JP5102870B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
チャネルが酸化物半導体内に形成されるトランジスタ10のVg(V(ボルト))とId(A(アンペア))の関係を測定した一例を図2(A)(B)に示す。VD(ドレイン電圧)が1Vのときにおいて、曲線1は紫外線照射前のVg−Id曲線、曲線2は紫外線照射直後のVg−Id曲線、曲線3は紫外線照射後、常温にて40時間放置後のVg−Id曲線である(図2(A))。またVD(ドレイン電圧)が10Vのときにおいて、曲線4は紫外線照射前のVg−Id曲線、曲線5は紫外線照射直後のVg−Id曲線、曲線6は紫外線照射後、常温にて40時間放置後のVg−Id曲線である(図2(B))。光源はキセノンランプを用いた。光強度は10万lx程度、照射時間は30分とした。チャネルには非晶質In−Ga−Zn−O系の酸化物半導体を用いた。トランジスタ10の構造はボトムゲート型である(図3)。
本実施形態は、第1のトランジスタ及び第2のトランジスタを有するメモリセルを有し、第1のトランジスタは、第1のチャネル、第1のゲート電極、第1のソース電極及び第1のドレイン電極を有し、第2のトランジスタは、第2のチャネル、第2のゲート電極、第2のソース電極及び第2のドレイン電極を有し、第2のチャネルは酸化物半導体からなり、第2のソース電極及び第2のドレイン電極の一方は第1のゲート電極と電気的に接続され、メモリセルへの情報の書き込み及び消去は、第2のソース電極及び第2のドレイン電極の一方と、第1のゲート電極との間のノードの電位を高くする、又は前記ノードへ電荷を蓄積することにより情報が書き込まれ、第2のチャネルに紫外線を照射して、前記ノードの電位を低くする、又は前記ノードから電荷を放出することにより情報が消去される不揮発性メモリを開示する。
メモリセル22の動作を説明する。ここでは第1のトランジスタ20及び第2のトランジスタ21はn型のトランジスタであるとする。
1.情報の書き込み、保持及び読み出し
初期状態では第2のトランジスタ21及び第1のトランジスタ20ともにオフ状態である(図5(A))。
第2のトランジスタ21の第2のチャネル28に紫外線を照射する。第2のトランジスタ21は紫外線を照射しない状態ではノーマリーオフ型であるが、紫外線を照射するとノーマリーオン型、すなわちオン状態になる(図6(A))。第2のゲート電極27に電圧0Vを印加していても第2のトランジスタ21はオン状態になる。そして紫外線の照射を止めても第2のトランジスタ21はオン状態のままである。
次にメモリセル22が有する第1のトランジスタ20、第2のトランジスタ21を説明する(図7)。図7(A)は、メモリセル22の断面図、図7(B)は、メモリセル22の平面図である。図7(A)は、図7(B)の線A1−A2および線B1−B2における断面に相当する。図7(A)および図7(B)に示されるメモリセル22は、下部に酸化物半導体以外の材料を用いた第1のトランジスタ20を有し、上部に酸化物半導体を用いた第2のトランジスタ21を有する。なお第1のトランジスタ20および第2のトランジスタ21は、いずれもn型トランジスタとして説明するが、p型トランジスタを採用しても良い。第1のトランジスタ20はp型とすることが容易である。
半導体材料を含む基板100を用意する(図8(A))。半導体材料を含む基板100としては、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、SOI基板などを適用することができる。ここでは、半導体材料を含む基板100として、単結晶シリコン基板を用いる場合の一例について示すものとする。なお、一般に「SOI基板」は、絶縁表面上にシリコン半導体層が設けられた構成の基板をいうが、本明細書等においては、絶縁表面上にシリコン以外の材料からなる半導体層が設けられた構成の基板をも含む概念として用いる。つまり、「SOI基板」が有する半導体層は、シリコン半導体層に限定されない。また、SOI基板には、ガラス基板などの絶縁基板上に絶縁層を介して半導体層が設けられた構成のものが含まれるものとする。
層間絶縁層128上に第2のトランジスタ21を作製する工程について説明する(図9−10)。図9−10は、第2のトランジスタ21の下部に存在する第1のトランジスタ20等は省略している。
