JP2021015995A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】連想メモリは一つのメモリセル内の素子数が多く、一つのメモリセルの面積が大きくなりやすい。そこで、一つのメモリセルの面積を小さくする。【解決手段】読み出し用のトランジスタのチャネル容量（ゲート電極とチャネル形成領域との間の容量）を用いて電荷の保持を行う。つまり、読み出し用のトランジスタを電荷保持用のトランジスタとして兼用する。また、読み出し用且つ電荷保持用のトランジスタのゲートに電荷供給用のトランジスタのソース又はドレインの一方を電気的に接続する。【選択図】図１

Description

技術分野は連想メモリを備えた半導体装置に関する。

連想メモリ（ＣＡＭ（Ｃｏｎｔｅｎｔ Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ Ｍｅｍｏｒｙ））と
は、データワードと呼ばれる一連の情報について一致又は不一致の判断を行うことができ
るメモリである。

連想メモリでは例えば「１０１１０」のようなデータワードの一致又は不一致の判断を
行う。

連想メモリとしては、２値連想メモリ（ＢＣＡＭ（Ｂｉｎａｒｙ ＣＡＭ））、３値連
想メモリ（ＴＣＡＭ（Ｔｅｒｎａｒｙ ＣＡＭ））等がある。

２値連想メモリでは「Ｌｏｗ（０）」、「Ｈｉｇｈ（１）」の２値のいずれかが各メモ
リセルに記憶されている。

３値連想メモリでは「Ｌｏｗ（０）」、「Ｈｉｇｈ（１）」、「Ｘ（Ｄｏｎ’ｔ Ｃａ
ｒｅ）」の３値のいずれかがメモリ回路の各メモリセルに記憶されている。

なお、「Ｘ（Ｄｏｎ’ｔ Ｃａｒｅ）」は、読み出し動作のときにどのような値が入力
されても一致と判断する値である。

連想メモリの一例として、特許文献１に記載されている容量素子を用いた連想メモリが
ある。

特開２００３−２７２３８６号公報

連想メモリは一つのメモリセル内の素子数が多く、一つのメモリセルの面積が大きくな
りやすい。

そこで、一つのメモリセルの面積を小さくすることを目的とする。

読み出し用のトランジスタのチャネル容量（ゲート電極とチャネル形成領域との間の容
量）を用いて電荷の保持を行う。

つまり、読み出し用のトランジスタを電荷保持用のトランジスタとして兼用する。

また、読み出し用且つ電荷保持用のトランジスタのゲートに電荷供給用のトランジスタ
のソース又はドレインの一方を電気的に接続する。

ここで、読み出し用且つ電荷保持用のトランジスタに用いる半導体は、読み出し速度向
上のため、シリコンを含有する半導体を用いると好ましい。読み出し速度をより向上させ
るためには、シリコンを含有する半導体は結晶性を有していると好ましい。

一方、電荷供給用のトランジスタのリーク量が多い場合、読み出し用且つ電荷保持用の
トランジスタのチャネル容量を大きくしなければならなくなり、読み出し用且つ電荷保持
用のトランジスタのチャネル形成領域の面積を大きくする必要が生じる場合がある。

そこで、電荷供給用のトランジスタには酸化物半導体を用いると好ましい。

即ち、酸化物半導体はシリコンよりもバンドギャップが広い。

そして、トランジスタに用いる半導体のバンドギャップが広いほど、トランジスタのオ
フ電流が小さくなる。

したがって、少なくともチャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタは、シ
リコンを含有する半導体を用いたトランジスタと比較して、ソースとドレインと間のリー
ク量（トランジスタのオフ電流）が極めて少ない。

よって、電荷供給用のトランジスタに用いる半導体として、酸化物半導体を適用するこ
とにより、読み出し用且つ電荷保持用のトランジスタのチャネル形成領域の面積を減らす
ことができる。

なお、電荷供給用のトランジスタのリーク量が多い場合、リフレッシュ動作が必要にな
る。

しかしながら、酸化物半導体を用いたトランジスタのようにリーク量が極めて少ないト
ランジスタを用いることにより、リフレッシュ動作の回数を低減することができる。

そして、リフレッシュ動作の回数を低減すれば、消費電力を少なくすることができる。

つまり、酸化物半導体を電荷供給用のトランジスタに用いることによって、リフレッシ
ュ動作の回数を低減して消費電力を少なくすることができるという副次的な効果もある。

第１乃至第４のトランジスタと、第１乃至第４の配線と、を有し、前記第１の配線には
、前記第１のトランジスタのソース又はドレインの一方と、前記第３のトランジスタのソ
ース又はドレインの一方と、が電気的に接続され、前記第２の配線には、前記第２のトラ
ンジスタのソース又はドレインの一方と、前記第４のトランジスタのソース又はドレイン
の一方と、が電気的に接続され、前記第３の配線には、前記第１のトランジスタのゲート
と、前記第２のトランジスタのゲートと、が電気的に接続され、前記第４の配線には、前
記第３のトランジスタのソース又はドレインの他方と、前記第４のトランジスタのソース
又はドレインの他方と、が電気的に接続され、前記第３のトランジスタのゲートには、前
記第１のトランジスタのソース又はドレインの他方が電気的に接続され、前記第４のトラ
ンジスタのゲートには、前記第２のトランジスタのソース又はドレインの他方が電気的に
接続され、前記第１及び前記第２のトランジスタの半導体層として、酸化物半導体層が用
いられ、前記第３及び前記第４のトランジスタの半導体層として、シリコンを含有する半
導体層が用いられていることを特徴とする半導体装置を提供することができる。

また、前記第３のトランジスタの半導体層と前記第４のトランジスタの半導体層とは共
有されていることを特徴とする半導体装置を提供することができる。

また、第１乃至第５のトランジスタと、第１乃至第５の配線と、を有し、前記第１の配
線には、前記第１のトランジスタのソース又はドレインの一方と、前記第３のトランジス
タのソース又はドレインの一方と、が電気的に接続され、前記第２の配線には、前記第２
のトランジスタのソース又はドレインの一方と、前記第４のトランジスタのソース又はド
レインの一方と、が電気的に接続され、前記第３の配線には、前記第１のトランジスタの
ゲートと、前記第２のトランジスタのゲートと、が電気的に接続され、前記第４の配線に
は、前記第５のトランジスタのソース又はドレインの一方が電気的に接続され、前記第５
の配線には、前記第５のトランジスタのゲートが電気的に接続され、前記第３のトランジ
スタのゲートには、前記第１のトランジスタのソース又はドレインの他方が電気的に接続
され、前記第４のトランジスタのゲートには、前記第２のトランジスタのソース又はドレ
インの他方が電気的に接続され、前記第５のトランジスタのソース又はドレインの他方に
は、前記第３のトランジスタのソース又はドレインの他方と、前記第４のトランジスタの
ソース又はドレインの他方と、が電気的に接続され、前記第１及び前記第２のトランジス
タの半導体層として、酸化物半導体層が用いられ、前記第３乃至前記第５のトランジスタ
の半導体層として、シリコンを含有する半導体層が用いられていることを特徴とする半導
体装置を提供することができる。

また、前記第１のトランジスタは、前記第３のトランジスタの上方に設けられており、
前記第２のトランジスタは、前記第４のトランジスタの上方に設けられており、前記第３
のトランジスタの半導体層と前記第４のトランジスタの半導体層と前記第５のトランジス
タの半導体層とは共有されていることを特徴とする半導体装置を提供することができる。

前記第１のトランジスタの半導体層と前記第３のトランジスタの半導体層とは重なり、
前記第２のトランジスタの半導体層と前記第４のトランジスタの半導体層とは重なること
を特徴とする半導体装置を提供することができる。

前記第１のトランジスタの半導体層の一端と前記第３のトランジスタの半導体層の一端
とは第１の接続電極を介して電気的に接続され、前記第２のトランジスタの半導体層の一
端と前記第４のトランジスタの半導体層の一端とは第２の接続電極を介して電気的に接続
され、前記第１のトランジスタの半導体層の一端は、前記第１の接続電極と接し、前記第
１のトランジスタの半導体層の他端は、前記第３のトランジスタの前記ゲートとして機能
するゲート電極と接し、前記第２のトランジスタの半導体層の一端は、前記第２の接続電
極と接し、前記第２のトランジスタの半導体層の他端は、前記第４のトランジスタの前記
ゲートとして機能するゲート電極と接し、前記第１の接続電極、前記第２の接続電極、前
記第３のトランジスタのゲート電極、及び前記第４のトランジスタのゲート電極は同一工
程で形成されたものであることを特徴とする半導体装置を提供することができる。

