコーダ121およびカラムデコーダ131に出力する。 The SPI controller 161 processes a signal input to the storage device 105 and outputs a chip enable signal CE and a global write enable signal GW to the row decoder 121 and the column decoder 131.

例えば、チップイネーブル信号CEがハイレベル、グローバル書き込みイネーブル信号GWがローレベルの場合、ローデコーダ121およびカラムデコーダ131は読み出し動作を行い、チップイネーブル信号CEがハイレベル、グローバル書き込みイネーブル信号GWがハイレベルの場合、ローデコーダ121およびカラムデコーダ131は書き込み動作を行い、チップイネーブル信号CEがローレベルの場合、グローバル書き込みイネーブル信号GWのハイレベル、ローレベルにかかわらず、ローデコーダ121およびカラムデコーダ131はスタンバイ動作とすることができる。 For example, when the chip enable signal CE is at a high level and the global write enable signal GW is at a low level, the row decoder 121 and the column decoder 131 perform a read operation, and the chip enable signal CE is at a high level and the global write enable signal GW is at a high level. , The row decoder 121 and the column decoder 131 perform a write operation, and when the chip enable signal CE is at a low level, the row decoder 121 and the column decoder 131 are in a standby state regardless of whether the global write enable signal GW is at a high level or a low level. Operation.

SPIコントローラ161は、記憶装置105に入力された信号を処理し、データ信号WDATAをページバッファ138に出力する。ページバッファ138は、メモリセルアレイ210から読み出した、データ信号RDATAをSPIコントローラ161に出力する。 The SPI controller 161 processes a signal input to the storage device 105 and outputs a data signal WDATA to the page buffer 138. The page buffer 138 outputs the data signal RDATA read from the memory cell array 210 to the SPI controller 161.

また、ページアドレス生成回路164は、ローアドレス信号RADRをローデコーダ121に出力し、バイトアドレス生成回路166は、カラムアドレス信号CADRをカラムデコーダ131に出力する。ローアドレス信号RADRおよびカラムアドレス信号CADRによって、読み出しまたは書き込みを行うメモリセル211が決定される。 The page address generation circuit 164 outputs a row address signal RADR to the row decoder 121, and the byte address generation circuit 166 outputs a column address signal CADR to the column decoder 131. The memory cell 211 to be read or written is determined by the row address signal RADR and the column address signal CADR.

ページバッファ138は、読み出しまたは書き込みを行うデータ信号を、一時的に記憶する機能を有し、ステータスレジスタ168は、SPIコントローラ161の動作モードを記憶するメモリである。 The page buffer 138 has a function of temporarily storing a data signal to be read or written, and the status register 168 is a memory for storing an operation mode of the SPI controller 161.

例えば、メモリセル211は4ビットのデータを記憶することができ、メモリセルアレイ210は、一行に512個、一列に1024個のメモリセル211を有し、ページバッファ138が記憶できるデータ量を256Byte(2048bit)とすることで、記憶装置105を、256KByteのデータ量を記憶できる記憶装置とすることができる。 For example, the memory cell 211 can store 4-bit data, the memory cell array 210 has 512 memory cells 211 in one row and 1024 memory cells in one column, and the data amount that can be stored in the page buffer 138 is 256 bytes ( 2048 bits), the storage device 105 can be a storage device capable of storing a data amount of 256 Kbytes.

また、書き込み保護信号WPは、ステータスレジスタ168への書き込みを防止する信号であり、ホールド信号HOLDは、記憶装置105の動作を一時停止するための信号である。 The write protection signal WP is a signal for preventing writing to the status register 168, and the hold signal HOLD is a signal for temporarily stopping the operation of the storage device 105.

なお、SPIコントローラ161が処理する信号は、上記したものに限定されることなく、必要に応じて他の信号を入力、または出力してもよい。 The signals processed by the SPI controller 161 are not limited to those described above, and other signals may be input or output as needed.

なお、本実施の形態は、本明細書に記載する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。 Note that this embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments described in this specification.

(実施の形態3)
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した周辺回路110に適用可能なSiトランジスタ、およびメモリセル211に適用可能なOSトランジスタの構成例について説明する。なお、本実施の形態では、前記SiトランジスタおよびOSトランジスタを合わせて、半導体装置と呼ぶ。
(Embodiment 3)
In this embodiment, structural examples of a Si transistor applicable to the peripheral circuit 110 described in the above embodiment and an OS transistor applicable to the memory cell 211 will be described. In this embodiment, the Si transistor and the OS transistor are collectively called a semiconductor device.

<半導体装置の構成例>
図10に示す半導体装置は、トランジスタ300と、トランジスタ500、および容量素子600を有している。図11(A)はトランジスタ500のチャネル長方向の断面図であり、図11(B)はトランジスタ500のチャネル幅方向の断面図であり、図11(C)はトランジスタ300のチャネル幅方向の断面図である。
<Configuration example of semiconductor device>
The semiconductor device illustrated in FIG. 10 includes a transistor 300, a transistor 500, and a capacitor 600. 11A is a cross-sectional view of the transistor 500 in the channel length direction, FIG. 11B is a cross-sectional view of the transistor 500 in the channel width direction, and FIG. FIG.

トランジスタ500は、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタ(OSトランジスタ)である。トランジスタ500は、オフ電流が小さいため、これを半導体装置に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。もしくは、電荷を蓄積する容量を小さくすることができる。 The transistor 500 is a transistor including a metal oxide in a channel formation region (OS transistor). Since the transistor 500 has low off-state current, stored data can be held for a long time by using the transistor 500 in a semiconductor device. Alternatively, the capacity for storing electric charges can be reduced.

本実施の形態で説明する半導体装置は、図10に示すようにトランジスタ300、トランジスタ500、容量素子600を有する。トランジスタ500はトランジスタ300の上方に設けられ、容量素子600はトランジスタ300、およびトランジスタ500の上方に設けられている。 The semiconductor device described in this embodiment includes a transistor 300, a transistor 500, and a capacitor 600 as illustrated in FIG. The transistor 500 is provided above the transistor 300, and the capacitor 600 is provided above the transistor 300 and the transistor 500.

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

トランジスタ300は、図11(C)に示すように、半導体領域313の上面およびチャネル幅方向の側面が絶縁体315を介して導電体316に覆われている。このように、トランジスタ300をFin型とすることにより、実効上のチャネル幅が増大することによりトランジスタ300のオン特性を向上させることができる。また、ゲート電極の電界の寄与を高くすることができるため、トランジスタ300のオフ特性を向上させることができる。 In the transistor 300, as illustrated in FIG. 11C, the top surface of the semiconductor region 313 and the side surface in the channel width direction are covered with a conductor 316 with an insulator 315 interposed therebetween. In this manner, by making the transistor 300 a Fin type, the on-state characteristics of the transistor 300 can be improved by increasing the effective channel width. Further, the contribution of the electric field of the gate electrode can be increased, so that the off-state characteristics of the transistor 300 can be improved.

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

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

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

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

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

なお、図10に示すトランジスタ300は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。 Note that the transistor 300 illustrated in FIG. 10 is an example, and there is no limitation on the structure, and an appropriate transistor may be used depending on a circuit configuration and a driving method.

トランジスタ300を覆って、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体326が順に積層して設けられている。 An insulator 320, an insulator 322, an insulator 324, and an insulator 326 are provided so as to cover the transistor 300 in that order.

絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体326として、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。 As the insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, aluminum nitride, or the like is used. I just need.

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

また、絶縁体324には、基板311、またはトランジスタ300などから、トランジスタ500が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。 Further, as the insulator 324, a film having a barrier property such that hydrogen or an impurity is not diffused is preferably used in a region where the transistor 500 is provided from the substrate 311 or the transistor 300 or the like.

水素に対するバリア性を有する膜の一例として、例えば、CVD法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ500等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ500と、トランジスタ300との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。 As an example of a film having a barrier property against hydrogen, for example, silicon nitride formed by a CVD method can be used. Here, when hydrogen diffuses into a semiconductor element including an oxide semiconductor such as the transistor 500, the characteristics of the semiconductor element may be reduced. Therefore, a film which suppresses diffusion of hydrogen is preferably used between the transistor 500 and the transistor 300. Specifically, the film that suppresses the diffusion of hydrogen is a film from which the amount of desorbed hydrogen is small.

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

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

また、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体326には容量素子600、またはトランジスタ500と接続する導電体328、および導電体330等が埋め込まれている。なお、導電体328、および導電体330は、プラグまたは配線としての機能を有する。また、プラグまたは配線としての機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。 In the insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326, a conductor 328 connected to the capacitor 600 or the transistor 500, a conductor 330, or the like is embedded. Note that the conductor 328 and the conductor 330 have a function as a plug or a wiring. In some cases, the same reference numeral is given to a plurality of structures collectively for a conductor having a function as a plug or a wiring. Further, in this specification and the like, a wiring and a plug connected to the wiring may be integrated. That is, a part of the conductor functions as a wiring and a part of the conductor functions as a plug in some cases.

各プラグ、および配線(導電体328、および導電体330等)の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。 As a material of each plug and a wiring (the conductor 328, the conductor 330, and the like), a conductive material such as a metal material, an alloy material, a metal nitride material, or a metal oxide material is used as a single layer or a stacked layer. Can be used. It is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum, which has both heat resistance and conductivity, and it is preferable to use tungsten. Alternatively, it is preferable to use a low-resistance conductive material such as aluminum or copper. By using a low-resistance conductive material, wiring resistance can be reduced.

絶縁体326、および導電体330上に、配線層を設けてもよい。例えば、図10において、絶縁体350、絶縁体352、および絶縁体354が順に積層して設けられている。また、絶縁体350、絶縁体352、および絶縁体354には、導電体356が形成されている。導電体356は、トランジスタ300と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。なお導電体356は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided over the insulator 326 and the conductor 330. For example, in FIG. 10, an insulator 350, an insulator 352, and an insulator 354 are sequentially stacked. A conductor 356 is formed over the insulator 350, the insulator 352, and the insulator 354. The conductor 356 functions as a plug connected to the transistor 300 or a wiring. Note that the conductor 356 can be provided using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体350は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体356は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体350が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ500とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ500への水素の拡散を抑制することができる。 Note that for example, as the insulator 350, an insulator having a barrier property to hydrogen is preferably used, like the insulator 324. Further, the conductor 356 preferably includes a conductor having a barrier property to hydrogen. In particular, a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in an opening portion of the insulator 350 having a barrier property against hydrogen. With such a structure, the transistor 300 and the transistor 500 can be separated from each other by the barrier layer, so that diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 500 can be suppressed.

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

絶縁体354、および導電体356上に、配線層を設けてもよい。例えば、図10において、絶縁体360、絶縁体362、および絶縁体364が順に積層して設けられている。また、絶縁体360、絶縁体362、および絶縁体364には、導電体366が形成されている。導電体366は、プラグまたは配線としての機能を有する。なお導電体366は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided over the insulator 354 and the conductor 356. For example, in FIG. 10, an insulator 360, an insulator 362, and an insulator 364 are sequentially stacked. A conductor 366 is formed over the insulator 360, the insulator 362, and the insulator 364. The conductor 366 has a function as a plug or a wiring. Note that the conductor 366 can be provided using a material similar to that of the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体360は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体366は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体360が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ500とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ500への水素の拡散を抑制することができる。 Note that, for example, as the insulator 360, an insulator having a barrier property to hydrogen is preferably used, like the insulator 324. Further, the conductor 366 preferably includes a conductor having a barrier property to hydrogen. In particular, a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in an opening portion of the insulator 360 having a barrier property against hydrogen. With such a structure, the transistor 300 and the transistor 500 can be separated from each other by the barrier layer, so that diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 500 can be suppressed.

絶縁体364、および導電体366上に、配線層を設けてもよい。例えば、図10において、絶縁体370、絶縁体372、および絶縁体374が順に積層して設けられている。また、絶縁体370、絶縁体372、および絶縁体374には、導電体376が形成されている。導電体376は、プラグまたは配線としての機能を有する。なお導電体376は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided over the insulator 364 and the conductor 366. For example, in FIG. 10, an insulator 370, an insulator 372, and an insulator 374 are sequentially stacked. A conductor 376 is formed over the insulator 370, the insulator 372, and the insulator 374. The conductor 376 has a function as a plug or a wiring. Note that the conductor 376 can be provided using a material similar to that of the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体370は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体376は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体370が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ500とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ500への水素の拡散を抑制することができる。 Note that for example, the insulator 370 is preferably an insulator having a barrier property to hydrogen, like the insulator 324. Further, the conductor 376 preferably includes a conductor having a barrier property to hydrogen. In particular, a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in an opening portion of the insulator 370 having a barrier property against hydrogen. With such a structure, the transistor 300 and the transistor 500 can be separated from each other by the barrier layer, so that diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 500 can be suppressed.

絶縁体374、および導電体376上に、配線層を設けてもよい。例えば、図10において、絶縁体380、絶縁体382、および絶縁体384が順に積層して設けられている。また、絶縁体380、絶縁体382、および絶縁体384には、導電体386が形成されている。導電体386は、プラグまたは配線としての機能を有する。なお導電体386は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided over the insulator 374 and the conductor 376. For example, in FIG. 10, an insulator 380, an insulator 382, and an insulator 384 are sequentially stacked. A conductor 386 is formed over the insulator 380, the insulator 382, and the insulator 384. The conductor 386 has a function as a plug or a wiring. Note that the conductor 386 can be provided using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体380は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体386は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体380が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ500とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ500への水素の拡散を抑制することができる。 Note that, for example, as the insulator 380, an insulator having a barrier property to hydrogen is preferably used, like the insulator 324. Further, the conductor 386 preferably includes a conductor having a barrier property to hydrogen. In particular, a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in an opening portion of the insulator 380 having a barrier property against hydrogen. With such a structure, the transistor 300 and the transistor 500 can be separated from each other by the barrier layer, so that diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 500 can be suppressed.

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

絶縁体384上には絶縁体510、絶縁体512、絶縁体514、および絶縁体516が、順に積層して設けられている。絶縁体510、絶縁体512、絶縁体514、および絶縁体516のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。 An insulator 510, an insulator 512, an insulator 514, and an insulator 516 are provided over the insulator 384 in this order. It is preferable that any of the insulator 510, the insulator 512, the insulator 514, and the insulator 516 be formed using a substance having a barrier property to oxygen and hydrogen.

例えば、絶縁体510、および絶縁体514には、例えば、基板311、またはトランジスタ300を設ける領域などから、トランジスタ500を設ける領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。したがって、絶縁体324と同様の材料を用いることができる。 For example, as the insulators 510 and 514, a film having a barrier property such that hydrogen or an impurity is not diffused from a substrate 311 or a region where the transistor 300 is provided to a region where the transistor 500 is provided is used. Is preferred. Therefore, a material similar to that of the insulator 324 can be used.

水素に対するバリア性を有する膜の一例として、CVD法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ500等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ500と、トランジスタ300との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。 As an example of a film having a barrier property to hydrogen, silicon nitride formed by a CVD method can be used. Here, when hydrogen diffuses into a semiconductor element including an oxide semiconductor such as the transistor 500, the characteristics of the semiconductor element may be reduced. Therefore, a film which suppresses diffusion of hydrogen is preferably used between the transistor 500 and the transistor 300. Specifically, the film that suppresses the diffusion of hydrogen is a film from which the amount of desorbed hydrogen is small.

また、水素に対するバリア性を有する膜として、例えば、絶縁体510、および絶縁体514には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。 Further, as the film having a barrier property to hydrogen, for example, a metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide is preferably used for the insulator 510 and the insulator 514.

特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ500への混入を防止することができる。また、トランジスタ500を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ500に対する保護膜として用いることに適している。 In particular, aluminum oxide has a high blocking effect on both oxygen and impurities such as hydrogen and moisture which cause a change in electric characteristics of a transistor, without passing through the film. Accordingly, the aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from entering the transistor 500 during and after the manufacturing process of the transistor. Further, release of oxygen from an oxide included in the transistor 500 can be suppressed. Therefore, it is suitable for use as a protective film for the transistor 500.

また、例えば、絶縁体512、および絶縁体516には、絶縁体320と同様の材料を用いることができる。また、比較的誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体512、および絶縁体516として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。 For example, the insulator 512 and the insulator 516 can be formed using a material similar to that of the insulator 320. In addition, by using a material having a relatively low dielectric constant as the interlayer film, parasitic capacitance generated between wirings can be reduced. For example, as the insulator 512 and the insulator 516, a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, or the like can be used.

また、絶縁体510、絶縁体512、絶縁体514、および絶縁体516には、導電体518、およびトランジスタ500を構成する導電体(導電体503)等が埋め込まれている。なお、導電体518は、容量素子600、またはトランジスタ300と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体518は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 In the insulator 510, the insulator 512, the insulator 514, and the insulator 516, a conductor 518, a conductor included in the transistor 500 (a conductor 503), and the like are embedded. Note that the conductor 518 has a function as a plug or a wiring connected to the capacitor 600 or the transistor 300. The conductor 518 can be provided using a material similar to that of the conductor 328 and the conductor 330.

特に、絶縁体510、および絶縁体514と接する領域の導電体518は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ500とは、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する層で、分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ500への水素の拡散を抑制することができる。 In particular, the conductor 518 in a region in contact with the insulator 510 and the insulator 514 is preferably a conductor having a barrier property to oxygen, hydrogen, and water. With this structure, the transistor 300 and the transistor 500 can be separated from each other with a layer having a barrier property to oxygen, hydrogen, and water, and diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 500 can be suppressed.

絶縁体516の上方には、トランジスタ500が設けられている。 The transistor 500 is provided over the insulator 516.

図11(A)、(B)に示すように、トランジスタ500は、絶縁体512および絶縁体516に埋め込まれるように配置された導電体503と、絶縁体516と導電体503の上に配置された絶縁体520と、絶縁体520の上に配置された絶縁体522と、絶縁体522の上に配置された絶縁体524と、絶縁体524の上に配置された酸化物530aと、酸化物530aの上に配置された酸化物530bと、酸化物530b上に、互いに離して配置された導電体542a、および導電体542bと、導電体542aおよび導電体542b上に配置され、導電体542aと導電体542bの間に重畳して開口が形成された絶縁体580と、開口の中に配置された導電体560と、酸化物530b、導電体542a、導電体542b、および絶縁体580と、導電体560と、の間に配置された絶縁体550と、酸化物530b、導電体542a、導電体542b、および絶縁体580と、絶縁体550と、の間に配置された酸化物530cと、を有する。 As illustrated in FIGS. 11A and 11B, the transistor 500 includes a conductor 503 which is provided so as to be embedded in the insulator 512 and the insulator 516, and is provided over the insulator 516 and the conductor 503. An insulator 520, an insulator 522 disposed on the insulator 520, an insulator 524 disposed on the insulator 522, an oxide 530a disposed on the insulator 524, and an oxide An oxide 530b disposed over the oxide 530a; a conductor 542a and a conductor 542b disposed apart from each other over the oxide 530b; and a conductor 542a disposed over the conductor 542a and the conductor 542b. An insulator 580 having an opening formed so as to overlap between the conductors 542b; a conductor 560 arranged in the opening; an oxide 530b; a conductor 542a; a conductor 542b; The insulator 550 is provided between the insulator 580 and the conductor 560, and the insulator 550 is provided between the oxide 530b, the conductor 542a, the conductor 542b, and the insulator 580 and the insulator 550. An oxide 530c.

また、図11(A)、(B)に示すように、酸化物530a、酸化物530b、導電体542a、および導電体542bと、絶縁体580の間に絶縁体544が配置されることが好ましい。また、図11(A)、(B)に示すように、導電体560は、絶縁体550の内側に設けられた導電体560aと、導電体560aの内側に埋め込まれるように設けられた導電体560bと、を有することが好ましい。また、図11(A)、(B)に示すように、絶縁体580、導電体560、および絶縁体550の上に絶縁体574が配置されることが好ましい。 As illustrated in FIGS. 11A and 11B, the insulator 544 is preferably provided between the oxide 530a, the oxide 530b, the conductor 542a, the conductor 542b, and the insulator 580. . 11A and 11B, a conductor 560 includes a conductor 560a provided inside the insulator 550 and a conductor 560a provided so as to be embedded inside the conductor 560a. 560b. As illustrated in FIGS. 11A and 11B, the insulator 574 is preferably provided over the insulator 580, the conductor 560, and the insulator 550.

なお、以下において、酸化物530a、酸化物530b、および酸化物530cをまとめて酸化物530という場合がある。また、導電体542aおよび導電体542bをまとめて導電体542という場合がある。 Note that in the following, the oxide 530a, the oxide 530b, and the oxide 530c may be collectively referred to as an oxide 530. The conductor 542a and the conductor 542b may be collectively referred to as a conductor 542.

なお、トランジスタ500では、チャネルが形成される領域と、その近傍において、酸化物530a、酸化物530b、および酸化物530cの3層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物530bの単層、酸化物530bと酸化物530aの2層構造、酸化物530bと酸化物530cの2層構造、または4層以上の積層構造を設ける構成にしてもよい。また、トランジスタ500では、導電体560を2層の積層構造として示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体560が、単層構造であってもよいし、3層以上の積層構造であってもよい。また、図10、図11(A)(B)に示すトランジスタ500は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。 Note that in the transistor 500, a structure in which three layers of an oxide 530a, an oxide 530b, and an oxide 530c are stacked in a region where a channel is formed and in the vicinity thereof is shown; however, the present invention is not limited thereto. Not something. For example, a single layer of the oxide 530b, a two-layer structure of the oxide 530b and the oxide 530a, a two-layer structure of the oxide 530b and the oxide 530c, or a stacked structure of four or more layers may be provided. In the transistor 500, the conductor 560 is illustrated as having a two-layer structure, but the present invention is not limited to this. For example, the conductor 560 may have a single-layer structure or a stacked structure of three or more layers. Further, the transistor 500 illustrated in FIGS. 10 and 11A and 11B is an example, and there is no limitation on the structure, and an appropriate transistor may be used depending on a circuit configuration and a driving method.

