JP2021073770A - 半導体装置 - Google Patents
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- G11C14/0054—Digital stores characterised by arrangements of cells having volatile and non-volatile storage properties for back-up when the power is down in which the volatile element is a SRAM cell
- G11C14/0072—Digital stores characterised by arrangements of cells having volatile and non-volatile storage properties for back-up when the power is down in which the volatile element is a SRAM cell and the nonvolatile element is a ferroelectric element
Abstract
Description
る半導体装置及びその駆動方法に関する。
al Processing Unit)などの半導体装置は、その用途によって多種多
様な構成を有している。PLDにはレジスタ及びコンフィギュレーションメモリ、CPU
にはレジスタ及びキャッシュメモリなど、記憶装置が設けられていることが多い。
み及び読み出しなどの動作が高速であることが求められる。よって、レジスタとしてはフ
リップフロップが、コンフィギュレーションメモリ及びキャッシュメモリとしてはSRA
M(Static Random Access Memory)が用いられることが多
い。
細化に伴いリーク電流の増大が顕在化し、消費電力が増大するといった問題がある。そこ
で消費電力を抑えるため、例えばデータの入出力が行われない期間において、半導体装置
への電源電圧の供給を停止することが試みられている。
れるSRAMは、揮発性である。よって、半導体装置への電源電圧の供給を停止する場合
には、電源電圧の供給を再開後にレジスタ及びキャッシュメモリ等の揮発性の記憶装置に
おいて消失したデータを復元することが必要となる。
いる。例えば、特許文献1では、電源電圧の供給を停止する前にフリップフロップなどに
保持されているデータを強誘電体メモリへと退避させ、電源電圧の供給を再開した後に強
誘電体メモリに退避されているデータをフリップフロップなどに復元する技術が開示され
ている。
。
駆動方法を提供することを課題の一とする。又は本発明の一態様は、電源電圧の供給の停
止と再開に伴う動作遅延の抑制をすることができる、半導体装置及びその駆動方法を提供
することを課題の一とする。
供給を停止する前に、容量素子が接続されたノードにデータに対応する電位を退避させる
。そして、該ノードをゲートとするトランジスタのチャネル抵抗が変化することを利用し
て、電源電圧の供給の再開に応じて、データの復元を行う構成とする。
電位及び第2の電位の他方を保持する第2のノードと、を有する第1の記憶回路部と、ゲ
ートが第1の制御信号が与えられる配線に電気的に接続され、ソース及びドレインの一方
が第1のノードに電気的に接続され、ソース及びドレインの他方が第3のノードに電気的
に接続された第1のトランジスタと、一方の電極が第3のノードに電気的に接続され、他
方の電極が第2の電位が与えられる配線に電気的に接続された第1の容量素子と、ゲート
が第3のノードに電気的に接続され、ソース及びドレインの一方が第2の電位が与えられ
る配線に電気的に接続された第2のトランジスタと、ゲートが第2の制御信号が与えられ
る配線に電気的に接続され、ソース及びドレインの一方が第2のトランジスタのソース及
びドレインの他方に電気的に接続され、ソース及びドレインの他方が第2のノードに電気
的に接続された第3のトランジスタと、を有する第2の記憶回路部と、を有し、第1のト
ランジスタは、酸化物半導体を有する半導体膜、を有する半導体装置である。
電位及び第2の電位の他方を保持する第2のノードと、を有する第1の記憶回路部と、入
力端子が第1のノードに電気的に接続された第1のインバータ回路と、ゲートが第1の制
御信号が与えられる配線に電気的に接続され、ソース及びドレインの一方が第1のインバ
ータ回路の出力端子に電気的に接続され、ソース及びドレインの他方が第3のノードに電
気的に接続された第1のトランジスタと、一方の電極が第3のノードに電気的に接続され
、他方の電極が第2の電位が与えられる配線に電気的に接続された第1の容量素子と、ゲ
ートが第3のノードに電気的に接続され、ソース及びドレインの一方が第2の電位が与え
られる配線に電気的に接続された第2のトランジスタと、ゲートが第2の制御信号が与え
られる配線に電気的に接続され、ソース及びドレインの一方が第2のトランジスタのソー
ス及びドレインの他方に電気的に接続され、ソース及びドレインの他方が第1のノードに
電気的に接続された第3のトランジスタと、を有する第2の記憶回路部と、を有し、第1
のトランジスタは、酸化物半導体を有する半導体膜、を有する半導体装置である。
電位及び第2の電位の他方を保持する第2のノードと、を有する第1の記憶回路部と、ゲ
ートが第1の制御信号が与えられる配線に電気的に接続され、ソース及びドレインの一方
が第1のノードに電気的に接続され、ソース及びドレインの他方が第3のノードに電気的
に接続された第1のトランジスタと、一方の電極が第3のノードに電気的に接続され、他
方の電極が第2の電位が与えられる配線に電気的に接続された第1の容量素子と、ゲート
が第3のノードに電気的に接続され、ソース及びドレインの一方が第2の電位が与えられ
る配線に電気的に接続された第2のトランジスタと、ゲートが第2の制御信号が与えられ
る配線に電気的に接続され、ソース及びドレインの一方が第2のトランジスタのソース及
びドレインの他方に電気的に接続され、ソース及びドレインの他方が第2のノードに電気
的に接続された第3のトランジスタと、ゲートが第1の制御信号が与えられる配線に電気
的に接続され、ソース及びドレインの一方が第2のノードに電気的に接続され、ソース及
びドレインの他方が第4のノードに電気的に接続された第4のトランジスタと、一方の電
極が第4のノードに電気的に接続され、他方の電極が第2の電位が与えられる配線に電気
的に接続された第2の容量素子と、ゲートが第4のノードに電気的に接続され、ソース及
びドレインの一方が第2の電位が与えられる配線に電気的に接続された第5のトランジス
タと、ゲートが第2の制御信号が与えられる配線に電気的に接続され、ソース及びドレイ
ンの一方が第5のトランジスタのソース及びドレインの他方に電気的に接続され、ソース
及びドレインの他方が第1のノードに電気的に接続された第6のトランジスタと、を有す
る第2の記憶回路部と、を有し、第1のトランジスタ及び第4のトランジスタは、酸化物
半導体を有する半導体膜を有する半導体装置である。
電位及び第2の電位の他方を保持する第2のノードと、を有する第1の記憶回路部と、入
力端子が第1のノードに電気的に接続された第1のインバータ回路と、ゲートが第1の制
御信号が与えられる配線に電気的に接続され、ソース及びドレインの一方が第1のインバ
ータ回路の出力端子に電気的に接続され、ソース及びドレインの他方が第3のノードに電
気的に接続された第1のトランジスタと、一方の電極が第3のノードに電気的に接続され
、他方の電極が第2の電位が与えられる配線に電気的に接続された第1の容量素子と、ゲ
ートが第3のノードに電気的に接続され、ソース及びドレインの一方が第2の電位が与え
られる配線に電気的に接続された第2のトランジスタと、ゲートが第2の制御信号が与え
られる配線に電気的に接続され、ソース及びドレインの一方が第2のトランジスタのソー
ス及びドレインの他方に電気的に接続され、ソース及びドレインの他方が第1のノードに
電気的に接続された第3のトランジスタと、入力端子が第2のノードに電気的に接続され
た第2のインバータ回路と、ゲートが第1の制御信号が与えられる配線に電気的に接続さ
れ、ソース及びドレインの一方が第2のインバータ回路の出力端子に電気的に接続され、
ソース及びドレインの他方が第4のノードに電気的に接続された第4のトランジスタと、
一方の電極が第4のノードに電気的に接続され、他方の電極が第2の電位が与えられる配
線に電気的に接続された第2の容量素子と、ゲートが第4のノードに電気的に接続され、
ソース及びドレインの一方が第2の電位が与えられる配線に電気的に接続された第5のト
ランジスタと、ゲートが第2の制御信号が与えられる配線に電気的に接続され、ソース及
びドレインの一方が第5のトランジスタのソース及びドレインの他方に電気的に接続され
、ソース及びドレインの他方が第2のノードに電気的に接続された第6のトランジスタと
、を有する第2の記憶回路部と、を有し、第1のトランジスタ及び第4のトランジスタは
、酸化物半導体を有する半導体膜を有する半導体装置である。
おいて、第1のノードに、第1の電位及び第2の電位の一方の保持をし、第2のノードに
、第1の電位及び第2の電位の他方の保持をし、第2の記憶回路部は、電源電圧の供給が
停止する期間において、第3のノードに、第1のノードの第1の電位及び第2の電位の一
方の保持をし、第4のノードに、第2のノードの第1の電位及び第2の電位の他方の保持
をする半導体装置が好ましい。
導通状態に切り替え、且つ第2のノードと第4のノードとを電気的に導通状態に切り替え
るための信号であり、第2の制御信号は、第2のノードと第2のトランジスタのソース及
びドレインの他方とを電気的に導通状態に切り替え、且つ第1のノードと第5のトランジ
スタのソース及びドレインの他方とを電気的に導通状態に切り替えるための信号である半
導体装置が好ましい。
導通状態に切り替え、且つ第2のノードと第4のノードとを電気的に導通状態に切り替え
るための信号であり、第2の制御信号は、第1のノードと第2のトランジスタのソース及
びドレインの他方とを電気的に導通状態に切り替え、且つ第2のノードと第5のトランジ
スタのソース及びドレインの他方とを電気的に導通状態に切り替えるための信号である半
導体装置が好ましい。
のノード及び第2のノードに保持された電位が、第3のノード及び第4のノードに保持さ
れる第1のステップと、電源電圧の供給を停止する第2のステップと、電源電圧の供給を
再開する第3のステップと、第2の制御信号によって、第1のノード及び第2のノードの
電位が、第3のノード及び第4のノードに保持された電位に応じて、第1のステップの状
態に復元される第4のステップと、を有する半導体装置の駆動方法が好ましい。
の低減を図ることができる。また、電源電圧の供給を停止する前におけるデータの退避及
び電源電圧の供給を再開した後におけるデータの復元によって動作遅延の抑制を図ること
ができる。
る態様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。
合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は、理想的な例を模
式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。例えば、ノイズに
よる信号、電圧、若しくは電流のばらつき、又は、タイミングのずれによる信号、電圧、
若しくは電流のばらつきなどを含むことが可能である。
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
域又はドレイン電極)とソース(ソース端子、ソース領域又はソース電極)の間にチャネ
ル領域を有しており、ドレインとチャネル領域とソースとを介して電流を流すことができ
るものである。
、いずれがソース又はドレインであるかを限定することが困難である。そこで、ソースと
して機能する部分、及びドレインとして機能する部分を、ソース又はドレインと呼ばず、