本実施形態は、第1のメモリセルと、第2のメモリセルと、を有し、第1のメモリセルは、第1のトランジスタ、第2のトランジスタ及び第1の容量素子を有し、第1のトランジスタは、第1のチャネル、第1のゲート電極、第1のソース電極及び第1のドレイン電極を有し、第2のトランジスタは、第2のチャネル、第2のゲート電極、第2のソース電極及び第2のドレイン電極を有し、第2のチャネルは酸化物半導体からなり、第2のソース電極及び第2のドレイン電極の一方は第1のゲート電極及び第1の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、第2のメモリセルは第3のトランジスタ、第4のトランジスタ及び第2の容量素子を有し、第3のトランジスタは、第3のチャネル、第3のゲート電極、第3のソース電極及び第3のドレイン電極を有し、第4のトランジスタは、第4のチャネル、第4のゲート電極、第4のソース電極及び第4のドレイン電極を有し、第4のチャネルは酸化物半導体からなり、第4のソース電極及び第4のドレイン電極の一方は第3のゲート電極及び第2の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、第1のソース電極及び第1のドレイン電極の一方は、前記第3のソース電極及び第3のドレイン電極の一方である、又は第1のソース電極及び第1のドレイン電極の一方は、第3のソース電極及び第3のドレイン電極の一方と電気的に接続され、第1のメモリセルへの情報の書き込み及び消去は、第2のソース電極及び第2のドレイン電極の一方と、第1のゲート電極との間のノードの電位及び第1の容量素子の一方の電極の電位を高くする、又はノード及び一方の電極へ電荷を蓄積することにより情報が書き込まれ、第2のチャネルに紫外線を照射することにより、ノードの電位及び第1の容量素子の一方の電極の電位を低くする、又はノード及び電極から電荷を放出することにより情報が消去され、第2のメモリセルへの情報の書き込み及び消去は、第4のソース電極及び第4のドレイン電極の一方と、第3のゲート電極との間のノードの電位及び第2の容量素子の一方の電極の電位を高くする、又はノード及び一方の電極へ電荷を蓄積することにより情報が書き込まれ、第4のチャネルに紫外線を照射して、ノードの電位及び第2の容量素子の一方の電極の電位を低くする、又はノード及び電極から電荷を放出することにより情報が消去される不揮発性メモリを示す。
不揮発性メモリ50の動作を説明する。
1.情報の書き込み、保持及び読み出し
初期状態では第1のトランジスタ51、第2のトランジスタ52、第3のトランジスタ64及び第4のトランジスタ65はオフ状態である(図14(A))。
第2のゲート電極57に電圧(VG2)を印加して第2のトランジスタ52をオン状態にする。ただしVG2≧第2のトランジスタ52のしきい値電圧(VTH2)である(電圧VG2は電圧VTH2以上)。第2のトランジスタ52がオン状態になると、データ入出力線91の電位(VSD2)が、電極60と、第1のゲート電極53との間にあるノード41及び電極62に与えられる。ノード41及び電極62の電位が高くなる。ノード41に、データ入出力線91から、電極59、電極60を経て、電荷が蓄積される。また第1の容量素子61にも電荷が蓄積される。ノード41、電極62、第1のゲート電極53は同電位であるから、第1のゲート電極53にVSD2が印加されて第1のトランジスタ51がオン状態になる。ただしVSD2≧第1のトランジスタ51のしきい値電圧(VTH1)である(電圧VSD2は電圧VTH1以上)。第1のトランジスタ51がオン状態になると、電極55から電極56に電流が流れる(図14(B)、情報の書き込み)。
第4のゲート電極70に電圧(VG4)を印加して第4のトランジスタ65をオン状態にする。ただしVG4≧第4のトランジスタ65のしきい値電圧(VTH4)である(電圧VG4は電圧VTH4以上)。第4のトランジスタ65がオン状態になると、データ入力線91の電位(VSD4)が、ノード42及び電極75に与えられる。ノード42及び電極75の電位が高くなる。ノード42に、データ入出力線91から、電極72、電極73を経て、電荷が蓄積される。また第2の容量素子74にも電荷が蓄積される。ノード42、電極75、第3のゲート電極66は同電位であるから、第3のゲート電極66にVSD4が印加されて第3のトランジスタ64がオン状態になる。ただしVSD4≧第3のトランジスタ64のしきい値電圧(VTH3)である(電圧VSD4は電圧VTH3以上)。第3のトランジスタ64がオン状態になると、電極68の電位が電極69よりも高ければ、電極68から電極69に電流が流れる(図16(A)、情報の書き込み)。
第2のゲート電極57に電圧(VG2)を印加して第2のトランジスタ52をオン状態にする。第2のトランジスタ52がオン状態になると、データ入力線91の電位(VSD2)が、電極60と、第1のゲート電極53との間にあるノード41、電極62に与えられる。ノード41の電位が高くなる。ノード41に、データ入出力線91から、電極59、電極60を経て、電荷が蓄積される。また第1の容量素子61にも電荷が蓄積される。第1のゲート電極53にVSD2が印加されて第1のトランジスタ51がオン状態になる。