第１乃至第４のトランジスタはメモリセルに含まれ、前記メモリセルは、前記第３のト
ランジスタのチャネル容量及び前記第４のトランジスタのチャネル容量により電荷の保持
を行うことを特徴とする半導体装置を提供することができる。

読み出し用のトランジスタのチャネル容量を用いて電荷の保持を行うことによって、一
つのメモリセルの面積を小さくすることができる。

読み出し用且つ電荷保持用のトランジスタには結晶性を有しシリコンを含有する半導体
を用い且つ電荷供給用のトランジスタには酸化物半導体を用いることによって、読み出し
速度を向上し且つ一つのメモリセルの面積を小さくすることができる。

半導体装置の一例。 半導体装置の一例。 半導体装置の一例。 半導体装置の一例。 半導体装置の一例。 半導体装置の作製方法の一例。 半導体装置の作製方法の一例。 半導体装置の作製方法の一例。 半導体装置の作製方法の一例。 半導体装置の作製方法の一例。 半導体装置の作製方法の一例。 半導体装置の作製方法の一例。 半導体装置の作製方法の一例。 半導体装置の作製方法の一例。 半導体装置の作製方法の一例。 実施例１におけるサンプルの初期特性。 実施例１におけるサンプルのＢＴ試験結果。 実施例１におけるサンプルのＢＴ試験結果。 オフ電流と測定時の基板温度の関係。

実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

但し、発明の趣旨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、発明の範囲は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものでは
ない。

なお、以下に説明する構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の
符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。

また、以下の実施の形態は、いくつかを適宜組み合わせて実施することができる。

（実施の形態１）
連想メモリを有する半導体装置の一例について図１、図２を用いて説明する。

図１は図２のｉ行ｊ列のメモリセル（図２のｂ_ｉｊに対応）の一例を示している。なお
、図中、ｉ、ｊ、ｍ、ｎは自然数である。また、ｉはｍより小さく、ｊはｎより小さい。

図１において、一つのメモリセルには、トランジスタ１１、トランジスタ１２、トラン
ジスタ２１、トランジスタ２２、配線３１、配線３２、配線３３、及び配線３４が配置さ
れている。

トランジスタ１１及びトランジスタ１２は、電荷供給用のトランジスタとしての機能を
有する。

なお、トランジスタ１１及びトランジスタ１２には酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍ
ｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ（ＯＳ））を用いているため、トランジスタの回路記号の下にＯＳ
という符号を付している。

トランジスタ２１及びトランジスタ２２は、読み出し用のトランジスタ及び電荷保持用
のトランジスタとしての機能を有する。

図１ではトランジスタ１１、トランジスタ１２、トランジスタ２１、トランジスタ２２
はｎチャネル型トランジスタを用いているが必要に応じてｐチャネル型トランジスタを用
いても良い。

なお、ｐチャネル型トランジスタを用いる場合は必要に応じて入力信号又は入力電圧の
極性を反転させれば良い。

配線３１及び配線３２は、サーチ線としての機能を有する。

なお、図中のＳＬ及び／ＳＬはサーチ線を意味する。

また、ＳＬ_ｘ（ｘは任意の数）と表記した場合、ｘ列目のメモリセルに配置されたサー
チ線ＳＬであることを意味する。

配線３３は、ワード線としての機能を有する。

なお、図中のＷＬはワード線を意味する。

また、ＷＬ_ｙ（ｙは任意の数）と表記した場合、ｙ行目のメモリセルに配置されたワー
ド線ＷＬであることを意味する。

配線３４は、マッチ線としての機能を有する。

なお、図中のＭＬはマッチ線を意味する。

また、ＭＬ_ｙ（ｙは任意の数）と表記した場合、ｙ行目のメモリセルに配置されたマッ
チ線ＭＬであることを意味する。

配線３１には、トランジスタ１１のソース又はドレインの一方と、トランジスタ２１の
ソース又はドレインの一方と、が電気的に接続されている。

配線３２には、トランジスタ１２のソース又はドレインの一方と、トランジスタ２２の
ソース又はドレインの一方と、が電気的に接続されている。

配線３３には、トランジスタ１１のゲートと、トランジスタ１２のゲートと、が電気的
に接続されている。

なお、トランジスタ１１のゲート及びトランジスタ１２のゲートをそれぞれ異なる配線
に電気的に接続しても良い。

但し、トランジスタ１１のゲート及びトランジスタ１２のゲートには同じ信号を入力す
るため、図１のようにトランジスタ１１のゲート及びトランジスタ１２のゲートを共通の
配線に電気的に接続することが好ましい。

配線３４には、トランジスタ２１のソース又はドレインの他方と、トランジスタ２２の
ソース又はドレインの他方と、が電気的に接続されている。

配線３１及び配線３２は、列方向に沿って並ぶメモリセル群に共通して設けられている
。

配線３３及び配線３４は、行方向に沿って並ぶメモリセル群に共通して設けられている
。

トランジスタ１１のソース又はドレインの他方には、トランジスタ２１のゲートが電気
的に接続されている。

トランジスタ１２のソース又はドレインの他方には、トランジスタ２２のゲートが電気
的に接続されている。

なお、本明細書では、直接接続されている状態、若しくは、回路動作に影響のない素子
を介して接続されている状態を「電気的に接続」されていると呼んでいる。

回路動作に影響のない素子とは、入力が信号の場合は信号の内容を変えずに出力する素
子であり、入力が電圧の場合は電圧の極性を変えずに出力する素子であり、具体的には、
抵抗素子、スイッチ、ダイオード等である。スイッチとしては例えばトランジスタ等があ
る。なお、入力が電圧の場合は容量素子等も含まれる。

また、図２においてメモリセル（ｂ_ｘｙと表記）が行方向及び列方向に沿って並んでい
る。

なお、ｂ_ｘｙ（ｘ、ｙは任意の数）と表記した場合、ｘ番目の列、ｙ番目の行に配置さ
れたメモリセルであることを意味する。

また、図２において、各行にプリチャージを行うための手段（図２では「Ｈｉｇｈ（１
）」が入出力されるトランジスタ）と、各行の出力を整えるためのバッファと、が備えら
れている。

また、出力Ｇ_ｙは判定回路に入力され、判定回路にて出力Ｇ_ｙ（「Ｈｉｇｈ（１）」又
は「Ｌｏｗ（０）」）に応じて一致、不一致を判定する。

ここで、各動作（書き込み動作、読み出し動作）について説明する。

以下では、図１及び図２のｉ行ｊ列のメモリセルの動作を例に説明するが、他のメモリ
セルでも同様の動作を繰り返すことにより、全てのメモリセルにおいて書き込み動作及び
読み出し動作を行うことができる。

書き込み動作を行う場合、まず、ワード線ＷＬ_ｉを選択して、トランジスタ１１のゲー
ト及びトランジスタ１２のゲートを開いた状態（トランジスタをオン状態）とする。

そして、サーチ線ＳＬ_ｊ及びサーチ線／ＳＬ_ｊに「Ｈｉｇｈ（１）」又は「Ｌｏｗ（０
）」に対応する電圧を入力する。

ここで、３値連想メモリ（ＴＣＡＭ）の場合、サーチ線ＳＬ_ｊの入力Ｓ_ｊ及びサーチ線
／ＳＬ_ｊの入力／Ｓ_ｊの組み合わせは、Ｓ_ｊが「Ｈｉｇｈ（１）」且つ／Ｓ_ｊが「Ｌｏｗ
（０）」の第１状態、Ｓ_ｊが「Ｌｏｗ（０）」且つ／Ｓ_ｊが「Ｈｉｇｈ（１）」の第２状
態、及びＳ_ｊが「Ｌｏｗ（０）」且つ／Ｓ_ｊが「Ｌｏｗ（０）」の第３状態である。