ソースとドレインとの一方を第1電極と表記し、ソースとドレインとの他方を第2電極と
表記する場合がある。
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ことを付記する。
るものの他、電気的に接続されているものを含むものとする。ここで、AとBとが電気的
に接続されているとは、AとBとの間で、何らかの電気的作用を有する対象物が存在する
とき、AとBとの電気信号の授受を可能とするものをいう。
係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は
、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。従って、明細書で説明した語
句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
ものであり、異なる回路ブロックで別々の機能を実現するよう示していても、実際の回路
や領域においては同じ回路や同じ領域内で別々の機能を実現しうるように設けられている
場合もある。また図面におけるブロック図の各回路ブロックの機能は、説明のため機能を
特定するものであり、一つの回路ブロックとして示していても、実際の回路や領域におい
ては一つの回路ブロックで行う処理を、複数の回路ブロックで行うよう設けられている場
合もある。
本実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお本実施の形態での説明は、以
下の順序で行う。
1.半導体装置の回路図について
1−1.半導体装置の回路図における接続関係について
1−2.酸化物半導体を用いたトランジスタの特徴
2.半導体装置の動作について
3.半導体装置の回路図の変形例について
4.半導体装置の応用例について
4−1.PLDにおけるフリップフロップへの応用例
4−1−1.PLD及びLEの構成例について
4−1−2.コンフィギュレーションメモリの構成例について
4−2.CPUにおけるレジスタへの応用例
5.半導体装置の構造例について
6.本明細書で開示される半導体装置の作用及び効果について
まず始めに、半導体装置の回路図について説明する。
図1に示す回路図は、本発明の一態様による半導体装置の回路図である。図1に示す半導
体装置10は、記憶回路部110(第1の記憶回路部ともいう)と記憶回路部120(第
2の記憶回路部ともいう)と、に大別することができる。
に対応する電位の保持ができる回路部である。
る電位をデータとして保持することが可能なノードNode_1、ノードNode_2を
有する。記憶回路部110には、電位V1及び電位V2(V1>V2とする)が供給され
る。この電位V1及び電位V2が、記憶回路部110の電源電圧として供給される。
Sとする。なお電位V2は、グラウンド電位GNDでもよい。
Node_1、ノードNode_2の電位が電位V1であることに対応するものとして説
明する。また、ノードNode_1、ノードNode_2にデータ「0」を保持するとは
、ノードNode_1、ノードNode_2の電位が電位V2であることに対応するもの
として説明する。なお前述したように、電位V1は電位V2より高い。そのため、電位V
1に基づいてノードNode_1、ノードNode_2に保持される電位を「Hレベル」
の電位、電位V2に基づいてノードNode_1、ノードNode_2に保持される電位
を「Lレベル」の電位ということもある。
が保持される関係にある。すなわち、ノードNode_1は、Hレベル及びLレベルの一
方の電位を保持し、ノードNode_2は、Hレベル及びLレベルの他方の電位を保持す
る。
路部110に入力されるデータ信号D、クロック信号Cによって変化する。ノードNod
e_1、ノードNode_2に保持される電位は、電源電圧の供給が継続されている期間
において、出力信号Qとして出力される。
、及び/又はリセット信号等が入力される構成でもよい。また、入力されるクロック信号
が、位相の異なる複数のクロック信号である構成でもよい。
ればよい。記憶回路部110は、適用するデータの種類に応じて、レジスタであれば、D
型レジスタ、T型レジスタ、JK型レジスタ、又はRS型レジスタのいずれかを用いるこ
とができる。
る前に、記憶回路部120に退避される(図中、点線矢印Save)。記憶回路部120
に退避された電位は、電源電圧の供給が再開した後に、記憶回路部110に復元される。
なお記憶回路部110のノードNode_1、ノードNode_2に保持される電位は、
電源電圧の供給が停止すると共に、消失する。
位を電位V1から電位V2に切り替えることで、電位V1と電位V2の電位差(V1−V
2)を0に切り替えることをいう。また半導体装置10における電源電圧の供給の停止と
は、電位V1が与えられる配線と記憶回路部110との間にスイッチを設け、該スイッチ
をオンからオフに切り替えることでもよい。
位を電位V2から電位V1に切り替えることで、電位V1と電位V2の電位差(V1−V
2)を0から0を超える値に切り替えることをいう。また半導体装置10における電源電
圧の供給の再開とは、電位V1が与えられる配線と記憶回路部110との間にスイッチを
設け、該スイッチをオフからオンに切り替えることでもよい。
位を電位V1で保持することで、電位V1と電位V2の電位差(V1−V2)が0を超え
る値となる電位V1の印加を継続することをいう。また半導体装置10における電源電圧
の供給の継続とは、電位V1が与えられる配線と記憶回路部110との間にスイッチを設
け、該スイッチをオンにし続けることでもよい。
に対応する電位の保持ができる回路部である。
22(第1の容量素子ともいう)、トランジスタ123(第2のトランジスタともいう)
、トランジスタ124(第3のトランジスタともいう)、トランジスタ125(第4のト
ランジスタともいう)、容量素子126(第2の容量素子ともいう)、トランジスタ12
7(第5のトランジスタともいう)、及びトランジスタ128(第6のトランジスタとも
いう)を有する。また、記憶回路部120は、少なくとも電源電圧の供給が停止している
期間において、1又は0に対応する電位をデータとして保持することが可能なノードNo
de_3、ノードNode_4を有する。
de_1のHレベル及びLレベルの一方の電位を保持する。ノードNode_4は、少な
くとも電源電圧の供給が停止する期間において、ノードNode_2のHレベル及びLレ
ベルの他方の電位を保持する。
線に接続されている。トランジスタ121は、ソース及びドレインの一方がノードNod
e_1に接続されている。トランジスタ121は、ソース及びドレインの他方がノードN
ode_3に接続されている。なおトランジスタ121は、一例として、nチャネル型の
トランジスタとして説明する。
は、他方の電極が、電位V2が与えられる配線に接続されている。なお容量素子122は
、トランジスタ123のゲート容量等を大きくしておくことで、省略することが可能であ
る。
23は、ソース及びドレインの一方が、電位V2が与えられる配線に接続されている。な
おトランジスタ123は、一例として、nチャネル型のトランジスタとして説明する。
線に接続されている。トランジスタ124は、ソース及びドレインの一方がトランジスタ
123のソース及びドレインの他方に接続されている。トランジスタ124は、ソース及
びドレインの他方がノードNode_2に接続されている。なおトランジスタ124は、
一例として、nチャネル型のトランジスタとして説明する。
。トランジスタ125は、ソース及びドレインの一方がノードNode_2に接続されて
いる。トランジスタ125は、ソース及びドレインの他方がノードNode_4に接続さ
れている。なおトランジスタ125は、一例として、nチャネル型のトランジスタとして
説明する。
は、他方の電極が、電位V2が与えられる配線に接続されている。なお容量素子126は
、トランジスタ127のゲート容量等を大きくしておくことで、省略することが可能であ
る。
27は、ソース及びドレインの一方が、電位V2が与えられる配線に接続されている。な
おトランジスタ127は、一例として、nチャネル型のトランジスタとして説明する。
。トランジスタ128は、ソース及びドレインの一方がトランジスタ127のソース及び
ドレインの他方に接続されている。トランジスタ128は、ソース及びドレインの他方が
ノードNode_1に接続されている。なおトランジスタ128は、一例として、nチャ
ネル型のトランジスタとして説明する。
るための信号である。また制御信号Saveは、ノードNode_2とノードNode_
4との導通状態を切り替えるための信号である。制御信号Saveは、図1の回路構成に
おいて、HレベルでノードNode_1とノードNode_3、及びノードNode_2
とノードNode_4を導通状態とし、Lレベルで非導通状態とする。
1及びノードNode_2のデータは、ノードNode_3及びノードNode_4に退
避することができる。また、制御信号SaveをLレベルに切り替えることで、ノードN
ode_3及びノードNode_4は、電位として保持されるデータを保持し続けること
ができる。
他方との導通状態を切り替えるための信号である。また制御信号Loadは、ノードNo
de_1とトランジスタ127のソース及びドレインの他方との導通状態を切り替えるた
めの信号である。制御信号Loadは、図1の回路構成において、HレベルでノードNo
de_2とトランジスタ123のソース及びドレインの他方、及びノードNode_1と
トランジスタ127のソース及びドレインの他方を導通状態とし、Lレベルで非導通状態
とする。
びノードNode_4に電位として保持されるデータは、電源電圧の供給再開後に、制御
信号Loadの制御により、記憶回路部110のノードNode_1とノードNode_
2に復元することができる(図中、点線矢印Load)。
e_3にノードNode_1に保持されている電位V1に対応するデータ「1」を退避し
、ノードNode_4にノードNode_2に保持されている電位V2に対応するデータ
「0」を退避している場合を考える。なお、電源電圧の供給を停止しても、ノードNod
e_3の電位はV1、ノードNode_4の電位はV2を保つが、ノードNode_1、
ノードNode_2の電位は不定値となる。
位(V2)より高いため、トランジスタ123のチャネル抵抗はトランジスタ127のチ
ャネル抵抗よりも低い。そのため、制御信号LoadをHレベルとして、トランジスタ1
24及びトランジスタ128を導通状態とした場合、ノードNode_2に接続されたト
ランジスタ124のソース及びドレインの他方の電位は、ノードNode_1に接続され
たトランジスタ128のソース及びドレインの他方の電位よりも低くなる。記憶回路部1
10側では、トランジスタ124及びトランジスタ128が導通状態となると共に、ノー
ドNode_1とノードNode_2とで電位差が生じることになる。
ode_2を電位V2とし、ノードNode_1を電位V1とすることができる。この電
位に対応するデータは、記憶回路部120のノードNode_3及びノードNode_4
にデータを退避した際、言い換えれば電源電圧の供給を停止する直前の、記憶回路部11
0のノードNode_1及びノードNode_2のデータに一致する。
びノードNode_4に保持される電位として、記憶回路部110のノードNode_1
及びノードNode_2のデータを保持することができる。このノードNode_3及び
ノードNode_4に保持されている電位の電位差がトランジスタ123及びトランジス
タ127のチャネル抵抗の差に反映されるため、記憶回路部110のノードNode_1
及びノードNode_2に電位差を生じさせることができる。そして記憶回路部110へ
の電源電圧の供給を再開することに伴って、記憶回路部110へのデータの復元を行うこ
とができる。
1又はトランジスタ125のしきい値電圧よりも高い電位であればよい。制御信号Sav
eのLレベルの電位は、トランジスタ121又はトランジスタ125のしきい値電圧より