ここで、導電体560は、トランジスタのゲート電極として機能し、導電体542aおよび導電体542bは、それぞれソース電極またはドレイン電極として機能する。上記のように、導電体560は、絶縁体580の開口、および導電体542aと導電体542bに挟まれた領域に埋め込まれるように形成される。導電体560、導電体542aおよび導電体542bの配置は、絶縁体580の開口に対して、自己整合的に選択される。つまり、トランジスタ500において、ゲート電極を、ソース電極とドレイン電極の間に、自己整合的に配置させることができる。よって、導電体560を位置合わせのマージンを設けることなく形成することができるので、トランジスタ500の占有面積の縮小を図ることができる。これにより、半導体装置の微細化、高集積化を図ることができる。 Here, the conductor 560 functions as a gate electrode of the transistor, and the conductor 542a and the conductor 542b each function as a source electrode or a drain electrode. As described above, the conductor 560 is formed so as to be embedded in the opening of the insulator 580 and the region between the conductors 542a and 542b. The arrangement of the conductor 560, the conductor 542a, and the conductor 542b is selected in a self-aligned manner with respect to the opening of the insulator 580. That is, in the transistor 500, the gate electrode can be arranged between the source electrode and the drain electrode in a self-aligned manner. Therefore, the conductor 560 can be formed without providing a positioning margin, so that the area occupied by the transistor 500 can be reduced. Thus, miniaturization and high integration of the semiconductor device can be achieved.

さらに、導電体560が、導電体542aと導電体542bの間の領域に自己整合的に形成されるので、導電体560は、導電体542aまたは導電体542bと重畳する領域を有さない。これにより、導電体560と導電体542aおよび導電体542bとの間に形成される寄生容量を低減することができる。よって、トランジスタ500のスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有せしめることができる。 Further, since the conductor 560 is formed in a self-aligned manner in a region between the conductor 542a and the conductor 542b, the conductor 560 does not have a region overlapping with the conductor 542a or the conductor 542b. Accordingly, parasitic capacitance formed between conductor 560 and conductors 542a and 542b can be reduced. Thus, the switching speed of the transistor 500 can be improved and high frequency characteristics can be provided.

導電体560は、第1のゲート(トップゲートともいう)電極として機能する場合がある。また、導電体503は、第2のゲート(ボトムゲートともいう)電極として機能する場合がある。その場合、導電体503に印加する電位を、導電体560に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ500のVthを制御することができる。特に、導電体503に負の電位を印加することにより、トランジスタ500のVthを0Vより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体503に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体560に印加する電位が0Vのときのドレイン電流を小さくすることができる。 The conductor 560 may function as a first gate (also referred to as a top gate) electrode. In some cases, the conductor 503 functions as a second gate (also referred to as a bottom gate) electrode. In that case, Vth of the transistor 500 can be controlled by changing the potential applied to the conductor 503 independently of the potential applied to the conductor 560 without interlocking with the potential. In particular, by applying a negative potential to the conductor 503, Vth of the transistor 500 can be made higher than 0 V and off-state current can be reduced. Therefore, when a negative potential is applied to the conductor 503, the drain current when the potential applied to the conductor 560 is 0 V can be smaller than when no negative potential is applied.

導電体503は、酸化物530、および導電体560と、重なるように配置する。これにより、導電体560、および導電体503に電位を印加した場合、導電体560から生じる電界と、導電体503から生じる電界と、がつながり、酸化物530に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。本明細書等において、第1のゲート電極、および第2のゲート電極の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、surrounded channel(S−channel)構造とよぶ。 The conductor 503 is provided so as to overlap with the oxide 530 and the conductor 560. Thus, when a potential is applied to the conductor 560 and the conductor 503, an electric field generated from the conductor 560 and an electric field generated from the conductor 503 are connected to each other, so that a channel formation region formed in the oxide 530 is covered. Can be. In this specification and the like, a structure of a transistor that electrically surrounds a channel formation region with an electric field of the first gate electrode and the electric field of the second gate electrode is referred to as a surrounded channel (S-channel) structure.

また、導電体503は、導電体518と同様の構成であり、絶縁体514および絶縁体516の開口の内壁に接して導電体503aが形成され、さらに内側に導電体503bが形成されている。 The conductor 503 has the same structure as the conductor 518. A conductor 503a is formed in contact with the inner walls of the openings of the insulators 514 and 516, and a conductor 503b is formed inside.

絶縁体520、絶縁体522、絶縁体524、および絶縁体550は、ゲート絶縁膜としての機能を有する。 The insulator 520, the insulator 522, the insulator 524, and the insulator 550 each have a function as a gate insulating film.

ここで、酸化物530と接する絶縁体524は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体524には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物530に接して設けることにより、酸化物530中の酸素欠損を低減し、トランジスタ500の信頼性を向上させることができる。 Here, as the insulator 524 in contact with the oxide 530, an insulator containing more oxygen than oxygen that satisfies the stoichiometric composition is preferably used. That is, it is preferable that an excess oxygen region be formed in the insulator 524. By providing such an insulator containing excess oxygen in contact with the oxide 530, oxygen vacancies in the oxide 530 can be reduced and the reliability of the transistor 500 can be improved.

過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、TDS(Thermal Desorption Spectroscopy)分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm以上、好ましくは1.0×1019atoms/cm以上、さらに好ましくは2.0×1019atoms/cm以上、または3.0×1020atoms/cm以上である酸化物膜である。なお、上記TDS分析時における膜の表面温度としては100℃以上700℃以下、または100℃以上400℃以下の範囲が好ましい。 Specifically, it is preferable to use an oxide material from which part of oxygen is released by heating as the insulator having an excess oxygen region. An oxide from which oxygen is desorbed by heating is defined as having an oxygen desorption amount of 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more, preferably 1 in terms of oxygen atoms, as determined by TDS (Thermal Desorption Spectroscopy) analysis. .0 × 10 19 atoms / cm 3 or more, more preferably 2.0 × 10 19 atoms / cm 3 or more, or 3.0 × 10 20 atoms / cm 3 or more at which the oxide film. Note that the surface temperature of the film at the time of the TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C to 700 ° C, or 100 ° C to 400 ° C.

また、絶縁体524が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体522は、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子など)の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい)ことが好ましい。 In the case where the insulator 524 has an excess oxygen region, the insulator 522 preferably has a function of suppressing diffusion of oxygen (eg, an oxygen atom or an oxygen molecule) (the oxygen is hardly transmitted).

絶縁体522が、酸素や不純物の拡散を抑制する機能を有することで、酸化物530が有する酸素は、絶縁体520側へ拡散することがなく、好ましい。また、導電体503が、絶縁体524や、酸化物530が有する酸素と反応することを抑制することができる。 Since the insulator 522 has a function of suppressing diffusion of oxygen and impurities, oxygen included in the oxide 530 does not diffuse to the insulator 520, which is preferable. In addition, the conductor 503 can be prevented from reacting with oxygen included in the insulator 524 and the oxide 530.

絶縁体522は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)または(Ba,Sr)TiO(BST)などのいわゆるhigh−k材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁膜として機能する絶縁体にhigh−k材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。 The insulator 522 is formed of, for example, so-called high such as aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ), or (Ba, Sr) TiO 3 (BST). It is preferable to use an insulator containing a -k material in a single layer or a stack. As the size of a transistor is reduced and the degree of integration is increased, a problem such as a leak current may occur due to a reduction in the thickness of a gate insulating film. With the use of a high-k material for an insulator functioning as a gate insulating film, reduction in gate potential at the time of transistor operation can be performed while the physical thickness is maintained.

特に、不純物、および酸素などの拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい)絶縁性材料であるアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体522を形成した場合、絶縁体522は、酸化物530からの酸素の放出や、トランジスタ500の周辺部から酸化物530への水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。 In particular, an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium, which is an insulating material having a function of suppressing diffusion of impurities and oxygen (the above oxygen is difficult to transmit), is preferably used. It is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like as the insulator containing one or both oxides of aluminum and hafnium. In the case where the insulator 522 is formed using such a material, the insulator 522 suppresses release of oxygen from the oxide 530 and entry of impurities such as hydrogen from the periphery of the transistor 500 into the oxide 530. Functions as a layer.

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

また、絶縁体520は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、好適である。また、high−k材料の絶縁体を酸化シリコン、または酸化窒化シリコンと組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造の絶縁体520を得ることができる。 It is preferable that the insulator 520 be thermally stable. For example, silicon oxide and silicon oxynitride are preferable because they are thermally stable. Further, by combining an insulator of a high-k material with silicon oxide or silicon oxynitride, an insulator 520 having a stacked structure that is thermally stable and has a high relative dielectric constant can be obtained.

なお、絶縁体520、絶縁体522、および絶縁体524が、2層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。 Note that the insulator 520, the insulator 522, and the insulator 524 may have a stacked structure of two or more layers. In that case, the structure is not limited to a laminated structure made of the same material, and may be a laminated structure made of different materials.

トランジスタ500は、チャネル形成領域を含む酸化物530に、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。例えば、酸化物530として、In−M−Zn酸化物(元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種)等の金属酸化物を用いるとよい。また、酸化物530として、In−Ga酸化物、In−Zn酸化物を用いてもよい。 In the transistor 500, a metal oxide functioning as an oxide semiconductor is preferably used for the oxide 530 including the channel formation region. For example, as the oxide 530, an In-M-Zn oxide (element M is aluminum, gallium, yttrium, copper, vanadium, beryllium, boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, or neodymium , Or one or more selected from hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, or the like. Further, as the oxide 530, an In—Ga oxide or an In—Zn oxide may be used.

酸化物530においてチャネル形成領域として機能する金属酸化物は、バンドギャップが2eV以上、好ましくは2.5eV以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。 In the oxide 530, a metal oxide serving as a channel formation region has a band gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more. By using a metal oxide having a large band gap as described above, off-state current of a transistor can be reduced.

酸化物530は、酸化物530b下に酸化物530aを有することで、酸化物530aよりも下方に形成された構造物から、酸化物530bへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物530b上に酸化物530cを有することで、酸化物530cよりも上方に形成された構造物から、酸化物530bへの不純物の拡散を抑制することができる。 Since the oxide 530 includes the oxide 530a below the oxide 530b, diffusion of impurities from a structure formed below the oxide 530a to the oxide 530b can be suppressed. In addition, when the oxide 530c is provided over the oxide 530b, diffusion of impurities from a structure formed above the oxide 530c to the oxide 530b can be suppressed.

なお、酸化物530は、各金属原子の原子数比が異なる酸化物により、積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物530aに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Mの原子数比が、酸化物530bに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Mの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物530aに用いる金属酸化物において、Inに対する元素Mの原子数比が、酸化物530bに用いる金属酸化物における、Inに対する元素Mの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物530bに用いる金属酸化物において、元素Mに対するInの原子数比が、酸化物530aに用いる金属酸化物における、元素Mに対するInの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物530cは、酸化物530aまたは酸化物530bに用いることができる金属酸化物を、用いることができる。 Note that the oxide 530 preferably has a stacked structure of oxides having different atomic ratios of metal atoms. Specifically, in the metal oxide used for the oxide 530a, the atomic ratio of the element M in the constituent elements is larger than that in the metal oxide used for the oxide 530b. Is preferred. In the metal oxide used for the oxide 530a, the atomic ratio of the element M to In is preferably larger than that in the metal oxide used for the oxide 530b. In the metal oxide used for the oxide 530b, the atomic ratio of In to the element M is preferably larger than that in the metal oxide used for the oxide 530a. Further, as the oxide 530c, a metal oxide which can be used for the oxide 530a or the oxide 530b can be used.

また、酸化物530aおよび酸化物530cの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物530bの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、酸化物530aおよび酸化物530cの電子親和力が、酸化物530bの電子親和力より小さいことが好ましい。 Further, it is preferable that the energy of the bottom of the conduction band of the oxide 530a and the oxide 530c be higher than the energy of the bottom of the conduction band of the oxide 530b. In other words, the electron affinity of the oxide 530a and the oxide 530c is preferably smaller than the electron affinity of the oxide 530b.

ここで、酸化物530a、酸化物530b、および酸化物530cの接合部において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、酸化物530a、酸化物530b、および酸化物530cの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物530aと酸化物530bとの界面、および酸化物530bと酸化物530cとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。 Here, at the junction of the oxides 530a, 530b, and 530c, the energy level at the bottom of the conduction band changes gradually. In other words, the energy level at the bottom of the conduction band at the junction of the oxide 530a, the oxide 530b, and the oxide 530c can be said to be continuously changed or continuously joined. In order to achieve this, the defect state density of a mixed layer formed at the interface between the oxide 530a and the oxide 530b and the interface between the oxide 530b and the oxide 530c may be reduced.

具体的には、酸化物530aと酸化物530b、酸化物530bと酸化物530cが、酸素以外に共通の元素を有する(主成分とする)ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物530bがIn−Ga−Zn酸化物の場合、酸化物530aおよび酸化物530cとして、In−Ga−Zn酸化物、Ga−Zn酸化物、酸化ガリウムなどを用いるとよい。 Specifically, the oxide 530a and the oxide 530b and the oxide 530b and the oxide 530c each have a common element other than oxygen (as a main component), so that a mixed layer having a low density of defect states is formed. be able to. For example, in the case where the oxide 530b is an In-Ga-Zn oxide, an In-Ga-Zn oxide, a Ga-Zn oxide, gallium oxide, or the like may be used as the oxide 530a and the oxide 530c.

このとき、キャリアの主たる経路は酸化物530bとなる。酸化物530a、酸化物530cを上述の構成とすることで、酸化物530aと酸化物530bとの界面、および酸化物530bと酸化物530cとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ500は高いオン電流を得られる。 At this time, the main path of the carriers is the oxide 530b. With the above structure of the oxides 530a and 530c, the density of defect states at the interface between the oxide 530a and the oxide 530b and the interface between the oxide 530b and the oxide 530c can be reduced. Therefore, influence of carrier scattering due to interface scattering is small, and the transistor 500 can have high on-state current.

酸化物530b上には、ソース電極、およびドレイン電極として機能する導電体542(導電体542a、および導電体542b)が設けられる。導電体542としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。 A conductor 542 (a conductor 542a and a conductor 542b) functioning as a source electrode and a drain electrode is provided over the oxide 530b. As the conductor 542, aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, ruthenium, iridium, strontium, It is preferable to use a metal element selected from lanthanum, an alloy containing the above-described metal element as a component, an alloy in which the above-described metal elements are combined, or the like. For example, tantalum nitride, titanium nitride, tungsten, a nitride containing titanium and aluminum, a nitride containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, an oxide containing strontium and ruthenium, an oxide containing lanthanum and nickel, and the like are used. Is preferred. In addition, tantalum nitride, titanium nitride, nitride containing titanium and aluminum, nitride containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, oxide containing strontium and ruthenium, and oxide containing lanthanum and nickel are not easily oxidized. A conductive material or a material that maintains conductivity even when oxygen is absorbed is preferable.

また、図11(A)に示すように、酸化物530の、導電体542との界面とその近傍には、低抵抗領域として、領域543(領域543a、および領域543b)が形成される場合がある。このとき、領域543aはソース領域またはドレイン領域の一方として機能し、領域543bはソース領域またはドレイン領域の他方として機能する。また、領域543aと領域543bに挟まれる領域にチャネル形成領域が形成される。 In addition, as illustrated in FIG. 11A, a region 543 (a region 543a and a region 543b) is formed as a low-resistance region in and near an interface of the oxide 530 with the conductor 542. is there. At this time, the region 543a functions as one of the source region and the drain region, and the region 543b functions as the other of the source region and the drain region. Further, a channel formation region is formed in a region between the region 543a and the region 543b.

酸化物530と接するように上記導電体542を設けることで、領域543の酸素濃度が低減する場合がある。また、領域543に導電体542に含まれる金属と、酸化物530の成分とを含む金属化合物層が形成される場合がある。このような場合、領域543のキャリア密度が増加し、領域543は、低抵抗領域となる。 When the conductor 542 is provided so as to be in contact with the oxide 530, the oxygen concentration in the region 543 may be reduced in some cases. Further, in some cases, a metal compound layer containing a metal contained in the conductor 542 and a component of the oxide 530 is formed in the region 543. In such a case, the carrier density of the region 543 increases, and the region 543 becomes a low-resistance region.

絶縁体544は、導電体542を覆うように設けられ、導電体542の酸化を抑制する。このとき、絶縁体544は、酸化物530の側面を覆い、絶縁体524と接するように設けられてもよい。 The insulator 544 is provided to cover the conductor 542 and suppresses oxidation of the conductor 542. At this time, the insulator 544 may be provided so as to cover a side surface of the oxide 530 and be in contact with the insulator 524.

絶縁体544として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。 As the insulator 544, a metal oxide containing one or two or more kinds selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, or magnesium can be used. it can.

特に、絶縁体544として、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱履歴において、結晶化しにくいため好ましい。なお、導電体542が耐酸化性を有する材料、または、酸素を吸収しても著しく導電性が低下しない場合、絶縁体544は、必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。 In particular, as the insulator 544, it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), which is an insulator containing one or both of aluminum and hafnium. In particular, hafnium aluminate has higher heat resistance than a hafnium oxide film. Therefore, it is preferable because it is difficult to crystallize in a heat history in a later step. Note that the insulator 544 is not an essential component in the case where the conductor 542 has a material having oxidation resistance or has a structure in which conductivity is not significantly reduced even when oxygen is absorbed. An appropriate design may be made according to the required transistor characteristics.

絶縁体550は、ゲート絶縁膜として機能する。絶縁体550は、酸化物530cの内側(上面および側面)に接して配置することが好ましい。絶縁体550は、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。例えば、TDS分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm以上、好ましくは1.0×1019atoms/cm以上、さらに好ましくは2.0×1019atoms/cm以上、または3.0×1020atoms/cm以上である酸化物膜である。なお、上記TDS分析時における膜の表面温度としては100℃以上700℃以下の範囲が好ましい。 The insulator 550 functions as a gate insulating film. It is preferable that the insulator 550 be provided in contact with the inside (the upper surface and the side surface) of the oxide 530c. The insulator 550 is preferably formed using an insulator from which oxygen is released by heating. For example, in TDS analysis, the amount of desorbed oxygen in terms of oxygen atoms is 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more, preferably 1.0 × 10 19 atoms / cm 3 or more, and more preferably 2 × 10 19 atoms / cm 3 or more. .0 × 10 19 atoms / cm 3 or more, or 3.0 is × 10 20 atoms / cm 3 or more is an oxide film. The surface temperature of the film at the time of the TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. or more and 700 ° C. or less.

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

加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体550として、酸化物530cの上面に接して設けることにより、絶縁体550から、酸化物530cを通じて、酸化物530bのチャネル形成領域に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体524と同様に、絶縁体550中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体550の膜厚は、1nm以上20nm以下とするのが好ましい。 By providing an insulator from which oxygen is released by heating as the insulator 550 in contact with the upper surface of the oxide 530c, oxygen can be effectively supplied from the insulator 550 to the channel formation region of the oxide 530b through the oxide 530c. Can be supplied. Further, similarly to the insulator 524, the concentration of impurities such as water or hydrogen in the insulator 550 is preferably reduced. The thickness of the insulator 550 is preferably greater than or equal to 1 nm and less than or equal to 20 nm.

また、絶縁体550が有する過剰酸素を、効率的に酸化物530へ供給するために、絶縁体550と導電体560との間に金属酸化物を設けてもよい。当該金属酸化物は、絶縁体550から導電体560への酸素拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する金属酸化物を設けることで、絶縁体550から導電体560への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物530へ供給する過剰酸素量の減少を抑制することができる。また、過剰酸素による導電体560の酸化を抑制することができる。当該金属酸化物としては、絶縁体544に用いることができる材料を用いればよい。 In order to efficiently supply excess oxygen included in the insulator 550 to the oxide 530, a metal oxide may be provided between the insulator 550 and the conductor 560. The metal oxide preferably suppresses oxygen diffusion from the insulator 550 to the conductor 560. By providing a metal oxide that suppresses diffusion of oxygen, diffusion of excess oxygen from the insulator 550 to the conductor 560 is suppressed. That is, a decrease in the amount of excess oxygen supplied to the oxide 530 can be suppressed. Further, oxidation of the conductor 560 due to excess oxygen can be suppressed. As the metal oxide, a material that can be used for the insulator 544 may be used.

第1のゲート電極として機能する導電体560は、図11(A)、(B)では2層構造として示しているが、単層構造でもよいし、3層以上の積層構造であってもよい。 Although the conductor 560 functioning as the first gate electrode is illustrated as a two-layer structure in FIGS. 11A and 11B, the conductor 560 may have a single-layer structure or a stacked structure of three or more layers. .

導電体560aは、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子(NO、NO、NOなど)、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一つ)の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。導電体560aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体550に含まれる酸素により、導電体560bが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。 Conductor 560a is a hydrogen atom, a hydrogen molecule, a water molecule, a nitrogen atom, a nitrogen molecule, nitric oxide molecule (N 2 O, NO, etc. NO 2), conductive having a function of suppressing the diffusion of impurities such as copper atoms It is preferable to use a material. Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing diffusion of oxygen (for example, at least one of an oxygen atom and an oxygen molecule). When the conductor 560a has a function of suppressing diffusion of oxygen, the conductivity of the conductor 560b can be suppressed from being reduced by oxidation of the conductor 560b due to oxygen contained in the insulator 550. As the conductive material having a function of suppressing diffusion of oxygen, for example, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, ruthenium oxide, or the like is preferably used.

また、導電体560bは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体560bは、配線としても機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体560bは積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層構造としてもよい。 It is preferable that the conductor 560b be formed using a conductive material mainly containing tungsten, copper, or aluminum. In addition, since the conductor 560b also functions as a wiring, a conductor with high conductivity is preferably used. For example, a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component can be used. The conductor 560b may have a stacked structure, for example, a stacked structure of titanium, titanium nitride, and the above conductive material.