なお、「Ｈｉｇｈ（１）」は電源電圧Ｖｄｄである。

また、「Ｌｏｗ（０）」は低電源電圧Ｖｓｓ又は接地電位ＧＮＤである。

低電源電圧Ｖｓｓは電源電圧Ｖｄｄよりも低い電圧である。

基準電位が接地電位ＧＮＤとならない場合は、電源電位Ｖｄｄと対になる電源電圧を低
電源電圧Ｖｓｓと呼んでいる。

第１状態及び第２状態は、Ｓ_ｊと／Ｓ_ｊとが逆の極性である。

そして、第１状態はＳ_ｊに「Ｈｉｇｈ（１）」が入力されるので、メモリセルｂ_ｉｊの
状態は「Ｈｉｇｈ（１）」である。

また、第２状態はＳ_ｊに「Ｌｏｗ（０）」が入力されるので、メモリセルｂ_ｉｊの状態
は「Ｌｏｗ（０）」である。

そして、第３状態はＳ_ｊ及び／Ｓ_ｊの双方に「Ｌｏｗ（０）」が入力されるので、メモ
リセルｂ_ｉｊの状態は「Ｘ（Ｄｏｎ’ｔ Ｃａｒｅ）」である。

なお、メモリセルｂ_ｉｊ内に情報ｂ_ｉｊ及び情報／ｂ_ｉｊがそれぞれ記憶される。

ｂ_ｉｊはトランジスタ２１のチャネル容量に記憶された情報であり、／ｂ_ｉｊはトラン
ジスタ２２のチャネル容量に記憶された情報である。

「Ｘ（Ｄｏｎ’ｔ Ｃａｒｅ）」は、読み出し動作のときにどのような値が入力されて
も一致と判断する値である。

以上と同様の動作を各メモリセルにおいて行うことにより、各メモリセルに書き込みを
行う。

書き込み動作が終了した後は、トランジスタ１１のゲート及びトランジスタ１２のゲー
トを閉じた状態（トランジスタをオフ状態）とする。

よって、読み出し動作を行う場合には、トランジスタ１１のゲート及びトランジスタ１
２のゲートが閉じた状態（トランジスタをオフ状態）となっている。

読み出し動作を行う場合は、マッチ線ＭＬ_ｉに「Ｈｉｇｈ（１）」をプリチャージする
。

次に、サーチ線ＳＬ_ｊ及びサーチ線／ＳＬ_ｊに「Ｈｉｇｈ（１）」又は「Ｌｏｗ（０）
」に対応する電圧を入力する。

なお、読み出し動作のときは、サーチ線ＳＬ_ｊの入力Ｓ_ｊとサーチ線／ＳＬ_ｊの入力／
Ｓ_ｊとを逆極性とする。

読み出し動作時におけるｂ_ｉｊ、／ｂ_ｉｊ、Ｓ_ｊ、／Ｓ_ｊ、及びＭＬ_ｉの関係を表１に
示す。

表１に示すように、メモリセルへの書き込み動作が第１状態又は第２状態で行われた場
合であって、入力Ｓ_ｊがメモリセル内のｂ_ｉｊと一致する場合はマッチ線ＭＬ_ｉの電位が
「Ｈｉｇｈ（１）」のままとなる。

一方、メモリセルへの書き込み動作が第１状態又は第２状態で行われた場合であって、
入力Ｓ_ｊがメモリセル内のｂ_ｉｊと一致しない場合はマッチ線ＭＬ_ｉの電位が「Ｌｏｗ（
０）」となる。

また、メモリセルへの書き込み動作が第３状態（「Ｘ（Ｄｏｎ’ｔ Ｃａｒｅ）」）で
行われた場合は、読み出し動作のとき、トランジスタ２１のゲート及びトランジスタ２２
のゲートが閉じた状態（トランジスタをオフ状態）になっているので、サーチ線ＳＬ_ｊの
入力Ｓ_ｊとサーチ線／ＳＬ_ｊの入力／Ｓ_ｊがマッチ線ＭＬ_ｉに供給されることがない。

したがって、メモリセルへの書き込み動作が第３状態（「Ｘ（Ｄｏｎ’ｔ Ｃａｒｅ）
」）で行われた場合は、入力Ｓ_ｊとメモリセル内のｂ_ｉｊの一致又は不一致にかかわらず
、マッチ線ＭＬ_ｉの電位は「Ｈｉｇｈ（１）」のままとなる。

ここで、マッチ線ＭＬ_ｉの出力Ｇ_ｉを判定する判定回路において、出力Ｇ_ｉが「Ｈｉｇ
ｈ（１）」の場合は一致と判断し、出力Ｇ_ｉが「Ｌｏｗ（０）」の場合は不一致と判断す
る。

よって、行方向に並ぶメモリセルのうち全てが一致する場合はマッチ線ＭＬ_ｉの電位が
「Ｈｉｇｈ（１）」となり一致と判断される。つまり、行方向に並ぶ全てのメモリセルに
おいて、書き込み動作が第１の状態又は第２の状態で行われ、かつ入力Ｓ_ｊがｂ_ｊと一致
する場合、又は書き込み動作が第３の状態で行われた場合は、マッチ線ＭＬ_ｉの電位が「
Ｈｉｇｈ（１）」となり一致と判断される。

一方、行方向に並ぶメモリセルのうち一つでも一致しない場合はマッチ線ＭＬ_ｉの電位
が「Ｌｏｗ（０）」となるので不一致と判断される。つまり、行方向に並ぶ全てのメモリ
セルにおいて、書き込み動作が第１の状態又は第２の状態で行われ、かつ入力Ｓ_ｊがメモ
リセル内のｂ_ｊと一致しない場合は、マッチ線ＭＬ_ｉの電位が「Ｌｏｗ（０）」となるの
で不一致と判断される。

以上のように、連想メモリではデータワードの一致又は不一致を行毎に判断し、一致す
る行が一つでもあった場合は連想メモリ全体として一致と判断し、一致する行が一つもな
かった場合は連想メモリ全体として不一致と判断する。

例えば、図３のようにデータワード「１０１１０」が入力される場合、１行目はデータ
ワード「１０１００」が記憶されており、入力されたデータワード「１０１１０」と一致
しないため１行目は不一致と判断される。

また、図３において、Ｌ行目はデータワード「１０１１０」が記憶されており、入力さ
れたデータワード「１０１１０」と一致するためＬ行目は一致と判断される。

また、図３において、Ｍ行目はデータワード「１０１１Ｘ」が記憶されており、Ｘは全
て一致であることから、入力されたデータワード「１０１１０」と一致するためＭ行目は
一致と判断される。

また、図３において、Ｎ行目はデータワード「１０１ＸＸ」が記憶されており、Ｘは全
て一致であることから、入力されたデータワード「１０１１０」と一致するためＮ行目は
一致と判断される。

よって、図３の場合は一致する行があるため、連想メモリ全体として一致と判断される
。

一方、一致する行が一つもない場合は、連想メモリ全体として不一致と判断される。

本実施の形態の内容の一部又は全部は、他の全ての実施の形態又は実施例と組み合わせ
て実施することができる。

（実施の形態２）
図１、図２、図４、図５において、「Ｘ（Ｄｏｎ’ｔ Ｃａｒｅ）」を記憶せずに、第
１状態及び第２状態のみを書き込んだ場合は２値連想メモリ（ＢＣＡＭ）となる。

つまり、図１、図２、図４、図５は、２値連想メモリ（ＢＣＡＭ）及び３値連想メモリ
（ＴＣＡＭ）の双方に利用できる。

本実施の形態の内容の一部又は全部は、他の全ての実施の形態又は実施例と組み合わせ
て実施することができる。

（実施の形態３）
２値連想メモリ（ＢＣＡＭ）又は３値連想メモリ（ＴＣＡＭ）において、各メモリセル
の記憶内容を書き込み後に確認したい場合がある。

２値連想メモリ（ＢＣＡＭ）の場合だと、読み込み動作を繰り返すことにより、各行に
記憶されたデータワードを確認できるため、読み込み動作のみで各メモリセルの記憶内容
を確認することができる。

ところが、図３で示した例のように、３値連想メモリ（ＴＣＡＭ）においては複数の行
が一致する場合がある。

そのため、複数の行が一致した場合は、一致した各行の内容に「Ｘ」が含まれるのか否
かの判別が難しいため、読み出し動作を繰り返しても、各メモリセルの記憶内容が判断で
きない場合がある。

また、別のメモリを用意して書き込んだ情報を記憶しておく方法もある。

しかしながら、別のメモリに記憶する方法は面積の大きいメモリを別途用意形成するた
め好ましい方法とはいえない。

そこで、本実施の形態では各メモリセルの記憶内容を書き込み後に確認可能な構成につ
いて図４、図５を用いて説明する。

図４の構成は、図１において、トランジスタ２１のソース又はドレインの他方とトラン
ジスタ２２のソース又はドレインの他方との接続部と、マッチ線である配線３４と、の間
にトランジスタ２３を追加した構成である。

図４において、トランジスタ２３のソース又はドレインの一方は、トランジスタ２１の
ソース又はドレインの他方とトランジスタ２２のソース又はドレインの他方との接続部と
電気的に接続されている。