も低い電位であればよい。例えば、制御信号SaveのHレベルの電位は電位V1とし、
Lレベルの電位は電位V2とすればよい。なお、この構成では、ノードNode_3及び
ノードNode_4には、ノードNode_1及びノードNode_2に保持される電位
V1及び電位V2よりも、トランジスタ121又はトランジスタ125のしきい値電圧分
だけ低下した電位を、データとして保持されることになる。そのため、しきい値電圧だけ
低下した分の電位を見越して、制御信号SaveのHレベルの電位を、電位V1よりも高
い電位とする構成も有効である。
_4の電位差を用いて、記憶回路部110のデータの復元を行う。そのため、ノードNo
de_3及びノードNode_4の一方の電位が相対的に高ければ、記憶回路部120で
のデータの保持が可能である。従って、ノードNode_3又はノードNode_4に、
トランジスタ121又はトランジスタ125のしきい値電圧分だけ低下した電位が保持さ
れたとしても、記憶回路部110のデータの復元を行うことができる。
電荷が時間の経過により少なくなったとしても、データの保持後の動作を正常に行う許容
範囲を広げることができる。例えば、ノードNode_3に電位V1が保持され、ノード
Node_4に電位V2が保持されていたとする。この場合、時間の経過と共に電荷が減
少して双方のノードからΔVだけ電位が減少したとすると、ノードNode_3は、電位
(V1ーΔV)となる。また、ノードNode_4は、電位V2がグラウンド電位GND
の場合、電位V2となり、電位V2がグラウンド電位GNDより小さい場合、電位(V2
)+ΔV)となる。このような場合であっても本実施の形態の構成では、ノードNode
_3及びノードNode_4の一方が相対的に高い電位を保持していれば、データの保持
後の動作を正常に行うことができる。従って、記憶回路部120における、データの保持
時間を延長することが容易になる。
ode_4のいずれか一方の電位が相対的に高い電位であればよいため、予め制御信号S
aveのHレベルの電位を高くするなどの対策は不要とすることが可能である。従って、
半導体装置に電源電圧を供給する電源回路で生成される電圧レベルの数を低減でき、制御
信号Saveの振幅を小さくした駆動を行うことができる。
タである。ノードNode_3及びノードNode_4に対する電荷の供給経路は、酸化
物半導体を用いたトランジスタのソース及びドレインを介する経路のみである。ここで、
当該トランジスタのオフ電流値は著しく低い。よって、当該トランジスタがオフする期間
においては、ノードNode_3及びノードNode_4の電位を概略一定に保持するこ
とが可能である。その結果、ノードNode_3及びノードNode_4は、電源電圧が
供給されるか否かに依存せずにデータを保持することが可能である。すなわち、ノードN
ode_3及びノードNode_4には記憶回路部110のノードNode_1及びノー
ドNode_2で保持されているデータを退避させることが可能である。
128は、各種の半導体材料を用いて構成することが可能である。例えば、シリコン又は
ゲルマニウムなどの材料を用いることができる。また、化合物半導体又は酸化物半導体を
用いることも可能である。なお、トランジスタ123、トランジスタ124、トランジス
タ127及びトランジスタ128としては、移動度が高いトランジスタ(例えば、チャネ
ルが単結晶シリコンに形成されるトランジスタなど)を適用することが好ましい。
20とでデータの退避及び復元を行うことで、電源電圧の供給を適宜停止することができ
る。そのため、消費電力の低減を図ることができる。
で行うデータの退避を、トランジスタの導通状態で制御する構成とすることができる。そ
のため、データの退避を外部の記憶回路部に行う構成と比べ、動作遅延が小さい。また電
源電圧の供給を停止する前にデータの退避を行い、電源電圧の供給が継続される期間では
、記憶回路部110でのデータの保持を行う構成とすることができる。そのため、電源電
圧の供給が継続される期間では、データの保持を高速に行うことができ、動作遅延を抑制
することができる。
ここで、酸化物半導体を用いたトランジスタの特徴について記載する。
ることができる。特に、インジウムと亜鉛を含む材料を適用することが好ましい。また、
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
てガリウムを有する材料を適用することが好ましい。
又はランタノイドである、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、
ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、
ツリウム、イッテルビウム、若しくはルテチウムのいずれか一種又は複数種をスタビライ
ザーとして含む材料を適用することもできる。
物、In−Ga系酸化物、In−Ga−Zn系酸化物、In−Al−Zn系酸化物、In
−Sn−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−S
m−Zn系酸化物、In−Eu−Zn系酸化物、In−Gd−Zn系酸化物、In−Tb
−Zn系酸化物、In−Dy−Zn系酸化物、In−Ho−Zn系酸化物、In−Er−
Zn系酸化物、In−Tm−Zn系酸化物、In−Yb−Zn系酸化物、In−Lu−Z
n系酸化物、In−Sn−Ga−Zn系酸化物、In−Hf−Ga−Zn系酸化物、In
−Al−Ga−Zn系酸化物、In−Sn−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Hf−Z
n系酸化物、In−Hf−Al−Zn系酸化物を適用することができる。
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Z
n以外の金属元素が入っていてもよい。
。また、酸化物半導体に含まれる酸素欠損はキャリアを生成することがあり、トランジス
タの電気特性及び信頼性を低下させる恐れがある。例えば、トランジスタのしきい値電圧
をマイナス方向に変動し、ゲート電圧が0Vの場合にドレイン電流が流れてしまうことが
ある。このように、ゲート電圧が0Vの場合にドレイン電流が流れてしまうことをノーマ
リーオン特性という。なお、ゲート電圧が0Vの場合にドレイン電流が流れていないとみ
なすことができるトランジスタを、ノーマリーオフ特性を有するトランジスタという。
損はできる限り低減されていることが好ましい。例えば、磁場の向きを膜面に対して平行
に印加した電子スピン共鳴法によるg値=1.93のスピン密度(酸化物半導体膜に含ま
れる欠陥密度に相当する。)は、測定器の検出下限以下まで低減されていることが好まし
い。酸化物半導体膜に含まれる欠陥、代表的には酸素欠損をできる限り低減することで、
トランジスタがノーマリーオン特性となることを抑制することができ、トランジスタの電
気特性及び信頼性を向上させることができる。
導体膜に含まれる水素(水などの水素化合物を含む。)によっても引き起こされることが
ある。酸化物半導体膜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と共
に、酸素が脱離した格子(又は酸素が脱離した部分)に欠損(酸素欠損ともいえる。)を
形成する。また、水素の一部が酸素と反応することで、キャリアである電子を生成してし
まう。従って、水素が含まれている酸化物半導体膜を有するトランジスタはノーマリーオ
ン特性となりやすい。
が好ましい。具体的には、酸化物半導体膜において、二次イオン質量分析法(SIMS:
Secondary Ion Mass Spectrometry)により得られる水
素濃度を、5×1018atoms/cm3未満、好ましくは1×1018atoms/
cm3以下、より好ましくは5×1017atoms/cm3以下、さらに好ましくは1
×1016atoms/cm3以下とする。
リ土類金属の濃度を、1×1018atoms/cm3以下、好ましくは2×1016a
toms/cm3以下にする。アルカリ金属及びアルカリ土類金属は、酸化物半導体と結
合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電流を増大させることがあ
る。
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膜を有するトラ
ンジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、酸化物半導体膜において、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、窒素濃度は、5×1018atom
s/cm3以下にすることが好ましい。
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。そこで、酸化物半導体膜を
有するトランジスタにおいて、二次イオン質量分析法により得られるシリコン濃度は、3
×1018atoms/cm3以下、好ましくは3×1017atoms/cm3以下と
する。なお、界面において、二次イオン質量分析法により得られる炭素濃度は、3×10
18atoms/cm3以下、好ましくは3×1017atoms/cm3以下とする。
ど)をできる限り低減させ、高純度化させた酸化物半導体膜を用いることで、トランジス
タがノーマリーオン特性となることを抑制でき、トランジスタのオフ電流を極めて低減す
ることができる。なお、高純度化させた酸化物半導体は、真性又は実質的に真性な半導体
といえる。
リア密度を意図的に増大させ、導電率を増大させる不純物を添加する処理などが行われて
いない酸化物半導体膜であることから、酸化物半導体膜のキャリア密度は、1×1017
/cm3以下であり、又は1×1016/cm3以下、又は1×1015/cm3以下、
又は1×1014/cm3以下、又は1×1013/cm3以下である。
ろいろな実験により証明できる。例えば、チャネル幅が1×106μmでチャネル長Lが
10μmの素子であっても、ソース電極とドレイン電極間の電圧(ドレイン電圧)が1V
から10Vの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、
すなわち1×10−13A以下という特性を得ることができる。この場合、トランジスタ
のチャネル幅で除した数値に相当するオフ電流は、100zA/μm以下であることが分
かる。また、保持容量とトランジスタとを接続して、保持容量に流入又は保持容量から流
出する電荷を当該トランジスタで制御する回路を用いて、オフ電流の測定を行った。当該
測定では、高純度化された酸化物半導体膜を上記トランジスタのチャネル形成領域に用い
、保持容量の単位時間あたりの電荷量の推移から当該トランジスタのオフ電流を測定した
。その結果、トランジスタのソース電極とドレイン電極間の電圧が3Vの場合に、数十y
A/μmという、さらに低いオフ電流が得られることが分かった。従って、高純度化され
た酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、オフ電流が著しく小さい。
の電位を保持するためのトランジスタ121及びトランジスタ125に用いられるトラン
ジスタは、半導体層に酸化物半導体を用いることにより、オフ電流が低いといった特徴を
有する。オフ電流が低いトランジスタを用いることで、長時間のデータの保持を行っても
、データに対応する電位の、オフ電流に起因する変動は小さい。
以下では、半導体装置の動作の一例について図2を参照して説明する。
回路部110を記憶回路部200とした回路図である。
る電位をデータとして保持することが可能なノードNode_1、ノードNode_2を
有する。記憶回路部200には、電位V1及び電位V2(V1>V2とする)が供給され
る。この電位V1及び電位V2が、記憶回路部200の電源電圧として供給される。
ッチ203、インバータ回路204及びスイッチ205を有する構成を示している。