ここでは図17(B)の状態にある不揮発性メモリ50において、情報を一括消去する。第2のトランジスタ52の第2のチャネル58及び第4のトランジスタ65の第4のチャネル71に紫外線を照射する。第2のトランジスタ52及び第4のトランジスタ65は、紫外線を照射するとノーマリーオン型、すなわちオン状態になる(図18(A))。第2のゲート電極57及び第4のゲート電極70に電圧0Vを印加していても第2のトランジスタ52及び第4のトランジスタ65はオン状態になる。そして紫外線の照射を止めても第2のトランジスタ52及び第4のトランジスタ65はオン状態のままである。
本実施形態は、第1のトランジスタ、第2のトランジスタ及び第3のトランジスタを有するメモリセルを有し、第1のトランジスタは、第1のチャネル、第1のゲート電極、第1のソース電極及び第1のドレイン電極を有し、第2のトランジスタは、第2のチャネル、第2のゲート電極、第2のソース電極及び第2のドレイン電極を有し、第2のチャネルは酸化物半導体からなり、第3のトランジスタは、第3のチャネル、第3のゲート電極、第3のソース電極及び第3のドレイン電極を有し、第2のソース電極及び第2のドレイン電極の一方は第1のゲート電極と電気的に接続され、第1のソース電極及び第1のドレイン電極の一方は、第3のソース電極及び第3のドレイン電極の一方である、又は第1のソース電極及び第1のドレイン電極の一方は、第3のソース電極及び第3のドレイン電極の一方と電気的に接続され、メモリセルへの情報の書き込み及び消去は、第2のソース電極及び第2のドレイン電極の一方と、第1のゲート電極との間のノードの電位を高くする、又はノードに電荷を蓄積することにより情報が書き込まれ、第2のチャネルに紫外線を照射して、ノードの電位を低くする、又はノードから電荷を放出することにより情報が消去される不揮発性メモリを示す。
不揮発性メモリ200の動作を説明する。
1.情報の書き込み、保持及び読み出し
初期状態では第1のトランジスタ201、第2のトランジスタ202及び第3のトランジスタ203はオフ状態である(図21(A))。
ここでは図22(A)の状態にある不揮発性メモリ200において、情報を消去する。第2のトランジスタ202の第2のチャネル209に紫外線を照射する。第2のトランジスタ202は、紫外線を照射するとノーマリーオン型、すなわちオン状態になる(図23(A))。第2のゲート電極208に電圧0Vを印加していても第2のトランジスタ202はオン状態になる。そして紫外線の照射を止めても第2のトランジスタ202はオン状態のままである。
本実施形態は、トランジスタ及び容量素子を有するメモリセルを有し、トランジスタは、チャネル、ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を有し、チャネルは酸化物半導体からなり、ソース電極及びドレイン電極の一方は容量素子の一方の電極と電気的に接続され、メモリセルへの情報の書き込み及び消去は、ソース電極及びドレイン電極の一方と、容量素子の一方の電極との間のノードの電位を高くする、又はノードに電荷を蓄積することにより情報が書き込まれ、チャネルに紫外線を照射して、ノードの電位を低くする、又はノードから電荷を放出することにより情報が消去される不揮発性メモリを示す。
不揮発性メモリ262の動作を説明する。
1.情報の書き込み、保持
初期状態ではトランジスタ251はオフ状態である(図26(A))。
トランジスタ251のチャネル253に紫外線を照射する。トランジスタ251は、紫外線を照射するとノーマリーオン型、すなわちオン状態になる(図28(A))。ゲート電極252に電圧0Vを印加していてもトランジスタ251はオン状態になる。そして紫外線の照射を止めてもトランジスタ251はオン状態のままである。
本実施の形態では、先の実施の形態で得られる不揮発性メモリを搭載した電子機器の例について図31を用いて説明する。先の実施形態で得られる不揮発性メモリは、電力の供給がない場合でも、情報を保持することが可能である。また、容易に情報を消去できる。さらに、その動作も高速である。このため、当該不揮発性メモリを用いて新たな構成の電子機器を提供することが可能である。なお、先の実施形態に係る不揮発性メモリは、集積化されて回路基板などに実装され、各電子機器の内部に搭載されることになる。
2 曲線
3 曲線
4 曲線
10 トランジスタ
11 基板
12 絶縁膜
13 ゲート電極
14 ゲート絶縁膜
15 酸化物半導体膜