図４において、トランジスタ２３のソース又はドレインの他方は、配線３４と電気的に
接続されている。

図４において、トランジスタ２３のゲートは、配線３５と電気的に接続されている。

なお、本実施の形態ではトランジスタ２３はｎチャネル型トランジスタであるが、ｐチ
ャネル型トランジスタとしても良い。

ｐチャネル型トランジスタとする場合は、適宜、入力信号又は入力電圧の極性を調整す
れば良い。

配線３５は、読み出し選択線としての機能を有する。

なお、図中のＲＬは読み出し選択線を意味する。

また、ＲＬ_ｙ（ｙは任意の数）と表記した場合、ｙ行目のメモリセルに配置された読み
出し選択線ＲＬであることを意味する。

配線３５は、行方向に沿って並ぶメモリセル群に共通して設けられている。

図５の構成は、図２において、読み出し選択線ＲＬを追加し、読み出し選択線ＲＬへ「
Ｈｉｇｈ（１）」又は「Ｌｏｗ（０）」を入力する手段（トランジスタ等）を追加し、且
つ、マッチ線ＭＬへ「Ｌｏｗ（０）」を入力する手段（トランジスタ等）を追加した構成
である。

本実施の形態ではトランジスタ２３及び読み出し選択線ＲＬを追加したことによって、
書き込み動作及び読み出し動作の他に確認動作を行うことが可能となる。

図４及び図５の動作について説明する。

以下では、図４及び図５のｉ行ｊ列のメモリセルの動作を例に説明するが、他のメモリ
セルでも同様の動作を繰り返すことにより、全てのメモリセルにおいて書き込み動作、読
み出し動作、及び確認動作を行うことができる。

まず、書き込み動作については、図１、図２と同様である。

書き込み動作時、トランジスタ２３はオン状態でもオフ状態でもどちらでもよい。

但し、書き込み動作時にマッチ線ＭＬ_ｉの電気的な状態が、サーチ線ＳＬ_ｊに影響しな
いようにするため、トランジスタ２３をオフ状態とすることが好ましい。

よって、確認動作を行わない実施の形態１においても、マッチ線ＭＬの電気的な状態が
サーチ線ＳＬに影響しないようにするためにトランジスタ２３を追加しても良い。

次に、読み込み動作についても、図１、図２と同様である。

但し、読み込み動作時には、マッチ線ＭＬ_ｉと、トランジスタ２１のソース又はドレイ
ンの他方とトランジスタ２２のソース又はドレインの他方との接続部と、を導通させる必
要があるため、読み込み動作時はトランジスタ２３をオン状態とする。

次に、確認動作の場合、全てのサーチ線Ｓ_１〜Ｓ_ｎ及びサーチ線／Ｓ_１〜／Ｓ_ｎを「Ｌ
ｏｗ（０）」にプリチャージする。

そして、ｉ行目のデータを読み出す場合、ｉ行目のマッチ線ＭＬ_ｉ及び読み出し選択線
ＲＬ_ｉを「Ｈｉｇｈ（１）」とし、且つ、ｉ行目以外のマッチ線ＭＬ_１〜ＭＬ_ｉ−１、Ｍ
Ｌ_ｉ＋１〜ＭＬ_ｍ及び読み出し選択線ＲＬ_１〜ＲＬ_ｉ−１、ＲＬ_ｉ＋１〜ＲＬ_ｍを「Ｌｏ
ｗ（０）」とする。

このとき、ｉ行目のメモリセルに記憶されたｂ_ｉｊに応じてＳ_ｊの出力が「Ｈｉｇｈ（
１）」又は「Ｌｏｗ（０）」となる。

つまり、ｂ_ｉｊが「Ｈｉｇｈ（１）」の場合はトランジスタ２１がオン状態となってい
るため、マッチ線ＭＬ_ｉの電圧「Ｈｉｇｈ（１）」がＳＬ_ｊに入力され、Ｓ_ｊとして「Ｈ
ｉｇｈ（１）」が出力される。

一方、ｂ_ｉｊが「Ｌｏｗ（０）」の場合はトランジスタ２１がオフ状態となっているた
め、マッチ線ＭＬ_ｉの電圧「Ｈｉｇｈ（１）」がＳＬ_ｊに入力されず、Ｓ_ｊはプリチャー
ジされた「Ｌｏｗ（０）」のままである。

また、ｉ行目のメモリセルに記憶された／ｂ_ｉｊに応じて／Ｓ_ｊの出力が「Ｈｉｇｈ（
１）」又は「Ｌｏｗ（０）」となる。

つまり、／ｂ_ｉｊが「Ｈｉｇｈ（１）」の場合はトランジスタ２２がオン状態となって
いるため、マッチ線ＭＬ_ｉの電圧「Ｈｉｇｈ（１）」が／ＳＬ_ｊに入力され、／Ｓ_ｊとし
て「Ｈｉｇｈ（１）」が出力される。

一方、／ｂ_ｉｊが「Ｌｏｗ（０）」の場合はトランジスタ２２がオフ状態となっている
ため、マッチ線ＭＬ_ｉの電圧「Ｈｉｇｈ（１）」が／ＳＬ_ｊに入力されず、／Ｓ_ｊはプリ
チャージされた「Ｌｏｗ（０）」のままである。

以上のように、確認動作によって、Ｓ_ｊの出力からｂ_ｉｊの内容が確認でき、／Ｓ_ｊの
出力から／ｂ_ｉｊの内容が確認できる。つまり、確認動作によって、各メモリセルの記憶
内容を確認することができる。

本実施の形態の内容の一部又は全部は、他の全ての実施の形態又は実施例と組み合わせ
て実施することができる。

（実施の形態４）
図１、図４ではチャネル容量を用いて電荷を保持（データを記憶）することにより、一
つのメモリセルの面積を小さくしている。

一方、トランジスタ２１のゲートに第１の容量素子の一方の電極を電気的に接続し、且
つ、第１の容量素子の他方の電極を「Ｌｏｗ（０）」とし、トランジスタ２２のゲートに
第２の容量素子の一方の電極を電気的に接続し、且つ、第２の容量素子の他方の電極を「
Ｌｏｗ（０）」としても良い。

上記構成の場合、第１の容量素子及び第２の容量素子を設ける必要があるが、トランジ
スタ１１及びトランジスタ１２の半導体として酸化物半導体を用いているため、第１の容
量素子及び第２の容量素子の面積を小さくしても電荷の保持が可能である。

よって、第１の容量素子及び第２の容量素子を設けた場合であっても、第１の容量素子
及び第２の容量素子の面積を最小限に抑えることができるので、一つのメモリセルの面積
を小さくすることができる。

本実施の形態の内容の一部又は全部は、他の全ての実施の形態又は実施例と組み合わせ
て実施することができる。

（実施の形態５）
図１及び図４において、読み出し用且つ電荷保持用のトランジスタ（トランジスタ２１
、トランジスタ２２）に用いる半導体は、読み出し速度向上のため、結晶性を有し、シリ
コンを含有する半導体を用いると好ましい。

一方、電荷供給用のトランジスタ（トランジスタ１１、トランジスタ１２）のリーク量
が多いと、読み出し用且つ電荷保持用のトランジスタのチャネル容量を大きくする必要が
あるため、読み出し用且つ電荷保持用のトランジスタのチャネル形成領域の面積を大きく
しなければならない。

そこで、電荷供給用のトランジスタ（トランジスタ１１、トランジスタ１２）は酸化物
半導体を用いると好ましい。

酸化物半導体はシリコンよりもバンドギャップが広く、酸化物半導体を用いたトランジ
スタは、シリコンを用いたトランジスタと比較して、ソースとドレインと間のリーク量（
トランジスタのオフ電流）が極めて少ない。

よって、電荷供給用のトランジスタ（トランジスタ１１、トランジスタ１２）に用いる
半導体として、酸化物半導体を適用することにより、読み出し用且つ電荷保持用のトラン
ジスタのチャネル形成領域の面積を減らすことができる。

読み出し速度向上のため、読み出し用且つ電荷保持用のトランジスタ（トランジスタ２
１、トランジスタ２２）はマッチ線ＭＬ（配線３４）にプリチャージした電位を素早く変
化させる必要がある。

そのため、読み出し用且つ電荷保持用のトランジスタ（トランジスタ２１、トランジス
タ２２）のチャネル幅は広くした方が好ましい。

一方、オフ電流を小さくするため、電荷供給用のトランジスタ（トランジスタ１１、ト
ランジスタ１２）のチャネル幅は狭くした方が好ましい。

したがって、読み出し用且つ電荷保持用のトランジスタ（トランジスタ２１、トランジ
スタ２２）のチャネル幅を電荷供給用のトランジスタ（トランジスタ１１、トランジスタ
１２）のチャネル幅よりも広くすることが好ましい。