ック信号CBが入力され、出力信号Qを出力する構成を示している。
回路201は、出力端子がノードNode_2に接続されている。
回路202は、出力端子がスイッチ205の一方の端子に接続されている。またスイッチ
205の他方の端子が、ノードNode_1に接続されている。スイッチ205は、反転
クロック信号CBによってオン又はオフが制御される。
203は、他方の端子がノードNode_1に接続されている。スイッチ203は、クロ
ック信号Cによってオン又はオフが制御される。
回路204は、出力端子が出力信号Qを与える配線に接続されている。
他にもスイッチ203及びスイッチ205には、トランジスタを用いることもできる。
ックドインバータを用いることで一つの構成としてもよい。
される。インバータ回路201、202、204は、入力端子に電位V1を印加すると出
力端子に電位V2の電位を出力し、入力端子に電位V2を印加すると出力端子に電位V1
の電位を出力する。
明を省略する。
。
電位をV1として表すものとする。そして電位V1をHレベルからLレベルに切り替える
ことで、半導体装置20への電源電圧の供給を停止することを表すものとする。また電位
V1をLレベルからHレベルに切り替えることで半導体装置20への電源電圧の供給を再
開することを表すものとする。
電位を表す。またCBは、反転クロック信号が与えられる配線の電位を表す。またDは、
データ信号が与えられる配線の電位を表す。またQは、出力信号が与えられる配線の電位
を表す。またSは、制御信号Saveが与えられる配線の電位を表す。またLは、制御信
号Loadが与えられる配線の電位を表す。またV1は、前述したように、電位V1が供
給される配線の電位を表す。またNode_3は、ノードNode_3の電位を表す。ま
たNode_4は、ノードNode_4の電位を表す。
の状態を表す。期間P1は、通常動作期間である。期間P2は、動作停止移行期間である
。期間P3は、動作停止期間である。期間P4は、動作再開移行期間である。
P4での各動作のタイミングを説明するために付したものである。
クロック信号が供給される。なお、配線S及び配線LにはLレベルの信号が供給されてい
る。このとき、記憶回路部200は、通常のレジスタ又はフリップフロップとして動作す
ることができる。すなわち配線Qは、配線CがLレベルからHレベルになる際には、同時
点における配線Dと同じ電位となる。なお、実際には信号遅延があるため、配線CのLレ
ベルからHレベルになった後、配線Qの電位が変化する。
CをLレベルの信号、配線CBをHレベルの信号に固定する。時刻T6と時刻T7の間で
、配線SをHレベルの信号にして、記憶回路部200のノードNode_1及びノードN
ode_2に保持されているデータの退避を行う。一例として、図2(B)では、ノード
Node_3にHレベルの電位、ノードNode_4にLレベルの電位を保持する構成を
示している。
わち、半導体装置20への電源電圧の供給を停止する。この時、配線D及び配線QはLレ
ベルの信号となる。また配線C及び配線CBも、時刻T8でLレベルの信号とする。
D、及び配線QをLレベルの信号とし、半導体装置20の消費電力はほぼ0とする。なお
、ノードNode_3及びノードNode_4の電位は、電流がほとんど流れないため、
一定値が保たれる。
時刻T5の電位に順次戻していく。まず、時刻T9で、配線C及び配線CBの電位を時刻
T5の電位にする。ここでは、配線CをLレベルの信号とし、配線CBをHレベルの信号
とする。続いて、時刻T10で、配線LをHレベルの信号とする。続いて時刻T11で、
配線V1をHレベルとし、電源電圧の供給を再開する。この時、ノードNode_3及び
ノードNode_4の電位は、トランジスタ123及びトランジスタ127のチャネル抵
抗が異なることを利用して、記憶回路部200に復元され、記憶回路部200のデータは
時刻T5のデータに戻る。すなわち、配線Qは、Hレベルの信号となる。ここで配線Lの
制御信号LをHレベルとしたまま、配線V1をHレベルとすることで、データの復元を容
易に行うことができる。
ック信号の供給を再開する。そして、時刻T12以降、時刻T5と同じ状態から動作を再
開することができる。
ることができる半導体装置を提供することができる。
路部120とでデータの退避及び復元を行うことで、電源電圧の供給を適宜停止すること
ができる。そのため、消費電力の低減を図ることができる。
でデータの退避を、トランジスタの導通状態で制御する構成とすることができる。そのた
め、データの退避を外部の記憶回路部に行う構成と比べ、動作遅延が小さい。また電源電
圧の供給を停止する前にデータの退避を行い、電源電圧の供給が継続される期間では、記
憶回路部200でのデータの保持を行う構成とすることができる。そのため、電源電圧の
供給が継続される期間では、データの保持を高速に行うことができ、動作遅延を抑制する
ことができる。
次いで、上述の半導体装置の変形例について説明する。
様であるので、説明を省略する。
路部220とした回路図である。
に対応する電位の保持ができる回路部である。
22(第1の容量素子ともいう)、トランジスタ223(第2のトランジスタともいう)
、トランジスタ224(第3のトランジスタともいう)、トランジスタ225(第4のト
ランジスタともいう)、容量素子226(第2の容量素子ともいう)、トランジスタ22
7(第5のトランジスタともいう)、トランジスタ228(第6のトランジスタともいう
)、及びインバータ回路229(第1のインバータ回路ともいう)、及びインバータ回路
230(第2のインバータ回路ともいう)を有する。また、記憶回路部220は、少なく
とも電源電圧の供給が停止している期間において、1又は0に対応する電位をデータとし
て保持することが可能なノードNode_3、ノードNode_4を有する。
を省略する。
de_1とトランジスタ221との間にインバータ回路229を有する点、ノードNod
e_2とトランジスタ225との間にインバータ回路230を有する点、トランジスタ2
24のソース及びドレインの他方がノードNode_1に接続されている点、及びトラン
ジスタ228のソース及びドレインの他方がノードNode_2に接続されている点、で
ある。すなわち図3では、インバータ回路229及びインバータ回路230を追加したこ
とにより、記憶回路部220がノードNode_1及びノードNode_2につながる結
線関係を変更した点である。
トランジスタ225、容量素子226、トランジスタ227、及びトランジスタ228に
おける各構成の説明は、図1におけるトランジスタ121、容量素子122、トランジス
タ123、トランジスタ124、トランジスタ125、容量素子126、トランジスタ1
27、及びトランジスタ128における説明と同様であり、説明を省略する。
する。
追加する構成は、半導体装置を構成するトランジスタの数が増えるものの、誤動作を軽減
できるといった効果がある。
びトランジスタ125を導通状態とする際、ノードNode_3及びノードNode_4
からノードNode_1及びノードNode_2に電荷が移動することで、逆にノードN
ode_1及びノードNode_2のデータが書き換わってしまうといった誤動作が起こ
りえる。特にデータの保持特性を向上する目的で容量素子122及び容量素子126の静
電容量を大きくするときに前述の誤動作が生じやすくなる。
ドNode_1及びノードNode_2に電荷が移動する経路がないので、ノードNod
e_1及びノードNode_2のデータが書き換わってしまうといった誤動作が起こりえ
ない。そのため、データの保持特性を向上する目的で容量素子222及び容量素子226
の静電容量を大きくとったとしても前述の誤動作を軽減できるといった効果がある。
を構成する回路の設計の自由度が増し、半導体装置の信頼性を高めることができる。
続いて、半導体装置の応用例について具体例を挙げて説明する。
図4はPLDが有するロジックアレイのブロック図についての一例を示す図である。ロジ
ックアレイ300は、アレイ状の複数のLE301を有する。ここでアレイ状とは、行列
状にロジックエレメントが周期的に配列していることを指し、配列は図4の配列に限られ
ない。
の配線は複数の水平な配線群303と複数の垂直な配線群304とにより構成される。配
線群とは、複数の配線からなる配線の束である。水平な配線群303と垂直な配線群30
4とが交わる部分にはスイッチ部302が設けられる。また、水平な配線群303及び垂
直な配線群304は入出力端子305に接続され、ロジックアレイ300の外部回路と信
号の授受を行う。
な配線群304に接続している。例えば、LE301の入出力端子は図4においてそれぞ
れ上下左右の側で水平な配線群303や垂直な配線群304と接続している。この入出力
端子を用いることで、LE301は他のLE301に接続することができる。任意のLE
301と、これと異なるLE301との接続経路は、スイッチ部302内に設けられた配
線間の接続を切り替えるためのスイッチによって決定される。
ンフィギュレーションデータを記憶するコンフィギュレーションメモリに応じて決定され
る。スイッチ部302に設けられるコンフィギュレーションメモリは、書き換え可能な構
成とする場合、記憶するコンフィギュレーションデータが電源電圧の供給の停止により消
失しないよう、不揮発性の記憶素子を有する構成とすることが好ましい。
て、ルックアップテーブル(以下、LUT)311、フリップフロップ312及びマルチ
プレクサ313を有する。また図5では、LUT311及びマルチプレクサ313に接続
されて、コンフィギュレーションメモリ314、315が設けられている。
記憶するコンフィギュレーションデータが電源電圧の供給の停止により消失しないよう、
不揮発性の記憶素子を有する構成とすることが好ましい。
プレクサ313の入力信号の選択情報、スイッチ部302の導通又は非導通のデータをい
う。またコンフィギュレーションメモリとは、コンフィギュレーションデータを記憶する
記憶素子をいう。
ョンデータの内容によって、定められる論理回路が異なる。そして、コンフィギュレーシ
ョンデータが確定すると、LUT311は、入力端子316に与えられた複数の入力信号
の入力値に対する、一の出力値が定まる。そして、LUT311からは、上記出力値を含
む信号が出力される。
に同期して当該信号に対応した出力信号が、マルチプレクサ313に出力される。
の出力信号とが入力されている。そして、マルチプレクサ313は、コンフィギュレーシ
ョンメモリ315に保持されているコンフィギュレーションデータに従って、上記2つの
出力信号のいずれか一方に切り替えて出力する。マルチプレクサ313からの出力信号は
、出力端子317から出力される。
記憶を行う回路に、上記実施の形態で示した半導体装置を用いることで、電源電圧の供給
の停止によるフリップフロップ内のデータの消失を防ぐことができる。また、電源電圧の
供給を停止する前に保持していたデータの退避を短時間で行うことができ、さらに、電源
電圧の供給を再開した後、短時間で上記データを復元することができる。よって、PLD
を構成する複数のロジックエレメントにおいて、電源電圧の供給の停止を行うことができ
る。従って、PLDの消費電力を小さく抑えることができる。
ここでスイッチ部302に設けられるコンフィギュレーションメモリとして用いることの
できる不揮発性の記憶素子の一例について図9(A)に示す。図9(A)に示す不揮発性
の記憶素子は、酸化物半導体を用いたトランジスタでコンフィギュレーションメモリを形
成する構成例である。コンフィギュレーションメモリに用いる不揮発性の記憶素子に、酸
化物半導体を用いたトランジスタのオフ電流が低いという特性を利用してデータの保持を
行う構成を採用することで、トランジスタの作製工程によりコンフィギュレーションメモ
リを作製することができ、且つトランジスタ同士を積層して作製することができる等、低
コスト化の点でメリットが大きい。
リ500を示す。コンフィギュレーションメモリ500は、ノードmemに保持されるコ
ンフィギュレーションデータに従って、端子S1と端子S2との接続を制御する。
