JP6012263B2 - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Description
本実施の形態では、あらかじめアドレスの第1のビット列のいずれかが割り当てられたラインをk(kは2以上の自然数)行備えるアレイがj(jは2以上の自然数)個設けられたセットをi(iは自然数)個備える記憶部、比較部並びに制御回路を有する半導体記憶装置について図1乃至図3を参照して説明する。具体的には、比較部を用いて、目的とするアドレスの第1のビット列にあらかじめ割り当てられたi×j行のラインのタグフィールドと、目的とするアドレスの第2のビット列を1回以上j回以下比較することにより、当該アドレスで特定されるデータが格納されているラインを検索し、比較部からキャッシュミス信号若しくはキャッシュヒット信号およびメインデータを出力する半導体記憶装置について説明する。
本発明の一態様の半導体記憶装置の構成を図1に示す。図1に例示する半導体記憶装置500は、記憶部510と、比較部520と、制御回路530と、を有する。なお、半導体記憶装置500は、例えばメインメモリである主記憶装置560と共に演算装置550に接続して用いることができる。
本発明の一態様の半導体記憶装置に用いることができるセットの構成を図2に示す。具体的には、トランジスタを用いた開閉器を介して複数のアレイが直列に接続されたセットの構成について説明する。
本発明の一態様の半導体記憶装置に用いることができるセットの構成を図3に示す。具体的には、トランジスタを用いた開閉器で複数のアレイが並列に接続されたセットの構成について説明する。
本実施の形態では、あらかじめアドレスの第1のビット列のいずれかが割り当てられたラインをk(kは2以上の自然数)行備えるアレイがj(jは2以上の自然数)個設けられたセットをi(iは自然数)個備える記憶部、比較部並びに制御回路を有する半導体記憶装置の駆動方法について、説明する。具体的には、実施の形態1で説明した半導体記憶装置の比較部を用いて、目的とするアドレスの第1のビット列にあらかじめ割り当てられたi×j行のラインのタグフィールドと、目的とするアドレスの第2のビット列を1回以上j回以下比較することにより、当該アドレスで特定されるデータが格納されているラインを検索し、比較部からキャッシュミス信号若しくはキャッシュヒット信号およびメインデータを出力する半導体記憶装置の駆動方法について図4、図5および図12を参照して説明する。特に、SRAMを用いて構成されたセルを備える本発明の一態様の半導体記憶装置の動作について説明する。
本実施の形態で例示する半導体記憶装置が備えるセルの構成を図4(A)に示す。セル111は、SRAMを用いて構成される。セル111は第1のインバータ101と、第2のインバータ102と、第1のトランジスタ103と、第2のトランジスタ104と、を有する。第1のインバータ101と第2のインバータ102とは、インバータ・ループを構成している。また、セル111はワード線451と、ワード線451と交差する一対のビット線401aおよび反転ビット線401bに接続されている。
本実施の形態で例示する半導体記憶装置が備えるセットの構成を図4(B)に示す。セット400はトランジスタを用いた開閉器で複数のアレイが直列に接続されている。セットには並行するワード線が複数配設され、該ワード線と交差する一対のビット線と反転ビット線が複数配設されている。そして、その交点にマトリクス状にセルが設けられている。
はじめに、演算装置が第1のビット列と、第2のビット列を含むアドレスを本発明の一態様の半導体記憶装置に出力する。
比較部に設けられたi個の比較回路の各々は、アドレスの第1のビット列に対応するラインのタグフィールドから読み出されたデータと、第1のステップで制御回路が出力したアドレスの第2のビット列を比較する(図12における比較52)。
選択回路は、キャッシュヒット信号を出力した比較回路が接続されたセットのアレイに設けられた該当するラインのデータフィールドからメインデータを、キャッシュヒット信号と共に制御回路に出力し第6のステップに進む(図12におけるメインデータ出力53)。そのとき以外は、第4のステップに進む。
また、比較部に設けられた比較回路に接続されたセットのいずれにおいても、タグフィールドに格納されたデータと第2のビット列が一致するラインが見つからない場合は、比較回路がキャッシュミス信号を制御回路に出力する。