本実施の形態の内容の一部又は全部は、他の全ての実施の形態又は実施例と組み合わせ
て実施することができる。

（実施の形態６）
本実施の形態では、半導体材料について説明する。

結晶性を有し、シリコンを含有する半導体としては、シリコン（Ｓｉ）、シリコンゲル
マニウム（ＳｉＧｅ）等がある。

シリコンを含有する半導体は、単結晶、多結晶、微結晶等のように結晶性を有していれ
ばどのようなものでも良いが、移動度向上のためには単結晶が最も好ましい。

酸化物半導体としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）あるいは亜鉛（Ｚｎ）とを含む
ことが好ましい。特にＩｎとＺｎを含むことが好ましい。

また、酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビ
ライザーとして、それらに加えてガリウム（Ｇａ）、スズ（Ｓｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）
、アルミニウム（Ａｌ）、又はランタノイドから選ばれた一種又は複数種を有することが
好ましい。

ランタノイドとして、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、
ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）
、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅ
ｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）がある。

例えば、一元系金属の酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛等を
用いることができる。

また、例えば、二元系金属の酸化物半導体として、Ｉｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系
酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系
酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物等を用いることができる。

また、例えば、三元系金属の酸化物半導体として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺ
Ｏとも表記する）、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ
−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−
Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚ
ｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ
系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系
酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸
化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物等を用いることができる。

また、例えば、四元系金属の酸化物半導体として、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、
Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ
−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物等
を用いることができる。

なお、ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分と
して有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、Ｉｎと
ＧａとＺｎ以外の金属元素を含有させても良い。

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

あるいは、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｓｎ
：Ｚｎ＝２：１：３（＝１／３：１／６：１／２）あるいはＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：
５（＝１／４：１／８：５／８）の原子比のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍
の酸化物を用いても良い。

しかし、これらに限られず、必要とする半導体特性（移動度、しきい値、ばらつき等）
に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする半導体特性を得るために、
キャリア濃度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間結合距離、密
度等を適切なものとすることが好ましい。

酸化物半導体は単結晶でも、非単結晶でもよい。

非単結晶の場合、非晶質でも、多結晶でもよい。また、非晶質中に結晶性を有する部分
を含む構造でもよい。なお、アモルファスは欠陥が多いため、非アモルファスが好ましい
。

本実施の形態の内容の一部又は全部は、他の全ての実施の形態又は実施例と組み合わせ
て実施することができる。

（実施の形態７）
連想メモリを用いた半導体装置の作製方法の一例について、図６〜図１５を用いて説明
する。

なお、図１０〜図１３は図１〜図２に対応する上面図であり、４つのメモリセルを図示
している。

また、図１４〜図１５は図４〜図５に対応する上面図であり、１つのメモリセルを図示
している。

そして、図１０〜図１５のＡ−Ｂ断面における断面図が図６〜図９に対応している。

図６〜図１５との間で同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を共通に付
している。

まず、基板１０１上の絶縁層１０２と、絶縁層１０２上の半導体層２００と、を有する
構造体を用意する（図６（Ａ））。

図６（Ａ）の構造体としては、ＳＯＩ基板（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｎ Ｉｎ
ｓｕｌａｔｏｒ）等を用いることができる。

または、基板１０１上に絶縁層１０２、半導体層２００を順次形成することにより図６
（Ａ）の構造体を形成しても良い。

基板１０１としては、シリコンウェハ、ガラス基板、石英基板、金属基板（ステンレス
基板等）を用いることができるがこれらに限定されない。

なお、図６（Ａ）の構造体の代わりにシリコンウェハを用いてトランジスタを形成して
も良い。

絶縁層１０２としては、絶縁性を有していればどのような材料でも用いることができる
。例えば、酸化珪素膜、窒化珪素膜、窒素を含む酸化珪素膜、酸素を含む窒化珪素膜、窒
化アルミニウム膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜等を用いることができるがこ
れらに限定されない。絶縁層１０２は、単層構造でも積層構造でも良い。

半導体層２００は、結晶性を有し、シリコンを含有する半導体を用いることが好ましい
がこれに限定されない。例えば、結晶性又は非晶質の酸化物半導体を用いても良い。また
、非晶質のシリコンを含有する半導体を用いてもよい。

シリコンを含有する半導体としては、シリコン（Ｓｉ）、シリコンゲルマニウム（Ｓｉ
Ｇｅ）等がある。

シリコンを含有する半導体は、単結晶、多結晶、微結晶等のように結晶性を有していれ
ばどのようなものでも良いが、移動度向上のためには単結晶が最も好ましい。

次に、半導体層２００をエッチング加工して島状の半導体層２１０を形成し、半導体層
２１０上にゲート絶縁層３００を形成する（図６（Ｂ）、図１０（Ａ）、図１４（Ａ））
。

ゲート絶縁層３００は、絶縁性を有していればどのような材料でも用いることができる
。例えば、酸化珪素膜、窒化珪素膜、窒素を含む酸化珪素膜、酸素を含む窒化珪素膜、窒
化アルミニウム膜、酸化アルミニウム膜、半導体層２１０を酸化又は窒化した膜、酸化ハ
フニウム膜等を用いることができるがこれらに限定されない。ゲート絶縁層３００は、単
層構造でも積層構造でも良い。

図６（Ｂ）では、図１のトランジスタ２１に用いる半導体層と、図１のトランジスタ２
２に用いる半導体層と、を共有している（一体形成している）。

図６（Ｂ）のように、図１のトランジスタ２１に用いる半導体層と、図１のトランジス
タ２２に用いる半導体層と、を共有することにより、図１のメモリセルを作製するに際し
て、一つのメモリセルの面積を小さくすることができる。

なお、トランジスタ２１に用いる半導体層と、トランジスタ２２に用いる半導体層と、
を分離しても良い。

図１０（Ａ）では、図４のトランジスタ２１に用いる半導体層と、図４のトランジスタ
２２に用いる半導体層と、図４のトランジスタ２３に用いる半導体層と、を共有している
（一体形成している）。

図１０（Ａ）のように、図４のトランジスタ２１に用いる半導体層と、図４のトランジ
スタ２２に用いる半導体層と、図４のトランジスタ２３に用いる半導体層と、を共有する
ことにより、図４のメモリセルを作製するに際して、一つのメモリセルの面積を小さくす
ることができる。

なお、トランジスタ２１に用いる半導体層と、トランジスタ２２に用いる半導体層と、
図４のトランジスタ２３に用いる半導体層と、を分離しても良い。

次に、ゲート絶縁層３００に複数の開口部を設ける（図６（Ｃ））。

複数の開口部は、トランジスタのソース又はドレインとなる位置に設けられる。

次に、ゲート絶縁層３００上のゲート電極と、開口部を介して半導体層２１０に電気的
に接続される接続電極と、を同時に形成する。さらに、ゲート電極及び接続電極をマスク
として不純物元素を添加する（図７（Ａ）、図１０（Ｂ）、図１４（Ｂ））。ゲート電極
と接続電極とは同一工程で同時に形成されているため、ゲート電極と接続電極とは同層で
あるといえる。ゲート電極と接続電極とは同一工程で同時に形成されているため、ゲート
電極と接続電極とは同じ出発膜を用いて形成されたものであるともいえる。

不純物元素としてはドナー元素（燐、ヒ素等）又はアクセプター元素（ホウ素等）を用
いることができる。

なお、接続電極と半導体層とが接する箇所の抵抗を下げるため、接続電極形成前に、接
続電極が接する箇所に選択的に不純物元素を添加しておいても良い。

なお、電極４１１、電極４１２、電極４１３がゲート電極に対応する。

また、電極４２１、電極４２２、電極４２３、電極４２４が接続電極に対応する。

そして、電極４１１は、図１、図４のトランジスタ２１のゲート電極に対応する。

また、電極４１２は、図１、図４のトランジスタ２２のゲート電極に対応する。

また、電極４１３は、図４のトランジスタ２３のゲート電極に対応する。

ゲート電極及び接続電極は、導電性を有していればどのような材料でも用いることがで
きる。例えば、アルミニウム、チタン、モリブデン、タングステン、金、銀、銅、導電性
を付与する不純物を添加したシリコン、様々な合金、酸化物導電層（代表的にはインジウ
ム錫酸化物等）等を用いることができるがこれらに限定されない。ゲート電極及び接続電
極は、単層構造でも積層構造でも良い。