ジスタ512及びトランジスタ513並びに容量素子514を有する。
ンフィギュレーションメモリ520を示す。コンフィギュレーションメモリ520は、ノ
ードmem1、mem2に保持されるコンフィギュレーションデータに従って、出力端子
OUTの信号を制御する。電位VH及び電位VLは、それぞれLUT311又はマルチプ
レクサ313を制御するための信号である。
ジスタ532、トランジスタ533、容量素子534、トランジスタ535、トランジス
タ536、トランジスタ537及び容量素子538を有する。
ンドギャップが広く、真性キャリア密度がシリコンよりも低い半導体材料を用いる。トラ
ンジスタとして酸化物半導体をチャネル形成領域に用いる。一方トランジスタ512、ト
ランジスタ513、トランジスタ532、トランジスタ533、トランジスタ536及び
トランジスタ537は、例えばシリコンなどの半導体材料をチャネル形成領域に用いて、
トランジスタ511、トランジスタ531及びトランジスタ535よりも高速にスイッチ
ングが可能なトランジスタを用いるとよい。
、酸化物半導体をチャネル形成領域に具備するトランジスタであることを示すために、O
Sの符号を付している。
9(A)に示すように、トランジスタ511のゲートは、第1のワード線502に接続さ
れている。また、トランジスタ511のソース及びドレインの一方はデータ線501に接
続されている。また、トランジスタ511のソース及びドレインの他方は、トランジスタ
512のゲート及び容量素子514に接続されている。トランジスタ512のソース及び
ドレインの一方は、端子S1に接続されている。トランジスタ512のソース及びドレイ
ンの他方は、トランジスタ513のソース及びドレインの一方に接続されている。トラン
ジスタ513のゲートは、第2のワード線503に接続されている。トランジスタ513
のソース及びドレインの他方は、端子S2に接続されている。
はLレベルに対応する電位をコンフィギュレーションデータとして保持する。トランジス
タ511は、オフ電流が極めて小さいトランジスタを用いることで、ノードmemにコン
フィギュレーションデータを記憶することができる。コンフィギュレーションデータの電
位に応じてコンフィギュレーションメモリ500では、トランジスタ512の導通状態が
制御される。そしてトランジスタ513を導通状態とするタイミングで、端子S1及び端
子S2間のオン又はオフの制御を実現することができる。
る。図9(B)に示すように、トランジスタ531のゲートは、第1のワード線542に
接続されている。また、トランジスタ531のソース及びドレインの一方はデータ線54
1に接続されている。また、トランジスタ531のソース及びドレインの他方は、トラン
ジスタ532のゲート及び容量素子534に接続されている。トランジスタ532のソー
ス及びドレインの一方は、電位VHが与えられる配線に接続されている。トランジスタ5
32のソース及びドレインの他方は、トランジスタ533のソース及びドレインの一方に
接続されている。トランジスタ533のゲートは、第2のワード線543に接続されてい
る。トランジスタ533のソース及びドレインの他方は、出力端子OUTに接続されてい
る。トランジスタ535のゲートは、第1のワード線542に接続されている。また、ト
ランジスタ535のソース及びドレインの一方は、インバータ回路540を介して、デー
タ線541に接続されている。また、トランジスタ535のソース及びドレインの他方は
、トランジスタ536のゲート及び容量素子538に接続されている。トランジスタ53
6のソース及びドレインの一方は、電位VLが与えられる配線に接続されている。トラン
ジスタ536のソース及びドレインの他方は、トランジスタ537のソース及びドレイン
の一方に接続されている。トランジスタ537のゲートは、第2のワード線543に接続
されている。トランジスタ537のソース及びドレインの他方は、出力端子OUTに接続
されている。
にHレベル、Lレベルの組み合わせ、又はLレベル、Hレベルの組み合わせに対応する電
位をコンフィギュレーションデータとして保持する。トランジスタ531、535は、オ
フ電流が極めて小さいトランジスタを用いることで、ノードmem1、mem2にコンフ
ィギュレーションデータを記憶することができる。コンフィギュレーションメモリ520
では、コンフィギュレーションデータの電位に応じて、トランジスタ532、536の導
通状態が制御される。そしてトランジスタ533、537を導通状態とするタイミングで
、出力端子OUTより出力される信号を電位VH又は電位VLに切り替える制御を実現す
ることができる。
次いで図6は、CPUのブロック図の一例を示す図である。
コーダ413、汎用レジスタ414、及びALU415(Arithmetic log
ic unit)を有する。CPU400の外部には、CPU400とのデータの入出力
を行うための主記憶装置401が設けられる。
記憶するレジスタである。命令レジスタ412は、主記憶装置401から命令デコーダ4
13に送られるデータを一時的に記憶しておくレジスタである。命令デコーダ413は、
入力されたデータをデコードし、汎用レジスタ414でのレジスタ指定、及びALU41
5での演算方法指定等の信号を生成する回路である。汎用レジスタ414は、主記憶装置
401から読み出されたデータ、ALU415の演算処理の途中で得られたデータ、或い
はALU415の演算処理の結果得られたデータ、などを記憶することができる。ALU
415は、四則演算、論理演算などの各種演算処理を行う機能を有する。なお、CPU4
00には、別途データキャッシュ等、すなわち演算結果などを一時的に記憶する回路があ
ってもよい。
記憶装置401に出力するよう、指示を行う。次いで主記憶装置401に記憶された、実
行する命令のアドレスからデータを読み出し、命令レジスタ412に記憶させる。
行する。具体的には、汎用レジスタ414でのレジスタ指定、及びALU415での演算
方法指定等の信号を生成する。
U415又は主記憶装置401に出力する。ALUでは、命令デコーダ413で指定され
た演算方法に基づいて、演算処理を実行し、演算結果を汎用レジスタ414に記憶する。
2から読み出したデータをデコード、命令を実行するという動作を繰り返す。
13、汎用レジスタ414といった回路内における一時的なデータの記憶を行うレジスタ
に、上記実施の形態で示した半導体装置を用いることで、電源電圧の供給の停止によるレ
ジスタ内のデータの消失を防ぐことができる。また、電源電圧の供給を停止する前に保持
していたデータの退避を短時間で行うことができ、さらに、電源電圧の供給を再開した後
、短時間で上記データを復元することができる。よって、CPU400全体、又はCPU
400を構成する各種回路において、電源電圧の供給の停止を行うことができる。従って
、CPU400の消費電力を小さく抑えることができる。
して図7に示す。図7には、CPU400と、パワースイッチ421と、電源制御回路4
22とを有する。
給の停止又は再開を制御することができる。具体的には、電源制御回路422が、パワー
スイッチ421のオン又はオフするためのパワー制御信号Power_ENを出力し、C
PU400への電源電圧の供給の停止又は再開を制御する。パワースイッチ421をオン
にすることで、電位V1、V2が与えられる配線より、CPU400への電源電圧の供給
が行われる。またパワースイッチ421をオフにすることで、電位V1、V2が与えられ
る配線間の電流のパスが切断されるため、CPU400への電源電圧の供給が停止する。
1及びCPU400の動作を統轄的に制御する機能を有する。具体的には、電源制御回路
422は、パワースイッチ421のオン又はオフするためのパワー制御信号Power_
EN、並びにレジスタで退避及び復元されるデータを制御する制御信号Save及び制御
信号Loadを出力する。制御信号Save及び制御信号Loadは、上述したように、
レジスタ内の電位を揮発性の記憶回路部と不揮発性の記憶回路部との間で退避及び復元す
るための信号である。
作の一例について説明する。
データDataの頻度をもとに判断する。具体的には、データDataがCPU400に
継続して入力される場合、電源制御回路422は電源電圧の供給を継続するよう制御する
。またデータDataがCPU400に間欠的に入力される場合、データDataが入力
されるタイミングに従って、電源制御回路422は電源電圧の供給を停止又は再開するよ
う制御する。
して電源電圧の供給が行われる構成とすることが好ましい。当該構成とすることで、CP
U400への電源電圧の供給を停止又は再開を、所望のタイミングで行うことができる。
次いでチャネルが酸化物半導体層に形成されるトランジスタ902と、チャネルが単結晶
シリコンウェハに形成されるトランジスタ901とを含んで構成される半導体装置の構造
例及びその作製方法例について図10を参照して説明する。なお、トランジスタ902は
、図1に示すトランジスタ121、125などとして適用することが可能であり、トラン
ジスタ901は、図1に示す記憶回路部110及び記憶回路部120等を構成するトラン
ジスタとして適用することが可能である。
単結晶炭化シリコンなどの半導体材料を用いていても良い。また、例えば、シリコンを用
いたトランジスタは、SOI法により作製されたシリコン薄膜、気相成長法により作製さ
れたシリコン薄膜などを用いて形成することができる。この場合、基板にはフュージョン
法やフロート法で作製されるガラス基板、石英基板、半導体基板、セラミック基板等を用
いることができる。ガラス基板としては、後の加熱処理の温度が高い場合には、歪み点が
730℃以上のものを用いると良い。
スタ901と、その上階層に酸化物半導体を用いて形成されたトランジスタ902とが形
成されている。すなわち、本実施の形態で示す半導体装置は、シリコンウェハを基板とし
て、その上層にトランジスタ層が設けられた三次元の積層構造を有する半導体装置であり
、また、シリコンをチャネル形成領域に用いたトランジスタと酸化物半導体をチャネル形
成領域に用いたトランジスタとを有するハイブリッド型の半導体装置である。
ランジスタ(NMOSFET)、pチャネル型トランジスタ(PMOSFET)のいずれ
も用いることができる。図10に示す例においては、トランジスタ901は、STI(S
hallow Trench Isolation)905によって他の素子と絶縁分離
されている。STI905を用いることにより、LOCOSによる素子分離法で発生した
素子分離部のバーズビークを抑制することができ、素子分離部の縮小等が可能となる。一
方で、構造の微細化小型化が要求されない半導体装置においてはSTI905の形成は必
ずしも必要ではなく、LOCOS等の素子分離手段を用いることもできる。トランジスタ
901が形成される基板900には、ボロンやリン、ヒ素等の導電性を付与する不純物が
添加されたウェル904が形成されている。
チャネル形成領域を挟むように設けられた不純物領域906(ソース領域及びドレイン領
域ともいう)と、チャネル形成領域上に設けられたゲート絶縁膜907と、ゲート絶縁膜
907上にチャネル形成領域と重畳するように設けられたゲート電極層908とを有する
。ゲート電極層908は、加工精度を高めるための第1の材料からなるゲート電極層と、
配線として低抵抗化を目的とした第2の材料からなるゲート電極層を積層した構造とする
ことができる。例えば、導電性を付与するリン等の不純物を添加した結晶性シリコンとニ
ッケルシリサイドとの積層構造などが挙げられる。しかし、この構造に限らず、適宜要求
される仕様に応じて材料、積層数、形状等を調整することができる。
フィン型構造とは、半導体基板の一部を板状の突起形状に加工し、突起形状の長尺方向を
交差するようにゲート電極層を設けた構造である。ゲート電極層は、ゲート絶縁膜を介し
て突起構造の上面及び側面を覆う。トランジスタ901をフィン型構造のトランジスタと
することで、チャネル幅を縮小してトランジスタの集積化を図ることができる。また、電