絶縁体580は、絶縁体544を介して、導電体542上に設けられる。絶縁体580は、過剰酸素領域を有することが好ましい。例えば、絶縁体580として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で、容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。 The insulator 580 is provided over the conductor 542 with the insulator 544 interposed therebetween. The insulator 580 preferably has an excess oxygen region. For example, as the insulator 580, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, and silicon oxide having holes Or a resin or the like. In particular, silicon oxide and silicon oxynitride are preferable because they are thermally stable. In particular, silicon oxide and silicon oxide having holes are preferable because an excess oxygen region can be easily formed in a later step.

絶縁体580は、過剰酸素領域を有することが好ましい。加熱により酸素が放出される絶縁体580を、酸化物530cと接して設けることで、絶縁体580中の酸素を、酸化物530cを通じて、酸化物530へと効率良く供給することができる。なお、絶縁体580中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。 The insulator 580 preferably has an excess oxygen region. When the insulator 580 from which oxygen is released by heating is provided in contact with the oxide 530c, oxygen in the insulator 580 can be efficiently supplied to the oxide 530 through the oxide 530c. Note that the concentration of impurities such as water or hydrogen in the insulator 580 is preferably reduced.

絶縁体580の開口は、導電体542aと導電体542bの間の領域に重畳して形成される。これにより、導電体560は、絶縁体580の開口、および導電体542aと導電体542bに挟まれた領域に、埋め込まれるように形成される。 The opening of the insulator 580 is formed so as to overlap with a region between the conductor 542a and the conductor 542b. Thus, the conductor 560 is formed so as to be embedded in the opening of the insulator 580 and the region between the conductors 542a and 542b.

半導体装置を微細化するに当たり、ゲート長を短くすることが求められるが、導電体560の導電性が下がらないようにする必要がある。そのために導電体560の膜厚を大きくすると、導電体560はアスペクト比が高い形状となりうる。本実施の形態では、導電体560を絶縁体580の開口に埋め込むように設けるため、導電体560をアスペクト比の高い形状にしても、工程中に導電体560を倒壊させることなく、形成することができる。 In miniaturizing a semiconductor device, it is required to reduce a gate length, but it is necessary to prevent the conductivity of the conductor 560 from decreasing. Therefore, when the thickness of the conductor 560 is increased, the conductor 560 can have a shape with a high aspect ratio. In this embodiment, since the conductor 560 is provided so as to be embedded in the opening of the insulator 580, the conductor 560 can be formed without being collapsed during a process even when the conductor 560 has a high aspect ratio. Can be.

絶縁体574は、絶縁体580の上面、導電体560の上面、および絶縁体550の上面に接して設けられることが好ましい。絶縁体574をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体550および絶縁体580へ過剰酸素領域を設けることができる。これにより、当該過剰酸素領域から、酸化物530中に酸素を供給することができる。 The insulator 574 is preferably provided in contact with the upper surface of the insulator 580, the upper surface of the conductor 560, and the upper surface of the insulator 550. By forming the insulator 574 by a sputtering method, an excess oxygen region can be provided in the insulator 550 and the insulator 580. Thus, oxygen can be supplied into the oxide 530 from the excess oxygen region.

例えば、絶縁体574として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。 For example, as the insulator 574, a metal oxide containing one or two or more selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, or magnesium is used. Can be.

特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、0.5nm以上3.0nm以下の薄膜であっても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。したがって、スパッタリング法で成膜した酸化アルミニウムは、酸素供給源であるとともに、水素などの不純物のバリア膜としての機能も有することができる。 In particular, aluminum oxide has a high barrier property and can suppress diffusion of hydrogen and nitrogen even in a thin film having a thickness of 0.5 nm or more and 3.0 nm or less. Therefore, aluminum oxide formed by a sputtering method can serve as an oxygen supply source and also have a function as a barrier film for impurities such as hydrogen.

また、絶縁体574の上に、層間膜として機能する絶縁体581を設けることが好ましい。絶縁体581は、絶縁体524などと同様に、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。 Further, the insulator 581 which functions as an interlayer film is preferably provided over the insulator 574. The insulator 581 preferably has a reduced concentration of impurities such as water or hydrogen in the film, similarly to the insulator 524 and the like.

また、絶縁体581、絶縁体574、絶縁体580、および絶縁体544に形成された開口に、導電体540aおよび導電体540bを配置する。導電体540aおよび導電体540bは、導電体560を挟んで対向して設ける。導電体540aおよび導電体540bは、後述する導電体546および導電体548と同様の構成である。 In addition, the conductor 540a and the conductor 540b are provided in openings formed in the insulator 581, the insulator 574, the insulator 580, and the insulator 544. The conductor 540a and the conductor 540b are provided to face each other with the conductor 560 interposed therebetween. The conductor 540a and the conductor 540b have the same configuration as the conductor 546 and the conductor 548 described later.

絶縁体581上には、絶縁体582が設けられている。絶縁体582は、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。したがって、絶縁体582には、絶縁体514と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体582には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。 An insulator 582 is provided over the insulator 581. It is preferable that the insulator 582 be formed using a substance having a barrier property to oxygen and hydrogen. Therefore, the same material as the insulator 514 can be used for the insulator 582. For example, for the insulator 582, a metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide is preferably used.

特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ500への混入を防止することができる。また、トランジスタ500を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ500に対する保護膜として用いることに適している。 In particular, aluminum oxide has a high blocking effect on both oxygen and impurities such as hydrogen and moisture which cause a change in electric characteristics of a transistor, without passing through the film. Accordingly, the aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from entering the transistor 500 during and after the manufacturing process of the transistor. Further, release of oxygen from an oxide included in the transistor 500 can be suppressed. Therefore, it is suitable for use as a protective film for the transistor 500.

また、絶縁体582上には、絶縁体586が設けられている。絶縁体586は、絶縁体320と同様の材料を用いることができる。また、比較的誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体586として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。 An insulator 586 is provided over the insulator 582. For the insulator 586, a material similar to that of the insulator 320 can be used. In addition, by using a material having a relatively low dielectric constant as the interlayer film, parasitic capacitance generated between wirings can be reduced. For example, a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, or the like can be used as the insulator 586.

また、絶縁体520、絶縁体522、絶縁体524、絶縁体544、絶縁体580、絶縁体574、絶縁体581、絶縁体582、および絶縁体586には、導電体546、および導電体548等が埋め込まれている。 In addition, the insulator 520, the insulator 522, the insulator 524, the insulator 544, the insulator 580, the insulator 574, the insulator 581, the insulator 582, and the insulator 586 include a conductor 546, a conductor 548, and the like. Is embedded.

導電体546、および導電体548は、容量素子600、トランジスタ500、またはトランジスタ300と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体546、および導電体548は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 The conductor 546 and the conductor 548 each have a function as a plug or a wiring connected to the capacitor 600, the transistor 500, or the transistor 300. The conductor 546 and the conductor 548 can be provided using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.

続いて、トランジスタ500の上方には、容量素子600が設けられている。容量素子600は、導電体610と、導電体620、絶縁体630とを有する。 Subsequently, a capacitor 600 is provided above the transistor 500. The capacitor 600 includes a conductor 610, a conductor 620, and an insulator 630.

また、導電体546、および導電体548上に、導電体612を設けてもよい。導電体612は、トランジスタ500と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体610は、容量素子600の電極としての機能を有する。なお、導電体612、および導電体610は、同時に形成することができる。 Further, the conductor 612 may be provided over the conductor 546 and the conductor 548. The conductor 612 functions as a plug connected to the transistor 500 or a wiring. The conductor 610 has a function as an electrode of the capacitor 600. Note that the conductor 612 and the conductor 610 can be formed at the same time.

導電体612、および導電体610には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜(窒化タンタル膜、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)等を用いることができる。または、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。 The conductor 612 and the conductor 610 each include a metal film containing an element selected from molybdenum, titanium, tantalum, tungsten, aluminum, copper, chromium, neodymium, and scandium, or a metal nitride film containing any of the above elements as components. (A tantalum nitride film, a titanium nitride film, a molybdenum nitride film, a tungsten nitride film) or the like can be used. Alternatively, indium tin oxide, indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, indium tin oxide containing titanium oxide, indium zinc oxide, and silicon oxide are added. Alternatively, a conductive material such as indium tin oxide may be used.

図10では、導電体612、および導電体610は単層構造として示しているが、当該構成に限定されず、2層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、および導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。 In FIG. 10, the conductor 612 and the conductor 610 are illustrated as having a single-layer structure; however, the structure is not limited to this, and a stacked structure including two or more layers may be employed. For example, a conductor having a barrier property and a conductor having high adhesion to a conductor having a high conductivity may be formed between a conductor having a barrier property and a conductor having a high conductivity.

絶縁体630を介して、導電体610と重畳するように、導電体620を設ける。なお、導電体620は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるCu(銅)やAl(アルミニウム)等を用いればよい。 The conductor 620 is provided so as to overlap with the conductor 610 with the insulator 630 interposed therebetween. Note that the conductor 620 can be formed using a conductive material such as a metal material, an alloy material, or a metal oxide material. It is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum, which has both heat resistance and conductivity, and it is particularly preferable to use tungsten. In the case of forming simultaneously with another structure such as a conductor, a low-resistance metal material such as Cu (copper) or Al (aluminum) may be used.

導電体620、および絶縁体630上には、絶縁体650が設けられている。絶縁体650は、絶縁体320と同様の材料を用いて設けることができる。また、絶縁体650は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。 An insulator 650 is provided over the conductor 620 and the insulator 630. The insulator 650 can be provided using a material similar to that of the insulator 320. Further, the insulator 650 may function as a flattening film that covers the uneven shape below the insulator 650.

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

<メモリセル214の構造例>
ここで、本実施の形態に示す半導体装置のトランジスタ500を、上記実施の形態で説明したメモリセル214に適用した場合の断面図を図12に示す。図12には、トランジスタ500a乃至トランジスタ500fが示されており、図12は、トランジスタ500a乃至トランジスタ500fのチャネル長方向の断面図である。
<Structure Example of Memory Cell 214>
Here, FIG. 12 is a cross-sectional view in the case where the transistor 500 of the semiconductor device described in this embodiment is applied to the memory cell 214 described in the above embodiment. FIG. 12 illustrates transistors 500a to 500f, and FIG. 12 is a cross-sectional view of the transistors 500a to 500f in a channel length direction.

なお、図12では、導電体518、導電体386等、同じ構造体が複数あるものは、導電体518a、導電体518b、導電体518c等の符号を付して示している。また、図12において、トランジスタ500a乃至トランジスタ500fを示す点線は、図を見やすくするため、図10で示すトランジスタ500よりも小さく表現している。 Note that in FIG. 12, components having the same structure, such as the conductor 518 and the conductor 386, are denoted by reference numerals such as the conductor 518a, the conductor 518b, and the conductor 518c. In FIG. 12, dotted lines indicating the transistors 500a to 500f are smaller than those of the transistor 500 illustrated in FIG.

また、絶縁体650には、導電体646および導電体648が埋め込まれており、導電体646および導電体648は、導電体546および導電体548と同様の構成であるため、説明は省略する。絶縁体650上には、導電体660が設けられており、導電体660は、導電体612と同様の構成であるため、説明は省略する。 In addition, the conductor 646 and the conductor 648 are embedded in the insulator 650, and the conductor 646 and the conductor 648 have the same structure as the conductor 546 and the conductor 548; A conductor 660 is provided over the insulator 650. The conductor 660 has the same structure as the conductor 612;

図12に示すトランジスタ500aは、メモリセル214におけるトランジスタM21に相当する。以下、同様に、トランジスタ500bはトランジスタM22に相当し、トランジスタ500cはトランジスタM23に相当し、トランジスタ500dはトランジスタM24に相当し、トランジスタ500eはトランジスタM25に相当し、トランジスタ500fはトランジスタM26に相当する。 A transistor 500a illustrated in FIG. 12 corresponds to the transistor M21 in the memory cell 214. Hereinafter, similarly, the transistor 500b corresponds to the transistor M22, the transistor 500c corresponds to the transistor M23, the transistor 500d corresponds to the transistor M24, the transistor 500e corresponds to the transistor M25, and the transistor 500f corresponds to the transistor M26.

導電体518dは、トランジスタ500a乃至トランジスタ500dのバックゲートとしての機能を有する。導電体518dは、配線CALと電気的に接続され、所定の電位が印加される。すなわち、導電体518dと、トランジスタ500a乃至トランジスタ500dのチャネル形成領域、ソース領域、および、ドレイン領域との間には容量が形成される。また、トランジスタ500a乃至トランジスタ500dのソース領域、および、ドレイン領域は、隣接した状態で配置できるため、トランジスタ500a乃至トランジスタ500dの配置面積を小さくできる。 The conductor 518d functions as a back gate of the transistors 500a to 500d. The conductor 518d is electrically connected to the wiring CAL, and a predetermined potential is applied. That is, a capacitor is formed between the conductor 518d and the channel formation region, the source region, and the drain region of the transistors 500a to 500d. Further, since the source region and the drain region of the transistors 500a to 500d can be arranged adjacent to each other, the area for arranging the transistors 500a to 500d can be reduced.

トランジスタ500aのソースまたはドレインの一方は、トランジスタ500fのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、また、導電体546b、導電体548b、導電体612a、導電体548a、導電体546aを介して、トランジスタ500eのゲートと電気的に接続される。すなわち、導電体546b、導電体548b、導電体612a、導電体548a、導電体546aは、ノードSN1に相当する。 One of a source and a drain of the transistor 500a is electrically connected to one of a source and a drain of the transistor 500f, and is connected to the conductor 546b, the conductor 548b, the conductor 612a, the conductor 548a, and the conductor 546a. It is electrically connected to the gate of the transistor 500e. That is, the conductor 546b, the conductor 548b, the conductor 612a, the conductor 548a, and the conductor 546a correspond to the node SN1.

図12に示すように、メモリセル214を構成するトランジスタに、オフ電流が小さいOSトランジスタを用いることで、容量素子C11乃至容量素子C14の容量を小さくできるため、OSトランジスタのバックゲートを容量素子C11乃至容量素子C14の代わりに用いることができる。メモリセル214を、面積の小さなメモリセルとすることができる。 As illustrated in FIG. 12, by using an OS transistor with a small off-state current as a transistor included in the memory cell 214, the capacitance of the capacitors C11 to C14 can be reduced. Alternatively, it can be used instead of the capacitor C14. The memory cell 214 can be a small area memory cell.

<トランジスタの構造例>
なお、本実施の形態に示す半導体装置のトランジスタ500は、上記の構造に限られるものではない。以下、トランジスタ500に用いることができる構造例について説明する。
<Example of transistor structure>
Note that the transistor 500 of the semiconductor device described in this embodiment is not limited to the above structure. Hereinafter, structural examples that can be used for the transistor 500 are described.

<トランジスタの構造例1>
図13(A)、(B)および(C)を用いてトランジスタ510Aの構造例を説明する。図13(A)はトランジスタ510Aの上面図である。図13(B)は、図13(A)に一点鎖線L1−L2で示す部位の断面図である。図13(C)は、図13(A)に一点鎖線W1−W2で示す部位の断面図である。なお、図13(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
<Transistor structure example 1>
An example of the structure of the transistor 510A will be described with reference to FIGS. FIG. 13A is a top view of the transistor 510A. FIG. 13B is a cross-sectional view of a part indicated by a dashed-dotted line L1-L2 in FIG. FIG. 13C is a cross-sectional view of a portion indicated by a dashed-dotted line W1-W2 in FIG. Note that for simplification of the drawing, some components are not illustrated in the top view in FIG.

図13(A)、(B)および(C)では、トランジスタ510Aと、層間膜として機能する絶縁体511、絶縁体512、絶縁体514、絶縁体516、絶縁体580、絶縁体582、および絶縁体584を示している。また、トランジスタ510Aと電気的に接続し、コンタクトプラグとして機能する導電体546(導電体546a、および導電体546b)と、配線として機能する導電体503と、を示している。 In FIGS. 13A, 13B, and 13C, the transistor 510A and an insulator 511, an insulator 512, an insulator 514, an insulator 516, an insulator 580, an insulator 580, an insulator 582, and an insulator functioning as an interlayer film. The body 584 is shown. Further, a conductor 546 (a conductor 546a and a conductor 546b) which is electrically connected to the transistor 510A and functions as a contact plug and a conductor 503 which functions as a wiring are illustrated.

トランジスタ510Aは、第1のゲート電極として機能する導電体560(導電体560a、および導電体560b)と、第2のゲート電極として機能する導電体505(導電体505a、および導電体505b)と、第1のゲート絶縁膜として機能する絶縁体550と、第2のゲート絶縁膜として機能する絶縁体521、絶縁体522、および絶縁体524と、チャネルが形成される領域を有する酸化物530(酸化物530a、酸化物530b、および酸化物530c)と、ソースまたはドレインの一方として機能する導電体542aと、ソースまたはドレインの他方として機能する導電体542bと、絶縁体574とを有する。 The transistor 510A includes a conductor 560 (a conductor 560a and a conductor 560b) functioning as a first gate electrode, a conductor 505 (a conductor 505a and a conductor 505b) functioning as a second gate electrode, An insulator 550 functioning as a first gate insulating film, an insulator 521, an insulator 522, and an insulator 524 functioning as a second gate insulating film, and an oxide 530 including a region where a channel is formed (oxidized An object 530a, an oxide 530b, and an oxide 530c), a conductor 542a functioning as one of a source and a drain, a conductor 542b functioning as the other of the source and the drain, and an insulator 574.

また、図13に示すトランジスタ510Aでは、酸化物530c、絶縁体550、および導電体560が、絶縁体580に設けられた開口部内に、絶縁体574を介して配置される。また、酸化物530c、絶縁体550、および導電体560は、導電体542a、および導電体542bとの間に配置される。 In the transistor 510A illustrated in FIG. 13, the oxide 530c, the insulator 550, and the conductor 560 are provided in an opening provided in the insulator 580 with the insulator 574 interposed therebetween. The oxide 530c, the insulator 550, and the conductor 560 are provided between the conductor 542a and the conductor 542b.

絶縁体511、および絶縁体512は、層間膜として機能する。 The insulator 511 and the insulator 512 function as an interlayer film.

層間膜としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)または(Ba,Sr)TiO(BST)などの絶縁体を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。 As the interlayer film, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ) or (Ba, Sr) An insulator such as TiO 3 (BST) can be used in a single layer or a stacked layer. Alternatively, to these insulators, for example, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, or zirconium oxide may be added. Alternatively, these insulators may be nitrided. Silicon oxide, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked over the above insulator.

例えば、絶縁体511は、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ510Aに混入するのを抑制するバリア膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体511は、水素原子、水素分子、水分子、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する(上記不純物が透過しにくい)絶縁性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一つ)の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい)絶縁性材料を用いることが好ましい。また、例えば、絶縁体511として酸化アルミニウムや窒化シリコンなどを用いてもよい。当該構成により、水素、水などの不純物が絶縁体511よりも基板側からトランジスタ510A側に拡散するのを抑制することができる。 For example, the insulator 511 preferably functions as a barrier film for preventing impurities such as water or hydrogen from entering the transistor 510A from the substrate side. Therefore, it is preferable that the insulator 511 be formed using an insulating material which has a function of suppressing diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, and copper atoms (the impurities are hardly transmitted). Alternatively, it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing diffusion of oxygen (for example, at least one of oxygen atoms and oxygen molecules) (the above-described oxygen is not easily transmitted). Further, for example, aluminum oxide, silicon nitride, or the like may be used for the insulator 511. With such a structure, impurities such as hydrogen and water can be suppressed from being diffused from the substrate side of the insulator 511 to the transistor 510A side.

例えば、絶縁体512は、絶縁体511よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。 For example, the insulator 512 preferably has a lower dielectric constant than the insulator 511. By using a material having a low dielectric constant as an interlayer film, parasitic capacitance generated between wirings can be reduced.

導電体503は、絶縁体512に埋め込まれるように形成される。ここで、導電体503の上面の高さと、絶縁体512の上面の高さは同程度にできる。なお導電体503は、単層とする構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体503を2層以上の多層膜構造としてもよい。なお、導電体503は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性が高い導電性材料を用いることが好ましい。 The conductor 503 is formed so as to be embedded in the insulator 512. Here, the height of the upper surface of the conductor 503 and the height of the upper surface of the insulator 512 can be approximately the same. Note that the conductor 503 has a single-layer structure, but the present invention is not limited to this. For example, the conductor 503 may have a multilayer structure of two or more layers. Note that the conductor 503 is preferably formed using a highly conductive material mainly containing tungsten, copper, or aluminum.

トランジスタ510Aにおいて、導電体560は、第1のゲート(トップゲートともいう)電極として機能する場合がある。また、導電体505は、第2のゲート(ボトムゲートともいう)電極として機能する場合がある。その場合、導電体505に印加する電位を、導電体560に印加する電位と連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ510Aの閾値電圧を制御することができる。特に、導電体505に負の電位を印加することにより、トランジスタ510Aの閾値電圧を0Vより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体505に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体560に印加する電位が0Vのときのドレイン電流を小さくすることができる。 In the transistor 510A, the conductor 560 may function as a first gate (also referred to as a top gate) electrode in some cases. In some cases, the conductor 505 functions as a second gate (also referred to as a bottom gate) electrode. In that case, the threshold voltage of the transistor 510A can be controlled by changing the potential applied to the conductor 505 independently of the potential applied to the conductor 560 without changing the potential. In particular, by applying a negative potential to the conductor 505, the threshold voltage of the transistor 510A can be made higher than 0 V and the off-state current can be reduced. Therefore, when a negative potential is applied to the conductor 505, the drain current when the potential applied to the conductor 560 is 0 V can be smaller than when no potential is applied.

また、例えば、導電体505と、導電体560とを重畳して設けることで、導電体560、および導電体505に電位を印加した場合、導電体560から生じる電界と、導電体505から生じる電界と、がつながり、酸化物530に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。 For example, when a potential is applied to the conductor 560 and the conductor 505 by providing the conductor 505 and the conductor 560 so as to overlap with each other, an electric field generated from the conductor 560 and an electric field generated from the conductor 505 are provided. And are connected to each other, so that a channel formation region formed in the oxide 530 can be covered.