次に、サイドウォール用絶縁層を形成した後、サイドウォール用絶縁層をエッチバック
することにより、ゲート電極の側面及び接続電極の側面にサイドウォール５１０を形成し
、サイドウォール、ゲート電極及び接続電極をマスクとして不純物元素を添加する（図７
（Ｂ））。

なお、サイドウォール形成時にゲート絶縁層３００の一部も同時に除去する（図７（Ｂ
））。

サイドウォール用絶縁層としては、絶縁性を有していればどのような材料でも用いるこ
とができる。例えば、酸化珪素膜、窒化珪素膜、窒素を含む酸化珪素膜、酸素を含む窒化
珪素膜、窒化アルミニウム膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜等を用いることが
できるがこれらに限定されない。サイドウォール用絶縁層は、単層構造でも積層構造でも
良い。

次に、ゲート電極上及び接続電極上に層間絶縁膜６００を形成する（図７（Ｃ））。

層間絶縁膜６００は、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、窒素を含む酸化シリコン膜、
酸素を含む窒化シリコン膜、ポリイミド、アクリル、シロキサンポリマー、窒化アルミニ
ウム膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜等を用いることができるがこれらに限定
されない。層間絶縁膜６００は、単層構造でも積層構造でも良い。

次に、層間絶縁膜６００をエッチバック又は研磨（機械研磨、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａ
ｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）等）することにより、ゲート電極及び
接続電極の上面（表面）を露出させる（図８（Ａ））。

層間絶縁膜６００の埋め込みを行うことによって、コンタクトホールを形成することな
く、ゲート電極の上面（表面）及び接続電極の上面（表面）を露出することができるので
、マスク数を削減することができる。

ゲート電極及び接続電極の上面（表面）を露出させた層間絶縁膜６００は、ゲート電極
及び接続電極の間に埋め込まれた状態となっている。

よって、ゲート電極及び接続電極の上面（表面）を露出させた層間絶縁膜６００は、埋
込絶縁層であるといえる。

なお、後に形成する酸化物半導体層を結晶性を有するものとする場合、酸化物半導体層
が形成される層間絶縁膜６００表面の平坦性が高いことが好ましい。

そのため、ゲート電極及び接続電極の上面（表面）を露出させる方法はＣＭＰを用いる
ことが好ましい。

次に、層間絶縁膜６００（埋込絶縁層）上、接続電極上、及び、ゲート電極上に酸化物
半導体層７１１、酸化物半導体層７１２を形成する（図８（Ｂ）、図１１（Ａ）、図１４
（Ｃ））。

なお、酸化物半導体層７１１は、図１、図４のトランジスタ１１の半導体層に対応する
。

また、酸化物半導体層７１２は、図１、図４のトランジスタ１２の半導体層に対応する
。

そして、酸化物半導体層の一端は接続電極に接しており、酸化物半導体層の他端はゲー
ト電極に接している。

さらに、酸化物半導体層は、接続電極とゲート電極との間の領域と重なる位置に配置さ
れており、且つ、下層の半導体層と重なる位置に配置されている。

以上のような構成とすることによって、一つのメモリセルの面積を縮小することができ
る。

ここで、水素元素は酸化物半導体層中においてキャリア（ドナー）となる。

また、水素元素は還元性を有するので酸素欠損を誘発する元素でもある。

よって、水素元素はキャリアを誘発する２つの要因を双方有しているため、水素元素を
含む物質は酸化物半導体層を高純度化してＩ型に近づけることを妨げる物質であるといえ
る。

なお、水素元素を含む物質とは、水素、水分、水酸化物、水素化物等を含む。

一方、層間絶縁膜６００をプラズマＣＶＤ法で形成した場合、成膜ガスに水素元素が含
まれるため、層間絶縁膜６００中に水素が取り込まれて酸化物半導体層に悪影響を与える
。

また、ポリイミド、アクリル、シロキサンポリマー等の樹脂膜は水分を多量に含むため
、水分が酸化物半導体層に悪影響を与える。

そのため、酸化物半導体層７１１及び酸化物半導体層７１２と接する層間絶縁膜６００
は水素を含まないスパッタ法で形成された膜であることが好ましい。特にスパッタ法で形
成された酸化シリコン膜又は酸化アルミニウム膜が好適である。

次に、酸化物半導体層７１１上及び酸化物半導体層７１２上にゲート絶縁層８００を形
成し、ゲート絶縁層８００上にゲート電極８１１（ゲート配線）を形成する（図８（Ｃ）
、図１１（Ｂ）、図１５（Ａ））。

ゲート絶縁層８００は、絶縁性を有していればどのような材料でも用いることができる
。例えば、酸化珪素膜、窒化珪素膜、窒素を含む酸化珪素膜、酸素を含む窒化珪素膜、窒
化アルミニウム膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜等を用いることができるがこ
れらに限定されない。ゲート絶縁層８００は、単層構造でも積層構造でも良い。

ゲート電極８１１は、導電性を有していればどのような材料でも用いることができる。
例えば、アルミニウム、チタン、モリブデン、タングステン、金、銀、銅、導電性を付与
する不純物を添加したシリコン、様々な合金、酸化物導電層（代表的にはインジウム錫酸
化物等）等を用いることができるがこれらに限定されない。ゲート電極（ゲート配線）は
、単層構造でも積層構造でも良い。

ゲート電極８１１は、図１、図４のトランジスタ１１のゲート電極、トランジスタ１２
のゲート電極、及び、配線３３（ワード線ＷＬ）に対応する。

次に、サイドウォール用絶縁層を形成した後、サイドウォール用絶縁層をエッチバック
することにより、ゲート電極の側面にサイドウォール９１０を形成する（図９（Ａ））。

なお、サイドウォール形成時にゲート絶縁層８００の一部も同時に除去する（図９（Ａ
））。

サイドウォール用絶縁層としては、絶縁性を有していればどのような材料でも用いるこ
とができる。例えば、酸化珪素膜、窒化珪素膜、窒素を含む酸化珪素膜、酸素を含む窒化
珪素膜、窒化アルミニウム膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜等を用いることが
できるがこれらに限定されない。サイドウォール用絶縁層は、単層構造でも積層構造でも
良い。

次に、酸化物半導体層７１１上の電極１０１１及び電極１０２１と、酸化物半導体層７
１２上の電極１０１２及び電極１０２２と、電極４２３上及び層間絶縁膜６００上の配線
１０２３と、を同時に形成する（図９（Ｂ）、図１２、図１５（Ｂ））。

なお、図４のメモリセルを形成する場合は、図１５（Ｂ）のように、電極４１３上及び
層間絶縁膜６００上の配線１０２４、並びに、電極４２４上及び層間絶縁膜６００上の配
線１０２５も同時に形成する。

図９（Ｂ）の電極及び配線は、導電性を有していればどのような材料でも用いることが
できる。例えば、アルミニウム、チタン、モリブデン、タングステン、金、銀、銅、導電
性を付与する不純物を添加したシリコン、様々な合金、酸化物導電層（代表的にはインジ
ウム錫酸化物等）等を用いることができるがこれらに限定されない。電極及び配線は、単
層構造でも積層構造でも良い。

電極１０１１及び電極１０２１は、一方が図１、図４のトランジスタ１１のソース電極
に対応し、他方が図１、図４のトランジスタ１１のドレイン電極に対応する。

電極１０１２及び電極１０２２は、一方が図１、図４のトランジスタ１２のソース電極
に対応し、他方が図１、図４のトランジスタ１２のドレイン電極に対応する。

配線１０２３は、図１の配線３４（マッチ線ＭＬ）に対応する。

配線１０２３は、図４のトランジスタ２３と、図４のトランジスタ２１及び図４のトラ
ンジスタ２２と、を電気的に接続する配線に対する補助配線となる。なお、補助配線の形
成を省略しても良いが、補助配線を形成することにより、マッチ線ＭＬへの電荷供給を素
早く行うことができるため補助配線を形成した方が好ましい。

配線１０２４は、図４の配線３５（読み出し選択線ＲＬ）に対応する。

配線１０２５は、図４の配線３４（マッチ線ＭＬ）に対応する。

なお、図９（Ｂ）のように、ソース電極又はドレイン電極（電極１０１１、電極１０２
１、電極１０１２、電極１０２２等）を、下層のゲート電極又は接続電極とも接するよう
することによって、酸化物半導体層と下層のゲート電極又は接続電極との間に接触不良が
生じた場合であっても、酸化物半導体層と下層のゲート電極又は接続電極との電気的な接
続が可能になる。

また、酸化物半導体層７１１と電極１０１１が重なる領域、酸化物半導体層７１１と電
極１０２１が重なる領域、酸化物半導体層７１２と電極１０１２が重なる領域、酸化物半
導体層７１２と電極１０２２が重なる領域、はそれぞれトランジスタのソース領域又はド
レイン領域とみなすこともできる。