流を多く流すことができ、加えて制御効率を向上させることができるため、トランジスタ
のオフ時の電流及び閾値電圧を低減することができる。
5が接続されている。ここでコンタクトプラグ913、915は、接続するトランジスタ
901のソース電極やドレイン電極としても機能する。また、不純物領域906とチャネ
ル形成領域の間には、不純物領域906と異なる不純物領域が設けられている。該不純物
領域は、導入された不純物の濃度によって、LDD領域やエクステンション領域としてチ
ャネル形成領域近傍の電界分布を制御する機能を果たす。ゲート電極層908の側壁には
絶縁膜を介してサイドウォール絶縁膜909を有する。この絶縁膜やサイドウォール絶縁
膜909を用いることで、LDD領域やエクステンション領域を形成することができる。
護膜としての機能を持たせることができ、外部からチャネル形成領域への不純物の侵入を
防止することができる。また、絶縁膜910をCVD法による窒化シリコン等の材料とす
ることで、チャネル形成領域に単結晶シリコンを用いた場合には加熱処理によって水素化
を行うことができる。また、絶縁膜910に引張応力又は圧縮応力を有する絶縁膜を用い
ることで、チャネル形成領域を構成する半導体材料に歪みを与えることができる。nチャ
ネル型のトランジスタの場合にはチャネル形成領域となるシリコン材料に引張応力を、p
チャネル型のトランジスタの場合にはチャネル形成領域となるシリコン材料に圧縮応力を
付加することで、各トランジスタの電界効果移動度を向上させることができる。
が施されている。これにより、トランジスタ901を含む階層よりも上の階層に高い精度
で素子層を積層していくことができる。
ランジスタ902を含む階層を形成する。トランジスタ902はトップゲート構造のトラ
ンジスタであり、酸化物半導体膜926の側面及び上面に接してソース電極層927及び
ドレイン電極層928を有し、これらの上のゲート絶縁膜929上にゲート電極層930
を有している。また、トランジスタ902を覆うように絶縁膜932、933が形成され
ている。ここでトランジスタ902の作製方法について、以下に説明する。
素、窒化酸化珪素、酸化窒化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化酸化アル
ミニウムなどの無機の絶縁膜を用いることができる。特に、誘電率の低い(low−k)
材料を用いることで、各種電極や配線の重なりに起因する容量を十分に低減することが可
能になるため好ましい。なお、絶縁膜924に上記材料を用いた多孔性の絶縁膜を適用し
ても良い。多孔性の絶縁膜では、密度の高い絶縁膜と比較して誘電率が低下するため、電
極や配線に起因する寄生容量を更に低減することが可能である。本実施の形態では、膜厚
50nmの酸化アルミニウム膜上に膜厚300nm程度の酸化珪素膜を積層させて、絶縁
膜924として用いる。
することで、形成することができる。上記酸化物半導体膜の膜厚は、2nm以上200n
m以下、好ましくは3nm以上50nm以下、更に好ましくは3nm以上20nm以下と
する。酸化物半導体膜は、酸化物半導体をターゲットとして用い、スパッタ法により成膜
する。また、酸化物半導体膜は、希ガス(例えばアルゴン)雰囲気下、酸素雰囲気下、又
は希ガス(例えばアルゴン)及び酸素混合雰囲気下においてスパッタ法により形成するこ
とができる。
マを発生させる逆スパッタを行い、絶縁膜924の表面に付着している塵埃を除去するこ
とが好ましい。逆スパッタとは、ターゲット側に電圧を印加せずに、アルゴン雰囲気下で
基板側にRF電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成して表面を改質する
方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウムなどを用いてもよい。また、
アルゴン雰囲気に酸素、亜酸化窒素などを加えた雰囲気で行ってもよい。また、アルゴン
雰囲気に塩素、四フッ化炭素などを加えた雰囲気で行ってもよい。
ーゲットを用いたスパッタ法により得られる膜厚30nmのIn−Ga−Zn系酸化物半
導体の薄膜を、酸化物半導体膜として用いる。上記ターゲットとして、好ましくは、原子
数比がIn:Ga:Zn=1:1:1、4:2:3、3:1:2、1:1:2、2:1:
3、又は3:1:4で示されるターゲットを用いる。また、In、Ga、及びZnを含む
ターゲットの充填率は90%以上100%以下、好ましくは95%以上100%未満であ
る。充填率の高いターゲットを用いることにより、成膜した酸化物半導体膜は緻密な膜と
なる。
は、原子数比で、In:Zn=50:1〜1:2(モル数比に換算するとIn2O3:Z
nO=25:1〜1:4)、好ましくはIn:Zn=20:1〜1:1(モル数比に換算
するとIn2O3:ZnO=10:1〜1:2)、さらに好ましくはIn:Zn=1.5
:1〜15:1(モル数比に換算するとIn2O3:ZnO=3:4〜15:2)とする
。例えば、In−Zn系酸化物半導体の形成に用いるターゲットは、原子数比がIn:Z
n:O=X:Y:Zのとき、Z>1.5X+Yとする。Znの比率を上記範囲に収めるこ
とで、移動度の向上を実現することができる。
膜する場合、好ましくは、原子数比がIn:Sn:Zn=1:1:1、2:1:3、1:
2:2、又は20:45:35で示されるIn−Sn−Zn−Oターゲットを用いる。
を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、上記ターゲットを用いて
酸化物半導体膜を成膜する。成膜時に、基板温度を100℃以上600℃以下、好ましく
は200℃以上400℃以下としても良い。基板を加熱しながら成膜することにより、成
膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物濃度を低減することができる。また、スパッタリ
ングによる損傷が軽減される。処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポ
ンプを用いることが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメ
ーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコー
ルドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて処理室を排気すると
、例えば、水素原子、水(H2O)など水素原子を含む化合物等が排気されるため、当該
処理室で成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。
、直流(DC)電源0.5kW、酸素(酸素流量比率100%)雰囲気下の条件が適用さ
れる。なお、パルス直流(DC)電源を用いると、成膜時に発生する塵埃が軽減でき、膜
厚分布も均一となるために好ましい。
とすることで、スパッタリング法による成膜途中における酸化物半導体膜への、アルカリ
金属、水素化物等の不純物の混入を低減することができる。また、排気系として上述した
吸着型の真空ポンプを用いることで、排気系からのアルカリ金属、水素原子、水素分子、
水、または水素化物等の不純物の逆流を低減することができる。
アルカリ金属、水素原子、水素分子、水、水酸基、または水素化物等を低減することがで
きる。また、当該ターゲットを用いることで、酸化物半導体膜において、リチウム、ナト
リウム、カリウム等のアルカリ金属の濃度を低減することができる。
成膜の前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室で絶縁膜924までが形成された
基板900を予備加熱し、基板900に吸着した水分又は水素などの不純物を脱離し排気
することが好ましい。なお、予備加熱の温度は、100℃以上400℃以下、好ましくは
150℃以上300℃以下である。また、予備加熱室に設ける排気手段はクライオポンプ
が好ましい。なお、この予備加熱の処理は省略することもできる。
ットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。ドライエッチングに用いるエッチングガ
スとしては、塩素を含むガス(塩素系ガス、例えば塩素(Cl2)、三塩化硼素(BCl
3)、四塩化珪素(SiCl4)、四塩化炭素(CCl4)など)が好ましい。また、フ
ッ素を含むガス(フッ素系ガス、例えば四弗化炭素(CF4)、六弗化硫黄(SF6)、
三弗化窒素(NF3)、トリフルオロメタン(CHF3)など)、臭化水素(HBr)、
酸素(O2)、これらのガスにヘリウム(He)やアルゴン(Ar)などの希ガスを添加
したガス、などを用いることができる。
ing)法や、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導
結合型プラズマ)エッチング法を用いることができる。所望の形状にエッチングできるよ
うに、エッチング条件(コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加される
電力量、基板側の電極温度等)を適宜調節する。
よい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、
製造コストを低減できる。
膜924の表面に付着しているレジスト残渣などを除去することが好ましい。
酸基を含む)が多量に含まれていることがある。水分又は水素はドナー準位を形成しやす
いため、酸化物半導体にとっては不純物である。そこで、本実施の形態では、酸化物半導
体膜中の水分又は水素などの不純物を低減(脱水化または脱水素化)するために、酸化物
半導体膜926に対して、減圧雰囲気下、窒素や希ガスなどの不活性ガス雰囲気下、酸素
ガス雰囲気下、又は超乾燥エア(CRDS(キャビティリングダウンレーザー分光法)方
式の露点計を用いて測定した場合の水分量が20ppm(露点換算で−55℃)以下、好
ましくは1ppm以下、好ましくは10ppb以下の空気)雰囲気下で、酸化物半導体膜
926に加熱処理を施す。
を脱離させることができる。具体的には、250℃以上750℃以下、好ましくは400
℃以上基板の歪み点未満の温度で加熱処理を行えば良い。例えば、500℃、3分間以上
6分間以下程度で行えばよい。加熱処理にRTA法を用いれば、短時間に脱水化又は脱水
素化が行えるため、ガラス基板の歪点を超える温度でも処理することができる。
射によって、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。例えば、GRTA(Gas
Rapid Thermal Anneal)装置、LRTA(Lamp Rapid
Thermal Anneal)装置等のRTA(Rapid Thermal Ann
eal)装置を用いることができる。LRTA装置は、ハロゲンランプ、メタルハライド
ランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水
銀ランプなどのランプから発する光(電磁波)の輻射により、被処理物を加熱する装置で
ある。GRTA装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。気体には、アル
ゴンなどの希ガス、又は窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活性気
体が用いられる。
素などが含まれないことが好ましい。又は、加熱処理装置に導入する窒素、又はヘリウム
、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、6N(99.9999%)以上、好ましくは7
N(99.99999%)以上、(即ち不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1p
pm以下)とすることが好ましい。
できる。それにより酸化物半導体膜の安定化を図ることができる。また、当該水素濃度が