つまり、第1のゲート電極としての機能を有する導電体560の電界と、第2のゲート電極としての機能を有する導電体505の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。本明細書において、第1のゲート電極、および第2のゲート電極の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、surrounded channel(S−channel)構造とよぶ。 That is, the channel formation region can be electrically surrounded by the electric field of the conductor 560 having a function as the first gate electrode and the electric field of the conductor 505 having a function of the second gate electrode. In this specification, a structure of a transistor which electrically surrounds a channel formation region by an electric field of a first gate electrode and a second gate electrode is referred to as a surrounded channel (S-channel) structure.

絶縁体514、および絶縁体516は、絶縁体511または絶縁体512と同様に、層間膜として機能する。例えば、絶縁体514は、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ510Aに混入するのを抑制するバリア膜として機能することが好ましい。当該構成により、水素、水などの不純物が絶縁体514よりも基板側からトランジスタ510A側に拡散するのを抑制することができる。また、例えば、絶縁体516は、絶縁体514よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。 The insulator 514 and the insulator 516 each function as an interlayer film, similarly to the insulator 511 or the insulator 512. For example, the insulator 514 preferably functions as a barrier film for preventing impurities such as water or hydrogen from entering the transistor 510A from the substrate side. With such a structure, diffusion of impurities such as hydrogen and water from the substrate to the transistor 510A relative to the insulator 514 can be suppressed. For example, the insulator 516 preferably has a lower dielectric constant than the insulator 514. By using a material having a low dielectric constant as an interlayer film, parasitic capacitance generated between wirings can be reduced.

第2のゲートとして機能する導電体505は、絶縁体514および絶縁体516の開口の内壁に接して導電体505aが形成され、さらに内側に導電体505bが形成されている。ここで、導電体505aおよび導電体505bの上面の高さと、絶縁体516の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ510Aでは、導電体505aおよび導電体505bを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体505は、単層、または3層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。 In the conductor 505 functioning as a second gate, a conductor 505a is formed in contact with the inner walls of the openings of the insulators 514 and 516, and a conductor 505b is formed further inside. Here, the heights of the top surfaces of the conductors 505a and 505b and the top surface of the insulator 516 can be approximately the same. Note that although the transistor 510A has a structure in which the conductor 505a and the conductor 505b are stacked, the present invention is not limited to this. For example, the conductor 505 may have a single-layer structure or a stacked structure of three or more layers.

ここで、導電体505aは、水素原子、水素分子、水分子、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する(上記不純物が透過しにくい)導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一つ)の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい)導電性材料を用いることが好ましい。なお、本明細書において、不純物、または酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、または上記酸素のいずれか一つ、または、すべての拡散を抑制する機能とする。 Here, it is preferable that the conductor 505a be formed using a conductive material having a function of suppressing diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, and copper atoms (the impurities are difficult to transmit). Alternatively, it is preferable to use a conductive material which has a function of suppressing diffusion of oxygen (for example, at least one of oxygen atoms and oxygen molecules) (the oxygen is hardly permeated). Note that in this specification, the function of suppressing diffusion of an impurity or oxygen refers to a function of suppressing the diffusion of one or all of the impurity or the oxygen.

例えば、導電体505aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体505bが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。 For example, when the conductor 505a has a function of suppressing diffusion of oxygen, it is possible to prevent the conductor 505b from being oxidized and the conductivity being reduced.

また、導電体505が配線の機能を兼ねる場合、導電体505bは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする、導電性が高い導電性材料を用いることが好ましい。その場合、導電体503は、必ずしも設けなくともよい。なお、導電体505bを単層で図示したが、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。 In the case where the conductor 505 also functions as a wiring, the conductor 505b is preferably formed using a conductive material having high conductivity and mainly containing tungsten, copper, or aluminum. In that case, the conductor 503 is not necessarily provided. Although the conductor 505b is illustrated as a single layer, the conductor 505b may have a stacked structure, for example, a stacked layer of titanium or titanium nitride and the above conductive material.

絶縁体521、絶縁体522、および絶縁体524は、第2のゲート絶縁膜としての機能を有する。 The insulator 521, the insulator 522, and the insulator 524 have a function as a second gate insulating film.

また、絶縁体522は、バリア性を有することが好ましい。絶縁体522がバリア性を有することで、トランジスタ510Aの周辺部からトランジスタ510Aへの水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。 Further, the insulator 522 preferably has a barrier property. When the insulator 522 has a barrier property, the insulator 522 functions as a layer for preventing impurities such as hydrogen from entering the transistor 510A from the periphery of the transistor 510A.

絶縁体522は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)または(Ba,Sr)TiO(BST)などのいわゆるhigh−k材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁膜として機能する絶縁体にhigh−k材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。 The insulator 522 is formed using, for example, aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ), or ( An insulator containing a so-called high-k material such as Ba, Sr) TiO 3 (BST) is preferably used in a single layer or a stacked layer. As the size of a transistor is reduced and the degree of integration is increased, a problem such as a leak current may occur due to a reduction in the thickness of a gate insulating film. With the use of a high-k material for an insulator functioning as a gate insulating film, reduction in gate potential at the time of transistor operation can be performed while the physical thickness is maintained.

また、絶縁体521は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、好適である。また、high−k材料の絶縁体を酸化シリコン、または酸化窒化シリコンと組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造の絶縁体521を得ることができる。 Further, the insulator 521 is preferably thermally stable. For example, silicon oxide and silicon oxynitride are preferable because they are thermally stable. In addition, by combining an insulator of a high-k material with silicon oxide or silicon oxynitride, an insulator 521 having a stacked structure that is thermally stable and has a high relative dielectric constant can be obtained.

なお、図13には、第2のゲート絶縁膜として、3層の積層構造を示したが、単層、または2層以上の積層構造としてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。 Note that FIG. 13 illustrates a stacked structure of three layers as the second gate insulating film; however, a single layer or a stacked structure of two or more layers may be used. In that case, the structure is not limited to a laminated structure made of the same material, and may be a laminated structure made of different materials.

チャネル形成領域として機能する領域を有する酸化物530は、酸化物530aと、酸化物530a上の酸化物530bと、酸化物530b上の酸化物530cと、を有する。酸化物530b下に酸化物530aを有することで、酸化物530aよりも下方に形成された構造物から、酸化物530bへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物530b上に酸化物530cを有することで、酸化物530cよりも上方に形成された構造物から、酸化物530bへの不純物の拡散を抑制することができる。酸化物530として、上述した金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いることができる。 The oxide 530 including a region functioning as a channel formation region includes an oxide 530a, an oxide 530b over the oxide 530a, and an oxide 530c over the oxide 530b. When the oxide 530a is provided below the oxide 530b, diffusion of impurities from a structure formed below the oxide 530a to the oxide 530b can be suppressed. In addition, when the oxide 530c is provided over the oxide 530b, diffusion of impurities from a structure formed above the oxide 530c to the oxide 530b can be suppressed. As the oxide 530, an oxide semiconductor which is one of the above-described metal oxides can be used.

なお、酸化物530cは、絶縁体580に設けられた開口部内に、絶縁体574を介して設けられることが好ましい。絶縁体574がバリア性を有する場合、絶縁体580からの不純物が酸化物530へと拡散することを抑制することができる。 Note that the oxide 530c is preferably provided in the opening provided in the insulator 580 with the insulator 574 interposed therebetween. In the case where the insulator 574 has a barrier property, diffusion of impurities from the insulator 580 to the oxide 530 can be suppressed.

導電体542は、一方がソース電極として機能し、他方がドレイン電極として機能する。 One of the conductors 542 functions as a source electrode, and the other functions as a drain electrode.

導電体542aと、導電体542bとは、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンなどの金属、またはこれを主成分とする合金を用いることができる。特に、窒化タンタルなどの金属窒化物膜は、水素または酸素に対するバリア性があり、また、耐酸化性が高いため、好ましい。 As the conductor 542a and the conductor 542b, a metal such as aluminum, titanium, chromium, nickel, copper, yttrium, zirconium, molybdenum, silver, tantalum, or tungsten, or an alloy containing this as a main component can be used. . In particular, a metal nitride film such as tantalum nitride is preferable because it has a barrier property against hydrogen or oxygen and has high oxidation resistance.

また、図13では単層構造を示したが、2層以上の積層構造としてもよい。例えば、窒化タンタル膜とタングステン膜を積層するとよい。また、チタン膜とアルミニウム膜を積層してもよい。また、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造としてもよい。 Although FIG. 13 shows a single-layer structure, a stacked structure of two or more layers may be used. For example, a tantalum nitride film and a tungsten film may be stacked. Further, a titanium film and an aluminum film may be stacked. In addition, a two-layer structure in which an aluminum film is stacked on a tungsten film, a two-layer structure in which a copper film is stacked on a copper-magnesium-aluminum alloy film, a two-layer structure in which a copper film is stacked on a titanium film, and A two-layer structure in which copper films are stacked may be employed.

また、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。 Further, a titanium film or a titanium nitride film, a three-layer structure in which an aluminum film or a copper film is stacked over the titanium film or the titanium nitride film, and a titanium film or a titanium nitride film is further formed thereon, a molybdenum film or There is a three-layer structure in which a molybdenum nitride film, an aluminum film or a copper film are stacked over the molybdenum film or the molybdenum nitride film, and a molybdenum film or a molybdenum nitride film is formed thereover. Note that a transparent conductive material containing indium oxide, tin oxide, or zinc oxide may be used.

また、導電体542上に、バリア層を設けてもよい。バリア層は、酸素、または水素に対してバリア性を有する物質を用いることが好ましい。当該構成により、絶縁体574を成膜する際に、導電体542が酸化することを抑制することができる。 Further, a barrier layer may be provided over the conductor 542. For the barrier layer, a substance having a barrier property to oxygen or hydrogen is preferably used. With this structure, oxidation of the conductor 542 can be suppressed when the insulator 574 is formed.

バリア層には、例えば、金属酸化物を用いることができる。特に、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムなどの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。また、CVD法で形成した窒化シリコンを用いてもよい。 For example, a metal oxide can be used for the barrier layer. In particular, it is preferable to use an insulating film having a barrier property to oxygen and hydrogen, such as aluminum oxide, hafnium oxide, and gallium oxide. Alternatively, silicon nitride formed by a CVD method may be used.

バリア層を有することで、導電体542の材料選択の幅を広げることができる。例えば、導電体542に、タングステンや、アルミニウムなどの耐酸化性が低い一方で導電性が高い材料を用いることができる。また、例えば、成膜、または加工がしやすい導電体を用いることができる。 With the barrier layer, the range of choice of the material of the conductor 542 can be increased. For example, a material having low oxidation resistance and high conductivity such as tungsten or aluminum can be used for the conductor 542. Alternatively, for example, a conductor which can be easily formed or processed can be used.

絶縁体550は、第1のゲート絶縁膜として機能する。絶縁体550は、絶縁体580に設けられた開口部内に、酸化物530c、および絶縁体574を介して設けられることが好ましい。 The insulator 550 functions as a first gate insulating film. The insulator 550 is preferably provided in the opening provided in the insulator 580 with the oxide 530c and the insulator 574 interposed therebetween.

トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。その場合、絶縁体550は、第2のゲート絶縁膜と同様に、積層構造としてもよい。ゲート絶縁膜として機能する絶縁体を、high−k材料と、熱的に安定している材料との積層構造とすることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。また、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。 As the size of a transistor is reduced and the degree of integration is increased, a problem such as a leak current may occur due to a reduction in the thickness of a gate insulating film. In that case, the insulator 550 may have a stacked structure as in the case of the second gate insulating film. By forming the insulator functioning as a gate insulating film into a stacked structure of a high-k material and a thermally stable material, the gate potential during transistor operation can be reduced while maintaining the physical thickness. Becomes Further, a laminated structure which is thermally stable and has a high relative dielectric constant can be obtained.

第1のゲート電極として機能する導電体560は、導電体560a、および導電体560a上の導電体560bを有する。導電体560aは、導電体505aと同様に、水素原子、水素分子、水分子、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一つ)の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。 The conductor 560 functioning as a first gate electrode includes a conductor 560a and a conductor 560b over the conductor 560a. Like the conductor 505a, the conductor 560a is preferably formed using a conductive material having a function of suppressing diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, and copper atoms. Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing diffusion of oxygen (for example, at least one of an oxygen atom and an oxygen molecule).

導電体560aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体560bの材料選択性を向上することができる。つまり、導電体560aを有することで、導電体560bの酸化が抑制され、導電率が低下することを防止することができる。 When the conductor 560a has a function of suppressing oxygen diffusion, material selectivity of the conductor 560b can be improved. That is, by having the conductor 560a, oxidation of the conductor 560b can be suppressed, and a decrease in conductivity can be prevented.

酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、導電体560aとして、酸化物530として用いることができる酸化物半導体を用いることができる。その場合、導電体560bをスパッタリング法で成膜することで、導電体560aの電気抵抗値を低下させて導電体とすることができる。これをOC(Oxide Conductor)電極と呼ぶことができる。 As the conductive material having a function of suppressing diffusion of oxygen, for example, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, ruthenium oxide, or the like is preferably used. Alternatively, an oxide semiconductor that can be used as the oxide 530 can be used as the conductor 560a. In that case, by forming the conductor 560b by a sputtering method, the electric resistance of the conductor 560a can be reduced to be a conductor. This can be called an OC (Oxide Conductor) electrode.

導電体560bは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体560は、配線として機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体560bは積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。 The conductor 560b is preferably formed using a conductive material mainly containing tungsten, copper, or aluminum. In addition, since the conductor 560 functions as a wiring, a conductor with high conductivity is preferably used. For example, a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component can be used. Further, the conductor 560b may have a stacked structure, for example, a stacked structure of titanium, titanium nitride, and the above conductive material.

絶縁体580と、トランジスタ510Aとの間に絶縁体574を配置する。絶縁体574は、水または水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。また、他にも、例えば、酸化マグネシウム、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、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。 An insulator 574 is provided between the insulator 580 and the transistor 510A. The insulator 574 is preferably formed using an insulating material having a function of suppressing diffusion of impurities such as water or hydrogen and oxygen. For example, it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, or the like. In addition, for example, a metal oxide such as magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, or tantalum oxide, silicon nitride oxide, or silicon nitride can be used.

絶縁体574を有することで、絶縁体580が有する水、および水素などの不純物が酸化物530c、絶縁体550を介して、酸化物530bに拡散することを抑制することができる。また、絶縁体580が有する過剰酸素により、導電体560が酸化するのを抑制することができる。 With the insulator 574, diffusion of impurities such as water and hydrogen included in the insulator 580 to the oxide 530b through the oxide 530c and the insulator 550 can be suppressed. Further, oxidation of the conductor 560 due to excess oxygen included in the insulator 580 can be suppressed.

絶縁体580、絶縁体582、および絶縁体584は、層間膜として機能する。 The insulator 580, the insulator 582, and the insulator 584 function as an interlayer film.

絶縁体582は、絶縁体514と同様に、水または水素などの不純物が、外部からトランジスタ510Aに混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。 Like the insulator 514, the insulator 582 preferably functions as a barrier insulating film for preventing impurities such as water or hydrogen from entering the transistor 510A from the outside.

また、絶縁体580、および絶縁体584は、絶縁体516と同様に、絶縁体582よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。 In addition, the insulator 580 and the insulator 584 preferably have a lower dielectric constant than the insulator 582, similarly to the insulator 516. By using a material having a low dielectric constant as an interlayer film, parasitic capacitance generated between wirings can be reduced.

また、トランジスタ510Aは、絶縁体580、絶縁体582、および絶縁体584に埋め込まれた導電体546などのプラグや配線を介して、他の構造と電気的に接続してもよい。 Further, the transistor 510A may be electrically connected to another structure through a plug or a wiring such as the conductor 546 embedded in the insulator 580, the insulator 582, and the insulator 584.

また、導電体546の材料としては、導電体505と同様に、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。例えば、耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。 As the material of the conductor 546, a single layer or a stacked layer of a conductive material such as a metal material, an alloy material, a metal nitride material, or a metal oxide material can be used as in the case of the conductor 505. . For example, it is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum, which has both heat resistance and conductivity. Alternatively, it is preferable to use a low-resistance conductive material such as aluminum or copper. By using a low-resistance conductive material, wiring resistance can be reduced.

例えば、導電体546として、水素、および酸素に対してバリア性を有する導電体である窒化タンタル等と、導電性が高いタングステンとの積層構造を用いることで、配線としての導電性を保持したまま、外部からの不純物の拡散を抑制することができる。 For example, by using a stacked structure of tantalum nitride or the like, which is a conductor having a barrier property against hydrogen and oxygen, and tungsten with high conductivity as the conductor 546, the conductivity as a wiring is maintained. In addition, diffusion of impurities from the outside can be suppressed.

上記構造を有することで、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。 With the above structure, a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor with high on-state current can be provided. Alternatively, a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor with low off-state current can be provided. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device in which fluctuation in electric characteristics is suppressed, stable electric characteristics are improved, and reliability is improved.

<トランジスタの構造例2>
図14(A)、(B)および(C)を用いてトランジスタ510Bの構造例を説明する。図14(A)はトランジスタ510Bの上面図である。図14(B)は、図14(A)に一点鎖線L1−L2で示す部位の断面図である。図14(C)は、図14(A)に一点鎖線W1−W2で示す部位の断面図である。なお、図14(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
<Transistor structural example 2>
A structural example of the transistor 510B will be described with reference to FIGS. FIG. 14A is a top view of the transistor 510B. FIG. 14B is a cross-sectional view of a part indicated by a dashed-dotted line L1-L2 in FIG. FIG. 14C is a cross-sectional view of a portion indicated by a dashed-dotted line W1-W2 in FIG. Note that for simplification of the drawing, some components are not illustrated in the top view in FIG.

トランジスタ510Bはトランジスタ510Aの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ510Aと異なる点について説明する。 The transistor 510B is a modification example of the transistor 510A. Therefore, in order to prevent the description from being repeated, points different from the transistor 510A will be mainly described.

トランジスタ510Bは、導電体542(導電体542a、および導電体542b)と、酸化物530c、絶縁体550、および導電体560と、が重畳する領域を有する。当該構造とすることで、オン電流が高いトランジスタを提供することができる。また、制御性が高いトランジスタを提供することができる。 The transistor 510B includes a region where the conductor 542 (the conductor 542a and the conductor 542b) overlaps with the oxide 530c, the insulator 550, and the conductor 560. With such a structure, a transistor with high on-state current can be provided. Further, a transistor with high controllability can be provided.

第1のゲート電極として機能する導電体560は、導電体560a、および導電体560a上の導電体560bを有する。導電体560aは、導電体505aと同様に、水素原子、水素分子、水分子、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一つ)の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。 The conductor 560 functioning as a first gate electrode includes a conductor 560a and a conductor 560b over the conductor 560a. Like the conductor 505a, the conductor 560a is preferably formed using a conductive material having a function of suppressing diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, and copper atoms. Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing diffusion of oxygen (for example, at least one of an oxygen atom and an oxygen molecule).

導電体560aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体560bの材料選択性を向上することができる。つまり、導電体560aを有することで、導電体560bの酸化が抑制され、導電率が低下することを防止することができる。 When the conductor 560a has a function of suppressing oxygen diffusion, material selectivity of the conductor 560b can be improved. That is, by having the conductor 560a, oxidation of the conductor 560b can be suppressed, and a decrease in conductivity can be prevented.

また、導電体560の上面および側面、絶縁体550の側面、および酸化物530cの側面を覆うように、絶縁体574を設けることが好ましい。なお、絶縁体574は、水または水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。また、他にも、例えば、酸化マグネシウム、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、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。 Further, the insulator 574 is preferably provided so as to cover the top surface and the side surface of the conductor 560, the side surface of the insulator 550, and the side surface of the oxide 530c. Note that the insulator 574 may be formed using an insulating material having a function of suppressing diffusion of impurities such as water or hydrogen and oxygen. For example, it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, or the like. In addition, for example, a metal oxide such as magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, or tantalum oxide, silicon nitride oxide, or silicon nitride can be used.

絶縁体574を設けることで、導電体560の酸化を抑制することができる。また、絶縁体574を有することで、絶縁体580が有する水、および水素などの不純物がトランジスタ510Bへ拡散することを抑制することができる。 By providing the insulator 574, oxidation of the conductor 560 can be suppressed. Further, with the use of the insulator 574, diffusion of impurities such as water and hydrogen included in the insulator 580 to the transistor 510B can be suppressed.

また、導電体546と、絶縁体580との間に、バリア性を有する絶縁体576(絶縁体576a、および絶縁体576b)を配置してもよい。絶縁体576を設けることで、絶縁体580の酸素が導電体546と反応し、導電体546が酸化することを抑制することができる。 In addition, an insulator 576 having a barrier property (an insulator 576a and an insulator 576b) may be provided between the conductor 546 and the insulator 580. With the provision of the insulator 576, oxygen in the insulator 580 reacts with the conductor 546 and oxidation of the conductor 546 can be suppressed.

また、バリア性を有する絶縁体576を設けることで、プラグや配線に用いられる導電体の材料選択の幅を広げることができる。例えば、導電体546に、酸素を吸収する性質を持つ一方で、導電性が高い金属材料を用いることで、低消費電力の半導体装置を提供することができる。具体的には、タングステンや、アルミニウムなどの耐酸化性が低い一方で導電性が高い材料を用いることができる。また、例えば、成膜、または加工がしやすい導電体を用いることができる。 In addition, by providing the insulator 576 having a barrier property, the range of selection of a material of a conductor used for a plug or a wiring can be increased. For example, by using a metal material having high conductivity while absorbing oxygen for the conductor 546, a semiconductor device with low power consumption can be provided. Specifically, a material having high conductivity while having low oxidation resistance, such as tungsten or aluminum, can be used. Alternatively, for example, a conductor which can be easily formed or processed can be used.