i個のアレイのうち未だ選択されていないアレイがあるときは、制御回路はキャッシュミス信号に応じて、選択されていないアレイから一を選択するアレイ選択信号を記憶部に出力し、アドレスの第2のビット列を比較部に出力して第2のステップに進む。具体的には、第1のアレイ選択信号に選択されたアレイがキャッシュミス信号を出力した場合は、第2のアレイ選択信号を出力して、第2のステップに進む。また、第2のアレイ選択信号に選択されたアレイがキャッシュミス信号を出力した場合は、第3のアレイ選択信号を出力して、第3のステップに進む。このようにして、第jのアレイ選択信号まで順番にアレイ選択信号を比較部に出力し、上述の第2のステップに戻る動作を繰り返す(図12における判定54および第p(pは1以上j以下の自然数)の読み出し55)。なお、検索するアドレスは同じであるため、あらためてライン選択信号を出力しなおさなくてもよいが、アレイ選択信号を出力する度にライン選択信号を出力しなおしてもよい。また、記憶部のi個のアレイが全て選択された後は、第6のステップに進む。
選択回路からキャッシュヒット信号およびメインデータが入力されたときは、制御回路は外部出力端子にキャッシュヒット信号およびメインデータを出力する。
なお、i×j行のいずれのラインにも該当するデータが格納されておらず、演算装置にキャッシュミス信号を出力した場合、演算装置はメインメモリからデータを取得する。そして、本発明の一態様の半導体記憶装置は、いずれかのセットの該当するラインを選択し、メインメモリから取得した新たなデータを書き換えてもよい(図12における書き替え判定57)。データを書き換えるセットの選択方法としては、最も過去に使用されたラインを格納先として確定し、当該ラインに新たなデータを上書きするLRU(Least Recently Used)方式や、最も使用頻度が少ないセットを選択するLFU(Least Frequently Used)方式、または最初にデータが格納されたセットを選択するFIFO(First In First Out)方式などの書き換えアルゴリズムを用いることができる。いずれの方式を用いる場合も、書き替えないセットはデータを保持(図12におけるデータ保持58)し、書き替えるセットは新しいデータを書き込む(図12におけるデータ書込動作59)。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体記憶装置に用いることができる記憶部の構成について、図6を参照して説明する。具体的には、複数のアレイに重ねて設けられたトランジスタを備える開閉器により、当該複数のアレイを直列に接続する構成について説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体記憶装置が備える開閉器に用いることができるバンドギャップが2.5eV以上の半導体材料をチャネル形成領域に備えるトランジスタの構成について説明する。なお、本実施の形態で例示するトランジスタの作製方法は実施の形態5で説明する。
下地となる絶縁層704は絶縁性の表面を有し、チャネルが形成される酸化物半導体層713の下地となる。
チャネルが形成される酸化物半導体層713は、ゲート絶縁層712を介してゲート電極711と重なり、ゲート電極711を挟んで設けられた電極751と電極752と、電気的に接続されている。なお、電極751と電極752は、ソース電極またはドレイン電極として機能する。
ゲート絶縁層712は酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化ガリウム、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化タンタルなどを用いることができる。
ゲート電極711はゲート絶縁層712を介して酸化物半導体層713と重なり、トランジスタ710のゲート電極として機能する。
ゲート電極上の絶縁層714aは、ゲート電極711と重なり、絶縁性を有する。
電極751と電極752は、いずれも酸化物半導体層713と電気的に接続し、当該トランジスタのソース電極およびドレイン電極として機能する。
トランジスタを保護する絶縁層705は水分等の不純物が外部から侵入する現象を防いで、トランジスタを保護する層である。
本実施の形態では、実施の形態4で説明したバンドギャップが2.5eV以上の半導体材料をチャネル形成領域に備えるトランジスタ710の作製方法について、図7を用いて説明する。
はじめに、チャネルが形成される酸化物半導体層の下地となる絶縁層704を形成する。下地となる絶縁層704は、基板701上にプラズマCVD法またはスパッタリング法等により形成する。
次に、チャネルが形成される酸化物半導体層713を下地となる絶縁層704上に形成する。
次に、ゲート絶縁層712、ゲート電極711、およびゲート電極上の絶縁層714aの積層体を酸化物半導体層713上に形成する。
次に、側壁714bをゲート絶縁層712、ゲート電極711、およびゲート電極上の絶縁層714aの積層体の側面に接して形成する。
次に、ソース電極またはドレイン電極として機能する電極751、電極752を形成する。