そして、サイドウォール５１０が存在することによって、チャネル形成領域と、ソース
領域又はドレイン領域と、の間に高抵抗領域（サイドウォールと重なる酸化物半導体層の
領域）が形成されるため、酸化物半導体を用いたトランジスタのオフ電流を低減すること
ができ、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク量を減少させることができる。

次に、ゲート電極上に層間絶縁膜１１００を形成し、層間絶縁膜１１００にコンタクト
ホールを形成し、層間絶縁膜１１００上に配線１２１１及び配線１２１２を形成する（図
９（Ｃ）、図１３、図１５（Ｃ））。

配線１２１１はコンタクトホールを介して電極１０２１と電気的に接続されている。

配線１２１２はコンタクトホールを介して電極１０２２と電気的に接続されている。

層間絶縁膜１１００は、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、窒素を含む酸化シリコン膜
、酸素を含む窒化シリコン膜、ポリイミド、アクリル、シロキサンポリマー、窒化アルミ
ニウム膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜等を用いることができるがこれらに限
定されない。層間絶縁膜１１００は、単層構造でも積層構造でも良い。

配線１２１１及び配線１２１２は、導電性を有していればどのような材料でも用いるこ
とができる。例えば、アルミニウム、チタン、モリブデン、タングステン、金、銀、銅、
導電性を付与する不純物を添加したシリコン、様々な合金、酸化物導電層（代表的にはイ
ンジウム錫酸化物等）等を用いることができるがこれらに限定されない。配線１２１１及
び配線１２１２は、単層構造でも積層構造でも良い。

配線１２１１は、図１、図４の配線３１（サーチ線ＳＬ）に対応する。

配線１２１２は、図１、図４の配線３２（サーチ線／ＳＬ）に対応する。

各層を以上のように配置、作製することによって、図１又は図４のメモリセルを作製す
る場合に一つのメモリセルの面積を小さくすることができる。

本実施の形態の内容の一部又は全部は、他の全ての実施の形態又は実施例と組み合わせ
て実施することができる。

（実施の形態８）
実施の形態７では、トップゲート型トランジスタの場合を示したが、ボトムゲート型ト
ランジスタとしても良いし、フィン型トランジスタとしても良い。

実施の形態７で示した構造と異なるトップゲート型のトランジスタとしても良い。

即ち、トランジスタの構造はどのようなものでも適用可能である。

本実施の形態の内容の一部又は全部は、他の全ての実施の形態又は実施例と組み合わせ
て実施することができる。

Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを含有する酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体を形
成する際に基板を加熱して成膜すること、或いは酸化物半導体膜を形成した後に熱処理を
行うことで良好な特性を得ることができる。

なお、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎは組成比でそれぞれ５ａｔｏｍｉｃ％以上含まれていると好ま
しい。

Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを含有する酸化物半導体膜の成膜後に基板を意図的に加熱することで
、トランジスタの電界効果移動度を向上させることが可能となる。

また、ｎチャネル型のトランジスタのしきい値電圧をプラスシフトさせることができる
。

ｎチャネル型のトランジスタのしきい値電圧をプラスシフトさせることにより、ｎチャ
ネル型のトランジスタのオフ状態を維持するための電圧の絶対値を低くすることができ、
低消費電力化が可能となる。

さらに、ｎチャネル型のトランジスタのしきい値電圧をプラスシフトさせて、しきい値
電圧を０Ｖ以上にすれば、ノーマリーオフ型のトランジスタを形成することが可能となる
。

Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを含有する酸化物半導体を用いたトランジスタの特性を以下に示す。

（サンプルＡ〜Ｃ共通条件）
組成比としてＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１のターゲットを用いて、ガス流量比をＡｒ
／Ｏ２＝６／９ｓｃｃｍ、成膜圧力を０．４Ｐａ、成膜電力１００Ｗとして、１５ｎｍの
厚さとなるように基板上に酸化物半導体層を成膜した。

次に、酸化物半導体層を島状になるようにエッチング加工した。

そして、酸化物半導体層上に５０ｎｍの厚さとなるようにタングステン層を成膜し、こ
れをエッチング加工してソース電極及びドレイン電極を形成した。

次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、シランガス（ＳｉＨ_４）と一酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ）
を用いて１００ｎｍの厚さとなるように酸化窒化珪素膜（ＳｉＯＮ）を形成してゲート絶
縁膜とした。

次に、１５ｎｍの厚さとなるように窒化タンタルを形成し、１３５ｎｍの厚さとなるよ
うにタングステンを形成し、これらをエッチング加工してゲート電極を形成した。

さらに、プラズマＣＶＤ法を用いて、３００ｎｍの厚さとなるように酸化窒化珪素膜（
ＳｉＯＮ）を形成し、１．５μｍの厚さとなるようにポリイミド膜を形成し層間絶縁膜と
した。

次に、層間絶縁膜にコンタクトホールを形成し、５０ｎｍの厚さとなるように第１のチ
タン膜を形成し、１００ｎｍの厚さとなるようにアルミニウム膜を形成し、５０ｎｍの厚
さとなるように第２のチタン膜を形成し、これらをエッチング加工して測定用のパッドを
形成した。

以上のようにしてトランジスタを有する半導体装置を形成した。

（サンプルＡ）
サンプルＡは酸化物半導体層の成膜中に基板に意図的な加熱を施さなかった。

また、サンプルＡは酸化物半導体層の成膜後であって、酸化物半導体層のエッチング加
工前に加熱処理を施さなかった。

（サンプルＢ）
サンプルＢは基板を２００℃になるように加熱した状態で酸化物半導体層の成膜を行っ
た。

また、サンプルＢは酸化物半導体層の成膜後であって、酸化物半導体層のエッチング加
工前に加熱処理を施さなかった。

基板を加熱した状態で成膜を行った理由は、酸化物半導体層中でドナーとなる水素を追
い出すためである。

（サンプルＣ）
サンプルＣは基板を２００℃になるように加熱した状態で酸化物半導体層の成膜を行っ
た。

さらに、サンプルＣは酸化物半導体層の成膜後であって、酸化物半導体層のエッチング
加工前に窒素雰囲気で６５０℃１時間の加熱処理を施した後、酸素雰囲気で６５０℃１時
間の加熱処理を施した。

窒素雰囲気で６５０℃１時間の加熱処理を施した理由は、酸化物半導体層中でドナーと
なる水素を追い出すためである。

ここで、酸化物半導体層中でドナーとなる水素を追い出すための加熱処理で酸素も離脱
し、酸化物半導体層中でキャリアとなる酸素欠損も生じてしまう。

そこで、酸素雰囲気で６５０℃１時間の加熱処理を施すことにより、酸素欠損を低減す
る効果を狙った。

（サンプルＡ〜Ｃのトランジスタの特性）
図１６（Ａ）にサンプルＡのトランジスタの初期特性を示す。

図１６（Ｂ）にサンプルＢのトランジスタの初期特性を示す。

図１６（Ｃ）にサンプルＣのトランジスタの初期特性を示す。

サンプルＡのトランジスタの電界効果移動度は１８．８ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

サンプルＢのトランジスタの電界効果移動度は３２．２ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

サンプルＣのトランジスタの電界効果移動度は３４．５ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

ここで、サンプルＡ〜Ｃと同様の成膜方法で形成した酸化物半導体層の断面を透過型顕
微鏡（ＴＥＭ）で観察したところ、成膜時に基板加熱を行ったサンプルＢ及びサンプルＣ
と同様の成膜方法で形成したサンプルには結晶性が確認された。

そして、驚くべきことに、成膜時に基板加熱を行ったサンプルは、結晶性部分と非結晶
性部分とを有し、結晶性部分の配向がｃ軸配向に揃っている結晶性であった。

通常の多結晶では結晶性部分の配向が揃っておらず、ばらばらの方向を向いているため
、成膜時に基板加熱を行ったサンプルは新しい構造を有している。

また、図１６（Ａ）〜（Ｃ）を比較すると、成膜時に基板加熱を行うこと、又は、成膜
後に加熱処理を行うことにより、ドナーとなる水素元素を追い出すことができるため、ｎ
チャネル型トランジスタのしきい値電圧をプラスシフトできることが理解できる。

即ち、成膜時に基板加熱を行ったサンプルＢのしきい値電圧は、成膜時に基板加熱を行
っていないサンプルＡのしきい値電圧よりもプラスシフトしている。

また、成膜時に基板加熱を行ったサンプルＢ及びサンプルＣを比較した場合、成膜後に
加熱処理を行ったサンプルＣの方が、成膜後に加熱処理を行っていないサンプルＢよりも
プラスシフトしていることがわかる。