<トランジスタの構造例3>
図15(A)、(B)および(C)を用いてトランジスタ510Cの構造例を説明する。図15(A)はトランジスタ510Cの上面図である。図15(B)は、図15(A)に一点鎖線L1−L2で示す部位の断面図である。図15(C)は、図15(A)に一点鎖線W1−W2で示す部位の断面図である。なお、図15(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
<Transistor structural example 3>
An example of the structure of the transistor 510C will be described with reference to FIGS. FIG. 15A is a top view of the transistor 510C. FIG. 15B is a cross-sectional view of a portion indicated by a dashed-dotted line L1-L2 in FIG. FIG. 15C is a cross-sectional view of a part indicated by a dashed-dotted line W1-W2 in FIG. Note that for simplification of the drawing, some components are not illustrated in the top view in FIG.

トランジスタ510Cはトランジスタ510Aの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ510Aと異なる点について説明する。 The transistor 510C is a modification example of the transistor 510A. Therefore, in order to prevent the description from being repeated, points different from the transistor 510A will be mainly described.

図15に示すトランジスタ510Cは、導電体542aと酸化物530bの間に導電体547aが配置され、導電体542bと酸化物530bの間に導電体547bが配置されている。ここで、導電体542a(導電体542b)は、導電体547a(導電体547b)の上面および導電体560側の側面を越えて延在し、酸化物530bの上面に接する領域を有する。ここで、導電体547は、導電体542に用いることができる導電体を用いればよい。さらに、導電体547の膜厚は、少なくとも導電体542より厚いことが好ましい。 In the transistor 510C illustrated in FIG. 15, the conductor 547a is provided between the conductor 542a and the oxide 530b, and the conductor 547b is provided between the conductor 542b and the oxide 530b. Here, the conductor 542a (conductor 542b) extends beyond the upper surface of the conductor 547a (conductor 547b) and the side surface on the conductor 560 side, and has a region in contact with the upper surface of the oxide 530b. Here, as the conductor 547, a conductor which can be used for the conductor 542 may be used. Further, the thickness of the conductor 547 is preferably at least larger than that of the conductor 542.

図15に示すトランジスタ510Cは、上記のような構成を有することにより、トランジスタ510Aよりも、導電体542を導電体560に近づけることができる。または、導電体542aの端部および導電体542bの端部と、導電体560を重ねることができる。これにより、トランジスタ510Cの実質的なチャネル長を短くし、オン電流および周波数特性の向上を図ることができる。 With the above structure, the transistor 510C illustrated in FIG. 15 can have the conductor 542 closer to the conductor 560 than the transistor 510A. Alternatively, the conductor 560 can overlap with an end portion of the conductor 542a and an end portion of the conductor 542b. Thus, the substantial channel length of the transistor 510C can be reduced, and on-state current and frequency characteristics can be improved.

また、導電体547a(導電体547b)は、導電体542a(導電体542b)と重畳して設けられることが好ましい。このような構成にすることで、導電体546a(導電体546b)を埋め込む開口を形成するエッチングにおいて、導電体547a(導電体547b)がストッパとして機能し、酸化物530bがオーバーエッチングされるのを防ぐことができる。 Further, the conductor 547a (the conductor 547b) is preferably provided so as to overlap with the conductor 542a (the conductor 542b). With such a structure, in the etching for forming the opening in which the conductor 546a (the conductor 546b) is formed, the conductor 547a (the conductor 547b) functions as a stopper and the oxide 530b is not over-etched. Can be prevented.

また、図15に示すトランジスタ510Cは、絶縁体544の上に接して絶縁体545を配置する構成にしてもよい。絶縁体544としては、水または水素などの不純物や、過剰な酸素が、絶縁体580側からトランジスタ510Cに混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。絶縁体545としては、絶縁体544に用いることができる絶縁体を用いることができる。また、絶縁体544としては、例えば、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムチタン、窒化チタン、窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンなどの、窒化物絶縁体を用いてもよい。 The transistor 510C illustrated in FIG. 15 may have a structure in which the insulator 545 is provided in contact with the insulator 544. It is preferable that the insulator 544 function as a barrier insulating film for preventing impurities such as water or hydrogen and excess oxygen from entering the transistor 510C from the insulator 580 side. As the insulator 545, an insulator that can be used for the insulator 544 can be used. Further, as the insulator 544, a nitride insulator such as aluminum nitride, aluminum titanium nitride, titanium nitride, silicon nitride, or silicon nitride oxide may be used, for example.

また、図15に示すトランジスタ510Cは、図13に示すトランジスタ510Aと異なり、導電体505を単層構造で設けてもよい。この場合、パターン形成された導電体505の上に絶縁体516となる絶縁膜を成膜し、当該絶縁膜の上部を、導電体505の上面が露出するまでCMP法などを用いて除去すればよい。ここで、導電体505の上面の平坦性を良好にすることが好ましい。例えば、導電体505上面の平均面粗さ(Ra)を1nm以下、好ましくは0.5nm以下、より好ましくは0.3nm以下にすればよい。これにより、導電体505の上に形成される、絶縁層の平坦性を良好にし、酸化物530bおよび酸化物530cの結晶性の向上を図ることができる。 Further, the transistor 510C illustrated in FIG. 15 may be different from the transistor 510A illustrated in FIG. 13 in that the conductor 505 has a single-layer structure. In this case, an insulating film serving as the insulator 516 is formed over the patterned conductor 505, and the upper portion of the insulating film is removed by a CMP method or the like until the upper surface of the conductor 505 is exposed. Good. Here, it is preferable that the flatness of the upper surface of the conductor 505 be improved. For example, the average surface roughness (Ra) of the upper surface of the conductor 505 may be 1 nm or less, preferably 0.5 nm or less, more preferably 0.3 nm or less. Accordingly, planarity of the insulating layer formed over the conductor 505 can be improved and crystallinity of the oxides 530b and 530c can be improved.

<トランジスタの構造例4>
図16(A)、(B)および(C)を用いてトランジスタ510Dの構造例を説明する。図16(A)はトランジスタ510Dの上面図である。図16(B)は、図16(A)に一点鎖線L1−L2で示す部位の断面図である。図16(C)は、図16(A)に一点鎖線W1−W2で示す部位の断面図である。なお、図16(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
<Transistor structural example 4>
An example of the structure of the transistor 510D is described with reference to FIGS. 16A, 16B, and 16C. FIG. 16A is a top view of the transistor 510D. FIG. 16B is a cross-sectional view of a part indicated by a dashed-dotted line L1-L2 in FIG. FIG. 16C is a cross-sectional view of a part indicated by a dashed-dotted line W1-W2 in FIG. Note that for simplification of the drawing, some components are not illustrated in the top view in FIG.

トランジスタ510Dは上記トランジスタの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主に上記トランジスタと異なる点について説明する。 The transistor 510D is a modification example of the above transistor. Therefore, in order to prevent repetition of the description, points different from the above transistor are mainly described.

図16(A)乃至(C)では、導電体503を設けずに、第2のゲートとしての機能を有する導電体505を配線としても機能させている。また、酸化物530c上に絶縁体550を有し、絶縁体550上に金属酸化物552を有する。また、金属酸化物552上に導電体560を有し、導電体560上に絶縁体570を有する。また、絶縁体570上に絶縁体571を有する。 In FIGS. 16A to 16C, the conductor 505 having a function as a second gate also functions as a wiring without providing the conductor 503. Further, the insulator 550 is provided over the oxide 530c and the metal oxide 552 is provided over the insulator 550. Further, the conductor 560 is provided over the metal oxide 552 and the insulator 570 is provided over the conductor 560. Further, an insulator 571 is provided over the insulator 570.

金属酸化物552は、酸素拡散を抑制する機能を有することが好ましい。絶縁体550と、導電体560との間に、酸素の拡散を抑制する金属酸化物552を設けることで、導電体560への酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物530へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、酸素による導電体560の酸化を抑制することができる。 The metal oxide 552 preferably has a function of suppressing oxygen diffusion. By providing the metal oxide 552 for suppressing diffusion of oxygen between the insulator 550 and the conductor 560, diffusion of oxygen to the conductor 560 is suppressed. That is, a decrease in the amount of oxygen supplied to the oxide 530 can be suppressed. Further, oxidation of the conductor 560 by oxygen can be suppressed.

なお、金属酸化物552は、第1のゲートの一部としての機能を有してもよい。例えば、酸化物530として用いることができる酸化物半導体を、金属酸化物552として用いることができる。その場合、導電体560をスパッタリング法で成膜することで、金属酸化物552の電気抵抗値を低下させて導電層とすることができる。これをOC(Oxide Conductor)電極と呼ぶことができる。 Note that the metal oxide 552 may have a function as part of the first gate. For example, an oxide semiconductor that can be used as the oxide 530 can be used as the metal oxide 552. In that case, by forming the conductor 560 by a sputtering method, the electric resistance of the metal oxide 552 can be reduced and the metal oxide 552 can be formed as a conductive layer. This can be called an OC (Oxide Conductor) electrode.

また、金属酸化物552は、ゲート絶縁膜の一部としての機能を有する場合がある。したがって、絶縁体550に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、金属酸化物552は、比誘電率が高いhigh−k材料である金属酸化物を用いることが好ましい。当該積層構造とすることで、熱に対して安定、かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。したがって、物理膜厚を保持したまま、トランジスタ動作時に印加するゲート電位の低減化が可能となる。また、ゲート絶縁膜として機能する絶縁層の等価酸化膜厚(EOT)の薄膜化が可能となる。 Further, the metal oxide 552 may have a function as part of the gate insulating film in some cases. Therefore, in the case where silicon oxide, silicon oxynitride, or the like is used for the insulator 550, the metal oxide 552 is preferably a high-k metal oxide having a high relative dielectric constant. With such a stacked structure, a stacked structure which is stable against heat and has a high relative dielectric constant can be obtained. Therefore, it is possible to reduce the gate potential applied during the operation of the transistor while maintaining the physical film thickness. Further, the equivalent oxide thickness (EOT) of the insulating layer functioning as a gate insulating film can be reduced.

トランジスタ510Dにおいて、金属酸化物552を単層で示したが、2層以上の積層構造としてもよい。例えば、ゲート電極の一部として機能する金属酸化物と、ゲート絶縁膜の一部として機能する金属酸化物とを積層して設けてもよい。 In the transistor 510D, the metal oxide 552 is illustrated as a single layer; however, a stacked structure including two or more layers may be used. For example, a metal oxide functioning as part of a gate electrode and a metal oxide functioning as part of a gate insulating film may be stacked.

金属酸化物552を有することで、ゲート電極として機能する場合は、導電体560からの電界の影響を弱めることなく、トランジスタ510Dのオン電流の向上を図ることができる。または、ゲート絶縁膜として機能する場合は、絶縁体550と、金属酸化物552との物理的な厚みにより、導電体560と、酸化物530との間の距離を保つことで、導電体560と酸化物530との間のリーク電流を抑制することができる。従って、絶縁体550、および金属酸化物552との積層構造を設けることで、導電体560と酸化物530との間の物理的な距離、および導電体560から酸化物530へかかる電界強度を、容易に適宜調整することができる。 When the metal oxide 552 functions as a gate electrode, the on-state current of the transistor 510D can be improved without weakening the influence of an electric field from the conductor 560. Alternatively, in the case of functioning as a gate insulating film, the distance between the conductor 560 and the oxide 530 is maintained by the physical thickness of the insulator 550 and the metal oxide 552, so that Leakage current with the oxide 530 can be suppressed. Therefore, by providing a stacked structure of the insulator 550 and the metal oxide 552, the physical distance between the conductor 560 and the oxide 530 and the electric field strength applied from the conductor 560 to the oxide 530 can be reduced. It can be easily adjusted appropriately.

具体的には、金属酸化物552として、酸化物530に用いることができる酸化物半導体を低抵抗化することで、金属酸化物552として用いることができる。または、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。 Specifically, an oxide semiconductor that can be used for the oxide 530 is reduced in resistance as the metal oxide 552, so that the oxide semiconductor can be used as the metal oxide 552. Alternatively, a metal oxide containing one kind or two or more kinds selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, magnesium, or the like can be used.

特に、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁層である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱履歴において、結晶化しにくいため好ましい。なお、金属酸化物552は、必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。 In particular, it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), which is an insulating layer containing one or both oxides of aluminum and hafnium. In particular, hafnium aluminate has higher heat resistance than a hafnium oxide film. Therefore, it is preferable because it is difficult to crystallize in a heat history in a later step. Note that the metal oxide 552 is not an essential component. An appropriate design may be made according to the required transistor characteristics.

絶縁体570は、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体570よりも上方からの酸素で導電体560が酸化するのを抑制することができる。また、絶縁体570よりも上方からの水または水素などの不純物が、導電体560および絶縁体550を介して、酸化物530に混入することを抑制することができる。 The insulator 570 may be formed using an insulating material having a function of suppressing transmission of impurities such as water or hydrogen and oxygen. For example, it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, or the like. Accordingly, oxidation of the conductor 560 by oxygen from above the insulator 570 can be suppressed. In addition, entry of impurities such as water or hydrogen from above the insulator 570 into the oxide 530 through the conductor 560 and the insulator 550 can be suppressed.

絶縁体571はハードマスクとして機能する。絶縁体571を設けることで、導電体560の加工の際、導電体560の側面が概略垂直、具体的には、導電体560の側面と基板表面のなす角を、75度以上100度以下、好ましくは80度以上95度以下とすることができる。 The insulator 571 functions as a hard mask. By providing the insulator 571, when processing the conductor 560, the side surface of the conductor 560 is substantially vertical, specifically, the angle formed by the side surface of the conductor 560 and the substrate surface is 75 degrees or more and 100 degrees or less, Preferably, it can be 80 degrees or more and 95 degrees or less.

なお、絶縁体571に、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることで、バリア層としての機能を兼ねさせてもよい。その場合、絶縁体570は設けなくともよい。 Note that the insulator 571 may also serve as a barrier layer by using an insulating material having a function of suppressing transmission of impurities such as water or hydrogen and oxygen. In that case, the insulator 570 may not be provided.

絶縁体571をハードマスクとして用いて、絶縁体570、導電体560、金属酸化物552、絶縁体550、および酸化物530cの一部を選択的に除去することで、これらの側面を略一致させて、かつ、酸化物530b表面の一部を露出させることができる。 The insulator 570, the conductor 560, the metal oxide 552, the insulator 550, and part of the oxide 530c are selectively removed with the use of the insulator 571 as a hard mask so that their side surfaces are substantially aligned with each other. In addition, part of the surface of the oxide 530b can be exposed.

また、トランジスタ510Dは、露出した酸化物530b表面の一部に領域531aおよび領域531bを有する。領域531aまたは領域531bの一方はソース領域として機能し、他方はドレイン領域として機能する。 Further, the transistor 510D includes a region 531a and a region 531b in part of the surface of the oxide 530b which is exposed. One of the region 531a and the region 531b functions as a source region, and the other functions as a drain region.

領域531aおよび領域531bの形成は、例えば、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、またはプラズマ処理などを用いて、露出した酸化物530b表面にリンまたはボロンなどの不純物元素を導入することで実現できる。なお、本実施の形態などにおいて「不純物元素」とは、主成分元素以外の元素のことをいう。 The regions 531a and 531b are formed by, for example, introducing an impurity element such as phosphorus or boron into the exposed surface of the oxide 530b by an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, plasma treatment, or the like. This can be achieved by: Note that in this embodiment and the like, the “impurity element” refers to an element other than the main component element.

また、酸化物530b表面の一部を露出させた後に金属膜を成膜し、その後加熱処理することにより、該金属膜に含まれる元素を酸化物530bに拡散させて領域531aおよび領域531bを形成することもできる。 In addition, a metal film is formed after part of the surface of the oxide 530b is exposed, and heat treatment is performed thereon, so that an element included in the metal film is diffused into the oxide 530b to form a region 531a and a region 531b. You can also.

酸化物530bの不純物元素が導入された領域は、電気抵抗率が低下する。このため、領域531aおよび領域531bを「不純物領域」または「低抵抗領域」という場合がある。 In a region where the impurity element of the oxide 530b is introduced, electric resistivity is reduced. Therefore, the region 531a and the region 531b may be referred to as an "impurity region" or a "low resistance region".

絶縁体571および/または導電体560をマスクとして用いることで、領域531aおよび領域531bを自己整合(セルフアライメント)的に形成することができる。よって、領域531aおよび/または領域531bと、導電体560が重ならず、寄生容量を低減することができる。また、チャネル形成領域とソースドレイン領域(領域531aまたは領域531b)の間にオフセット領域が形成されない。領域531aおよび領域531bを自己整合(セルフアライメント)的に形成することにより、オン電流の増加、しきい値電圧の低減、動作周波数の向上などを実現できる。 With the use of the insulator 571 and / or the conductor 560 as a mask, the region 531a and the region 531b can be formed in a self-aligned manner. Therefore, the conductor 560 does not overlap with the region 531a and / or the region 531b, so that parasitic capacitance can be reduced. Further, no offset region is formed between the channel formation region and the source / drain region (the region 531a or the region 531b). By forming the regions 531a and 531b in a self-aligned manner (self-alignment), an increase in on-state current, a reduction in threshold voltage, an increase in operation frequency, and the like can be realized.

なお、オフ電流を更に低減するため、チャネル形成領域とソースドレイン領域の間にオフセット領域を設けてもよい。オフセット領域とは、電気抵抗率が高い領域であり、前述した不純物元素の導入が行なわれない領域である。オフセット領域の形成は、絶縁体575の形成後に前述した不純物元素の導入を行なうことで実現できる。この場合、絶縁体575も絶縁体571などと同様にマスクとして機能する。よって、酸化物530bの絶縁体575と重なる領域に不純物元素が導入されず、該領域の電気抵抗率を高いままとすることができる。 Note that an offset region may be provided between the channel formation region and the source / drain region in order to further reduce the off-state current. The offset region is a region where the electrical resistivity is high, and is a region where the above-described impurity element is not introduced. The offset region can be formed by introducing the above-described impurity element after the formation of the insulator 575. In this case, the insulator 575 also functions as a mask similarly to the insulator 571 and the like. Therefore, an impurity element is not introduced into a region of the oxide 530b which overlaps with the insulator 575, so that the region can have high electrical resistivity.

また、トランジスタ510Dは、絶縁体570、導電体560、金属酸化物552、絶縁体550、および酸化物530cの側面に絶縁体575を有する。絶縁体575は、比誘電率の低い絶縁体であることが好ましい。例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などであることが好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを絶縁体575に用いると、後の工程で絶縁体575中に過剰酸素領域を容易に形成できるため好ましい。また、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。また、絶縁体575は、酸素を拡散する機能を有することが好ましい。 The transistor 510D includes an insulator 570, a conductor 560, a metal oxide 552, an insulator 550, and an insulator 575 on a side surface of the oxide 530c. The insulator 575 is preferably an insulator having a low relative dielectric constant. For example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, silicon oxide having holes, or resin. Preferably, there is. In particular, it is preferable to use silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, or silicon oxide having holes for the insulator 575 because an excess oxygen region can be easily formed in the insulator 575 in a later step. Further, silicon oxide and silicon oxynitride are preferable because they are thermally stable. Further, the insulator 575 preferably has a function of diffusing oxygen.

また、トランジスタ510Dは、絶縁体575、酸化物530上に絶縁体574を有する。絶縁体574は、スパッタリング法を用いて成膜することが好ましい。スパッタリング法を用いることにより、水または水素などの不純物の少ない絶縁体を成膜することができる。例えば、絶縁体574として、酸化アルミニウムを用いるとよい。 Further, the transistor 510D includes an insulator 574 over the insulator 575 and the oxide 530. The insulator 574 is preferably formed by a sputtering method. By using a sputtering method, an insulator with little impurities such as water or hydrogen can be formed. For example, aluminum oxide may be used for the insulator 574.

なお、スパッタリング法を用いた酸化膜は、被成膜構造体から水素を引き抜く場合がある。従って、絶縁体574が酸化物530および絶縁体575から水素および水を吸収することで、酸化物530および絶縁体575の水素濃度を低減することができる。 Note that an oxide film formed by a sputtering method may extract hydrogen from a structure to be formed. Therefore, when the insulator 574 absorbs hydrogen and water from the oxide 530 and the insulator 575, the hydrogen concentration in the oxide 530 and the insulator 575 can be reduced.

<トランジスタの構造例5>
図17(A)乃至図17(C)を用いてトランジスタ510Eの構造例を説明する。図17(A)はトランジスタ510Eの上面図である。図17(B)は、図17(A)に一点鎖線L1−L2で示す部位の断面図である。図17(C)は、図17(A)に一点鎖線W1−W2で示す部位の断面図である。なお、図17(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
<Transistor structural example 5>
17A to 17C, a structural example of the transistor 510E is described. FIG. 17A is a top view of the transistor 510E. FIG. 17B is a cross-sectional view of a part indicated by a dashed-dotted line L1-L2 in FIG. FIG. 17C is a cross-sectional view of a part indicated by a dashed-dotted line W1-W2 in FIG. Note that for simplification of the drawing, some components are not illustrated in the top view in FIG.

トランジスタ510Eは上記トランジスタの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主に上記トランジスタと異なる点について説明する。 The transistor 510E is a modification of the above transistor. Therefore, in order to prevent repetition of the description, points different from the above transistor are mainly described.

図17(A)乃至図17(C)では、導電体542を設けずに、露出した酸化物530b表面の一部に領域531aおよび領域531bを有する。領域531aまたは領域531bの一方はソース領域として機能し、他方はドレイン領域として機能する。また、酸化物530bと、絶縁体574の間に、絶縁体573を有する。 In FIGS. 17A to 17C, a region 531a and a region 531b are provided over part of an exposed surface of the oxide 530b without providing the conductor 542. One of the region 531a and the region 531b functions as a source region, and the other functions as a drain region. In addition, an insulator 573 is provided between the oxide 530b and the insulator 574.