低減され高純度化された酸化物半導体膜を用いることで、耐圧性が高く、オフ電流の著し
く低いトランジスタを作製することができる。上記加熱処理は、酸化物半導体膜の成膜以
降であれば、いつでも行うことができる。
8を形成する。具体的には、ソース電極層927及びドレイン電極層928は、スパッタ
法や真空蒸着法で絶縁膜924上に導電膜を形成した後、当該導電膜を所定の形状に加工
(パターニング)することで、形成することができる。
mのタングステン膜を用いる。
それぞれの材料及びエッチング条件を適宜調節する。エッチング条件によっては、酸化物
半導体膜926の露出した部分が一部エッチングされることで、溝部(凹部)が形成され
ることもある。
グステン膜を用いる。そのため、アンモニアと過酸化水素水を含む溶液(アンモニア過水
)を用いて、選択的に上記導電膜をウェットエッチングすることができる。具体的には、
31重量%の過酸化水素水と、28重量%のアンモニア水と、水とを、体積比5:2:2
で混合したアンモニア過水を用いる。あるいは、四弗化炭素(CF4)、塩素(Cl2)
、酸素を含むガスを用いて、上記導電膜をドライエッチングしても良い。
した光に多段階の強度をもたせる多階調マスクによって形成されたレジストマスクを用い
てエッチング工程を行ってもよい。多階調マスクを用いて形成したレジストマスクは複数
の膜厚を有する形状となり、アッシングを行うことで更に形状を変形することができるた
め、異なるパターンに加工する複数のエッチング工程に用いることができる。すなわち、
一枚の多階調マスクによって、少なくとも二種類以上の異なるパターンに対応するレジス
トマスクを形成することができる。よって露光マスク数を削減することができ、対応する
フォトリソグラフィ工程も削減できるため、工程の簡略化が可能となる。
、ソース領域及びドレイン領域として機能する酸化物導電膜を設けるようにしても良い。
酸化物導電膜の材料としては、酸化亜鉛を成分として含むものが好ましく、酸化インジウ
ムを含まないものであることが好ましい。そのような酸化物導電膜として、酸化亜鉛、酸
化亜鉛アルミニウム、酸窒化亜鉛アルミニウム、酸化亜鉛ガリウムなどを適用することが
できる。
ソース電極層927及びドレイン電極層928を形成するためのパターニングとを一括で
行うようにしても良い。
膜926とソース電極層927及びドレイン電極層928の間の抵抗を下げることができ
るので、トランジスタの高速動作を実現させることができる。また、ソース領域及びドレ
イン領域として機能する酸化物導電膜を設けることで、トランジスタの耐圧を高めること
ができる。
い。このプラズマ処理によって露出している酸化物半導体膜の表面に付着した水などを除
去する。また、酸素とアルゴンの混合ガスを用いてプラズマ処理を行ってもよい。
物半導体膜926とを覆うように、ゲート絶縁膜929を形成する。そして、ゲート絶縁
膜929上において、酸化物半導体膜926と重なる位置にゲート電極層930を形成す
る。
膜929として用いる。成膜時の基板温度は、室温以上400℃以下とすればよく、本実
施の形態では300℃とする。
、超乾燥空気、又は希ガス(アルゴン、ヘリウムなど)の雰囲気下において、好ましくは
200℃以上400℃以下、例えば250℃以上350℃以下で行う。上記ガスは、水の
含有量が20ppm以下、好ましくは1ppm以下、より好ましくは10ppb以下であ
ることが望ましい。本実施の形態では、例えば、窒素雰囲気下で250℃、1時間の加熱
処理を行う。あるいは、ソース電極層927及びドレイン電極層928を形成する前に、
水分又は水素を低減させるための酸化物半導体膜に対して行った先の加熱処理と同様に、
高温短時間のRTA処理を行っても良い。酸素を含むゲート絶縁膜929が設けられた後
に、加熱処理が施されることによって、酸化物半導体膜926に対して行った先の加熱処
理により、酸化物半導体膜926に酸素欠損が発生していたとしても、ゲート絶縁膜92
9から酸化物半導体膜926に酸素が供与される。そして、酸化物半導体膜926に酸素
が供与されることで、酸化物半導体膜926において、ドナーとなる酸素欠損を低減し、
化学量論的組成を満たすことが可能である。その結果、酸化物半導体膜926をi型に近
づけることができ、酸素欠損によるトランジスタの電気特性のばらつきを軽減し、電気特
性の向上を実現することができる。この加熱処理を行うタイミングは、ゲート絶縁膜92
9の形成後であれば特に限定されず、他の工程と兼ねることで、工程数を増やすことなく
酸化物半導体膜926をi型に近づけることができる。
26に酸素を添加し、酸化物半導体膜926中においてドナーとなる酸素欠損を低減させ
ても良い。加熱処理の温度は、例えば100℃以上350℃未満、好ましくは150℃以
上250℃未満で行う。上記酸素雰囲気下の加熱処理に用いられる酸素ガスには、水、水
素などが含まれないことが好ましい。又は、加熱処理装置に導入する酸素ガスの純度を、
6N(99.9999%)以上、好ましくは7N(99.99999%)以上、(即ち酸
素中の不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい
。
酸素を添加することで、ドナーとなる酸素欠損を低減させても良い。例えば、2.45G
Hzのマイクロ波でプラズマ化した酸素を酸化物半導体膜926に添加すれば良い。
ニングすることで形成することができる。
る。本実施の形態では、スパッタ法により膜厚30nmの窒化タンタル上に膜厚135n
mのタングステンを積層させてゲート電極用の導電膜を形成した後、該導電膜をエッチン
グにより所望の形状に加工(パターニング)することで、ゲート電極層930を形成する
。なお、レジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインク
ジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
要に応じて、電気的に接続された複数のゲート電極を有することで、チャネル形成領域を
複数有する、マルチゲート構造のトランジスタも形成することができる。
体膜926の後に形成されている。よって、図10に示すように、上記作製方法によって
得られるトランジスタ902は、ソース電極層927及びドレイン電極層928が、酸化
物半導体膜926の上に形成されている。しかし、トランジスタ902は、ソース電極層
927及びドレイン電極層928が、酸化物半導体膜926の下、すなわち、酸化物半導
体膜926と絶縁膜924の間に設けられていても良い。
用いるようにしても良い。酸化物半導体材料には第13族元素を含むものが多く、第13
族元素を含む絶縁材料は酸化物半導体との相性が良く、これを酸化物半導体膜に接する絶
縁膜に用いることで、酸化物半導体膜との界面の状態を良好に保つことができる。
味する。第13族元素を含む絶縁材料としては、例えば、酸化ガリウム、酸化アルミニウ
ム、酸化アルミニウムガリウム、酸化ガリウムアルミニウムなどがある。ここで、酸化ア
ルミニウムガリウムとは、ガリウムの含有量(原子%)よりアルミニウムの含有量(原子
%)が多いものを示し、酸化ガリウムアルミニウムとは、ガリウムの含有量(原子%)が
アルミニウムの含有量(原子%)以上のものを示す。
酸化ガリウムを含む材料を用いることで酸化物半導体膜と絶縁膜の界面特性を良好に保つ
ことができる。例えば、酸化物半導体膜と酸化ガリウムを含む絶縁膜とを接して設けるこ
とにより、酸化物半導体膜と絶縁膜の界面における水素のパイルアップを低減することが
できる。なお、絶縁膜に酸化物半導体の成分元素と同じ族の元素を用いる場合には、同様
の効果を得ることが可能である。例えば、酸化アルミニウムを含む材料を用いて絶縁膜を
形成することも有効である。なお、酸化アルミニウムは、水を透過させにくいという特性
を有しているため、当該材料を用いることは、酸化物半導体膜への水の侵入防止という点
においても好ましい。
プなどにより、絶縁材料を化学量論的組成より酸素が多い状態とすることが好ましい。酸
素ドープとは、酸素をバルクに添加することをいう。なお、当該バルクの用語は、酸素を
薄膜表面のみでなく薄膜内部に添加することを明確にする趣旨で用いている。また、酸素
ドープには、プラズマ化した酸素をバルクに添加する酸素プラズマドープが含まれる。ま
た、酸素ドープは、イオン注入法又はイオンドーピング法を用いて行ってもよい。
形成することができる。このような領域を備える絶縁膜と酸化物半導体膜が接することに
より、絶縁膜中の過剰な酸素が酸化物半導体膜に供給され、酸化物半導体膜中、又は酸化
物半導体膜と絶縁膜の界面における酸素欠陥を低減し、酸化物半導体膜をi型化又はi型
に限りなく近くすることができる。
する絶縁膜のうち、上層に位置する絶縁膜又は下層に位置する絶縁膜のうち、どちらか一
方のみに用いても良いが、両方の絶縁膜に用いる方が好ましい。化学量論的組成より酸素
が多い領域を有する絶縁膜を、酸化物半導体膜926に接する絶縁膜の、上層及び下層に
位置する絶縁膜に用い、酸化物半導体膜926を挟む構成とすることで、上記効果をより
高めることができる。
素を有する絶縁膜としても良いし、異なる構成元素を有する絶縁膜としても良い。また、
酸化物半導体膜926に接する絶縁膜は、化学量論的組成より酸素が多い領域を有する絶
縁膜の積層としても良い。
た、トランジスタ902にはバックゲート電極層923が設けられている。バックゲート
電極層を設けた場合、さらにトランジスタ902のノーマリーオフ化を実現することがで
きる。例えば、バックゲート電極層923の電位をGNDや固定電位とすることでトラン
ジスタ902の閾値電圧をよりプラスとし、さらにノーマリーオフのトランジスタとする
ことができる。
形成するために、各階層間及び上層に接続のための配線層を単層又は多層積層する。
グ913を介して配線層914と電気的に接続している。一方、トランジスタ901のソ
ース及びドレインの他方は、コンタクトプラグ915を介して配線層916と電気的に接
続している。また、トランジスタ901のゲートは、コンタクトプラグ917、配線層9
18、コンタクトプラグ921、配線層922、及びコンタクトプラグ925を介してト
ランジスタ902のドレイン電極層928と電気的に接続している。
め込まれている。これらの配線層等は、例えば銅、アルミニウム等の低抵抗な導電性材料
を用いることが好ましい。また、CVD法により形成したグラフェンを導電性材料として
用いてこれらの配線層を形成することもできる。グラフェンとは、sp2結合を有する1
原子層の炭素分子のシートのこと、または2乃至100層の炭素分子のシートが積み重な
っているものをいう。このようなグラフェンを作製する方法として、金属触媒の上にグラ
フェンを形成する熱CVD法や、紫外光を照射して局所的にプラズマを発生させることで
触媒を用いずにメタンからグラフェンを形成するプラズマCVD法などがある。
することができる。配線層に銅を用いる場合には、銅のチャネル形成領域への拡散を防止
するため、バリア膜を形成する。バリア膜として、例えば窒化タンタル、窒化タンタルと
タンタルとの積層、窒化チタン、窒化チタンとチタンとの積層等による膜を用いることが
できるが、配線材料の拡散防止機能、及び配線材料や下地膜等との密着性が確保される程
度においてこれらの材料からなる膜に限られない。バリア膜は配線層とは別個の層として
形成してもよく、バリア膜となる材料を配線材料中に含有させ、加熱処理によって絶縁膜
に設けられた開口の内壁に析出させて形成しても良い。
、窒化酸化シリコン、BPSG(Boron Phosphorus Silicate
Glass)、PSG(Phosphorus Silicate Glass)、炭
素を添加した酸化シリコン(SiOC)、フッ素を添加した酸化シリコン(SiOF)、
Si(OC2H5)4を原料とした酸化シリコンであるTEOS(Tetraethyl
orthosilicate)、HSQ(Hydrogen Silsesquiox
ane)、MSQ(MethylSilsesquioxane)、OSG(Organ