また、水素のような軽元素は加熱処理の温度が高いほど離脱しやすいため、加熱処理の
温度が高いほど水素が離脱しやすい。

よって、成膜時又は成膜後の加熱処理の温度を更に高めればよりプラスシフトが可能で
あると考察した。

（サンプルＢとサンプルＣのゲートＢＴストレス試験結果）
サンプルＢ（成膜後加熱処理なし）及びサンプルＣ（成膜後加熱処理あり）とに対して
ゲートＢＴストレス試験を行った。

まず、基板温度を２５℃とし、Ｖ_ｄｓを１０Ｖとし、トランジスタのＶ_ｇｓ−Ｉ_ｄｓ特
性の測定を行い、加熱及びプラスの高電圧印加を行う前のトランジスタの特性を測定した
。

次に、基板温度を１５０℃とし、Ｖ_ｄｓを０．１Ｖとした。

次に、ゲート絶縁膜に印加されるＶ_ｇｓに２０Ｖを印加し、そのまま１時間保持した。

次に、Ｖ_ｇｓを０Ｖとした。

次に、基板温度２５℃とし、Ｖ_ｄｓを１０Ｖとし、トランジスタのＶ_ｇｓ−Ｉ_ｄｓ測定
を行い、加熱及びプラスの高電圧印加を行った後のトランジスタの特性を測定した。

以上のようにして、加熱及びプラスの高電圧印加を行う前後のトランジスタの特性を比
較することをプラスＢＴ試験と呼ぶ。

一方、まず基板温度を２５℃とし、Ｖ_ｄｓを１０Ｖとし、トランジスタのＶ_ｇｓ−Ｉ_ｄ
ｓ特性の測定を行い、加熱及びマイナスの高電圧印加を行う前のトランジスタの特性を測
定した。

次に、基板温度を１５０℃とし、Ｖ_ｄｓを０．１Ｖとした。

次に、ゲート絶縁膜にＶ_ｇｓに−２０Ｖを印加し、そのまま１時間保持した。

次に、Ｖ_ｇｓを０Ｖとした。

次に、基板温度２５℃とし、Ｖ_ｄｓを１０Ｖとし、トランジスタのＶ_ｇｓ−Ｉ_ｄｓ測定
を行い、加熱及びマイナスの高電圧印加を行った後のトランジスタの特性を測定した。

以上のようにして、加熱及びマイナスの高電圧印加を行う前後のトランジスタの特性を
比較することをマイナスＢＴ試験と呼ぶ。

図１７（Ａ）はサンプルＢのプラスＢＴ試験結果であり、図１７（Ｂ）はサンプルＢの
マイナスＢＴ試験結果である。

図１８（Ａ）はサンプルＣのプラスＢＴ試験結果であり、図１８（Ｂ）はサンプルＣの
マイナスＢＴ試験結果である。

プラスＢＴ試験及びマイナスＢＴ試験はトランジスタの劣化具合を判別する試験である
が、図１７（Ａ）及び図１８（Ａ）を参照すると少なくともプラスＢＴ試験の処理を行う
ことにより、しきい値電圧をプラスシフトさせることができることがわかった。

特に、図１７（Ａ）ではプラスＢＴ試験の処理を行うことにより、トランジスタがノー
マリーオフ型になったことがわかる。

よって、トランジスタの作製時の加熱処理に加えて、プラスＢＴ試験の処理を行うこと
により、しきい値電圧のプラスシフト化を促進でき、ノーマリーオフ型のトランジスタを
形成することができた。

図１９はサンプルＡのトランジスタのオフ電流と測定時の基板温度（絶対温度）の逆数
との関係を示す。

ここでは、測定時の基板温度の逆数に１０００を掛けた数値（１０００／Ｔ）を横軸と
している。

なお、図１９ではチャネル幅１μｍあたりのオフ電流量を図示している。

基板温度が１２５℃（１０００／Ｔが約２．５１）のとき１×１０^−１９Ａ以下となっ
ていた。

基板温度が８５℃（１０００／Ｔが約２．７９）のとき１×１０^−２０Ａ以下となって
いた。

つまり、シリコン半導体を用いたトランジスタと比較して極めて低いオフ電流であるこ
とがわかった。

なお、温度が低いほどオフ電流が低下するため、常温であればより低いオフ電流となる
ことは明らかである。

１１ トランジスタ
１２ トランジスタ
２１ トランジスタ
２２ トランジスタ
２３ トランジスタ
３１ 配線
３２ 配線
３３ 配線
３４ 配線
３５ 配線
１０１ 基板
１０２ 絶縁層
２００ 半導体層
２１０ 半導体層
３００ ゲート絶縁層
４１１ 電極
４１２ 電極
４１３ 電極
４２１ 電極
４２２ 電極
４２３ 電極
４２４ 電極
５１０ サイドウォール
６００ 層間絶縁膜
７１１ 酸化物半導体層
７１２ 酸化物半導体層
８００ ゲート絶縁層
８１１ ゲート電極
９１０ サイドウォール
１０１１ 電極
１０１２ 電極
１０２１ 電極
１０２２ 電極
１０２３ 配線
１０２４ 配線
１０２５ 配線
１１００ 層間絶縁膜
１２１１ 配線
１２１２ 配線

Claims (2)

1. 第１のトランジスタ乃至第４のトランジスタを有し、
   前記第１のトランジスタは、前記第２のトランジスタのゲートへの第１のデータの書き込みを制御する機能を有し、
   前記第３のトランジスタは、前記第４のトランジスタのゲートへの第２のデータの書き込みを制御する機能を有し、
   前記第２のトランジスタは、ソースまたはドレインの一方が第１の配線と電気的に接続され、かつ、ソースまたはドレインの他方が第２の配線と電気的に接続され、
   前記第２のトランジスタは、前記第１のデータに従って導通が制御され、
   前記第４のトランジスタは、ソースまたはドレインの一方が第３の配線と電気的に接続され、かつ、ソースまたはドレインの他方が前記第２の配線と電気的に接続され、
   前記第４のトランジスタは、前記第２のデータに従って導通が制御され、
   前記第３のトランジスタのチャネル幅は、前記第１のトランジスタのチャネル幅より大きく、
   前記第４のトランジスタのチャネル幅は、前記第２のトランジスタのチャネル幅より大きい半導体装置であって、
   前記第１のトランジスタのゲートとしての機能を有する第１の導電層と、前記第１のトランジスタのソース又はドレインの一方としての機能を有する第２の導電層と、を有し、
   前記第１のトランジスタのチャネル形成領域を有する半導体層は、前記第１の導電層と重なる第１の領域を有し、
   前記半導体層は、前記第２の導電層と重なる第２の領域を有し、
   前記第１の領域と、前記第２の領域とは、互いに離隔している半導体装置。
2. 第１のトランジスタ乃至第４のトランジスタを有し、
   前記第１のトランジスタは、前記第２のトランジスタのゲートへの第１のデータの書き込みを制御する機能を有し、
   前記第３のトランジスタは、前記第４のトランジスタのゲートへの第２のデータの書き込みを制御する機能を有し、
   前記第２のトランジスタは、ソースまたはドレインの一方が第１の配線と電気的に接続され、かつ、ソースまたはドレインの他方が第２の配線と電気的に接続され、
   前記第２のトランジスタは、前記第１のデータに従って導通が制御され、
   前記第４のトランジスタは、ソースまたはドレインの一方が第３の配線と電気的に接続され、かつ、ソースまたはドレインの他方が前記第２の配線と電気的に接続され、
   前記第４のトランジスタは、前記第２のデータに従って導通が制御され、
   前記第１のトランジスタ乃至前記第４のトランジスタは、酸化物半導体をチャネル形成領域に含み、
   前記第３のトランジスタのチャネル幅は、前記第１のトランジスタのチャネル幅より大きく、
   前記第４のトランジスタのチャネル幅は、前記第２のトランジスタのチャネル幅より大きい半導体装置であって、
   前記第１のトランジスタのゲートとしての機能を有する第１の導電層と、前記第１のトランジスタのソース又はドレインの一方としての機能を有する第２の導電層と、を有し、
   前記第１のトランジスタのチャネル形成領域を有する半導体層は、前記第１の導電層と重なる第１の領域を有し、
   前記半導体層は、前記第２の導電層と重なる第２の領域を有し、
   前記第１の領域と、前記第２の領域とは、互いに離隔している半導体装置。