図17に示す、領域531(領域531a、および領域531b)は、酸化物530bに下記の元素が添加された領域である。領域531は、例えば、ダミーゲートを用いることで形成することができる。 A region 531 (a region 531a and a region 531b) illustrated in FIG. 17 is a region in which the following element is added to the oxide 530b. The region 531 can be formed by using, for example, a dummy gate.

具体的には、酸化物530b上にダミーゲートを設け、当該ダミーゲートをマスクとして用い、上記酸化物530bを低抵抗化する元素を添加するとよい。つまり、酸化物530が、ダミーゲートと重畳していない領域に、当該元素が添加され、領域531が形成される。なお、当該元素の添加方法としては、イオン化された原料ガスを質量分離して添加するイオン注入法、イオン化された原料ガスを質量分離せずに添加するイオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。 Specifically, a dummy gate may be provided over the oxide 530b, and an element which reduces the resistance of the oxide 530b may be added using the dummy gate as a mask. That is, the element is added to a region where the oxide 530 does not overlap with the dummy gate, so that a region 531 is formed. As the method for adding the element, an ion implantation method in which an ionized source gas is added by mass separation, an ion doping method in which an ionized source gas is added without mass separation, a plasma immersion ion implantation method, or the like. Can be used.

なお、酸化物530を低抵抗化する元素としては、代表的には、ホウ素、またはリンが挙げられる。また、水素、炭素、窒素、フッ素、硫黄、塩素、チタン、希ガス等を用いてもよい。希ガスの代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノン等がある。当該元素の濃度は、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)などを用いて測定すればよい。 Note that as an element for reducing the resistance of the oxide 530, boron or phosphorus is typically given. Further, hydrogen, carbon, nitrogen, fluorine, sulfur, chlorine, titanium, a rare gas, or the like may be used. Representative examples of the rare gas include helium, neon, argon, krypton, and xenon. The concentration of the element may be measured by using secondary ion mass spectrometry (SIMS) or the like.

特に、ホウ素、及びリンは、アモルファスシリコン、または低温ポリシリコンの製造ラインの装置を使用することができるため、好ましい。既存の設備を転用することができ、設備投資を抑制することができる。 In particular, boron and phosphorus are preferable because an apparatus of a production line of amorphous silicon or low-temperature polysilicon can be used. Existing equipment can be diverted and equipment investment can be reduced.

続いて、酸化物530b、およびダミーゲート上に、絶縁体573となる絶縁膜、および絶縁体574となる絶縁膜を成膜してもよい。絶縁体573となる絶縁膜、および絶縁体574となる絶縁膜を積層して設けることで、領域531と、酸化物530cおよび絶縁体550とが重畳する領域を設けることができる。 Subsequently, an insulating film to be the insulator 573 and an insulating film to be the insulator 574 may be formed over the oxide 530b and the dummy gate. By stacking and providing the insulating film to be the insulator 573 and the insulating film to be the insulator 574, a region where the region 531 overlaps with the oxide 530c and the insulator 550 can be provided.

具体的には、絶縁体574となる絶縁膜上に絶縁体580となる絶縁膜を設けた後、絶縁体580となる絶縁膜にCMP(Chemical Mechanical Polishing)処理を行うことで、絶縁体580となる絶縁膜の一部を除去し、ダミーゲートを露出する。続いて、ダミーゲートを除去する際に、ダミーゲートと接する絶縁体573の一部も除去するとよい。従って、絶縁体580に設けられた開口部の側面には、絶縁体574、および絶縁体573が露出し、当該開口部の底面には、酸化物530bに設けられた領域531の一部が露出する。次に、当該開口部に酸化物530cとなる酸化膜、絶縁体550となる絶縁膜、および導電体560となる導電膜を順に成膜した後、絶縁体580が露出するまでCMP処理などにより、酸化物530cとなる酸化膜、絶縁体550となる絶縁膜、および導電体560となる導電膜の一部を除去することで、図17に示すトランジスタを形成することができる。 Specifically, after providing an insulating film to be the insulator 580 over the insulating film to be the insulator 574, the insulating film to be the insulator 580 is subjected to a CMP (Chemical Mechanical Polishing) process, so that the insulator 580 and the insulator 580 are formed. A part of the insulating film is removed to expose the dummy gate. Subsequently, when removing the dummy gate, a part of the insulator 573 which is in contact with the dummy gate may be removed. Therefore, the insulator 574 and the insulator 573 are exposed on the side surface of the opening provided in the insulator 580, and part of the region 531 provided in the oxide 530b is exposed on the bottom surface of the opening. I do. Next, after an oxide film to be the oxide 530c, an insulating film to be the insulator 550, and a conductive film to be the conductor 560 are sequentially formed in the opening, a CMP process or the like is performed until the insulator 580 is exposed. By removing part of the oxide film to be the oxide 530c, the insulating film to be the insulator 550, and part of the conductive film to be the conductor 560, the transistor illustrated in FIGS.

なお、絶縁体573、および絶縁体574は必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。 Note that the insulator 573 and the insulator 574 are not essential components. An appropriate design may be made according to the required transistor characteristics.

図17に示すトランジスタは、既存の装置を転用することができ、さらに、導電体542を設けないため、コストの低減を図ることができる。 In the transistor illustrated in FIGS. 17A and 17B, an existing device can be used and the conductor 542 is not provided; thus, cost can be reduced.

<トランジスタの構造例6>
また、図10及び図11では、ゲートとしての機能を有する導電体560が、絶縁体580の開口の内部に形成されている構造例について説明したが、例えば、当該導電体の上方に、当該絶縁体が設けられた構造を用いることもできる。このようなトランジスタの構造例を、図18、図19に示す。
<Structural example 6 of transistor>
10 and 11 illustrate an example in which the conductor 560 having a function as a gate is formed inside the opening of the insulator 580; for example, the conductor 560 is provided above the conductor. A structure provided with a body can also be used. FIGS. 18 and 19 show structural examples of such a transistor.

図18(A)はトランジスタの上面図であり、図18(B)はトランジスタの斜視図である。また、図18(A)におけるX1−X2の断面図を図19(A)に示し、Y1−Y2の断面図を図19(B)に示す。 FIG. 18A is a top view of a transistor, and FIG. 18B is a perspective view of the transistor. A cross-sectional view taken along line X1-X2 in FIG. 18A is shown in FIG. 19A, and a cross-sectional view taken along Y1-Y2 is shown in FIG.

図18、図19に示すトランジスタは、バックゲートとしての機能を有する導電体BGEと、ゲート絶縁膜としての機能を有する絶縁体BGIと、酸化物半導体Sと、ゲート絶縁膜としての機能を有する絶縁体FGIと、フロントゲートとしての機能を有する導電体FGEと、配線としての機能を有する導電体WEと、を有する。また、導電体PEは、導電体WEと、酸化物S、導電体BGE、又は導電体FGEと、を接続するためのプラグとしての機能を有する。なお、ここでは、酸化物半導体Sが、3層の酸化物S1、S2、S3によって構成されている例を示している。 The transistors illustrated in FIGS. 18 and 19 include a conductor BGE having a function as a back gate, an insulator BGI having a function as a gate insulating film, an oxide semiconductor S, and an insulating material having a function as a gate insulating film. A body FGI, a conductor FGE having a function as a front gate, and a conductor WE having a function as a wiring. In addition, the conductor PE has a function as a plug for connecting the conductor WE to the oxide S, the conductor BGE, or the conductor FGE. Note that here, an example is shown in which the oxide semiconductor S includes three layers of oxides S1, S2, and S3.

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

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

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

ここで、第1のゲートと第2のゲートに異なる電位を印加する場合、酸化物半導体に設ける低抵抗領域、および高抵抗領域の構成が、トランジスタの電気特性に与える影響を評価する。 Here, in the case where different potentials are applied to the first gate and the second gate, the influence of the structure of the low-resistance region and the high-resistance region provided in the oxide semiconductor on the electrical characteristics of the transistor is evaluated.

[トランジスタ構造]
図20(A)および図20(C)は、電気特性の評価に用いたトランジスタの断面図である。なお、図20(A)および図20(C)では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
[Transistor structure]
FIGS. 20A and 20C are cross-sectional views of a transistor used for evaluation of electric characteristics. Note that FIGS. 20A and 20C do not illustrate some components for clarity.

図20(A)および図20(C)に示すトランジスタは、第1のゲートとして機能する導電体FGEと、第1のゲート絶縁膜として機能する絶縁体TGI(図では、FGIと表記)と、第1のゲートの側面に設けられたサイドウォールとして機能する絶縁体SWと、酸化物半導体Sと、第2のゲートとして機能する導電体BGEと、第2のゲート絶縁膜として機能する絶縁体BGIと、を有する。絶縁体BGIは、導電体BGEと接する第1層、第1層上の第2層、第2層上の第3層、からなる3層構造とする。なお、第3層は酸化物半導体Sと接する。 The transistors illustrated in FIGS. 20A and 20C each include a conductor FGE functioning as a first gate, an insulator TGI functioning as a first gate insulating film (denoted as FGI in the drawing), An insulator SW functioning as a sidewall provided on a side surface of the first gate; an oxide semiconductor S; a conductor BGE functioning as a second gate; and an insulator BGI functioning as a second gate insulating film And The insulator BGI has a three-layer structure including a first layer in contact with the conductor BGE, a second layer on the first layer, and a third layer on the second layer. Note that the third layer is in contact with the oxide semiconductor S.

ここで、図20(A)に記載のトランジスタが有する酸化物半導体Sは、n+領域と、導電体FGEと重畳するi領域を有する。一方、図20(C)に記載のトランジスタが有する酸化物半導体Sは、n+領域と、導電体FGEと重畳するi領域と、n+領域とi領域との間のn−領域と、を有する。 Here, the oxide semiconductor S included in the transistor illustrated in FIG. 20A includes an n + region and an i region that overlaps with the conductor FGE. On the other hand, the oxide semiconductor S included in the transistor illustrated in FIG. 20C includes an n + region, an i region overlapping with the conductor FGE, and an n − region between the n + region and the i region.

なお、n+領域は、ソース領域またはドレイン領域として機能し、キャリア密度が高い、低抵抗化した領域である。また、i領域は、チャネル形成領域として機能し、n+領域よりもキャリア密度が低い高抵抗領域である。また、n−領域は、n+領域よりもキャリア密度が低い、かつ、i領域よりもキャリア密度が高い領域である。 Note that the n + region functions as a source region or a drain region, and has a high carrier density and a low resistance. Further, the i region is a high resistance region that functions as a channel formation region and has a lower carrier density than the n + region. The n− region is a region having a lower carrier density than the n + region and a higher carrier density than the i region.

また、図示しないが、酸化物半導体Sのn+領域は、ソースまたはドレインとして機能するS/D電極と接する構造である。 Although not illustrated, the n + region of the oxide semiconductor S has a structure in contact with an S / D electrode functioning as a source or a drain.

[電気特性の評価結果]
図20(A)に示すトランジスタ、および図20(C)に示すトランジスタにおいて、Id−Vg特性を計算し、トランジスタの電気特性を評価した。
[Evaluation results of electrical characteristics]
In the transistor illustrated in FIG. 20A and the transistor illustrated in FIG. 20C, Id-Vg characteristics were calculated and electric characteristics of the transistors were evaluated.

ここで、トランジスタの電気特性の指標として、トランジスタのしきい値電圧(以下、Vshともいう)の変化量(以下、ΔVshともいう)を用いた。なお、Vshとは、Id−Vg特性において、Id=1.0×10−12[A]の時のVgの値と定義する。 Here, a change amount (hereinafter, also referred to as ΔVsh) of a threshold voltage (hereinafter, also referred to as Vsh) of the transistor was used as an index of the electrical characteristics of the transistor. Note that Vsh is defined as the value of Vg when Id = 1.0 × 10 −12 [A] in the Id-Vg characteristics.

なお、Id−Vg特性とは、トランジスタの第1のゲートとして機能する導電体FGEに印加する電位(以下、ゲート電位(Vg)ともいう)を、第1の値から第2の値まで変化させたときの、ソースとドレインとの間の電流(以下、ドレイン電流(Id)ともいう)の変動特性である。 Note that the Id-Vg characteristics are obtained by changing a potential (hereinafter, also referred to as a gate potential (Vg)) applied to a conductor FGE functioning as a first gate of a transistor from a first value to a second value. Of the current (hereinafter, also referred to as drain current (Id)) between the source and the drain when the current flows.

ここでは、ソースとドレインとの間の電位(以下、ドレイン電位Vdともいう)を+0.1Vとし、ソースと、第1のゲートとして機能する導電体FGEとの間の電位を−1Vから+4Vまで変化させたときのドレイン電流(Id)の変動を評価した。 Here, the potential between the source and the drain (hereinafter, also referred to as drain potential Vd) is +0.1 V, and the potential between the source and the conductor FGE functioning as the first gate is from -1 V to +4 V. The change of the drain current (Id) when it was changed was evaluated.

また、計算は、Silvaco社デバイスシミュレータATLASを用いた。また、下表には、計算に用いたパラメータを示す。なお、Egはエネルギーギャップ、Ncは伝導帯の実効状態密度、Nvは価電子帯の実効状態密度を示す。 The calculation was performed using a device simulator ATLAS manufactured by Silvaco. The table below shows the parameters used in the calculations. Eg is an energy gap, Nc is an effective state density of a conduction band, and Nv is an effective state density of a valence band.

図20(A)に示すトランジスタは、片側のn+領域を700nmとし、片側のn−領域を0nmと設定した。また、図20(C)に示すトランジスタは、片側のn+領域を655nmとし、片側のn−領域を45nmと設定した。また、図20(A)に示すトランジスタ、および図20(C)に示すトランジスタにおいて、第2のゲートは、i領域よりも大きい構造とした。なお、本評価においては、第2のゲートとして機能する導電体BGEの電位(以下、バックゲート電位(Vbg)ともいう)を、0.00V、−3.00V、または−6.00Vと設定した。 In the transistor illustrated in FIG. 20A, the n + region on one side is set to 700 nm and the n− region on one side is set to 0 nm. In the transistor illustrated in FIG. 20C, the n + region on one side is set to 655 nm and the n− region on one side is set to 45 nm. In the transistor illustrated in FIG. 20A and the transistor illustrated in FIG. 20C, the second gate has a structure larger than the i-region. Note that in this evaluation, the potential of the conductor BGE functioning as a second gate (hereinafter, also referred to as a back gate potential (Vbg)) was set to 0.00 V, -3.00 V, or -6.00 V. .

図20(B)に、図20(A)に示すトランジスタの計算によって得られたId−Vg特性の結果を示す。バックゲート電位を−3.00Vとした場合、0.00Vとした時と比較して、トランジスタのしきい値電圧の変動量(ΔVsh)は、+1.2Vであった。また、バックゲート電位を−6.00Vとした場合、0.00Vとした時と比較して、トランジスタのしきい値電圧の変動量(ΔVsh)は、+2.3Vであった。つまり、バックゲート電位を−6.00Vとした場合、−3.00Vとした時と比較して、トランジスタのしきい値電圧の変動量(ΔVsh)は、+1.1Vであった。従って、第2のゲートとして機能する導電体BGEの電位を大きくしても、トランジスタの閾値電圧の変動量の変化はほとんどなかった。また、バックゲート電位(の絶対値)を大きくしても、立ち上がり特性に変化は見られなかった。 FIG. 20B illustrates the results of the Id-Vg characteristics obtained by calculation of the transistor illustrated in FIG. When the back gate potential was −3.00 V, the amount of change in the threshold voltage of the transistor (ΔVsh) was +1.2 V, as compared to when the back gate potential was set to 0.00 V. In addition, when the back gate potential was −6.00 V, the amount of change in the threshold voltage of the transistor (ΔVsh) was +2.3 V, as compared to when the back gate potential was 0.00 V. That is, when the back gate potential was set to −6.00 V, the amount of change in the threshold voltage of the transistor (ΔVsh) was +1.1 V, as compared with the case where the back gate potential was set to −3.00 V. Therefore, even when the potential of the conductor BGE functioning as the second gate was increased, the amount of change in the threshold voltage of the transistor hardly changed. Even when the back gate potential (absolute value) was increased, no change was observed in the rising characteristics.

図20(D)に、図20(C)に示すトランジスタの計算によって得られたId−Vg特性の結果を示す。バックゲート電位を−3.00Vとした場合、0.00Vとした時と比較して、トランジスタのしきい値電圧の変動量(ΔVsh)は、+1.2Vであった。また、バックゲート電位を−6.00Vとした場合、0.00Vとした時と比較して、トランジスタのしきい値電圧の変動量(ΔVsh)は、+3.5Vであった。つまり、バックゲート電位を−6.00Vとした場合、−3.00Vとした時と比較して、トランジスタのしきい値電圧の変動量(ΔVsh)は、+2.3Vであった。従って、第2のゲートとして機能する導電体BGEの電位(の絶対値)を大きくするほど、トランジスタの閾値電圧の変動量が大きくなった。一方、バックゲート電位(の絶対値)を大きくするほど、立ち上がり特性が悪化した。 FIG. 20D illustrates the results of the Id-Vg characteristics obtained by calculation of the transistor illustrated in FIG. When the back gate potential was −3.00 V, the amount of change in the threshold voltage of the transistor (ΔVsh) was +1.2 V, as compared to when the back gate potential was set to 0.00 V. In addition, when the back gate potential was −6.00 V, the amount of change in the threshold voltage of the transistor (ΔVsh) was +3.5 V, as compared to when the back gate potential was 0.00 V. That is, when the back gate potential was −6.00 V, the amount of change in the threshold voltage of the transistor (ΔVsh) was +2.3 V, as compared with the case where the back gate potential was −3.00 V. Therefore, as the potential (absolute value) of the conductor BGE functioning as the second gate was increased, the amount of change in the threshold voltage of the transistor was increased. On the other hand, as the back gate potential (absolute value) increases, the rising characteristics deteriorate.

上記より、図20(C)に示すトランジスタは、第2のゲートとして機能する導電体BGEの電位(の絶対値)を大きくするほど、トランジスタの閾値電圧の変動量が大きくなることがわかった。一方で、図20(A)に示すトランジスタは、第2のゲートとして機能する導電体BGEの電位(の絶対値)を大きくしても、トランジスタの閾値電圧の変動量の変化はほとんど見られなかった。 From the above, it was found that in the transistor illustrated in FIG. 20C, as the potential (absolute value) of the conductor BGE functioning as the second gate was increased, the amount of change in the threshold voltage of the transistor was increased. On the other hand, in the transistor illustrated in FIG. 20A, even when the potential (absolute value) of the conductor BGE functioning as the second gate is increased, a change in the amount of change in the threshold voltage of the transistor is hardly observed. Was.

なお、本実施の形態は、本明細書に記載する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。 Note that this embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments described in this specification.

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

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

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

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

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

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

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

<金属酸化物の構造>
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、CAAC−OS(c−axis aligned crystalline oxide semiconductor)、多結晶酸化物半導体、nc−OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a−like OS:amorphous−like oxide semiconductor)および非晶質酸化物半導体などがある。
<Structure of metal oxide>
An oxide semiconductor is classified into a single crystal oxide semiconductor and a non-single-crystal oxide semiconductor. As a non-single-crystal oxide semiconductor, for example, a CAAC-OS (c-axis aligned crystal oxide semiconductor), a polycrystalline oxide semiconductor, an nc-OS (nanocrystalline oxide semiconductor), or a pseudo-amorphous oxide semiconductor (a-like) OS includes amorphous-like oxide semiconductor (OS) and an amorphous oxide semiconductor.

トランジスタの半導体に用いる酸化物半導体として、結晶性の高い薄膜を用いることが好ましい。該薄膜を用いることで、トランジスタの安定性または信頼性を向上させることができる。該薄膜として、例えば、単結晶酸化物半導体の薄膜または多結晶酸化物半導体の薄膜が挙げられる。しかしながら、単結晶酸化物半導体の薄膜または多結晶酸化物半導体の薄膜を基板上に形成するには、高温またはレーザー加熱の工程が必要とされる。よって、製造工程のコストが増加し、さらに、スループットも低下してしまう。 It is preferable to use a thin film with high crystallinity as an oxide semiconductor used for a semiconductor of the transistor. With the use of the thin film, stability or reliability of the transistor can be improved. Examples of the thin film include a single crystal oxide semiconductor thin film and a polycrystalline oxide semiconductor thin film. However, forming a thin film of a single crystal oxide semiconductor or a thin film of a polycrystalline oxide semiconductor over a substrate requires a high-temperature or laser heating step. Therefore, the cost of the manufacturing process increases, and the throughput also decreases.

2009年に、CAAC構造を有するIn−Ga−Zn酸化物(CAAC−IGZOと呼ぶ)が発見されたことが、非特許文献1および非特許文献2で報告されている。ここでは、CAAC−IGZOは、c軸配向性を有する、結晶粒界が明確に確認されない、低温で基板上に形成可能である、ことが報告されている。さらに、CAAC−IGZOを用いたトランジスタは、優れた電気特性および信頼性を有することが報告されている。 It was reported in Non-Patent Documents 1 and 2 that an In-Ga-Zn oxide having a CAAC structure (referred to as CAAC-IGZO) was discovered in 2009. Here, it is reported that CAAC-IGZO has c-axis orientation, crystal grain boundaries are not clearly observed, and can be formed on a substrate at a low temperature. Further, it is reported that a transistor using CAAC-IGZO has excellent electric characteristics and reliability.

また、2013年には、nc構造を有するIn−Ga−Zn酸化物(nc−IGZOと呼ぶ)が発見された(非特許文献3参照)。ここでは、nc−IGZOは、微小な領域(例えば、1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有し、異なる該領域間で結晶方位に規則性が見られないことが報告されている。 In 2013, an In-Ga-Zn oxide having an nc structure (referred to as nc-IGZO) was discovered (see Non-Patent Document 3). Here, it has been reported that nc-IGZO has periodicity in the atomic arrangement in a minute region (for example, a region of 1 nm or more and 3 nm or less), and that there is no regularity in the crystal orientation between different regions. I have.