次に、トランジスタを保護する絶縁層705を形成する。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体記憶装置が備える開閉器に用いることができるトランジスタに適用可能な酸化物半導体層の形成方法について説明する。具体的には、キャリア密度が低減され、実質的にI型の酸化物半導体層の作製方法について、図8を用いて説明する。
基板501に絶縁層504を形成する。チャネルが形成される酸化物半導体層の下地となる絶縁層504の少なくとも酸化物半導体層に接する領域は、熱処理により酸素が脱離する絶縁層を含む構成が好ましい。なぜなら、絶縁層504が酸素過剰領域を有すると、酸化物半導体層から絶縁層504に酸素が移動する現象を防ぐことができ、且つ後に説明する熱処理を施すことで、絶縁層504から酸化物半導体層に、酸素を供給できるからである。
酸化物半導体層413aを、下地となる絶縁層504上に形成する(図8(A)参照)。酸化物半導体層413aは、後にチャネルが形成される酸化物半導体層となるため、水素原子を含む不純物を極力排除されるように形成する。なぜなら、水素原子を含む不純物は、酸化物半導体層にドナー準位を形成し易いからである。
成膜条件の一例としては、基板とターゲットの間との距離を100mm、圧力0.6Pa、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。
水素原子を含む不純物が極力排除された酸化物半導体層413bを形成する(図8(B)参照)。
第1の熱処理の後、酸化物半導体層に酸素(少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む)を注入してもよい。
チャネルが形成される酸化物半導体層513を覆うゲート絶縁層512の少なくとも酸化物半導体層に接する領域は、熱処理により酸素が脱離する絶縁層を含む構成が好ましい。なぜなら、ゲート絶縁層512が酸素過剰領域を有すると、酸化物半導体層513からゲート絶縁層512に酸素が移動する現象を防ぐことができ、且つ後に説明する第2の熱処理を施すことで、ゲート絶縁層512から酸化物半導体層513に、酸素を供給できるからである。
次に、ゲート絶縁層512、ゲート電極511、およびゲート電極上の絶縁層514aの積層体を酸化物半導体層513上に形成する。
次に、絶縁層514bをゲート絶縁層512、ゲート電極511、およびゲート電極上の絶縁層514aの積層体の側壁に接して形成する。
チャネルが形成される酸化物半導体層513は、酸素が供給された酸化物半導体層が好ましい。特に、酸素欠損が補填された酸化物半導体層が好ましい。なぜなら、酸素欠損の一部がドナーとなって酸化物半導体層にキャリアが発生し、トランジスタの特性に影響を与えるおそれがあるからである。
以下、酸素の放出量をTDS分析で酸素原子に換算して定量する方法について説明する。
次に、ソース電極またはドレイン電極として機能する電極551、電極552を形成する。
次に、トランジスタを保護する絶縁層505を形成する。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体記憶装置が備える開閉器に用いることができるトランジスタに適用可能な酸化物半導体層について説明する。具体的には、c軸配向結晶を有する酸化物半導体層について説明する。
12 ビット列
20 キャッシュヒット信号
30 メインデータ
101 インバータ
102 インバータ
103 トランジスタ
104 トランジスタ
105 ノード
106 ノード
110 セル
111 セル
112 セル
118 出力信号線
119 出力信号線
120 セル
121 セル
122 セル
125 入力信号線
126 入力信号線
210 ライン
220 ライン
300_1〜300_j アレイ
300a アレイ
300b アレイ
310a アレイ
310b アレイ
310c アレイ
320a アレイ
320b アレイ
320c アレイ
400 セット
400_1〜400_i セット
401a ビット線
401b 反転ビット線
402a ビット線
402b 反転ビット線
410 セット
411 ビット線
412 ワード線
413a 酸化物半導体層
413b 酸化物半導体層
415a 開閉器
415b 開閉器
416a ゲート線
416b ゲート線
419 セット駆動回路
420 セット
421 ビット線
422 ワード線
425a 開閉器
425b 開閉器
425c 開閉器
426a ゲート線
426b ゲート線
426c ゲート線
429 セット駆動回路
450a ゲート線
451 ワード線
461 ワード線
490 セット駆動回路
500 半導体記憶装置
501 基板
504 絶縁層
505 絶縁層
510 記憶部
511 ゲート電極
512 ゲート絶縁層
513 酸化物半導体層
514a 絶縁層
514b 絶縁層
520 比較部
522_1〜522_i 比較回路
525 選択回路
530 制御回路