16 ソース電極
17 ドレイン電極
18 パッシベーション膜
20 第1のトランジスタ
21 第2のトランジスタ
22 メモリセル
23 第1のゲート電極
24 電極
25 電極
26 第1のチャネル
27 第2のゲート電極
28 第2のチャネル
29 電極
30 電極
31 ノード
41 ノード
42 ノード
50 不揮発性メモリ
51 第1のトランジスタ
52 第2のトランジスタ
54 第1のチャネル
53 第1のゲート電極
55 電極(第1のソース電極及び第1のドレイン電極の他方)
56 電極(第1のソース電極及び第1のドレイン電極の一方)
57 第2のゲート電極
58 第2のチャネル
59 電極(第2のソース電極及び第2のドレイン電極の他方)
60 電極(第2のソース電極及び第2のドレイン電極の一方)
61 第1の容量素子
62 電極
63 電極
64 第3のトランジスタ
65 第4のトランジスタ
66 第3のゲート電極
68 電極(第3のソース電極及び第3のドレイン電極の一方)
69 電極(第3のソース電極及び第3のドレイン電極の他方)
70 第4のゲート電極
71 第4のチャネル
72 電極(第4のソース電極及び第4のドレイン電極の他方)
73 電極(第4のソース電極及び第4のドレイン電極の一方)
74 第2の容量素子
75 電極
76 電極
90 データ出力線
91 データ入出力線
95 第1のメモリセル
96 第2のメモリセル
100 基板
102 保護層
104 半導体領域
106 素子分離絶縁層
108a 第1のゲート絶縁層
110a 第1のゲート電極
112 絶縁層
114 不純物領域
116 第1のチャネル
118 サイドウォール絶縁層
120 高濃度不純物領域
122 金属層
124 金属化合物領域
126 層間絶縁層
128 層間絶縁層
130a 電極(第1のソース電極及び第1のドレイン電極の一方)
130b 電極(第1のソース電極及び第1のドレイン電極の他方)
130c 電極
132 絶縁層
134 導電層
136a 電極
136b 電極
136c 電極
136d 第2のゲート電極
138 第2のゲート絶縁層
140 酸化物半導体層
142a 電極(第2のソース電極及び第2のドレイン電極の一方)
142b 電極(第2のソース電極及び第2のドレイン電極の一方)
144 保護絶縁層
146 層間絶縁層
148 導電層
150a 電極
150b 電極
150c 電極
150d 電極
150e 電極
152 絶縁層
154a 電極
154b 電極
154c 電極
154d 電極
200 不揮発性メモリ
201 第1のトランジスタ
202 第2のトランジスタ
203 第3のトランジスタ
205 第1のチャネル
204 第1のゲート電極
206 電極(第1のソース電極及び第1のドレイン電極の一方)
207 電極(第1のソース電極及び第1のドレイン電極の他方)
209 第2のチャネル
208 第2のゲート電極
210 電極(第2のソース電極及び第2のドレイン電極の他方)
211 電極(第2のソース電極及び第2のドレイン電極の一方)
212 第3のゲート電極
213 第3のチャネル
214 電極(第3のソース電極及び第3のドレイン電極の一方)
215 電極(第3のソース電極及び第3のドレイン電極の他方)
220 メモリセル
221 配線
222 配線
223 データ入出力線
224 データ出力線
230 ノード
251 トランジスタ
252 ゲート電極
253 チャネル
253’ 酸化物半導体層
254 電極(ソース電極及びドレイン電極の他方)
255 電極(ソース電極及びドレイン電極の一方)
256 容量素子
257 電極
258 電極
259 ワード線
260 ビット線
261 メモリセル
262 不揮発性メモリ
270 ノード
271 基板
272 絶縁層
273 ゲート絶縁層
274 絶縁層
275 絶縁層
301 本体
302 筐体
303 表示部
304 キーボード
311 本体
312 スタイラス
313 表示部
314 操作ボタン
315 外部インターフェース
320 電子書籍
321 筐体
323 筐体
325 表示部
327 表示部
331 電源
333 操作キー
335 スピーカー
337 軸部
340 筐体
341 筐体
342 表示パネル
343 スピーカー
344 マイクロフォン
345 操作キー
346 ポインティングデバイス
347 カメラ用レンズ
348 外部接続端子
349 太陽電池セル
350 外部メモリスロット
361 本体
363 接眼部
364 操作スイッチ
365 表示部(B)
366 バッテリー
367 表示部(A)
370 テレビジョン装置
371 筐体