非特許文献4および非特許文献5では、上記のCAAC−IGZO、nc−IGZO、および結晶性の低いIGZOのそれぞれの薄膜に対する電子線の照射による平均結晶サイズの推移が示されている。結晶性の低いIGZOの薄膜において、電子線が照射される前でさえ、1nm程度の結晶性IGZOが観察されている。よって、ここでは、IGZOにおいて、完全な非晶質構造(completely amorphous structure)の存在を確認できなかった、と報告されている。さらに、結晶性の低いIGZOの薄膜と比べて、CAAC−IGZOの薄膜およびnc−IGZOの薄膜は電子線照射に対する安定性が高いことが示されている。よって、トランジスタの半導体として、CAAC−IGZOの薄膜またはnc−IGZOの薄膜を用いることが好ましい。 Non-Patent Documents 4 and 5 show changes in the average crystal size due to the irradiation of electron beams to the thin films of the above-described CAAC-IGZO, nc-IGZO, and IGZO with low crystallinity. In an IGZO thin film having low crystallinity, crystalline IGZO of about 1 nm has been observed even before irradiation with an electron beam. Therefore, it is reported here that the existence of a completely amorphous structure in IGZO could not be confirmed. Furthermore, it is shown that the CAAC-IGZO thin film and the nc-IGZO thin film have higher stability to electron beam irradiation than the IGZO thin film having low crystallinity. Therefore, it is preferable to use a thin film of CAAC-IGZO or a thin film of nc-IGZO as a semiconductor of the transistor.

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

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

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

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

nc−OSは、微小な領域(例えば、1nm以上10nm以下の領域、特に1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc−OSは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、nc−OSは、分析方法によっては、a−like OSや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。 The nc-OS has a periodic atomic arrangement in a minute region (for example, a region with a thickness of 1 nm to 10 nm, particularly, a region with a size of 1 nm to 3 nm). In the nc-OS, there is no regularity in crystal orientation between different nanocrystals. Therefore, no orientation is observed in the entire film. Therefore, the nc-OS may not be distinguished from an a-like OS or an amorphous oxide semiconductor depending on an analysis method.

a−like OSは、nc−OSと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。a−like OSは、鬆または低密度領域を有する。即ち、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べて、結晶性が低い。 The a-like OS is an oxide semiconductor having a structure between the nc-OS and an amorphous oxide semiconductor. The a-like OS has a void or a low-density region. That is, the a-like OS has lower crystallinity than the nc-OS and the CAAC-OS.

酸化物半導体は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一形態の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、a−like OS、nc−OS、CAAC−OSのうち、二種以上を有していてもよい。 Oxide semiconductors have a variety of structures, each having different characteristics. The oxide semiconductor of one embodiment of the present invention may include two or more of an amorphous oxide semiconductor, a polycrystalline oxide semiconductor, an a-like OS, an nc-OS, and a CAAC-OS.

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

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

また、上記酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さい、具体的には、トランジスタのチャネル幅1μmあたりのオフ電流がyA/μm(10−24A/μm)オーダである、ことが非特許文献6に示されている。例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を応用した低消費電力のCPUなどが開示されている(非特許文献7参照)。 In addition, a transistor including the above oxide semiconductor has extremely low leakage current in a non-conduction state; specifically, the off-state current per 1 μm of channel width of the transistor is in the order of yA / μm (10 −24 A / μm). Is shown in Non-Patent Document 6. For example, a low-power-consumption CPU utilizing the characteristic of a transistor including an oxide semiconductor with low leakage current is disclosed (see Non-Patent Document 7).

また、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した、該トランジスタの表示装置への応用が報告されている(非特許文献8参照)。表示装置では、表示される画像が1秒間に数十回切り換っている。1秒間あたりの画像の切り換え回数はリフレッシュレートと呼ばれている。また、リフレッシュレートを駆動周波数と呼ぶこともある。このような人の目で知覚が困難である高速の画面の切り換えが、目の疲労の原因として考えられている。そこで、表示装置のリフレッシュレートを低下させて、画像の書き換え回数を減らすことが提案されている。また、リフレッシュレートを低下させた駆動により、表示装置の消費電力を低減することが可能である。このような駆動方法を、アイドリング・ストップ(IDS)駆動と呼ぶ。 In addition, application of a transistor including an oxide semiconductor to a display device, which utilizes the characteristic of a transistor with low leakage current, has been reported (see Non-Patent Document 8). In the display device, the displayed image switches several tens of times per second. The number of times the image is switched per second is called a refresh rate. Also, the refresh rate may be called a drive frequency. Such high-speed switching of the screen, which is difficult for the human eyes to perceive, is considered as a cause of eye fatigue. Therefore, it has been proposed to decrease the refresh rate of the display device to reduce the number of times of rewriting of the image. Further, power consumption of the display device can be reduced by driving with a reduced refresh rate. Such a driving method is called idling stop (IDS) driving.

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

また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。 In addition, since the oxide semiconductor film having high purity intrinsic or substantially high purity intrinsic has a low density of defect states, the density of trap states may be low in some cases.

また、酸化物半導体のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物半導体にチャネル形成領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。 Further, the charge trapped in the trap level of the oxide semiconductor takes a long time to be lost, and may behave as a fixed charge. Therefore, a transistor in which a channel formation region is formed in an oxide semiconductor with a high trap state density may have unstable electric characteristics in some cases.

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

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

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

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

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

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

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

CAAC構造およびnc構造の発見は、CAAC構造またはnc構造を有する酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性および信頼性の向上、ならびに、製造工程のコスト低下およびスループットの向上に貢献している。また、該トランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した、該トランジスタの表示装置およびLSIへの応用研究が進められている。 The discovery of the CAAC structure and the nc structure contributes to improvement in electrical characteristics and reliability of a transistor including an oxide semiconductor having the CAAC structure or the nc structure, reduction in manufacturing process cost, and improvement in throughput. In addition, research on application of the transistor to a display device and an LSI utilizing the characteristic of the transistor having a low leakage current has been advanced.

なお、本実施の形態は、本明細書に記載する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。 Note that this embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments described in this specification.

(実施の形態5)
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した記憶装置を用いることができる電子機器の一例について説明する。図21乃至図24に、本発明の一形態に係わる記憶装置を搭載した電子機器の一例を示す。
(Embodiment 5)
In this embodiment, an example of an electronic device in which the storage device described in the above embodiment can be used will be described. 21 to 24 illustrate examples of electronic devices each including the storage device according to one embodiment of the present invention.

<電子機器>
本発明の一形態に係わる記憶装置は、様々な電子機器に用いることができる。特に、本発明の一形態に係わる記憶装置は、電子機器に内蔵されるメモリとして用いることができる。以下、本発明の一形態に係わる記憶装置を用いることができる電子機器として、情報端末、ゲーム機、電化製品、移動体、並列計算機、サーバを含むシステム等を例に挙げ、説明する。
<Electronic equipment>
The storage device according to one embodiment of the present invention can be used for various electronic devices. In particular, the storage device according to one embodiment of the present invention can be used as a memory built in an electronic device. Hereinafter, a system including an information terminal, a game machine, an electric appliance, a mobile object, a parallel computer, a server, and the like will be described as examples of electronic devices that can use the storage device according to one embodiment of the present invention.

例えば、本発明の一形態に係わる記憶装置を用いることができる電子機器として、情報端末5500を、図21(A)に図示する。情報端末5500は、携帯電話(スマートフォン)である。情報端末5500は、筐体5510と、表示部5511とを有しており、入力用インターフェースとして、タッチパネルが表示部5511に備えられ、ボタンが筐体5510に備えられている。 For example, an information terminal 5500 is illustrated in FIG. 21A as an electronic device in which a storage device according to one embodiment of the present invention can be used. Information terminal 5500 is a mobile phone (smartphone). The information terminal 5500 includes a housing 5510 and a display portion 5511. As the input interface, a touch panel is provided in the display portion 5511, and buttons are provided in the housing 5510.

例えば、本発明の一形態に係わる記憶装置を用いることができる電子機器として、デスクトップ型情報端末5300を、図21(B)に図示する。デスクトップ型情報端末5300は、情報端末の本体5301と、ディスプレイ5302と、キーボード5303とを有する。 For example, a desktop information terminal 5300 is illustrated in FIG. 21B as an electronic device in which a storage device according to one embodiment of the present invention can be used. The desktop information terminal 5300 includes a main body 5301 of the information terminal, a display 5302, and a keyboard 5303.

図21(A)および図21(B)では、スマートフォンおよびデスクトップ型情報端末を例として図示したが、それ以外の情報端末として、例えば、PDA(Personal Digital Assistant)、ノート型情報端末、ワークステーションなどに、本発明の一形態に係わる記憶装置を用いてもよい。 FIGS. 21A and 21B illustrate a smartphone and a desktop information terminal as examples, but other information terminals include, for example, a PDA (Personal Digital Assistant), a notebook information terminal, a workstation, and the like. Alternatively, a storage device according to one embodiment of the present invention may be used.

例えば、本発明の一形態に係わる記憶装置を用いることができる電子機器として、携帯ゲーム機5200を、図21(C)に図示する。携帯ゲーム機5200は、筐体5201、表示部5202、ボタン5203等を有する。 For example, a portable game machine 5200 is illustrated in FIG. 21C as an electronic device in which the storage device according to one embodiment of the present invention can be used. The portable game machine 5200 includes a housing 5201, a display portion 5202, a button 5203, and the like.

図21(C)では、携帯ゲーム機を例として図示したが、それ以外のゲーム機として、例えば、家庭用の据え置き型ゲーム機、娯楽施設(ゲームセンター、遊園地など)に設置されるアーケードゲーム機、スポーツ施設に設置されるバッティング練習用の投球マシンなどに、本発明の一形態に係わる記憶装置を用いてもよい。 FIG. 21C illustrates a portable game machine as an example, but other game machines include, for example, home-use stationary game machines and arcade games installed in entertainment facilities (game centers, amusement parks, and the like). The storage device according to one embodiment of the present invention may be used for a batting machine and a pitching machine for batting practice installed in a sports facility.

例えば、本発明の一形態に係わる記憶装置を用いることができる電子機器として、電気冷凍冷蔵庫5800を、図21(D)に図示する。電気冷凍冷蔵庫5800は、筐体5801、冷蔵室用扉5802、冷凍室用扉5803等を有する。 For example, an electric refrigerator-freezer 5800 is illustrated in FIG. 21D as an electronic device which can use the memory device according to one embodiment of the present invention. The electric refrigerator-freezer 5800 includes a housing 5801, a refrigerator door 5802, a refrigerator door 5803, and the like.

図21(D)では、電気冷凍冷蔵庫を例として図示したが、それ以外の電化製品として、例えば、掃除機、電子レンジ、電子オーブン、炊飯器、湯沸かし器、IH調理器、ウォーターサーバ、エアーコンディショナーを含む冷暖房器具、洗濯機、乾燥機、オーディオビジュアル機器、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラなどに、本発明の一形態に係わる記憶装置を用いてもよい。 FIG. 21D illustrates an electric refrigerator-freezer as an example, but other electric appliances include, for example, a vacuum cleaner, a microwave oven, an electronic oven, a rice cooker, a water heater, an IH cooker, a water server, and an air conditioner. The storage device according to one embodiment of the present invention may be used for a cooling / heating appliance, a washing machine, a dryer, an audiovisual device, a digital camera, a digital video camera, and the like.

例えば、本発明の一形態に係わる記憶装置を用いることができる電子機器として、自動車5700を、図21(E1)に図示する。また、図21(E2)は、自動車の室内におけるフロントガラス周辺を示す図である。図21(E2)では、ダッシュボードに取り付けられた表示パネル5701、表示パネル5702、表示パネル5703の他、ピラーに取り付けられた表示パネル5704を図示している。 For example, FIG. 21E1 illustrates an automobile 5700 as an electronic device in which a memory device according to one embodiment of the present invention can be used. FIG. 21 (E2) is a diagram showing the vicinity of a windshield in a vehicle. FIG. 21E2 illustrates a display panel 5701, a display panel 5702, and a display panel 5703 attached to a dashboard, and a display panel 5704 attached to a pillar.

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

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

図21(E1)および図21(E2)では、自動車および自動車のフロントガラス周辺に取り付けられた表示パネルを例として図示したが、それ以外の移動体として、例えば、電車、モノレール、船、飛行体(ヘリコプター、無人航空機(ドローン)、飛行機、ロケット)などに、本発明の一形態に係わる記憶装置を用いてもよい。 In FIG. 21 (E1) and FIG. 21 (E2), a car and a display panel attached around a windshield of the car are illustrated as examples, but other moving objects are, for example, trains, monorails, ships, and flying objects. (Helicopter, unmanned aerial vehicle (drone), airplane, rocket, etc.) may use the storage device according to one embodiment of the present invention.

例えば、本発明の一形態に係わる記憶装置を用いることができる電子機器として、情報端末7000を、図22(A)および図22(B)に図示する。情報端末7000は、筐体7010、モニタ部7012、キーボード7013、ポート7015等を有する。 For example, an information terminal 7000 is illustrated in FIGS. 22A and 22B as an electronic device in which a storage device according to one embodiment of the present invention can be used. The information terminal 7000 includes a housing 7010, a monitor 7012, a keyboard 7013, a port 7015, and the like.

キーボード7013およびポート7015は、筐体7010に設けられている。また、ポート7015として、例えば、USBポート、LANポート、HDMI(High−Definition Multimedia Interface;HDMIは登録商標)ポート等を有している。 The keyboard 7013 and the port 7015 are provided in the housing 7010. The port 7015 includes, for example, a USB port, a LAN port, and an HDMI (High-Definition Multimedia Interface; HDMI is a registered trademark) port.

筐体7010に取り付けられているモニタ部7012は、開閉可能である。図22(A)に、モニタ部7012が開いている状態を図示し、図22(B)に、モニタ部7012が閉じている状態を図示する。例えば、モニタ部7012が開く最大の角度は135°程度である(図22(A)参照)。 A monitor 7012 attached to the housing 7010 can be opened and closed. FIG. 22A illustrates a state where the monitor unit 7012 is open, and FIG. 22B illustrates a state where the monitor unit 7012 is closed. For example, the maximum angle at which the monitor 7012 opens is about 135 ° (see FIG. 22A).

筐体7010には、開閉可能なカバー7011が設けられている(図22(B)参照)。筐体7010の内部には、本発明の一形態に係わる記憶装置100が組み込まれており、記憶装置100は着脱可能である。筐体7010の内部に、記憶装置100を冷却する装置、または放熱する装置を設けてもよい。カバー7011を開けて、記憶装置100を着脱できるため、情報端末7000の拡張性は高い。情報端末7000に複数の記憶装置100を組み込むことで、高度なグラフィック処理、科学技術計算、人工知能の演算等を行うことができる。 The housing 7010 is provided with a cover 7011 that can be opened and closed (see FIG. 22B). The storage device 100 according to one embodiment of the present invention is incorporated in the housing 7010, and the storage device 100 is detachable. A device for cooling the storage device 100 or a device for radiating heat may be provided inside the housing 7010. Since the storage device 100 can be attached and detached by opening the cover 7011, the expandability of the information terminal 7000 is high. By incorporating a plurality of storage devices 100 into the information terminal 7000, it is possible to perform advanced graphic processing, scientific and technical calculations, artificial intelligence calculations, and the like.

例えば、本発明の一形態に係わる記憶装置を用いることができる電子機器として、大型の並列計算機5400を、図23(A)に図示する。並列計算機5400は、ラック5410内に、ラックマウント型の計算機5420を複数有している。 For example, a large-sized parallel computer 5400 is illustrated in FIG. 23A as an electronic device in which the storage device according to one embodiment of the present invention can be used. The parallel computer 5400 has a plurality of rack-mounted computers 5420 in a rack 5410.

図23(B)は、計算機5420の構成例を示す斜視概略図である。計算機5420は、マザーボード5430を有し、マザーボードは、複数のスロット5431を有する。スロット5431には、PCカード5421が挿されている。PCカード5421は、接続端子5423、接続端子5424、接続端子5425を有し、それぞれ、マザーボード5430に接続されている。 FIG. 23B is a schematic perspective view showing a configuration example of the computer 5420. The calculator 5420 has a motherboard 5430, and the motherboard has a plurality of slots 5431. A PC card 5421 is inserted into the slot 5431. The PC card 5421 has a connection terminal 5423, a connection terminal 5424, and a connection terminal 5425, and is connected to the motherboard 5430, respectively.

図23(C)は、PCカード5421の構成例を示す斜視概略図である。PCカード5421は、ボード5422を有し、ボード5422上に、接続端子5423、接続端子5424、接続端子5425、チップ5426、チップ5427等を有する。 FIG. 23C is a schematic perspective view illustrating a configuration example of the PC card 5421. The PC card 5421 has a board 5422, and has a connection terminal 5423, a connection terminal 5424, a connection terminal 5425, a chip 5426, a chip 5427, and the like on the board 5422.

チップ5426、チップ5427等として、本発明の一形態に係わる記憶装置、CPU、GPU(Graphics Processing Unit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)等が搭載されている。チップ5426、チップ5427等は、信号の入出力を行う複数の端子(図示しない)を有しており、当該端子をPCカード5421が備えるソケット(図示しない)に差し込むことで、PCカード5421との電気的な接続を行ってもよいし、当該端子をPCカード5421が備える配線に、例えば、リフロー方式のはんだ付けを行うことで、電気的な接続を行ってもよい。 As the chip 5426, the chip 5427, and the like, a storage device, a CPU, a GPU (Graphics Processing Unit), an FPGA (Field Programmable Gate Array), or the like according to one embodiment of the present invention is mounted. The chip 5426, the chip 5427, and the like have a plurality of terminals (not shown) for inputting and outputting signals, and the terminals are inserted into sockets (not shown) provided in the PC card 5421 to connect with the PC card 5421. The electrical connection may be performed, or the terminal may be connected to the wiring included in the PC card 5421 by, for example, reflow soldering to perform the electrical connection.

接続端子5423、接続端子5424、接続端子5425は、例えば、PCカード5421に対する電力供給、信号入出力などを行うためのインターフェースとすることができる。接続端子5423、接続端子5424、接続端子5425の規格として、例えば、USB(Universal Serial Bus)、SATA(Serial ATA)、SCSI(Small Computer System Interface)、また映像信号を出力する場合はHDMI(登録商標)等が挙げられる。 The connection terminal 5423, the connection terminal 5424, and the connection terminal 5425 can be, for example, interfaces for supplying power to the PC card 5421, inputting / outputting signals, and the like. As a standard of the connection terminal 5423, the connection terminal 5424, and the connection terminal 5425, for example, USB (Universal Serial Bus), SATA (Serial ATA), SCSI (Small Computer System Interface), and HDMI (registered trademark) when outputting a video signal ) And the like.

また、PCカード5421は、ボード5422上に、接続端子5428を有する。接続端子5428は、マザーボード5430のスロット5431に挿すことができる形状であり、接続端子5428は、PCカード5421とマザーボード5430とを接続するためのインターフェースとして機能する。接続端子5428の規格として、例えば、PCI Express(PCIeともいう;PCI ExpressおよびPCIeは、登録商標)が挙げられる。 The PC card 5421 has a connection terminal 5428 on the board 5422. The connection terminal 5428 has a shape that can be inserted into the slot 5431 of the motherboard 5430, and the connection terminal 5428 functions as an interface for connecting the PC card 5421 to the motherboard 5430. As a standard of the connection terminal 5428, for example, PCI Express (also referred to as PCIe; PCI Express and PCIe are registered trademarks) is exemplified.

並列計算機5400は、例えば、大規模な科学技術計算、人工知能の学習および推論に必要な大規模な演算を行うことができる。 The parallel computer 5400 can perform, for example, large-scale operations required for large-scale scientific and technological calculations, learning and inference of artificial intelligence.

例えば、本発明の一形態に係わる記憶装置を用いることができる電子機器として、サーバ5100を含むシステムを、図24(A)に図示する。図24(A)は、サーバ5100と、情報端末5500およびデスクトップ型情報端末5300との間で、通信5110を行う様子を模式的に示している。 For example, FIG. 24A illustrates a system including a server 5100 as an electronic device in which a storage device according to one embodiment of the present invention can be used. FIG. 24A schematically illustrates a state in which communication 5110 is performed between the server 5100, the information terminal 5500, and the desktop information terminal 5300.

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

また、科学技術計算、人工知能の学習および推論に必要な演算等、ユーザの手元にある情報端末5500またはデスクトップ型情報端末5300では処理能力が足りない場合、ユーザは、通信5110によってサーバ5100にアクセスし、サーバ5100上で当該計算または演算を行うことができる。 If the information terminal 5500 or the desktop information terminal 5300 at hand is short of processing capacity, such as calculations required for science and technology calculations, learning of artificial intelligence, and inference, the user accesses the server 5100 through communication 5110. Then, the calculation or the operation can be performed on the server 5100.

例えば、サーバ5100上で提供されるサービスにおいて、人工知能を利用することができる。例えば、ナビゲーションシステムに人工知能を導入することで、当該システムは、道路の混雑状況、電車の運行情報などに応じて臨機応変に案内できる場合がある。例えば、翻訳システムに人工知能を導入することで、当該システムは、方言・スラングなど独特の言い回しを適切に翻訳できる場合がある。例えば、病院などの予約システムに人工知能を利用することで、当該システムは、ユーザの症状・怪我の度合いなどを判断し、適切な病院・診察所等を紹介できる場合がある。 For example, in a service provided on the server 5100, artificial intelligence can be used. For example, by introducing artificial intelligence into a navigation system, the system may be able to provide flexible guidance according to road congestion conditions, train operation information, and the like. For example, by introducing artificial intelligence into a translation system, the system may be able to appropriately translate unique expressions such as dialects and slang. For example, by using artificial intelligence in a reservation system for a hospital or the like, the system may determine a user's symptom / degree of injuries and the like, and may be able to introduce an appropriate hospital / clinic or the like.