550 演算装置
551 電極
552 電極
560 主記憶装置
701 基板
702 素子分離絶縁層
703 絶縁層
704 絶縁層
705 絶縁層
710 トランジスタ
710a トランジスタ
710b トランジスタ
711 ゲート電極
712 ゲート絶縁層
713 酸化物半導体層
714a 絶縁層
714b 側壁
720 トランジスタ
726a 電極
726b 電極
730a アレイ
730b アレイ
750 開閉器
751 電極
752 電極
1501 信号
1502 信号
1503 信号
1504 信号
1505 信号
1506 信号
1507 信号
1508 信号
1509 信号
1510 信号
1511 信号
Claims (5)
- タグフィールドとデータフィールドを含むラインをk(kは2以上の自然数)行備えるアレイが、j(jは2以上の自然数)個設けられたセットを、i(iは自然数)個備える記憶部と、
i個の比較回路と、i個の前記比較回路およびi個の前記セットが接続される選択回路と、を備える比較部と、
前記選択回路と接続され、アドレスまたは/およびアドレスで特定されるメインデータが入力される外部入力端子と、キャッシュミス信号若しくはキャッシュヒット信号およびメインデータを出力する外部出力端子と、を備える制御回路と、を有し、
i個の前記セットの各々は、前記制御回路と接続され、
i個の前記比較回路の各々は、前記制御回路と接続され、
i個の前記セットの一は、i個の前記比較回路の一と接続されてi個の対をなし、
前記ラインは、前記アドレスの第1のビット列のいずれかにあらかじめ割り当てられ、
前記タグフィールドは、前記アドレスの第2のビット列を格納し、
前記データフィールドは、前記アドレスで特定されるメインデータを格納し、
前記比較部は、前記制御回路が選択するラインのタグフィールドと、前記制御回路から入力されるアドレスの第2のビット列とを比較して、一致しない場合はキャッシュミス信号を、一致する場合はキャッシュヒット信号と前記ラインのデータフィールドに格納されたメインデータとを、前記制御回路に出力する機能を有し、
前記制御回路は、
前記外部入力端子から入力されるアドレス信号または前記比較部から入力される前記キャッシュミス信号に応じて、前記入力されるアドレスの第1のビット列に割り当てられたラインを選択するライン選択信号およびj個の前記アレイから一を順番に選択するアレイ選択信号を記憶部に出力し、前記入力されるアドレスの第2のビット列を前記比較回路に出力する機能と、
前記アレイ選択信号をj個の前記アレイの全てについて出力した後に前記比較部から入力される前記キャッシュミス信号に応じて、キャッシュミス信号を前記外部出力端子に出力する機能と、
前記比較部から入力される前記キャッシュヒット信号に応じて、前記キャッシュヒット信号および前記メインデータを前記外部出力端子に出力する機能と、を有し、
j個の前記アレイは、開閉器を介して直列に接続され、
j個の前記アレイの一に含まれる第1のトランジスタは、前記開閉器に含まれる第2のトランジスタを介して、j個の前記アレイの別の一に含まれる第3のトランジスタと電気的に接続され、
前記第1のトランジスタのチャネル形成領域と、前記第3のトランジスタのチャネル形成領域とは、シリコン単結晶基板に設けられ、
前記第2のトランジスタは、絶縁層を介して、前記第1のトランジスタ上および前記第3のトランジスタ上に設けられ、
前記第2のトランジスタは、酸化物半導体層と、前記酸化物半導体層と接する領域を有する第1の電極と、前記酸化物半導体層と接する領域を有する第2の電極と、を有し、
前記第1の電極は、前記絶縁層に設けられた第1の開口を介して、前記第1のトランジスタのソース電極またはドレイン電極と電気的に接続され、
前記第2の電極は、前記絶縁層に設けられた第2の開口を介して、前記第3のトランジスタのソース電極またはドレイン電極と電気的に接続されることを特徴とする半導体記憶装置。 - 請求項1において、
前記ラインは、複数のSRAMを含むことを特徴とする半導体記憶装置。 - 請求項1において、
前記ラインは、DRAMを含み、
前記DRAMは、酸化物半導体を用いたトランジスタと、容量と、を有することを特徴とする半導体記憶装置。 - 請求項1乃至3のいずれか一において、
前記絶縁層は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムから選ばれた一または複数の材料を含み、
前記酸化物半導体層は、前記絶縁層上に接して設けられていることを特徴とする半導体記憶装置。 - 請求項1乃至4のいずれか一において、
前記第2のトランジスタ上の酸化物絶縁層と、前記酸化物絶縁層上の酸化アルミニウム層と、を有することを特徴とする半導体記憶装置。
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