373 表示部
375 スタンド
377 表示部
379 操作キー
380 リモコン操作機
Claims (8)
- 第1のトランジスタ及び第2のトランジスタを有するメモリセルを有し、
前記第1のトランジスタは、第1のゲート電極、第1のソース電極及び第1のドレイン電極を有し、
前記第2のトランジスタは、チャネルが形成される酸化物半導体膜、第2のゲート電極、第2のソース電極及び第2のドレイン電極を有し、
前記第2のソース電極及び第2のドレイン電極の一方は前記第1のゲート電極と電気的に接続され、
前記酸化物半導体膜に紫外線を照射して前記第1のゲート電極の電位を低くすることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1において、紫外線を照射することにより、前記第2のトランジスタはオンすることを特徴とする半導体装置。
- 第1のメモリセルと、
第2のメモリセルと、を有し、
第1のメモリセルは、第1のトランジスタ、第2のトランジスタ及び第1の容量素子を有し、
前記第1のトランジスタは、第1のゲート電極、第1のソース電極及び第1のドレイン電極を有し、
前記第2のトランジスタは、チャネルが形成される第1の酸化物半導体膜、第2のゲート電極、第2のソース電極及び第2のドレイン電極を有し、
前記第2のソース電極及び前記第2のドレイン電極の一方は前記第1のゲート電極及び前記第1の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
第2のメモリセルは第3のトランジスタ、第4のトランジスタ及び第2の容量素子を有し、
前記第3のトランジスタは、第3のゲート電極、第3のソース電極及び第3のドレイン電極を有し、
前記第4のトランジスタは、チャネルが形成される第2の酸化物半導体膜、第4のゲート電極、第4のソース電極及び第4のドレイン電極を有し、
前記第4のソース電極及び前記第4のドレイン電極の一方は前記第3のゲート電極及び前記第2の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
前記第1のソース電極及び前記第1のドレイン電極の一方は、前記第3のソース電極及び前記第3のドレイン電極の一方である、又は前記第1のソース電極及び前記第1のドレイン電極の一方は、前記第3のソース電極及び前記第3のドレイン電極の一方と電気的に接続され、
前記第1の酸化物半導体膜に紫外線を照射して前記第1のゲート電極の電位を低くし、
前記第2の酸化物半導体膜に紫外線を照射して前記第3のゲート電極の電位を低くすることを特徴とする半導体装置。 - 請求項3において、紫外線を照射することにより、前記第2のトランジスタ及び前記第4のトランジスタはオンすることを特徴とする半導体装置。
- 第1のトランジスタ、第2のトランジスタ及び第3のトランジスタを有するメモリセルを有し、
前記第1のトランジスタは、第1のゲート電極、第1のソース電極及び第1のドレイン電極を有し、
前記第2のトランジスタは、チャネルが形成される酸化物半導体膜、第2のゲート電極、第2のソース電極及び第2のドレイン電極を有し、
前記第3のトランジスタは、第3のゲート電極、第3のソース電極及び第3のドレイン電極を有し、
前記第2のソース電極及び前記第2のドレイン電極の一方は前記第1のゲート電極と電気的に接続され、
前記第1のソース電極及び前記第1のドレイン電極の一方は、前記第3のソース電極及び第3のドレイン電極の一方である、又は前記第1のソース電極及び前記第1のドレイン電極の一方は、前記第3のソース電極及び前記第3のドレイン電極の一方と電気的に接続され、
前記酸化物半導体膜に紫外線を照射して前記第1のゲート電極の電位を低くすることを特徴とする半導体装置。 - 請求項5において、前記紫外線を照射することにより、前記第2のトランジスタはオンすることを特徴とする半導体装置。
- トランジスタ及び容量素子を有するメモリセルを有し、
前記トランジスタは、チャネルが形成される酸化物半導体膜、ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を有し、
前記ソース電極及びドレイン電極の一方は前記容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
前記酸化物半導体膜に紫外線を照射して前記容量素子の一方の電極の電位を低くすることを特徴とする半導体装置。 - 請求項7において、紫外線を照射することにより、前記トランジスタはオンすることを特徴とする半導体装置。
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