図24(A)では、サーバ5100と、情報端末5500およびデスクトップ型情報端末5300との間で、通信5110を行う様子を示しているが、サーバ5100と、情報端末以外の電子機器との間で、通信5110を行ってもよい。例えば、電子機器をインターネットに接続したIoT(Internet of Things)の形態であってもよい。 FIG. 24A shows a state in which communication 5110 is performed between server 5100, information terminal 5500, and desktop information terminal 5300. However, between server 5100 and an electronic device other than the information terminal, , Communication 5110 may be performed. For example, it may be in the form of IoT (Internet of Things) in which an electronic device is connected to the Internet.

図24(B)は、一例として、サーバ5100と、電子機器(電気冷凍冷蔵庫5800、携帯ゲーム機5200、自動車5700、テレビジョン装置5600)との間で、通信5110を行う様子を模式的に示している。 FIG. 24B schematically illustrates, as an example, a state in which communication 5110 is performed between the server 5100 and electronic devices (an electric refrigerator-freezer 5800, a portable game machine 5200, a car 5700, and a television device 5600). ing.

図24(B)において、それぞれの電子機器は人工知能を利用してもよい。人工知能の学習および推論に必要な演算等を、サーバ5100上で行うことができる。例えば、演算に必要なデータが、通信5110によって、電子機器の一つからサーバ5100に送信され、サーバ5100上で人工知能の演算が行われ、出力データが、通信5110によって、サーバ5100から電子機器の一つに送信される。これにより、当該電子機器は、人工知能の演算によって出力されたデータを利用することができる。 In FIG. 24B, each electronic device may use artificial intelligence. Operations required for learning and inference of artificial intelligence can be performed on the server 5100. For example, data necessary for the calculation is transmitted from one of the electronic devices to the server 5100 by the communication 5110, the calculation of the artificial intelligence is performed on the server 5100, and the output data is transmitted from the server 5100 by the communication 5110 to the electronic device. Sent to one of Thus, the electronic device can use the data output by the artificial intelligence operation.

なお、図24(B)に示す電子機器は一例であり、サーバ5100と、図24(B)に示されていない電子機器との間で、通信5110を行ってもよい。 Note that the electronic device illustrated in FIG. 24B is an example, and communication 5110 may be performed between the server 5100 and an electronic device not illustrated in FIG.

上述のように、本発明の一形態に係わる記憶装置は、様々な電子機器に用いることができる。本発明の一形態に係わる記憶装置は、少ない電源数で動作させることができ、当該記憶装置を用いた電子機器のコストを低減することができる。また、本発明の一形態に係わる記憶装置は、チップ面積が小さく、電子機器を小型化することができる。もしくは、より多くの記憶装置を、電子機器に搭載することができる。また、本発明の一形態に係わる記憶装置は、温度の高い環境においても、データの消失が生じにくく、高速動作を行うことができる。本発明の一形態に係わる記憶装置を用いることで、温度の高い環境においても確実に動作する、信頼性の高い電子機器を提供することができる。 As described above, the storage device according to one embodiment of the present invention can be used for various electronic devices. The storage device according to one embodiment of the present invention can be operated with a small number of power supplies, and cost of an electronic device using the storage device can be reduced. Further, the memory device according to one embodiment of the present invention has a small chip area and can reduce the size of an electronic device. Alternatively, more storage devices can be mounted on the electronic device. Further, in the storage device according to one embodiment of the present invention, loss of data hardly occurs even in a high-temperature environment and high-speed operation can be performed. With the use of the memory device according to one embodiment of the present invention, a highly reliable electronic device which operates reliably even in a high-temperature environment can be provided.

なお、本実施の形態は、本明細書に記載する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。 Note that this embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments described in this specification.

C11 容量素子 、 C12 容量素子 、 C13 容量素子 、 C14 容量素子 、 M11 トランジスタ 、 M12 トランジスタ 、 M13 トランジスタ 、 M14 トランジスタ 、 M15 トランジスタ 、 M16 トランジスタ 、 M21 トランジスタ 、 M22 トランジスタ 、 M23 トランジスタ 、 M24 トランジスタ 、 M25 トランジスタ 、 M26 トランジスタ 、 M31 トランジスタ 、 M32 トランジスタ 、 M33 トランジスタ 、 M34 トランジスタ 、 M36 トランジスタ 、 S1 酸化物 、 SN1 ノード 、 SN2 ノード 、 SN3 ノード 、 SN4 ノード 、 VBG1 配線 、 VBG2 配線 、 wl1 ワード線 、 wl2 ワード線 、 wl3 ワード線 、 wl4 ワード線 、 30 回路 、 31 センスアンプ回路 、 32 AND回路 、 33 アナログスイッチ 、 34 アナログスイッチ 、 100 記憶装置 、 101 層 、 105 記憶装置 、 110 周辺回路 、 115 周辺回路 、 121 ローデコーダ 、 122 ワード線ドライバ回路 、 123 プレデコーダ 、 131 カラムデコーダ 、 132 ビット線ドライバ回路 、 133 プリチャージ回路 、 134 センスアンプ回路 、 135 出力MUX回路 、 136 ドライバ回路 、 138 ページバッファ 、 140 出力回路 、 150 電位生成回路 、 151 レギュレータ 、 152 レギュレータ 、 153 レギュレータ 、 154 パワースイッチ 、 160 コントロールロジック回路 、 161 SPIコントローラ 、 162 シリアル・パラレルコンバータ 、 163 命令デコーダ回路 、 164 ページアドレス生成回路 、 165 コマンド生成回路 、 166 バイトアドレス生成回路 、 167 パラレル・シリアルコンバータ 、 168 ステータスレジスタ 、 201 層 、 210 メモリセルアレイ 、 211 メモリセル 、 212 メモリセル 、 213 メモリセル 、 214 メモリセル 、 300 トランジスタ 、 311 基板 、 313 半導体領域 、 314a 低抵抗領域 、 314b 低抵抗領域 、 315 絶縁体 、 316 導電体 、 320 絶縁体 、 322 絶縁体 、 324 絶縁体 、 326 絶縁体 、 328 導電体 、 330 導電体 、 350 絶縁体 、 352 絶縁体 、 354 絶縁体 、 356 導電体 、 360 絶縁体 、 362 絶縁体 、 364 絶縁体 、 366 導電体 、 370 絶縁体 、 372 絶縁体 、 374 絶縁体 、 376 導電体 、 380 絶縁体 、 382 絶縁体 、 384 絶縁体 、 386 導電体 、 500 トランジスタ 、 500a トランジスタ 、 500b トランジスタ 、 500c トランジスタ 、 500d トランジスタ 、 500e トランジスタ 、 500f トランジスタ 、 503 導電体 、 503a 導電体 、 503b 導電体 、 505 導電体 、 505a 導電体 、 505b 導電体 、 510 絶縁体 、 510A トランジスタ 、 510B トランジスタ 、 510C トランジスタ 、 510D トランジスタ 、 510E トランジスタ 、 511 絶縁体 、 512 絶縁体 、 514 絶縁体 、 516 絶縁体 、 518 導電体 、 518a 導電体 、 518b 導電体 、 518c 導電体 、 518d 導電体 、 520 絶縁体 、 521 絶縁体 、 522 絶縁体 、 524 絶縁体 、 530 酸化物 、 530a 酸化物 、 530b 酸化物 、 530c 酸化物 、 531 領域 、 531a 領域 、 531b 領域 、 540a 導電体 、 540b 導電体 、 542 導電体 、 542a 導電体 、 542b 導電体 、 543 領域 、 543a 領域 、 543b 領域 、 544 絶縁体 、 545 絶縁体 、 546 導電体 、 546a 導電体 、 546b 導電体 、 547 導電体 、 547a 導電体 、 547b 導電体 、 548 導電体 、 548a 導電体 、 548b 導電体 、 550 絶縁体 、 552 金属酸化物 、 560 導電体 、 560a 導電体 、 560b 導電体 、 570 絶縁体 、 571 絶縁体 、 573 絶縁体 、 574 絶縁体 、 575 絶縁体 、 576 絶縁体 、 576a 絶縁体 、 576b 絶縁体 、 580 絶縁体 、 581 絶縁体 、 582 絶縁体 、 584 絶縁体 、 586 絶縁体 、 600 容量素子 、 610 導電体 、 612 導電体 、 612a 導電体 、 620 導電体 、 630 絶縁体 、 646 導電体 、 648 導電体 、 650 絶縁体 、 660 導電体 、 5100 サーバ 、 5110 通信 、 5200 携帯ゲーム機 、 5201 筐体 、 5202 表示部 、 5203 ボタン 、 5300 デスクトップ型情報端末 、 5301 本体 、 5302 ディスプレイ 、 5303 キーボード 、 5400 並列計算機 、 5410 ラック 、 5420 計算機 、 5421 PCカード 、 5422 ボード 、 5423 接続端子 、 5424 接続端子 、 5425 接続端子 、 5426 チップ 、 5427 チップ 、 5428 接続端子 、 5430 マザーボード 、 5431 スロット 、 5500 情報端末 、 5510 筐体 、 5511 表示部 、 5600 テレビジョン装置 、 5700 自動車 、 5701 表示パネル 、 5702 表示パネル 、 5703 表示パネル 、 5704 表示パネル 、 5800 電気冷凍冷蔵庫 、 5801 筐体 、 5802 冷蔵室用扉 、 5803 冷凍室用扉 、 7000 情報端末 、 7010 筐体 、 7011 カバー 、 7012 モニタ部 、 7013 キーボード 、 7015 ポート C11 capacitance element, C12 capacitance element, C13 capacitance element, C14 capacitance element, M11 transistor, M12 transistor, M13 transistor, M14 transistor, M15 transistor, M16 transistor, M21 transistor, M22 transistor, M23 transistor, M24 transistor Transistor, M31 transistor, M32 transistor, M33 transistor, M34 transistor, M36 transistor, S1 oxide, SN1 node, SN2 node, SN3 node, SN4 node, VBG1 wiring, VBG2 wiring, wl1 word line , Wl2 word line, wl3 word line, wl4 word line, 30 circuits, 31 sense amplifier circuit, 32 AND circuit, 33 analog switch, 34 analog switch, 100 storage device, 101 layer, 105 storage device, 110 peripheral circuit, 115 peripheral Circuit, 121 row decoder, 122 word line driver circuit, 123 predecoder, 131 column decoder, 132 bit line driver circuit, 133 precharge circuit, 134 sense amplifier circuit, 135 output MUX circuit, 136 driver circuit, 138 page buffer, 140 Output circuit, 150 potential generation circuit, 151 regulator, 152 regulator, 153 regulator, 154 power switch, 160 control logic circuit, 161 SPI controller, 162 serial / parallel converter, 163 instruction decoder circuit, 164 page address generation circuit, 165 command generation circuit, 166 byte address generation circuit, 167 parallel / serial converter, 168 status register, 201 layer, 210 memory cell array, 211 memory cell, 212 memory cell, 213 memory cell, 214 memory cell, 300 transistor, 311 substrate, 313 semiconductor region, 314a low resistance region, 314b low resistance region, 315 insulator , 316 conductor, 320 Insulator, 322 insulator, 324 insulator, 326 insulator, 328 conductor, 330 conductor, 350 insulator, 352 insulator, 354 insulator, 356 conductor, 360 insulator, 362 insulator, 364 insulator 366 conductor, 370 insulator, 372 insulator, 374 insulator, 376 conductor, 380 insulator, 382 insulator, 384 insulator, 386 conductor, 500 transistor, 500a transistor, 500b transistor, 500c transistor Transistor, 500e transistor, 500f transistor, 503 conductor, 503a conductor, 503b conductor 505 conductors, 505a conductors, 505b conductors, 510 insulators, 510A transistors, 510B transistors, 510C transistors, 510D transistors, 510E transistors, 511 insulators, 512 insulators, 514 insulators, 516 insulators , 518a conductor, 518b conductor, 518c conductor, 518d conductor, 520 insulator, 521 insulator, 522 insulator, 524 insulator, 530 oxide, 530a oxide, 530b oxide, 530c Region, 531a region, 531b region, 540a conductor, 540b conductor, 54 Conductor, 542a conductor, 542b conductor, 543 region, 543a region, 543b region, 544 insulator, 545 insulator, 546 conductor, 546a conductor, 546b conductor, 547 conductor, 547 conductor Body, 548 conductor, 548a conductor, 548b conductor, 550 insulator, 552 metal oxide, 560 conductor, 560a conductor, 560b conductor, 570 insulator, 571 insulator, 573 insulator, 574 insulator 575 insulators, 576 insulators, 576a insulators, 576b insulators, 580 insulators, 581 insulators, 582 insulators, 584 Insulator, 586 Insulator, 600 Capacitance Element, 610 Conductor, 612 Conductor, 612a Conductor, 620 Conductor, 630 Insulator, 646 Conductor, 648 Conductor, 650 Insulator, 660 Conductor, 5100 Server 5110 communication, 5200 portable game machine, 5201 housing, 5202 display unit, 5203 button, 5300 desktop information terminal, 5301 body, 5302 display, 5303 keyboard, 5400 parallel computer, 5410 rack, 5420 computer, 5421 PC card, 5421 PC card , 5423 connection terminal, 5424 connection terminal, 5425 connection terminal, 5426 , 5427 chip, 5428 connection terminal, 5430 motherboard, 5431 slot, 5500 information terminal, 5510 housing, 5511 display portion, 5600 television device, 5700 car, 5701 display panel, 5702 display panel, 5703 display panel, 5704 display panel , 5800 electric refrigerator-freezer, 5801 housing, 5802 refrigerator compartment door, 5803 freezer compartment door, 7000 information terminal, 7010 housing, 7011 cover, 7012 monitor unit, 7013 keyboard, 7015 port

Claims (8)

第1乃至第k書き込みワード線(kは2以上の整数)と、
読み出しワード線と、
プリチャージ線と、
書き込みビット線と、
読み出しビット線と、
k個の書き込みトランジスタと、
読み出しトランジスタと、
プリチャージトランジスタと、を有し、
前記第1書き込みトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記読み出しトランジスタのゲート、および、前記プリチャージトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記第l(lは2以上k以下の整数)書き込みトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第l−1書き込みトランジスタのソースまたはドレインの他方と電気的に接続され、
前記第k書き込みトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記書き込みビット線と電気的に接続され、
前記第1書き込みトランジスタのゲートは、前記第1書き込みワード線と電気的に接続され、
前記第l書き込みトランジスタのゲートは、前記第l書き込みワード線と電気的に接続され、
前記読み出しトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記読み出しワード線と電気的に接続され、
前記読み出しトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記読み出しビット線と電気的に接続され、
前記プリチャージトランジスタのゲートは、前記プリチャージ線と電気的に接続され、
前記プリチャージトランジスタのソースまたはドレインの他方は、所定の電位が供給される配線と電気的に接続されることを特徴とする、半導体装置。
First to k-th write word lines (k is an integer of 2 or more);
A read word line;
A precharge line,
A write bit line;
A read bit line;
k write transistors,
A read transistor;
A precharge transistor;
One of a source and a drain of the first write transistor is electrically connected to a gate of the read transistor and one of a source and a drain of the precharge transistor,
One of a source and a drain of the l-th (1 is an integer of 2 or more and k or less) write transistor is electrically connected to the other of the source or the drain of the 1-1 write transistor;
The other of the source or the drain of the k-th write transistor is electrically connected to the write bit line,
A gate of the first write transistor is electrically connected to the first write word line;
A gate of the first write transistor is electrically connected to the first write word line;
One of a source and a drain of the read transistor is electrically connected to the read word line,
The other of the source and the drain of the read transistor is electrically connected to the read bit line,
A gate of the precharge transistor is electrically connected to the precharge line;
The other of the source and the drain of the precharge transistor is electrically connected to a wiring to which a predetermined potential is supplied.
請求項1において、
前記第1乃至第k書き込みトランジスタ、および、前記プリチャージトランジスタは、それぞれチャネル形成領域に金属酸化物を有することを特徴とする、半導体装置。
In claim 1,
The semiconductor device, wherein each of the first to k-th write transistors and the precharge transistor includes a metal oxide in a channel formation region.
請求項1において、
前記第1乃至第k書き込みトランジスタ、前記プリチャージトランジスタ、および、前記読み出しトランジスタは、それぞれチャネル形成領域に金属酸化物を有することを特徴とする、半導体装置。
In claim 1,
The semiconductor device, wherein the first to k-th write transistors, the precharge transistor, and the read transistor each include a metal oxide in a channel formation region.
メモリセルアレイと、
周辺回路と、を有し、
前記メモリセルアレイは、m×n個(m、nは1以上の整数)のメモリセルと、それぞれm本の第1乃至第k書き込みワード線(kは2以上の整数)と、m本の読み出しワード線と、m本のプリチャージ線と、n本の書き込みビット線と、n本の読み出しビット線とを有し、
前記m×n個のメモリセルは、行列状に配置され、
前記メモリセルのそれぞれは、前記第1乃至第k書き込みワード線、前記読み出しワード線、前記プリチャージ線、前記書き込みビット線、および、前記読み出しビット線と電気的に接続され、
前記メモリセルのそれぞれは、k個の書き込みトランジスタと、読み出しトランジスタと、プリチャージトランジスタとを有し、
前記第1書き込みトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記読み出しトランジスタのゲート、および、前記プリチャージトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記第l(lは2以上k以下の整数)書き込みトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第l−1書き込みトランジスタのソースまたはドレインの他方と電気的に接続され、
前記第k書き込みトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記書き込みビット線と電気的に接続され、
前記第1書き込みトランジスタのゲートは、前記第1書き込みワード線と電気的に接続され、
前記第l書き込みトランジスタのゲートは、前記第l書き込みワード線と電気的に接続され、
前記読み出しトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記読み出しワード線と電気的に接続され、
前記読み出しトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記読み出しビット線と電気的に接続され、
前記プリチャージトランジスタのゲートは、前記プリチャージ線と電気的に接続され、
前記プリチャージトランジスタのソースまたはドレインの他方は、所定の電位が供給される配線と電気的に接続され、
前記周辺回路は、第1回路と、第2回路と、コントローラとを有し、
前記第1回路は、前記書き込みビット線および前記読み出しビット線と電気的に接続され、
前記第1回路は、前記メモリセルにデータを書き込む機能、および、前記メモリセルからデータを読み出す機能を有し、
前記第2回路は、前記第1乃至第k書き込みワード線、前記読み出しワード線、および、前記プリチャージ線と電気的に接続され、
前記第2回路は、前記第1乃至第k書き込みワード線、前記読み出しワード線、および、前記プリチャージ線を駆動する機能を有し、
前記コントローラは、前記第1回路および前記第2回路を制御する機能を有することを特徴とする、記憶装置。
A memory cell array;
And a peripheral circuit,
The memory cell array includes m × n memory cells (m and n are integers of 1 or more), m first to k-th write word lines (k is an integer of 2 or more), and m read lines, respectively. A word line, m precharge lines, n write bit lines, and n read bit lines;
The m × n memory cells are arranged in a matrix,
Each of the memory cells is electrically connected to the first to k-th write word lines, the read word line, the precharge line, the write bit line, and the read bit line,
Each of the memory cells has k write transistors, a read transistor, and a precharge transistor,
One of a source and a drain of the first write transistor is electrically connected to a gate of the read transistor and one of a source and a drain of the precharge transistor,
One of a source and a drain of the l-th (1 is an integer of 2 or more and k or less) write transistor is electrically connected to the other of the source or the drain of the 1-1 write transistor;
The other of the source or the drain of the k-th write transistor is electrically connected to the write bit line,
A gate of the first write transistor is electrically connected to the first write word line;
A gate of the first write transistor is electrically connected to the first write word line;
One of a source and a drain of the read transistor is electrically connected to the read word line,
The other of the source and the drain of the read transistor is electrically connected to the read bit line,
A gate of the precharge transistor is electrically connected to the precharge line;
The other of the source and the drain of the precharge transistor is electrically connected to a wiring to which a predetermined potential is supplied,
The peripheral circuit has a first circuit, a second circuit, and a controller,
The first circuit is electrically connected to the write bit line and the read bit line,
The first circuit has a function of writing data to the memory cell and a function of reading data from the memory cell.
The second circuit is electrically connected to the first to k-th write word lines, the read word line, and the precharge line,
The second circuit has a function of driving the first to k-th write word lines, the read word lines, and the precharge lines,
The storage device, wherein the controller has a function of controlling the first circuit and the second circuit.
請求項4において、
前記第1乃至第k書き込みトランジスタ、および、前記プリチャージトランジスタは、それぞれチャネル形成領域に金属酸化物を有することを特徴とする、記憶装置。
In claim 4,
The memory device, wherein each of the first to k-th write transistors and the precharge transistor includes a metal oxide in a channel formation region.
請求項4において、
前記第1乃至第k書き込みトランジスタ、前記プリチャージトランジスタ、および、前記読み出しトランジスタは、それぞれチャネル形成領域に金属酸化物を有することを特徴とする、記憶装置。
In claim 4,
The memory device, wherein the first to k-th write transistors, the precharge transistor, and the read transistor each include a metal oxide in a channel formation region.
請求項5において、
前記第1回路、前記第2回路、および、前記コントローラは、半導体基板に形成されたトランジスタを有し、
前記第1乃至第k書き込みトランジスタ、および、前記プリチャージトランジスタは、それぞれ前記半導体基板の上方に積層して形成されることを特徴とする、記憶装置。
In claim 5,
The first circuit, the second circuit, and the controller include a transistor formed on a semiconductor substrate,
The memory device, wherein the first to k-th write transistors and the precharge transistor are formed by being stacked on the semiconductor substrate, respectively.
請求項6において、
前記第1回路、前記第2回路、および、前記コントローラは、半導体基板に形成されたトランジスタを有し、
前記第1乃至第k書き込みトランジスタ、前記プリチャージトランジスタ、および、前記読み出しトランジスタは、それぞれ前記半導体基板の上方に積層して形成されることを特徴とする、記憶装置。
In claim 6,
The first circuit, the second circuit, and the controller include a transistor formed on a semiconductor substrate,
The memory device, wherein the first to k-th write transistors, the precharge transistor, and the read transistor are formed by being stacked above the semiconductor substrate, respectively.
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