o Silicate Glass)、有機ポリマー系の材料等の絶縁体を用いることが
できる。特に半導体装置の微細化を進める場合には、配線層間の寄生容量が顕著になり信
号遅延が増大するため酸化シリコンの比誘電率(k=4.0〜4.5)では高く、kが3
.0以下の材料を用いることが好ましい。また該絶縁膜に配線層を埋め込んだ後にCMP
処理を行うため、絶縁膜には機械的強度が要求される。この機械的強度が確保できる限り
において、これらを多孔質(ポーラス)化させて低誘電率化することができる。絶縁膜は
、スパッタリング法、CVD法、スピンコート法(Spin On Glass:SOG
ともいう)を含む塗布法等により形成する。
込んだ後、CMP等による平坦化処理を行う際のエッチングストッパとして機能させるた
めの絶縁膜を別途設けてもよい。
の開口(ビアホール)を形成し、タングステン等の導電材料で埋め込むことで作製する。
開口は、異方性の高いドライエッチングを行うことが好ましい。特に、反応性イオンエッ
チング法(RIE法)を用いることが好ましい。開口の内壁にはチタン膜、窒化チタン膜
又はこれらの積層膜等からなるバリア膜(拡散防止膜)が設けられ、バリア膜の内部にタ
ングステンやリン等をドープしたポリシリコン等の材料が充填される。例えばブランケッ
トCVD法により、ビアホール内にタングステンを埋め込むことができ、CMPによりコ
ンタクトプラグの上面は平坦化されている。
本明細書で開示される半導体装置及びその駆動方法によると、電源電圧の供給を適宜停止
することができる。
ができる。
する前におけるデータの退避及び電源電圧の供給を再開した後におけるデータの復元を行
う構成とすることができる。
ができる。
である。
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備
えた画像再生装置(代表的にはDVD:Digital Versatile Disc
等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置)に用いること
ができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器と
して、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯情報端末、電子書籍、ビデオカメラ、デジ
タルスチルカメラなどのカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ
)、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、デジタルオーディオプレ
イヤー等)、複写機、ファクシミリ、プリンター、プリンター複合機、現金自動預け入れ
払い機(ATM)、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図8に示す
。
示部5004、マイクロホン5005、スピーカ5006、操作キー5007、スタイラ
ス5008等を有する。なお、図8(A)に示した携帯型ゲーム機は、2つの表示部50
03と表示部5004とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに
限定されない。
示部5603、第2の表示部5604、接続部5605、操作キー5606等を有する。
第1の表示部5603は第1の筐体5601に設けられており、第2の表示部5604は
第2の筐体5602に設けられている。そして、第1の筐体5601と第2の筐体560
2とは、接続部5605により接続されており、第1の筐体5601と第2の筐体560
2の間の角度は、接続部5605により変更が可能となっている。第1の表示部5603
における映像の切り替えを、接続部5605における第1の筐体5601と第2の筐体5
602との間の角度に従って、行う構成としても良い。また、第1の表示部5603及び
第2の表示部5604の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示
装置を用いるようにしても良い。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチ
パネルを設けることで付加することができる。あるいは、位置入力装置としての機能は、
フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加する
ことができる。
キーボード5403、ポインティングデバイス5404等を有する。
303等を有する。
803、操作キー5804、レンズ5805、接続部5806等を有する。操作キー58
04及びレンズ5805は第1の筐体5801に設けられており、表示部5803は第2
の筐体5802に設けられている。そして、第1の筐体5801と第2筐体5802とは
、接続部5806により接続されており、第1の筐体5801と第2筐体5802の間の
角度は、接続部5806により変更が可能となっている。表示部5803における映像の
切り替えを、接続部5806における第1の筐体5801と第2の筐体5802との間の
角度に従って行う構成としても良い。
、ライト5104等を有する。
Node_2 ノード
Node_3 ノード
Node_4 ノード
P1 期間
P2 期間
P3 期間
P4 期間
10 半導体装置
20 半導体装置
30 半導体装置
110 記憶回路部
120 記憶回路部
121 トランジスタ
122 容量素子
123 トランジスタ
124 トランジスタ
125 トランジスタ
126 容量素子
127 トランジスタ
128 トランジスタ
200 記憶回路部
201 インバータ回路
202 インバータ回路
203 スイッチ
204 インバータ回路
205 スイッチ
220 記憶回路部
221 トランジスタ
222 容量素子
223 トランジスタ
224 トランジスタ
225 トランジスタ
226 容量素子
227 トランジスタ
228 トランジスタ
229 インバータ回路
230 インバータ回路
300 ロジックアレイ
301 LE
302 スイッチ部
303 配線群
304 配線群
305 入出力端子
311 LUT
312 フリップフロップ
313 マルチプレクサ
314 コンフィギュレーションメモリ
315 コンフィギュレーションメモリ
316 入力端子
317 出力端子
400 CPU
401 主記憶装置
411 プログラムカウンタ
412 命令レジスタ
413 命令デコーダ
414 汎用レジスタ
415 ALU
421 パワースイッチ
422 電源制御回路
500 コンフィギュレーションメモリ
501 データ線
502 ワード線
503 ワード線
511 トランジスタ
512 トランジスタ
513 トランジスタ
514 容量素子
520 コンフィギュレーションメモリ
531 トランジスタ
532 トランジスタ
533 トランジスタ
534 容量素子
535 トランジスタ
536 トランジスタ
537 トランジスタ
538 容量素子
540 インバータ回路
541 データ線
542 ワード線
543 ワード線
900 基板
901 トランジスタ
902 トランジスタ
904 ウェル
906 不純物領域
907 ゲート絶縁膜
908 ゲート電極層
909 サイドウォール絶縁膜
910 絶縁膜
911 絶縁膜
912 絶縁膜
913 コンタクトプラグ
914 配線層
915 コンタクトプラグ
916 配線層
917 コンタクトプラグ
918 配線層
919 絶縁膜
920 絶縁膜
921 コンタクトプラグ
922 配線層
923 バックゲート電極層
924 絶縁膜
925 コンタクトプラグ
926 酸化物半導体膜
927 ソース電極層
928 ドレイン電極層
929 ゲート絶縁膜
930 ゲート電極層
932 絶縁膜
933 絶縁膜
5001 筐体
5002 筐体
5003 表示部
5004 表示部
5005 マイクロホン
5006 スピーカ
5007 操作キー
5008 スタイラス
5101 車体
5102 車輪
5103 ダッシュボード
5104 ライト
5301 筐体
5302 冷蔵室用扉
5303 冷凍室用扉
5401 筐体
5402 表示部
5403 キーボード
5404 ポインティングデバイス
5601 筐体
5602 筐体
5603 表示部
5604 表示部
5605 接続部
5606 操作キー
5801 筐体
5802 筐体
5803 表示部
5804 操作キー
5805 レンズ
5806 接続部
Claims (2)
- ゲートが第1の制御信号が与えられる配線に電気的に接続され、ソース及びドレインの一方が入力信号が与えられる配線に電気的に接続され、ソース及びドレインの他方が第1の容量素子の一方の電極に電気的に接続された第1のトランジスタと、
他方の電極が第2の電位が与えられる配線に電気的に接続された前記第1の容量素子と、
ゲートが前記第1の容量素子の一方の電極に電気的に接続され、ソース及びドレインの一方が前記第2の電位が与えられる配線に電気的に接続された第2のトランジスタと、
ゲートが第2の制御信号が与えられる配線に電気的に接続され、ソース及びドレインの一方が前記第2のトランジスタのソース及びドレインの他方に電気的に接続され、ソース及びドレインの他方が出力信号が与えられる配線に電気的に接続された第3のトランジスタと、
ゲートが前記第1の制御信号が与えられる配線に電気的に接続され、ソース及びドレインの一方が前記出力信号が与えられる配線に電気的に接続され、ソース及びドレインの他方が第2の容量素子の一方の電極に電気的に接続された第4のトランジスタと、
他方の電極が前記第2の電位が与えられる配線に電気的に接続された前記第2の容量素子と、
ゲートが前記第2の容量素子の一方の電極に電気的に接続され、ソース及びドレインの一方が前記第2の電位が与えられる配線に電気的に接続された第5のトランジスタと、
ゲートが前記第2の制御信号が与えられる配線に電気的に接続され、ソース及びドレインの一方が前記第5のトランジスタのソース及びドレインの他方に電気的に接続され、ソース及びドレインの他方が前記入力信号が与えられる配線に電気的に接続された第6のトランジスタと、を有する半導体装置。 - ゲートが第1の制御信号が与えられる配線に電気的に接続され、ソース及びドレインの一方が入力信号が与えられる配線に電気的に接続され、ソース及びドレインの他方が第1の容量素子の一方の電極に電気的に接続された第1のトランジスタと、
他方の電極が第2の電位が与えられる配線に電気的に接続された前記第1の容量素子と、
ゲートが前記第1の容量素子の一方の電極に電気的に接続され、ソース及びドレインの一方が前記第2の電位が与えられる配線に電気的に接続された第2のトランジスタと、
ゲートが第2の制御信号が与えられる配線に電気的に接続され、ソース及びドレインの一方が前記第2のトランジスタのソース及びドレインの他方に電気的に接続され、ソース及びドレインの他方が出力信号が与えられる配線に電気的に接続された第3のトランジスタと、
ゲートが前記第1の制御信号が与えられる配線に電気的に接続され、ソース及びドレインの一方が前記出力信号が与えられる配線に電気的に接続され、ソース及びドレインの他方が第2の容量素子の一方の電極に電気的に接続された第4のトランジスタと、
他方の電極が前記第2の電位が与えられる配線に電気的に接続された前記第2の容量素子と、
ゲートが前記第2の容量素子の一方の電極に電気的に接続され、ソース及びドレインの一方が前記第2の電位が与えられる配線に電気的に接続された第5のトランジスタと、
ゲートが前記第2の制御信号が与えられる配線に電気的に接続され、ソース及びドレインの一方が前記第5のトランジスタのソース及びドレインの他方に電気的に接続され、ソース及びドレインの他方が前記入力信号が与えられる配線に電気的に接続された第6のトランジスタと、を有し、
前記第1乃至第6のトランジスタは、nチャネル型である半導体装置。
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